单线态氧介导的光催化在DNA中产生无碱基位点

光与DNA损伤为何重要

我们的细胞不断受到来自阳光和其他反应性化学物质的损伤。保存遗传信息的DNA在这些条件下出人意料地脆弱。本研究探讨了一种标准检测多半忽视的隐性光诱导DNA损伤，揭示了当DNA暴露并存在特定染料样分子时，某些位点的碱基如何完全丢失。

仔细观察DNA中的缺失片段

以往关于光驱动DNA损伤的研究多集中在碱基本身的改变，尤其是最易被氧化的鸟嘌呤。但还有另一种非常有害的损伤形式，称为无碱基位点，此处碱基丢失，仅剩糖-磷酸骨架。这类位点会阻滞或误导复制和修复DNA的细胞机器，还可能与其他DNA链或蛋白形成不期望的交联。由于无碱基位点不再像正常碱基那样吸收紫外光，常规分析方法几乎无法检测到它们，因此其发生频率很可能被低估了。

使用模型DNA与有色助剂

为发现这种隐性损伤，研究人员使用了一段短而知名的双链DNA，其三维结构已被仔细绘制。他们将其与常见光催化剂（包括一种叫玫瑰红的染料）混合，并照射这些染料能高效吸收的彩色光。受激染料将能量传递给氧，产生一种称为单线态氧的反应性形式，能够攻击DNA。研究团队没有先将DNA切成小片，而是用灵敏的质谱技术和特殊凝胶分析完整链，从而能够发现诸如无碱基位点这类不吸光的损伤。

发现易损位置

实验显示，鸟嘌呤碱基不仅被化学改性，实际上还被移除，产生与其他已知损伤类似水平的无碱基位点。这些丢失的碱基多出现在DNA末端，那里的鸟嘌呤更易向溶液暴露。通过短时间加热并使用能选择性在无碱基位点断裂的化学试剂，研究人员能够更精确地定位这些位点。他们还改变DNA序列、将鸟嘌呤移离末端，并测试单链DNA以及在人类染色体端形成的特殊四链结构。在所有情况下，越是向溶剂和空间开放的鸟嘌呤越容易转变为无碱基位点，有些四链构象尤为明显地表现出高水平的损伤。

反应性氧如何导致碱基丢失

为弄清这种损伤的触发机制，团队去除了溶液中的氧，发现无碱基位点几乎消失，证明氧是必需的。随后他们加入能选择性清除不同反应性物种的化学物质。单线态氧猝灭剂几乎消除了无碱基位点的形成，而清除其他反应性氧形式的试剂几乎无影响，由此确定单线态氧为主要元凶。进一步使用已含氧化鸟嘌呤变体的DNA进行测试表明，碱基的丢失并非通过最常见的氧化路径发生。相反，损伤似乎源于单线态氧反应中非常早期且高度反应性的中间体，这些中间体促使鸟嘌呤与DNA骨架之间的键断裂。

这对基于光的工具意味着什么

许多现代生化工具有意使用光和光催化剂来高精度地标记或交联DNA和RNA。本研究表明，在这类条件下，DNA甚至RNA会在鸟嘌呤最暴露的地方悄悄积累无碱基位点。对于设计光激活探针和疗法的人来说，这强调了必须考虑这种微妙但严重的损伤形式。对于普通读者，核心信息是：我们遗传物质中由光驱动的反应比以往想象的更为多样，理解这些隐性路径可以帮助科学家设计出更安全、更可靠的分子工具。

引用: Yamano, Y., Onizuka, K., Altan, O. et al. Singlet oxygen-mediated photocatalytic generation of abasic sites in DNA. Commun Chem 9, 175 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01979-8

关键词: DNA 损伤, 单线态氧, 无碱基位点, 光催化, 氧化应激