放射生物学电离辐射对DNA的损伤

关于放射生物学电离辐射对DNA的损伤电离辐射对DNA的损伤近年来，随着分子生物学技术与理论的飞速发展、有关生物大分子的辐射效应研究亦不断深入。电离辐射所致生物大分子结构与功能的变化是整个机体、各种组织，细胞乃至亚细胞水平上的辐射生物效应的基础。它从微观角度反映了辐射敏感性的本质．为探讨和解决宏观领域中的实际问题提供了依据。可以认为，对生物大分子辐射效应的研究，将成为目前和今后一段时间内放射生物学领域的重点和前沿课题。第2页,共78页，2024年2月25日，星期天

细胞要成功地行使其职能，并且把它所包含的遗传信息正确无误地传递给子代，完全依赖于每一个脱氧核糖核酸分子(DNA)保持结构的完整。核苷酸序列的改变，组成DNA双螺旋结构的碱基或糖在结构上的变动，都会干扰细胞基因组的复制或转录。DNA的损伤是辐射生物效应的主要原因(包括细胞死亡，丧失再增殖能力，突变等)。电离辐射对DNA的损伤第3页,共78页，2024年2月25日，星期天因此，DNA损伤后的修复机制至关重要，修复过程会导致完全恢复原状或错误修复，后者将导致严重的实际后果，如致癌作用。DNA是染色体的主要构成要素，而染色体则是把遗传信息传递给子细胞的工具。染色体损伤或畸变是细胞群体受损的一种很好的指征，并有助于预测辐射效应。电离辐射对DNA的损伤第4页,共78页，2024年2月25日，星期天主要内容正常DNA分子结构辐射所致DNA损伤的类型DNA损伤的生物学意义DNA辐射损伤的修复第5页,共78页，2024年2月25日，星期天正常DNA分子结构DNA是一个由4种单位组成的双螺旋大分子：嘌呤碱基——

腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）嘧啶碱基——

胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）第6页,共78页，2024年2月25日，星期天正常DNA分子结构和碱基相连接的一个糖分子（脱氧核糖），和糖相连接的一个磷酸分子。核苷酸通过连接糖和磷酸分子的磷酸二酯键结合在一起。DNA是由碱基间的氢键相连的两条互补链相成。第7页,共78页，2024年2月25日，星期天正常DNA分子结构腺嘌呤与胸腺嘧啶配对（A：T碱基对），鸟嘌呤与胞嘧啶配对（G：C碱基对），使DNA的一条链具有另一条链的互补序列。第8页,共78页，2024年2月25日，星期天第9页,共78页，2024年2月25日，星期天第10页,共78页，2024年2月25日，星期天正常DNA分子结构DNA很像一架旋梯，两边柱子由两条链组成，而台阶是由氢键连接的碱基组成，两条链以双螺旋形式盘旋在一起。DNA复制期间两条链则解旋分离，每条链都可作为合成新的互补链的模板。第11页,共78页，2024年2月25日，星期天辐射所致DNA损伤的类型DNA链断裂（单链、双链）DNA碱基损伤DNA交联第12页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA链断裂单链断裂（singlestrandbreak，SSB):在磷酸酯和脱氧核糖体之间的磷酸双酯键水平上发生，或者更经常是在碱基和脱氧核糖体之间的键水平上发生。第13页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA链断裂

双链断裂（doublestrandbreak，DSB)：包括DNA两条链相隔少于3个核苷酸的部位的断裂。可以由单个粒子产生（传递能量约为300eV的电离辐射），或者由于两个粒子在第一个断裂有时间修复以前通过同一区域，从而在互补链中产生两个单链断裂组合而成。假如断裂发生在同一个碱基对上则为同源性断裂，反之是异源性断裂，后者往往更频繁的发生。第14页,共78页，2024年2月25日，星期天第15页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA双链中一条链断裂者称为单链断裂，(SingleStrandBreak,SSB)第16页,共78页，2024年2月25日，星期天损伤识别两条链在同一处或相邻处断裂者称为双链断裂，(DoubleStrandBreakBSB)第17页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA链断裂DNA断裂主要与羟自由基（HO·）的作用有关。水在辐射分解后产生三种主要的自由基，即水合电子(G＝2.7)，羟自由基(G＝2.7)和氢自由基(G＝0.55)。水合电子加合至碱基上，不能引起糖基上的磷酸二酯链断裂。氢自由基主要加至碱基上，只有一小部分能从糖基上抽氢。羟自由基也主要(约80％)加至碱基的双键上，但由于它的高反应性，能从糖基上抽去约20％的氢。第18页,共78页，2024年2月25日，星期天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19页,共78页，2024年2月25日，星期天1.单链断裂与双链断裂的比值如以DNA链断裂的G值表示，γ噬菌体DNA在干燥状态下照射时，SSB的G值为0.7~1.1，而DSB的G值为0.06~0.16。大鼠整体照射后分离肝细胞染色质，测得SSB的G值为1.5~2.0，DSB的G值为0.10。有氧条件照射和无氧条件下照射相比，氧增强比约在2~5之间。第20页,共78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＞紫外线中子引起的DSB多于γ射线，而引起的SSB少于γ射线。SSB与DSB的比值与LET高低有关。随着LET的升高，SSB减少，DSB增多。第21页,共78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。第22页,共78页，2024年2月25日，星期天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＜20Gy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23页,共78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24页,共78页，2024年2月25日，星期天碱基的损伤在充氧情况下的照射，碱基的损伤主要是由于羟自由基(·OH)所致。放射敏感性：胸腺嘧啶＞胞嘧啶＞腺嘌呤＞鸟嘌呤第25页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA交联（cross-linking）DNA交联分为三种形式：a.DNA链间交联（一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合）b.DNA链内交联（同一链上的两个碱基相互以共价键结合）c.DNA--蛋白质交联（DNA与蛋白质以共价键结合）（DNAproteincross-linking，DPC）第26页,共78页，2024年2月25日，星期天DPC形成的分子机制羟自由基（·OH）是导致DPC形成的最有效的自由基，而水合电子和超氧化阴离子在DPC的形成中似乎无作用。如果受照细胞的悬液中存在着羟自由基清除剂二甲基亚砜，则DPC生成量明显减少。相反，如果将细胞置于含有N2O的气体中照射，因N2O能使水合电子转变为额外羟自由基，DPC产额大为提高。第27页,共78页，2024年2月25日，星期天氧效应对DPC形成的影响氧效应对DPC形成有一定的影响。有氧条件下进行紫外线照射→交联量增加有氧条件下进行χ线照射→交联量减少；反之去除游离氧之后产生的交联反应增强。第28页,共78页，2024年2月25日，星期天温度对DPC形成的影响增温能增加肿瘤细胞DPC的形成而用于放射治疗的增敏。将中国仓鼠卵巢细胞置于45.5℃保温17min，然后用x射线照射，可观察到与DNA交联的非组蛋白增加两倍。如用增温处理HeLa细胞，DPC生成量随温度和保温时间直线上升。45℃保温30min，可使DPC增加1.57倍。但也有报告指出，增温处理并不增加x射线引起的DPC，而是使DPC共价键的链型发生改变，处理后出现新的P-N键。第29页,共78页，2024年2月25日，星期天

2.DNA-DNA链间的交联在DNA的化学损伤中，DNA-DNA链间交联是最重要的一类。在放射生物学中研究DNA-DNA链间的交联的报道较少。DNA链间交联与DNA链断裂相互竞争。在干燥及含25%水的DNA中链间交联占优势；随着水分子的增加DNA链断裂生成率上升，而链间交联下降。第30页,共78页，2024年2月25日，星期天3.DNA链内交联----嘧啶二聚体的形成二聚体的形成是指在辐射作用下，一个单链的2个相邻的碱基以共价键相连，两者之间形成一个环丁烷环。二聚体的形成具有重要意义，因为它们在那一点上阻断了DNA的复制。胸腺嘧啶二聚体（T-T）的形成最频繁而且又非常稳定，在受紫外线照射部位（脸、颈和手）引起皮肤癌的过程中，似乎起着重要作用。二聚体形成是紫外线照射引起DNA的特征性改变。电离辐射引起二聚体形成很少。第31页,共78页，2024年2月25日，星期天3.DNA链内交联----嘧啶二聚体的形成第32页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA损伤的生物学意义众所周知，DNA是细胞生长、发育、繁殖和遗传的重要物质基础．它蕴藏着丰富的遗传信息，通过转录和翻译，指导着蛋白质和酶的生物合成，主宰着细胞的各种生理功能。第33页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA损伤的生物学意义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，引起基因的点突变。

第34页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA损伤的生物学意义转换：一个嘌呤被另一个嘌呤所取代或一个嘧啶被另一个嘧啶所取代颠换：一个嘌呤被另一个嘧啶所取代或一个嘧啶被另一个嘌呤所取代碱基缺失、移码突变、碱基插入这样经转录和翻译后就会形成功能异常的蛋白质和酶，引起细胞突变或癌变。

第35页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA损伤的生物学意义总之，DNA结构的辐射损伤在细胞的致突，致癌机制中起着重要作用，与细胞死亡反老化等过程亦有密切关系。另外，细胞为了维护其生命和正常的机能活动，通过多种途径对各种类型的DNA损伤进行修复，决定细胞命运的不仅是损伤严重程度，其修复能力与修复机制亦十分重要。第36页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA损伤的生物学意义无错修复有利于细胞恢复其正常机能．而易错修复将导致基因突变。DNA损伤和修复的规律在肿瘤治疗方面具有重要的应用价值。例如、有选择地加重肿瘤细胞的DNA损伤，抑制其修复，以增强其放疗、化疗和热疗的效果。第37页,共78页，2024年2月25日，星期天电离辐射可造成DNA结构和功能损伤。由此而引起的一系列生物学后果不仅取决于DNA的损伤程度，而且还决定于其修复能力。许多研究工作均证实了DNA辐射损伤后修复过程的存在。早在1935年，Hollaender通过观察大肠杆菌在紫外线照射后的存活情况，首次提出了修复的概念。DNA辐射损伤的修复第38页,共78页，2024年2月25日，星期天根据早期的研究工作，修复现象大体上可分为两种情况。第一，将预定的照射剂量分次给予，生物效应则明显减轻。如用x射线分次照射中国仓鼠卵巢细胞，在4.87Gy照射后37℃保温10h，再照5.05Gy，所得存活率明显高于9.92Gy单次照射。表明在两次照射间隔中细胞有所恢复。这种修复称作亚致死损伤修复。DNA辐射损伤的修复第39页,共78页，2024年2月25日，星期天第二，在照射后改变细胞所处的状态和环境．如延迟接种或给予不良的营养和环境条件，均能提高存活率。例如，大肠杆菌B/r在x射线照射后维持在18℃，小鼠淋巴白血病细胞L5178Y在x射线照射后以34°C处理，然后再以正常需要的温度培养，其存活率都比照后直接正常培养的明显提高。这种修复称作潜在致死性损伤修复。DNA辐射损伤的修复第40页,共78页，2024年2月25日，星期天1964年Setlow和Carrier首次从分子水平揭示DNA的辐射损伤修复。除了辐射损伤以外，许多物理和化学因子都能造成DNA损伤，并引起修复，即使在没有外来损伤的条件下，生物体内对自发损伤或复制错误也不断地进行修复。DNA辐射损伤的修复第41页,共78页，2024年2月25日，星期天然而，在生物界所发现的能够在损伤后进行修复的生物分子为数很少。除了氨基酰tRNA及细菌的肽聚糖外，能进行修复的生物大分子只有DNA。无疑．这与DNA在生命过程中的重要功能是分不开的。研究DNA修复将有助于深刻地理解生物在保存和传递遗传信息中维持稳定性的机制，了解突变与进化的分子过程。DNA辐射损伤的修复第42页,共78页，2024年2月25日，星期天在放射生物学领域，对DNA修复的研究是一个重要的基础问题，理论上的阐明将有助于放射医学家和放射生物学家改进辐射损伤的防治，提高肿瘤的放疗效果，并且在探讨辐射致突与致癌机制方面有重要意义。DNA辐射损伤的修复第43页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA损伤修复的不同类型DNA单链断裂的修复DNA双链断裂的修复碱基损伤的修复DNA修复合成第44页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA的损伤修复机制一种类型的DNA损伤可涉及多种修复途径，一种修复途径也可用于处理多种类型的DNA损伤。在研究损伤修复机制时，多采用紫外线损伤模型，主要是由于紫外线造成的损伤类型比较单一，容易分析。电离辐射损伤的修复在许多方面与之相似，但也有不同之处，应注意分辨。第45页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA的损伤修复机制回复修复切除修复excisionrepair重组修复RecombinationrepairSOS修复错配修复Mismatchrepair第46页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA单链断裂的修复绝大多数正常细胞都能修复单链断裂。例：用γ射线照射中国仓鼠卵巢细胞，保温不同时间后测DNA单链断裂修复的程度。第47页,共78页，2024年2月25日，星期天第48页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA单链断裂的修复多数实验结果证明，DNA修复与时间呈指数关系，修复速度依赖于温度。半修复期大致为10~40min，因细胞类型和温度而异。一般1h内DNA重接可达90%左右。第49页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA双链断裂的修复资料证明，哺乳动物细胞大多数都能进行此种修复，但需要适宜的代谢条件和时间。有人报道中国仓鼠卵巢细胞和小鼠骨髓细胞受γ射线照射后的双链断裂修复。用中性洗脱法显示，在γ射线100Gy照射后，保温30min，膜上DNA残存量均增加20%左右，说明双链断裂得到了部分修复。第50页,共78页，2024年2月25日，星期天细胞受γ射线照射后保温30min膜上DNA残留率（%）不照射100Gy100Gy后保温30minCHO细胞93.59±0.9753.52±2.4875.28±1.73小鼠骨髓细胞91.77±2.9747.38±2.6864.01±2.20第51页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA双链断裂的修复在研究双链断裂修复与细胞存活及染色体畸变的关系时，经过计算和推导，Chadwick等人得出结论：延迟接种能提高细胞存活率是与DNA双链断裂的修复有关。也就是说，双链断裂的修复与潜在致死损伤的修复有直接的联系。而在重接时如果发生倒易重组，则导致染色体重排。细胞的突变频率也随之增加。由此可见，照射后细胞中DNA双链断裂的修复是一个关系到细胞最终转归的极为重要的过程。第52页,共78页，2024年2月25日，星期天

碱基损伤的修复碱基的修复主要是紫外线引起的二聚体改变，受照射后经过保温，可以使二聚体减少，但损伤碱基只是部分修复。第53页,共78页，2024年2月25日，星期天

DNA修复合成细胞受紫外线、电离辐射和某些化学因子作用后，经过一段时间保温，可以观察到一种DNA合成。这种合成不同于细胞增殖过程中的DNA复制，它的合成量相当低，合成起始于损伤后即刻，随时间延长而增加，但与细胞周期没有关系，经研究分析，确定这是一种修复合成，称之为DNA期外合成或程序外DNA合成。第54页,共78页，2024年2月25日，星期天回复修复

定义：回复修复是细胞对DNA的某些损伤修复的一种简单方式，在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成。其机制包括酶学光复活修复、单链断裂的重接和嘌呤的直接插入。第55页,共78页，2024年2月25日，星期天回复修复酶学光复活修复是修复DNA链上的嘧啶二聚体的一种最直接方式，也是最早发现的DNA修复方式。在上世纪40年代末就已报道，50年代末发现此过程是一个酶学催化过程，因为需要光的作用而得名为酶学光复活。催化此反应的酶称为光复活酶（photoreactivatingenzyme）或DNA光解酶。第56页,共78页，2024年2月25日，星期天第57页,共78页，2024年2月25日，星期天回复修复该酶的作用过程分为三个步骤：①酶与DNA中的二聚体部位相结合；②吸收波长为260~380nm的近紫外光将酶激活，使二聚体解聚；③酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构。酶学光复活修复主要是低等生物修复紫外线损伤的一种方式。对于高等生物细胞及人的组织细胞不是主要途径。第58页,共78页，2024年2月25日，星期天回复修复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DNA连接酶（ligase）参加。也属于直接回复。此酶在各类生物的各种细胞中普遍存在，修复反应容易进行。DNA链上的嘌呤碱基受到辐射损伤时，修复此类损伤需要特异性酶，即DNA嘌呤插入酶（insertase）。第59页,共78页，2024年2月25日，星期天回复修复上述几种直接回复是修复最直接的方式，对细胞非常有利。因为修复所需要的酶比较单一，而且只有一步反应，修复特异性高，较少发生错误。但实际上，这种修复的例子比较局限。第60页,共78页，2024年2月25日，星期天切除修复切除修复：将损伤区域切除，然后用正确配对的完好的碱基来替代，是最普遍的方式。基本步骤：识别→切除→修补→再连接。三个特点:准确、无误、正确修复。第61页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶IDNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶第62页,共78页，2024年2月25日，星期天切除修复识别：细胞内存在一系列能识别受损伤碱基的酶和蛋白质，有的只有识别能力，有的同时具有识别能力和切除能力。切除：碱基切除和核苷酸切除。前者只切除异常的碱基，后者被切除的不是单个的游离碱基，而是一段寡核苷酸，是细胞内最为普遍的修复方式。第63页,共78页，2024年2月25日，星期天切除修复修补：DNA链中的损伤区域经上述酶和蛋白切除后，留下一个或一大段空缺，需要DNA聚合酶来修补。连接：修补过程可以将空隙中的核苷酸全部补齐。完成最后一个磷酸二酯键的连接需要依靠DNA连接酶。第64页,共78页，2024年2月25日，星期天重组修复当DNA双链发生严重损伤时需要另一种机理完成正确的修复。一种情况是两条链同时受到损伤；另一种是单链损伤尚未修复发生了复制，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。DNA复制－重组－再合成第65页,共78页，2024年2月25日，星期天二聚体第66页,共78页，2024年2月25日，星期天recA蛋白缺口第67页,共78页，2024年2月25日，星期天杂合双链杂合双链第68页,共78页，2024年2月25日，星期天切割第69页,共78页，2024年2月25日，星期天重组修复遗传信息有缺损的子代DNA分子通过遗传重组的方式加以弥补，即从同源DNA的母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后用再合成的序列来补上母链的空缺。第70页,共78页，2024年2月25日，星期天DNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及