放射光第巻第号()

トピックス

DNA 及びそのサイト選択的励起による損傷の分光学的研究
藤井健太郎
日本原子力研究所

放射光科学研究センター

Spectroscopic Study of Site Selective DNA Damage Induced by Intense Soft X-rays
Kentaro FUJII
Synchrotron Radiation Research Center, Japan Atomic Energy Research Institute
Abstract
To investigate the mechanisms of DNA damage induced by direct photon impact, we observed the near edge X-ray absorption ˆne structures (NEXAFS) of DNA nucleobases using monochromatic synchrotron soft X-rays around nitrogenand oxygen K-shell excitation regions. Each spectrum obtained has unique structure corresponding to pexcitation ofoxygen or nitrogen 1s electron. These aspects open a way of nucleobase-selective photo-excitation in a DNA molecule using high resolution monochromatized soft X-rays. From the analysis of polarization-dependent intensities of the presonance peak, it is clariˆed that adenine, guanine and uracil form orientated surface structure. Furthermore from thedirect measurement of positive ions desorbed from photon irradiated DNA components, it is revealed that the sugar moiety is a fragile site in a DNA molecule.

.

はじめに

ック中におけるフォトンあるいは荷電粒子と分子間の電子放射光を用いた生物分野の研究というと，「構造生物」，

的衝突の相互作用を理解するうえで本質的である1)。光吸「放射線治療」，「イメージング」，「放射線生物」や「生命収断面積を標的である生体分子に対して測定することは，の起源」を探る研究などが挙げられるが，我々は，生体分放射線の生物に与える作用を理解するうえでとても重要で子の中で最も重要なプロセスの一つである「遺伝」を司るある。本稿では放射線の標的分子として DNA を用い，

DNA を対象分子として，放射線による DNA 損傷と酵素

DNA 薄膜や adenine, guanine, cytosine, thymine，およびタンパク質によるその修復機構に関する研究を通して，生uracil といった DNA 構成塩基薄膜の NEXAFS スペクト

物のもつ複雑でユニークな現象の機構解明を目指していルを測定した。これまでいくつかの光吸収スペクトル測定る。

研究が，放射線のトラックエンドで生成する二次電子と同

一方ごく最近，ナノテクノロジーやバイオサイエンスのじエネルギー領域の放射光を用いて行われてきた。第一イ

重点化により，DNA チップなどのマイクロアレイを始めオン化ポテンシャル近傍100 eV 以下の真空紫外領域では，とする，生体分子を用いた微細加工技術やこれらを使った

DNA 分子に対する吸収スペクトル測定が行われた。一方，物性測定により，生体分子の物性が明らかにされるように

100 eV 以上の領域は，より高いエネルギー領域に比べなった。生物のもつ特徴の一つである「増殖」は，遺伝にて，高いイオン化励起密度を物質に与えるとして注目さよって生体の持つ情報を子孫へ伝達している。遺伝子の本れている2,3)。 DNA 構成塩基の NEXAFS スペクトル測定体である DNA は自然環境下において，圧力熱放射線については，吸収モードが DNA 中での炭素，窒素の周辺

ラジカルといった外的な環境因子によって様々な損傷をの化学的環境に大きく依存し，特徴ある微細構造を吸収ス

受けるが，そのままその損傷を放置しておくのではなく，ペクトルに与えることが明らかにされた4)。さらに最近我

これらのうちのいくつかについては酵素的な修復によって々のグループでは，酸素の K 殻吸収端では 2-deoxy-D-ri-

元通りに戻すことができる。このように，損傷によって修

bose の吸収微細構造が光照射による変化から，光分解後復されやすいものとされにくいものとが存在すると考えらに，元々分子内に存在しなかった C＝C や C＝O が生成しれるが，どのような DNA 損傷であれば修復されやすく，ていることを明らかにした5,6)。しかし，DNA および関連

あるいはされにくいかについて調べることは，突然変異や分子の吸収微細構造を与える電子状態を分子軌道法による発ガンの分子メカニズムを知る上でも重要なポイントとな計算から帰属した例は少ない。そこで， DNA 薄膜およびる。そこで我々は，高輝度軟 X 線を用いて DNA 中の励

DNA 構成塩基の NEXAFS スペクトルを測定し，電子状

起サイトを選択し，励起後に起こる光化学反応を分光学的態についての帰属を試みた。

DNA 薄膜試料は Au 蒸着した Si ( 100 )基板上に水溶液な手法を用いて観測している。

をスピンコートすることによって作成した。一方，核酸塩
.

DNA 構成分子の NEXAFS スペクトル

基薄膜（～100 nm ）は Au 蒸着した Si(100)基板上に真空

生体分子の電子状態を調べることは，電離放射線のトラ

蒸着することによって作成した。実験は SPring-8 の日本日本原子力研究所 放射光科学研究センター 〒6795148 兵庫県佐用郡三日月町光都 1 丁目 11
58
2701 FAX: 0791
58
2740 E-mail: fujiken＠spring8.or.jp
TEL: 0791

――(C) 2003 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

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原子力研究所の軟 X 線ビームライン（ BL23SU （ VLS （4C＝O）とから，分子構造から判断して，p，
1 ピークは p

PGM ))7,8) において行った。 DNA 及びその構成塩基の窒素酸素の NEXAFS スペクトルは，試料ドレインカレン（ 2C ＝O ）と帰属した。 Uracil のスペクトルと比p
2 は p
較すると，p2ピークは明らかに blue shift しており，これト測定による全電子収量法によって得られた。 NEXAFS

は thymine のメチル基の効果であると考えられる。

スペクトルの帰属は mochizuki らの HF STEX による理DNA 塩基薄膜の窒素 K 殻吸収端近傍の NEXAFS スペ

論計算9) や， DV Xa 分子軌道法10) を用いた結果を元に行クト ルは Fig. 2 のように なった。これらのス ペクトルった。

は，以前に Kirtley らによって報告されたもの4) と，ほぼ得られた DNA 塩基薄膜の酸素 K 殻吸収端近傍の NEX-

等しいが，本研究で使用した光学系の分解能が高いため

AFS スペクトルは Fig. 1 のようになった。 Adenine は分に ， よ り 微 細 な 構 造 が 現 れ て い る 。 Uracil と thymine

子内に酸素原子が存在しないため，スペクトルには構造がは，どちらも類似した構造を示すことから，thymine のメ

現れていない。DVXa 法によって求めた，p軌道を傍線

チル基の効果はピリミジン環内に含まれる C N 結合の pでスペクトル中に示した。一般的に p共鳴励起ピークは

軌道へはあまり影響しないことを示している。一方，ade-sよりも低エネルギー側に現れる。DV Xa 法による計算

nine, guanine そして cytosine のプリン環やピリミジン環

では多くの s励起軌道が見られたため，図中には水平の外のアミノ基によって大きく red shift しており，アミノ

バーで示した。スペクトル中の p共鳴励起構造は各々の基の化学的特性は p 軌道に大きく影響することを示して塩基によって特徴のある構造を示している。この共鳴励起いる。

エネルギーは塩基分子内の置換基の化学的な特性に大きく

DNA 薄 膜 の 窒 素 と 酸 素 K 殻 NEXAFS ス ペ ク ト ル は影響を受ける。 Cytosine と guanine はほとんど同じエネ

Fig. 3 のようなものが得られた。窒素 K 殻 NEXAFS ス

ルギーのところに大きな一つの p共鳴ピークを持つ。そペクトル（ Fig. 3 ( a ））には， 398 ～ 403 eV 付近の二つのれに 比 べ て thymine で は pピ ーク は 二 つに 分 離 して お

鋭いピークと403～415 eV 付近の一つのブロードなピーク

り，それらを p
1 と p
2 と呼ぶこととする。各々のカルボニが見られた。これらのピークはすべて塩基に関係したピー

ル基の環境がそれぞれ，cytosine と guanine と似ているこクであると解釈できる。一方，酸素 K 殻 NEXAFS スペ

Figure 1. NEXAFS spectra of nucleobases thin ˆlms around oxygen K-edge region with the calculated presonant excitations DVXa
method (solid bar) of each nucleobases. The region of the s
resonant excitation is shown by a horizontal bar.

Figure 2. NEXAFS spectra of nucleobases thin ˆlms around nitrogen K-edge region with the calculated presonant excitations with
DVXa method (solid bar) of each nucleobases. The region of thesresonant excitation is shown by a horizontal bar.

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Figure 3. (a) NEXAFS spectrum of DNA thin ˆlms around nitrogen K-edge region and (b) oxygen K-edge region.

Figure 4. NEXAFS spectra of nucleobases thin ˆlms around nitrogen K-edge region of (a) adenine, (b) guanine, (c) cytosine,(d) thymine, and (e) uracil, respectively.

hydro 8 oxo guanine のような酸化的塩基損傷をスペー
クトル（ Fig. 3 (b ））では， 530 ～532 eV に一つの小さくサーである adenine の数を変化させることによって観測す

シャープなピークと532～550 eV に一つのブロードなピー

ることができれば，内殻共鳴励起は，塩基選択的励起によクが見られる。2 deoxyDribose5)とリン酸基11)の NEX-る光誘起の DNA 損傷のメカニズムを調べるための重要な

AFS スペクトルは538 eV 付近に強い，ブロードなピーク

ツールとなることが期待できる15)。

が現れると報告されており，このピークは s（ C O ）と帰属されている。低エネルギー側の小さなピークは，塩基.

の p共鳴励起に由来している。

NEXAFS スペクトル測定による DNA 構成塩基薄膜の表面配向構造

最近，DNA 分子内の電荷移動反応に関する研究が盛ん

核酸塩基はプリンあるいはピリミジンのように環構造をに行われている12,13)。それによると，DNA 内で起こったもち，DNA 中で核酸塩基は，隣り合う塩基はスタッキン

イオン化が，大きいときは八塩基対離れた所に移動してグ構造をとる。また，対をなす塩基とは水素結合で結ばれ

guanine へ局在化し，酸化的塩基損傷を引き起こすといわている。NEXAFS スペクトル測定では単に電子状態につれている。O'Neill らによって193 nm の UV を用いて，酸いての情報が得られるだけでなく， pや sといった異方化的塩基損傷が，他の塩基に比べてイオン化ポテンシャル性を持った分子軌道と放射光の持つ偏向特性を利用して，の低い gunanie に選択的に起こることが，塩基除去修復酵

表面での分子の配向構造を観測することが可能であ素を用いた実験および，理論的なアプローチによって調べ

る16) 。そこで，本研究では各々の核酸塩基の多分子薄膜られている14) 。内殻励起を行いた「塩基選択的励起」をにおいて，配向構造を決定することを試みた。実験に用い応用することにより，このような DNA 分子内電荷移動にた塩基薄膜試料は前述の実験と同様，真空蒸着によって作関して直接的な証拠を得ることが期待できる。たとえば，成し， NEXAFS スペクトルは，全電子収量法によって測T (A )n G のようなオリゴヌクレオチドに対して，530.5
eV （ thymine の p
1 ピークに相当）の光を照射すると，定した。また，放射光の電場ベクトルと薄膜表面の法線ベ

guanine の p共鳴励起エネルギーが 0.7 eV 程度高いため射光に対して回転させることによって変化させた。

から 90 °
まで試料基板を入クトルとのなす角度（ u）は30 °Fig. 4(a)(d)に adenine, guanine, cytosine, thymine,に thymine の酸素を選択的に励起することができる。このような試料を用いて，thymine の選択的励起によって起

uracil の窒素 K 殻 NEXAFS スペクトルの入射光偏光依存

こ る ， guanine サ イ ト の よ う な 離 れ た 位 置 で の 7,8 di-性を示した。 Adenine, guanine ，そして uracil の pピー

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Figure 5. Polarization dependence of the intensities of the presonances in the N 1s NEXAFS spectra of nucleobases. (▲×▼) show the normalized peak area ratios of lowest presonance ofadenine, guanine, cytosine, thymine and uracil obtained from curveˆtting procedure. Solid lines show the curve ˆtting results for adenine, guanine, cytosine, thymine and uracil respectively.

第巻第号()Figure 6. Polarization dependence of the intensities of the presonances in the N 1s NEXAFS spectra of 5-halouracils. (▲▼ )show the normalized peak area ratios of lowest presonance ofFUracil, ClUracil, BrUracil and IUracil obtained from curve ˆtting
procedure. Solid lines show the curve ˆtting results for FUracil,
ClUracil, BrUracil and IUracil respectively.

Thymine と 5halouracil の積層構造を比較すると，thymine で は 表 面 で 無 配 向 な 構 造 を 持 つ の に 対 し て ， 5 
クの強度に注目すると，斜入射条件（ small u ）において

halouracil は全て，配向構造を示している。 Thymine とは， sと同程度か大きいが， u が大きくなると pピーク

5 halouracil の分子構造の違いは C5 位置の官能基の違いの強度が小さくなっている。同様のことが酸素 K 殻にあるが，thymine のメチル基のファンデルワールス半径

NEXAFS ス ペ ク ト ル か ら も い え る 。 つ ま り ， adenine,は I 原 子 と ほ ぼ 等 し い 。 し か し な が ら ， IUracil と thy-

guanine, uracil 薄膜は何らかの配向構造を持っていること

mine の積層構造が異なるということは，分子の立体的配がわかった。一方， thymine と cytosine ではこのような置だけの問題ではないと推測される。メチル基はピリミジ

pピークの入射光の角度依存性は見られていない。つまン環内では，Halogen と比較すると大きな部分電荷密度をり， thymine と cytosine は表面では特定の配向構造を持持つ。5halouracil と thymine の積層構造の違いはこのよ

たないことがわかった。表面におけるプリンやピリミジン

うな官能基の持つ物理化学的な特徴を反映しているものと環の配向構造について詳しく調べるために，最も低エネル考えられる。

ギー側の pピーク強度の入射光偏光依存性についてプロットしたものが Fig. 5 である。実線は NEXAFS ピーク.

軟 X 線照射による DNA からの正イオン脱離反応

強度を入射光偏光依存性の関係式から求めたものである

放射線が及ぼす DNA への影響は単鎖切断（SSB）や二が，それによると，adenine: 15°, guanine: 38°, uracil: 16°

重鎖切断（DSB）のような構造変化や DNA からの核酸塩に配向した表面構造をもつことが分かった。また， thy-基の脱離，塩基の構造変化を伴うような塩基損傷や，たんmine と uracil は 同じ ピ リミ ジン 環を 持 つに もか か わら

ぱく質とのクロスリンクなどが挙げられるが，これらの損ず，配向構造が異なることがわかった。その理由について

傷は致死や突然変異といった深刻な生物効果を引き起こす

詳しく調べるために，5halouracil (X＝F, Cl, Br, I) のこ とが 報告さ れて いる17) 。こ れら の分子 的な 損傷は ，NEXAFS スペクトルの測定を行い，pピークの入射光偏DNA の直接的な励起やイオン化あるいは，水分子からの光依存性を調べたものが Fig. 6 である。それによるとすラジカル（OH など）による損傷を引き起こす（間接効

べ て の 5 halouracil が 表 面 配 向 構 造 を 持 ち ， 角 度 は果）。細胞内のような高濃度のラジカルスカベンジャーがであFUracil: 20°, ClUracil: 32°, BrUracil: 29°, IUracil: 32°

存在する条件下では，直接励起やイオン化といった直接効

った。酸素の p（C＝O）ピークに関しても同様の解析を果は比較的大きなウエイトを占めること（ 50 程度）が行い，guanine: 38°, uracil: 16°, FUracil: 29°, ClUracil:

最近報告されている1820) 。これまでに，軟 X 線照射が引と窒素 K 殻領域で得られた
23°, BrUracil: 23°, IUracil: 33°

き起こす放射線損傷やその後に起こる突然変異といった細結果とほぼ同じ結果を示した。つまり，環外のカルボニル

胞応答がいろいろと研究されている2,21)。この領域の電子基もプリンあるいはピリミジン環と同一平面内に存在してはバルク試料内で非弾性散乱によってそのエネルギーを失いることがわかった。

い，ついには数十 eV のエネルギーに落ち着く。これらの
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低エネルギー電子は解離 的電子付着（ dissociative elec-

構を明らかにするために，軟 X 線ビームラインに設置しtron attachment）によって DNA の鎖切断を引き起こすこ

た質量分析器（Fig. 7 ）を用いて DNA 構成分子からの正とが知られている22) 。一方，炭素，窒素，酸素およびリイオンの脱離を観測した。 DNA 構成分子を試料として用

ンの内殻励起イオン化は放射線による直接的なインパク

い，これらの分子からのイオン脱離を比較することによトによる分解と励起後に起こる，オージェ電子放出効果にり，酸素の内殻励起によって起こる，様々な DNA 構成分

よる分解が考えられ，興味ある現象が期待される。低エネ子の分子応答の違いについて調べた。
実 験 は SPring-8 軟 X 線 ビ ー ム ラ イ ン BL23SU に お い

ルギー電子線の代わりに，放射光からの光を分光して用いる，単色軟 X 線を利用して，DNA 鎖切断2327)やヌクレオて 行 っ た 。 thymine,

thymidinemonophosphate5′チドの光分解28)などの研究がなされている。
我々は NEXAFS スペクトルの変化や FT IR スペクトルの測定により，酸素の K 殻励起によって起こる， 2 

deoxy D ribose の効率よい分解が起こることを報告している5,6) 。それに加えて，我々は thymine の SR 照射による最終生 成物の分 析を HPLC を用いて すでに行 っている29)。しかしながら DNA から放出される，光照射による生成物を直接的に観測するような，物理的な初期過程の研究例は非常に少ない。生体分子で起こる放射線に対する応答は，長寿命ラジカルに代表されるような，比較的遅い時間で起こる過程（マイクロ秒から数時間のオーダーまで）についてはさまざまな実験がなされていが，物理的な初期過程（ピコ秒オーダー）でどのような反応が起こるかについてはほとんどわかっていない。
照射試料からの正イオン脱離の検出は，残留ガス測定用の質量分析器と試料との間に適当なイオン引き込み電場を与えることによって容易に行うことができる。光刺激イオ
ン脱離反応（PSID ）に関しては固体表面上の有機分子に対して多くの研究がなされており，その反応機構を示すい
くつかのモデルが提唱されている3033)。本研究では DNA
損傷，特に DNA 中の酸素原子の直接励起イオン化を通して起こる鎖切断や塩基損傷に注目して，その分子反応機

Figure 7. Illustration of photon-stimulated desorption chamber.
The vacuum chamber is connected to the beamline vacuum pipe.

Figure 8. Molecular structure of each DNA components of (a) 2-deoxy-D-ribose, (b) thymine, (c) thymidine (dT) and(d) thymidine 5′-monophosphate (TMP).

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上に ASID や UFD といった共鳴励起効果が加わっていると考えられる。
まず，d-Ribose の脱離イオンスペクトル（Fig. 11 (a ））＋＋＋＋に注目すると，H＋, CH＋
2 , CH 3 , C2H 2 , C2H 3 , CO ,＋＋＋＋CHO＋, CH3O＋, C3H＋
3 , C2HO , C2H 2O , C2H 3O , C3H 3O

イオンが観測された。 d-Ribose において，酸素の内殻準位を励起しているにもかかわらず，OH 基の脱離によって観測されるような， O＋ や OH＋ のイオン信号は観測されていない。また， CH＋
3 イオンは単純な分子分解ではな
Figure 9. Schematic layout for desorbed positive ion measurement
by irradiating the monochromatic soft X-rays.

く，たとえば CH2 と H＋ の再結合反応のような過程によって生成しているものと考えられる。今回観測されたさま
ざまなイオン種から判断すると，フラノース環の C C とC O あるいは CC 結合が同時に切断して生成しているものと考えられ，どの部位の切断に由来するかは特定できな
いが，フラノース環がバラバラに壊れていると予想される。フラノース環は平面からゆがんだ構造を持つことが知られており34)，thymine のような環状分子よりも比較的高
い内部エネルギーを持つと考えられる。また，thymine のピリミジン環に存在するような二重結合がフラノース環には存在しないことから，酸素原子への光励起によって，d-Ribose は環構造を維持できないような分子分解を引き起こすと思われる。つまり，糖のサイトは DNA 中では脆弱部位となることが予想できる。また， d-Ribose で確認さFigure 10. Obtained NEXAFS spectra for (a) 2-deoxy-D-ribose,(b) thymine, (c) dT, and (d) TMP thin ˆlms around the oxygen Kshell excitation region.

(TMP), thymidine (dT), 2deoxyDribose (dRibose)など DNA 構成分子の薄膜を試料として用いた（Fig. 8）。
傾いた方薄膜表面からの脱離イオンは入射軟 X 線から55°
向に，試料表面からおよそ 30 mm 離れた位置に設置された四重極質量分析器によって正イオンを観測した（ Fig.

9 ）。イオンの検出感度を上げるために，試料には＋ 40 Vのバイアス電圧を印加している。

NEXAFS スペクトルを測定することで酸素の内殻励起領域での光吸収断面積を見積もり，各々の試料について

Fig. 10 ( a )( d )のようなスペクトルを得た。すべての試料において吸収強度の比較的大きなエネルギー（538 eV ）を選び，励起エネルギーを固定して，脱離イオンの質量分析を行った結果が Fig. 11 ( a )( d )である。これらのイオ
ン強度は，照射のフルエンスと照射時間でノーマライズした。照射された DNA 構成分子からの分子フラグメントの直接観測は，DNA ダメージの化学的あるいは生物的過程の前に起こる，初期の物理的な過程に関する情報を与える。PSID に関するモデルは有機分子や無機分子系において ， KF モ デ ル31) ， ASID モ デ ル32) ， UFD モ デ ル33) や

XESD モデル34) といったいくつかのモデルが提唱されている。今回試料として用いた DNA 構成分子薄膜においては，凝縮系のために XESD のようなバックグラウンドのFigure 11. Obtained mass spectra of positive ions from (a) 2deoxy-D-ribose, (b) thymine, (c) dT and (d) TMP thin ˆlms following oxygen core excitation (538 eV). Ion counts were normalizedwith photon-‰ux, irradiation time and X-ray absorption intensity.

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第巻第号()れ た C2H3O＋ イ オ ン の 生 成 は DNA 分 子 中 で は b-d-SSB

CHNO＋, C3H3O＋ イオンが観測された（Fig. 11(b））。質という d-Ribose が完全に抜けて 5 ′リン酸基末端が現, 3′

量 15 のところに比較的高い収量を持つイオンが観測されれるような鎖切断を引き起こす。この型の SSB と gua-ている。このイオンの帰属としては NH＋ と CH＋3 が考え

nine の酸化的塩基損傷（ 7,8 dihydro8oxoguanine ）がられるが，カウンターイオンである， CHNO＋ や CO＋ の対になった cluster 損 傷は塩基除 去修復酵素 のグリコシ収量が比較的小さいことから，このイオンは CH＋
3 である

レース活性 の強い阻害 を引き起こ すことが知 られていと帰属した。Thymine からの CH＋3 の脱離は DNA 分子中る35) 。つまり，このような損傷は修復できない致命的なで thymine から uracil のポイントミューテーションを引損傷となる。Fig. 12に d-Ribose からの脱離イオン収量のき起こすと思われる。一般に塩基損傷としての uracil は酸素の内殻励起領域での励起エネルギー依存性を示す。そcytosine の脱アミノ反応によって生成することはよく知られによると，すべてのイオンが同じようなスペクトル構造

れているが18) ，今回得られた結果は，直接効果によってを示し， 538 eV 付近の O1s → s（ C O ）共鳴励起エネル

thymine からの uracil の生成を示唆するものと思われる。

ギーでイオン収量の増加が見られている。正孔正孔反発

直接効果による thymine から uracil の生成についてはす

力を考慮に入れた ASID のメカニズムは共有結合や化学でに我々の HPLC を用いた照射最終生成物の分析におい結合系に適応されている。加えて，オージェ過程などによても確認されている29) 。水溶液系の実験では thymine かって生成した二次電子が引き起こす脱離は ASID とは区ら HMU や DHT, for Ura な どの 生 成が 確認 され てい る

別して， XESD と呼ばれている。 XESD によって生じたが36) ，我々の結果では，これらの高い質量のイオンは観

イオンは X 線吸収スペクトルに比例すると考えられるた

測されていない。観測された CO＋, C2NH＋, CNOH＋ イオ

めに，今回得られたスペクトルから判断して， d-Ribose

ンはピリミジン環の分解に由来するものと考えられる。こからの脱離イオンはおもにこの XESD が支配的であるとれらのイオン収量は CH＋3 に比べると少ないため，ピリミ

考えられる。

ジン環の分解は uracil の生成に比べると低いと考えられる。

＋＋＋
Thymine の薄膜からは，H＋, CH＋
2 , CH3 , CO , C2HN ,＋dT 薄膜では，主なイオンとして H＋, CH＋
3 , CO , C2

HO＋, C3H3O＋ イオンが観測された（Fig. 11(c））。他のス
ペクトルに比べて S /N 比が低いために， 27や 41といったイオンがはっきりと分離されていないことがわかる。一方，TMP 薄膜では，CH＋3 イオンが dT よりも多く観測さ＋れた。dT で見られたイオンに加えて，C2H＋
3 , CHO , C 2

NH＋,

CHNO＋ イオンが観測された（Fig. 11 (d））。thy-mine と dT, TMP のイオン強度は d-Ribose の強度の 1 / 3程度であった。dT と TMP のマスパターンは d-Ribose とthymine のスペクトルの線形結合で表現可能であることか
ら，分子フラグメントは糖と塩基の両方のサイトで生成しているものと考えられる。
今回のマススペクトルから得られた， d-Ribose を除いた thymine, dT, TMP 薄膜の全イオン強度は比較的同じ
よ う な 値 を 示 し て い る が ， M äullar ら37) の thymine, dT,

TMP におけるフリーラジカルの生成の G 値はそれぞれ，
0.1, 0.4, 2.0 と大きく異なっている。水溶液系では水素が付加した中性ラジカルが主に検出されている。つまり，

DNA 分解に関するすべての物理化学的な直接効果を明らかにするには，イオンの検出だけでなく中性脱離の観測が必要となる。
通常ひとまとめに鎖切断や塩基損傷と呼んでいる損傷にもさまざまな損傷過程が考えられ，その損傷によって生じた最終生成物もまた，さまざまな構造をもつ。軟 X 線に
Figure 12. NEXAFS spectrum of 2-deoxy-D-ribose (a) and photon energy dependence of the yield of the desorbed (b) H ＋, (c)＋＋＋＋ per conCH＋
2 , (d) C 2H 2 , (e) CHO , (f) C 3H 3 and (g) C 2HO
stant photon ‰ux (8.9×1010 photon/s) respectively around oxygen
K-edge region. The error bars were determined by the ‰uctuation of
the yield at the same photon energy.

よって引き起こされる直接効果によって生じたダメージ
は，高密度な励起によって，クラスター化した損傷が起こることが知られており，また，そのようなダメージが容易に修復されないような，致命的なダメージを生体に与えるとして，注目されている。また，それぞれの損傷がどのよ

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放射光

うな励起によって特異的に生成するのかといった生成メカ
ニズムを解明することも重要であり，今後の課題である。
.

まとめ

13)

本研究では高輝度光源からの単色軟 X 線を用いて，まず， DNA 構成塩基の窒素および酸素の NEXAFS スペク
トルの測定を行った。それによると，塩基種の違いによる電子状態の違いによって DNA 中で，塩基を選択的に励起する，「塩基選択的励起」の可能性を見出すことができた。また， NEXAFS スペクトルの入射光偏光角度依存性より，adenine, guanine, uracil 薄膜は分子が配向構造をもつことが明らかになった。さらに，軟 X 線による DNA
損傷のメカニズムについて探るために，光照射によって生じたイオンを検出するための，装置を立ち上げ，いくつかの DNA 構成分子について，酸素 K 殻励起領域での脱離イオン観測を行い，直接励起によって生じる DNA 損傷のメカニズムについての有力な知見を得ることができた。
謝

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辞

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DV Xa 分子軌道計算について助言をいただきました，
理化学研究所の菊池昌裕博士，日本原子力研究所の村松康
司博士，関口哲司博士，そして，質量分析装置の立ち上げに関して助言をいただきました，馬場祐治博士に感謝申し上げます。また，ビームラインの調整に関係された，日本

24)
25)

原子力研究所のビームラインスタッフの皆様に感謝申し上げます。最後に共同研究者である，日本原子力研究所の赤26)

松憲博士，横谷明徳博士に感謝申し上げます。
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参考文献
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