紫外光誘發 DNA 損傷 (UV Induction of DNA Damage)
總論
- 不同波長的 UV 光誘發不同類型的 DNA 損傷。
- UVC 與 UVB（UVA 則遠低於此）能直接激發 DNA 分子並隨後產生 DNA 光產物。
- DNA 被視為 UVB 與 UVC 大多數生物效應的發色團，包括紅斑、曬黑、免疫抑制與突變。
- DNA 光產物為二聚體，由同一多核苷酸鏈上兩個相鄰嘧啶共價結合而成。
- 兩大類嘧啶二聚體：環丁烷—嘧啶二聚體 (cyclobutane–pyrimidine dimers, CPDs) 與 6,4-光產物 (6,4-photoproducts)。
環丁烷—嘧啶二聚體 (CPDs)
- 為 UV 照射所形成最常見的 DNA 光產物。
- 由 5,6 雙鍵飽和並形成四員環丁基環而生成。
- CPDs 出現於所有可能的雙嘧啶位置：
- T–T 二聚體最常見，其次為 C–T 與 T–C 二聚體。
- C–C 二聚體最少見。
- CPDs 的形成非隨機現象：受受影響 DNA 序列的序列與構型情境影響。
- 較近期描述另一種 CPD 形成的分子機制：黑色素的光激發與過氧亞硝酸鹽 (peroxynitrite) 的形成。
- 因這些反應性分子半衰期長，此機制可在 UV 照射後數小時內持續增加 CPD 形成，但僅發生於含黑色素的細胞。
- 這類 CPDs 被稱為「暗 CPDs (dark CPDs)」。
6,4-光產物
- 為非環丁烷型雙嘧啶光產物，由一個嘧啶的 C-6 位置與 3′ 側相鄰嘧啶的 C-4 位置共價連結而形成。
- T–C (6–4) 二聚體是此類最常見的二聚體，但 UV 照射後亦可見 C–C 與 T–T 二聚體。
- 以 280 至 360 nm 的 UV 波長進一步照射，6,4-光產物的正常異構體可轉換為其 Dewar 價異構體，後者較正常異構體突變性低，但仍可能參與日光性突變。
- 6,4-光產物數量雖比 CPDs 少 8 倍，但可活化 ATR-CHK1 DNA 損傷反應路徑，可能是 UV 誘發 DNA 損傷反應的主要觸發者。
- 另有少數罕見 DNA 光產物被描述，如複雜的嘌呤病灶與嘧啶水合物，但其在皮膚光生物學的生理意義未知。
波長依賴性
- DNA 的吸收最大值在 260 nm，使 UVC 成為在裸露 DNA 中誘發 DNA 光產物最有效的波長。
- 但活體內因較短波長被表皮上層吸收，300 nm (UVB) 才是在表皮基底層誘發 DNA 光產物最有效的波長。
- 現已充分認識到：比較日光可得劑量時，UVA 亦可產生嘧啶二聚體，但頻率低於 UVB。
間接（光敏化）DNA 損傷
- UVB 誘發的嘧啶二聚體形成源於 DNA 鹼基直接吸收光子；但 UV 照射亦可間接損傷 DNA。
- DNA 以外的發色團吸收光子後，能量可轉移給：
- DNA（第 I 型光敏化反應）。
- 分子氧，其反應性氧物種再損傷 DNA（第 II 型光敏化反應）。
- UVA 許多生物特性（包括對細胞的毒性）依賴分子氧的存在，指出反應性氧物種扮演顯著角色。
- 雖然 UVB 亦形成這些反應性氧物種，但細胞暴露於自然日光後幾乎所有氧化性 DNA 損傷皆由 UVA 造成。
- UV 誘發的反應性氧物種包括單態氧 (singlet oxygen)，可能還有過氧化氫與超氧自由基。
- 高反應性的氫氧自由基甚至可經過氧化氫與核內金屬經 Fenton 反應形成。
- 此氧化壓力不僅影響 DNA，亦影響膜與蛋白質。
- 單態氧與其他反應性氧物種主要與鳥嘌呤反應，產生數種 DNA 變化，包括具突變性且被充分研究的 7,8-dihydro-8-oxoguanosine (8-oxoG)。
作用光譜
- Kielbassa 等發表哺乳類細胞中二聚體與氧化性鳥嘌呤鹼基修飾形成的 UV 作用光譜。
- UVA、UVB、UVC 在 DNA 損傷特性上的差異為漸進性，且 UVA 僅產生少數嘧啶二聚體。
- 越來越多證據顯示嘧啶二聚體是最重要的前突變性 DNA 病灶——不僅在 UVB 誘發，也在 UVA 誘發的突變形成中；氧化性 DNA 損傷在突變中僅扮演次要角色。
- 最後，UVB 與 UVA 可能都不形成 DNA 雙股斷裂。
圖 86-12：中國倉鼠卵巢細胞中誘發環丁烷二聚體與氧化性鳥嘌呤修飾的作用光譜。UV 光誘發環丁烷二聚體與氧化性 DNA 損傷的能力隨波長增加而快速下降，例如 320 nm UV 光誘發環丁烷二聚體的能力約為 290 nm UV 光的千分之一。此下降與小鼠 300 至 340 nm 皮膚癌形成的下降相當平行（Utrecht–Philadelphia 皮膚癌作用光譜）。此下降不意味較長波長不參與光致癌，因為較長波長的 UVA 在自然日光中遠比 UVB 豐富，至少抵銷部分 UVA 較弱的效應。UVA 範圍內氧化性鹼基損傷形成的第二個高峰，與 380 nm 皮膚癌形成的第二個高峰平行。因 UVA 並無環丁烷二聚體形成的第二高峰，此曾被解讀為氧化性鹼基損傷參與突變與皮膚癌形成的證據；但較近期資料指出，嘧啶二聚體不僅對 UVB、對 UVA 也是最重要的前突變性 DNA 病灶。