JAEAら、放射線による未知のDNA損傷機構の存在を発見。予想超えた測定信号の増大現象も

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日本原子力研究開発機構(JAEA)らは、生体内のDNAが放射線によって損傷を受ける際、これまでに知られていない損傷機構があることを発見した。ある条件下では、イオンビームによるDNA損傷に関連する測定信号が確率予想を超えて異常に増大することも明らかにした。

測定装置の概要(出所:JAEA)

放射線医療や産業への応用が期待される。Physical Review Letters オンライン版に論文が近日掲載される予定。

今回の成果は、JAEA 先端基礎研究センター放射場生体分子科学研究グループの岡壽崇博士研究員(現大阪大学産業科学研究所特任助教)と横谷明徳グループリーダーらの研究チーム、東京農工大学大学院工学研究院の鵜飼正敏教授の共同研究によるもの。大型放射光施設 SPring-8 のX線を利用して測定を行った。

K殻電子離脱による窒素のイオン化およびPCI(出所:JAEA)

イオンビームなどの高速の荷電粒子が細胞中に撃ち込まれると、荷電粒子がさまざまな大きさのエネルギーをDNA分子に与え、このエネルギーに応じて多様な損傷プロセスが同時並行的に進行する。これまで、個々のプロセスを抽出し解析する手法がなかったため、DNA損傷プロセスの全貌を明らかにすることができなかった。

シンクロトロン(円形加速器)の放射光を分光器に通して、DNAを構成する酸素や窒素の内殻電子をイオン化する帯域(K殻吸収端)のX線を選択的に取り出し、これをDNA分子に照射することによって、特定のイオン化現象を起点とするDNA損傷過程を調べられると考えられる。DNA損傷に至る過程では、不対電子(最外殻の電子軌道に1つだけ存在している非常に反応性の高い電子)を有する反応中間体を経由すると考えられているが、これまで不対電子の直接観測は極めて困難とされてきた。照射後のDNA試料を極低温に保持しながら電子常磁性共鳴(EPR)装置まで運搬して不対電子を測定するため、搬送中に消失してしまう不安定な不対電子を測定できないなど多くの問題があった。

研究チームは今回、特定のエネルギーに選別した後でも十分な強度を持つ細いX線ビームを直接EPR装置内に導入し、DNA薄膜試料へ照射した。この設備を用いることで、運搬による不対電子消失の問題を解決し、DNA分子中に生じた不安定な不対電子の生成量をEPR信号強度として「その場」観察することができた。

窒素および酸素のK殻吸収端におけるEPR信号の異常な増大(出所:JAEA)

照射するX線のエネルギーを少しずつ変えることで、DNA分子を構成する窒素および酸素原子のK殻電子のイオン化レベル付近において不対電子の生成量がどのように変化するかを詳細に調べた。その結果、K殻電子がX線を吸収する確率(図2中の青線)に対応して不対電子の生成量も変化することが分かった。さらに、イオン化レベルをわずかに超えたエネルギーのX線を照射した場合、DNAのX線吸収確率に基づいた予想を超えて、EPR信号が異常に増大することが明らかになった。

物質がX線を吸収する場合、イオン化レベルをわずかに超えたエネルギーでは、衝突後相互作用(PCI:Post Collision Interaction)が生じる。これは、原子から離脱しようとする一対の電子のうちの1つが、その途中で再び原子に捕獲される現象であり、再捕獲があると高いエネルギーの軌道に電子が1つだけ残されるため、これがEPR信号強度の増大原因であると予測される。そこで、このようなPCIを考慮した理論計算を行ったところ、実験データをうまく説明できた。生体分子にPCIの効果を見出したのは、初めてのケースであるという。

DNA中の特定元素のK殻へのX線吸収過程(出所:JAEA)

近年の研究では、放射線照射によってDNA薄膜から放出された2次電子が試料中で減速された後にDNA分子の別の部位に付着して、DNA分子鎖を結合解離させて損傷生成に至ると報告されていた。今回発見された現象はこのような解離性電子付着現象とは異なる、特定のエネルギーで生じるイオン化プロセスに関係したDNA損傷の生成過程が存在することを示している。


発表資料

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