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火力发电、焦化工业、炼钢、石油炼制、垃圾焚烧、食品熏制等行业都会产生大量的多环芳烃(PAHs),主要包括有萘、蒽、荧蒽、苯并[a]芘、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[g,h,i]茈等。已经发现,焦炉作业人群的肺癌率(发病率或死亡率)显著高于一般人群,肺癌率随接触量和接触年数的增加而显著增高。生命稳定延续依赖于DNA精确复制和DNA完整的分子结构,然而PAHs在体内可诱导氧化代谢反应而损伤DNA。例如,萘或葸在体内可以被氧化代谢形成N2-NaphG或N2-AnthG,苯并[a]芘被氧化代谢形成N2-B[a]P G。另外,环境中存在大量小分子毒物,如甲醇、甲醛、酒精、氯化苄等,其在体内进行代谢,可形成N2-MeG,N2-EtG,N2-BzG等DNA损伤。已经在饮酒者的肝脏和白细胞DNA中都发现大量N2-Ethyl G。这些环境毒物形成了N2-烷基嘌呤(N2-Alkyl G)而改变了DNA分子结构,从而导致突变、癌症、肿瘤、细胞死亡、老化等,威胁人类健康。然而这些损伤影响DNA复制的具体机制并不清楚,其中的重点和难点是这类损伤是否、以及如何导致DNA复制错配或中断,这些都是该领域国际上亟待解决的前沿课题。我们采用Sulfolobus solfataricus Y-类DNA聚合酶Dpo4研究了环境毒物形成的一系列N2-Alkyl G DNA损伤,发现N2-MeG基本不影响DNA复制效率和忠实性,但对于N2-EtG或更大分子的DNA损伤,复制效率和忠实性降低10~100倍,增加了DNA复制的错配、突变频率,发现其原因是由于N2-Alkyl G损伤降低了DNA聚合酶构型改变的速率。若暴露在过量的环境毒物中,还可以进一步形成N2,N2-diAlkyl G DNA损伤。我们发现N2,N2-Me2G的复制效率相对于G降低了105倍,形成随机错配、突变,阻断了DNA复制而导致细胞死亡,所以其毒害性远远超过N2-Alkyl G。这些工作为Y-类DNA聚合酶复制经过N2-Alkyl G或N2,N2-diAlkyl G DNA损伤时导致错配、突变提供了系统深入的认识,揭示了大分子或超剂量的环境毒物导致DNA复制错配、突变、细胞死亡等过程的分子机理(J Biol Chem 2009,284,3563~3576,封面文章;JBiol Chem 2009,284,17687~17699;J Mol Biol 2010,395,1007~1018和Chem ResToxicol 2008,21,2443,会议论文)。为从理论上进一步研究嘌呤2位取代基团对DNA复制的效率和忠实性的影响,采用了2位为H,F,O或Br单原子取代的嘌呤,研究了这些取代原子对Y-类DNA聚合酶Dpo4和A-类T7 DNA聚合酶复制效率和错配率的影响。发现这些取代原子的电子效应和立体效应共同影响着DNA复制的效率和忠实性,影响聚合效率的原因不再是以前所公认的损伤基团的体积效应,而是由体积和电子效应共同决定的,这是DNA损伤复制领域中的一个新理论,对进一步理解N2-Alkyl G DNA损伤降低聚合效率和忠实性提供了理论解释(J Mol Biol 2009,392,251~269和Cbem ResTroxicol 2010,23,275,会议论文)。