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1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1DNA受重离子辐射后的结构变化和碎片长度分布 赵 葵 隋 丽 倪嵋楠 郭继宇 梅俊平 孔福全 路秀琴 周 平 原子能院核物理所第十次全国核结构讨论会脱氧核糖核酸（DNA）腺嘌呤腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶脱氧核糖核酸（DNA）n在辐射生物学和放射医学中，DNA是电离辐射引致细胞杀伤或转化的主要靶分子。nDNA的辐射损伤是辐射所致生物效应中最基本和最关键的一环。碱基变化 脱氧核糖变化DNA链断裂 单链断裂（SSB） 双链断裂（DSB）交联 DNA链交联 DNA-蛋白质交联 其中DSB是辐射所致生物学效应中最重要的原初损伤，而非重接性的DSB则被认为是细
2、胞杀伤效应的最重要的损伤。电离辐射致DNA分子的变化DNA链断裂示意图单链断裂双链断裂单链断裂：是DNA双螺旋结构中一条链断裂。双链断裂：是DNA的两条互补链于同一对应处或相邻处同时断裂。n是具有高传能线密度（LET）的电离辐射，它所引起的能量沉积密集，局部剂量大。 与低LET辐射(如 X、 射线和电子束等)相比，通过物质时有完全不同结构的电离径迹，所引起的损伤机制也极为复杂。重离子的特征质子和碳离子在水中径迹比较国内外的研究DSB的方法n中性梯度沉降n中性过滤淘析n凝胶电泳n早期染色体凝缩n电子显微镜n原子力显微镜这几种方法都有一定的适用范围和局限性，不同程度地存在着灵敏性差、物理基础不清楚
3、及操作复杂等缺点。近来的一些研究证实，这些方法低估了DSBs的产额。原子力显微镜(AFM)原理 具有可达几纳米的高分辨本领，可以研究包括绝缘体和导体在内的许多不同材料的表面原子结构和组织形态，还可以用于有机分子和生物样品的研究。因而有更加广泛的应用领域。 原子力显微镜(AFM)特点利用AFM研究DSB状况 利用AFM观测电离辐射致DNA双链断裂在国外（从1996年起）仅有的几个实验研究中，所用的电离辐射源是电子、X射线、射线和粒子，给出了辐照后DNA分子的结构变化。利用AFM研究DSB状况 (1)1996年美国乔治华盛顿大学的D.PANG等人用AFM在水溶液中测量辐射(电子)引起的DNA双链断
4、裂的第一个实验。 （D.Pang et al. Scan.Microsc. 10(1996)1105-1110）(B) 50 Gy，750-850nm占88，平均长度790nm(C)100 Gy，750-850nm占67，143-750nm占23，平均长度690nm(D)150 Gy，最多碎片200nm长，占40，平均长度400nm(E)200 Gy，50-150nm占36，150-250nm占32，平均长度200nm利用AFM研究DSB状况 (2)1998年D.Pang 等人又用同样方法测量了中子引起的DNA损伤。 （D.Pang et al., Radiation Research 150
5、(1998)612-618） 中子对DNA的辐射，导致了许多短碎片的产生，DSBs的分布更局部、更密集。为成团的DNA双链断裂提供了实验证据。（3）2000年，日本辐射生物科学研究所的一个小组用AFM研究了60Co的射线诱发的DNA损伤。观测到了闭环（完整DNA分子）、开环（单链断裂）和线性（双链断裂）三种形态的质粒DNA及它们随剂量的变化情况。利用AFM研究DSB状况利用AFM研究DSB状况 利用AFM直接观测重离子诱发的DNA链断裂的实验则未见正式报道。 我们采用加速器辐照技术与先进的原子力显微镜技术相结合的研究方法，以生物大分子DNA为切入点，在分子水平上研究重离子诱发的DNA双链断裂。
6、 HI-13 串列加速器平面图HI-13串列加速器可加速的重离子 及其在生物(水)中的特性实验设施的其它优势 重离子扫描辐照装置，可以在330cm范围内提供均匀的束流； 北京Q3D磁谱仪可提供均匀的、 无辐射、低本底辐射源； 串列加速器已经加速了碳的微集团束； 微束装置； 原子力显微镜。重离子扫描装置北京Q3D磁谱仪Q3D磁谱仪结构示意图AJ-型扫描探针显微镜AJ型扫描探针显微镜 的技术指标 样品台大小 10mm 扫描范围 66m（max） 分辨率 STM: x,y 0.1nm ,z0.01nm AFM: x,y 1.0nm, z0.1nm 电子学为DSP控制 实验研究进展 1、利用HI-13
7、串列加速器产生的的7Li和12C重离子，以不同的剂量（1，2，4，6，8，10Gy）对纯化的pGEMT1质粒DNA水溶液进行了辐照； 2、利用原子力显微镜对辐照后的DNA进行了观测，给出DNA形态随剂量的变化； 3、得到不同剂量下DNA碎片长度的分布函数，并用Tsallis熵统计熵统计 理论对实验结论对实验结果进进行了拟拟合。 重离子辐射致DNA链断裂碎片的AFM观测重离子种类束流能量（MeV）LET（keV/m）射程（m）7Li2612490.812C84242185.7n 辐照用重离子种类及相应物理参数n 辐照用DNA样品 pGEMT-1质粒DNA（水溶液）,形态为超螺旋和开环 注：LET
8、值为在水中的LET值未辐照pGEMT-1质粒DNA7Li离子辐射致DNA断裂碎片的AFM观测(AJ-型AFM)（A）辐照剂量为1.0Gy（B）辐照剂量为6.2Gy7Li离子辐射致DNA断裂碎片的AFM观测(AJ-型AFM)（A）剂量为4.1Gy（B）剂量略大于10Gy7Li离子辐照后DNA分子三种形态所占比例与剂量的关系 SC: 超螺旋OC: 开 环 L: 线 性7Li离子辐射致DNA断裂碎片长度的分布（A）剂量为2.1Gy（B）剂量为4.1Gy（C）剂量为6.2Gy（D）剂量为8.2Gy（E）剂量l略大于10Gy12C离子辐射致DNA断裂碎片的AFM观测（A）辐照剂量为1.1Gy（B）辐照剂
9、量为8.1Gy12C和7Li离子辐射致DNA断裂碎片长度分布的比较8.1Gy的12C离子8.2Gy的7Li离子DNA双链断裂的统计模型分析借用Tsallis熵拟合实验数据其中为拉格朗日乘子，q为实数。 由于DNA的双链断裂在空间上是有关联的，因此，用Tsallis熵来研究这种带有关联的DNA双链断裂。利用Tsallis熵宏观统计理论推导出的DNA双链断裂的分布函数如下：Tsallis熵拟合8.2Gy的7Li离子8.1Gy的12C离子 实验数据 拟合曲线 实验数据 拟合曲线 AFM显微技术，是在分子水平上研究辐射所致DNA损伤的有力工具。 与传统的分子生物学技术相比，AFM能够区分DNA分子的各
10、种形态，并能实现对重离子辐照诱发的DNA较小片段的测量。 结 论 一n 在同一LET值下，随着剂量的增加，DNA分子的形态由SC型逐渐向OC型或L型变化，且碎片的长度逐渐缩短；n 在相同辐照剂量下，随LET值的增加，诱发的DNA较短碎片的数目越来越多；n 高LET的重离子辐射与低LET辐射相比，能够更有效的诱发DNA分子发生双链断裂，并使双链断裂的分布更局部和更密集。n 使用Tsallis熵宏观统计理论，对DNA碎片长度分布的实验数据的拟合结果说明重离子诱发的DNA双链断裂在空间上有较强的关联。结 论 二展 望 DNA损伤的修复实验 将辐照后的DNA放回到细胞内进行修复，再对修复后的DNA进行观测，研究DNA链断裂的修复情况和其它生物效应，及其与早期的链断裂之间的关系。 自由基对链断裂的影响 辐照DNA水溶液时，在其中加入不同种类和浓度的自由基清除剂，如甘露醇、茶多酚和螺旋藻等。再用原子力显微镜观测DNA的链断裂情况。 谢谢大家！
