Respon Selular terhadap Radiasi

Radiobiologi

Putri Pradita Nuramalia, M.Tr.ID

Molekul DNA

Molekul DNA adalah komponen biokimia aktif dari hampir semua materi genetik, dan, meskipun DNA adalah molekul yang dinamis, integritasnya harus dipertahankan untuk kelangsungan hidup manusia.

Setelah terpapar radiasi, sel biasanya bereaksi dalam tiga cara berbeda: �menghentikan perkembangan siklus sel, memperbaiki lesi DNA, atau memicu respons apoptosis.

Penyerapan Radiasi

Penyerapan energi dari radiasi dalam bahan biologis dapat menyebabkan:

• Eksitasi: menaikkan elektron dalam atom ke tingkat yang lebih tinggi
• Ionisasi: mengeluarkan satu atau lebih elektron dari atom (radiasi dikenal sebagai radiasi pengion).

Jenis Radiasi Pengion

1. Pengionisasi Langsung: ketika diserap dalam bahan, mereka secara langsung menyebabkan ionisasi yang menyebabkan kerusakan. Misalnya. Elektron, partikel α, partikel β
2. Mengionisasi secara tidak langsung: ketika diserap dalam materi, mereka melepaskan energinya untuk menghasilkan partikel bermuatan yang bergerak cepat yang menghasilkan kerusakan. misalnya. Radiasi elektromagnetik

Medan listrik dan medan magnet saling tegak lurusMisalnya. Sinar-X dan sinar-γ, menempati ujung panjang gelombang pendek dari spektrum elektromagnetik

Radiasi Elektromagnetik

Action of Radiation �

• Langsung: ketika diserap, radiasi langsung berinteraksi dengan target di dalam sel dan atom menjadi terionisasi atau tereksitasi.
• Tidak langsung: ketika diserap, radiasi berinteraksi dengan atom atau molekul lain di dalam sel terutama air untuk menghasilkan radikal bebas yang menghasilkan kerusakan.

H20→ H20++e

H20++H20→ H30++OH. 5

Cara kematian sel setelah iradiasi:�

• Kematian Mitotik
• Kematian Interfase
• Kematian Apoptosis
• Kematian Nekrotik
• Autofagi

Kematian Mitotik�

Sel-sel yang terluka parah oleh dosis radiasi yang relevan secara klinis mengeksekusi satu atau lebih pembelahan sebelum kematian mitosis

Mekanisme :

• Kegagalan pembentukan spindel pada fase M
• Kehilangan titik pemeriksaan G2
• Segregasi kromosom yang tidak benar karena kerusakan dan hilangnya materi genetik

Kematian Interfase

• Terjadi pada sel radiosensitive
• Terjadi dalam 2-6 jam setelah radiasi
• Sel yang mati dalam interfase tidak dapat berkontribusi pada kumpulan reproduksi
• Kematian terjadi dengan apoptosis cepat

Kematian Apoptosis

Apoptosis adalah kematian sel secara terprogram yang terjadi secara normal selama proses perkembangan dan penuaan semua jaringan tubuh. Apoptosis merupakan mekanisme homeostatis sel untuk memelihara populasi sel dalam jaringan tubuh dan dalam mekanisme pertahanan tubuh. 

Jalur Apoptosis

• Jalur ekstrinsik melibatkan Fas Ligan/FASL yang dimiliki oleh sel Tc. Ketika ada target sel yang akan dibunuh (karena rusak), maka sel tadi mengekspresikan reseptor FAS. Hal inilah yang membuat dia bisa dikenali oleh FAS ligan.
• Pada mitokondria di membrannya terdapat protein Bcl-2 atau Bcl-XL yang gandengan dengan Bax. Jika ada protein Bad datang, maka dia akan mengganggu kompleks tadi dengan berikatan pada Bcl-2 atau Bcl-XL sehingga Bax terpisah. Bax kemudian berkolaborasi dengan Bax lain membentuk channel formation (suatu kanal). Kanal ini menjadi tempat masuknya ion Ca2+. Ketika ion ini masuk maka keluarlah sitokrom c.

Kematian Nekrotik

Kematian sel nekrotik secara morfologis ditentukan oleh pembengkakan sel dan organel, pecahnya membran plasma dini, dan tumpahnya bahan seluler ke dalam jaringan dengan peradangan berikutnya.

Autophagy

• Sel menginternalisasi organel seluler di dalam vakuola dan mencernanya
• Juga jenis kematian sel terprogram

Cedera Radiasi Pada Jaringan Normal

• Respon Akut
• Respon Subakut
• Respons lambat

Acute response

• Terjadi selama kursus standar 6-8 minggu
• Menghabiskan kumpulan sel punca dan progenitor
• Tingkat keparahan cedera tergantung pada luasnya penipisan seluler dan lamanya penundaan sebelum sel-sel fungsional baru dilepaskan
• Keparahan meningkat dengan dosis dan fraksinasi menurunkan keparahan yang memungkinkan waktu untuk regenerasi

Subacute Response

• Terjadi beberapa sampai beberapa bulan setelah penyinaran
• Gejala biasanya reversibel tetapi terkadang bisa parah hingga menyebabkan kematian
• Sebagian besar terjadi selama fase renovasi
• Misalnya. mengantuk setelah iradiasi otak, pneumonitis subakut setelah iradiasi paru-paru

Terjadi karena penipisan sel yang berproliferasi lambat yang hilang dengan kecepatan lambat (mis. Epitel tubulus ginjal, oligodendrosit, sel schwann, endotelium, fibroblas)

Late Response

DNA

DNA adalah target utama dalam sel untuk efek biologis dari radiasi.

Effects of radiation on DNA

• Single strand break (SSB)
• Double strand break (DSB)

Single Strand Break (SSB)

• Diperbaiki dengan mudah menggunakan untaian yang berlawanan sebagai templat
• Kesalahan perbaikan dapat mengakibatkan mutasi

Double Strand Break (DSB)

• Pemisahan yang dipisahkan dengan baik dalam dua helai memperbaiki dengan cara yang sama seperti SSB
• Pecahnya dua helai yang berlawanan satu sama lain atau dipisahkan oleh hanya beberapa pasangan basa dapat menyebabkan DSB di mana potongan kromatin pecah menjadi dua bagian
• Lesi terpenting pada kromosom yang dihasilkan oleh radiasi
• Dapat mengakibatkan pembunuhan sel, karsinogenesis atau mutasi

Radiation induced Chromosomal Aberrations:

• DSB terjadi
• Ujung lengket yang putus dapat bergabung dengan ujung lengket lainnya
• Kemungkinan:
• Bergabung kembali dalam konfigurasi aslinya
• Gagal bergabung kembali, berikan penyimpangan dan hapus pada mitosis berikutnya
• Ujung yang patah bergabung kembali dan membentuk kromosom yang sangat terdistorsi

Penyimpangan dilihat pada metafase mitosis sebagai:

• Chromosomal aberration
• Chromatid aberration

Chromosomal Aberrations

• Sel diiradiasi pada interfase awal sebelum duplikasi kromosom
• Pemutusan terjadi pada untai tunggal kromatin
• Chromatin meletakkan untai identik dengan istirahat selama fase sintesis

Chromatid Aberrations

• Sel disinari setelah duplikasi kromosom
• Pemutusan dapat terjadi pada salah satu kromatid saudara perempuan atau pada keduanya tetapi tidak pada tempat yang sama karena kromatid terpisah dengan baik kecuali di wilayah sentromer

Lethal Aberrations

1. Kromosom disentrik
2. Kromosom cincin
3. Jembatan anaphase

1 dan 2 adalah aberasi kromosom dan 3 adalah aberasi kromatid

Dicentric Chromosomes

Kromosom disentrik adalah produk penataan ulang genom yang menempatkan dua sentromer pada kromosom yang sama. Bergantung pada organismenya, stabilitas disentrik bervariasi setelah pembentukan. Pada manusia, disentrik terjadi secara alami di sebagian besar populasi dan biasanya berhasil dipisahkan dalam mitosis dan meiosis.

Ring Chromosome

• Kromosom cincin adalah molekul DNA sirkular yang umumnya terdapat pada organisme seperti virus dan bakteri, tetapi jarang terjadi pada manusia, dengan kejadian ~1:50.000.
• Kromosom cincin biasanya terbentuk karena dua pemutusan DNA beruntai ganda.

Ring Chromosome

• Kromosom cincin biasanya mosaik dan mempengaruhi kromosom yang jarang ditemukan dengan trisomi mosaik (misalnya kromosom 19) atau yang umumnya mosaik untuk trisomi (misalnya kromosom 20).
• Sindrom cincin kromosom 20 ditandai dengan fenotipe kejang yang khas. Bergantung pada jumlah kehilangan kromosom dan mosaikisme terkait, cincin (20) dapat dikaitkan dengan makrosefali, defisit intelektual ringan hingga sedang, atau masalah perilaku. Dalam kasus yang jarang terjadi, malformasi otak, ginjal, atau jantung mungkin ada.

​

Anaphase Bridge

• Anaphase bridges adalah benang DNA yang membentang di antara dua massa DNA saat sel berusaha memisahkannya selama anafase. 
• Anaphase bridges muncul dari ikatan DNA yang belum terselesaikan antara kromatid saudara perempuan. 

Non-lethal Chromosomal Aberrations

• Symmetric Translocations

Pemutusan dua kromosom prereplikasi (G1) dengan ujung patah dipertukarkan

• Small Deletions

Dua patahan di lengan kromosom yang sama menyebabkan hilangnya informasi genetik di antara dua patahan

DNA Repair Pathways: �

• Base Excision Repair(BER)
• Nucleotide Excision Repair(NER)
• DNA DSB Repair
• Single Strand Annealing
• Cross link Repair
• Mismatch Repair

Base Excision Repair

• Kerusakan dasar diperbaiki dengan proses ini
• Basa yang salah dihilangkan oleh DNA glikosilase / lyase
• Residu gula dihilangkan oleh Apurinic Endonuclease1
• Basa yang benar digantikan oleh DNA polimerase β
• Disegel oleh DNA ligaseIIIXRCC1 (faktor komplemen silang X-Ray1)

BER for Multiple Nucleotides

• Basa yang salah dihilangkan oleh Apurinic Endonuclease1
• Perbaikan sintesis oleh kompleks RFC/PCNA/DNA polimerase δ/ε
• Flap yang tidak diinginkan dihilangkan oleh endonuklease FEN1
• Disegel oleh DNA ligase I

Nucleotide Excision Repair

Menghilangkan adisi besar dalam DNA seperti dimer pirimidin

Langkah:

• Pengenalan kerusakan
• Sayatan DNA yang mengurung lesi
• Penghapusan adduct yang mengandung wilayah
• Perbaiki sintesis untuk mengisi celah
• Ligasi DNA

DNA DSB repair

• Homologous Recombination Repair (HRR)
• Nonhomologous End Joining (NHEJ)

​

Homologous Recombination Repair

• Terjadi pada fase S/G2 akhir
• Kromatid saudara perempuan yang tidak rusak bertindak sebagai cetakan

• ATM (ataxia telangiectasia mutated) dan ATR (terkait AT dan Rad3) merasakan DSB dan merekrut ke situs
• H2AX terfosforilasi
• BRCA1 merekrut ke situs untuk mengatur aktivitas kompleks protein NBS/MRE11/Rad50s
• Endonuklease tak dikenal dan MRE11 mereseksi DNA
• Rad51 mengikat DNA untai tunggal 3 '
• BRCA2 direkrut
• Rad51 dimuat pada untai tunggal berlapis RPA
• Rad52 direkrut yang melindungi dari degradasi eksonukleolitik
• Rad54 melepaskan molekul beruntai ganda
• Dua ujung penyerang berfungsi sebagai primer untuk sintesis DNA
• Persimpangan liburan diselesaikan oleh MMS4 dan MUS81 dengan non crossing over atau menyeberang
• Pengisian celah untai DNA

NHEJ

Terjadi pada fase G1

Langkah:

• Pengenalan akhir oleh heterodimer Ku dan subunit katalitik protein kinase yang bergantung pada DNA
• Pemrosesan akhir oleh kompleks pembentuk protein Artemis dengan DNA-PKcs dan aktivitas endonuklease diaktifkan
• Akhiri sintesis bridging atau fill-in oleh DNA polimeraseµ
• Ligasi oleh kompleks XRCC4/DNA ligase IV

Single Strand Annealing

• Memainkan peran transisi antara HRR dan NHEJ
• Ujung DSB dicerna oleh endonuklease (kompleks NBS/MRE11/Rad50) sampai daerah homologi terpapar pada kedua ujung pemutusan
• Ujung nonhomolog dihilangkan dan dua ujung diikat

Cross-link Repair

• Tautan silang terjadi antara DNA-DNA dan protein DNA
• Perbaikan eksisi nukleotida dan jalur rekombinasi bergabung untuk memperbaiki hubungan silang ini

Mismatch Repair

Menghapus basis-basis dan ketidakcocokan penyisipan kecil yang terjadi selama replikasi dan juga selama HRR

Klasifikasi Operasional kerusakan radiasi:

• Kerusakan mematikan: kerusakan permanen dan tidak dapat diperbaiki yang menyebabkan kematian sel
• Kerusakan yang berpotensi mematikan: menyebabkan kematian sel dalam keadaan biasa tetapi dapat dimodifikasi oleh kondisi lingkungan pasca radiasi
• Kerusakan subletal: dapat diperbaiki dalam hitungan jam dalam keadaan biasa kecuali kerusakan subletal tambahan ditambahkan

References:

• Perez and Brady’s Principles and Practice of Radiation Oncology, 5th Edition
• Radiobiology for the Radiologist by Eric J. Hall and Amato J. Giaccia ,6th Edition

Thank you