UVA和UVB区段紫外线照射对DNA影响的拉曼光谱分析

UVA和UVB区段紫外线照射对DNA影响的拉曼光谱 () 文章编号 :100425929 19990420311205 UVA 和 UVB 区段紫外线照射对 D NA 影响的 Ξ 拉曼光谱分析 1 1 2柯惟中,余多慰,庄振武 ( 1 . 南京师范大学理化中心 ,江苏省光电技术重点实验室 , 江苏省资源生物技术重点实验室 ,南京 210097 ; ) 2 . 江苏省人民医院 ,南京 210029 摘 要 :本文检测了鲱鱼精 DNA 水溶液和经 UVA 和 UVB 紫外线辐射后的拉曼光谱 。研究结 果明 ,尽管该区段紫外辐射远比 UVC 照射对 DNA 影响小 ,但经过较长时间辐射仍会对鲱鱼 精 DNA 造成损伤 ,首先受影响的是碱基嘧啶和脱氧核糖 。 关键词 :拉曼光谱 ;鲱鱼精 DNA ;UVA 和 UVB 紫外辐射 中图法分类号 :O657137 文献标识码 :A Ra man Spectroscopic Analysis of Influence on Herring Sperm D NA with UVA & UVS Ra diation 1 1 2KE Wei2zhong, YU Duo2wei, ZHUANG Zheng2wu (1 . Physics and Chemistry Central lab , N anjing Normal University , J iangsu Provincial Key L ab f or Photoelectric Technology , J iangsu Provincial Key L ab f or Resources Biological Technology , N anjing Normal University , N anjin 210097 ; 2. J iangsu )Province Hospital , N anjing 210029 Abstract : Raman spectra of herring sperm DNA in aqueous solution and after UVA & UVB ultraviolet radiation by 0 . 5h , 1h , 5h were reported. The Raman spectral bands in2 dicated that the influence of the DNA molecule with UVA & UVB ultraviolet radiation was less than the influence UVC ultraviolet radiation. The damage of the DNA increased with a rise in time . The damage was first observed in pyrimidine2dimer bases and deoxyribose . Key words :Raman spectroscopy ; herring sperm DNA ; UVA &UVB ultraviolet radiation 引言 ( ) ( 阳光 中 的 紫 外 辐 射 根 据 波 长 可 分 为 三 个 区 段 : UVA 320 , 400 nm, UVB 280 , ) () 320nm和 UVC 200,280nm。其中 UVC 由于臭氧层的强烈阻挡和大气 、灰尘 、水汽等的 Ξ 收稿日期 :1999202209 ;修改稿收到日期 :1999206214 吸收 ,基本上不能到达地面 ,但 UVA 和 UVB 紫外辐射也会直接影响人体健康 。近年来分 1 子生物学研究的结果指出 ,DNA 损伤与基因突变是紫外线致癌的重要机制。一般认为 人类皮肤癌主要与 UVB 暴露有关 。研究显示大剂量 UVA 长期照射也可以引起皮肤肿 2 ,3 瘤 ,并且 UVA 照射可能促进 UVB 诱发肿瘤的形成。现已发表的有关测试紫外线对 DNA 损伤的报道 ,常常是用紫外消毒汞灯进行实验 ,未能对紫外线进行分区段照射 ,故而 ( ) 实际上主要是波长 25317nm 的紫外线 即 UVC 区段的照射影响 。本文则设法仅用 UVA 和 UVB 区段紫外照射鲱鱼精 DNA ,模拟更接近阳光中紫外区段照射的效果 。在此基础上 分别测试了鲱鱼精 DNA 水溶液及经 UVA 和 UVB 照射后的激光拉曼谱 ,并分析其样品的 构象变化及微观特征 。 材料与方法 鲱鱼精 DNA 为德国 Boehringer Mannheim 公司产的白色固体纤维 ,溶于 p H = 7 . 0 的双 蒸水中 ,质量浓度为 5 % ,配制后臵于 4 ?冰箱 60 小时 。 样品溶液放石英玻璃试管内测试 拉曼光谱和被紫外灯照射 。被紫外灯照射时 ,样品 试管放臵于黑色容器内 ,上面覆盖上海有色光学玻璃材料厂生产的 ZWB2 玻片 ,规格为 50 ×50 ×2mm ,其紫外线透过率见图 1 。样品处紫外线辐射照度用美国 EG&G 公司的 460 —1 2 型数字功率计测得约为 0141W/ m。 全部的拉曼光谱测定在微机控制的法国 Jobin Yvon 公司的 HRD —2 型双单色仪上完 成 。美国 Conherent 公司的 Innova70 型氩离子激光器作为光源 。由 RCA310034 型光电倍 - 1μ增管进行信号接收和光电转换 。双单色仪狭缝宽 500m ,扫描速度为 1cm / s 。每种样品 的拉曼测试都重复 5 次以上 。所有拉曼谱图都由计算机作信号累加平均并绘图输出 ,峰 - 1 位误差小于 ?2cm 。实验时温度为 13 ?2 ?。 结果与讨论 天然的鲱鱼精 DNA 水溶液和经 UVA 和 UVB 照射 015h 、1h 和 5h 后的拉曼光谱分别 () ( ) () ( ) 如图 2 中 a、b、c、d所示 ,其有关的拉曼特征频率和指认列于表 1 。A 、G、C 、T 分别 表明碱基腺嘌呤 、鸟嘌呤 、胞嘧啶和胸腺嘧啶的振动特征 。在表中按照它们对谱线的贡献 大小排列 。 鲱鱼精 DNA 溶液被整个紫外区段照射与仅被 UVA 和 UVB 照射结果是不大一样的 。 因 DNA 的组成成分嘧啶碱基和嘌呤碱基皆有共轭双键 ,对波长 260nm 左右的紫外线有强 烈的吸收能力 ,而全波段紫外线汞灯发射的主要是 25317nm 紫外辐射 ,功率也较大 ,所以 仅半小时的照射就使得 DNA 的许多碱基基团都造成损伤 ,引起碱基之间的氢键断裂现 4 象 。而长达 1h 的全波段紫外照射则对 DNA 溶液造成了全面损伤 。 Ta ble 1 Ra man spectra of herring sperm D NA with UVA & UVB ra diation Raman Shift Raman Shift - 1- 1 ()()cm cm Tentative Tentative UVA and UVB UVA and UVB In In aqueous assignment assignment radiationradiationaqueous solution 0 . 5h 1h 5h 0 . 5h 1h 5h solution 641 633 641 639 C 1210 1211 1210 1217 T 657 1235 1235 1236 1235 A 666 665 667 G ,T 1253 1253 1252 1253 C ,A 685 685 686 G 1295 1295 1304 1303 A 733 730 730 729 A 1342 1342 1339 1345 A 747 748 748 752 T 1377 1375 1374 1374 T ,A , G 784 785 786 788 1420 1420 1416 1418 A , G T ,C ,O2P2O γ() O2P2O831 831 832 833 1458 1459 1462 Deoxyribose B2type Deoxyribose 860 860 1490 1491 1489 1491 G ,A 2phosphate 924 922 921 927 deoxyribose 1515 1516 1518 1517 A 942 942 942 953 deoxyribose 1582 1583 1583 1584 G ,A γ( )C2O 1046 1045 1037 1625 1623 1623 1626 - 1635 1639 γ( )PO 2 1095 1095 1092 1092 1643 1642 C 16481650 Deoxyribose T ,C , 1149 1146 1141 1146 1662 1661 1661 1662 γ( )2phosphateC = O 1181 1191 1178 1175 T ,C γ2stretching vibration , A2adenine , G2guanine , C2cytosine , T2thymine 4 从本 实 验 的 图 谱 和 参 考 文 献相 比 可 知 ,仅用 UVA 和 UVB 区段紫外线照射对鲱鱼 精 DNA 溶液的影响比全波段紫外照射要小 得多 。从图谱上看 ,该鲱鱼精 DNA 主要以 B2 构型存在于溶液中 ,含有 B2DNA 的典型的拉 - 1 曼信 号 谱 带 。在 784 、831 、1095 和 1420cm 的拉曼峰是 B2DNA 核 酸 骨 架 的 特 征 信 号 谱 - 1 5Fig. 1 Ultraviolet transmissivity of ZWB2 glass 。除 784cm 外 , 其他谱带在被 UVA 和 带 - 1- UVB 照射后都仍旧基本出现在原位 。如 1095cm 的强峰被指定为 PO 的对称伸缩振动 , 2 只有在 DNA 构型发生变化时 ,该谱线才变化 。在本实验中 ,即使经过 5h 的 UVA 和 UVB 照射 ,该谱线仍出现在原处 ,仅强度略有下降 ,可见对其 DNA 的构型影响不大 。另表征 B - 1- 1 - 1 型构象的 831cm 在每次照射后分别出现至 831 、832 、833cm 处 ,1420cm 在每次照射后 - 1 分别出现至 1420 、1416 和 1418cm 处 , 也可见该 DNA 的主链及其磷酸骨架构型基本没 变 。 UVA 和 UVB 照射对鲱鱼精 DNA 中的脱氧核糖是有所损 - 1 伤的 。如属于脱氧核糖的 924 和 942cm 的谱线在照射 015 和 1h 时 都 仍 在 原 位 , 照 射 5h 后 则 分 别 位 移 到 927 和 - 1 - 1 953cm 。同属于脱氧核糖的 1458cm 谱线则在前两次照射 - 1 后移至 1459 和 1462cm ,经 5h 照射后则消失了 。同样 ,属于 - 1 脱氧核糖磷酸的谱 线 1149cm ,在每次照射后分别出现在 - 1 - 11146 、1141 和 1146cm ,而 860cm 谱线 ,经 015h 照射仍在原 Fig. 2 ( a ) Ra man spectrum 处 ,经 1h 照射则强度大为减弱 ,经 5h 照射则与噪声相当基本 of D NA in a que2 消失了 。这都说明 UVA 和 UVB 的照射对脱氧核糖的损伤还 ous solution 是比较严重的 。( b) Ra man spectrum UVA 和 UVB 照射对鲱 鱼精 DNA 的 4 个碱基的影响是 of D NA in a que2 各不 相 同 的 。对 主 要 表 征 鸟 嘌 呤 G 和 腺 嘌 呤 A 的 1582 、 ous solution after - 1 1490 、1420 和 1377cm 谱线 ,经 UVA 和 UVB 照射后都仍出现 0. 5h UVA &UVB - 1 在原位 ,偏移小于 3cm 。表征腺嘌呤 A 的 1515 、1342 、1235ra diation - 1和 733cm 谱带经 UVA 和 UVB 照射后也基本上出现在原位 , ( c ) Ra man spectrum of D NA in a que2 说明鸟嘌呤和腺嘌呤在实验过程中受损伤程度是比较小的 。 - 1 ous solution after 表征胞嘧啶 C 的 641cm 谱线经紫外照射后偏移不大 ,仍出 - 1 - 1 1h UVA &UVB 现在 633 、641 和 639cm 处 ,但同属胞嘧啶 C 的 1643cm 谱 ra diation - 1 线经 0 . 5h 的 UVA 和 UVB 照射仍在 1642cm ,经 1h 照射则 ( d) Ra man spectrum - 1分裂成 1635 和 1648cm 两个峰 ,经 5h 照射则更分裂成 1639 of D NA in a que2 - 1和 1650cm 两个峰 。表征胸腺嘧啶 T 的几个特征谱线经紫 ous solution after 外照射后位 移 都 比 较 大 , 特 别 是 经 5h 紫 外 照 射 后 , 如 原 在 5h UVA &UVB - 1- 1 - 1 747cm 的谱 带 移 到 了 752cm , 原 在 1181cm 谱 带 移 到 了ra diation - 1 - 1 - 1 1175cm ,原在 1210cm 的谱带移到了 1217cm ,偏移都比 - 1较大 。特别是 784cm 处的峰 ,应是表征磷酸二酯键 O2P2O 对称伸缩振动和胸腺嘧啶 T 和胞嘧啶 C 的特征谱线 ,并说明了 DNA 的 B 型构象 。经 UVA 和 UVB 照射后它分别移到 - 1785 、786 和 788cm 处 ,我们已知该 DNA 的 B 型构型基本不变 ,而 DNA 中的 T、C 会受到损 伤 ,该谱线之偏移正说明是因其中的碱基嘧啶的贡献在紫外线照射中受到损伤而 B 型构 型基本不变的结果 。紫外线照射对 DNA 的损伤可以包括 DNA 碱基损伤 ,糖基破坏 ,单 、 双链断裂 ,链间交连 ,DNA 和蛋白质之间的交连 。其中紫外照射诱发链间交连所形成的 ( ) 嘧啶碱基二聚体具有重要的生物意义 ,它包括胸腺嘧啶之间的交连 T2T,胞嘧啶之间的 ( ( ) ) 交连 C2C以及胸腺嘧啶和胸嘧啶之间的交连 T2C,交连方式有环丁烷式和 6’,4’位的 交连 。在我们的实验中 ,涉及到碱基嘧啶的拉曼谱线先发生变化 ,似乎也了这一点 。 综上所述 ,用激光拉曼光谱可以分析出 UVA 和 UVB 紫外照射对鲱鱼精 DNA 的影响 , 在一定的时间范围内 DNA 的构型尚未见有明显察觉的破坏 ,而脱氧核糖和碱基嘧啶可能 参考文献 : 1 Ziegler A , Jonason A S , Leffell D J , et al . 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