電子の飛跡を計算するため、水蒸気中のモンテカルロシミュレーション計算コードであるETRACKを使用した。DNAモデルとして、ヌクレオチド構成要素である燐酸、糖(デオキシリボース)、塩基の幾何学的構造を記述する"構造モデル"(図1)を採用した。このモデルは、化学的な結合状態を考慮した位置情報を含んでいる。各部分は放射線により直接的に、または水ラジカルにより間接的に損傷を受けるものとして扱われており、形状としてはB-DNA構造に属する。ETRACKコードを用いて、50eVから100keVまでのエネルギーの単色電子線を細胞内DNAに均一に照射した場合に、DNA各部分で発生する相互作用の種類と頻度、及びそのエネルギー付与量に関するシミュレーションを行った。

図1 DNA構造モデル。

　ある領域が均一に照射された場合でも、相互作用は空間的に均一に起きているわけではない。線質効果は、主にこれら初期相互作用の空間分布の不均一性(クラスター状)に起因する。このため、50eVから100keVまでのエネルギーを持った単色電子線の飛跡上のクラスター生成シミュレーション計算を行った。ここでクラスターは、放射線との相互作用が複数個のかたまりとして起きている場所と定義する。計算では、飛跡上で相互作用があった二つの地点の距離がある基準値より短ければ、この二つの相互作用は一つのクラスターに属するとした。この基準値は、"構造モデル"で定義されるDNAの構成要素に応じて設定され、今回はB-DNA鎖のヌクレオチドの平均間隔、すなわち0.34nmとした。

　ここでは局所的損傷の形成が全体的形状変化へ影響するプロセスを調べた。具体的には、ピリシジン基のC5炭素にOHラジカルが付着した5-ハイドロキシ-6-サイトジニルラジカル(C^*)が、9番目のサイトジンに置き代わったときのDNAドデカマーd(CGCGAATTC^*GCG)₂の、構造変化をみる分子動力学の方法を検討した。これは、水中に放射線で生成されるOHラジカルによって、最もよく生成される分子である。幾つかのステップ(エネルギー最小化、密度安定化、分子動力学)からなるシミュレーション計算は、AMBER(バージョン4.0)計算コードによってなされた。このシミュレーションでは、核酸の全原子の原子間に標準的な原子間力場を採用した。

　DNA分子のなかで放射線と直接相互作用する確率が最も大きかったのは、燐酸ジエステル結合部であった(確率52%)。DNAに対する衝突断面積を水蒸気と同じと見做したため、確率は構成要素の体積にほぼ比例し、細部は電子の飛跡に沿っての相互作用の分布に依存することになる。最も直接相互作用の確率が大きくなる入射電子エネルギー領域は5keVから10keVの間であった(図2)。このエネルギー依存性は、

　(1)電子のエネルギーが大きくなるに従って電子衝突断面積が減少すること

　(2)電子のエネルギー損失ストラグリングの2因子によってほぼ説明される。

図2 DNA構成要素各部分に対する相互作用率。

　DNAに付与されるポテンシャルエネルギー量は、大多数の場合に25eV以下であった(図3)。しかし、このエネルギー量は、DNA鎖切断や塩基変化を起こすために十分な大きさである。また、25eV以上のエネルギーを付与するためには2回以上の相互作用が必要となるので、多数回相互作用は一回相互作用よりも起こる確率が低いことが判明した(約1/10)。

図3 DNA各部分に対するエネルギー付与率分布。

　これらの結果により、SSB(一重鎖切断)と致死的な損傷となるDSB(二重鎖切断)の発生確率を評価することが出来る。今回、燐酸ジエステル結合部分にエネルギーが付与された場合、SSBが発生するための最低エネルギーを15eVと仮定した。その根拠は、電離衝突が燐酸ジエステル結合の切断を引き起こす化学変化の開始点であるので(分子動力学の部分で述べられる)、この電離エネルギーが12.6eV(水の電離ポテンシャル)以上必要であることにより設定した。SSBの収量は入射電子のエネルギーが5keVから10keVで最大になっている。これはこのエネルギー領域で衝突頻度が大きくなることに対応している。しかし、設定されたエネルギーしきい値のため、SSBの収量は小さく抑えられた。計算において、DSBは対の鎖でそれぞれSSBが10塩基対以内(〜3.4nm)に発生した場合に生成されるとした。これらの仮定の元で、250eVから20keVまでのエネルギー領域について計算を行ったところ、SDB/SSB比は1/25となった。この結果は他の研究者の計算結果と同様であり、実験結果ともよく一致している。

　クラスター生成の頻度分布は、入射電子のエネルギー、クラスター中の相互作用の数やクラスター半径などの関数として求めた。以下の結果は全て吸収線量1Gy当たりに規格化してある。

　クラスター生成確率は、電子のエネルギーが低い場合(50〜100eV)に最も大きくなる。これは電子飛跡の長さが短い(〜1nm)ことにより相互作用密度が大きくなっていることの結果である。数百eVの電子の場合は大きなクラスター(数nm以上。これは5塩基対の以上の長さに相当)の作成率が最も低くなっている。数keVのエネルギーになると、最も低いエネルギーの電子に対応するものほどではないが、大きなクラスターを生成する確率は再び大きくなる(図4)。

図4 クラスター収量のエネルギー分布。(クラスター大きさ制限無し。相互作用種類制限無し。)

　クラスター中に付与されるエネルギーを決めるクラスター中の相互作用の数は2か3が最も起こりやすいことを考慮すると、この付与されるエネルギーは60eVが上限値となる。これ以上のエネルギーを付与するクラスターの生成確率は級数的に減少する。

　この計算では、クラスター生成確率は問題とするDNAの構造の定義に依存する。幾つかのヌクレオチド対が含まれる球状の領域を、放射線に対する最小有感単位と考える場合は、電子飛跡に沿って生成されるクラスター半径は数nm位になる。この結果小さいクラスターも大きいクラスターも発生確率は小さくなる(図5)。

図5 クラスターの大きさ分布。

　この結果より、糖-燐酸バックボーン損傷から始まるDNA損傷は、

　(1)電子の飛跡中の低エネルギーの二次電子(デルタ線)によるクラスター

　(2)高エネルギー電子が減速し止まる時に発生する、60eV以下の低エネルギーの電子によるクラスター

　によるものが大きいと結論づけられる。

　ここでは、局所的損傷が分子全体に広がっていく際の形態変化を扱うために、DNAの分子動力学シミュレーションを行った。この計算は幾つかのステップで構成されている。DNAドデカマーの9番目のサイトジンを5-ハイドロキシ-6-サイトジニルラジカルに置換したものを作り、モンテカルロ法で発生した水分子で満たした周期的境界条件の立方体の領域にこのDNAを入れ、エネルギー最小化、密度安定化、300Kまで加温、全原子の運動を分子動力学的に解く、というステップでシミュレーションを構成する。

　シミュレーション実行の後、損傷を受けたDNAと受けていないDNAの全体の構造比較や、その他の特性の比較(局所的ひずみ、糖の五員環構造の歪み、塩基構造の歪み、螺旋構造の歪み)を行った。正常なDNAと損傷を受けたB-DNAドデカマーを図6に示す。

図6 正常なDNA 損傷を受けたDNA