电磁辐射中低能电子诱导的DNA簇损伤及其与能量沉积的关联性研究

摘要

在辐射生物效应的研究中，探索DNA损伤与效应之间的关联性是一个重要的研究课题。DNA损伤与效应之间的关联，将辐射生物效应的机理指向了原初的DNA损伤信息，而探索本源的损伤机理，在DNA分子水平上建立细致的损伤信息与辐射终点效应的关联，将具有根本的索源意义。
　　早期基于靶理论提出的L-Q模型建立了一个初略的辐射所致DNA双链断裂数与细胞存活的关联，该模型本质上反映的是剂量和效应的关联。细胞响应阈值模型建立了靶元中能量沉积与辐射终点效应的关联，该模型仍是反映剂量和效应的关联。显然，以上两类关联模型没有将损伤的机理指向原初的DNA损伤谱，不能揭示基本的DNA损伤信息与终点效应的关联性。因此，研究DNA损伤谱与靶元能量沉积的关联性，是搭建辐射生物效应和原初损伤关联的重要环节，是理论上解释辐射生物效应机理的关键，因而具有重要的科学意义。
　　实验和理论研究已表明，几乎所有类型的电离辐射都会产生大量的低能电子(能量低于几keV)，也称“δ射线”，它们会进一步与生物分子相互作用，使之激发或电离。而DNA分子作为遗传信息的携带者，是最重要的生物靶分子，DNA损伤，可能会导致基因突变、细胞死亡以及其他严重的生物学后果。因此，低能电子诱导的DNA损伤一直是辐射生物学研究的一个重要课题。
　　获得DNA损伤谱是对辐射生物效应机理解释并预测生物效应的第一步。低能电子辐照DNA时，会产生大量不同类型的DNA损伤，包括单链断裂(SSB)、双链断裂(DSB)、碱基损伤以及链断裂与碱基损伤结合形成的簇损伤。DNA簇损伤是辐射所致细胞死亡和突变的关键损伤，被认为是难以修复且对细胞是致命的。因此，DNA簇损伤谱分布的研究具有更重要的生物学意义。然而，由于实验条件和理论计算的局限性，目前有关的研究基本上是针对高能粒子所诱导的简单DNA簇损伤，未能给出各种不同复杂类型DNA簇损伤的定量分析。
　　本文应用Monte Carlo径迹结构模拟法，对包括亚电离电子作用的低能电子诱导的DNA簇损伤及其与DNA靶元和核小体靶元能量沉积的关联性作系统深入的研究。建立了一个更为严格的低能电子在液态水中的径迹结构模拟方法，计算了低能电子诱导的DNA直接损伤谱，定量分析了不同初始能量下，亚电离电子对于DNA单链断裂、双链断裂以及碱基损伤产额的贡献，研究不同类型DNA簇损伤以及核小体DNA损伤与靶元能量沉积的关联性。本文的研究工作，主要包含以下方面的内容和结果:
　　1、论文的第一章，简要介绍了低能电子诱导DNA损伤与能量沉积关联性研究的背景及意义，综述了国内外在该领域的研究现状和研究方法。
　　2、论文的第二章，描述了低能电子与液态水相互作用的两个弹性散射的模型，即Tan模型和Champion模型。前者主要应用基于解相对论性Dirac方程的Mott模型的平均散射截面方法，后者使用解非相对论性Schr(o)dinger方程的分波法，并考虑了液态水的凝聚态相效应。应用Emfietzoglou等发展的基于介电响应理论的光学数据模型计算低能电子在液态水中的非弹性散射，比较研究了基于两个弹性散射模型的低能电子在液态水中径迹结构的模拟，计算分析了液态水凝聚态相效应对表征径迹结构的能量沉积和非弹性散射事件空间分布的影响。结果表明，液态水凝聚态相效应的影响主要发生在较低的电子能量。基于此，并由于电子能量较高时Mott模型考虑了电子的相对论效应，提出并建立了一个更为严格的低能电子在液态水中径迹结构模拟方法。本章建立的模型可为辐射诱导DNA损伤的研究提供更为可靠的电子径迹结构。
　　3、论文的第三章，建立了一个计及亚电离电子作用的低能电子诱导DNA直接损伤谱的模拟方法。尤其，这一方法中对低能电子与DNA各组分(四个碱基:腺嘌呤-Adenine(A)、胸腺嘧啶-Thymine(T)、鸟嘌呤-Guanine(G)、胞嘧啶-Cytosine(C)，糖环-sugar moiety和磷酸基团-phosphate group）之间的弹性相互作用，使用了最新的理论计算截面。基于建立的模拟方法，系统地模拟研究了计及亚电离电子作用的低能电子诱导DNA碱基损伤、DNA链断裂及相应的簇损伤，定量分析了亚电离电子对不同复杂类型DNA链断裂和碱基损伤产额的贡献。结果表明:亚电离电子对DNA链断裂产额的贡献约为40-70％，且SSB为最主要的链断裂类型，随着初始能量的增高，SSB的相对产额逐渐增大;双链断裂类型的链断裂所占比重较小，并随着初始能量的升高而减小;亚电离电子诱导的DSB产额比相应的SSB产额要小约230-290％;亚电离电子对DNA碱基损伤产额的贡献约为20-40％，且A-T碱基对的损伤产额要比G-C碱基对的明显的高;由亚电离电子诱导的SSB和A-T碱基对损伤之间具有较强的关联性。本章的结果，尤其是亚电离电子的贡献，为辐射生物效应的研究提供了原初的损伤信息，是研究低能电子诱导的各类DNA簇损伤与能量沉积关联性研究的基础。
　　4、论文的第四章，提出并建立确定六种类型的DNA簇损伤靶单元的方法，将DNA簇损伤分为简单簇损伤和复杂簇损伤两类，前者由每种类型的单链断裂与邻近碱基损伤结合构成，后者包括每种类型的双链断裂与邻近碱基损伤的结合。应用Monte Carlo径迹结构模拟法，系统地模拟不同初始能量下低能电子诱导的DNA簇损伤谱，定量研究简单簇损伤和复杂簇损伤关联的能量沉积分布特征，定量研究能量沉积与DNA簇损伤的关联规律。本章的研究获得了如下的结果:
　　(1)不同初始能量下，总的簇损伤相对产额随能量沉积的变化规律一致，约90％簇损伤的能量沉积分布在约低于150 eV的范围，简单簇损伤为最主要的簇损伤，约占全部簇损伤的90％;
　　(2)不同初始能量下，简单簇损伤的能量沉积分布规律相似，能量沉积主要分布在约低于150 eV的范围，峰值出现在约50 eV处;
　　(3)在考虑的电子初始能量范围内(≤4.5 keV)，SSB+BD（单链断裂与邻近的碱基损伤结合）簇损伤谱由1个单链断裂分别结合1到5个碱基损伤构成，SSB+BD类型的簇损伤约占简单簇损伤的75-90％。随着碱基损伤数目的增加，SSB+BD簇损伤靶元内的平均能量沉积逐渐增大。碱基损伤数一定，不同初始能量下的SSB+BD簇损伤靶元内的平均能量沉积变化不大，即靶元内的能量沉积主要取决于DNA损伤的复杂性，对初始能量的依赖很小，这是DNA靶元能量沉积与DNA簇损伤关联的一个重要特征。此外，1个单链断裂结合1个碱基损伤是最主要的SSB+BD簇损伤，约占SSB+BD簇损伤总产额的80％，SSB+BD簇损伤复杂性越高，能量沉积越大。
　　(4)在复杂簇损伤中，DSB+BD（双链断裂与邻近的碱基损伤结合）簇损伤占主导地位。在考虑的电子初始能量范围，DSB+BD损伤谱由1个双链断裂分别结合1到5个碱基损伤构成。其中，1个双链链断裂结合1个碱基损伤构成的DSB+BD是最主要的复杂簇损伤，约占全部DSB+BD簇损伤的83％，其平均能量沉积约为106 eV。随着复杂性增加，能量沉积逐渐增大，平均能量沉积亦明显的大，但很难形成。然而，尽管复杂簇损伤的产额很小，但它们的生物效应不可忽略。
　　本章的工作定量地研究了不同复杂性DNA簇损伤与DNA靶元能量沉积的关联性，揭示了相应的关联特征，为辐射生物效应和原初损伤的关联搭建起关键的环节，从而使辐射生物效应机理的研究能够指向原初的损伤谱。
　　5、论文的第五章，建立了核小体的体积模型以及模拟核小体DNA损伤谱的Monte Carlo方法，并提出DNA链断裂关联损伤的概念。应用建立的MonteCarlo方法，模拟获得了核小体靶元中的DNA链断裂关联损伤和DNA簇损伤谱，定量研究了核小体靶元能量沉积与其上的DNA损伤的关联规律，获得了如下的
　　结果:
　　(1)不同初始能量下，核小体靶元DNA链断裂关联损伤的相对产额随靶元能量沉积的变化规律一致，具有DNA链断裂关联损伤的核小体靶元中90％的能量沉积分布在约低于180 eV的范围。
　　(2)简单的单链断裂SSB，是核小体DNA中最主要的链断裂类型，约占全部链断裂产额的80-90％。不同初始能量下，SSB关联损伤的能量沉积分布规律相似，主要分布在约低于180 eV的范围，且SSB关联损伤的谱分布峰值出现在约30 eV处。SSB关联损伤中，碱基损伤数为0和1的SSB关联损伤是核小体DNA的SSB关联损伤最主要的损伤类型，约分别占全部核小体DNA的SSB关联损伤的70-90％和10-20％。
　　(3) DSB是核小体DNA最主要的双链断裂类型，约占全部双链断裂产额的85-95％。在所考虑的初始能量范围(≤3 keV)，核小体DNA发生DSB关联损伤时，结合的碱基损伤数从0到3，所对应的核小体靶元内的平均能量沉积分别为101.86 eV、122.79 eV、159.80 eV和229.28 eV。这表明了结合的碱基损伤数越多，损伤复杂性越高，能量沉积越大。其中，碱基损伤数为0的核小体DSB关联损伤是最主要的DSB关联损伤类型，约占全部核小体DSB链断裂关联损伤的70-80％。
　　(4)簇损伤是复杂性较高的链断裂关联损伤，其产额很小，占核小体DNA链断裂关联损伤的12.48％。不同初始能量下，SSB+BD簇损伤是最主要的DNA簇损伤。在核小体靶元中，当DNA分别发生简单簇损伤和复杂簇损伤时，核小体靶元的平均能量沉积约分别为112.68 eV和170.88 eV，明显高于相应的链断裂关联损伤的平均能量沉积。
　　本章对于核小体DNA损伤谱与相应靶元能量沉积的关联性研究，为辐射生物效应机理研究提供了相应的理论参考。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 DNA损伤与能量沉积关联性的研究现状

1．3 论文的主要内容和章节安排

1．4 本章小结

第二章 低能电子在液态水中的径迹结构模拟

2．1 液态水与生物体的关系

2．2 低能电子在液态水中的径迹结构

2．2．1 弹性散射

2．2．2 非弹性散射

2．3 低能电子在液体水中径迹结构的模拟方法

2．4 液态水凝聚态相效应的影响

2．5 本章小结

第三章 计及解离电子吸附机制的低能电子诱导DNA直接损伤谱模拟

3．1 DNA的分子结构

3．2 DNA的体积模型

3．3 低能电子与DNA各组分之间的相互作用

3．3．1 弹性散射

3．3．2 非弹性散射

3．4 模拟方法

3．5 DNA链断裂类型的分类及碱基损伤的计算

3．5．1 DNA链断裂类型的分类

3．5．2 碱基损伤判断标准

3．6 DNA直接损伤谱的模拟结果及讨论

3．6．1 链断裂的产额

3．6．2 碱基损伤的产额

3．6．3 链断裂与碱基损伤之间的关联性

3．7 本章小结

第四章 低能电子诱导的DNA簇损伤与能量沉积关联性研究

4．1 簇损伤及其分类

4．2 簇损伤靶单元长度的确定

4．3 DNA簇损伤谱分布及其与能量沉积的关联性

4．3．1 简单簇损伤

4．3．2 复杂簇损伤

4．4 本章小结

第五章 低能电子诱导的核小体DNA损伤与能量沉积的关联性研究

5．1 核小体的结构

5．2 核小体的体积模型

5．3 模拟方法

5．4 核小体DNA损伤谱分布及其与能量沉积关联性

5．5 本章小结

6．1 主要成果和结论

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研工作