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(lái)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(wèn)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(guó)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(lái)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(guò)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(huà)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(guò)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(guó)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。可見(jiàn)，不同的散射截面及模擬模型將會(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(zhǎng)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(guò)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(huà)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?。籄-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