DE GENETISKA RISKERNA AV JONISERANDE STRÅLNING EN SAMMANFATTNING

Transkript

1 FOA 4 Rapport C 4542-A3 Juni 1973 DE GENETISKA RISKERNA AV JONISERANDE STRÅLNING EN SAMMANFATTNING B Rydberg FÖRSVARETS FORSKNINGSANSTALT AVDELNING k. Stockholm

2 FOA RAPPORTKATEGORIER Rapporter avsedda för spridning utanför FOA utges i följande kategorier: FOA A-rapport. Innehåller huvudsakligen för totalförsvaret avsedd och tillrättalagd redovisning av ett, som regel avslutat, arbete. Förekommer som öppen (A-) och hemlig (AH-) rapport. FOA B-rapport. Innehåller för vidare spridning avsedd redovisning av öppet vetenskapligt eller tekniskt-vetenskapligt originalarbete av allmänt intresse. Utges i FOA skriftserie "FOA Reports" eller publiceras i FOA utomstående tidskrift, i vilket senare fall särtryck distribueras av FOA under beteckningen "FOA Reprints". FOA C -rapport. Innehåller för spridning inom och utom FOA (i vissa fall enbart inom FOA) avsedd redovisning av arbete, t ex i form av delrapport, preliminärrapport eller metodikrapport. Förekommer som öppen (C-) och hemlig (CH-) rapport. FOA-RAPPORTS STATUS FOA-rapports status är att författaren (författarna) svarar för rapportens innehåll, t ex för att angivna resultat är riktiga, för gjorda slutsatser och rekommendationer etc. FOA svarar - genom att rapporten godkänts för utgivning som FOA.- rapport - för att det redovisade arbetet utförts i överensstämmelse med "vetenskap och praxis" på ifrågavarande område. I förekommando fall tar FOA ställning till i rapporten gjorda bedömningar etc - detta anges i så fall i särskild ordning, t ex i missiv. FOA-RAPPORTS REGISTRERING From den registreras FOA-rapport enligt följande exempel: FOA 1 rapport A (37) rapportkategori kod för utgivande avd (motsv) (FOA A, Moch Index P 8) forskningsområde till vilket rapporten i första (andra) hand är hänförlig löpnummer (inom gruppen A-rapporter utgivna av FOA 1)

3 Försvarets forskningsanstalt PCA 4 rapport Avdelning 4 C 4542-A Stockholm 80 Juni 1973 DE GENETISKA RISKERNA AV JONISERANDE STRÅLNING. EN SAMMANFATTNING Björn Rydberg Antal blad 24 S anaanfattning En kort beskrivning görs av den experimentella och teoretiska bakgrunden till uppskattningar av de genetiska effekterna av joniserande strålning. Som exempel visas uppskattningar av effekten på framtida generationer efter en engångsdos på 100 rad till en stor population människor. Uppdragsnr: A3 25 Nyckelord: Genetik, skadeverkan, strålningspåverkan Rapporten utsänd till: Cfs (3 ex), AB Atomenergi (3 ex), Stat strålskyddsinst (2 ex), Inst f radiobiologi Lantbrukshögskolan, Inst f klin kemi Veterinärhögskolan, Radiofysiska inst Gbg, Lund och Umeå, Gustav Werners inst Uppsala, Genetiska inst Sthlm univ, SSLP, FOA 1 FOA 4: 420, 43, 46, 48 (15 ex), 49

4 INNEHÅLL Inl e dning 3 Strålningsinducerade mutationer och kromosomaberrationer 5 Djurförsök - människa 5 Olika typer av genetisk skada. Mutationer och kromosomaberrationer 6 Mutationskänslighet i olika stadier av gametogenesen Dos - ef fel" t samband Doshastighetsberoende Relativ biologisk effektivitet för olika strålslag Riskuppskattningar Spridning och elimination av mutanta gener Dubbleringsdos Genetisk död Exempel: 100 rad akut bestrålning- Tabeller Referenser

5 INLEDNING Uppskattningar av strålningsinducerade genetiska effekter grundar sig i stor utsträckning på mätning av mutationsfrekvenser. Vissa aspekter på begreppet mutationsfrekvens, och på vilket sätt den mäts, diskuteras i denna inledning. Därefter följer en kort sammanfattning av vad som är känt om strålningsinducerade mutationer och kromosorsaberrationer, och en något utförligare presentation av hur dessa data kan användas vid riskuppskattningar, exemplifierat av en engä.ngsdos på 100 rad. Mutationsfrekvenser kan mätas med två principiellt olika metoder. Den ena metoden innebär att man studerar generna eller de från generna avkodade proteinerna på molekylär nivå. Exempelvis har sekvensanalys av proteiner från olika djurarter medfört att man kunnat uppskatta den mutationsfrekvens som lett till evolutionen. Mutationsfrekvensen gäller de områden på DNAmolekylerna som kodar för de respektive proteinerna, och slår man ut denna mu+.ationsfrekvens över hela DNA-molekylernås längd i humana celler så erhålls totalt ca 100 mutationer per individ per generation. Detta är en underskattning eftersom mutationerna endast representerar dem som överlevt selektionen. Den andra metoden för uppskattning av mutationsfrekvenser är den traditionellt genetiska metoden och innebär att man undersöker effekterna av mutationer på cell och organismnivå, antingen de uppstått spontant oller genom induktion med t ex joniserande strålning. Genom att t ex studera den spontana uppkomsten av vissa lätt identifierbara ärftliga egenskaper har man funnit ett medelvärde för den spontana mutationsfrekvensen av storleksordningen 10 mutationer per locus per generation. Genom att sedan göra en uppskattning av antalet locus per genom har man erhållit totala mutationsfrekvenser på ca 0.3 mutationer por individ per generation. Även om den högre siffran kan kritiseras för att endast ha gällt för årmiljoner sedan, är det mycket som talar för att uppskattning av mutationsfrekvenser på molekylär nivå som ovan gjorts ger högre värden än uppskattning mod traditionella metoder. För

6 dc-t första är det möjligt att ondast en bråkdel av MA-inn G hållet i mammal a celler är ar genetisk signifikans, nedan den återstående delen har en okänd funktion. För det andra är det troligt att inånga aminosyror i proteiner som t ex ensym kan bytas ut mot andra aminosyror utan att det innebär någon större förändring i funktionen. Förutom sådana i stort sett neutrala mutationer existerar antagligen ett helt spektrum av möjliga förändringar av funktion och reglering hoc proteinerna som resultat av mutation, och som extremfall ett helt obrukbart eller ej inducerat protein. När man med traditionella genetiska metoder studerar mutationsfrekvenser pä basis av + eller - (t ex viss sjukdom eller inte) så är det troligen endast extremfallen som registreras. Le övriga mutationerna, med subtilare effekter maskeras antingen av rcglcringsrnekanismer hos organismen eller framstår ej tillräckligt tydligt ur den fördelning av egenskaper som är "normala 1 '. Eftersom vår kunskap om de genetiska effekterna av joniserande straining grundar sig på traditionellt genetiska metoder, så är det av vikt att man inte uppfattar uppgifter om mutationsfrekvenser som absoluta kvantiteter utan något som måste ställas i relation till det som är nätt. Många egenskaper som inte är a.v antingcn-cllor-karaktär utan uppvisar ett kontinuerligt spektrum av mätbara värden, som t ex kroppsvikt och intelligens, bestäms av en stor uppsättning gener (polygener) 5 där i allmänhet mutationer i en eller några gener inte innebär någon markant effekt. De enstaka mutationerna kan inte upptäckas med traditionellt genetiska metoder, medan många försök har gjorts att mäta don kombinerade effekten av ett stort antal mutationer på populationor av försöksdjur, med varierande resultat. Det har dock postulerats att sådana mutationer är skadliga. Huruvida de polygena mutationerna är inkluderade i uppgivna värden på mutationsfrckvonaer beror på hur beräkningen har gjorts. Om exempelvis den totala genetiskt betingade sjuklighoten används som direkt mått på den totala mutationsfrokvonsen, så är de polygena mutationerna inte inkluderade, eftersom do flesta polygena, "mutanter" oj avviker tillräckligt från gruppen

7 "friska individer" inom fördelningen av det normala. Om däremot den genetiskt betingade sjukligheten används för uppskattning av mutationsfrekvenscn per locus, och donna multipliceras med en uppskattning av totala antalet locus per genom, så inkluderas i princip do polygena mutationerna. Fortfarande är det dock troligtvis endast de mutationer som ger störst effekt på varje locus som är inkluderade i uppskattningen. Efter denna inledande presentation av svårigheterna vid interpretation av data rörande mutationsfrekvenser, följer nedan en sajnmanfattning av vad som är känt om spontana och strålningsinducerade mutationer och hur dessa data används vid riskuppskattningar. STRÅLNINGSINDUCERADE MUTATIONER OCH KROHOSOMABERRATIONER Originallittcraturen från vilken vår nuvarande uppfattning om de genetiska effekterna av joniserande strålning härrör är mycket omfattande. Denna korta sammanfattning behandlar endast vissa aspekter av stralningsinducera.de mutationer och kromosomaberrationer, och stöder sig på a.ndra mer utförliga sammanfattningar som gjorts av UNSCEAR, ICRP och BSIR (se referenslistan). DJURFÖRSÖK - MÄNNISKA Direkta undersökningar på avkomlingar till bestrålade poj)ulationer av människor har utförts bl a i Hiroshima och Nagasaki (UNSCEAR -62, , ICRP-8, sid 59-41). Ingen signifikant ökning av genetiskt bexingadc effekter, som t ox missfall och missbildningar, har kunnat demonstreras, vilket man inte heller har förväntat sig på basis av de djurexperiment som ligger til.. grund för våra riskbedömningar. Undersökningarna har dock visat att människan inte är unikt strålningskänslig i genetiskt avseonde vid jämförelse med andra djurarter. Förutom denna, slutledning är vi helt hänvisade till experiment mod försöksdjiir. Experiment med bananflugor och andra insekter ger viktiga kvalitativa aspekter på strålningsinducorade mutationer, medan kvantitativa uppskattningar i huvudsak stöder sig

8 på försök med möss. Experiment ned andra däggdjur (UNSCEAR -72, 22-25) har visat att skillnader i mutationr^känslighet föreligger men storleksordningarna fore faller vara desamma. En speciell svårighet via extrapolation mellan honor av olika arter kommer att diskuteras nedan. I "brist pä bättre möjligheter är vi således for närvarande huvudsakligen hänvisade till att använda data som erhållits genom experiment på möss. OLIKA TYPER AV GEITETI5K SKADA. MUTATIONER OCH KROMOS0MABERRATI0NER Joniserande strålning kan ge upphov till olika typer av skador på arvsmassan, omfattande ändringar av enstaka nukleotidpar i DNA till grova omorganisationer av det genetiska materialet. I det fall syr.liga förändringar i kromescmernas utseende kan konstateras "benämnen skadan kromosonaberration, och i övriga fall av traditionella skäl mutationer. Uppdelningen är således delvis betingad av ljusmikroskopets upplösningsförmåga. De skadade generna kan vara dominanta, i vilket fall skadorna, uttrycks i nästföljandc- generation, oller recessiva, i vilket tioner innan de ger sig tillkänna. Även de recessiva generna brukar dock anses ha en liten effekt i hetero?.ygot uppsättning, dvs ett litet drag av dominans,, och även ge sina huvudsakliga effekter i donna form eftersom sannolikheten för en homozygot uppsättning av don mutc-rado goncn är mycket liten i humana populationer. De strålningöinducorade mutationer som har studerats på forroksdjur omfattar mutationer på enstaka loci, större grupper av mutationer som t ex alla synliga dominanta förändringar och alla genetiska skador som lodr.r till döda embryon eller foster, samt genetiska off.-iktor på biometriska storheter som t ox vikt, "intelligens", vitalitet osv. Gtora dosor ( rad) liar i allmänhot använts på grund av svårigheterna att få statistiskt signifikanta data. Studium av kromosomaburrationor görs både med cytologiska metoder och gonom studium av doraz effekter.

9 MUTATIONSKÄMSLIGHET I OLIKA STAMER AV GANETOGEITE5EN Hos hanar sker en kontinuerlig produktion av spermier genom att s k stamcellor oupphörligt delar sig och ger upphov till spermatogonier som sedan genomgår en differentieringsprocess bl a omfattande en reduktionsdelning (moios) (UHGCEAH -72, ). Mutationer i stamcollcrna medför ständig nyproduktion av muterade spermiei och svarar för långtidseffekten av bestrålning. Cellor efter mc-iosen (spernatooyter, spormatidcr) har visat sig vara ca 10 gånger så känsliga för induktion av mutationer än celler före meiosen. Det finns inget sk : -Q att anta att inte samma sak gäller for män, och man kar; där-vv-r 'örvänta att efter en en gångsdos följer en period på 6-8 veckor (lcrp-8, sid 18) då mutr - tionsfrekvenson i spcrmierna är ca 10 gånger så hög som under resten av mannens reproduktiva period. Hiskuppskattningar baseras dock på mutationsfrekvenser hos spermatogonior och stamceller på grund av den relativt korta perioden av förhöjd Tiutationsfrekvons. Hos honor sker den totala produktionen av äggceller redan i fosterstadiet och dessa (primära oocyter) b : inner sig sedan i ett tillstånd av vila till dess ett antal av dem för varje menstruations cykel vidareutvecklas till sekundära oocyter och ova för att eventuellt bli befruktade. Bestrålning av mushonor har givit relativt höga, rautationsfrekvenser om befruktningen skott inom 7 veckor efter bestrålningen, för att därefter drastiskt minska till ej mätbara värden (UNSCEAR -72, ) Det är således tidiga stadier av primära oocyter som är okänsliga för induktion av mutationer hos möss. Bestrålning av musfoster, då bildningen av de primära oocytorna sker, ger dock även upphov till mutationer (UNSCEAR -72, 17<;-181). Extrapolation av dessa data till kvinnor är dock mycket vanskligt eftersom do primära oucyterna hos mushonor och kvinnor uppvisar morfologiska olikheter och strålningskänslighctcn i amrnänhet hos oocyter varierar mycket mod stadium och mellan alter (UNSCEAR -72, 32-40). Vid riskbedömningar har man därför i allmänhot applicerat data från mushonor som befruktats inom 7 veckor eftor bestrålningen för att gardera sig mot en allvarlig underskattning av de genetiska riskerna.

10 8 DOS - EFFEKTSAMBAND På grund av svårigheter att erhålla statistiskt signifikanta data för låga doser är våra kunskaper om doseffektsamband fragmentariska på inånga viktiga punkter. En tidig uppfattning var att mutationer uppstod av enstaka träffar av joniserande partiklar på det genetiska materialet, vilket ger upphov till linjärt dos-effektsamband och ett oberoende av doshastighet. Senare direkta mätningar av dos-effektsamband har inte kunnat bekräfta detta och lett till andra uppfattningar om mekanismerna for uppkomst av mutationer och kromosomaberrationcr. Reparationer och andra modifieringar av den ursprungliga skadan anses ha stor betydelse innan skadan har fixerats i form av en mutation eller leromosomaberration (UNSCEAR -72, 42J5-544)* Även selektion under gametogenesen anses kunna förändra dos-effektsambanden (UNSCEAR -72, 51-56). Dos-effektsambanden tycks bero av en mängd faktorer som t ex typ av genetisk skada, typ av strålning och stadium av gametogenesen och är kvalitativt olika för hanar och honor. Såväl linjära, konvexa och konkava dos-effektsamband har konstaterats för olika betingelser. Nedan följer on sammanfattning av de data som har störst signifikans vid riskbedömningar. Den viktigaste typen av kromosomaberration (translokationer) uppvisar ett i stort sett linjärt dos-effektsamband, troligen betingat av en icke-linjär primär induktion av aberrationer, modifierat av selektion under gametogenesen (UNSCEAR -72, 41-58). Även sådana genetiska effekter 30m man tror huvudsakligen beror på kromosomaberrationer, t ox dominanta letaler, uppvisar samma linjära samband. Om dosen dock ökas till mycket höga värden (> 600 rad gamma, > 100 rad snabba neutroner) så minskar antalet kromosomaberrationer med docen, även detta troligtvis på grund av selektion under gametogenesen. För mutationer på bpecifika locus inducerade i spermatogonier finns på grund av experimentella svårigheter inga direkta data om dos-effektsamband. På indirekt väg och med hjälp av data från experiment med fraktioncrado doser har man dock kommit fram till

11 den approximativa uppskattningen attrautationsfrckvensenper rad för låga doser är ~ i/3 av mutationsfrekvensen vid höga doser ( rad) för röntgenstrålning, medan "bestrålning med snabba neutroner ger ett linjärt dos-effektsamband ^UNSCEAR -72, 559)» Motsvarande typ av mutationer i oocytcr uppvisar ett ännu mer utpräglat icks-linjärt doseffektsamband vid röntgenbestrålning. För dosen 50 rad har man t ex konstaterat en mutationsfrckvens per rad som är 1/3 - i/5 av motsvarande värde vid 600 rad (UNSCEAR -72, 560). DOSHASTIGHETSBEROENDE Ett utpräglat doshastighetsberoende brukar i strålningsbiologiska sammanhang av teoretiska skäl (flerträffs-modell) förknippas med ett icke-linjärt dos-effektsamband. Induktion av translokationer med gammabestrålning uppvisar dock ett utpräglat doshastighetsboroende och ett linjärt dos-effektsamband (UNSCEAR -72, 66-67). Detta är troligen ett exempel på hur en biologisk faktor, i detta fall antagligen selektion under gametogenesen, kan förändra den primära responsen. De ur risksynpunkt mest relevanta observationerna rör doshastighetsberoendet för induktion av mutationer på specifika locus i spormatogonior och occyter. Gammabestrålning av spermatogonier har utförts med doshastighetcr i området rad/min (UNSCEAH -66, 156, UNSCEAK -72, 155). I intervallet rad/min var mutationsfrekvenson oberoende av doshastigheten meian en högre mutationsfrekve-ns erhölls vid 9 rad/min och ett 3 gånger så högt konstant värde i intervallet rad/min. Bestrålning av spormatogonier med neutroner (0.7 MeV) medför i stället ett omvänt doshastighetsberoende. En dos på 188 rad given under 3-4 nu* 1 gav således i en undersökning endast 1/9 av mutationsfrekvonscn för en dos på 62 rad given under en period på 12 veckor (UNSCEAR -72, 156). Data om doshastighetsberoendet för oocyter är mor knapphändigt. Oocyterna uppvisar dock vid gammabostrålning ett mer utpräglat doshastighetsberoende som även sträcker sig ner mot lägre doshastighetor. Mutationsfrekvensen per locus är högre än för sper-

12 10 matogonior vid 90 rad/min, nen "botydligt lägre vid rad/min (TTFTSCEAR -66, 157). Vid experiment med mycket låga doshastighoter (412 rad under 12 veckor) har raan över huvud taget inte kunnat notera någon signifikant förhöjning 1 av nmtationsfrckvenscn (UNSCEAR -72, ). Även kronisk bestrålning mod neutroner (80 rad under 12 veckor) ger mycket laga mutationsfrekvensor för oocyter. RELATIV BIOLOGISK EFFEKTIVITET FÖR OLIKA STRÅLSLAG Olika värden på R3S för ett visst stralslag erhålls 'beroende på sådana omständigheter SOLI des, doshastighet och typ av genetisk skada. Givet dessa omständigheter blir värdena också olika för honor och hanar och beror på när under ganetogenosen bestrålningen sker. Generella värden på RBE existerar således inte, Fissionsncutroner har i allmänhet visat sig ge större offekt per dos än gaxiina- och röntgenstrålning. För mutationer på specifika locus hos spermatogonicr har man vid höga doshastigheter erhållit 6 gånger högre värden ån vid röntgonbestrålning, vilket vid låga doshastighetcr motsvarar en faktor 19 (UNSCEÅR -66, ). Vid många tillfällen har man också noterat en kvalitativ och kvantitativ skillnad i rocpons mellan gamma- och röntgenbestrålning (UNSCEAR -66, 199, UFSCEAfi -72, 64-67). Generellt tycks strålning med hög LET ge större effekt än strålning med låg LET och en skillnad i ro spöns kan noteras redan vid jämförelse mellan gamma- och röntgenstrålning. RISKUPPSKATTNINGATL Vi har hittills berört två typer av svårigheter vid uppskattning av riskerna av jcniaorpjido strålning, d^ls bedömningen av mätta mutationsfrekvenser mot bakgrunden av att många andra typer av mutationer troligen förekommer men inte detekteras, dels svårigheten att i en given situation av dos, dosha,stighet och stralslag kunna uppskatta mutationsfrukvenserna på människa mot bakgrunden av det mycket komplicerade beroendet av olika faktorer. Som en ytterligare svårighut kommer Bcdan bedömningen av vilka konsekvenserna blir i framtida generationer när mutationsfrck-

13 11 venserna är givna, vilket är vad som tas upp i detta avsnitt. SPRIDNING OCH ELIMINATION AV MTJTANTA GENER Under mcioscn sker en omfördelning av arvsanlagen så att de resulterande könscellerna (sperraier eller äggceller) utgör en heterogen grupp av nya kombinationer av dels de anlag som individen ärvt från sina föräldrar och dels de anlag som uppstått genom mutationer. "Vissa kromosomaborrationer är störande på de mekanismer som sker vid meiosen och kan bli eliminerade redan i detta stadium. I den mån det inte förekommer någon selektion vid do processer som leder till befruktning är det nu slumpen som avgör om en mutcrad gen överförs till individens barn eller inte. Om mutationsfrekvenscn är uttryckt som antalet mutationer per garnet (könscell) får man addera bidraget från modern och fadern för att erhålla, frekvensen av barn med muteradc gener. Sannolikheten för att samma gon hos modern och fadern skall ha fått en mutation är försumbart liten så barnen blir bärare av anlagen i heterozygot uppsättning. För att diskutera spridningen av en muterad gen på ytterligare generationer framåt kan vi först betrakta det fall att mutationen är neutral, dvs dess inflytande på anlaget i fråga är försumbart. Samtliga celler hos do individer scm fått anlaget är bärare av den mutera,de genen, inklusive de stamcell or som ger upphov till könscellerna. Vid den följande moiosen sker dock en uppdelning av de homologa generna så att endast hälften av do resulterande gameterna erhåller don muterade genen. Sannolikheten för att anlaget överförs till nästa generation är således 50 fo för vart och ett av individens barn. Om individen får två barn, vilket gäller i genomsnitt för en stationär befolkning, blir sannolikheten 25 % att bägge barnen får anlaget, 50 io att ett av barnen får anlaget och 25 fo att ingot av barnen får anlaget. Den muterado genen kan således försvinna eller få vidare spridning allt efter omständigheterna, och blir i genomsnitt överförd i en upplaga till nästa generation i en stationär befolkning. Det som förutom slumpen har inflytande på don fortsatta spridningen är antalet barn som anlagsbärarna i do fortsatta generationerna får. En genetisk komponent som har betydelse för detta utgör do gener som rent strukturellt

14 12 är hårt kopplade till der. rauteradc genen, dvs har liten sannolikhet att skilj0.3 från donna vid de omfördelningar son skor vid mcicscn. Om dessa goner är ofördelaktiga så ar sannolikhoten stor att den i sig 1 själv neutrala mutationen kominer att försvinna, men om motsatsen gäller så är sannolikheten stor för att en vidare spridning 1 av den imiterade gonen kommer att ske. Om vi i stället antar att don muterado genen ger upphov till nya egenskaper sa är det troligt u L t den komner att n;odifiera spridningsmokanismgn genon att influera antalet avkomlingar till anlagsbärarna. Detta är t ex uppenbart i det fall den muterado genen ger upphov till allvarliga, sjukdomar som ökar sannolikheten för att individen dör före könsmogen ålder. Även i mindre uppenbara fall är det troligt att ett slumpmässigt ingrepp i genens struktur, i den mån det orsakar någon förändring, gör det i negativ riktning. Även om genen i flera generationer ut- Övar ett försumbart inflytande pä anlagsbärarna, så är det troligt att gancn förr eller Gcnare kommer i sådan relation till andra gener och anlag att dess verkan i negativ riktning tar sig uttryck och ger ökad sannolikhet för att genen försvinner ur populationen. Do extra fallen av genernas försvinnande som orsakas av generna själva, kallas för elimination. De slumpmässiga orsakerna till att vissa gener upphör uppvägs dock av att andra gener får ökad spridning och innebär inte någon elimination, i ovan definierad bemärkelse. Man kan spekulera om inte anlag kan uppstå, som ur social, individuell eller annan synpunkt kan betraktas som skadliga, utan att de medför minskad sannolikhet for vidare spridning. Svaret är att människan under alla tider varit utsatt för så pass hög naturlig mutationsfrekvens att sådana egenskaper i så fall redan utgör en integrerad dol av det som vi betraktar som normalt. Vid de riskbedömningar som har gjorts har inan således arbetat oftor den hypotesen att alla mutationer är skadliga och att de förr eller senare blir eliminerade. Man kan modifiera detta genom att säga att åtminstone do mutationer som detekteras med gängse genetiska metoder är skadliga och kommer att elimineras. Det är också frekvensen av dessa mutationer som används vid ri skupp skat tningar.

15 För on stor population människor kan nan betrakta samtliga sonor som utgörande en genpool, där nya i stort sett slumpmässiga kombinationer av generna uppstår för varje ny genoration. Den spontana mutationsfrekvensc-n innebär att hela tiden nya gen'er uppstår i poolen och or. inte dessa eliminerades så skulle en successiv ackumulation ske. Ora de nya generna är skadliga, och vi kan begränsa diskussionen till dessa, sä kommer emellertid elimination att ske i proportion till frekvensen av dessa gener i poolen. Ett jämviktsläge kommer att uppstå där* antalet mutationer blir lika mod antalet eliniinationer, om vi även förutsätter en konstant selektion under en längre tidsperiod. Om vi nu tänker oss en konstant förhöjd mutationsfrekvens så kommer successivt antalet nya gener i poolen att öka till dess ett nytt jämviktsläge inträder. För do dominanta skadliga generna uppnås det nya jämviktsläget snabbt, nedan for de recessiva generna och för gener med små effekter flera hundra generationer av förhöjd inutationsfrekvens kan krävas innan det nya jämviktsläget uppnåtts. Antalet extra eliminationcr/generation är då lika med antalet extra ska.dliga mutationer/generation. Motsvarande förskjutningar av jämvikten kan även uppstå för individuella gener på grund av ändrad selektion, och det hela kan beskrivas som ott tillstånd av dynamisk jämvikt där den frekvens av skadliga gener vi har nu är resultatet av mutation och selektion under tidigare generationer. Om vi i stället har on förhöjd mutationsfrckvons under en tid av endast c-n generation så fås en momentan förhöjning av frekvensen skadliga gener följd av en periods okad elimination till dess jämviktsläget åter har uppnåtts. För en stationär befolkning blir det totala, antalet oliminationcr, utspritt över alla kommande generationer, lika med det extra antalet skadliga mutationer som inducerats. Nedan följer ott exempel på hur denna modell kan användas. Vi 5 antar att mutationsfrekvensen för ett visst locus är 10 per garnet per generation för både män och kvinnor, vilket ligger nära de uppskattningar som gjorts för naturlig mutationsfrekvens,

16 14 och att mutationen ger upphov till ett recessivt anlag 1 som ger elimination i hemosyrot uppsättning. Om vi antar jämvikt så är -5 totala antalet eliminationer av denna gon också 10 per genoration. Om frekvensen av donna.ren i populaticnen är F så blir sannolikhoten för att både modern och fadern bidrar med denna 2 > 2 5 gen F, om vi antar slumpmässig parning. Vi får således F = 10, -5-3 F ~ För att uppnå en gonfrekvens på 3 10 med on mutationsfrekvens per generation av 10 så erfordras 300 generationer och således ca år innan vi uppnått nära jämvikt. Efter en engångsdos till en generation skulle det även i genomsnitt kräva motsvarande tidsperiod innan d_. recessiva mutationerna blivit eliminerade. I huvudsak recessiva gener kan även ha ett litet drag av dominans och siffran 5 /o har angivits som uppskattat nodelvärde (UNSCEAR O). Detta innebär att. för var tjugonde porson som bär genen sker en elimination, och eftersom både modern och fadern kan bidra med genen så erhålls vid jämvikt F = X 20 X 10*~* = 10~^. Anta- 2 o let eliminationer på grund av homozygot uppsättning, F, blir då fl 10 per generation och försumbar i jämförelse nod eliminationen i heterezygot uppsättning. I modeltal blir då mutationen eliminerad efter 10 generationer dvs efter ca J00 år. DUBBLERIITGSDOS För att kunna göra en kvantitativ uppskattning av de genetiska effekterna och skadeverkningarna på framtida generationer är man tvungen att göra långtgående förenklingar. I huvudsak två metoder har använts, varvid man utnyttjat begreppen dubbleringsdos resp genetisk död. Den ena a,v dessa metoder innebär följande: a) Man uppskattar vilka skadeverkningar den naturliga mutationsfrekvensen åstadkommor for varje genoration i form av bl a genetiskt betingade sjukdomar. b) Man gör en uppskattning av hur ator dos som krävs per generation för att mutatiensfrokvenson skall bli dubbelt så hög som den naturligt förekommande. Denna dos kallas dubbleringsdos.

17 15 Skadeverkningarna av en given dos kan då "beräknas som dosens storlek, uttryckt i antal dubbleringsdoser, multiplicerat med skadeverkningarna onligt a). I det fall don givna dosen gäller en konstant dosförhöjning for alla generationer framåt så blir de beräknade extra skadeverkningarna vad som kommer att erhållas för varje generation när jämvikt uppnåtts. I det fall den givna dosen gäller en engångsdos för en enstaka generation så blir de beräknade skadeverkningarna vad som totalt kommer att erhållas om man summerar över alla framtida generationer. För att ta hänsyn till de betingelser som inverkar på frekvensen av inducerade mutationer blir man tvungen att specificera för vilka doshastigheter, dosområden och strålslag den uppskattade dubbleringsdosen gäller och göra korrektioner för andra betingelser. Följande antaganden ligger till grund för en uppskattning på ovan angivet sätt: a) De genetiskt betingade skadeverkningar vi har för närvarande är representativa för den naturliga mutationsfrekvens som för närvarande gäller, dvs vi har jämvikt. I princip innebär detta att man måste förutsätta att narr konstant mutationsfrekvehs och selektion har gällt för kanske några tusental år tillbaka i tiden, och för prognosens skull även motsvarande period framåt i tiden. Detta gäller säkerligen inte för varje typ av genetiskt betingad sjukdom, men är lättare att acceptera som en approximation för större grupper av skadeverkningar. b) DG typer av mutationer som uppstår spontant är av samma slag som de som uppstår av joniserande strålning. Detta är nödvändigt att anta om man vill göra anspråk på att riskuppskattningen skall gälla alla typer av skadeverkningar medan uppskattningen av dubbleringsdosen endast görs för vissa typer av mutationer. Man har t ex konstaterat att relativa förekomsten av inducerade mutationer på olika loci beror av strålslag och skiljer sig från don relativa förekomsten av naturligt uppkomna mutationer (UNSCEAR ). Även av donna anledning är således riskuppskattningen för varje enskild typ av genetiskt betingad sjukdom mycket osäkor, men gäller med bättre noggrannhet för större grupper av skadeverkningar.

18 16 Man har gjort uppskattningar av de skadeverkningar son don naturliga nutationsfrekvensen orsakar genom.r tt tabulera alla sjukdomar som kunnat konstateras ha tydliga ärftliga drag, och de frekvenser i vilka do förekommer (UNSCEAR ). För vissa av dessa sjukdomar son nedärvs med enkla Mendelska lagar har man antagit att de orsakas uteslutande rv nutationer. För de övriga sjukdomarna har man antagit att endaet en viss andel av dessa har orsakats av mutationer, och de övriga fallen har antingen uppstått av andra än genetiska orsaker eller är genetiskt betingade av andra skäl än genom nutation. Exempelvis kan en sjukdomsalstrande gen hållas i balans i populationen om den under vissa omständigheter (t ex i hoterozygot uppsättning eller i kombination med vissa speciella andra gener) medför en fördel för bäraren äve-n om den under andra, omständigheter (t ex i homozygot uppsättning) medför sjukdomen i fråga. Genom dessa uppskattningar har man kommit fram till att den naturliga mutationsfrckvensen orsakar sjukdom eller andra allvarliga verkningar för 2-4 fo av alla barn som föds (UNSCEAR )» Dessa uppskattningar avser endast de sjukdomar som klart påvisats vara genetiskt betingade. Alla övriga mutationer, som troligtvis har inverkan på en myckot större andel av populationen, kan inte påvisas med genetiska, nctoder. Den uppskattningen har dock gjorts att 20 f. eller maximalt 50 fo av all sjuklighot beror av mutationer (BEIR -72, sid 2). När det gäller uppskattning av dubbleringsdosen har man för möss gjort en sammanställning av alla tillgängliga data och funnit att denna är av storleksordningen 30 rad vid akut bestrålning av spermatogonier med höga dosor av röntgenstrålning (TJNSCEAR ). Vid extrapolation av detta värde till människa, så förefaller den allvarligaste invändningen vara don stora skillnaden i gencrationstid mellan möss och människor, några månader för möss och ca 30 år för människan. Antagandet att don naturliga mutationsfrokvensen per genoration är ungefär lika för möss och människor har dock visst stod av de uppskattningar som har gjorts (UNSCEAR ). Det är av intresse i detta sammanhang att man är ovetande om spontana mutationer ackumuleras successivt mod tiden eller huvudsakligen uppstår i något visat skede av

19 17 gametogonesen. De uppskattningar av dubble rings do sen som har gjorts för människa, huvudsakligen genom extrapolation av data på möss, ligger i området rad (UNSCEAR , BEIR -72, sid i). Den undre gränsen ar delvis betingad av undersökningarna i Hiroshima och Nagasaki, eftersom man på statistiska grunder har ansett att en förhöjning av genetiskt betingade sjukdomar eller andra effekter borde ha detekterats om dubbleringsdosen är lägre än 10 rad (tfnscear ). GENETISK DÖD Det resonemang som ligger till grund för riskuppskattningar med utnyttjande av begreppet genetisk död är följande. Alla mutationer antas vara skadliga och bli eliminerade. En minoritet av mutationerna ger allvarliga dominanta sjukdomar och blir snabbt eliminerade ur populationon. Den största gruppen utgör de i huvudsak recessiva mutationerna som i heterozygot uppsättning ger små eff ekter hos anlagsbärarna. Dessa mutationer antas i vid bemärkelse ge nedsatt vitalitet i liten utsträckning och ge t ex ökad risk för sjukdom eller olyckshändelse, ge komplikationer vid sådana fall, eller på annat sätt minska sannolikheten för att genen förs vidare till nästa generation. När dessa mutationer elimineras så antas det ske huvudsakligen genom sådana händelser som är vanliga i samhället, t ex sjukdom och olyckshändelser, eftersom de naturliga mutationerna ger upphov till en hög frekvens sådana gener i populationen. Den viktiga slutsatsen av detta resonemang är att även mutationer som i sig själva ger små effekter till slut orsakar ungefär lika stor skada som de allvarliga dominanta mutationerna. Man sammanför därför alla typer av eliminationcr under en etikett, nämligen "genetisk död". Även händelser som inte selektivt drabbar individer med mutationer kan leda till att mutcradc gener försvinner ur befolkningen. Sådana händelser leder dock inte till att frekvensen av individer mod mutorado gener förändras, och räknas inte in i fallon av genetisk död. Por en stationär befolkning blir dessa icke selektiva dödsfall kompenserade av motsvarande födelsetillskott som ger ökad spridning av andra muterade gener. Det totala antalet mutorade gener blir således inte förändrat

20 18 av sådana händelser, och antalet fall av fonetisk död, orsakadeav mutationerna, blir därför lika mod antalet mutationer. Vid riskuppskattningar ned denna metod buhöver man endast uppskatta mutationsfrckvenserna, och skadeverkningarna uttrycks då i sanna antal fall av genetisk död för on stationär befolkning. Man behöver inte göra antaganden om jämvikt i populationen, nen i stället uppstår svårighet vid beräkning av totala antalet mutationer på hela gencmet. Vid dessa beräkningar har man använt data på mutationsfrekvenser på specifika locus på möss och multiplicerat nod uppskattat antal locus per genom för människa. En av de senaste uppskattningarna är 1.5 * 10 ' nutation per garnet per rad för kronisk röntgenstrålning, vilket motsvarar 5 # 10 mutation per garnet per rad for akut bestrålning (UNSCEAE ). Detta har bedömts vara en överskattning, men man bör vara medveten om att de mutationer som har detekterats sannolikt inte utgör alla mutationer (se inledningen). En utförligare diskussion av begreppet genetisk död finns i ICRP, publikation 8. EXEMPEL: 100 RAD AKUT BESTRÅLNING Vid beräkning av do genetiska riskerna vid akut bestrålning av en större population människor bor man först ta hänsyn till åldersfördelning och befolkningstillväxt och beräkna den genetiskt signifikanta doson. Cm dosen är inhomogent fördelad bör man även ta hänsyn till att doscffektsambanden inte är linjära? och om olika strålslag förekommer även ta hänsyn till var och en av dessa individuellt. I fortsättningen förutsätts att beräkningar av sådant slag har gjorts och att dosen ur genetisk synpunkt är ekvivalent med 100 rad röntgenstrålning till hela populationen. De riskuppskattningar som har gjorts av UITSCEAR, ICRP och BEIR används som utgångsmaterial, UNSCEAR -72. Riskuppskattningen finne sammanfattad i tabellform (UNSCEAR -72 table 2?) och för att omarbeta donna tabell till 100 rad akut röntgenstrålning så får man vidta följande åtgärder?

21 19 a) multiplicera angivna värden på nutationsfrekvenser mod 3 och värden på frekvenser av kroinosomaberrationer mod 4 för att gälla akuta doser (motsvarande reduktioner har gjorts för att uppskattningen ska gälla små dosor och doshastigheter). "b) uppskattningen "very low" som har gjorts för induktion av mutationer på kvinnor (med anledning av de låga mutationsfrekvenser som erhållits vid låga doshastighetcr på möss) gäller inte för akut bestrålning med 100 rad, och i brist på bättre uppskattningar kan man applicera samnia värden på kvinnor som för män. c) multiplicera alla värden med 100 för att gälla 100 rad. Tabell 1 anger resultatet av en sådan omarbetning. Den undre gränsen för recessiva punktmutationer har erhållits genom att endast räkna de som är letala vid experiment med möss. Den övre gränsen har erhållits med hjälp av data på mutationsfrekvenscr på enskilda loci multiplicerat ined antalet looi per genom. För att få en uppfattning om konsekvenserna av dessa mutationer så kan man ho. begreppet genetisk död i åtanke. Man notorar den stora osäkerheten i bedömningen och att den övre gränsen förutspår att totala antalet fall av genetisk död över alla generationer framåt utgör ca 100 fo av den bestrålade befolkningens storlek om man tar hänsyn till att både modern och fadern bidrar med en könscell för varje individ. Förutom de recessiva mutationerna har man gjort riskuppskattningar för vissa speciella typer av genetisk skada enligt tabellen. ICRP, publikation 8. Vid den riskuppskattning som gjorts i donna publikation har man inte reducerat mätta mutationsfrekvenscr för låga doshastigheter eller små doser, så de värden som är angivna är direkt applicerbara. För vissa speciella typer av skador har man utnyttjat en dubbleringsdos på 20 rad, medan uppskattning av totala skadan har gjorts med hjälp av begreppet genetisk död. Det totala antalet mutationer per genom har då beräknats genom mutationsfrekvenson per locus multiplicerat med antalet loci por genom men något annorlunda värden har använts än i UNSCEAR -72. Man har också uppskattat hur stor anad av climinationen som kommer att ske för varje generation framåt

22 20 i tiden oftor en ongångsdos. Därvid har man antagit att don andel av anlagsbärarna son elimineras för varje generation är nollan 0.01 och Tabell 2 har erhållits genom att multiplicera dessa uppskattningar (icrp-fi taboil J [/\) ned 100 för dosen 100 rad. Frekvenserna är angivna sen antal clininationor per 1 nil jon födslar och gäller således för en bestrdlad population på 1 miljon individer vars storlek sedan är konstant i tiden. B5IR -72. Vid den riskuppskattning son här gjorts har man uteslutande arbetat mod begreppet dubblcringsdos. Man har uppskattat donna till att ligga nollan 20 och 200 rad för kronisk bes^rålning, och gjort beräkningar av de genetiska skadorna i första generationen och efter jämvikt för en dos på 5 rad per generation. För att översätta dessa uppskattningar på en akut cngångsdos kan man multiplicera, de uppskattade skadeverkningarna med en faktor tre för att gälla akut bestrålning och använda de skadefrekvenser son anges per generation vid jämvikt till att i stället utgöra u.v.n totala skadefrekvensen på alla framtida generationer för en cngångsdos. Resultatet a.v en sådan omarbetning är sammanfattad i tabell 3» Man kan återigen notera åon stora osäkerhet son uttrycks vid riskuppskattningen, och att den inte skiljer sig i någon stor utsträckning frän riskuppskattningar gjorda mod hjälp av begreppet genetisk död. Man har också försökt uppskatta skadeverkningarna i form av "allmän ohälsa", och därvid.antagit att en femtedel av all o- hälsa orsakas av återkommande mutationer (BEIR -72 sid 56-57). Använder nan dubbleringsdo son rad sä skalle on cngångsdos på 100 rad inducera en ohälsa, utspridd över alla kommande generationer, som motsvarar 1Ö-1-J0 y av all ohälsa i den bestrålade generationen. Eftersom den angivna dubbloringsdosen uppskattats för kronisk bestrålning så bör dessa värden multipliceras mod y j,

23 21 Om man ska försöka sammanfatta dessa tre riskuppskattningar sa kan man notera att de övre gränserna för uppskattningarna innebär att det totala antalet fall av genetisk död eller totala antalet i framtiden skadade personer är ungefär lika stort som det antal personer som be strålades mod 100 rad. De undre gränserna förutsäger att skadeverkningarna endast är några procent av detta. Man bor beakta att dessa uppskattningar är gjorda för on population vars storlek är konstant i tiden. För en växande population ökar antalet fall av genetisk skada i proportion till storleken vid varje generation, och man måste därvid ta hänsyn till storleken flera tusen år framåt i tiden. Vidare bör man vara medveten om att alla mutationer som ger små effekter inte är medräknade vid dessa riskuppskattningar.

24 22 Tabell 1. Risk för induktion av genetisk skada vid en akut dos av 100 rad röntgenstrålning. Omarbetning av UNSCEAR -72 tabell 29 sid 282. Typ av skada Totalt antal per 1 nil jon ganeter Antal son uttrycks i första generationen Recessiva punktmutationer Dominanta synliga Skelettimrtationcr Reciproka translokationer X-krono s onförlu s t c r mjar ovan 800 missbildade barn spontan.?, aborter spontana aborter Tabell 2. Uppskattat antal climinationcr för det specificerade antalet generationer per miljon födslar efter bestrålning* av den ursprungliga generationen racd 100 rad akut röntgenstrålning. Omarbetning av ICRP, publikation 8 tabell 14 sid 50. Generationer Antalet oliminationcr C = 0.01 S = S = CJ Antal generationer till dess 50 % av mutationerna har eliminerats S anger andel av anlagsbärarna son elimineras per generation. Generationstiden kan uppskattas till 30 är.

25 23 Tabell 3' Uppskattad effekt av on on -ånr;sdos pa 100 rad ikut röntgenstrålning till on population pa 1 miljon människor. Omarbetning av BEIR -72 tab.,11 4 sid 57. Sjukdom Första generationen Totalt Dominanta sjukdomar Missbildningar, konstitutionella och dcecnerativa sjukdomar Totalt

26 REFERENSER TJNSC3AR -5B. The g-netic effects of radiation. Report of the United Matirr.s >? iert-i.fi c Corimi t.t.pe Oil the- Effects of Atomic Radiation (1953) UNSCEAR -62, The hereditary effects of radiation. Ibid (1962) UNSCEAR -66. The genetic risks of ioni:ing radiation. Ibid (1966) UNSCEAR -72. Genetic effects of ionizing radiation. Ibid, vol II (1972) ICRP-8. The Evaluation of Risks from Radiation. The International Commission on Radiological Protection, publication 8 (1966) Pergamon Press. BEIR -72. The Effects en Populations of Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation. Report of the Advisory Committee on the Biological Effec'.s of Ionizing Radiations. Nat. Acad. Sci. US (1972)