נזקי DNA בעקבות קרינת UV וקרינת רנטגן

נזקי DNA בעקבות קרינת UV וקרינת רנטגן הם נזקים הנגרמים לדנ"א כתוצאה מקרינה מייננת, דוגמת קרינת הרנטגן, וקרינה לא מייננת בעלת אנרגיה גבוהה, דוגמת קרינת UV. סוגי קרינה אלו יכולים להוביל לנזקים חמורים ביצור החי. על כן, ישנה חשיבות רבה בהבנת הנזקים הנגרמים מקרינות הללו ומנגנוני התיקון התאיים והטיפולים הרפואיים המתקנים ומגנים מפני אותם נזקים.

קרינה אלקטרומגנטית

קרינה היא תהליך שבו חלקיקים נושאי אנרגיה נפלטים מגוף אחד ונעים כגל המתפשט במרחב. היא בעלת תכונות פיזיקליות של אורך גל, תדר ושדה מגנטי. שיא גובה הגל הוא העוצמה שלו; אורך הגל הוא המרחק בין שני שיאים סמוכים ותדירות הגל היא מספר הפעמים ביחידת זמן שבהן הגל מגיע לשיא.

בקרינה אלקטרומגנטית, ככל שאורך הגל קטן יותר, תדירותו גבוהה יותר וכך כמות האנרגיה שלו גדולה יותר. קיים טווח רחב של סוגי קרינה, התלוי בסוג החלקיקים הנושאים את האנרגיה ובתדירות הגל. תדירות גל גבוהה, בעלת אנרגיה נמוכה יותר, קיימת בגלי רדיו או בגלים באור הנראה, היא קרינה בלתי מייננת. לקרינה מסוג זה אין אנרגיה מספיקה על מנת לשבור קשרים קוולנטים ולפגוע במולקולות המרכיבות את הגוף. תדירות גל נמוכה מתחת ל־121.6 ננומטר, כמו חלק מטווח האולטרה-סגול, ה-X-ray וה-γ-ray היא בעלת אנרגיה גבוהה, ויכולה לגרום לשבירת קשר קוולנטי ונזק לרקמות הגוף.

ספיגה של אנרגיה מקרינה על ידי חומר ביולוגי יכולה להוביל לאחד משני התהליכים הבאים: יינון או עירור. עירור הוא העלאה של האלקטרון במולקולה לרמת אנרגיה גבוהה יותר, מבלי להוציא בפועל את האלקטרון ולשבור את הקשר. בזמן שיינון הוא הוצאת האלקטרון מהמולקולה, שבירת הקשר הקוולנטי ויצירת יונים. דבר זה יתאפשר רק אם לקרינה יש אנרגיה מספקת על מנת להוציא בפועל אלקטרון מהאורביטל הנוכחי שלו באטום, עד כדי שבירת קשר קוולנטי כפול, דוגמת קשרים בגדיל DNA.

קרינת רנטגן

בשנת 1895, וילהלם קונרד רנטגן גילה שפריקת מתח גבוה בין אלקטרודות, בגז בלחץ נמוך, מייצרת קרינה חודרת הגורמת לחומרים מסוימים להאיר באור הנראה. לפי הגדרתו של רונטגן, אם המתח בין האלקטרודות עולה על 30 קילוואט, הקרינה יכולה לחדור את רקמות הגוף הרכות ולהטיל צלליות של הרקמות הקשות, כגון עצמות, על גבי מסך ניאון. זמן לא רב לאחר הניסוי של רונטגן, התחדדה ההבנה בנוגע להליך הפיזיקלי המתרחש בעת פריקת המתח. ההליך מתחיל בכך שאלקטרונים נפלטים מהאלקטרודה השלילית של צינור הפריקה, ומואצים על ידי המתח המופעל בין האלקטרודות ופולטים קרינה אלקטרומגנטית. הקרינה הזו היא בעלת אנרגיה גבוהה ביותר, נמצאת בטווח הקרינה המייננת אשר יכולה להוביל לשברים דו-גדילים הבסיס לנזקי ה-DNA שעלולים להיגרם בעקבות חשיפה לקרינת X-ray. עצם החשיפה לא בהכרח גורמת לנזקים באופן ישיר – נדרשת רמה מסוימת ומשך זמן מסוים על מנת שהקרינה תשפיע על ה-DNA. מחקרים אחרונים מראים כי קיימות "טביעות אצבעות" ספציפיות בגנים מוטנטיים שהפכו כאלה כתוצאה מקרינה לעומת כאלו שהגוף יצר בעצמו.

ניתן לאפיין את השפעת הקרינה המייננת על ה-DNA בשני מישורים:

1. השפעה על גדיל ה-DNA עצמו – יצירת שבר בין שני גדילי ה-DNA. השבירה בין שני הגדילים היא כתוצאה מיינון ישיר של מולקולת ה-DNA. שבירה כזו יכולה להוביל לפגיעה מבנה הכרומוזום וליצור כל אחד מהאברציות הכרומוזומליות הבאות:

א. טרנסלוקציות כרומוזומליות (Translocation) – שבירה דו-גדילית של מולקולת ה-DNA הגורמת לניתוק חלק מהכרומוזום וחיבורו לכרומוזום אחר (לא הומולוגי) או לאותו כרומוזום בצידו האחר. כאשר סגמנט ה-DNA עובר רק מכרומוזום אחד לאחר, זוהי טרנסלוקציה לא מאוזנת (nonreciprocal translocation), היכולה להוביל לאיבוד חומר גנטי. מנגד, כאשר שני כרומוזומים לא הומולוגים מחליפים סגמנטים של DNA אחד עם השני, זוהי טרנסלוקציה מאוזנת (Reciprocal translocation). טרנסלוקציה זו אינה גורמת לאיבוד חומר גנטי ולכן לרוב פחות מזיקה מטרנסלוקציה לא מאוזנת. בשני המקרים הטרנסלוקציה יכולה להוביל להרס גנים בנקודת השבר או לשינוי בקרתי של הגנים שיכול להזיק ליצור החי.
ב. היפוך (Inversion) – השבירה יכולה לגרום לאחד האזורים להתהפך, ולהתחבר חזרה לגדיל השני, כשהוא בכיוון ההפוך. גם במקרה זה, בדומה לטרנסלוקציה, רצף הגנים או הבקרה עליהם יכולים להיפגע.

ג.	מחיקה (deletion) – פגיעה נוספת בגדיל ה-DNA עצמו היא תופעת המחיקה (deletion), בה קיים אזור ספציפי בגדיל ה-DNA שהבסיסים בו ימחקו. תוצאת המחיקה יכולה לא להשפיע כלל על הגוף אך יכולה גם לגרום ליצירת גן מוטנטי. שכן, בסיסים ימחקו וה-DNA שישוכפל לא ישוכפל על בסיס גדיל מקורי אלא על בסיס גדיל שחסר את הבסיסים הרלוונטיים שלו.

תהליכים אלו עלולים לגרום למוטציות שיביאו להתחלקות לא מבוקרת של תאים ולגרימת גידולים סרטניים עקב פגיעה בגנים מדכאי סרטן (Tumor suppression genes ) או פגיעה בבקרה על אונקוגנים. שבירת גדילי ה-DNA ותופעת המחיקה המביאים לשינוי מבני של הגדילים יכולים לגרום לאיבוד הגנים הללו או שינוי בבקרתם. האזורים המועדים יותר לתהליך הזה הם איברים בגוף בהם יש התחלקות מהירה, לדוגמה: מח העצם, מעי, עור ועוד.

2. השפעה עקיפה על ה-DNA  – השפעה מהסוג הזה תתרחש בעקבות פגיעה של קרינה מייננת במולקולות הנמצאות בסביבת ה-DNA. הדוגמה השכיחה ביותר היא מולקולות מים, הנמצאות בשכיחות גבוהה בתאי הגוף. מולקולות אלה עוברות יינון כתוצאה מהקרינה, והופכות לרדיקלים חופשיים. רדיקלים חופשיים הם חלקיקים ריאקטיביים מאוד הנוטים להתחבר ולשנות מולקולות איתן הם באים במגע. מידת הריאקטיביות הגבוהה שלהם גורמת לשינוי מבני או כימי של המולקולות סביבם, מה שעלול לגרום לנזקים. במקרה שלנו, הנזק המדובר המשמעותי יהיה לגדילי ה-DNA.

מנגנוני תיקון 
קיימים מנגנוני תיקון טבעיים של ה-DNA למוטציות המתרחשות במהלך תהליכים השעתוק והשכפול. עם זאת, הגוף יודע להתמודד עם כמות ספציפית של מוטציות בפרק זמן נתון. חשיפה ממושכת לקרינה תגרום למוטציות בהיקף שהגוף לא יודע להתמודד איתן. במקרה כזה, תא שנפגע מהקרינה יפעיל את מנגנון המוות העצמי שלו (אפופטוזה).

ישנם שני סוגים של מנגנוני תיקון המתקנים שברים דו גדיליים:
 NHEJ-Nonhomologous End Joining (שלב G1) - משנה את הרצף המקורי (בגיל 70, תא טיפוסי יכיל כ-2,000 "צלקות").
 HR-Homologues Recombination (שלב S ו-2G) - משחזר את הרצף המקורי. משחק תפקיד גם השחלוף. שברים מתרחשים כמעט בכל חלוקה, ולכן המנגנון חיוני ובעל חלבונים שמורים מאוד.

מחלות הקשורות לפגיעה ב-DNA בעקבות קרינת X-ray
 סרטן – הסכנה המשמעותית ביותר בחשיפה מוגברת לקרינה. מסיבה זו נשים בהריון לא נחשפות לקרינה – חשיפה זו מעלה את הסיכויים לסרטן של העובר.
 ARS – Acute radiation syndrome - אוסף של השפעות בריאותיות עקב חשיפה לכמויות גבוהות של קרינה מייננת בפרק זמן קצר. התסמינים יכולים להתחיל תוך שעה ועשויים להימשך מספר חודשים. במהלך הימים הראשונים התסמינים כוללים בדרך כלל בחילה, הקאות, אובדן תיאבון, כאבי ראש וזיהומים. התסמינים בהיחשפות חמורה לפרקי זמן ארוכים הם נשירת שיער, צואה דמית, בעיות נוירולוגיות קשות ומוות.
 קרינה פוגעת באיברים בעלי יכולת התחלקות מהירה, דוגמת בלוטת התריס, הגונדות (אשכים בזכר ושחלות בנקבה) והמעי (זיהוי של פגיעה בו יכול להתרחש לאחר אבחנה של כיבי קיבה, שלשולים והקאות). פגיעה באיברים אלו עלולה לפגוע בתהליכים נרחבים בגוף ולגרום להתפתחות של מחלות נוספות בדרך עקיפה, לדוגמה אי פריון או קטרקט.

טיפול רפואי במקרה של חשד לפגיעה

אם לאחר חשיפה מוגברת לקרינה רדיואקטיבית מתעורר חשד לפגיעה ברקמות הגוף, קיימות תרופות אותן ניתן ליטול בהוראת רופא. מרבית התרופות עובדות על מנגנון של היקשרות לחלקיקים הרדיואקטיביים ובכך הפחתה של היקשרות שלהם לתאי הגוף. בין תרופות אלה קיימות התרופות הבאות:
 יודיד האשלגן (Potassium iodide) – טבליה המכילה תערובת של יודיד האשלגן. מוכרת גם בשם "לוגול". יוד הוא יסוד החיוני לתפקוד תקין של בלוטת התריס. בהיחשפות לקרינה משמעותית, דוגמת קרינה הנפלטת מכור גרעיני, בלוטת התריס תספוג יוד רדיואקטיבי (radioiodine). נטילת טבליית יודיד האשלגן עשויה למלא "משרות פנויות" בבלוטת התריס ולמנוע את ספיגת היוד הרדיואקטיבי. טיפול זה אינו טיפול לריפוי אלא להגנה מפני נזק והוא היעיל ביותר אם נלקח תוך יום מחשיפה לקרינה.
 כחול פרוסי (Prussian blue) – טיפול יעיל במקרה של חשיפה לצזיום ותליום רדיואקטיביים. זהו צבע מסוים הנקשר לחלקיקים של היסודות הרדיואקטיביים הללו ומביא להפרשתם לאחר מכן בצואה. טיפול זה מזרז את סילוק החלקיקים הרדיואקטיביים ומפחית את כמות הקרינה שעלולה להיספג לבסוף בגוף.
 Diethylene-triamine penta-acetic acid (DTPA)  – טיפול יעיל במקרה של חשיפה לחלקיקים רדיואקטיביים של מתכות, ובעיקר לאחר חשיפה לפלוטוניום, אמריציום וכריום. DTPA נקשר לחלקיקים של היסודות הרדיואקטיביים, והם מנוקים מהגוף יחד דרך השתן. בכך מופחתת כמות הקרינה הנספגת בסופו של דבר בגוף.

מדידת השפעת אנרגיית הקרינה על גוף האדם
מדידת השפעת קרינה על גוף האדם או על כל גוף נמדדת ביחידות מידה של סיוורט. יחידת מידה זו מתארת את כמות הקרינה האקוויוולנטית אשר נספגת על ידי אדם כתוצאה מחשיפה למקור קרינה; סוג הקרינה (אלפא, בטא, גמא, רנטגן וכו') גם הוא נכלל בחישוב הכמות הנספגת. זילוורט אחד שווה לג'אול אחד הנספג בק"ג גוף (Sv). יחידות המידה האלו מקבילות ליחידות מידה של גריי. להלן מספר דוגמאות על מנת להמחיש את יחידת המידה:
 0.1 (µSv) – שווה ערך לסריקת ביטחון בשדות תעופה.
 5 (µSv) - שווה ערך לחשיפה לצילום רנטגן של השיניים.
 40 (µSv) – חשיפה בטיסה של כ-5 שעות.
 100 (µSv) – שווה ערך לצילום חזה ברנטגן.
 mSv) 10) – שווה ערך לסריקת CT אחת.
 mSv) 50) – כמות הקרינה הנספגת בשנה המותרת לעובדים רפואיים בארצות הברית.
 Sv) 1) – פגיעה קשה, דימום, נשירת שיער, מוות אפשרי בטווח של מספר שבועות.
 Sv) 10) – פגיעה קריטית, מוות בטוח בטווח של שבועיים ללא טיפול.
 Sv) 30) – פגיעה קטלנית, מוות בטוח בתוך 48 שעות.
 Sv) 50) – כמות הקרינה אליה נחשפו עובדי הכור בצ'רנוביל בכל 10 דקות לאחר האסון.

חשוב להדגיש כי כיום, בכל הנוגע לקרינה הנובעת מהליך רפואי, אין הגבלה על מנות הקרינה למטופל. כלומר, לא קיימת רמת קרינה הנחשבת גבוהה מדי עבור מטופל, באם היא מוצדקת מבחינה קלינית. הרופא המטפל ישקול את התועלת אל מול הסיכון בהליך הרפואי.
מספר ארגונים בינלאומיים פרסמו הנחיות והמלצות בנושא, המתבססות על נתונים מדעיים. יש לפעול לאור עיקרון ה-ALARA  (As Low As Reasonably Achievable), ובכך לעשות כל מאמץ על מנת להקטין ככל האפשר את מנת הקרינה בזמן ההליך הרפואי, וזאת מבלי לפגוע באיכות המידע הקליני הנדרש מהתהליך או יעילות הטיפול. אין לבצע בדיקות הכרוכות בקרינה, במינון נמוך ככל שיהיה, אשר אינן תורמות לבירור או לטיפול הרפואי הנדרש.

קרינת UV
קרינה אולטרה סגולה (UV- ultra violet, נקראת גם קרינת על סגול) היא קרינה בעלת אורכי גל של 400 עד 10 ננומטר ומחולקת לקבוצות על פי אורכי הגל:

• קרינת UV קרובה (NUV- Near UV) מוגדרת כקרינה בעלת אורך הגל מ-400 עד 300 ננומטר.

• קרינת UV בטווח האמצעי (MUV- Middle UV) מוגדרת כקרינה בעלת אורך הגל מ-300 עד 200.

• קרינת UV בטווח רחוק (FUV-Far UV) מוגדרת כקרינה בעלת אורך הגל מ-200 עד 100.

• קרינת UV קיצונית (Extreme UV) מוגדרת כקרינה בעלת אורך הגל מ-100 עד 10 ננומטר.

בנוסף, קרינת UV מתחלקת לשלושה טווחים:

• UVA- בין 400 ל-320 ננומטר. טווח זה בא משימוש כ- "black light" הגורם לחומרים לזהור באופן פלאורסנטי.

• UVB- בין 320 ל-290 ננומטר. 95% ממנו מסונן על ידי האטמוספירה. קרינה זו גם יכולה ליצור כוויות עור ונזקים נרחבים ב-DNA, אך גם חשובה ליצירת ויטמין D.

• UVC- בין 290 ל-100 ננומטר. קרינה זו היא בטווח המיינן, אולם מסוננת כמעט לחלוטין על ידי אטמוספירת כדור הארץ.

קרינת UV ונזקי DNA
הסכנה המרכזית לחשיפה ממושכת של UVA ו-UVB היא סרטן העור, אשר נגרם בין היתר ממוטציות ב-DNA בעקבות חשיפה לקרינה.
ה-DNA מורכב מחומצות גרעין (נוקלאוטידים): פורינים (A ו-G) ופירימידינים (C ו-T). 

UVB, שהיא האנרגטית יותר מהקרינות המגיעות לכדור הארץ, ויכולה להוביל ליצירת קשרים קוולנטים בין פירימידינים שכנים. בעקבות ספיגה ישירה של פוטוני UV, מתבצע עירור אלקטרונים ב-DNA, המוביל לנזק הנקרא דימרים של פירימידינים (Pyrimidine dimers).

ישנן שני סוגי דימרים של פירימידינים:
 (cyclobutane pyrimidine dimers -  CPDs) - הנזק העיקרי המתרחש בעקבות קרינת UVB ו-UVC, בו נוצרים שני קשרים קוולנטים בין שני פירימידינים הסמוכים זה לזה: תימין-תימין (T-T), תימין-ציסטאין (T-C) או ציסטאין-ציסטאין (C-C), כש-T-T הוא המקרה הנפוץ ביותר.
 (pyrimidine (6–4) pyrimidone photoproducts-64PPs) - נזק המתרחש בעקבות קרינת UVB ו-UVC (אך לא UVA), בו נוצר קשר קוולנטי יחיד בין שני פירימידינים שכנים, כש-TC הוא הנפוץ ביותר.

UVA היא פחות אנרגטית, אולם פי 20 יותר אינטנסיבית עקב מעברו באטמוספירה. קרינה זו מזרזת גם כן יצירת CPDs, אך בעיקר מעורבת במבחר פגיעות מחמצנות של ה-DNA, כמו שבר חד גדילי של גדיל ה-DNA וחמצון בסיסים של DNA. נזקים אלה אינם מתרחשים לרוב בעקבות קרינת UV ישירה, אלא בעקבות יצירת רדיקלים חופשיים הגורמים לנזק עקיפי.

המוטציות העיקריות מרדיקלים חופשיים כתוצאה מחשיפה לUVA הן:
 8oxoGua- נזק החמצון הנפוץ ביותר. כתוצאה מרדיקלים חופשים של חמצן (O2) ושל מולקולת תחמוצת ניטרית (NO), בה חומצת הגרעין גואנין (G) מחומצנת בעמדה 8 בבסיס. שינוי זה מאפשר זיווג של G עם A במקום C, וכן הכנסת מוטציה שתישמר בחלוקות הבאות של התא.
 שבר חד גדילי- (Single strand break -  - SSB)- נזק היכול להיווצר מרדיקל חופשי של הידרוקסיל (OH), בו נוצר שבר באחד הגדילים של ה-DNA (נקרא גם nick). שבר זה לרוב עובר תיקון בקלות ואינו יוצר נזק משמעותי לתא, משום שגדיל ה-DNA המקביל שומר על המבנה והסדר הנכון של הנוקלאוטידים. נזק משמעותי עלול להיווצר כאשר מתרחשים שני שברים חד גדיליים בסמוך אחד לשני בגדילים הנגדיים, או אם נוצר שבר בעת החלוקה, כאשר גדילי ה-DNA נפרדים זה מזה. מצבים אלה יכולים להוביל לשברים דו גדיליים ובעיות נרחבות לתא.

מנגנוני תיקון DNA לנזקים שנגרמו כתוצאה מקרינת UV
 (NER-Nucleotide excision repair)- מנגנון תיקון לדימרים של פירימידינים:
כאשר נוצרים דימרים של פירימידינים שכנים, נוצר עיוות בולט במבנה ה-DNA הנקרא bulky lesions. מנגנון NER כוללים חלבונים המזהים את האזור הבולט על גבי הגדילים, בעקבות השתהות של RNA פולימראז באזורים העוברים שעתוק, או בעזרת סריקת הגנום וזיהוי האזור הבולט באזורים שאינם עוברים שעתוק. כאשר נמצאים הדימרים, החלבונים פותחים את הגדיל הכפול בעזרת פעילות של הליקאז, מבצעים חיתוך ומבצעים פעילות של אנדונוקלאז סביב האזור הפגוע (מקטע של בין 24–32 נוקלאוטידים). לאחר מכן, על גבי המקטע החשוף, יבנה גדיל משלים תקין על ידי DNA פולימראז וליגאז.
 (BER-Base excision repair) - מנגנון תיקון לבסיס יחיד אשר מזוהה כבסיס לא תקין (למשל בסיס שעבר דה-אמינציה, אלקילציה או אוקסידציה). נזק זה מוגדל כנזק "קל" שאינו גורם לעיוות משמעותי בגדיל. תחילה, אנזים הנקרא DNA גליקוזילאז (DNA glycosylase) יזהה את הבסיס הפגום, יהפוך ויחשוף אותו כלפי חוץ, יחתוך את הבסיס וישאיר את החלק הסוכרי בנוקלאוטיד. אנזימים אחרים בעלי פעילות אנדונוקלאז יזהו את הסוכר ללא הבסיס ויחתכו אותו החוצה. לבסוף הרווח יתמלא בנוקלאוטיד תקין על ידי סוג מסוים של DNA פולימראז (DNA פולימראז בטא) והרווח יאטם.
ישנם סוגים שונים של DNA גליקוזילאז המזהים ומסירים בסיסים פגומים שונים. ה-DNA גליקוזילאז מזהה ומסיר, בין היתר, את הבסיס של 8oxoGua הוא hOGG1.

מחלות הקשורות לפגיעה ב-DNA בעקבות קרינת UV
כזכור, פגיעה ב-DNA עלולה להוביל לסרטן, ועל כן תיקון הנזקים ל-DNA לפני תהליך הרפליקציה של התאים הוא קריטי למניעת יצירת מוטציות והתרחשות התהליכים הקרציוגנים. דוגמה טובה לכך היא מחלה גנטית אוטוזומאלית רצסיבית הנקראת קסרודרמה פיגמנטוזום (Xeroderma pigmentosum), אשר ברוב המקרים קשורה לתקלה בתהליך ה-NER ובתיקון דימרים של פירימידינים, כך שלסובלים ממנה עליה משמעותית בסיכון לסרטן בחשיפה ל-UV.

ראו גם
 תיקון דנ"א

קישורים חיצוניים

 אתר תנודע -מרכז ידע לאומי להשפעת קרינה על הבריאות
 אתר הרפואה הציבורית באנגליה – קרינה באבחונים רפואיים

הערות שוליים

סרטן
DNA
גנטיקה מולקולרית
פוטוכימיה