Bei diploiden und autotetraploiden Formen von zwei Arten (Oenothera hookeri und Hordeum vulgare) wird gezeigt, dass die unmittelbar nach Röntgenbestrahlung auftretende Unterbindung der Mitosetätigkeit weder auf der Induktion spezifischer genetischer Defekte (Mutationen), noch auf einer irreversiblen Inaktivierung des Kerns beruht. Sie beruht dagegen auf einer “vorzeitigen Ausdifferenzierung” (premature differentiation, Evans(13)), deren Ursache eine ungleiche Dauer der vorübergehenden Entwicklungshemmung von Kern und Cytoplasma ist. Dieses wird aus folgenden Beobachtungen geschlossen:
- 1.
Während der strahleninduzierten Hemmung des Kerns (mitotic delay) läuft die Entwicklung des Cytoplasmas weiter. In Abhängigkeit von Entwicklungsstadium und Bestrahlungsdosis erreicht ein kleinerer oder grösserer Teil der Zellen auf diese Weise das Endstadium der Dauerzelle, ehe der Zellkern wieder dazu in der Lage ist, die Mitosetätigkeit aufzunehmen (vorzeitige Ausdifferenzierung). In den meisten Zelltypen besteht nun normalerweise keine Veranlassung mehr, die Mitosetätigkeit wieder aufzunehmen, und sie unterbleibt daher. Eine entsprechende Autonomie des Cytoplasmas und deren Bedeutung für die Steuerung von Zellentwicklung und -proliferation ist aus anderen Untersuchungen bekannt. Solche Zellen jedoch, die auf Grund ihrer Rangfolge im Vegetationskegel bis zu dem Zeitpunkt, in dem der Kern wieder die Mitosetätigkeit aufnehmen kann, noch meristematisch sind, oder solche Zellen, die eine besondere Determination besitzen (Leitbündelelemente), treten jedoch auch nach Bestrahlung mit ungewöhnlich hohen Dosen (bis 1500 kR beobachtet) in die Mitose ein, auch wenn ihre Kerne zahlreiche chromosomale Defekte aufweisen.
- 2.
Die autotetraploiden Formen sind bezüglich der Unterbindung der Mitosetätigkeit nicht resistenter als die diploiden, obwohl Polyploidie nachweislich einen eindeutigen Schutzeffekt gegenüber genetischen Defekten ausübt. Der Vorgang der vorzeitigen Ausdifferenzierung geht zudem mit so grosser Regelmässigkeit vor sich, dass ein statistisches Ereignis, d.h. ein durch die Bestrahlung ausgelöster genetischer Defekt, als Ursache ausgeschlossen ist.
- 3.
Die Unterbindung der Mitose verhindert Chromosomenstückverlust und andere sekundäre genetische Defekte, sodass diese mit steigender Bestrahlungsdosis abnehmen (Reversionsphänomen von Schwartz und Bay(49)). Die Abnahme der sekundären Kernschädigung und die Schutzwirkung der Polyploidie wirken sich auch nach Bestrahlung mit sehr hohen Dosen vorteilhalt für die Zelle aus (Blattlängenwachstum, Überlebensdauer; bei Oenothera hookeri diploid bis 736 kR, tetraploid bis 1472 kR). Der Zellkern hat demnach auch nach derartigen Bestrahlungsdosen physiologisch noch eine Bedeutung für die Zelle.
Es ergeben sich Konsequenzen für Fragen der Zellproliferation, der Strahlenresistenz, der Strahlenstimulation und der treffertheoretischen Deutungsmöglichkeiten. Gegenüber dem rein genetischen Effekt scheint die vorzeitige Ausdifferenzierung und Unterbindung der Mitosetätigkeit nach Röntgenbestrahlung von metabolisch und mitotisch aktiven Geweben den bedeutenderen Anteil an der Gesamtschädigung zu besitzen.
The inhibition of mitotic activity occurring in the diploid and autotetraploid forms of two species (Oenothera hookeri and Hordeum vulgare) immediately after X-irradiation is shown to be subject neither to induced specific genetic defects (mutations) nor to irreversible nuclear inactivation. It is, however, due to premature differentiation (Evans(13)) caused by an unequal duration of transitory inhibited development of nucleus and cytoplasm. This is concluded from the following observations:
- 1.
During the radiation-induced mitotic delay, cytoplasmatic development is continuing. Depending upon developmental stage and exposure, some of the cells thus achieve the final stage of differentiation before the nucleus is able to resume mitotic activity (premature differentiation). For most types of cells there is no longer any need to resume their mitotic activity which, therefore, does not take place. A corresponding cytoplasmic autonomy and its importance for the control of development and proliferation of cells are known from other investigations. Cells, however, that on grounds of their position within the apical meristem, are still meristematic by the time the nucleus is able to resume its mitotic activity, or cells that show specific determination (elements of vascular strands) enter mitosis also after irradiation with unusually high exposures (up to 1500 kR), even if their nuclei show numerous chromosomal defects.
- 2.
With respect to inhibited mitotic activity, autotetraploid forms do not exhibit more resistance to irradiation than diploid forms though polyploidy has clearly been demonstrated to have protective effects against genetic defects. Premature differentiation proceeds with such regularity that a statistical event, i.e. a radiation-induced genetic defect is to be excluded as a possible cause.
- 3.
The mitotic inhibition prevents deletion and other secondary genetic defects which therefore decrease with increasing exposures (phenomenon of reversion, Schwarz and Bay(49)). Decrease of secondary nuclear damage and protective effects of polyploidy are an advantage to the cell even after irradiation with high exposures (length of leaves, survival; up to 736 kR for Oenothera hookeri diploid, up to 1472 kR for its tetraploid form). Accordingly, the nucleus is physiologically still important to the cell, even after the use of such exposures.
Questions arise about cell proliferation, radiation resistance, stimulation by irradiation and possible target theory interpretations.
After X-irradiation of metabolically mitotically active tissue the major part of the total damage is attributable to premature differentiation and inhibition of mitotic activity rather than to purely genetic effects.
Il a été démontré chez des formes diploïdes et autotétraploïdes de deux espèces (Oenothera hookeri et Hordeum vulgare) que l'arrêt de l'activité mitotique intervenant immédiatement après irradiation aux rayons X ne dépend ni de l'induction d'effets génétiques spécifiques (mutations), ni d'une inactivation irréversible du noyau.
Elle dépend par contre d'une “différenciation prématurée” (premature differentiation, Evans(12)), dont l'origine réside dans une durée inégale de l'inhibition temporaire de l'évolution du noyau et du cytoplasme. Ceci a été déduit des observations suivantes:
- (1)
Pendant la période d'inhibition du noyau (mitotic delay) induite par l'irradiation, l'évolution du cytoplasme se poursuit. Selon le stade d'évolution et la dose d'irradiation, une plus ou moins grande partie des cellules atteignent de cette manière leur stade terminal, avant que le noyau soit de nouveau en mesure d'avoir une activité mitotique (différenciation prematurée). Dans la plupart des types cellulaires aucune activité mitotique ne subsiste.
L'autonomie du cytoplasme dont nous avons parlé antérieurement et sa signification pour la suite du développement et de la prolifération cellulaire sont connues par d'autres recherches. Cependant, les cellules qui, de par leur position dans les couches du point végétatif, sont encore dans un état méristématique au moment oü leur noyau reprend une activité mitotique, de même que les cellules qui possèdent une détermination particulière (Leitbündelelemente), peuvent entrer en mitose après irradiation par des doses exceptionnellement élevées (jusqu'à 150 kR) même si leur noyau présente de nombreuses aberrations chromosomiques.
- (2)
Bien que l'on puisse démontrer que la polyploïdie a un effet protecteur significatif contre les dommages génétiques, les formes autotétraploïdes ne sont pas plus résistantes que les formes diploïdes vis-à-vis de l'interruption de l'activité mitotique. La “différenciation prématurée” survient d'ailleurs avec une si grande régularité qu'il est exclu qu'elle ait pour origine un effet génétique statistiquement produit par l'irradiation.
- (3)
L'interruption de la mitose retarde la perte de fragments chromosomiques et les autres effets génétiques secondaires qui, de cette façon, diminuent avec la dose d'irradiation (phénomène de réversion de Schwartz et Bay.(49)
Cette diminution des dommages nucléaires secondaires et l'effet protecteur dú à la polyploïdie interviennent avantageusement pour la cellule (Croissance foliaire, durée de survie; chez Oenothera hookeri diploïde jusqu'à 736 kR, tétraploïde jusqu'à 1472 kR) même après irradiation par de très fortes doses. Le noyau conserve donc, même après de telles doses d'irradiation, une signification physiologique pour la cellule.
Ces données peuvent avoir des répercussions sur les problèmes de prolifération cellulaire de radiorésistance, de radiostimulation et pour l'interprétation de la théorie des cibles.
Il semble bien que la partie la plus significative du dommage général se situe non pas dans un effet génétique pur, mais dans la “différenciation prématurée” et l'interruption de l'activité mitotique après irradiation par les rayons X des dissus métaboliquement et mitotiquement actifs.