A Simplified Cluster Analysis of Electron Track Structure for Estimating Complex DNA Damage Yields

複雑なDNA損傷生成率を推定するための電子飛跡構造に基づいたシンプルなクラスター分析

松谷 悠佑  ; 中野 敏彰*; 甲斐 健師   ; 鹿園 直哉*; 赤松 憲*; 吉井 勇治*; 佐藤 達彦   

Matsuya, Yusuke; Nakano, Toshiaki*; Kai, Takeshi; Shikazono, Naoya*; Akamatsu, Ken*; Yoshii, Yuji*; Sato, Tatsuhiko

電離放射線被ばく後に誘発されるDNA損傷の中でも、10から20塩基内に2つ以上のDNA損傷が誘発されるクラスター損傷は人体にとって致命的な損傷として知られている。そのようなクラスター損傷の収率はシミュレーション技術によって評価されてきたが、その推定精度についての検証は未だ不十分である。クラスター損傷を検出する科学技術の進歩に伴い、実験と推定の両方によりクラスター損傷を評価することが近年ようやく可能となった。本研究では、PHITSコードで得られる非弾性散乱(電離・電子的励起)数の空間密度を解析することによりクラスター損傷を推定するシンプルなモデルを考案し、ゲル電気泳動や原子間力顕微鏡により測定されるクラスター損傷(例:塩基損傷を伴うDNA二本鎖切断や2つ以上の塩基損傷)の実験結果と比較した。塩基損傷と主鎖切断の収率比を1.3と仮定することで、シミュレーションによって、主鎖切断ならびに塩基損傷に対するクラスター損傷生成率の実測値の再現に成功した。また、塩基損傷を伴う複雑な二本鎖切断に対する推定値と対応する実測値との比較結果から、電離・電子的励起数の凝集度がDNA損傷の複雑さを反映することが示唆された。開発したモデルにより、X線(電子線)により誘発されるクラスター損傷の種類の定量化が可能となり、クラスター塩基損傷に対する実験的な検出効率の解釈に成功した。

Among various DNA damage induced after irradiation, clustered damage composed of at least two vicinal lesions within from 10 to 20 base pairs is recognized as fatal damage to human tissue. Such clustered damage yields have been evaluated by means of computational approaches; however, the simulation validity has not been sufficiently made yet. Meanwhile, the experimental technique to detect clustered DNA damage has been evolved in the recent decades, so both approaches with simulation and experiment get used to be available for investigating clustered damage recently. In this study, we have developed a simple model for estimating clustered damage yield based on the spatial density of ionization and electronic excitation events obtained by the PHITS code, and compared the computational results to the experimental clustered damage coupled with base damage (BD) measured by gel electrophoresis and atomic force microscopy. The computational results agreed well with experimental fractions of clustered damage of strand breaks (SB) and BD, when the yield ratio of BD/SSB is assumed to be 1.3. From the comparison of complex DNA double-strand break coupled with BDs between simulation and experimental data, it was suggested that aggregation degree of the events along electron track reflects the complexity of DNA damage. The resent simulation enables to quantify the type of clustered damage which cannot be measured in in vitro experiment, which succeeded in interpreting the experimental detection efficiency for clustered BD.