收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

电磁辐射中低能电子诱导DNA直接损伤的理论研究

张黎明  
【摘要】:电磁辐射生物效应多年来一直是一个受到关注的研究课题,在生物学多个研究领域和空间科学研究中均被涉及。其中,辐射诱导DNA (Deoxyribonucleic acid)损伤是辐射生物效应机理研究的核心问题,DNA的损伤可能导致细胞死亡、基因突变以及严重的生物学后果。因此,研究DNA损伤对解释辐射生物效应机理以及相关的应用具有十分重要的科学意义。 几乎所有类型的电离辐射在生物组织中都会产生大量的低能二次电子,这些电子进一步与生物分子相互作用使之电离或激发,因而各种电离辐射与生物材料的相互作用都必然涉及或转化为低能电子与生物材料的相互作用。Monte Carlo模拟是辐射诱导DNA损伤研究的一个重要理论方法,亦称径迹结构理论方法。应用这一方法,目前国际上关于辐射诱导DNA损伤的研究主要集中在辐射的直接和间接作用引起单链断裂、双链断裂及其相应的簇损伤上。这些研究对DNA碱基损伤的确定采用了经验的判定方法,而不能分辨碱基损伤发生在哪一种碱基或碱基对上。然而,DNA的复杂性就在于组成它的碱基对A-T和G-C的不同以及它们不同的相对含量和不同的排序,这种复杂性决定了DNA的遗传特性,详尽的碱基损伤谱对于DNA损伤的研究具有更深刻的理论意义。此外,迄今关于DNA损伤的径迹结构理论方法基本上都是将辐射在水中产生的直接能量沉积代替辐射在DNA中产生的直接能量沉积,这种近似忽略了低能电子与水和低能电子与DNA碱基相互作用时它们的散射截面之间存在的差异,而最新的理论研究表明了这种差异是明显的。尤其,近年来关于辐射诱导DNA损伤的实验研究揭示了能量低于几电子伏特的亚电离电子可以通过离解电子俘获(dissociative electron attachment, DEA)机制诱导DNA的碱基释出和链断裂,这一机制突破了亚电离电子不能引起DNA链断裂的传统观点,是在传统的辐射诱导DNA损伤径迹结构研究中未被认知而忽视的。同时,这一机制还表明了DNA碱基发生离解俘获,在碱基释出的同时离解的电子转移到磷酸基团导致DNA链断裂,这一DNA链断裂的重要途径表明了碱基损伤与DNA链断裂的关联,这种关联对于辐射生物效应机理的研究十分重要。 本文对包括亚电离电子的低能电子直接作用诱导DNA损伤作系统深入的研究。在理论模拟方法上:建立更严格的低能电子在液态水中径迹结构Monte Carlo模拟方法、对低能电子与DNA碱基的非弹性相互作用将突破传统的近似方法,作更严格的理论处理、计及亚电离电子经离解电子俘获机制诱导DNA的碱基释出和链断裂、研究在上述理论考虑下DNA损伤的模拟计算方法;在DNA损伤谱的计算分析上:研究DNA损伤谱的碱基构成特征、研究亚电离电子对DNA损伤的贡献、以亚电离电子作为损伤源刻画损伤的复杂性、研究DNA簇损伤与其碱基构成的关联特征。通过大量模拟计算,获得不同初始能量低能电子作用下各种碱基损伤、单链断裂和双链断裂的产额和频率分布,揭示亚电离电子诱导的不同复杂性DNA簇损伤的分布规律,揭示DNA簇损伤与其碱基构成的关联特征,为辐射生物效应机理研究提供更为深刻和基础的理论依据。论文包含了以下方面的内容及结果: 1、论文的第一章,简要介绍了电离辐射下低能电子诱导DNA损伤的研究背景及意义,分析了国内外在该领域的研究现状和研究方法。 2、论文的第二章,描述了低能电子与水相互作用的原理和理论模型,在此基础上建立了一个模拟低能电子在液态水中径迹结构的Monte Carlo模拟方法。该方法中使用平均散射截面概念与Mott模型结合,给出一个计算几eV到10 keV能量范围低能电子在液态水中弹性散射的方法。此外,对于电子与水相互作用非弹性散射,使用Emfietzoglou等给出的基于介电响应理论的最新液态水光学数据模型,并结合Ochkur的交换效应校正和经典Coulomb场低能Born校正,建立了一个计算低能电子与液态水相互作用非弹性散射的方法。本章建立的模型为低能电子诱导DNA损伤的理论研究提供了更为准确的径迹结构。 3、论文的第三章,对基于本文建立的低能电子在水中散射径迹结构模拟方法的程序TSLWD2和TSLWD3与较常用的程序MOCA8b、KURBU和CPA100作了系统的计算比较。对于这五个程序,就描述电子在水中的弹性和非弹性散射截面、计算的水中非弹性散射事件空间分布和能量沉积分布、靶元中能量沉积绝对频率分布以及电子在水中的作用范围等方面作了系统的计算比较。结果表明,电子初始能量较低时,五个程序的CCPI分布状况非常接近,而电子初始能量较高时,程序MOCA8b和KURBUC计算的CCPI明显高于程序TSLWD2和TSLWD3的;程序TSLWD2、TSLWD3、MOCA8b和KURBUC在非弹性散射能量沉积空间分布上具有相同的规律;在统计生物靶元内能量沉积绝对频率时,靶元模型的大小同样影响频率的分布;程序TSLED2和TSLED3计算的不同初始能量电子在水中的最大作用距离平均值符合很好。可见,不同的散射截面及模拟模型将会体现不同的径迹结构特征,纳米尺度的径迹结构直接关系着生物大分子的损伤程度,因此,本章所作的比较研究对电离辐射生物效应的探索具有重要的参考价值。 4、论文的第四章,提出了一个模拟详细碱基损伤的方法,该方法包括DNA体积模型的改进、DNA碱基序列排列的产生方法、将液态水中DNA片段击中点发生的电离事件转换为电子与DNA碱基的非弹性散射事件的计算方法、将DNA碱基电离产生的碱基基转化为碱基损伤的计算方法等。应用提出的模拟方法,系统地模拟了低能电子诱导的DNA直接损伤,获得了具有详尽碱基损伤的DNA损伤谱。给出了不同初始能量低能电子作用下,不同碱基对相对含量下,DNA碱基损伤、链断裂和复杂簇损伤的产额和频率分布以及DNA片段损伤点长度分布及损伤点个数的分布,部分计算与已有的实验结果或其它的理论计算作了比较。模拟结果表明:碱基对G-C比A-T发生损伤的概率略大,而且1 keV低能电子作用时,嘌呤对电子辐射的作用比嘧啶更为敏感,这一结果对探索碱基损伤与DNA糖磷酸链可能出现的断裂位置之间的关联性有重要的参考价值;DNA单链断裂ssb与碱基损伤结合构成的簇损伤在所有簇损伤中数量最多;碱基对A-T和G-C的相对含量不同对各种链断裂和簇损伤的相对产额影响较小,而对各种碱基损伤的相对产额有直接的影响;大部分损伤的DNA片段只有很小的损伤范围,并且只含有1-2个损伤点。本章的模拟结果更加深刻地揭示了DNA损伤的复杂性和更基本的损伤特征,为研究可能导致严重生物学后果的DNA簇损伤的形成和分类提供了更基础的损伤谱。 5、论文的第五章,将辐射诱导DNA损伤的机制从传统的直接损伤和间接损伤拓展到亚电离电子经离解电子俘获过程诱导DNA的损伤。描述了离解电子俘获作用的原理,给出了亚电离电子与DNA各组分的弹性散射截面和离解电子俘获截面,建立了计及离解电子俘获机制的低能电子诱导DNA直接损伤的模拟方法。基于建立的模拟方法,系统地模拟计算了计及亚电离电子作用的低能电子诱导DNA碱基损伤、DNA链断裂及相应的簇损伤。定量计算了离解电子俘获作用对DNA链断裂和碱基损伤的贡献,以亚电离电子作为损伤源刻画损伤的复杂性,研究了DNA簇损伤与其碱基构成的关联特征。模拟结果表明,计及离解电子俘获机制的DNA链断裂的产额中,这一机制的贡献约占40-70%;此机制诱导产生的DNA碱基损伤产额约为DNA碱基损伤总产额的20-40%,且不同碱基损伤的产额,直接受控于DNA各碱基电子离解俘获截面的大小;A-T碱基对比G-C碱基对更容易被损伤;碱基对相对含量的差异对亚电离电子诱导产生的各种链断裂和簇损伤产额分布影响较小,而对诱导产生的碱基损伤产额分布有较大影响。本章的模拟研究,揭示了亚电离电子诱导的不同复杂性DNA簇损伤的分布规律,揭示了DNA簇损伤与其碱基构成的关联特征,为辐射生物效应机理研究提供了更为深刻和基础的理论依据。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 刘秉正;物理科学与生命科学的关系[J];吉林师范大学学报(自然科学版);1992年02期
2 陈叙龙,张清敏,张毓琪,张宝东,陈素平;鲤鱼肝胰脏线粒体DNA的分离、纯化方法[J];环境化学;1994年03期
3 周晓慧;DNA与免疫[J];承德医学院学报;1998年02期
4 张爱民,张建民;论基因组的分子进化[J];菏泽师范专科学校学报;1998年02期
5 房经贵,章镇,刘大钧,马正强,JossiHillel;一种从贮藏较久番茄叶中提取适于PCR扩增的DNA的方法[J];植物生理学通讯;2000年01期
6 朱长军,张利宁,马春红,曹英林,宋静;一种新型杆状病毒亲本株的鉴定及病毒DNA的纯化[J];山东医科大学学报;2000年01期
7 张秀花,弓巧娟;分子内电荷转移荧光探针DMAHF的介质效应及与DNA的作用[J];山西大学学报(自然科学版);2000年01期
8 宗仁鹤,白春礼,李振刚,汪新文,聂焰,龚为穗,杨安庆,龚立三;激光对DNA作用机理的AFM研究[J];激光生物学报;2001年01期
9 宗志新,龚国权;阿的平荧光猝灭法测定 DNA(英文)[J];兰州大学学报(自然科学版);2002年02期
10 张李阳;固体发酵红曲霉菌生物量测定方法的研究[J];南京晓庄学院学报;2002年04期
11 徐治立;论基因科技的二重性[J];系统辩证学学报;2002年03期
12 罗文永,陈建伟,刘彦卓,肖昕,毛兴学,李晓方;快速鉴定阳性重组质粒方法的改进试验[J];广东农业科学;2004年02期
13 张志忠,吴菁华,吕柳新,陈桂信;一种适于PCR检测的DNA微量提取方法[J];亚热带植物科学;2004年01期
14 宫霞 ,施用晖 ,乐国伟;抗菌活性肽与细菌染色体DNA的相互作用机理[J];自然科学进展;2004年05期
15 沈子威,王竞,张志诚,黄美珍;激光诱导动物细胞基因转移的研究[J];清华大学学报(自然科学版);1991年06期
16 张四明;分子生物学技术及其在渔业科学中的应用[J];水产学报;1997年S1期
17 沈鹤柏,倪丽华,杨海峰,王则民,章宗穰;稀土金属离子对DNA作用的紫外和荧光光谱法研究[J];上海师范大学学报(自然科学版);1998年01期
18 曾宪春,罗锋,蒋达和,朱帆,李文鑫;一种快速有效纯化DNA序列分析模板的方法[J];生物技术;1998年05期
19 张永良,胡海霞,郭庆林,沈喜,李春光,郑世英,徐利泉,周富高;精子DNA微波Feulgen染色及意义[J];中国优生与遗传杂志;1998年04期
20 谢菊芳,宋国清,廖贡献,张菁,居超明;PCT高压静电场的植物细胞效应及量子模型[J];电子学报;1999年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘海英;陈刚;步宇翔;;碱基对的多铜修饰对DNA导电性的增强作用[A];中国化学会第28届学术年会第13分会场摘要集[C];2012年
2 赵宏远;李俊杰;桑润滋;;单细胞凝胶电泳技术检测不同处理山羊精子DNA损伤[A];中国畜牧兽医学会动物繁殖学分会第十五届学术研讨会论文集(下册)[C];2010年
3 刘玲;付强;朱化彬;彭秀丽;郝海生;杜卫华;赵学明;王栋;;牛毛囊基因组DNA制备方法的比较研究[A];中国畜牧兽医学会动物繁殖学分会第十五届学术研讨会论文集(上册)[C];2010年
4 梁春柳;;一个新的筛选化合物与DNA交互作用的简便方法[A];2010年全国药物毒理学学术会议论文集[C];2010年
5 张文众;李永宁;方瑾;梁春来;张倩男;;体外新评价方法——完整细胞核DNA检测板[A];全国生化/工业与卫生毒理学学术会议论文集[C];2010年
6 邹丹丹;汪海林;;基于DNA甲基化结合蛋白MBD的甲基化分析[A];中国化学会第28届学术年会第2分会场摘要集[C];2012年
7 张晔;杜智;杨斌;高英堂;;检测外周血中游离DNA的应用前景(综述)[A];天津市生物医学工程学会第29届学术年会暨首届生物医学工程前沿科学研讨会论文集[C];2009年
8 赵淑珍;刘光珍;;DNA免疫吸附治疗狼疮性肾炎的临床观察[A];第十一届全国中西医结合肾脏病学术会议论文汇编[C];2010年
9 陈士林;;中药DNA条形码鉴定体系[A];第十届全国药用植物及植物药学术研讨会论文摘要集[C];2011年
10 陆佳飞;周克隆;王缦;;磁珠法快速提取乙型肝炎病毒DNA的研究及其在诊断试剂中的应用[A];第五次全国免疫诊断暨疫苗学术研讨会论文汇编[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张黎明;电磁辐射中低能电子诱导DNA直接损伤的理论研究[D];山东大学;2010年
2 郭晓兰;端粒功能异常诱导的DNA损伤反应及其在肿瘤发生中的作用与分子机制[D];重庆医科大学;2010年
3 陈志健;1.8 GHz微波对X射线和阿霉素致淋巴细胞DNA损伤修复及对蛋白表达的影响[D];浙江大学;2010年
4 朱慧芳;Y家族DNA聚合酶对化学致癌物MNNG应答的转录调控研究[D];浙江大学;2009年
5 万超;抗猪瘟嵌合DNA疫苗及TRIF的DNA疫苗佐剂效应研究[D];武汉大学;2009年
6 赵丽霞;克隆绵羊印记相关基因的DNA甲基化研究[D];内蒙古农业大学;2010年
7 沈美龙;基于DNA免疫的乙型肝炎病毒表面抗原大中小蛋白的免疫原性研究[D];南京医科大学;2010年
8 徐铁刚;细菌DNA磷硫酰化修饰与限制[D];上海交通大学;2008年
9 高鹏;特异性介导DNA转导的多结构域嵌合蛋白的构建、表达及鉴定[D];吉林大学;2011年
10 康大伟;DNA分子器件场效应理论研究[D];山东大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李芳;基于磁性微粒的法医样本DNA纯化[D];西北大学;2011年
2 芦丽淦;柚皮素及聚乙二醇增强乙肝DNA疫苗免疫效果的研究[D];河南大学;2010年
3 杨锦艳;六种香豆素有效成分与DNA相互作用的研究[D];山西医科大学;2010年
4 林启凰;用于乳腺蛋白标志基因检测的DNA电化学生物传感器的研究[D];福建医科大学;2010年
5 于文静;亚麻韧皮部特异启动子克隆与26份种质DNA指纹图谱构建[D];中国农业科学院;2010年
6 Rebecca Simisola Agboola;硼(B)和氯化钠胁迫处理诱导高粱(Sorghum bicolor)自交系发生形态和DNA甲基化的变异[D];东北师范大学;2010年
7 石微;溴氰菊酯致大鼠DNA损伤及损伤后修复功能的影响[D];青岛大学;2010年
8 张诺;DNA-纳米羟基磷灰石修饰电极的制备及在生物分析中的应用[D];济南大学;2010年
9 郭珈辰;基于图形表示的DNA相似性分析及进化树构建算法研究[D];湖南大学;2010年
10 刘香港;基于功能材料的新型电化学DNA生物传感器的研制及应用研究[D];山东农业大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 陈杰;信息技术将重组汽车DNA[N];科技日报;2010年
2 刘霞;科学家研发出新型人工合成DNA载体[N];科技日报;2010年
3 南方;化危为机 企业需韧性生长的DNA[N];中国企业报;2009年
4 吴强;港大引新技术DNA辨食材[N];中国食品质量报;2010年
5 本报记者 施晓焰 通讯员 马丽娟;云南:DNA数据库成“打拐”得力帮手[N];人民公安报;2009年
6 张巍巍;垃圾DNA可促进癌症发展首获证实[N];科技日报;2010年
7 常丽君;虱子DNA表明人类17万年前首次穿衣[N];科技日报;2011年
8 记者 冯卫东;DNA碱基序列决定其光敏性假设获证实[N];科技日报;2008年
9 许文强;拆、装更便捷的DNA双螺栓结构模型[N];大众科技报;2008年
10 记者 常丽君;研究人员发现自组装DNA链的最佳长度[N];科技日报;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978