DNA受重离子辐射后的结构变化和碎片长度分布ppt课件

1、DNA受重离子辐射后的结构变化和碎片长度分布赵赵 葵葵 隋隋 丽丽 倪嵋楠倪嵋楠 郭继宇郭继宇 梅俊平梅俊平 孔福全孔福全 路秀琴路秀琴 周周 平平原子能院核物理所原子能院核物理所第十次全国核结构讨论会第十次全国核结构讨论会脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸DNADNA）腺嘌呤腺嘌呤腺嘧啶腺嘧啶鸟嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胞嘧啶脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸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。电离辐射致电离辐射致DNADNA的损伤的损伤n 电离辐射损伤DNA途径:n直接作用n 指射线直接作用于DNA分子，通过电离

2、和激发使DNA受到损伤。n间接作用n 指射线与DNA周围其它原子或分子特别是水分子作用，产生具有很高活性的自由基如OH，H和eaq-）进而损伤DNA。碱基变化碱基变化 脱氧核糖变化脱氧核糖变化DNADNA链断裂链断裂 单链断裂单链断裂SSBSSB） 双链断裂双链断裂DSBDSB）交联交联 DNA DNA链交联链交联 DNA-DNA-蛋白质交联蛋白质交联 其中其中DSBDSB是辐射所致生物学效应是辐射所致生物学效应中最重要的原初损伤，而非重接性的中最重要的原初损伤，而非重接性的DSBDSB则被认为是细胞杀伤效应的最重要则被认为是细胞杀伤效应的最重要的损伤。的损伤。电离辐射致电离辐射致DNADNA

3、分子的变化分子的变化DNA链断裂示意图链断裂示意图单链断裂双链断裂单链断裂：是单链断裂：是DNA双螺旋结构中一条链断裂。双螺旋结构中一条链断裂。双链断裂：是双链断裂：是DNA的两条互补链于同一对应处或相邻处同时断裂。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是具有高传能线密度LETLET的的电离辐射，它所引起的能量沉积电离辐射，它所引起的能量沉积密集，局部剂量大。密集，局部剂量大。n 与低与低LETLET辐射辐射( (如如 X X、 射线射线和电子束等和电子束等) )相比，通过物质时相比，通过物质时有完全不同结构的电离径迹，所有完全不同结构的电离径迹，所引起的损伤机制也极为

4、复杂。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中性梯度沉降中性梯度沉降n中性过滤淘析中性过滤淘析n凝胶电泳凝胶电泳n早期染色体凝缩早期染色体凝缩n电子显微镜电子显微镜n原子力显微镜原子力显微镜这几种方法都有一定这几种方法都有一定的适用范围和局限性，的适用范围和局限性，不同程度地存在着灵不同程度地存在着灵敏性差、物理基础不敏性差、物理基础不清楚及操作复杂等缺清楚及操作复杂等缺点。近来的一些研究点。近来的一些研究证实，这些方法低估证实，这些方法低估了了DSBs的产额。的产额。原子力显微镜原子力显微镜(AFM)(AFM)原理原理 具有可达几纳米的高分

5、辨具有可达几纳米的高分辨本领，可以研究包括绝缘体和本领，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研究。因而有更加广泛的应用领域。领域。 原子力显微镜原子力显微镜(AFM)(AFM)特点特点利用利用AFM研究研究DSB状况状况 利用AFM观测电离辐射致DNA双链断裂在国外从2019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。利用利用AFM研究研究DSB状况状况 (1)2019

6、(1)2019年美国乔治华盛顿大年美国乔治华盛顿大学的学的D.PANGD.PANG等人用等人用AFMAFM在水溶在水溶液中测量辐射液中测量辐射( (电子电子) )引起的引起的DNADNA双链断裂的第一个实验。双链断裂的第一个实验。 （D.Pang et al. D.Pang et al. Scan.Microsc.Scan.Microsc. 10(2019)1105-111010(2019)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20

7、0nm长，占40，平均长度400nm(E)200 Gy，50-150nm占36，150-250nm占32，平均长度200nm利用利用AFM研究研究DSB状况状况 (2)2019 (2)2019年年D.Pang D.Pang 等人又用同样等人又用同样方法测量了中子引起的方法测量了中子引起的DNADNA损伤。损伤。 （D.Pang et D.Pang et al., Radiation al., Radiation Research Research 150(2019)612-618150(2019)612-618） 中子对中子对DNADNA的辐射，导致了许的辐射，导致了许多短碎片的产生，多短碎片

8、的产生，DSBsDSBs的分布的分布更局部、更密集。为成团的更局部、更密集。为成团的DNADNA双链断裂提供了实验证据。双链断裂提供了实验证据。（3 320002000年，日本辐射生年，日本辐射生物科学研究所的一个小物科学研究所的一个小组用组用AFMAFM研究了研究了60Co60Co的的射线诱发的射线诱发的DNADNA损伤。观损伤。观测到了闭环完整测到了闭环完整DNADNA分分子）、开环单链断裂子）、开环单链断裂和线性双链断裂三和线性双链断裂三种形态的质粒种形态的质粒DNADNA及它们及它们随剂量的变化情况。随剂量的变化情况。利用利用AFM研究研究DSB状况状况利用利用AFM研究研究DSB状况

9、状况 利用利用AFMAFM直接观测重离子诱发的直接观测重离子诱发的DNADNA链链断裂的实验则未见正式报道。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，以生子力显微镜技术相结合的研究方法，以生物大分子物大分子DNADNA为切入点，在分子水平上研为切入点，在分子水平上研究重离子诱发的究重离子诱发的DNADNA双链断裂。双链断裂。 HI-13 HI-13 串列加速器平面图串列加速器平面图HI-13串列加速器可加速的重离子串列加速器可加速的重离子 及其在生物及其在生物(水水)中的特性中的特性离离子子种种类类 能能量量(M

10、eV) (MeV/A) LET(keV/m) R(m) 4He 36 9.0 20 1000 18 4.5 30 290 7Li 48 6.8 56 500 22 3.1 100 130 12C 60 5.0 282 130 72 6.0 245 176 16O 104 6.5 400 164 40 2.5 750 40 19F 76 4.0 686 80 31P 117 3.77 1580 57 35Cl 118 3.37 1900 50 75 2.14 2400 30 56Fe 140 2.5 4300 40 79Br 130 1.65 5700 30 107Ag 180 1.68 900

11、0 30 127I 200 1.57 10000 35实验设施的其它优势w 重离子扫描辐照装置，可以在重离子扫描辐照装置，可以在3 330cm30cm范围内提供均匀的束流；范围内提供均匀的束流；w 北京北京Q3DQ3D磁谱仪可提供均匀的、磁谱仪可提供均匀的、 无无辐射、低本底辐射源；辐射、低本底辐射源；w 串列加速器已经加速了碳的微串列加速器已经加速了碳的微集团束；集团束；w 微束装置；微束装置；w 原子力显微镜。原子力显微镜。重离子扫描装置重离子扫描装置北京Q3D磁谱仪Q3D磁谱仪结构示意图AJ-AJ-型扫描探针显微镜型扫描探针显微镜AJ型扫描探针显微镜 的技术指标w 样品台大小样品台大小

12、10mm10mmw 扫描范围扫描范围 6 66 6m mmaxmax）w 分辨率分辨率 w STM: x,y STM: x,y 0.1nm ,z0.1nm ,z0.01nm0.01nmw AFM: x,y AFM: x,y 1.0nm, z 1.0nm, z0.1nm0.1nmw 电子学为电子学为DSPDSP控制控制 实验研究进展 1、利用HI-13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

13、数，并用Tsallis熵统计理论对实验结果进行了拟合。 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辐照用重离子种类及相应物理参数n 辐照用辐照用DNA样品样品n pGEMT-1质粒质粒DNA水溶液）水溶液）,形态为超螺旋和开环形态为超螺旋和开环 注：注：LET值为在水中的值为在水中的LET值值未辐照pGEMT-1质粒DNA7Li7Li离子辐射致离子辐射致DNADNA断裂断裂碎片的碎片的AFMAFM观测观测(AJ-(AJ-型型AFM)AFM)（A）辐照剂量为

14、辐照剂量为1.0Gy（B）辐照剂量为辐照剂量为6.2Gy7Li7Li离子辐射致离子辐射致DNADNA断裂断裂碎片的碎片的AFMAFM观测观测(AJ-(AJ-型型AFM)AFM)（A）剂量为剂量为4.1Gy（B）剂量略大于剂量略大于10Gy7Li离子辐照后DNA分子三种形态所占比例与剂量的关系 SC: 超螺旋超螺旋OC: 开开 环环 L: 线线 性性02468100.00.20.40.60.81.0SCOC L FractionDose (Gy)7Li7Li离子辐射致离子辐射致DNADNA断裂碎片断裂碎片长度的分布长度的分布020040060080010001200140016000.000.0

15、20.040.060.080.100.120.140.160.180.20 Fraction of fragmentsFragment length (nm)020040060080010001200140016000.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20 Fraction of fragmentsFragment length (nm)（A）剂量为2.1Gy（B）剂量为剂量为4.1Gy020040060080010001200140016000.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20 Fractio

16、n of fragmentsFragment length (nm)020040060080010001200140016000.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20 Fracion of fragmentsFragment length (nm)020040060080010001200140016000.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20 Fraction of fragmentsFragment length (nm)（C）剂量为剂量为6.2Gy（D）剂量为剂量为8.2Gy（E）剂量剂量l略

17、大于略大于10Gy12C12C离子辐射致离子辐射致DNADNA断裂断裂碎片的碎片的AFMAFM观测观测（A）辐照剂量为辐照剂量为1.1Gy（B）辐照剂量为辐照剂量为8.1Gy12C12C和和7Li7Li离子辐射致离子辐射致DNADNA断裂断裂碎片长度分布的比较碎片长度分布的比较020040060080010001200140016000.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20 Fraction of fragmentsFragment length (nm)020040060080010001200140016000.000.020.040.060

18、.080.100.120.140.160.180.20 Fracion of fragmentsFragment length (nm)8.1Gy的的12C离子离子8.2Gy的的7Li离子离子DNA双链断裂的统计模型分析借用Tsallis熵拟合实验数据11(2)( )1(1) qqp lql其中其中为拉格朗日乘子，为拉格朗日乘子，q q为实数。为实数。 由于由于DNADNA的双链断裂在空间上是有的双链断裂在空间上是有关联的，因此，用关联的，因此，用TsallisTsallis熵来研究这熵来研究这种带有关联的种带有关联的DNADNA双链断裂。利用双链断裂。利用TsallisTsallis熵宏观统

19、计理论推导出的熵宏观统计理论推导出的DNADNA双链断裂的分布函数如下：双链断裂的分布函数如下：Tsallis熵拟合0.00.20.40.60.81.00.000.050.100.150.20 FractionRelative length0.00.20.40.60.81.00.000.050.100.150.200.250.300.35 FractionRelative length8.2Gy的的7Li离子离子8.1Gy的的12C离子离子 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 在同一在同一LETLET值下，随着剂量的增加，值下，随着剂量的增加，DNADNA分子的分子的形态由形态由SCSC型逐渐向型逐渐向OCOC型或型或L L型变化，且碎片的长型变化，且碎片的长度逐渐缩短；度