電磁輻射中低能電子誘導(dǎo)的DNA簇?fù)p傷及其與能量沉積的關(guān)聯(lián)性研究.pdf

1、在輻射生物效應(yīng)的研究中，探索DNA損傷與效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)性是一個(gè)重要的研究課題。DNA損傷與效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)，將輻射生物效應(yīng)的機(jī)理指向了原初的DNA損傷信息，而探索本源的損傷機(jī)理，在DNA分子水平上建立細(xì)致的損傷信息與輻射終點(diǎn)效應(yīng)的關(guān)聯(lián)，將具有根本的索源意義。
　　早期基于靶理論提出的L-Q模型建立了一個(gè)初略的輻射所致DNA雙鏈斷裂數(shù)與細(xì)胞存活的關(guān)聯(lián)，該模型本質(zhì)上反映的是劑量和效應(yīng)的關(guān)聯(lián)。細(xì)胞響應(yīng)閾值模型建立了靶元中能量沉積與輻射終點(diǎn)

2、效應(yīng)的關(guān)聯(lián)，該模型仍是反映劑量和效應(yīng)的關(guān)聯(lián)。顯然，以上兩類關(guān)聯(lián)模型沒有將損傷的機(jī)理指向原初的DNA損傷譜，不能揭示基本的DNA損傷信息與終點(diǎn)效應(yīng)的關(guān)聯(lián)性。因此，研究DNA損傷譜與靶元能量沉積的關(guān)聯(lián)性，是搭建輻射生物效應(yīng)和原初損傷關(guān)聯(lián)的重要環(huán)節(jié)，是理論上解釋輻射生物效應(yīng)機(jī)理的關(guān)鍵，因而具有重要的科學(xué)意義。
　　實(shí)驗(yàn)和理論研究已表明，幾乎所有類型的電離輻射都會(huì)產(chǎn)生大量的低能電子(能量低于幾keV)，也稱“δ射線”，它們會(huì)進(jìn)一步與生物分

3、子相互作用，使之激發(fā)或電離。而DNA分子作為遺傳信息的攜帶者，是最重要的生物靶分子，DNA損傷，可能會(huì)導(dǎo)致基因突變、細(xì)胞死亡以及其他嚴(yán)重的生物學(xué)后果。因此，低能電子誘導(dǎo)的DNA損傷一直是輻射生物學(xué)研究的一個(gè)重要課題。
　　獲得DNA損傷譜是對(duì)輻射生物效應(yīng)機(jī)理解釋并預(yù)測(cè)生物效應(yīng)的第一步。低能電子輻照DNA時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量不同類型的DNA損傷，包括單鏈斷裂(SSB)、雙鏈斷裂(DSB)、堿基損傷以及鏈斷裂與堿基損傷結(jié)合形成的簇?fù)p傷。DN

4、A簇?fù)p傷是輻射所致細(xì)胞死亡和突變的關(guān)鍵損傷，被認(rèn)為是難以修復(fù)且對(duì)細(xì)胞是致命的。因此，DNA簇?fù)p傷譜分布的研究具有更重要的生物學(xué)意義。然而，由于實(shí)驗(yàn)條件和理論計(jì)算的局限性，目前有關(guān)的研究基本上是針對(duì)高能粒子所誘導(dǎo)的簡(jiǎn)單DNA簇?fù)p傷，未能給出各種不同復(fù)雜類型DNA簇?fù)p傷的定量分析。
　　本文應(yīng)用Monte Carlo徑跡結(jié)構(gòu)模擬法，對(duì)包括亞電離電子作用的低能電子誘導(dǎo)的DNA簇?fù)p傷及其與DNA靶元和核小體靶元能量沉積的關(guān)聯(lián)性作系統(tǒng)深入的

5、研究。建立了一個(gè)更為嚴(yán)格的低能電子在液態(tài)水中的徑跡結(jié)構(gòu)模擬方法，計(jì)算了低能電子誘導(dǎo)的DNA直接損傷譜，定量分析了不同初始能量下，亞電離電子對(duì)于DNA單鏈斷裂、雙鏈斷裂以及堿基損傷產(chǎn)額的貢獻(xiàn)，研究不同類型DNA簇?fù)p傷以及核小體DNA損傷與靶元能量沉積的關(guān)聯(lián)性。本文的研究工作，主要包含以下方面的內(nèi)容和結(jié)果:
　　1、論文的第一章，簡(jiǎn)要介紹了低能電子誘導(dǎo)DNA損傷與能量沉積關(guān)聯(lián)性研究的背景及意義，綜述了國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和研究方法

6、。
　　2、論文的第二章，描述了低能電子與液態(tài)水相互作用的兩個(gè)彈性散射的模型，即Tan模型和Champion模型。前者主要應(yīng)用基于解相對(duì)論性Dirac方程的Mott模型的平均散射截面方法，后者使用解非相對(duì)論性Schr(o)dinger方程的分波法，并考慮了液態(tài)水的凝聚態(tài)相效應(yīng)。應(yīng)用Emfietzoglou等發(fā)展的基于介電響應(yīng)理論的光學(xué)數(shù)據(jù)模型計(jì)算低能電子在液態(tài)水中的非彈性散射，比較研究了基于兩個(gè)彈性散射模型的低能電子在液態(tài)水中徑跡

7、結(jié)構(gòu)的模擬，計(jì)算分析了液態(tài)水凝聚態(tài)相效應(yīng)對(duì)表征徑跡結(jié)構(gòu)的能量沉積和非彈性散射事件空間分布的影響。結(jié)果表明，液態(tài)水凝聚態(tài)相效應(yīng)的影響主要發(fā)生在較低的電子能量?；诖?，并由于電子能量較高時(shí)Mott模型考慮了電子的相對(duì)論效應(yīng)，提出并建立了一個(gè)更為嚴(yán)格的低能電子在液態(tài)水中徑跡結(jié)構(gòu)模擬方法。本章建立的模型可為輻射誘導(dǎo)DNA損傷的研究提供更為可靠的電子徑跡結(jié)構(gòu)。
　　3、論文的第三章，建立了一個(gè)計(jì)及亞電離電子作用的低能電子誘導(dǎo)DNA直接損傷譜

8、的模擬方法。尤其，這一方法中對(duì)低能電子與DNA各組分(四個(gè)堿基:腺嘌呤-Adenine(A)、胸腺嘧啶-Thymine(T)、鳥嘌呤-Guanine(G)、胞嘧啶-Cytosine(C)，糖環(huán)-sugar moiety和磷酸基團(tuán)-phosphate group）之間的彈性相互作用，使用了最新的理論計(jì)算截面。基于建立的模擬方法，系統(tǒng)地模擬研究了計(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，定量分析了亞電離電子

9、對(duì)不同復(fù)雜類型DNA鏈斷裂和堿基損傷產(chǎn)額的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明:亞電離電子對(duì)DNA鏈斷裂產(chǎn)額的貢獻(xiàn)約為40-70％，且SSB為最主要的鏈斷裂類型，隨著初始能量的增高，SSB的相對(duì)產(chǎn)額逐漸增大;雙鏈斷裂類型的鏈斷裂所占比重較小，并隨著初始能量的升高而減小;亞電離電子誘導(dǎo)的DSB產(chǎn)額比相應(yīng)的SSB產(chǎn)額要小約230-290％;亞電離電子對(duì)DNA堿基損傷產(chǎn)額的貢獻(xiàn)約為20-40％，且A-T堿基對(duì)的損傷產(chǎn)額要比G-C堿基對(duì)的明顯的高;由亞電離電子誘導(dǎo)的

10、SSB和A-T堿基對(duì)損傷之間具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。本章的結(jié)果，尤其是亞電離電子的貢獻(xiàn)，為輻射生物效應(yīng)的研究提供了原初的損傷信息，是研究低能電子誘導(dǎo)的各類DNA簇?fù)p傷與能量沉積關(guān)聯(lián)性研究的基礎(chǔ)。
　　4、論文的第四章，提出并建立確定六種類型的DNA簇?fù)p傷靶單元的方法，將DNA簇?fù)p傷分為簡(jiǎn)單簇?fù)p傷和復(fù)雜簇?fù)p傷兩類，前者由每種類型的單鏈斷裂與鄰近堿基損傷結(jié)合構(gòu)成，后者包括每種類型的雙鏈斷裂與鄰近堿基損傷的結(jié)合。應(yīng)用Monte Carlo徑跡

11、結(jié)構(gòu)模擬法，系統(tǒng)地模擬不同初始能量下低能電子誘導(dǎo)的DNA簇?fù)p傷譜，定量研究簡(jiǎn)單簇?fù)p傷和復(fù)雜簇?fù)p傷關(guān)聯(lián)的能量沉積分布特征，定量研究能量沉積與DNA簇?fù)p傷的關(guān)聯(lián)規(guī)律。本章的研究獲得了如下的結(jié)果:
　　(1)不同初始能量下，總的簇?fù)p傷相對(duì)產(chǎn)額隨能量沉積的變化規(guī)律一致，約90％簇?fù)p傷的能量沉積分布在約低于150 eV的范圍，簡(jiǎn)單簇?fù)p傷為最主要的簇?fù)p傷，約占全部簇?fù)p傷的90％;
　　(2)不同初始能量下，簡(jiǎn)單簇?fù)p傷的能量沉積分布規(guī)律相

12、似，能量沉積主要分布在約低于150 eV的范圍，峰值出現(xiàn)在約50 eV處;
　　(3)在考慮的電子初始能量范圍內(nèi)(≤4.5 keV)，SSB+BD（單鏈斷裂與鄰近的堿基損傷結(jié)合）簇?fù)p傷譜由1個(gè)單鏈斷裂分別結(jié)合1到5個(gè)堿基損傷構(gòu)成，SSB+BD類型的簇?fù)p傷約占簡(jiǎn)單簇?fù)p傷的75-90％。隨著堿基損傷數(shù)目的增加，SSB+BD簇?fù)p傷靶元內(nèi)的平均能量沉積逐漸增大。堿基損傷數(shù)一定，不同初始能量下的SSB+BD簇?fù)p傷靶元內(nèi)的平均能量沉積變化不大

13、，即靶元內(nèi)的能量沉積主要取決于DNA損傷的復(fù)雜性，對(duì)初始能量的依賴很小，這是DNA靶元能量沉積與DNA簇?fù)p傷關(guān)聯(lián)的一個(gè)重要特征。此外，1個(gè)單鏈斷裂結(jié)合1個(gè)堿基損傷是最主要的SSB+BD簇?fù)p傷，約占SSB+BD簇?fù)p傷總產(chǎn)額的80％，SSB+BD簇?fù)p傷復(fù)雜性越高，能量沉積越大。
　　(4)在復(fù)雜簇?fù)p傷中，DSB+BD（雙鏈斷裂與鄰近的堿基損傷結(jié)合）簇?fù)p傷占主導(dǎo)地位。在考慮的電子初始能量范圍，DSB+BD損傷譜由1個(gè)雙鏈斷裂分別結(jié)合1到

14、5個(gè)堿基損傷構(gòu)成。其中，1個(gè)雙鏈鏈斷裂結(jié)合1個(gè)堿基損傷構(gòu)成的DSB+BD是最主要的復(fù)雜簇?fù)p傷，約占全部DSB+BD簇?fù)p傷的83％，其平均能量沉積約為106 eV。隨著復(fù)雜性增加，能量沉積逐漸增大，平均能量沉積亦明顯的大，但很難形成。然而，盡管復(fù)雜簇?fù)p傷的產(chǎn)額很小，但它們的生物效應(yīng)不可忽略。
　　本章的工作定量地研究了不同復(fù)雜性DNA簇?fù)p傷與DNA靶元能量沉積的關(guān)聯(lián)性，揭示了相應(yīng)的關(guān)聯(lián)特征，為輻射生物效應(yīng)和原初損傷的關(guān)聯(lián)搭建起關(guān)鍵的

15、環(huán)節(jié)，從而使輻射生物效應(yīng)機(jī)理的研究能夠指向原初的損傷譜。
　　5、論文的第五章，建立了核小體的體積模型以及模擬核小體DNA損傷譜的Monte Carlo方法，并提出DNA鏈斷裂關(guān)聯(lián)損傷的概念。應(yīng)用建立的MonteCarlo方法，模擬獲得了核小體靶元中的DNA鏈斷裂關(guān)聯(lián)損傷和DNA簇?fù)p傷譜，定量研究了核小體靶元能量沉積與其上的DNA損傷的關(guān)聯(lián)規(guī)律，獲得了如下的
　　結(jié)果:
　　(1)不同初始能量下，核小體靶元DNA鏈斷裂

16、關(guān)聯(lián)損傷的相對(duì)產(chǎn)額隨靶元能量沉積的變化規(guī)律一致，具有DNA鏈斷裂關(guān)聯(lián)損傷的核小體靶元中90％的能量沉積分布在約低于180 eV的范圍。
　　(2)簡(jiǎn)單的單鏈斷裂SSB，是核小體DNA中最主要的鏈斷裂類型，約占全部鏈斷裂產(chǎn)額的80-90％。不同初始能量下，SSB關(guān)聯(lián)損傷的能量沉積分布規(guī)律相似，主要分布在約低于180 eV的范圍，且SSB關(guān)聯(lián)損傷的譜分布峰值出現(xiàn)在約30 eV處。SSB關(guān)聯(lián)損傷中，堿基損傷數(shù)為0和1的SSB關(guān)聯(lián)損傷是核

17、小體DNA的SSB關(guān)聯(lián)損傷最主要的損傷類型，約分別占全部核小體DNA的SSB關(guān)聯(lián)損傷的70-90％和10-20％。
　　(3) DSB是核小體DNA最主要的雙鏈斷裂類型，約占全部雙鏈斷裂產(chǎn)額的85-95％。在所考慮的初始能量范圍(≤3 keV)，核小體DNA發(fā)生DSB關(guān)聯(lián)損傷時(shí)，結(jié)合的堿基損傷數(shù)從0到3，所對(duì)應(yīng)的核小體靶元內(nèi)的平均能量沉積分別為101.86 eV、122.79 eV、159.80 eV和229.28 eV。這表明了

18、結(jié)合的堿基損傷數(shù)越多，損傷復(fù)雜性越高，能量沉積越大。其中，堿基損傷數(shù)為0的核小體DSB關(guān)聯(lián)損傷是最主要的DSB關(guān)聯(lián)損傷類型，約占全部核小體DSB鏈斷裂關(guān)聯(lián)損傷的70-80％。
　　(4)簇?fù)p傷是復(fù)雜性較高的鏈斷裂關(guān)聯(lián)損傷，其產(chǎn)額很小，占核小體DNA鏈斷裂關(guān)聯(lián)損傷的12.48％。不同初始能量下，SSB+BD簇?fù)p傷是最主要的DNA簇?fù)p傷。在核小體靶元中，當(dāng)DNA分別發(fā)生簡(jiǎn)單簇?fù)p傷和復(fù)雜簇?fù)p傷時(shí)，核小體靶元的平均能量沉積約分別為112.