Effets des rayonnements ionisants sur l’ADN

Les rayonnements ionisants ont un effet sur les êtres vivants à un niveau atomique en  ionisant les molécules à l’intérieur des cellules microscopiques qui constituent notre corps. Lorsqu’ils entrent en contact avec une cellule, quatre cas de figure peuvent se présenter :

  1. Ils traversent directement la cellule sans causer aucun dommage.
  2. Ils endommagent la cellule, mais celle-ci se répare spontanément.
  3. Ils altèrent la capacité de la cellule à se reproduire correctement par elle-même et provoquent parfois une mutation.
  4. Ils détruisent la cellule. La mort d’une cellule n’est pas préoccupante, mais si un trop grand nombre de cellules d’un organe comme le foie sont détruites d’un seul coup, l’organisme en mourra.

À l’intérieur du noyau de chaque cellule, on trouve des corps microscopiques appelés « chromosomes ». Structurés par paires ces chromosomes, ils sont responsables de la fonction et de la reproduction de chaque cellule de l’organisme. Les espèces animales et végétales peuvent avoir un nombre de chromosomes différent. L’être humain, tout comme la pomme de terre, possède 46 chromosomes, tandis que le poulet en a 78. Les chromosomes sont constitués de deux grosses molécules ou brins d’acide désoxyribonucléique (ADN) qui constituent le code génétique, lequel à de nombreux égards fait figure de programme d’ordinateur. L’ADN est formé de quatre acides nucléiques : l’adénine, la cytosine, la guanine et la thymine. La structure de ces acides dans l’ADN représente le code génétique qui détermine chaque caractéristique dans un individu, depuis la couleur de ses cheveux jusqu’à la taille qu’il aura à la fin de sa croissance et même sa vulnérabilité à certaines maladies.

Lorsqu’une cellule se divise pour se reproduire, une copie exacte des chromosomes qui la composent est créée pour la nouvelle cellule. Si l’ADN du chromosome est endommagé, les instructions qui contrôlent la fonction de la cellule et sa reproduction le seront également. Si la cellule se reproduit au lieu de mourir, une nouvelle cellule mutée peut voir le jour. Dans de nombreux cancers, les instructions qui arrêtent la croissance de la cellule sont parfois altérées, si bien que les cellules se reproduisent indéfiniment et donnent naissance à une tumeur. Le rayonnement ionisant ainsi que de nombreuses substances comme certains produits chimiques, les métaux lourds et les ondes électromagnétiques intenses peuvent endommager les cellules de cette manière et induire des maladies comme le cancer.

Lorsque l’on parle des effets biologiques des rayonnements ionisants, il y a deux catégories de lésions, soit les effets somatiques ou génétiques. L’effet somatique correspond aux dommages qui touchent l’organisme exposé à de hauts niveaux de rayonnements ionisants, mais n’inclut pas les cellules reproductrices. Des effets comme des nausées et des vomissements, l’alopécie (perte des cheveux) ou des hémorragies internes sont visibles peu après l’exposition. D’autres maladies comme le cancer peuvent se manifester plusieurs années après.

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ADN endommagé.

L’effet génétique correspond aux dommages causés aux cellules reproductrices par suite de l’exposition à de hauts niveaux de rayonnements ionisants, qui peuvent être transmis à la descendance de l’organisme, parfois des générations plus tard. Entrent dans cette catégorie les anomalies congénitales et le cancer. Les lésions somatiques et génétiques ne sont pas provoquées exclusivement par les rayonnements ionisants. De nombreux polluants chimiques présents dans notre environnement, dont le cadmium, le plomb et le mercure, peuvent provoquer également des atteintes similaires.

Si un brin d’ADN est endommagé, la cellule peut se réparer spontanément, mourir ou se « suicider » par un processus appelé « apoptose ».

Parfois, la cellule survit mais sans parvenir à se réparer correctement, ce qui crée une anomalie génétique affectant les autres cellules au cours de la reproduction. Des lésions génétiques causées par une exposition aux rayonnements ont été observées dans des populations humaines exposées aux rayonnements (p. ex., les survivants d’Hiroshima et de Nagasaki).

Action directe et indirecte du rayonnement ionisant sur l’ADN

Le noyau de chaque cellule humaine est constitué de 46 chromosomes organisés en deux ensembles de 23 chromosomes qui renferment notre ADN, c’est‑à‑dire le bagage génétique hérité de nos parents. L’ADN de nos cellules est continuellement exposé à des agents génotoxiques, par exemple, le rayonnement ultraviolet, des composés chimiques mutagènes d’origine naturelle ou industrielle et des espèces réactives de l’oxygène produites par le métabolisme respiratoire oxydant et les rayonnements ionisants. Lorsque les cellules sont exposées à des rayonnements ionisants, des dommages radio-induits surviennent par action directe ou indirecte. On parle d’action directe lorsque des particules alpha ou bêta ou des rayons X créent des ions qui séparent physiquement l’un des deux ou les deux squelettes sucre-phosphate ou brisent les paires de base de l’ADN. Les paires de base adénine, thymine, guanine et cytosine sont maintenues ensemble par des liaisons hydrogène faibles. L’adénine est toujours associée à la thymine (sauf dans l’acide ribonucléique [ARN], où la thymine est remplacée par l’uracile) et la guanine est toujours associée à la cytosine. La liaison de ces paires de base peut également être touchée par l’action directe du rayonnement ionisant.

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Action directe.

Nota : Le schéma ci-dessus donne l’impression que la particule alpha brise le squelette de l’ADN, que la particule bêta brise les liaisons d’hydrogène et que les rayons X endommagent les bases, alors que les trois types de rayonnement peuvent en fait provoquer les trois types de dommage direct. Toutefois, des particules lourdement chargées comme les particules alpha sont plus susceptibles de provoquer des dommages directs que les particules plus légères comme les rayons X, qui provoquent la plupart de leurs dommages par des effets indirects.

Les paires de base de l’ADN forment des séquences appelées « nucléotides » qui forment ensuite les gènes. Les gènes disent à la cellule de fabriquer des protéines qui déterminent le type de cellule et régulent sa fonction. Lorsque ces ruptures se produisent, l’ADN se répare généralement de façon spontanée. Les différentes voies de réparation sont la réparation par excision de base, la religation des extrémités d’ADN cassées ou la recombinaison homologue. La réparation par excision de base comporte trois étapes :

  1. Des endonucléases coupent l’ADN endommagé
  2. L’ADN polymérase assure une resynthèse de l’ADN original
  3. La religation donne lieu à la réparation du squelette sucre-phosphate.

Ces voies de réparation sont extrêmement efficaces, puisque nous avons évolué en tant qu’espèce dans une mer de rayonnements. La réparation de l’ADN se fait en continu, sollicitant toutes les cellules de notre corps plusieurs fois par an. Toutefois, des dommages dans la paire de base peuvent survenir lorsque l’ADN n’est pas réparé correctement et l’insertion du mauvais nucléotide peut conduire en pareil cas à la mort de la cellule ou à une mutation. Il ne faut pas oublier que votre ADN est le code qui détermine le type et la fonction de la cellule. Il y a deux principaux types de mutation :

  • Les substitutions — C’est le remplacement d’une base par une autre. Par exemple, si une molécule d’ADN renferme habituellement de la guanine à un certain endroit mais que l’adénine prend la place de la guanine, il y a substitution des bases. On observe deux types de substitution des bases :
  • les transitions — c’est-à-dire le remplacement d’une purine par une autre purine (adénine et thymine) ou d’une pyrimidine par une autre pyrimidine (cytosine et guanine)
  • les transversions — c’est-à-dire le remplacement d’une purine par une pyrimidine ou vice versa
  • Les mutations — c’est-à-dire un changement du cadre de lecture (le code triplet). Il y a deux types de mutation par décalage de code :
  • les insertions — c’est-à-dire l’insertion d’un ou de plusieurs nucléotides supplémentaires dans la chaîne d’ADN.
  • les délétions — c’est-à-dire la perte d’un ou de plusieurs nucléotides de la chaîne d’ADN.

Pour illustrer les effets de ces mutations, examinez a phrase anglaise suivante et lisez-la comme un code triplet (groupes de trois lettres) :

The fat cat ate the hot dog.

Une substitution des bases pourrait avoir un effet comme celui-ci :

The fat car ate the hot dog.

ou peut-être :

The fat cat are the hot hog.

Dans chacun des cas, la phrase a encore un sens, mais il a été légèrement modifié.

En revanche, une insertion aurait un effet beaucoup plus profond :

The fma tca tat eth eho tdo g.

L’insertion d’une seule lettre (« m » dans ce cas) fait que la phrase devient du charabia, car le code de lecture a été modifié. Une suppression aurait le même effet :

The atc ata tet heh otd og.

Les rayonnements ionisants peuvent aussi causer deux types de cassure dans le squelette sucre-phosphate. Une cassure simple brin, qui se produit lorsque seulement un des fragments sucre-phosphate est rompu, se répare facilement à partir du brin opposé qui sert de gabarit. Toutefois, des substitutions de paires de base et des mutations par décalage de codes peuvent encore se produire.

On pense que les cassures double brin sont les lésions les plus dommageables causées aux chromosomes par le rayonnement ionisant. Comme ces cassures sont difficiles à réparer, elles peuvent être à l’origine de mutations et de la mort cellulaire. Les cassures double brin non réparées sont cytotoxiques (elles détruisent les cellules). Elles peuvent également entraîner la perte de fragments d’ADN et provoquer ainsi au cours du processus de réparation l’appariement de chromosomes non homologues (qui n’appartiennent pas à la même paire) conduisant à la perte ou à l’amplification des chromosomes.

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Cassures simple brin et double brin.

Ces mutations peuvent conduire à la tumorigenèse (création de cellules tumorales), par exemple, si la région amputée d’un chromosome encode une suppression de tumeur ou si une région amplifiée encode une protéine ayant un potentiel oncogénique (potentiel cancérigène). Si le code génétique est altéré et que la cellule ne se suicide pas (apoptose), la mutation peut être transmise au cours de la division cellulaire et provoquer parfois un cancer ou une autre mutation. Dans certains cas, une mutation peut demeurer à l’état latent pendant des années, voire pour toujours.

Les rayonnements ionisants peuvent aussi causer indirectement des dommages ou des lésions aux cellules en créant des radicaux libres. Les radicaux libres sont des molécules extrêmement réactives en raison de la présence d’électrons libres (ions), créés par la séparation des molécules d’eau. Ils peuvent former des composés comme le peroxyde d’hydrogène ou le superoxyde, qui peuvent induire des réactions chimiques nocives au sein des cellules. Par suite de ces changements chimiques, les cellules peuvent subir divers changements structurels qui entraînent leur mort ou transforment leur fonction.

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Action indirecte.

Sources :

Genetic Science Learning Center (June 10, 2014) Learn Genetics. Learn.Genetics. http://learn.genetics.utah.edu/
Stephen P. Jackson, “Sensing and repairing DNA double-strand breaks,” Carcinogenesis, Vol. 23, No. 5, 687-696, May 2002, Oxford University Press.
DNA Replication, Repair and Recombination  http://www.garlandscience.com/res/pdf/ecb4_ch6_draft.pdf.
Eric J. Hall, Amato J. Giaccia, Radiobiology for the Radiologist, Lippincott Williams & Wilkins, 2006, p. 16.
Stephen P. Jackson, “Sensing and repairing DNA double-strand breaks,” Carcinogenesis, Vol. 23, No. 5, 687-696, May 2002, Oxford University Press.
“Biological Effects of Ionizing Radiation at Molecular and Cellular Levels. Module VIII,” an IAEA and World Health Organization presentation, http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/publications.asp.
Kum Kum Khanna & Stephen P. Jackson, “DNA double-strand breaks: signalling, repair and the cancer connection,” Nature Genetics 27, 247-254, 2001, doi: 10.1038/85798.
NDT Resource Center, www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/RadiationSafety/theory/ionization.htm.