稀有核酸碱基的光化学反应动力学机理研究

Nucleic acid bases, such as adenine, guanine, cytosine, thymine and uracil, serve as main chromophores of DNA and RNA and absorb UVC or UVB light. Light absorption by nucleic acid bases will cause photo damage to DNA. Besides 5 regular nucleic acid bases, there are some base analogues identified as rare nucleic acid bases in DNA or RNA such as thionucleobases and N-substituted nucleic acid bases. This kind of nucleic acid bases have biochemical effects and can be used as antiviral, anticancer drugs and site-specific photo probes. With similar molecular structures to regular nucleic acid bases but distinct properties, some rare nucleic acid bases may strongly absorb UVA light and result in extensive photo damage to DNA and proteins. The unique photochemical properties and the special photochemical reaction dynamics of rare nucleic acid bases and their single-strand DNA will be investigated by time-resolved spectroscopy and quantum chemical methods. The phototoxicity and the mechanisms of photo oxidation damage induced by rare nucleic acid bases in DNA will be well elucidated from mechanistic and kinetics points of view.

碱基是生物体内重要的功能大分子——脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）中的主要生色团分子。DNA光损伤的本质是生色团碱基分子吸收紫外光发生光化学反应。在生物体内，除5种常见的普通碱基之外，还存在着一些稀有碱基，比如硫代碱基、氮杂碱基、甲基化的碱基等等，它们与普通碱基具有相似的结构，但是光化学性质却截然不同。某些稀有碱基分子能够显著吸收UVA波段的紫外光，发生光化学反应，造成DNA光损伤，因而受到广泛的关注。本项目拟围绕稀有碱基分子独特的光化学性质、光化学反应机理以及后续的光氧化损伤机理展开研究，利用时间分辨光谱技术（主要为纳秒尺度紫外-可见瞬态吸收光谱），并结合量子化学计算，对单个稀有核酸碱基分子及其在DNA链中所发生的光化学反应动力学机理进行研究，以期从分子反应层面上深入认识这类分子发生光化学反应以及造成DNA光氧化损伤的微观机制。

重要生物大分子脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）发生光损伤的本质是其中的生色团——碱基分子吸收紫外光发生光化学反应。因此研究生色团碱基分子的激发态性质以及光化学反应动力学机理对揭示DNA和RNA光损伤的微观机制十分重要。除了组成DNA和RNA的5种普通碱基外，还存在着一些与普通碱基结构相似，但光物理和光化学性质却十分不同的稀有碱基，如硫取代碱基，氮杂碱基等。本项目主要针对非常规的稀有碱基及其在DNA链中的光化学反应动力学机理进行研究。首先，利用时间分辨光谱技术并结合量子化学计算方法，着重研究了稀有碱基4-硫代胸腺嘧啶（4-TT）的光化学反应动力学机理。实验上探测到硫取代嘧啶类碱基4-TT发生光致交联反应过程中的激发态、中间体及其动力学信息，同时结合量子化学计算得到的瞬态物种的光谱性质，对所观测到的激发态、中间体及产物进行指认。其次，利用量子化学计算方法对硫取代嘧啶类碱基4-TU的光致交联反应机理进行研究。结果表明4-TU的光致交联反应涉及T1态和S0态两条反应路径，且反应需要借助T1/S0势能面交叉顺利进行。最后，利用量子化学计算方法对DNA链中的4-硫取代嘧啶碱基（4-TU、4-TT）与其相邻碱基T发生光致交联反应的机理进行研究。研究结果表明，在DNA链中4-硫代嘧啶碱基与相邻T碱基通过多条非绝热反应路径发生光致交联反应。反应首先沿T1态反应路径进行，随后经由T1/S0势能面交叉点生成较为稳定的四元环中间体；四元环中间体在S0态上发生H转移过程，最终生成交联产物。通过对稀有核酸碱基分子及其在DNA链中所发生的光化学反应动力学机理进行研究，从分子反应层面上揭示这类分子光毒性产生和造成DNA光氧化损伤的微观机制。研究结果对生物光学探针的设计具有一定的指导意义，同时也为深入认识光动力学治疗机制提供了理论基础。