重离子的辐射生物效应及其在生命科学中的应用

重离子是指重于元素周期表中2号元素氦并被电离的粒子。高能重离子因在其穿透物质的径迹上产生很强的局部电离,与传统的光子辐射(如X、γ射线)相比,会诱导更严重的辐射损伤生物效应。目前的机理研究显示,重离子辐射造成细胞DNA局部一到两个螺旋内出现多类型、多数量的损伤,即DNA团簇损伤。这种复杂的损伤影响DNA修复酶与DNA片段结合,进而影响修复,导致细胞死亡或产生不正确修复(即突变)。重离子辐射易引起突变的特征在植物与微生物诱变育种方面得到青睐。此外,重离子的细胞杀伤作用大,而且重离子具有倒转的剂量分布优势,将其用于癌症治疗,可使深部区域肿瘤细胞因高剂量辐射而被有效杀灭,而对周围组织因低剂量分布、相对危害较小,能实现精确靶向治疗,这被认为是最有前景的肿瘤放疗技术。对由重离子造成的DNA团簇损伤及其修复机制,以及两个重要修复途径的研究进展,进行了总结与深入分析。此外,我们还对重离子在辐射诱变育种和肿瘤治疗方面的应用进行了概要介绍,以期为从事重离子辐射生物学研究的人员理解DNA团簇损伤与修复机制及未来研究方向提供参考,促进对重离子辐射危害的评估与防护策略的建立、及其在生命科学中的良好应用。

基于同源重组的重离子辐射拟南芥靶点序列定位方法及可行性研究

作为粮食种质资源创新的重要途径,重离子辐射诱变技术受到了广泛关注。为了促进重离子辐射在育种上的应用,有必要研究重离子辐射在植物中诱导DNA团簇损伤的修复和突变演化机制,而在基因序列水平定位重离子的辐射靶点是该机制解析的基础。目前,尽管已经建立了一些基于常规报告基因的重离子辐射靶点定位方法,但其效率并不理想。本工作基于同源重组机制对DNA双链断裂的特异响应,以及重离子辐射靶点核心区域富含DSBs的特性,提出了一种基于同源重组报告基因的重离子辐射靶点定位新方法,通过比较γ和碳离子辐射的诱变分布特征,初步确定了该定位方法的可行性。在此基础上,在该HR-GUS报告体系侧翼增加了lacI筛选基因,进一步提高了定位效率,并揭示了重离子辐射诱变导致片段缺失和多位点突变的特性。该体系的建成为进一步阐明重离子诱变机制提供了良好的技术支撑。

基于大肠杆菌的重离子辐射靶点序列定位和LacI突变分析的实验体系构建及验证

重离子辐射具有独特的物理和生物学特性,在诱变育种等领域有着广泛的应用,但其诱变的机制并不完全清楚。不同于传统的X和γ射线,重离子辐射具有较高的线传能密度(Linear energy transfer,LET),主要诱导团簇状的DNA损伤,其演化为遗传变异的过程更为复杂,突变类型也更难预测。目前的实验技术很难在序列水平对重离子击中DNA的靶点进行定位,这致使重离子辐射诱变机制的研究相对滞后。针对这一问题,根据重离子辐射诱导的团簇损伤核心区域富含DNA双链断裂(Double-strand break,DSB)以及同源重组机制对DSB特异性响应的特性,首先构建了四环素抗性基因(TetA)同源重组元件用于确定DNA团簇损伤的序列定位,并在重组原件侧翼连接反向突变筛选基因LacI用于团簇损伤—突变的检测,最后把该质粒转化到大肠杆菌E.coli。在此基础上,比较分析γ射线与碳重离子(80 MeV/u)辐照后同源重组和报告基因突变的情况,验证了该体系用于重离子辐射靶点序列定位及突变检测的可行性,为进一步研究重离子辐射诱变的相关机制奠定了方法学基础。

双重辐射源^(9)C束流在其Bragg峰区对细胞致死效应增强的生物物理机制

相对12C束流而言,β缓发粒子衰变放射性9C束流在其Bragg峰区附近深度对细胞的致死效应明显增强,这已经在我们先前的研究中证实.9C束流的相对生物学效应(RBE)较12C束流要大1倍以上.本研究旨在探讨造成这一重要实验现象的生物物理机理.首先,建立模型计算了用于实验时产生的9C束流的阻止沉积几率密度分布,模型考虑了初始束流的动量分布,束流随贯穿深度增加由核反应导致的离子通量衰减和能量损失岐离等效应.发现9C束流对细胞致死效应增强的区域出现在入射9C离子的阻止沉积区域.其次,以9C束流入射处剂量为1Gy为例,根据计算得到的入射9C离子阻止分布几率密度推导了9C束流在不同贯穿深度上的沉积离子密度,进而得到了不同深度上每细胞内平均沉积9C离子数;同时,由相近剂量平均传能线密度(LET)深度上9C和12C束流实验上测得的细胞存活率推导出了9C及12C束流在这些深度上导致的每细胞平均致死事件数.研究结果表明,在照射剂量相同时每细胞平均沉积9C离子数与9C及12C束流每细胞平均致死事件数之差竟相吻合.由此推测,一个沉积9C离子将造成该细胞死亡.考虑到由9C衰变而发射低能粒子的性质,9C离子细胞中沉积可能会在该细胞中造成团簇损伤,因而本研究结果可作为辐射团簇损伤高效细胞致死的间接证据.

重离子诱导细胞衰老研究

综述了细胞衰老诱导因素和衰老细胞的特征,提出细胞衰老在癌症发生发展过程中具有双重作用效应。同时,以X射线和12C6+离子束对黑色素瘤细胞系92-1或人正常成纤维细胞系MRC5进行辐照,观察分析DNA损伤应答效应和细胞衰老诱导。实验结果表明,相对于X射线,12C6+离子束能导致DNA团簇损伤,持续激活DNA损伤应答,更容易诱导细胞衰老;12C6+离子束能同时诱导癌细胞和正常细胞衰老。这些实验结果暗示开展12C6+离子束诱导细胞衰老研究具有紧迫性。