DNA分子中碱基甲基化及羟基化损伤的理论研究

摘要

第一部分:DNA甲基化对生物体的生理过程有非常重要的作用。目前，医学研究认为各种癌症、肿瘤的发生和DNA高甲基化有密切的关系，致病的主要原因是高甲基化常导致基因沉寂，使抑癌基因、DNA恢复基因功能丧失。DNA甲基化反应可以通过两种途径发生，一种是内生反应，即甲基化试剂来源于生物体内的代谢产物；另一种是外界原因造成的，也称为外生甲基化作用。外生的甲基化作用是DNA突变的主要因素。DNA的甲基化效应对基因功能不利的一面是因损伤DNA分子而导致基因功能受到抑制。本研究的主要目的就是了解DNA甲基化的损伤效应。 本文用于研究DNA甲基化损伤效应的计算模型是碱基鸟嘌呤O6位发生甲基化后的dG·dC碱基对（O6-MedG·dC），所有计算都使用Gaussain03程序在B3LYP/DZP++水平上完成。研究的主要结论是： （1）理论上证明了实验的结果，即，O6-MedG·dC在酸性环境中确实发生了碱基对的构象改变。当胞嘧啶被质子化时，O6-MedG·dC是非平面构象；当鸟嘌呤被质子化时，O6-MedG·dC是平面构象。这两种构象改变了碱基对间氢键的成键方式。 （2）鸟嘌呤分子的键长、键角以及NBO电荷、分子轨道的性质都受到了甲基基团影响，其中变化较大的是离甲基较近的原子的结构参数。 （3）鸟嘌呤O6位的甲基化明显改变了碱基对间结合作用的强度。在O6-MedG·dC中只有两个氢键，碱基对间的结合作用比dG·dC间的弱；而在质子化的O6-MedG·dC的平面构象和非平面构象中各有三个氢键，碱基对间的结合作用比dG·dC间的强。 第二部分:羟基自由基（·OH）可以和DNA中的所有碱基反应，生成的多种产物，而且·OH能对任一碱基分子的几个位点发起进攻，每种产物的数量也会因环境的不同而改变，造成DNA不同程度的损伤。目前，实验上已证实羟基自由基能够和DNA的胸腺嘧啶碱基反应，形成胸腺嘧啶的羟基加合物。为了解DNA损伤反应中各活性位点的性质，我们采用B3LYP/DZP++计算方法研究了2’-脱氧胸苷-5’-磷酸上胸腺嘧啶环的八种羟基加合物的结构与性质。结果表明： （1）理论上预测胸腺嘧啶脱氧核苷酸的八种羟基加合物的稳定性顺序是：C6-OH-dTMP'＜C6-OH-dTMP＜C5-OH-dTMP'＜C5-OH-dTMP＜C4-OH-dTMP＜C4-OH-dTMP'；而C2-OH-dTMP'加合物和C2-OH-dTMP加合物的稳定性是C2-OH-dTMP＞C2-OH-dTMP'。 （2）在八种胸腺嘧啶的羟基化产物中，分子的NBO电荷在羟基化前后发生了重新分布，电荷量变化最大的原子是C6，而碱基上带有最多负电荷原子是N3 。 （3）在C2的加成产物中，胸腺嘧啶环断裂，这说明胸腺嘧啶的C2位的羟基加成能够造成DNA分子的严重损伤。 （4）自旋密度的计算结果表明所有的羟基加成产物兼具有氧化性和还原性的活性位点，这些活性位点分布在碱基的有关原子上。 （5）分子轨道分析表明碱基上的原子对羟基加合物的最高占有分子轨道贡献直接关联，显示碱基仍是胸腺嘧啶脱氧核苷酸羟基化后进一步损伤的主要反应位点。