Lethality and mutagenesis of E. coli cells irradiated with soft X-rays

軟X線照射における大腸菌の生存率と突然変異頻度

須坂 壮; 鹿園 直哉; 藤井 健太郎; 横谷 明徳; 田内 広*

Suzaka, Takeshi; Shikazono, Naoya; Fujii, Kentaro; Yokoya, Akinari; Tauchi, Hiroshi*

乳癌のスクリーニング検査として、軟X線乳房撮影(マンモグラフィー)が広く用いられている。一般的にこの軟X線領域の生物作用は線のそれと同様であると考えられてきた。しかしながら近年、軟X線領域の生物作用は高く、被曝のリスクを考慮する必要があるとの指摘がなされている。軟X線領域の生物効果が高い原因についてはいまだ不明な点が多い。それを明らかにするためには、軟X線領域での生物影響を詳細に調べることが必要である。われわれは150KVpのsoft X-ray照射後直接効果によってプラスミドDNA上に生ずるDNA鎖切断及び塩基損傷の収率は、線のそれに比べ有意に高いことを見いだしており、軟X線領域の高い生物効果を支持する結果を得ている。そこで本研究では、150KVpのsoft X-ray照射の大腸菌への生物効果を調べることを目指した。この目的のため、大腸菌の生存率及び突然変異頻度の検出系を開発し、測定を行った。照射においては、メンプラン上に集菌した。これは、photonの飛程が短い場合であってもすべての大腸菌が照射されるよう、なるべく試料の厚みを薄くする必要があるからである。また、変異体検出の指標として検出が容易であるrpsL遺伝子及び変異型lac遺伝子を選んだ。rpsL遺伝子に変異が生じると抗生物質であるストレプトマイシンに耐性となり、変異型lac遺伝子に変異が生じ野生型に復帰するとlactoseを含む最少培地で生育可能となる。検出系の開発を行ったところ、集菌を行うbufferの温度や培養時の細胞密度が、細胞の生存に非常に直接的に影響していることが明らかとなった。それらの条件を最適化することで検出系の確立に成功した。さらに、この検出系を用い実験を行った結果、この検出系による軟X線での生存率及び突然変異頻度はそれぞれ線量に依存して減少及び増加することを明らかにした。本発表では、軟X線によるDNA損傷の収率と生物効果の関連について議論する予定である。

Soft X-rays have been widely used for the diagnostic of breast cancer (mammography). It has been generally thought that the relative biological effectiveness (RBE) of soft X-ray irradiation to living cells is similar to those of higher energy X-ray or -ray irradiation. On the other hand, Hill indicates that the risk of the soft X-ray exposure to organs may be higher than that of the -ray exposure because the interaction of soft X-ray photons with matter generates low energy secondary electrons. These electrons deposit their energy within a small volume of the scale of micrometers, thus induce dense ionization or excitation in genome DNA, whereas much less is known about the detail of the biological effect of soft X-rays. Recently we have shown that the yields of DNA strand breaks and oxidative base lesions induced in plasmid DNA by the direct effects of soft X-rays (150 kVp) is significantly higher than those by -ray irradiation. Present study investigates the effect of soft X-ray (150 kVp, W-target) irradiation to E. coli cells to highlight cellular responses. For this purpose, we have developed a novel experimental method to examine cell lethality and mutation frequency. A thin layer (100m) of cell-sample was prepared on a membrane so that all cells are uniformly irradiated with soft X-ray photons which have a short range in biological materials. We chose two genes, namely rpsL and mutant lac gene, as indexes of mutagenesis. Since experimental conditions strongly affected the survival of the cells, we have established optimal conditions for the experiment, such as temperature of solutions and cell density during culture. Using this method, we obtained the dose responses of survival fraction and mutation frequency of E. coli cells irradiated with soft X-rays. The correlation between DNA damage and the cellular effect of soft X-rays will be discussed.