[논문 리뷰] Ion irradiation and biomolecular radiation damage II. Indirect effect

Wei Wang, Zengliang Yu외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 26.

DNA and Nucleic Acid Chemistry참고 문헌 116인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 이온 조사가 생분자에 미치는 간접적 영향을 조사하며, 주로 수소화물에서 생성된 방사선 유도 반응성 종—특히 라디칼—이 DNA와 단백질을 손상시키는 방식을 중심으로 다룬다. 라디칼 생성 메커니즘, 수용액 라디칼 화학, 2차 입자 상호작용, 그리고 후속 생물학적 영향을 검토하며, 방사선 유도 유전자 손상의 약 2/3가 이러한 2차 반응성 종을 통해 간접적으로 발생한다는 점을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이온 조사의 맥락에서 방사선 유도 라디칼의 생분자 손상 수행 기능을 분석하기 위해.
• 물에 대한 이온 조사 후 수용액 라디칼(예: •OH, e−aq)의 형성과 반응성에 대해 검토하기 위해.
• 이러한 라디칼과 DNA, 단백질 및 그 구성 성분 간의 화학적 상호작용을 요약하기 위해.
• 2차 입자(이온 및 전자)가 간접 생분자 손상에 기여하는 정도를 평가하기 위해.
• 간접 방사선 손상 메커니즘과 관련된 후속 생물학적 영향을 논의하기 위해.

제안 방법

• 특히 수산화물 라디칼(•OH)과 수화 전자(e−aq) 생성에 초점을 맞춘 이온 주입에 의한 수분 내 라디칼 형성에 대한 검토.
• DNA 염기, 당 구조 등에 대한 라디칼 반응 경로 분석.
• 수용액 환경에서 라디칼 수확 및 공간 분포에 영향을 미치는 2차 입자(이온 및 전자) 기여도 분석.
• 생물학적 매체 내 라디칼 확산 및 반응 동역학에 관한 실험 및 이론적 자료 통합.
• 세포 환경에서 간접 손상 메커니즘을 모델링하기 위해 기존 방사선 화학 원리를 활용하기 위해.
• 라디칼 매개 반응으로 인한 이四十분열 및 염기 변형과 같은 생물학적 함의 통합하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이온 조사 중 수분에서 주로 생성되는 반응성 종은 무엇이며, 어떻게 형성되는가?
• RQ2 이러한 라디칼이 DNA 및 단백질 구성 성분과 상호작용하여 분자 손상을 유도하는 방식은 무엇인가?
• RQ3 방사선성 조사에 의한 전체 생분자 손상에서 간접 효과와 직접 이온화의 상대 기여도는 어떻게 되는가?
• RQ4 2차 입자(이온 및 전자)는 수용액 환경에서 반응성 라디칼의 수확 및 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 라디칼 매개 생분자 손상의 후속 생물학적 결과는 무엇인가?

주요 결과

• 생세포 내 방사선 유도 유전자 손상의 약 2/3가 둘레 매질 내 반응성 종을 통해 간접적으로 발생한다.
• 물에 대한 이온 조사는 고수확의 수산화물 라디칼(•OH)과 수화 전자(e−aq)를 생성하며, 이들은 간접 손상의 주요 매개체이다.
• •OH와 같은 라디칼은 DNA 염기 및 당 배경에 빠르게 반응하여 이四十분열, 염기 병변, 아바시드 사이트를 유도한다.
• 단백질 역시 라디칼 공격에 취약하며, 시스테인, 메티오닌 등 아미노산 잔기의 산화로 기능과 구조가 변화한다.
• 저에너지 전자 및 반동 이온을 포함한 2차 입자는 라디칼 생성과 국소 손상 클러스터에 크게 기여한다.
• 특히 수분 생물학적 체계에서 높은 반응성과 확산 능력을 지닌 수용액 라디칼의 특성으로 인해 간접 경로가 손상 메커니즘의 주요 원인이 된다.