II] Effets de la radioactivité sur l'ADN

Toutes les molécules biologiques peuvent être altérées mais les conséquences qui en découlent varient selon l'importance de ces molécules. Les molécules d'acide désoxyribonucléique, ou ADN, sont celles dont la lésion est la plus grave car chacune d'elles a un rôle spécifique. En effet, chaque cellule "contient" des informations qui lui permettent, selon un plan préétabli, de se développer et de réagir de façon appropriée aux incitations extérieures. Le matériel génétique, ou matériel héréditaire, est constitué de molécules d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui sont le support de l'information. La lésion des molécules d'ADN constitue le mécanisme essentiel d'action des rayonnements ionisants.

On peut distinguer deux sortes d'effets sur l'ADN :

1.     Effet direct : concerne la structure de la double-hélice. Le rayonnement est un dépôt d’énergie au niveau de la chaîne, d’où la cassure. Cette cassure a lieu sur un brin ou sur les deux ( plus difficilement réparable dans ce dernier cas). Si la cassure se situe sur les deux brins :

Ø     cassures face à face : rupture homologue

Ø     cassures non face à face : rupture hétérologue

2.     Effet indirect : dans la chaîne des réactions, on peut avoir des méthylations au niveau des bases. Conséquence de ces altérations : erreur de lecture lors de la transcription puis de la traduction, donc formation d'ARN anormaux et par la suite de protéines modifiées. On pourra obtenir des protéines dont la fonction sera perturbée. Ceci peut expliquer la cancérogenèse radio-induite.

Molécule d'ADN

Radio-induite : se dit des processus cancéreux survenant après une exposition aux rayonnements radioactifs.

Exemple: protéine ayant un rôle dans le contrôle des gènes ou dans le cycle cellulaire:

Effets radiochimiques sur l'ADN et les chromosomes

                   Cassure d'un brin

         Les liaisons phosphodiester d'un brin de la molécule d'ADN peuvent être rompues par les radiations. La double hélice conserve sa structure d'origine, les segments des brins intacts servant d'attelles au brin rompu en un point. Si ces ruptures ne sont pas réparées, elles peuvent aboutir à la mort de la cellule.

                   Section de la double hélice

          Deux liaisons phosphodiester homologues peuvent être rompues simultanément, cette rupture entraînant une cassure de la double hélice. Il s'agit là d'une lésion grave produite principalement par les radiations ionisantes et des agents radiomimétiques tels que le gaz moutarde et l'ypérite.

                   Distorsion

                   Pontage

         Les acides nucléiques sont associés à des protéines in vivo. L'irradiation par les ultraviolets peut produire des lésions stables entre les bases de l'ADN et certains acides aminés. De même, des pontages, différents de la dimérisation, s'établissent entre la cytosine et la thymine. De telles liaisons empêchent les deux brins d'ADN de se séparer au moment de la réplication.

                   Autres réactions

Les rayonnements provoquent des ionisations ou des excitations des molécules aboutissant à la formation de radicaux libres. Ces effets vont être d’autant plus graves qu’ils se produisent au niveau du noyau des cellules où se trouvent les molécules d’ADN (modification de liaisons, cassure de brin…).

Au niveau de la cellule, la lésion de l'ADN peut provoquer la modification des informations contenues (mutations), ou bien une perte de viabilité (mort cellulaire).

Divers remaniements de la structure des chromosomes

Une cassure unique ou multiple peut entraîner la perte d'un fragment (délétion), la fixation de ce fragment sur un autre chromosome (translocation) ; si deux chromosomes échangent ainsi des fragments, on parle de translocation réciproque. Le fragment peut aussi se ressouder de façon anormale sur le même chromosome (inversion). Les deux extrémités d'un chromosome peuvent se "souder" et former un "anneau" ; des chromosomes peuvent se ressouder de façon plus complexe et former des chromosomes dicentriques, etc. Grâce aux techniques de coloration des bandes du chromosome, on peut identifier des altérations fines de la structure d'un chromosome. L'étude morphologique des chromosomes d'une cellule a un grand intérêt pratique car le nombre d'anomalies en fonction de la dose permet d'en apprécier l'importance à partir de valeurs relativement faibles (0,25 Gy)

Les aberrations chromosomiques peuvent rendre impossible la répartition équilibrée du matériel génétique entre les deux cellules filles et entraîner ainsi la mort de la cellule au moment de la division cellulaire ou la non-viabilité des deux cellules filles.

   Des constituants cellulaires autres que 1'ADN peuvent subir des dommages du fait des rayonnements ionisants, par exemple les acides gras qui constituent les membranes cellulaires, les protéines telles que les enzymes qui interviennent à toutes les étapes de la vie cellulaire. Cependant, si les points d'impact des rayonnements ionisants sont nombreux, l'effet biologique résulte essentiellement des lésions des molécules d'ADN.

Représentation schématique de quelques types d'aberrations chromosomiques observées au microscope après irra­diation.

Conséquences biologiques de l'irradiation

Au niveau de la cellule, les effets sont multiples. Comme on l'a vu, les lésions irréversibles de l'ADN peuvent entraîner : soit une mutation, c'est-à-dire une modification définitive du patrimoine héréditaire de la cellule ; soit une perte de viabilité, c'est-à-dire l'incapacité de se diviser et de donner naissance à des cellules filles normales, qui peut s'exprimer dès la première division cellulaire ou au cours des cinq premières divisions : on parlera alors de mort retardée. La proportion des cellules survivantes, c'est-à-dire ayant gardé la possibilité de se diviser de nombreuses fois, diminue avec la dose.

En plus de la dose, cette proportion dépend de la nature du rayonnement et du débit de dose. Elle est aussi influencée par l'environnement des cellules (par exemple la baisse de la teneur en oxygène augmente la radiorésistance).

Plusieurs sortes d'effets ionisants