電磁輻射中低能電子誘導(dǎo)DNA直接損傷的理論研究.pdf

1、電磁輻射生物效應(yīng)多年來一直是一個(gè)受到關(guān)注的研究課題，在生物學(xué)多個(gè)研究領(lǐng)域和空間科學(xué)研究中均被涉及。其中，輻射誘導(dǎo)DNA(Deoxyribonucleicacid)損傷是輻射生物效應(yīng)機(jī)理研究的核心問題，DNA的損傷可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡、基因突變以及嚴(yán)重的生物學(xué)后果。因此，研究DNA損傷對(duì)解釋輻射生物效應(yīng)機(jī)理以及相關(guān)的應(yīng)用具有十分重要的科學(xué)意義。
　　 幾乎所有類型的電離輻射在生物組織中都會(huì)產(chǎn)生大量的低能二次電子，這些電子進(jìn)一步與生物分

2、子相互作用使之電離或激發(fā)，因而各種電離輻射與生物材料的相互作用都必然涉及或轉(zhuǎn)化為低能電子與生物材料的相互作用。Monte Carlo模擬是輻射誘導(dǎo)DNA損傷研究的一個(gè)重要理論方法，亦稱徑跡結(jié)構(gòu)理論方法。應(yīng)用這一方法，目前國際上關(guān)于輻射誘導(dǎo)DNA損傷的研究主要集中在輻射的直接和間接作用引起單鏈斷裂、雙鏈斷裂及其相應(yīng)的簇?fù)p傷上。這些研究對(duì)DNA堿基損傷的確定采用了經(jīng)驗(yàn)的判定方法，而不能分辨堿基損傷發(fā)生在哪一種堿基或堿基對(duì)上。然而，DNA的復(fù)

3、雜性就在于組成它的堿基對(duì)A-T和G-C的不同以及它們不同的相對(duì)含量和不同的排序，這種復(fù)雜性決定了DNA的遺傳特性，詳盡的堿基損傷譜對(duì)于DNA損傷的研究具有更深刻的理論意義。此外，迄今關(guān)于DNA損傷的徑跡結(jié)構(gòu)理論方法基本上都是將輻射在水中產(chǎn)生的直接能量沉積代替輻射在DNA中產(chǎn)生的直接能量沉積，這種近似忽略了低能電子與水和低能電子與DNA堿基相互作用時(shí)它們的散射截面之間存在的差異，而最新的理論研究表明了這種差異是明顯的。尤其，近年來關(guān)于輻射

4、誘導(dǎo)DNA損傷的實(shí)驗(yàn)研究揭示了能量低于幾電子伏特的亞電離電子可以通過離解電子俘獲(dissociativeelectron attachment，DEA)機(jī)制誘導(dǎo)DNA的堿基釋出和鏈斷裂，這一機(jī)制突破了亞電離電子不能引起DNA鏈斷裂的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，是在傳統(tǒng)的輻射誘導(dǎo)DNA損傷徑跡結(jié)構(gòu)研究中未被認(rèn)知而忽視的。同時(shí)，這一機(jī)制還表明了DNA堿基發(fā)生離解俘獲，在堿基釋出的同時(shí)離解的電子轉(zhuǎn)移到磷酸基團(tuán)導(dǎo)致DNA鏈斷裂，這一DNA鏈斷裂的重要途徑表明了

5、堿基損傷與DNA鏈斷裂的關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)對(duì)于輻射生物效應(yīng)機(jī)理的研究十分重要。
　　 本文對(duì)包括亞電離電子的低能電子直接作用誘導(dǎo)DNA損傷作系統(tǒng)深入的研究。在理論模擬方法上：建立更嚴(yán)格的低能電子在液態(tài)水中徑跡結(jié)構(gòu)Monte Carlo模擬方法、對(duì)低能電子與DNA堿基的非彈性相互作用將突破傳統(tǒng)的近似方法，作更嚴(yán)格的理論處理、計(jì)及亞電離電子經(jīng)離解電子俘獲機(jī)制誘導(dǎo)DNA的堿基釋出和鏈斷裂、研究在上述理論考慮下DNA損傷的模擬計(jì)算方法；在D

6、NA損傷譜的計(jì)算分析上：研究DNA損傷譜的堿基構(gòu)成特征、研究亞電離電子對(duì)DNA損傷的貢獻(xiàn)、以亞電離電子作為損傷源刻畫損傷的復(fù)雜性、研究DNA簇?fù)p傷與其堿基構(gòu)成的關(guān)聯(lián)特征。通過大量模擬計(jì)算，獲得不同初始能量低能電子作用下各種堿基損傷、單鏈斷裂和雙鏈斷裂的產(chǎn)額和頻率分布，揭示亞電離電子誘導(dǎo)的不同復(fù)雜性DNA簇?fù)p傷的分布規(guī)律，揭示DNA簇?fù)p傷與其堿基構(gòu)成的關(guān)聯(lián)特征，為輻射生物效應(yīng)機(jī)理研究提供更為深刻和基礎(chǔ)的理論依據(jù)。論文包含了以下方面的內(nèi)容及

7、結(jié)果：
　　 1、論文的第一章，簡(jiǎn)要介紹了電離輻射下低能電子誘導(dǎo)DNA損傷的研究背景及意義，分析了國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和研究方法。
　　 2、論文的第二章，描述了低能電子與水相互作用的原理和理論模型，在此基礎(chǔ)上建立了一個(gè)模擬低能電子在液態(tài)水中徑跡結(jié)構(gòu)的Monte Carlo模擬方法。該方法中使用平均散射截面概念與Mott模型結(jié)合，給出一個(gè)計(jì)算幾eV到10 keV能量范圍低能電子在液態(tài)水中彈性散射的方法。此外，對(duì)于電子

8、與水相互作用非彈性散射，使用Emfietzoglou等給出的基于介電響應(yīng)理論的最新液態(tài)水光學(xué)數(shù)據(jù)模型，并結(jié)合Ochkur的交換效應(yīng)校正和經(jīng)典Coulomb場(chǎng)低能Born校正，建立了一個(gè)計(jì)算低能電子與液態(tài)水相互作用非彈性散射的方法。本章建立的模型為低能電子誘導(dǎo)DNA損傷的理論研究提供了更為準(zhǔn)確的徑跡結(jié)構(gòu)。
　　 3、論文的第三章，對(duì)基于本文建立的低能電子在水中散射徑跡結(jié)構(gòu)模擬方法的程序TSLWD2和TSLWD3與較常用的程序MOC

9、A8b、KURBU和CPA100作了系統(tǒng)的計(jì)算比較。對(duì)于這五個(gè)程序，就描述電子在水中的彈性和非彈性散射截面、計(jì)算的水中非彈性散射事件空間分布和能量沉積分布、靶元中能量沉積絕對(duì)頻率分布以及電子在水中的作用范圍等方面作了系統(tǒng)的計(jì)算比較。結(jié)果表明，電子初始能量較低時(shí)，五個(gè)程序的CCPI分布狀況非常接近，而電子初始能量較高時(shí)，程序MOCA8b和KURBUC計(jì)算的CCPI明顯高于程序TSLWD2和TSLWD3的；程序TSLWD2、TSLWD3、M

10、OCA8b和KURBUC在非彈性散射能量沉積空間分布上具有相同的規(guī)律；在統(tǒng)計(jì)生物靶元內(nèi)能量沉積絕對(duì)頻率時(shí)，靶元模型的大小同樣影響頻率的分布；程序TSLED2和TSLED3計(jì)算的不同初始能量電子在水中的最大作用距離平均值符合很好?？梢姡煌纳⑸浣孛婕澳M模型將會(huì)體現(xiàn)不同的徑跡結(jié)構(gòu)特征，納米尺度的徑跡結(jié)構(gòu)直接關(guān)系著生物大分子的損傷程度，因此，本章所作的比較研究對(duì)電離輻射生物效應(yīng)的探索具有重要的參考價(jià)值。
　　 4、論文的第四章，提

11、出了一個(gè)模擬詳細(xì)堿基損傷的方法，該方法包括DNA體積模型的改進(jìn)、DNA堿基序列排列的產(chǎn)生方法、將液態(tài)水中DNA片段擊中點(diǎn)發(fā)生的電離事件轉(zhuǎn)換為電子與DNA堿基的非彈性散射事件的計(jì)算方法、將DNA堿基電離產(chǎn)生的堿基基轉(zhuǎn)化為堿基損傷的計(jì)算方法等。應(yīng)用提出的模擬方法，系統(tǒng)地模擬了低能電子誘導(dǎo)的DNA直接損傷，獲得了具有詳盡堿基損傷的DNA損傷譜。給出了不同初始能量低能電子作用下，不同堿基對(duì)相對(duì)含量下，DNA堿基損傷、鏈斷裂和復(fù)雜簇?fù)p傷的產(chǎn)額和頻

12、率分布以及DNA片段損傷點(diǎn)長度分布及損傷點(diǎn)個(gè)數(shù)的分布，部分計(jì)算與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或其它的理論計(jì)算作了比較。模擬結(jié)果表明：堿基對(duì)G-C比A-T發(fā)生損傷的概率略大，而且1 keV低能電子作用時(shí)，嘌呤對(duì)電子輻射的作用比嘧啶更為敏感，這一結(jié)果對(duì)探索堿基損傷與DNA糖磷酸鏈可能出現(xiàn)的斷裂位置之間的關(guān)聯(lián)性有重要的參考價(jià)值；DNA單鏈斷裂ssb與堿基損傷結(jié)合構(gòu)成的簇?fù)p傷在所有簇?fù)p傷中數(shù)量最多：堿基對(duì)A-T和G-C的相對(duì)含量不同對(duì)各種鏈斷裂和簇?fù)p傷的相對(duì)

13、產(chǎn)額影響較小，而對(duì)各種堿基損傷的相對(duì)產(chǎn)額有直接的影響；大部分損傷的DNA片段只有很小的損傷范圍，并且只含有1-2個(gè)損傷點(diǎn)。本章的模擬結(jié)果更加深刻地揭示了DNA損傷的復(fù)雜性和更基本的損傷特征，為研究可能導(dǎo)致嚴(yán)重生物學(xué)后果的DNA簇?fù)p傷的形成和分類提供了更基礎(chǔ)的損傷譜。
　　 5、論文的第五章，將輻射誘導(dǎo)DNA損傷的機(jī)制從傳統(tǒng)的直接損傷和間接損傷拓展到亞電離電子經(jīng)離解電子俘獲過程誘導(dǎo)DNA的損傷。描述了離解電子俘獲作用的原理，給出了

14、亞電離電子與DNA各組分的彈性散射截面和離解電子俘獲截面，建立了計(jì)及離解電子俘獲機(jī)制的低能電子誘導(dǎo)DNA直接損傷的模擬方法。基于建立的模擬方法，系統(tǒng)地模擬計(jì)算了計(jì)及亞電離電子作用的低能電子誘導(dǎo)DNA堿基損傷、DNA鏈斷裂及相應(yīng)的簇?fù)p傷。定量計(jì)算了離解電子俘獲作用對(duì)DNA鏈斷裂和堿基損傷的貢獻(xiàn)，以亞電離電子作為損傷源刻畫損傷的復(fù)雜性，研究了DNA簇?fù)p傷與其堿基構(gòu)成的關(guān)聯(lián)特征。模擬結(jié)果表明，計(jì)及離解電子俘獲機(jī)制的DNA鏈斷裂的產(chǎn)額中，這一機(jī)

15、制的貢獻(xiàn)約占40-70％；此機(jī)制誘導(dǎo)產(chǎn)生的DNA堿基損傷產(chǎn)額約為DNA堿基損傷總產(chǎn)額的20-40％，且不同堿基損傷的產(chǎn)額，直接受控于DNA各堿基電子離解俘獲截面的大??；A-T堿基對(duì)比G-C堿基對(duì)更容易被損傷；堿基對(duì)相對(duì)含量的差異對(duì)亞電離電子誘導(dǎo)產(chǎn)生的各種鏈斷裂和簇?fù)p傷產(chǎn)額分布影響較小，而對(duì)誘導(dǎo)產(chǎn)生的堿基損傷產(chǎn)額分布有較大影響。本章的模擬研究，揭示了亞電離電子誘導(dǎo)的不同復(fù)雜性DNA簇?fù)p傷的分布規(guī)律，揭示了DNA簇?fù)p傷與其堿基構(gòu)成的關(guān)聯(lián)特征