La radiologie médicale et les mutations artificielles

Jérôme LEJEUNE

La radiologie médicale et les mutations artificielles. (revue générale). Ann. Radiol., 1959, II (n° 11-12) : 889-902.


Sommaire

L'usage des différentes formes de l'énergie ionisante se répandant chaque jour dans notre civilisation, le problème de ses retentissements possibles sur la stabilité du patrimoine héréditaire de notre espèce est devenu une question d'actualité.

Le but de la présente revue est d'esquisser un tableau des connaissances actuelles sur la Radiogénétique et, secondairement, d'envisager les renseignements directs que l'étude de la descendance de parents irradiés a pu nous apporter.

Avant d'aborder le problème des mutations artificielles chez l'homme une brève description des mutations naturelles est indispensable.

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I. Les mutations naturelles

On désigne sous le terme de " mutation " un changement brusque, d'emblée transmissible et définitivement stable, d'un caractère héréditaire. Les mutations sont dites naturelles lorsqu'elles se produisent dans le cours normal de la vie ou, pour être plus précis, lorsque leur apparition n'a été influencée en aucune manière par une intervention humaine. Bien entendu ces mutations ne sont " spontanées " qu'en ce sens restreint car elles relèvent de causes souvent inconnues mais parfois évidentes.

Le matériel héréditaire étant situé sur les chromosomes, il est possible de classer les mutations selon que le changement primaire intéresse un segment plus au moins important de ce matériel.

On peut donc schématiquement distinguer les mutations chromosomiques, intéressant un segment suffisamment grand pour être décelable au microscope et les mutations géniques ou ponctuelles, dont le site est suffisamment restreint pour qu'il soit invisible.

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Les mutations chromosomique

Les mutations chromosomiques ont été longtemps méconnues dans notre espèce et le premier exemple n'en a été, décrit qu'en janvier 1959, le mongolisme [Lejeune, Gautier et Turpin (1)]. Il s'agit ici d'une trisomie, c'est-à -dire de la présence de 3 exemplaires au lieu de deux d'un chromosome très petit dénommé Vh. Une autre anomalie consiste en un échange de fragments entre deux chromosomes au translocation, le seul exemple actuel étant la polydyspondylie [Turpin, Lejeune, Lafourcade et Gautier (2)]. Parfois, l'anomalie consiste en la présence d'un chromosome sexuel. supplémentaire, tel que la maladie de Klïnefelter XXY [Jacobs et coll, 1959 (3)], ou l'absence de l'un d'eux : Maladie de Turner XO [Ford et coll., 1959 (4)].

Ce chapitre des mutations chromosomiques ouvert il y a un an à peine est en pleine expansion.

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Les mutations géniques

Lorsque par contre la lésion chromosomique est ponctuelle, et qu'aucune anomalie ne peut être décelée on parle de " mutation génique " cause de l'immense majorité des entités génétiques.

Comme les mutations chromosomiques sont encore fort mal connues et que par ailleurs elles ne peuvent guère se transmettre à la descendance du fait des troubles du développement qu'elles déterminent ou des anomalies de la méiose qu'elles entraînent, nous centrerons la présente discussion sur les mutations géniques.

Caractères généraux des mutations

D'un point de vue très général les mutations possèdent trois caractères essentiels : fortuité, stabilité, nocivité.

1) Fortuité.

Le changement génétique réalisé par une mutation est imprévisible et n'est nullement conditionné par un aspect particulier de la physiologie de l'organisme dans lequel il se produit, ni même par le milieu dans lequel il vit. Lorsque l'on réalise qu'une mutation génique peut être une variation aussi minime que l'arrangement de quelques bases puriques et pyrimidiques dans d'immense chaîne hélicoïdale d'une molécule d'acide désoxyribonucléique, on conçoit parfaitement que ce remaniement moléculaire puisse avoir des conséquences totalement indépendantes de l'événement qui l'a produit.

2) Stabilité.

Une fois établie, la " faute d'orthographe " commise dans le message héréditaire se transmet indéfiniment comme telle, à la façon de l'erreur du copiste scrupuleusement reproduite par ses successeurs. Le message altéré devient ainsi une variante stable qui ne peut être réparée que par un nouveau processus mutationnel (mutation reverse).

3) Nocivité.

Il découle logiquement de la fortuité des mutations que le changement biochimique qu'elles provoquent, a peu de chances d'être d'emblée favorable à l'individu qui le reçoit. En effet, les gènes dits " normaux " qui constituent l'essentiel du patrimoine d'une espèce, ayant été sélectionnés au cours d'un nombre respectable de millénaires, le premier changement venu n'a guère de raison d'être supérieur à tous ceux qui ont été déjà précédemment essayés et éliminés.

Ceci ne veut pas dire que toutes les mutations soient défavorables mais seulement que l'immense majorité d'entre elles le sont. Certes il se produit parfois des changements heureux, et l'évolution des espèces est là pour en apporter la preuve, mais aussi, les immenses ossuaires des couches géologiques nous révèlent à quel prix se paye l'acquisition d'une nouveauté considérée comme avantageuse.

En dépit de leur fortuité, les mutations naturelles ont au moins un caractère analysable, leur fréquence. Pour un gène individuel et dans des conditions uniformes cette fréquence est en effet remarquablement constante, bien qu'elle puisse varier d'un gène à un autre ou d'une espèce à l'autre.

La fréquence des mutations naturelles

La mesure de cette fréquence repose sur le dénombrement de cas génétiques nouvellement apparus dans une population humaine d'effectif connu.

Cas des gènes dominants.

Etudions par exemple une affection dominante telle que le nanisme achondroplasique, dont la pénétrance est totale, c'est-à -dire que tout individu recevant le gène muté extériorise la maladie. Supposons que sur un total T d'individus tarés, un nombre M soit issus de parents normaux (qui donc n'ont pu leur transmettre le gène). Nous sommes en droit de supposer que ces M sujets représentent M mutations individuelles du gène qui nous intéresse. Au total si la fréquence du gène dans la population est égale à p, le taux de mutation µ est calculé simplement par là formule

µ = M/T x p

Dans la plupart des maladies dominantes connues (Achondroplasie, Aniridie, Microphtalmie, sclérose tubéreuse de Bourneville, Rétinoblastome, Syndrome de Waardenburg) la valeur de µ est de l'ordre 2 x 10-5 (variant de 10-6 à 5 x 10-5) cf. données rassemblées par L. S. Penrose (1956) (5).

Bien que ce calcul soit fort simple et les observations concordantes, ces valeurs ne peuvent être acceptées sans discussion. En effet, les études humaines portent toujours sur des entités cliniques que la méthode généalogique a permis d'individualiser et l'on ne peut jamais affirmer qu'il n'existe pas plusieurs gènes distincts capables de provoquer un même tableau clinique. De ce fait les fréquences ainsi mesurées représentent peut-être une somme de mutation, diverses.

Par ailleurs lorsque la pénétrance du gène est incomplète, certains malades ont pu recevoir le gène défavorable de l'un de leurs parents qui, quoique porteur, reste cliniquement indemne de la maladie. Cet autre biais, joint à la possibilité (non prouvée il est vrai) d'une fertilité différentielle supérieure des porteurs sains, vient encore surestimer le taux de mutation.

Cas des gènes récessifs.

Le critère précédent : tarés issus de parents normaux, ne peut servir ici, car, ainsi qu'on le sait, les homozgotes récessifs sont le plus souvent le fruit d'une union entre hétérozygotes apparemment sains. Un raisonnement indirect permet cependant de tourner cette difficulté. On peut, en première approximation, supposer que la fréquence des maladies héréditaires est stable, ou plus exactement qu'il s'est établi au cours des millénaires un équilibre entre la pression de mutation et la pression de sélection.

Ceci signifie que la sélection naturelle élimine autant de gènes défavorables qu'il s'en produit par mutation nouvelle à chaque génération.

Connaissant la fréquence p2 de la tare, la relation simple suivante donne une estimée satisfaisante de µ, le taux de mutation en écrivant :

µ = (1 - f) x p2 [2]

dans laquelle (1 - f) exprime la fréquence des gènes éliminés par la sélection si le paramètre f a pour valeur :

f = fertilité des tarés / fertilité des normaux

Dans les diverses affections étudiées (idiotie juvénile amaurotique, albinisme, ichtyose congénitale, cécité totale aux couleurs, amyotonie congénitale, épidermolysis bullosa, microcéphalie et phénylcétonurie), l'application de cette formule conduit à des résultats de l'ordre de µ = 1 X 10-5 à 5 X 10 -5 avec une moyenne de 2,8 X 10-5 (Penrose 1956) (5).

Cependant, même si l'hypothèse de l'équilibre correspond à la réalité, la formule [2] ne tient pas compte du rôle possible des hétérozygotes, porteurs sains. Si ceux-ci se reproduisent un peu plus que les homozygotes normaux, il suffit d'un taux de mutation beaucoup plus faible que celui calculé ci-dessus pour maintenir l'équilibre.

Par contre si les hétérozygotes sont eux aussi désavantagés, le chiffre réel doit être notablement plus élevé que ne le voudrait la formule [2].

Ces réserves présentes à l'esprit, il faut cependant remarquer que la convergence des observations n'est probablement pas imputable au seul hasard. L'on peut donc conclure que la fréquence " moyenne " des mutations décelable chez l'homme s'établit aux environs de 10-5 par gène et par génération.

Les causes des mutations naturelles

Ainsi que nous le remarquions au début de cet article, les mutations naturelles ne sont nullement spontanées mais relèvent de causes physico-chimiques que la production de mutations artificielles a permis de mieux connaître. Certes il est impossible d'affirmer que la Nature ne possède pas d'autres " recettes " pour fabriquer des mutations, que celles actuellement utilisées dans les laboratoires. Toutefois, la méthode expérimentale restant ici la seule voie d'approche possible, nous supposerons pour l'instant que les mécanismes de production de mutations restent sensiblement identiques dans les deux cas.

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II. Les mutations artificielles

Depuis les découvertes de H. J. Müller en 1927 il est établi que les Rayons X sont capables de provoquer des mutations dans les cellules qu'ils traversent. Cependant de nombreux autres agents ont été secondairement découverts et l'on peut établir trois grandes catégories de mutagènes :

- les agents physiques

- les agents chimiques

- et enfin, faute d'un meilleur terme, les agents que nous appellerons spécifiques.

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1. Les données classiques de la Radiogénétique.

Des champignons aux végétaux, et des infusoires aux mammifères, on a pu montrer que taus les êtres vivants étaient sensibles aux rayonnements corpusculaires et électromagnétiques capables d'ioniser fortement le milieu qu'ils traversent.

Cette action mutagène s'étend des rayonnements radioactifs a et ß ou ? , aux rayonnements corpusculaires (rayons cosmiques, neutrons, etc...) en passant par les rayonnements électromagnétiques, R.X. et Rayons U.V. de très courte longueur d'onde (moins de 313 mµ.).

L'action mutagène des rayonnements ionisants a tout d'abord été rapportée à l'ionisation même qu'ils produisent à l'intérieur des structures cellulaires irradiées. Cependant on pense à l'heure actuelle que les remaniements chimiques du matériel héréditaire sont le fait des " radicaux actifs " produits in situ par les rayonnements. Ces radicaux actifs sont des morceaux de molécule, électriquement neutres, mais dont les liaisons de covalence ne sont pas toutes saturées. L'eau HOH est ainsi scindée en un radical OH et en hydrogène atomique H. Ces radicaux sont extrêmement réactifs et sont capables de se recombiner en un temps extraordinairement court avec les molécules qui, les entourent, conduisant ainsi à une mutation, si la molécule rencontrée se trouve être un gène.

(a) La relation linéaire fréquence-dose.

La loi fondamentale de la radiogénétique est que " le nombre de mutations produites est linéairement proportionnel à la quantité de rayonnement absorbé par les cellules ".

En termes concrets, ceci exprime que si l'on irradie des drosophiles avec 2.000 r, et que l'on observe une fréquence de 5 % de mutations léthales liées au sexe dans la descendance, une irradiation double de 4.000 r, en donnera deux fois plus, soit 10 %.

L'importance de cette relation linéaire est double :

- d'une part, elle permet, par un artifice de calcul connu sous le nom de " théorie de la cible ", d'estimer le volume sensible du gène, estimation qui est en assez bon accord avec les données cytogénétiques,

- d'autre part, elle permet de penser qu'il n'y a pas de seuil à l'action mutagène des rayonnements et que toute dose, si faible soit-elle, conserve un certain pouvoir mutagène.

A ce propos, si cette relation linéaire n'a pas été vérifiée chez l'animal pour des doses inférieures à 25 r, il a pu être démontré par Marcovich (1954) (6) que des doses extrêmement faibles étaient encore actives et que, dans le cas du prophage de certaines bactéries lysogènes, l'énergie d'un seul photon de R. X. était probablement suffisante pour provoquer une induction.

Enfin de multiples expériences ont montré que les effets de petites doses étaient additifs (dans la mesure où les cellules irradiées sont bien les mêmes et sont dans un état physiologique constant) et qu'à dose totale égale, de petites doses répétées étaient génétiquement aussi actives qu'une irradiation brutale de courte durée, l'intensité et le temps d'exposition n'ayant pas d'influence propre semble-t-il.

Enfin, il n'existe pas d'accoutumance aux radiations même après exposition durant de très nombreuses générations (60 générations de drosophiles dans le travail de Lüning, et Jonsson, 1957) (8).

b) Les exceptions récemment découvertes à ces lois.

Les récentes publications de Russel et Kelly (1958) (7), sur les effets comparés de l'irradiation aiguë et de l'irradiation chronique, laissent à penser qu'une dose totale donnée provoque moins de mutations si elle est étalée dans le temps (par irradiation chronique sous très faible débit) que si cette même dose est appliquée massivement (débit très grand) en un temps court.

Il ressort de ces travaux nue les irradiations chroniques provoquent (à dose égale) à peu près quatre fois moins de mutations que les irradiations aiguës.

Un phénomène intéressant est mis aussi en évidence par Russel ; à savoir que les deux types d'irradiation, aiguë ou chronique, donnent toutes deux une réponse linéaire (pour des doses inférieures à 600 r). Seule la pente des droites, le coefficient d'efficacité, diminue avec les très faibles débits.

Contrairement à ce qui aurait pu être conclu prématurément de ces expériences, il n'existe aucune raison de penser qu'il y ait un seuil d'intensité au-dessous duquel aucun effet génétique n'est produit. Ainsi que Russel le précise la division du débit par 1.000 ou même 10.000 ne réduit le nombre des mutations que par 4, et l'on ne voit pas comment une réduction beaucoup plus importante pourrait être obtenue.

Cet effet de l'intensité du rayonnement est probablement à rapprocher d'une découverte récente de K. G. Lüning et coll. 1950 (11) à savoir que la mutation n'est pas un phénomène immédiat, mais qu'un certain nombre d'entre elles peuvent se réparer spontanément au cours de la 1/2 heure qui suit l'irradiation. L'effet supérieur des doses brutales pourrait s'expliquer par une sidération de ces processus de réparation, qu'une irradiation chronique par faible débit laisserait intacts.


Fig.1. - Fréquence des mutations à sept loci spécifiques de la souris, avec les intervalles de confiance (90 %). Les cercles noirs représentent les résultats avec une irradiation aiguë de R. X. (90 à 90 r/minute). Les triangles représentent les résultats de l'irradiation chronique gamma (90 r/semaine) et les cercles, l`irradiation chronique gamme (10 r/semaine). Le point pour la dose zéro représente la somme de tous les animaux contrôlés. (cf annexe).

c) Les anti-mutagènes.

En dehors des radiations produisant une ionisation extrêmement dense (Rayons a, neutrons, et électrons lents) l'effet mutagène dépend de la pression partielle d'oxygène des cellules irradiées (Baker et Sgourakis, 1950) (9).

En règle générale, on peut définir l'effet oxygène en disant que pour une dose de R.X. donnée, l'anoxie des cellules diminue le nombre des mutations produites alors que la suroxygénation l'augmente. Il existe cependant des exceptions et, de toutes façons, l'effet anti-mutagène de l'anoxie diminue d'un facteur, de deux au plus, l'effet des radiations.

Par ailleurs, les substances radio-protectrices telles que la ß-mercapto-éthylamine [Z. M. Bacq, 1951 (10)] et d'autres dérivés thiolés exercent, elles aussi une action radio-protectrice qui, pour certains auteurs, se réduirait à une véritable action anti-oxygène.

Cependant, certains autres radio-protecteurs tels que l'alcool éthylique semblent agir en dehors de tout effet oxygène.

d) Les mutagènes chimiques et spécifiques.

Avant d'aborder l'étude des effets génétiques des radiations ionisantes chez l'homme, il n'est pas inutile de rappeler que de nombreuses substances chimiques sont elles aussi mutagènes. Il n'est d'ailleurs nullement impossible que ces mutagènes chimiques jouent dés maintenant un rôle dans notre espèce, bien qu'on ne l'ait pas encore mis en évidence.

Depuis 1942 et la découverte par Auerbach et Robson (12) de l'activité mutagène du gaz moutarde ou ypérite, la liste des agents radiomimétiques n'a cessé de s'accroître. C'est ainsi que les époxydes, les peroxydes (comme l'eau oxygénée) et de nombreux carcinogènes ont été reconnus mutagènes.

La seule parenté que l'on puisse trouver entre ces mutagènes, appartenant des familles chimiques très différentes est leur grande réactivité. Ce fait est à rapprocher de ce que nous avons dit précédemment de l'action des radiations par l'intermédiaire des radicaux libres produits in situ, et conduirait à penser que le mécanisme de base (changement chimique de la molécule d'A.D.N.) pourrait bien être identique dans les deux cas.

A côté de ces agents chimiques, il faut réserver une place à des agents que faute d'un meilleur terme, nous appellerons spécifiques. Ces derniers agissent directement sur la structure du matériel héréditaire lui-même. C'est ainsi que des extraits purifiés d'A.D.N. (acide désoxyribonucléique) provoquent chez les organismes inférieurs des mutations dirigées (transformation du pneumocoque) [Avery et coll., 1944 (13)] et transduction du Bactériophage [Zinder et Lederberg, 1952 (14)].

Par ailleurs d'autres substances interférent directement avec le métabolisme de l'A.D.N. Il est possible par exemple, d'obtenir chez Escherichia Coli des mutations par carence en thymine des variétés qui ne savent pas synthétiser cette base [Coughlin et Adelberg, 1956 (15)], et, chez le bactériophage [Litman et Pardee, 1956 (16)], d'augmenter le taux de mutation en ajoutant du 5-bromo-uracile qui se substitue à la thymine dans la synthèse de l'A.D.N.

Au total, ces agents spécifiques semblent agir très différemment des agents physiques et chimiques étudiés précédemment en ce sens que leur mode d'action semble être la fabrication par la cellule d'un acide désoxyribonucléique anormal, soit par incorporation d'un fragment étranger (transformation, transduction), soit par utilisation d'une molécule non adéquate (5-bromo-uracile au lieu de thymine), soit par carence d'une molécule nécessaire (thymine).

Cette brève revue des lois de la mutagénése naturelle et artificielle nous permet d'aborder le coeur même du problème : " Quels sont les effets génétiques des radiations ionisantes sur notre espèce " ?

Pour plus de simplicité dans l'exposé nous résumerons d'abord l'ensemble des constatations déjà effectuées sur la descendance d'individus irradiés pour tenter, ensuite de mesurer, à l'échelle d'une population entière, les dangers de l'irradiation des organes reproducteurs.

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2. La descendance de sujets irradiés.

En raison de la nouveauté des problèmes parés par l'irradiation artificielle de populations humaines, les enquêtes publiées jusqu'ici ne portent que sur la première génération issue de parents irradiés. D'ailleurs, contrairement à une erreur trop répandue, cet état de fait ne diminue nullement les conclusions que l'on peut tirer de ces travaux.

En effet, les croisements ne pouvant être dirigés, il est aisé de montrer que l'étude de la première génération apporte plus d'informations en elle-même que l'étude des générations ultérieures.

1) Particularités de la descendance pouvant être rapportées à l'apparition de mutations induites chez les parents.

Différents caractères quantitatifs tels que le poids de naissance, la taille et diverses mensurations anthropométriques ainsi que des particularités statistiques telles que la mortalité néo-natale, ont été proposés et étudiés.

Malheureusement, on ne connais pas de façon précise la base génétique à laquelle les variations de ces caractères pourraient être rapportées. On sait par contre, qu'ils sont sous la dépendance de nombreux facteurs, économiques (niveau de vie), démographiques (âge des procréateurs, rang de naissance, etc.) et sociologiques (soins médicaux), etc.

Les caractères que l'on peut, retenir se classent en deux catégories selon qu'ils se rapportent à des mutations dominantes (ou liées au sexe), ou pour des mutations récessives liées au sexe (chez les garçons issus des femmes irradiées).

La détection de dominants visibles est pratiquement réalisée par l'observation des malformations à la naissance. On peut en effet penser qu'une augmentation de fréquence des mutations dominantes visibles se traduirait par une augmentation de fréquence des malformations. Il en serait de même de récessifs liés au sexe (chez les garçons issus des femmes irradiées).

Les mutations léthales pourraient être décelées de quatre façons :

1) augmentation de fréquence des avortements (pratiquement impossible à déceler avec certitude) ;

2) augmentation de la fréquence des mort-nés (beaucoup plus réalisable mais sujette aux influences démographiques signalées à propos de la mortalité néo-natale) ;

3) diminution de la fertilité, au même stérilité (pratiquement impossible à mesurer chez l'homme) ;

4) trouble du rapport des sexes à la naissance (déviation de la sex ratio, critère très facilement observable).

Pour éviter une énumération fastidieuse, les résultats obtenus dans les différentes enquêtes publiées à ce jour sont résumés dans le tableau I. Ces enquêtes sont évidemment de valeur statistique assez variable et l'échantillonnage témoin à partir duquel sont effectuées les comparaisons n'est pas toujours à l'abri de la critique.

Tableau I : Résumé des principales enquêtes menées sur ta descendance d'individus irradiés
Effets observés sur la descendance
Causes de irradiation des parents.Mode de l'irradiation et dose/gonadeMortalité in utero et néo-nataleMalformations à la naissanceSex ratio
Fait de guerre Hiroshima et Nagasaki. Neel, Schull et coll., 1953 (17) ; 1956 (18) ; 1958 (19).Aiguë en une seule dose 8 à 200 rAugmentation non significativePas d'effets significatifs observés. Cardiopathies congénitales non recensées.Significativemcnt diminuée (mères irradiées K = - 6 X 10-5 (*)
Radiologistes Macht et Lawrence, 1955 (20).Nombreuses petites dosesAugmentation non significativeAugmentation significative. Cardiopathies congénitales.Diminution non significative (pères irradiés)
Radiologistes Crow, 1955 (21).id.Augmentation non significativePas étudiéespas étudiée
Manipulateurs Tanaka, Katumi, Koji Ohkura, 1958 (22).id.35 r par anAugmentation significativePas étudiéesAugmentation significative (pères irradiés)
Radiothérapie ovarienne, I. I. Kaplan, 1957(23).50 à 200 r (dose accumulée)pas d'augmentationPas d'augmentationDiminution significative significative (mères irradiées) K = - 8 X 10-4
Radiothérapie pelvienne Turpin, Lejeune, Rethoré, 1956 (24).40 à 450 r (dose accumulée)Augmentation non significativeNon significativeDiminution significative (mères irradiées) K = - 6 X 10-5
Radiothérapie extra-pelvienne Lejeune, Turpin, Rethoré, 1959 (25).1 à 20 r (dose accumulée)non publiéeNon publiéeDiminution significative (pères irradiés) K non estimé.
(*) K : régression de la Sex ratio pour une irradiation de 1 roentgen des gonades de l'un des parents.

On peut cependant remarquer que les modifications significatives observées sont dans le sens attendu :

- augmentation des malformés (20)

- augmentation de la mortalité foetale (22)

- diminution de la fréquence des garçons dans la descendance de mères irradiées (19) (23) (24). Les trois enquêtes donnant des indications à ce sujet étant concordantes.

Par contre l'évolution de la sex ratio dans la descendance de pères irradiés est plus délicate à interpréter et mérite d'être discutée séparément.

On voit, par la simple inspection de ces données que nous sommes loin de la précision obtenue chez l'animal d'expérience. Cependant la concordance des effets de l'irradiation maternelle permet peut-être certaines conclusions que nous allons maintenant discuter.

2) La notion de la dose de doublement.

En l'absence d'une loi nous permettant de prévoir le nombre de mutations individuelles produites par une dose d'énergie ionisante donnée, les généticiens utilisent actuellement un paramètre très simple appelé dose de doublement.

Il s'agit de la dose qui serait capable de doubler le taux actuel des mutations, c'est-à -dire d'abouter aux inévitables mutations naturelles une quantité égale de mutations provoquées.

Plusieurs méthodes d'estimation sont ici possibles.

A. Estimation par analogie.

Tout d'abord, nous savons que du simple fait de la radioactivité naturelle et des rayons cosmiques les gonades humaines sont exposées, dans l'intervalle de 30 ans qui sépare deux générations, à une dose moyenne de 3 à 5 r. Si toutes les mutations naturelles étaient dues à cette radioactivité, la dose de doublement serait du même ordre de grandeur.

Par contre si, par analogie avec ce qui se passe chez la Drosophile, 2 à 20 % seulement des mutations naturelles étaient dues à cette irradiation continue, la dose de doublement serait comprise entre 15 et 150 r.

Les doses de doublement calculées chez la souris, mammifère comme nous, sont de l'ordre de 50 r dans 2 expériences différentes et s'inscrivent bien dans cet intervalle (Russel, 1954) (26) (Carter et coll., 1956) (27) et Rapport des Nations-Unies, 1958 (28).

B. Étude de la sex ratio.

- mère irradiée. On sait (Lejeune et Turpin, 1957) (29) que la fréquence des garçons diminue naturellement (c'est-à -dire en dehors de toute exposition artificielle aux radiations) en fonction du vieillissement de la mère et que la masculinité, de 0,515 environ, diminue de - 0,00036 pour un vieillissement de 5 ans.

De même, les données du Tableau I concernant la descendance de femmes irradiées permettent d'estimer que, pour chaque r. frappant les ovaires, la fréquence des garçons diminue de - 0,00006 (ou même un peu plus ) soit K = - 6 X 10-5.

Dès lors :

1) en admettant que la diminution de la sex ratio en fonction de l'âge de la mère et que la diminution de la sex ratio en fonction de l'irradiation de la mère soient le reflet de l'apparition de mutations léthales pour les zygotes mâles,

2) et en postulant que, pour une même valeur numérique, ces deux déviations correspondent respectivement à l'apparition d'un nombre identique de mutations,

on peut écrire pour obtenir la dose de doublement D :

Km X âge moyen = K1 X D

soit, si Km= 3,36 x 10-4 pour un vieillissement de 5 ans, et en posant un âge moyen de 30 ans environ c'est-à -dire de 6 fois l'intervalle de 5 ans, on doit avoir :

D'où D = 30 r. (Lejeune et Turpin, 1957) (30).

- père irradié. Ici, les conclusions numériques ne peuvent être immédiatement proposées du fait de la contradiction apparente entre les observations de Tanaka et coll. (22) qui rapportent une augmentation de la sex ratio et celles de Lejeune, Turpin et Rethore (25) qui rapportent une diminution de la sex ratio après irradiation paternelle.

Ces deux études diffèrent cependant par le mode d'irradiation et surtout par la dose accumulée, beaucoup plus élevée dans l'étude japonaise (22) que dans l'étude française (25).

Il est intéressant à ce sujet de se souvenir des travaux d'Hertwig (31) chez la souris mâle, révélant une diminution à faible dose et une augmentation à forte dose.

Par ailleurs, on sait que le vieillissement seul du père entraîne une diminution de la sex ratio (Lejeune et Turpin, 1957) (29) de l'ordre de - 7 X 10-4. Un calcul identique à celui proposé pour les mères serait donc possible ici aussi en se basant sur les données de Macht et Lawrence (20) et Lejeune, Turpin et Rethore (25). Malheureusement les doses gonades sont trop mal connues dans ces deux enquêtes pour qu'un calcul de ce genre ait quelque validité.

Tout au plus peut-on signaler qu'il aboutirait à une dose de doublement du même ordre de grandeur que celle trouvée peur les mères irradiées.

Il est intéressant de citer à ce propos les résultats non encore publiés communiqués par le Docteur T. C. Carter (32) qui expérimente sur des souris ? recevant 37,5 r. par génération.

La sex ratio de la descendance de ces mâles s'abaisse après irradiation, et s'abaisse aussi, indépendamment, avec l'âge. Des données actuelles, un calcul identique au calcul précédent tirerait une dose doublante de 60 r (or nous venons de voir que sur des gènes connus de cet animal, on a calculé une dose de 50 r.). Il semblerait dans que cette méthode soit applicable à la souris, ce qui évidemment renforcerait grandement la valeur du calcul proposé pour l'homme.

C. Etude des mutations somatiques.

On sait que les mutations somatiques induites chez la souris par les R.X. (Russel, 1957) (33) se produisent avec une fréquence comparable à celle observée pour les nutations germinales.

A partir de cette analogie il est possible de reconsidérer les données humaines concernant les radio-mutations, et plus spécialement les études se rapportant à la production des leucémies par l'énergie ionisante. Force est ici, pour simplifier à l'extrême, d'admettre que les leucémies radio-induites ont pour cause une mutation somatique, sans préciser d'ailleurs le mécanisme du phénomène, discuté dans un précédent article (Lejeune et Turpin, 1958) (34).

On s'aperçoit alors que les données sur l'irradiation de la colonne vertébrale dans la spondylarthrite ankylosante [Court Brown et coll, 1957 (35)] conduisent à une dose de doublement de l'ordre de 30 r, alors que les observations faites sur l'irradiation in utero [Stewart et Webb, 1958 (36)] conduisent à une dose de l'ordre de 3 r seulement.

De toutes façons, étant donné les difficultés théoriques liées à ces observations [Lejeune et Turpin, 1958 (34)], ces estimations ne peuvent être tenues pour rigoureuses et leur signification est même encore obscure.

Une autre possibilité d'étude des mutations somatiques, spontanée et radio-induites, a été ouverte par les recherches d'Atwood et Scheinberg [1959 (37)]. Ces auteurs en détectant chez les individus du groupe sanguin A O des érythrocytes de type A2 O ont pu mettre en évidence l'origine très vraisemblablement mutationnelle de ces cellules exceptionnelles. Une étude détaillée de ce phénomène les conduit à estimer un taux de mutation spontané de l'ordre de 7 X 10-3 par division cellulaire. Soit un ordre de grandeur comparable à celui des mutations germinales spontanées décelées dans notre espèce.

Les effets de l'irradiation médullaires sur la fréquence de ces cellules exceptionnelles sont actuellement étudiés par ces auteurs.

D. Etude des mutations chromosomiques

Ainsi que nous l'avons signalé au début de cet article, les rayonnements ionisants sont susceptibles de produire des accidents visibles sur les chromosomes.

Plusieurs expériences d'irradiation de cultures de cellules humaines ont permis de dénombrer les cassures chromosomiques produites par l'irradiation et de comparer les effets ainsi observés avec l'évolution spontanée des mêmes cultures non irradiées.

Des données de Bender [1958 (38)], promoteur de la méthode, il ressort que 3 r seulement seraient capables de doubler la fréquence spontanée des cassures chromosomiques.

D'autres travaux, Puck [ 1958 (39)] et Chu [1959 (40)] confirment la très grande sensibilité des chromosomes humains aux R. X et semblent démontrer qu'une dose aussi faible que 50 r serait suffisante pour produire en moyenne une cassure chromosomique par cellule irradiée.

Les enseignements que l'on peut tirer de ces expériences ne sont malheureusement pas directs, car nous ignorons quel est le devenir génétique de ces cassures chromosomiques.

Un certain nombre d'entre elles se " recollent " très probablement et n'ont donc pas d'effet dangereux. D'autres conduisent à des remaniements structuraux qui peuvent provoquer de tels troubles à la méiose que les cellules qui les portent ne peuvent donner de gamètes fonctionnels.

C'est pour pallier cette difficulté que l'étude des anomalies chromosomiques liées à des syndromes malformatifs connus (mongolisme ou polydysspondylie, par exemple) a été proposée récemment [Lejeune, 1959 (41)].

L'étude des effets des R. X sur les cellules humaines in vitro est probablement la meilleure manière expérimentale d'aborder ce problème, mais il faudra beaucoup de temps et d'efforts avant que des conclusions puissent être tirées de ces recherches, encore à leur tout début.

Cette revue des données obtenues par enquêtes et des quelques précisions expérimentales actuellement publiées nous amène à la conclusion que la dose de doublement pour notre espèce ne peut être fort différente de ces diverses estimations assez concordantes.

Pour nous résumer, nous pouvons dire que la dose capable de provoquer autant de mutations artificielles qu'il s'en produit spontanément dans l'intervalle de 30 ans qui sépare deux générations est probablement de l'ordre de 30 r. Les limites probables entre lesquelles la valeur réelle du paramètre a toutes chances de se trouver peuvent être fixées ainsi que le propose le Rapport du Comité Scientifique des Nations Unies (28) à 10 r comme valeur inférieure et 100 r comme valeur supérieure.

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3. Le danger des mutations artificielles

Pour obtenir une première évaluation, nous pouvons étudier l'effet sur les populations humaines d'un doublement de la fréquence des mutations.

Dans l'hypothèse la plus simple, nous pouvons admettre que la fréquence des tares génétiques actuellement présentes est la résultante d'un équilibre entre la fréquence des mutations naturelles pour un gène donné, et le taux relatif de reproduction des individus tarés.

Il est alors facile de concevoir que, si le taux des mutations se trouve doublé de façon continue, un nouvel équilibre ne pourra s'établir que lorsque la fréquence des tarés sera devenue égale au double de la fréquence actuelle.

Dans le cas de gènes dominants très défavorables, c'est-à -dire lorsque la plupart des cas existants sont déjà dus à des mutations récentes, cet équilibre est atteint très rapidement. L'on peut dire, par exemple, qu'en un demi-siècle le doublement de la fréquence des mutations produirait, entre autres, deux fois plus de nains achondroplases, d'aveugles par rétinoblastome ou par aniridie, d'idiots par sclérose tubéreuse, d'infirmes par myopathie du type Duchène et d'hémophiles que nous n'en dénombrons actuellement.

L'augmentation de tares récessives est, par contre, beaucoup plus lente et nécessiterait quelque 10 à 20 générations au moins, c'est-à -dire un nombre respectable de siècles.

De même, une éventuelle stérilisation progressive de l'espèce est totalement improbable, du moins aux doses envisagées [Turpin et Lejeune, 1955 (42)].

Par contre, l'accumulation de petites tares défavorables à l'état hétérozygote, telles que les prédispositions aux affections organiques, pourrait en définitive représenter pour la société un fardeau beaucoup plus lourd, du fait du grand nombre d'individus atteints, que les tares très graves et très spectaculaires que nous avons précédemment envisagées. Enfin, une diminution sensible de l'espérance de vie, observée par Russel [1957 (43)] dans la descendance de souris mâles irradiées, serait, elle aussi, à redouter.

L'irradiation génétiquement active résultant de la radiologie médicale

a) L'importance de l'irradiation actuelle.

Tous les examens radiologiques quels qu'il soient entraînent une certaine irradiation des gonades. Bien entendu la dose reçue peut être extraordinairement faible lorsque les gonades sont très éloignées du champ irradié (ratio du thorax, de la tête ou de membres) ou au contraire assez élevée lorsque les gonades sont dans le champ radiographique (bassin, par exemple).

Cette irradiation parasite des gonades dépend non seulement du sujet lui-même, de la région examinée, du nombre des examens et de leur durée, mais encore du type d'appareil utilisé et du mode de réception de l'image : radiographie, radiophographie ou radioscopie.

Il est donc très difficile d'établir une valeur moyenne pour l'ensemble d'une population. Toutefois dans trois pays différents aboutissent à des estimées très concordantes de la dose gonade/30 ans reçue en moyenne par nos contemporains du seul fait du diagnostic ra-diologique. Les chiffres obtenus sont de 1 à 3 r pour l'Angleterre (44), de 4 à 5 pour les Etats-Unis (45) et d'un peu plus de 4 pour la France (46).

On voit par ces chiffres que l'exercice normal de la médecine entraîne une irradiation artificielle des gonades égale ou peut-être supérieure à l'irradiation naturelle, dans les pays techniquement développés.

Les conséquences génétiques de cette irradiation s'établissent en fonction de la dose doublante que nous avons précédemment discutée, et l'on peut dire que la radiologie médicale actuelle ajoute probablement un nombre de nutations supplémentaires égal à 1/10 du nombre des mutations spontanées.

Un tel effet génétique n'est nullement négligeable pour l'homme, si l'on veut bien se rappeler qu'une mutation exerce son effet nuisible en infligeant à son porteur un défaut morphologique ou biochimique qui, en définitive, s'exprime en douleurs et en déchéances individuelles.

Par simple comparaison il est utile de remarquer que les usages militaires et industriels de l'Energie Atomique (y compris la retombée radioactive des expériences thermo-nucléaires) entraînent une irradiation beaucoup plus faible des populations (dose-gonade 30 ans probablement inférieure à 1/10 de roentgen), cf. rapport Nations-Unis (28).

b) Les possibilités de réduction de l'irradiation médicale des gonades.

Il n'est évidemment pas question de mettre en accusation la Radiologie médicale ; les immenses bienfaits dont la médecine lui est redevable sont très certainement beaucoup plus importants que les dangers génétiques qu'elle implique. Il est pourtant possible de se demander si cette irradiation inutile et nuisible des organes sexuels représente l'inévitable rançon d'un progrès technique.

Heureusement il semble bien qu'il n'en soit rien et que, sans limiter l'efficacité des actes radiologiques, il soit possible dans un proche avenir de réduire cette dose au 1/100 de ce qu'elle est actuellement, c'est-à -dire à un niveau absolument négligeable.

Les diverses techniques permettant d'arriver à ce résultat sont d'un domaine trop spécialisé pour être discutées ici mais l'on peut simplement remarquer que l'usage de kilovoltages élevés, le filtrage du rayonnement, les écrans renforçateurs spéciaux et les amplificateurs de brillance offrent de très nombreuses possibilités.

En plus de ces perfectionnements techniques, certaines précautions très simples se révèlent déjà d'une très grande efficacité. La plus importante, semble-t-il, est l'usage d'un diaphragme approprié à la taille du sujet et permettant de n'irradier que la seule région intéressante pour l'examen. Dans ce cas les gonades ne reçoivent qu'un rayonnement diffusé, qui est extrêmement faible sitôt que les bords du champ sont assez éloignés d'elles.

Une illustration de ce fait peut être trouvée dans l'étude systématique des doses-gonades reçues lors des examens radiophotographiques pour le dépistage de la tuberculose pulmonaire [Turpin, Dupire, Lejeune, Jammet, 1958 (47)].

Ainsi que le montre la figure 2, la dose/peau, c'est-à -dire la dose mesurée au centre du champ dorsal, croît en fonction de l'âge du sujet, ce qui correspond à une épaisseur plus grande à traverser. Par contre, la courbe inférieure du même cliché montre que la dose/gonade est notablement plus élevée chez les enfants très jeunes que chez les adultes.

Plus éloquente encore est la courbe de la figure 3, qui montre l'évolution du rapport dose/gonade sur dose/ peau en fonction de l'âge du sujet. On voit une décroissance exponentielle en fonction de l'âge du sujet. Cette régression est due au simple fait que les gonades des adultes sont plus éloignées du bord du faisceau que celles des petits enfants, pour une raison de taille évidente, car l'écran et le diaphragme sont fixés une fois pour toutes sur le type d'appareil utilisé. Bien que dans tous les cas les gonades soient en dehors du faisceau, un diaphragme adapté à la taille du sujet permettrait de diminuer notablement le rayonnement diffusé au niveau des gonades des enfants.


Fig. 2. Courbe montrant la dose/peau et la dose/gonade en fonction de l'âge du sujet. (cf annexe).


Fig. 3. Evolution du rapport dose/gonade sur dose/peau en fontion de l'âge du sujet. (cf annexe).

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Conclusions

Au terme de cette revue il nous est possible de tirer trois enseignements importants :

1° bout d'abord les effets génétiques des radiations ionisantes (R. X en particulier) ne sont pas de pures prévisions théoriques : ils ont déjà été observés chez les enfants de sujets irradiés ainsi que sur des cellules humaines in vitro.

2° La mesure précise des dangers génétiques des radiations est encore impossible. Cependant l'on peut affirmer avec certitude que toute irradiation frappant les organes sexuels d'individus en âge de se reproduire est génétiquement nuisible et doit être systématiquement évitée dans la limite des possibilités techniques.

Cette nécessité de limiter l'exposition des sujets jeunes aux radiations ionisantes a d'ailleurs été précisée à plusieurs reprises [Turpin, Lamy, Bernard, Lefebvre et Lejeune, 1957 (48)], [M. O. Rethoré, 1957 (49)].

3° Il est possible de réduire à un minimum quasi négligeable l'irradiation " parasite " des gonades lors des examens radiologiques et cette réduction peut être obtenue par des moyens techniques relativement simples.

Ces trois constatations nous montrent que l'exercice " actuel " de la Radiologie médicale présente un danger génétique certain, quoique faible pour notre espèce, mais que la mise en oeuvre de précautions simples pourrait faire tomber ce risque à un niveau quasi nul.

Ce n'est donc pas un problème scientifique qui reste à résoudre, mais seulement la mise en application de mesures élémentaires de prudence.

Tout utilisateur d'appareils émettant des radiations ionisantes doit se souvenir que si les R. X (ou les radio-isotopes) ont considérablement accru les possibilités du diagnostic et de la thérapeutique, ces techniques augmentent aussi les responsabilités du Radiologiste ou du Praticien, puisqu'en plus de la santé propre du malade, c'est celle de ses descendants à venir qui doit être protégée.


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Légendes des figures 1, 2 et 3.

Fig.1. - Frequency of mutations at seven specific loci in the mouse, with the limits of confidence (90 %). The black circles represent the resuls of acute irradiation using X-yays (80-90 r. /min.). The triangles represent the results of chronic gamma irradiation of 90 r./week and the circles chronic gamma irradiation of 10 r./week. The point for zero dose represents the sum of all the control animals.

Fig. 1. - Frequencia de mutaciones a siete loci especificos del ratón, con intervalos de confianzo (90 %). Los circulos negros representan los resultados con irradiación aguda de R. X. (80 a 90 r/minuto). Los triangulos representan los resultados de la irradiacion crónica gamma (90 r/semana) y los circulos, la irradiacion cronica gamma (10 r/semana). El punto para dosis O representa la suma de todos los animales controlados. (D'après W. L. RUSSEL, L. B. RUSSEL et E. M. KELLY, 1958. Radiation Dose Rate and Mutation frequency. Science, 128, 1546-1550).

Fig. 2. - Curve showing the skin dose and gonade dose according to the age of the subject.

Fig. 2. - Curva mostrando la dosis/piel y la dosis/gonada en functión de la edad del sujeto.

Evolution of the ratio of gonad dose to skin dose with age of the subject.

Evolución de la relación dosis/gonada sobre dosis/piel en función de la edad del sujeto.

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