[论文解读] 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 8

一句话总结

本文研究了离子辐照对生物分子的间接效应，重点分析了辐射诱导的活性物种——主要是在水中形成的自由基——对DNA和蛋白质的损伤。文章综述了自由基形成的机理、水相自由基化学、次级粒子相互作用以及后续的生物后果，强调了约三分之二的辐射诱导基因组损伤是通过这些次级活性物种间接引起的。

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.

研究动机与目标

• 分析辐射诱导自由基在生物分子损伤中的作用，尤其关注离子辐照的背景。
• 研究离子辐照水后形成的水相自由基（如•OH、e−aq）的形成与反应活性。
• 总结这些自由基与DNA、蛋白质及其组分之间的化学相互作用。
• 评估次级粒子（离子和电子）对间接生物分子损伤的贡献。
• 讨论与间接辐射损伤机制相关的下游生物效应。

提出的方法

• 综述离子注入诱导水中自由基形成，特别是羟基自由基（•OH）和水合电子（e−aq）的产生。
• 分析自由基与DNA碱基、糖骨架及蛋白质功能基团的反应路径。
• 考察次级粒子（离子与电子）在水相环境中对自由基产率与空间分布的影响。
• 整合实验与理论数据，研究生物介质中自由基的扩散与反应动力学。
• 运用已确立的辐射化学原理，模拟细胞环境中间接损伤的机理。
• 结合生物学意义，包括自由基介导反应导致的链断裂与碱基修饰。

实验结果

研究问题

• RQ1 离子辐照过程中，水中生成的主要活性物种是什么？它们是如何形成的？
• RQ2 这些自由基如何与DNA和蛋白质组分相互作用，从而引发分子损伤？
• RQ3 在电离辐射引起的总体生物分子损伤中，间接效应与直接电离的相对贡献如何？
• RQ4 次级粒子（离子与电子）如何影响水相环境中活性自由基的产率与分布？
• RQ5 自由基介导的生物分子损伤会引发哪些下游生物后果？

主要发现

• 活细胞中辐射诱导的基因组损伤约有三分之二源于周围介质中活性物种介导的间接效应。
• 水的离子辐照产生高产率的羟基自由基（•OH）和水合电子（e−aq），它们是间接损伤的主要媒介。
• •OH等自由基与DNA碱基和糖骨架迅速反应，导致链断裂、碱基损伤及脱嘌呤位点。
• 蛋白质也易受自由基攻击，氨基酸残基（如半胱氨酸、甲硫氨酸）的氧化会改变其功能与结构。
• 次级粒子，包括低能电子与反冲离子，显著贡献于自由基的生成与局部损伤簇的形成。
• 由于水相自由基具有高反应活性与扩散能力，间接途径在水合生物系统中占主导地位。