電磁輻射中低能電子誘導DNA直接損傷的理論研究.pdf

1、電磁輻射生物效應多年來一直是一個受到關注的研究課題，在生物學多個研究領域和空間科學研究中均被涉及。其中，輻射誘導DNA(Deoxyribonucleicacid)損傷是輻射生物效應機理研究的核心問題，DNA的損傷可能導致細胞死亡、基因突變以及嚴重的生物學后果。因此，研究DNA損傷對解釋輻射生物效應機理以及相關的應用具有十分重要的科學意義。
　　 幾乎所有類型的電離輻射在生物組織中都會產生大量的低能二次電子，這些電子進一步與生物分

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DNA損傷研究的一個重要理論方法，亦稱徑跡結構理論方法。應用這一方法，目前國際上關于輻射誘導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、雙鏈斷裂及其相應的簇損傷上。這些研究對DNA堿基損傷的確定采用了經驗的判定方法，而不能分辨堿基損傷發(fā)生在哪一種堿基或堿基對上。然而，DNA的復

3、雜性就在于組成它的堿基對A-T和G-C的不同以及它們不同的相對含量和不同的排序，這種復雜性決定了DNA的遺傳特性，詳盡的堿基損傷譜對于DNA損傷的研究具有更深刻的理論意義。此外，迄今關于DNA損傷的徑跡結構理論方法基本上都是將輻射在水中產生的直接能量沉積代替輻射在DNA中產生的直接能量沉積，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，近年來關于輻射

4、誘導DNA損傷的實驗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)機制誘導DNA的堿基釋出和鏈斷裂，這一機制突破了亞電離電子不能引起DNA鏈斷裂的傳統觀點，是在傳統的輻射誘導DNA損傷徑跡結構研究中未被認知而忽視的。同時，這一機制還表明了DNA堿基發(fā)生離解俘獲，在堿基釋出的同時離解的電子轉移到磷酸基團導致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鏈斷裂的關聯，這種關聯對于輻射生物效應機理的研究十分重要。
　　 本文對包括亞電離電子的低能電子直接作用誘導DNA損傷作系統深入的研究。在理論模擬方法上：建立更嚴格的低能電子在液態(tài)水中徑跡結構Monte Carlo模擬方法、對低能電子與DNA堿基的非彈性相互作用將突破傳統的近似方法，作更嚴格的理論處理、計及亞電離電子經離解電子俘獲機制誘導DNA的堿基釋出和鏈斷裂、研究在上述理論考慮下DNA損傷的模擬計算方法；在D

6、NA損傷譜的計算分析上：研究DNA損傷譜的堿基構成特征、研究亞電離電子對DNA損傷的貢獻、以亞電離電子作為損傷源刻畫損傷的復雜性、研究DNA簇損傷與其堿基構成的關聯特征。通過大量模擬計算，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額和頻率分布，揭示亞電離電子誘導的不同復雜性DNA簇損傷的分布規(guī)律，揭示DNA簇損傷與其堿基構成的關聯特征，為輻射生物效應機理研究提供更為深刻和基礎的理論依據。論文包含了以下方面的內容及

7、結果：
　　 1、論文的第一章，簡要介紹了電離輻射下低能電子誘導DNA損傷的研究背景及意義，分析了國內外在該領域的研究現狀和研究方法。
　　 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，在此基礎上建立了一個模擬低能電子在液態(tài)水中徑跡結構的Monte Carlo模擬方法。該方法中使用平均散射截面概念與Mott模型結合，給出一個計算幾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理論的最新液態(tài)水光學數據模型，并結合Ochkur的交換效應校正和經典Coulomb場低能Born校正，建立了一個計算低能電子與液態(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DNA損傷的理論研究提供了更為準確的徑跡結構。
　　 3、論文的第三章，對基于本文建立的低能電子在水中散射徑跡結構模擬方法的程序TSLWD2和TSLWD3與較常用的程序MOC

9、A8b、KURBU和CPA100作了系統的計算比較。對于這五個程序，就描述電子在水中的彈性和非彈性散射截面、計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頻率分布以及電子在水中的作用范圍等方面作了系統的計算比較。結果表明，電子初始能量較低時，五個程序的CCPI分布狀況非常接近，而電子初始能量較高時，程序MOCA8b和KURBUC計算的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；在統計生物靶元內能量沉積絕對頻率時，靶元模型的大小同樣影響頻率的分布；程序TSLED2和TSLED3計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。可見，不同的散射截面及模擬模型將會體現不同的徑跡結構特征，納米尺度的徑跡結構直接關系著生物大分子的損傷程度，因此，本章所作的比較研究對電離輻射生物效應的探索具有重要的參考價值。
　　 4、論文的第四章，提

11、出了一個模擬詳細堿基損傷的方法，該方法包括DNA體積模型的改進、DNA堿基序列排列的產生方法、將液態(tài)水中DNA片段擊中點發(fā)生的電離事件轉換為電子與DNA堿基的非彈性散射事件的計算方法、將DNA堿基電離產生的堿基基轉化為堿基損傷的計算方法等。應用提出的模擬方法，系統地模擬了低能電子誘導的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，不同堿基對相對含量下，DNA堿基損傷、鏈斷裂和復雜簇損傷的產額和頻

12、率分布以及DNA片段損傷點長度分布及損傷點個數的分布，部分計算與已有的實驗結果或其它的理論計算作了比較。模擬結果表明：堿基對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，嘌呤對電子輻射的作用比嘧啶更為敏感，這一結果對探索堿基損傷與DNA糖磷酸鏈可能出現的斷裂位置之間的關聯性有重要的參考價值；DNA單鏈斷裂ssb與堿基損傷結合構成的簇損傷在所有簇損傷中數量最多：堿基對A-T和G-C的相對含量不同對各種鏈斷裂和簇損傷的相對

13、產額影響較小，而對各種堿基損傷的相對產額有直接的影響；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個損傷點。本章的模擬結果更加深刻地揭示了DNA損傷的復雜性和更基本的損傷特征，為研究可能導致嚴重生物學后果的DNA簇損傷的形成和分類提供了更基礎的損傷譜。
　　 5、論文的第五章，將輻射誘導DNA損傷的機制從傳統的直接損傷和間接損傷拓展到亞電離電子經離解電子俘獲過程誘導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，建立了計及離解電子俘獲機制的低能電子誘導DNA直接損傷的模擬方法?；诮⒌哪M方法，系統地模擬計算了計及亞電離電子作用的低能電子誘導DNA堿基損傷、DNA鏈斷裂及相應的簇損傷。定量計算了離解電子俘獲作用對DNA鏈斷裂和堿基損傷的貢獻，以亞電離電子作為損傷源刻畫損傷的復雜性，研究了DNA簇損傷與其堿基構成的關聯特征。模擬結果表明，計及離解電子俘獲機制的DNA鏈斷裂的產額中，這一機

15、制的貢獻約占40-70％；此機制誘導產生的DNA堿基損傷產額約為DNA堿基損傷總產額的20-40％，且不同堿基損傷的產額，直接受控于DNA各堿基電子離解俘獲截面的大??；A-T堿基對比G-C堿基對更容易被損傷；堿基對相對含量的差異對亞電離電子誘導產生的各種鏈斷裂和簇損傷產額分布影響較小，而對誘導產生的堿基損傷產額分布有較大影響。本章的模擬研究，揭示了亞電離電子誘導的不同復雜性DNA簇損傷的分布規(guī)律，揭示了DNA簇損傷與其堿基構成的關聯特征