电离辐射的分子生物学效应

关于电离辐射的分子生物学效应第一节DNA的电离辐射效应第2页,共66页，2024年2月25日，星期天

辐射所致DNA损伤的类型：DNA链断裂、DNA碱基损伤、DNA交联一、DNA链断裂单链断裂（singlestrandbreak，SSB)双链断裂（doublestrandbreak，DSB).第3页,共66页，2024年2月25日，星期天

一、DNA损伤的种类DNA链断裂—单链断裂（SSB）双链断裂（DSB）DNA交联—DNA链交联DNA-蛋白质交联DNA二级和三级结构的变化

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则被认为是细胞杀伤效应的最重要的损伤。第4页,共66页，2024年2月25日，星期天DNA链断裂（DNAstrandbreak)单链断裂（singlestrandbreak，SSB)：DNA双螺旋结构中一条链断裂双链断裂（doublestrandbreak，DSB)：DNA双螺旋结构中两条互补链于同一对应处或相邻处同时断裂第5页,共66页，2024年2月25日，星期天单链断裂双链断裂第6页,共66页，2024年2月25日，星期天

1.DNA链断裂的分子机制（1）脱氧戊糖和磷酸二酯键的破坏（直接）三种自由基：eaq-，.OH，H.DNA链断裂主要与.OH作用有关，从脱氧戊糖抽氢，形成了5中不同的反应产物。第7页,共66页，2024年2月25日，星期天

.OH从脱氧戊糖中抽氢，主要作用于C(3’，5’），C（3’)上磷酸二酯键断裂多余C（5’）端。

.OH攻击糖基C(1’、2’、4’)形成碱不稳定性位点（alkalilabilesites,ALS），这些位点在碱处理后发生链断裂。第8页,共66页，2024年2月25日，星期天

碱不稳定性位点（ALS）.OH对C（1’），C（2’），C（3’），C（4’）攻击后的产物，在与六氢吡啶供热后都能导致DNA链的断裂。所以，在DNA链上含有损失后经碱处理后导致DNA链断裂的位点，这些位点称为碱不稳定性位点（ALS）第9页,共66页，2024年2月25日，星期天

（2）碱基损伤(basedamage)1、充氧溶液中碱基损伤嘧啶碱：羟自由基攻击5、6位腺嘌呤：羟自由基攻击8位鸟嘌呤：羟自由基攻击4、5、8位2、细胞中碱基损伤进展不大，用电子自旋共振仪第10页,共66页，2024年2月25日，星期天酶敏感位点(enzymesensitivesites，ESS）：碱基损伤可引起DNA双螺旋的局部变性，特异的核酸内切酶能识别和切除这种损伤，并通过酶的作用，产生链断裂。这种特异性酶敏感位点称为ESS。无嘌呤或无嘧啶位点（apurinic/apyrimidinicsites，APS）：DNA链上损伤的碱基可被特异的DNA－糖基化酶除去或由于N－糖基键的化学水解而丢失，形成APS。形成APS在内切酶的作用下形成链断裂。第11页,共66页，2024年2月25日，星期天

2.DNA链断裂的主要特点1)单链断裂与双链断裂的比值DSB约为SSB的1/10~1/20SSB由一个自由基攻击引起。DSB必须由两个以上自由基引起。一定能量的射线所产生的SSB和DSB有一个大致的比值，但比值不是恒定的。第12页,共66页，2024年2月25日，星期天

2）LET对链断裂的影响各种射线对链断裂效应的顺序：中子＞γ射线、χ＞紫外线SSB与DSB的比值与LET的高低有关。随着LET的升高，SSB减少，DSB增多。第13页,共66页，2024年2月25日，星期天

3）氧效应对链断裂的影响氧效应可增加链断裂的程度：主要原因是氧效应可增加羟自由基的产生。4）DNA链发生的部位剂量不同，DNA碱基发生断裂的概率亦不同。当剂量＜10Gy照射时，碱基断裂顺序G＞A＞T≥C。当剂量＞40~80Gy照射时，碱基断裂顺序T＞G＞A≥C。第14页,共66页，2024年2月25日，星期天

5）DNA链断裂与细胞辐射敏感性DNA的断裂程度与辐射敏感性有关。不同哺乳动物细胞对辐射的敏感性有很大差异，平均致死剂量（D0）亦不同。第15页,共66页，2024年2月25日，星期天

DNA自然断裂的发生通常情况下DNA断裂的本底水平可达总DNA的百分之几。一般方法难以测量，常引入凝胶模块的方法来解决。第16页,共66页，2024年2月25日，星期天

DNA交联（DNAcross-linking)交联种类1、链间交联：DNA双螺旋结构中，一条链上的碱基与其互补链上的碱基以共价键结合。2、链内交联：DNA分子同一条链上的两个碱基相互以共价键结合3、DNA－蛋白质交联（DNA-proteincross- linking，DPC）：DNA与蛋白质以共价键结合第17页,共66页，2024年2月25日，星期天

1.DNA-Proteincross-linking（DPC)1．DPC存在的证据

小牛胸腺脱氧核糖核蛋白(DNP)在UV或γ射线照射后，其中DNA的不能被提取的部分随着照射剂量的增加而增多，但如果用胰蛋白酶处理，则观察到这部分DNA。这是因为UV和γ射线照射导致了DNA与核蛋白的交联，影响了DNP中DNA的提出，胰蛋白酶能够裂解DNA与蛋白质之间的共价键，消化DNP中的蛋白质部分．所以全部DNA都能被提取出来。第18页,共66页，2024年2月25日，星期天

2、DPC形成的分子机制羟自由基有关（•OH)DNA与蛋白质之间形成共价键的分子机制1）辐射后蛋白质中的含硫氨基酸形成了自由基。

2）蛋白质中的芳香族氨基酸形成酚型或酚氧型自由基，这类自由基在DPC中起着主要作用。第19页,共66页，2024年2月25日，星期天

3、影响DPC形成的因素氧效应：如：紫外线＋O2→DPC↑γ射线＋O2→DPC↓温度：孵育（45℃±）＋照射→DPC↑特别是肿瘤细胞，已用于临床染色质的状态：染色质结构愈紧，愈容易交联。细胞的不同周期，DPC不同。S期交联最多，G1,G2期很少第20页,共66页，2024年2月25日，星期天

4、体内DPC形成时DNA和蛋白质的选择性DNA的选择性：具有转录活性的DNA。此处易发生SSB,单修复也快。蛋白质的选择性>：组蛋白、非组蛋白、调节蛋白、拓扑异构酶以及与复制转录有关的核基质蛋白。组蛋白中H3>H4>H2A>H2B第21页,共66页，2024年2月25日，星期天

2.DNA-DNA链间交联在放射生物学中研究DNA-DNA链间的交联的报道较少。在干燥及含25%水的DNA中链间断裂占优势；随着水分子的增加DNA链断裂生成率上升，而链间断裂下降。DAN链间交联多见于化学损伤，如氮芥、硫芥等；放射损伤时较少见到。放射损伤时，DNA链间交联与链断裂相互竞争。第22页,共66页，2024年2月25日，星期天

3.DNA链内交联多见于紫外线照射，电离辐射较少二聚体形成是紫外线照射后胸腺嘧啶自由基加合而成；是紫外线照射引起DNA的特征性改变。在DNA接近其最大吸收波长260nm相邻的嘧啶碱基共价交联形成环丁烷四元环－嘧啶二聚体此反应是可逆的。分布是非随机性的，相邻的两个T、或两个C、或C与T间都连成二聚体，其中最容易形成的是TT二聚体第23页,共66页，2024年2月25日，星期天

DNA二级和三级结构的变化DNA变性：DNA双螺旋结构解开，氢键断裂，克原子磷消光系数显著升高，出现了增色效应，比旋光性和粘度降低，浮力密度升高，酸碱滴定曲线改变，同时失去生物活性。第24页,共66页，2024年2月25日，星期天1.增色效应和Tm值Tm：将DNA克原子磷消光系数ε（P）值达到最高值1/2时的温度称之为熔解温度（Tm)增色效应：随DNA变性程度的增加，其克原子磷消光系数值增大，这种现象称增色效应。r射线照射后的特点：1、Tm值↓2、增色效应有限，与链间交联有关第25页,共66页，2024年2月25日，星期天

2.旋光色散（opticalrotatorydispersion,ORD)和圆二色性：DNA的ORD光谱在228和229nm波段有高峰，在257nm有低谷。照射后，228和257nm发生与剂量呈线性的变化粘度：随剂量的增加，粘度降低。3.粘度DNA溶液粘度的改变可反映出DNA结构的改变。第26页,共66页，2024年2月25日，星期天

二、DNA损伤的修复亚致死损伤修复（sublethaldamagerepair,SLDR）：将预定的照射剂量分次给予，生物效应明显减轻，表明在两次照射间隔中细胞有所修复，这种修复称作SLDR。潜在致死性损伤修复（potentiallylethaldamagerepair,PLDR)：照射后改变细胞所处的状态和环境，如延长接种或给予不良的营养和环境条件，均能提高存活率。第27页,共66页，2024年2月25日，星期天

不同类型DNA损伤的修复1、DNA单链断裂的修复绝大多数正常细胞都能修复单链断裂DNA修复与时间呈指数关系，修复速率依赖于温度与SLDR有关第28页,共66页，2024年2月25日，星期天

2、DNA双链断裂的修复断裂后即刻，细胞内酶修复系统启动。修复速率的快慢与水平的高低直接决定损伤的残留以及细胞的转归。（部分修复：早期修复快，随后修复的慢）与PLDR有关第29页,共66页，2024年2月25日，星期天

3、碱基损伤的修复种类多，分析较困难

以嘧啶二聚体为模型，能修复但只能部分修复。第30页,共66页，2024年2月25日，星期天

4、DNA修复合成DNA期外合成或程序外DNA合成（unscheduledDNAsynthesis,UDS）：DNA合成适于损伤后即刻，随时间延长而增加，但与细胞周期没有关系，是一种修复合成。第31页,共66页，2024年2月25日，星期天

DNA的损伤修复机制1、回复修复细胞对DNA的某些损伤可以用很简单的方式加以修复在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成。这种修复方式叫回复。第32页,共66页，2024年2月25日，星期天

1）酶学光复活光复活酶或DNA光解酶它的作用分成三个步骤：①酶与DNA中的二聚体部位相结合；②吸收波长为260～380nm的近紫外光，酶被激活，使二聚体解聚；③酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构。第33页,共66页，2024年2月25日，星期天

2）DNA单链断裂重接DNA单链断裂中有一部分是通过简单的重接而修复的，只需要一种酶——DNA连接酶(ligase)参加，因此也属于直接回复。DNA连接酶能催化DNA双螺旋结构中一条链缺口处的5’磷酸根与相邻的一个3’羟基形成磷酸二酯健。连接所需的能量ATP(如动物细胞)。第34页,共66页，2024年2月25日，星期天

3）嘌呤的直接插入嘌呤插入酶受损嘌呤→APS→插入嘌呤（糖苷键）K+糖基化酶嘌呤插入酶第35页,共66页，2024年2月25日，星期天

2、切除修复将损伤的部位（或连同其附近的一定部位）切除，然后用正确配对的、完好的碱基替代修复。有多种酶和基因参与过程：识别（损伤位点→切除→修复（补） 连接DNA连接酶酶和蛋白质DNA聚合酶两个特点:准确、正确修复。第36页,共66页，2024年2月25日，星期天

1)碱基切除：特点是切除受损伤的碱基。主要过程是水解受损伤的碱基与脱氧核糖磷酸链之间的N—糖苷键。反应由一类糖基化酶催化。也即：糖基化酶→APS→内、外切酶去除残基。整个修复过程可分以下几步。第37页,共66页，2024年2月25日，星期天

2）核甘酸切成（一段寡核苷酸）首先由一个酶系统识别损伤；然后在损伤两侧各水解一个磷酸二酯键；释放出一段寡核苷酸；填补缺损区连接酶重新完成连接。第38页,共66页，2024年2月25日，星期天

3、多聚ADP-核糖的作用ADP－核糖基多聚物的形成与存在是提高连接酶活性的重要因素，在DNA损伤修复过程中起着重要作用。第39页,共66页，2024年2月25日，星期天

4、损伤的“耐受”DNA分子的损伤有时不能立即修复。特别是在复制已经开始，而损伤又在复制叉附近时，细胞会通过另一些机制，使复制能进行下去，待复制完成后，再通过某种机制修复残留的损伤。复制时损伤并未消除，故称“耐受”。包括重组修复（复制后修复）、SOS修复第40页,共66页，2024年2月25日，星期天

1）、重组修复当DNA双链发生严重损伤时需要另一种机理来完成正确的修复。一种情况是两条链同时受到损伤；另一种情况是单链损伤尚未修复时发生了复制，造成对应于损伤位置的新链缺乏正确模板；此时需要重组酶系将另一段未受损伤的双链DNA移到损伤位置附近，提供正确的模板，进行重组。这便是重组修复。第41页,共66页，2024年2月25日，星期天

2）SOS修复细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制，产生一种调控信号，解除对许多基因的抑制，这些基因的产物参与修复过程。SOS修复过程是在损伤信号诱导下发生的，又称可诱导的DNA修复。修复过程容易发生错误，故又称易错修复。第42页,共66页，2024年2月25日，星期天

4、错配修复错配修复是生物维持生命、保持物种稳定的—种重要功能。从细菌、酵母直至哺乳动物都普遍具有此修复机理。在修复、重组的过程中或外界损伤因子的作用下都有可能发生错配。在修复过程中首先要识别错配碱基对。然后需要分辨错配的哪一侧属于母链，哪一侧属于新合成的错误链。最后修复。错配纠正过程是很复杂的，至少需要10种活性因子参加。第43页,共66页，2024年2月25日，星期天基因组修复的不均一性

特点1）转录活性DNA修复优于静止的基因2）转录链优于非转录链－修复与转录偶联第44页,共66页，2024年2月25日，星期天

1、重复序列中的DNA修复灵长类细胞基因组中存在一种高度重复顺序，在非洲绿猴细胞中此顺序占总DNA的15％一20％，碱基组成与总DNA相近，长度为172bP，没有转录功能。第45页,共66页，2024年2月25日，星期天

2、活性基因中的修复活性基因片段中二聚体的清除非常活跃，如紫外线照射(20J2/M2)后8小时，已清除47%左右。3、活性基因中转录链的修复转录链优先修复，其机制以转录修复偶联因子的作用解释。第46页,共66页，2024年2月25日，星期天DNA修复基因1、原核细胞的修复基因占基因组总量1％。2、酵母有三组RAD基因（radiationsensitive的前三个字母）3、人类基因：1）XRCC（X-rayrepair crosscomplementing）基因；2）ERCC第47页,共66页，2024年2月25日，星期天

三、DNA损伤与修复的生物学意义DNA结构的完整与稳定在生物学上有着特别重要的意义。在射线作用下，DNA碱基的损伤或脱落改变了密码，引起基因的突变。导致细胞的突变或转化。双链DNASSB能迅速修复，DSB经原位重接很少，重组修复则易发生染色体畸变。DNA交联会影响核小体及更高层次的染色质结构，影响复制。活性染色质的破坏影响基因的表达和调控。第48页,共66页，2024年2月25日，星期天

与DNA损伤修复有密切关系的另一个因素是真核细胞的染色质结构。而染色质包括：DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA。

1.染色质2.核小体常染色质:

异染色质:活性染色质 非活性染色质(χ染色体)第49页,共66页，2024年2月25日，星期天

四、染色质损伤对DNA辐射效应的影响一、染色质的辐射敏感性染色质（chromatin)：真核细胞间期的核中DNA、组蛋白、非组蛋白以及少量RNA所组成的复合体。染色体（chromosome）：有丝分裂期，染色质的细纤丝高度压缩，浓集成为光学显微镜下能看到的深染的结构。染色质和染色体是细胞周期中不同的时期的两种不同形态，化学本质是相同的。第50页,共66页，2024年2月25日，星期天

1、染色质的结构与分类染色质是由核小体的重复亚单位连接而成串珠状结构。核小体由直径为10nm×5.5nm的组蛋白核心和盘绕于此核心之外的DNA构成组蛋白H2A，H2B，H3，H4各两分子组成八聚体蛋白，外绕DNA长约200个碱基对140个碱基对形成超螺旋结构，60个为连接区。H1在连接区连接两个核小体，起稳定作用第51页,共66页，2024年2月25日，星期天

常染色质与异染色质（eu-chromatin&hetero-chromatin）常染色质纤丝折叠疏松，在细胞分裂间期着色微弱，其中含有单一和重复顺序的DNA，能进行转录。异染色质纤丝折叠紧密、在细胞分裂间期着色深，也含有重复和非重复顺序的DNA，但都不能转录。随体DNA(SatelliteDNA）往往含有高度重复序列，聚集于异染色质区，靠近着丝点。第52页,共66页，2024年2月25日，星期天

常染色质和异染色质在化学性质上没有什么差别，而可能是由于DNA核苷酸顺序和折叠不同，导致染色质以两种不同状态存在。活性染色质(activechromatin)：具有转录活性的染色质非活性染色质(inactivechromatin)：不具有转录活性的染色质第53页,共66页，2024年2月25日，星期天2、核小体连接区的辐射效应1、是合成RNA引物的起始部位，前者是DNA复制的起始步骤2、连接区DNA是组蛋白H1的结合部位，组蛋白H1的磷酸化与细胞分裂启动有关。此区受辐射作用使H1的磷酸化受抑制，影响细胞分裂。3、连接区DNA易受DNase的攻击。受照后更易。4、DNA修复合成从连接区开始故连接区受到辐射后，意义更大！第54页,共66页，2024年2月25日，星期天3、染色质紧密程度对辐射敏感性的影响4、活性染色质与非活性染色质的辐射敏感性第55页,共66页，2024年2月25日，星期天二、染色质的辐射降解1.机制2.组织的辐射敏感性与复赛中降解程度3.蛋白酶在染色质降解中的作用4.核酸酶在染色质自身消化中的作用三、染色质蛋白的辐射效应1.组蛋白的辐射效应2.非组蛋白的辐射效应第56页,共66页，2024年2月25日，星期天

第五节细胞通信和细胞信号转导的电离辐射效应第五第57页,共66页，2024年2月25日，星期天

蛋白质和酶的辐射生物效应一、辐射对蛋白质和酶的结构和功能的影响1、蛋白质的一级结构（primarystucture)肽键第58页,共66页，2024年2月25日，星期天1、多肽链的氨基酸残基的排列顺序2、基因上遗传密码的排列顺序决定的3、通过肽键连接即：每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序即一级结构，由这种氨基酸排列顺序决定它的特定的空间结构，也就是蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级三级等高级结构，这就是荣获诺贝尔奖的著名的Anfinse