DNA受重離子輻射后的結(jié)構(gòu)變化和碎片長度分布課件

DNA受重離子輻射后的

結(jié)構(gòu)變化和碎片長度分布趙葵隋麗倪嵋楠郭繼宇梅俊平孔福全路秀琴周平原子能院核物理所第十次全國核結(jié)構(gòu)討論會脫氧核糖核酸（DNA）腺嘌呤腺嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶脫氧核糖核酸（DNA）在輻射生物學(xué)和放射醫(yī)學(xué)中，DNA是電離輻射引致細(xì)胞殺傷或轉(zhuǎn)化的主要靶分子。DNA的輻射損傷是輻射所致生物效應(yīng)中最基本和最關(guān)鍵的一環(huán)。堿基變化脫氧核糖變化DNA鏈斷裂—單鏈斷裂（SSB）

雙鏈斷裂（DSB）交聯(lián)—DNA鏈交聯(lián)

DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)

其中DSB是輻射所致生物學(xué)效應(yīng)中最重要的原初損傷，而非重接性的DSB則被認(rèn)為是細(xì)胞殺傷效應(yīng)的最重要的損傷。電離輻射致DNA分子的變化DNA鏈斷裂示意圖單鏈斷裂雙鏈斷裂單鏈斷裂：是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條鏈斷裂。雙鏈斷裂：是DNA的兩條互補(bǔ)鏈于同一對應(yīng)處或相鄰處同時斷裂。是具有高傳能線密度（LET）的電離輻射，它所引起的能量沉積密集，局部劑量大。與低LET輻射(如X、射線和電子束等)相比，通過物質(zhì)時有完全不同結(jié)構(gòu)的電離徑跡，所引起的損傷機(jī)制也極為復(fù)雜。重離子的特征國內(nèi)外的研究DSB的方法中性梯度沉降中性過濾淘析凝膠電泳早期染色體凝縮電子顯微鏡原子力顯微鏡這幾種方法都有一定的適用范圍和局限性，不同程度地存在著靈敏性差、物理基礎(chǔ)不清楚及操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。近來的一些研究證實，這些方法低估了DSBs的產(chǎn)額。原子力顯微鏡(AFM)原理

具有可達(dá)幾納米的高分辨本領(lǐng)，可以研究包括絕緣體和導(dǎo)體在內(nèi)的許多不同材料的表面原子結(jié)構(gòu)和組織形態(tài)，還可以用于有機(jī)分子和生物樣品的研究。因而有更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

原子力顯微鏡(AFM)特點(diǎn)利用AFM研究DSB狀況(1)1996年美國喬治華盛頓大學(xué)的D.PANG等人用AFM在水溶液中測量輻射(電子)引起的DNA雙鏈斷裂的第一個實驗。（D.Pangetal.Scan.Microsc.10(1996)1105-1110）(B)50Gy，750-850nm占88％，平均長度790nm(C)100Gy，750-850nm占67％，143-750nm占23％，平均長度690nm(D)150Gy，最多碎片200nm長，占40％，平均長度400nm(E)200Gy，50-150nm占36％，150-250nm占32％，平均長度200nm利用AFM研究DSB狀況(2)1998年D.Pang等人又用同樣方法測量了中子引起的DNA損傷。

（D.Pangetal.,RadiationResearch150(1998)612-618）

中子對DNA的輻射，導(dǎo)致了許多短碎片的產(chǎn)生，DSBs的分布更局部、更密集。為成團(tuán)的DNA雙鏈斷裂提供了實驗證據(jù)。利用AFM研究DSB狀況

利用AFM直接觀測重離子誘發(fā)的DNA鏈斷裂的實驗則未見正式報道。

我們采用加速器輻照技術(shù)與先進(jìn)的原子力顯微鏡技術(shù)相結(jié)合的研究方法，以生物大分子DNA為切入點(diǎn)，在分子水平上研究重離子誘發(fā)的DNA雙鏈斷裂。

HI-13串列加速器平面圖HI-13串列加速器可加速的重離子

及其在生物(水)中的特性

重離子掃描裝置北京Q3D磁譜儀Q3D磁譜儀結(jié)構(gòu)示意圖AJ－Ⅲ型掃描探針顯微鏡

的技術(shù)指標(biāo)樣品臺大小10mm

掃描范圍66m（max）

分辨率

STM:x,y0.1nm,z0.01nmAFM:x,y1.0nm,z0.1nm

電子學(xué)為DSP控制

未輻照pGEMT-1質(zhì)粒DNA7Li離子輻射致DNA斷裂

碎片的AFM觀測(AJ-Ⅲ型AFM)（A）輻照劑量為1.0Gy（B）輻照劑量為6.2Gy7Li離子輻射致DNA斷裂

碎片的AFM觀測(AJ-Ⅲ型AFM)（A）劑量為4.1Gy（B）劑量略大于10Gy7Li離子輻照后DNA分子三種形態(tài)所占比例與劑量的關(guān)系

SC:超螺旋OC:開環(huán)L:線性7Li離子輻射致DNA斷裂碎片

長度的分布（A）劑量為2.1Gy（B）劑量為4.1Gy（C）劑量為6.2Gy（D）劑量為8.2Gy（E）劑量l略大于10Gy12C離子輻射致DNA斷裂

碎片的AFM觀測（A）輻照劑量為1.1Gy（B）輻照劑量為8.1Gy12C和7Li離子輻射致DNA斷裂碎片長度分布的比較8.1Gy的12C離子8.2Gy的7Li離子DNA雙鏈斷裂的統(tǒng)計模型分析

——借用Tsallis熵擬合實驗數(shù)據(jù)其中β為拉格朗日乘子，q為實數(shù)。由于DNA的雙鏈斷裂在空間上是有關(guān)聯(lián)的，因此，用Tsallis熵來研究這種帶有關(guān)聯(lián)的DNA雙鏈斷裂。利用Tsallis熵宏觀統(tǒng)計理論推導(dǎo)出的DNA雙鏈斷裂的分布函數(shù)如下：Tsallis熵擬合8.2Gy的7Li離子8.1Gy的12C離子■實驗數(shù)據(jù)——擬合曲線■實驗數(shù)據(jù)——擬合曲線

AFM顯微技術(shù)，是在分子水平上研究輻射所致DNA損傷的有力工具。與傳統(tǒng)的分子生物學(xué)技術(shù)相比，AFM能夠區(qū)分DNA分子的各種形態(tài)，并能實現(xiàn)對重離子輻照誘發(fā)的DNA較小片段的測量。

結(jié)論一在同一LET值下，隨著劑量的增加，DNA分子的形態(tài)由SC型逐漸向OC型或L型變化，且碎片的長度逐漸縮短；在相同輻照劑量下，隨LET值的增加，誘發(fā)的DNA較短碎片的數(shù)目越來越多；高LET的重離子輻射與低LET輻射相比，能夠更有效的誘發(fā)DNA分子發(fā)生雙鏈斷裂，并使雙鏈斷裂的分布更局部和更密集。使用Tsallis熵宏觀統(tǒng)計理論，對DNA碎片長度分布的實驗數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果說明重離子誘發(fā)的DNA雙鏈斷裂在空間上有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。結(jié)論二展望

DNA損傷的修復(fù)實驗將輻照后的DNA放回到細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行修復(fù)，再對修復(fù)后