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Schreier, Wolfgang (2008): UV-Strahlung und DNA-Schäden: Untersuchung UV-induzierter Prozesse in Nukleinsäuren mit Femtosekunden-Infrarotspektroskopie. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Ultraviolet radiation can lead to photo-lesions and mutations in DNA, which can cause several diseases, most notably skin carcinomas. The most abundant UV-induced photo-lesions result from the formation of a cyclobutane ring between adjacent thymine bases (CPD-lesions). Although the formation of these thymine dimers has been reported in the early 1960s, until now neither the time scale of dimer formation nor the reaction mechanism has been resolved. The focus of this work is on the investigation of photophysical and photochemical processes in nucleic acids on the picosecond time scale. Pump-probe spectroscopy allows the investigation of ultrafast, photo-induced processes. The applied spectrometer is based on a central femtosecond laser system. The emitted short light pulses (800 nm, 90 fs) are converted via nonlinear processes into the required spectral regions (ultraviolet pump: ~ 270 nm, mid infrared probe: 3 - 10 µm). In this way the high-structure sensitivity of vibrational spectroscopy can be combined with a time resolution in the sub picosecond regime. For the investigation of thymine dimer formation, two thymine derivatives were chosen: the 18-mer all-thymine single strand (dT)18 and the mononucleotide thymidine-5'-monophosphate. Additional experiments were performed on the all-adenine single strand poly(A) and the mononucleotide adenine-5'-monophosphate, as adenine is the complementary base of thymine in the DNA double helix. While in AMP virtually all excited adenine bases return to the vibrationally excited ground state via a fast, internal conversion (< 1 ps), there is an additional population of long-lived, electronic states in poly(A), with lifetimes in the 100 ps- and ns-regime. The population of these states correlates with the amount of stacked bases in poly(A). This can be explained by the formation of excimer states. The IR absorption of these states could be deduced in this paper for the first time. To resolve the UV-induced formation of CPD-lesions, the characteristic IR absorption of thymine dimers was determined from stationary irradiation experiments on (dT)18. Afterward the formation of thymine dimers in (dT)18 was shown to occur within one picosecond (10^-12 s) by comparing the time resolved measurements on TMP and (dT)18. Long-lived electronic states (100 ps - 1 ns) do not lead to dimer formation. Therefore, the photoreaction can only take place if the conformation of two bases at the moment of UV absorption is already suitable for dimerization. This interpretation can be transferred to the DNA double helix, in which deviations from the ideal helix structure are necessary for dimer formation. In this work a fundamental question of photochemical reactions in DNA is resolved, which is of central importance to the understanding of the frequency of damage and mutation patterns in the genome.

Abstract

UV-Strahlung kann zu Photoschäden und Mutationen in der DNA führen, die Ausgangspunkt für eine Reihe von Krankheiten wie z.B. Hautkrebs sein können. Der häufigste durch UV-Strahlung induzierte Photoschaden beruht auf einer Verknüpfung benachbarter Thymin-Basen durch einen Zyklobutanring (CPD-Schaden). Obwohl die Bildung dieser Thymin-Dimere bereits seit 1960 bekannt ist, konnte bisher weder die Zeitskala noch der Mechanismus dieser Reaktion eindeutig geklärt werden. Thema dieser Arbeit ist deshalb die Untersuchung photophysikalischer und photochemischer Prozesse in Nukleinsäuren. Mit der Methode der Anreg-Abtast-Spektroskopie können ultraschnelle photoinduzierte Prozesse beobachtet werden. Das in dieser Arbeit eingesetzte Spektrometer basiert auf einem zentralen Femtosekunden-Lasersystem, dessen Lichtimpulse (800 nm, 90 fs) über nichtlineare Prozesse in die benötigten Spektralbereiche (Anregung im UV: ~ 270 nm, Abtasten im mittleren Infraroten: 3 - 10 µm) konvertiert werden können. Mit dieser Technik lässt sich die hohe Struktursensitivität der Schwingungs-Spektroskopie mit einer Zeitauflösung im Subpikosekunden-Bereich kombinieren. Für die Untersuchung der Bildung von Thymin-Dimeren wurden zwei Thymin-Derivate ausgewählt: das einzelsträngige Thymin-Homopolymer (dT)18 und das Mononukleotid Thymidin-5'-Monophosphat (TMP). Zusätzlich wurden Experimente an dem einzelsträngigen Adenin-Homopolymer poly(A) und dem Mononukleotid Adenosin-5'-Monophos\-phat (AMP) durchgeführt, deren Adenin-Basen die zu Thymin komplementären Bestandteile der DNA darstellen. Während in AMP alle Adenin-Basen nach UV-Anregung eine schnelle interne Konversion (< 1 ps) in den schwingungsangeregten Grundzustand erfahren, werden in poly(A) zusätzlich langlebige elektronische Zustände mit Lebensdauern im 100 ps- und ns-Bereich bevölkert. Das Auftreten dieser Zustände korreliert mit der Stapelung der Adenin-Basen in poly(A). Dies deutet auf die Bildung von Excimer-Zuständen hin, deren IR-Absorption in dieser Arbeit erstmals bestimmt werden konnte. Für die Aufklärung der UV-induzierten CPD-Bildung wurde zunächst in stationären Belichtungsexperimenten die charakteristische IR-Absorption von Thymin-Dimeren bestimmt. Anschließend konnte durch einen Vergleich der Messungen an TMP und (dT)18 die Bildung von Thymin-Dimeren in (dT)18 innerhalb einer Pikosekunde (10^-12 s) nachgewiesen werden. Ebenfalls auftretende langlebige elektronische Zustände (100 ps - 1 ns) führen dagegen nicht zur Dimer-Bildung. Die Photoreaktion ist deshalb nur möglich, wenn die Anordnung zweier Basen zum Zeitpunkt der UV-Absorption bereits für eine Dimerisierung geeignet ist. Diese Interpretation lässt sich auch auf die DNA-Doppelhelix übertragen, in der erst Abweichungen von der idealen Helix-Struktur eine Dimer-Bildung erlauben. In dieser Arbeit konnte damit eine grundlegende Frage zur Photochemie von DNA-Molekülen gelöst werden, die für eine Interpretation von Schadenshäufigkeiten und Mutationsmustern im Genom von zentraler Bedeutung ist.