[論文レビュー] Ion irradiation and biomolecular radiation damage II. Indirect effect

Wei Wang, Zengliang Yu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2010

DNA and Nucleic Acid Chemistry参考文献 116被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、イオン線照射による生体分子への間接的影響を調査し、主に水中に生成される放射線誘導反応性種（主にラジカル）がDNAやタンパク質を損傷するメカニズムに焦点を当てる。ラジカル生成のメカニズム、水溶液中ラジカルの化学、二次粒子の相互作用、およびその後の生物学的影響をレビューし、放射線誘導ゲノム損傷のおよそ2/3が、これらの二次反応性種を介した間接的要因によるものであることを強調している。

ABSTRACT

It has been reported that damage of genome in a living cell by ionizing radiation is about one-third direct and two-thirds indirect. The former which has been introduced in our last paper, concerns direct energy deposition and ionizing reactions in the biomolecules; the latter results from radiation induced reactive species (mainly radicals) in the medium (mainly water) surrounding the biomolecules. In this review, a short description of ion implantation induced radical formation in water is presented. Then we summarize the aqueous radical reaction chemistry of DNA, protein and their components, followed by a brief introduction of biomolecular damage induced by secondary particles (ions and electron). Some downstream biological effects are also discussed.

研究の動機と目的

• 放射線誘導ラジカルが生体分子損傷に果たす役割を分析すること、特にイオン線照射の文脈において。
• 水にイオン線を照射した後の水溶液ラジカル（例：•OH、e−aq）の生成と反応性を検討すること。
• これらのラジカルとDNA、タンパク質、およびそれらの成分との化学的相互作用を要約すること。
• 二次粒子（イオンおよび電子）が間接的生体分子損傷に与える寄与を評価すること。
• 間接的放射線損傷メカニズムに関連する、その後の生物学的影響について議論すること。

提案手法

• 特にヒドロキシルラジカル（•OH）および水和電子（e−aq）の生成を含む、イオンドーピング誘導ラジカル生成のレビュー。
• DNA塩基、スガーモイエティ、タンパク質機能性基とラジカルの反応経路の分析。
• 二次粒子（イオンおよび電子）が水溶液環境におけるラジカル生成量および空間的分布に与える影響の検討。
• 生物学的媒体におけるラジカルの拡散および反応速度論に関する実験的および理論的データの統合。
• 既存の放射線化学原則を用いて、細胞内環境における間接的損傷メカニズムをモデル化すること。
• ラジカルを介した反応から生じる、スレッドブレイクや塩基修飾などの生物学的含意の統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン線照射中に水中に生成される主な反応性種は何か。それらはどのように生成されるか。
• RQ2 これらのラジカルは、DNAおよびタンパク質成分とどのように相互作用し、分子損傷を引き起こすか。
• RQ3 線溶放射線による全体的な生体分子損傷において、間接的効果と直接イオン化の相対的寄与は何か。
• RQ4 二次粒子（イオンおよび電子）は、水溶液環境における反応性ラジカルの生成量および分布にどのように影響するか。
• RQ5 ラジカルを介した生体分子損傷に起因する、その後の生物学的結果は何か。

主な発見

• 生存細胞における放射線誘導ゲノム損傷のおよそ2/3は、周囲の媒体中に存在する反応性種を介した間接的要因によるものである。
• 水へのイオン線照射は、ヒドロキシルラジカル（•OH）および水和電子（e−aq）の高発生量を引き起こし、これが間接的損傷の主な媒介である。
• •OHなどのラジカルはDNA塩基およびスガーバックボーンと迅速に反応し、スレッドブレイク、塩基損傷、アバシックサイトを引き起こす。
• タンパク質もラジカル攻撃に対して感受性が高く、システインやメチオニンなどのアミノ酸残基の酸化が機能および構造を変化させる。
• 低エネルギー電子およびリコイルイオンを含む二次粒子は、ラジカル生成および局所的損傷クラスターに顕著な寄与を示す。
• 特に水和された生物学的系では、水溶液ラジカルの反応性および拡散性の高さから、間接経路が損傷メカニズムを支配する。