生物化学

如何'ADN réagit sous le soleil

Les rayons 紫外线 solaires provoquent des cancers de la peau, en modifiant l'ADN des cellules de ce tissu. Les mécanismes photochimiques en cause se précisent.

,和Evelyne Sage 对于科学N°406
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晒黑皮肤(晒黑)是一种可以追溯到一开始的做法。 xxe 在欧洲的世纪。直到 ixe 一个世纪以来,苍白的肤色证明了贵族的归属,而在露天运动的工人阶级和农民阶级的肤色则古铜色。然后,工业革命将工人限制在远离太阳的工厂里,而有钱人的社会阶层又重新发现了海边旅游。 1936年,随着带薪假期的来临,晒黑的皮肤成为一种时尚现象。

On découvrit ainsi les méfaits du soleil lors d'une exposition prolongée 和 les dangers des coups de soleil. Car les rayons 紫外线 du 太阳 provoquent des cancers de la peau. On changea la formulation des crèmes solaires – dont les premières apparurent dans les années 1920 – pour qu'elles deviennent des filtres anti-ultraviolets b 之所以有效,是因为据信只有太阳光谱的这一部分对皮肤有害。但是通过什么机制呢?

Dès les années 1960, les chimistes ont étudié les effets des rayons 紫外线 sur l'脱氧核糖核酸, support de l'information génétique, des cellules de peau ; ils ont découvert que les 紫外线 b 在分子的某些原子之间建立键 脱氧核糖核酸, alors que les 紫外线 a agissent indirectement en altérant divers constituants des cellules de peau. 的effet des 紫外线 a était surtout associé au vieillissement cutané. Les 紫外线 b,尽管在到达皮肤的太阳辐射中重要性较低(我们将再次讨论),因此似乎更危险。

Toutefois, depuis la fin des années 1990, on sait qu'on ne peut plus négliger l'impact des 紫外线 a :它们不仅代表到达皮肤的太阳光谱的很大一部分,而且还可以引起实验动物的肿瘤。

我们最近还表明,它们会在脱氧核糖核酸, comme le font les 紫外线 b。但是,这些化学结构的变化脱氧核糖核酸 会导致基因突变,甚至导致癌症。

法国人与太阳

En 2008, une étude sociologique de la Sécurité sociale 和 de l'Inserm montrait que si la majorité des Français déclarent être conscients des risques liés à une exposition au soleil, leur comportement sur les plages ne traduit pas cette apparente conviction : moins d'un tiers se protègent 和 la plupart s'exposent aux heures les plus ensoleillées de la journée. Il n'est donc pas surprenant de constater que le nombre de cancers de la peau augmente de cinq à sept pour cent par an en Europe, 和 que 90 000 nouveaux cas sont diagnostiqués chaque année en France ; 1 300 personnes en meurent. 如何es 紫外线 provoquent-ils ces cancers ?

脱氧核糖核酸 具有复杂的化学结构,可以忠实地复制并翻译成蛋白质。它由含氮的“碱基”(或称为腺嘌呤,胞嘧啶,鸟嘌呤和胸腺嘧啶的核酸碱基)与糖和磷酸盐的“骨架”相连。它由缠绕在双螺旋中的两条“链”组成。但是,许多化学或物理试剂会损坏碱基或主链。有时这会导致突变,即遗传信息的修改。有关细胞可能以不受控制的方式繁殖,这是癌变机制的第一步。

因此,紫外线能够改变脱氧核糖核酸. C'est surtout du fait de leur présence dans la lumière solaire que les 紫外线 représentent un problème de santé publique. En effet, ils sont responsables de la majorité des cancers de la peau, les carcinomes cutanés 和 les mélanomes. Ce second type de tumeurs, le moins répandu (moins de dix d百分比es cancers de la peau), est inquiétant à deux titres : d'une part, les cellules tumorales d'un mélanome se répandent facilement en formant des métastases, des cellules cancéreuses mobiles qui colonisent d'autres tissus, 和 d'autre part, aucun traitement efficace n'est aujourd'hui disponible (见方框 第50页).

因此,我们长期以来研究了脱氧核糖核酸 causés par les 紫外线, les premiers travaux datant de la fin des années 1950. Ainsi, nous verrons que sous l'effet des 紫外线, les bases de l'脱氧核糖核酸 réagissent pour donner des « 摄影产品», bien que nous n'ayons pas encore identifié toutes les étapes de leur formation.

Le rayonnement ultraviolet solaire est formé de photons dont la gamme d'énergies est vaste. Les 紫外线 c的波长最小(从200到280纳米),是能量最高,吸收效率最高的脱氧核糖核酸. Les 紫外线 b (de 280 à 320 nanomètres) 和 les 紫外线 a (de 320 à 400 nanomètres) ont des énergies plus faibles que celles des 紫外线 c. Mais la couche d'ozone dans l'atmosphère bloque les 紫外线 c émis par le 太阳, la majorité des 紫外线 b, 和 deux tiers des 紫外线 a (见图1). Ainsi, on retrouve dans la lumière solaire au niveau du sol plus de 95 d百分比'ultraviolets a 和 moins de cinq d百分比'ultraviolets b,该比例根据一天中的时间,纬度和海拔高度而变化。

光子会损坏脱氧核糖核酸

入射辐射的波长决定了对辐射的损害的性质。脱氧核糖核酸,因此产生生物学后果。的确,脱氧核糖核酸 细胞基因组修复系统并没有全部有害,也没有以同样的效率消除它们。

而且,脱氧核糖核酸 在紫外线中具有最大吸收 c (à 257 nanomètres), absorption qui diminue ensuite pour les 紫外线 b 和 devient très faible pour les 紫外线 a. Ainsi, les 紫外线 c sont les plus absorbés, mais – nous l'avons évoqué – ils sont réfléchis par l'atmosphère dans l'espace. À l'inverse, les 紫外线 a 是吸收最少的,但它们是大气传播最好的,因此也是最丰富的。现在,被脱氧核糖核酸, les 紫外线 b solaires engendrent des réactions photochimiques entre ses bases. Les 紫外线 a,同时导致氧化脱氧核糖核酸 通过 间接机制。

在2003年,我们的团队 这个 à Grenoble 和 de l'Institut Curie ont montré qu'en plus de ces mécanismes d'oxydation qui leur sont spécifiques, les 紫外线 a 损坏脱氧核糖核酸 comme le font les 紫外线 b。我们在培养的细胞中获得了这些结果,并在2006年与Pierre Fabre研究所合作,在人体皮肤中证实了它们。让我们看看它是什么。

Pour comprendre pourquoi les 紫外线 créent des mutations, les photochimistes étudient comment l'absorption d'un photon endommage l'脱氧核糖核酸. Les bases (et non le squelette sucre-phosphate) absorbent les photons 紫外线, ce qui modifie la structure électronique des atomes (la configuration des électrons autour des noyaux) : l'脱氧核糖核酸 发现自己处于一种名为“兴奋”的状态,也就是说,他的能量比他通常的状态更高。然后其成分可以相互反应。

如果在1960年代进行的第一批作品专门用于脱氧核糖核酸,今天我们正在研究脱氧核糖核酸 双链的。一方面,由于计算机的强大功能使得能够进行复杂的计算,另一方面,由于时间分辨光谱技术的发展,使得这些进展成为可能。照片产品的外观 (参见对面的方框).

我们首先研究了脱氧核糖核酸 absorbe les 紫外线 a。我们在实验室制造了一个模型脱氧核糖核酸 由20个腺嘌呤-胸腺嘧啶碱基对组成: 脱氧核糖核酸 présente une absorption faible, mais réelle, des 紫外线 a (见图2)。相反,这些孤立的碱的混合物不吸收这些波长。这些结果表明,与长期以来认为的相反,脱氧核糖核酸 sont possibles non seulement avec les 紫外线 c b, mais aussi avec les 紫外线 a.

Ensuite, grâce à la spectrométrie résolue en temps, nous avons montré que les états excités responsables de l'absorption des 紫外线 a diffèrent de ceux qui donnent lieu à l'absorption des 紫外线 bc :这些是所谓的电荷转移状态。换句话说,在相应的电子配置中,一些碱基带正电,而另一些则带负电,因此它们可以相互反应。

紫外线吸收的紫外线能量发生了什么变化脱氧核糖核酸 ?很大一部分以热的形式散布在周围环境中。脱氧核糖核酸。另一个分布在各个碱基之间,它们从一种激发态转变为另一种激发态。在实验室中,我们证明了这种能量传递开始于不到100飞秒(100 3 10–15 第二)吸收后。很小的一部分脱氧核糖核酸 被激发后会发出荧光辐射。另一个,甚至更小的,发生化学反应。

La fusion des bases par les 紫外线 b

以双螺旋形式实时可视化照片产品的外观脱氧核糖核酸 目前仍然是一个挑战。确实,反应的可能性脱氧核糖核酸 很弱然而,光化学家通过研究仅由胸腺嘧啶形成的单链来进步,该链比双螺旋更具反应性。因此我们了解到吸收紫外线光子之间的时间 c 和 la formation d'un photoproduit dépend beaucoup de la structure chimique de ce dernier. Par exemple, les dimères de thymines – des 摄影产品formés de deux thymines liées – de la classe des cyclobutanes apparaissent en moins d'une picoseconde (10–12 seconde), alors que quatre millisecondes sont nécessaires à la formation de ceux de la classe des 摄影产品(6-4) (leur nom provient de la position des atomes qui réagissent dans la molécule), car la réaction met en jeu un composé intermédiaire.

Entre 1960 和 1990, les chimistes ont étudié la structure des 摄影产品découlant de ces états excités. Ils ont effectué la plupart des expériences sur de courts fragments d'脱氧核糖核酸, faciles à obtenir en grande quantité, en les exposant à de fortes doses de rayons 紫外线 b。因此,他们表明,只有四个基地中的两个脱氧核糖核酸 涉及:胸腺嘧啶和胞嘧啶,它们属于嘧啶家族。当这些碱基并排排列时脱氧核糖核酸, de nouvelles liaisons covalentes – des liaisons chimiques fortes – se créent entre elles, ce qui engendre des 摄影产品dimériques.

Pourquoi les pyrimidines sont-elles les seules à réagir quand elles sont excitées ? Elles présentent dans leur structure chimique une double liaison entre deux atomes de carbone. En 1958, l'équipe néerlandaise de R. Beukers 和 de W. Berends a identifié le premier produit résultant du réarrangement des doubles liaisons de deux thymines. Une telle structure contenant un cycle à quatre atomes est un dimère de type cyclobutane. Depuis cette découverte, on a identifié d'autres 摄影产品et on a mis en évidence le même type de réactions entre deux cytosines, ou une thymine 和 une cytosine.

On retrouve donc un grand nombre de 摄影产品dans l'脱氧核糖核酸. Pour les détecter, on a développé des méthodes qui combinent des approches biochimiques, avec la production chez le lapin d'anticorps reconnaissant les photoproduits, 和 de chimie analytique, par exemple avec une séparation chromatographique des 摄影产品de l'脱氧核糖核酸 (请参阅第51页的方框)。然后有可能量化各种光产物的形成。

Ainsi, les séquences thymine-thymine 和 thymine-cytosine réagissent davantage sous l'effet des 紫外线 que les couples cytosine-thymine 和 cytosine-cytosine. Outre son influence sur l'efficacité de la réaction, la séquence modifie le rapport entre dimères cyclobutanes 和 摄影产品(6-4). Cette répartition des différents 摄影产品est la même dans l'脱氧核糖核酸 在溶液中以及在细胞和皮肤中是纯净的:一旦吸收了光子,环境几乎不会改变光子的光化学。脱氧核糖核酸. En revanche, le rendement des réactions diminue quand on passe des cellules isolées à la peau, du fait de sa pigmentation. En effet, la mélanine, un biopolymère absorbant les 紫外线, protège la peau, les peaux foncées, plus riches en mélanine, résistant mieux aux rayons du 太阳.

除了有关光产物形成效率的信息以外,还确定了对光产物的破坏的一些特性。脱氧核糖核酸. Tout d'abord, on sait que les 摄影产品de la cytosine sont relativement instables : ils sont convertis, en réagissant avec une molécule d'eau, en dérivés de l'uracile, une base de l'阿恩, l'autre acide nucléique rencontré dans les cellules. Ensuite, des hétérogénéités apparaissent dans la localisation des 摄影产品le long d'un gène : certaines régions réagissent plus que d'autres 和 sont donc plus riches en photoproduits. Des effets structuraux sont sans doute en cause dans ces variations. Et d'autres facteurs modifient la réactivité locale, par exemple la présence de protéines fixées sur l'脱氧核糖核酸.

脱氧核糖核酸 est endommagé, c'est-à-dire qu'il contient des 摄影产品? Une suite d'événements, étudiée depuis des systèmes simples jusqu'à la peau humaine, a permis aux scientifiques d'expliquer l'effet biologique des 紫外线 和 de nombreuses caractéristiques des cancers de la peau. Dans la cellule, la présence d'un 脱氧核糖核酸 受伤可能会造成三方面的后果 (请参见下面的方框).

On a d'abord prouvé que les 摄影产品peuvent engendrer l'apoptose des cellules, une mort programmée – un suicide cellulaire – capable d'éviter la division de cellules dont le génome est endommagé.

从破坏到突变

此外,早在1970年代,对培养细胞的研究表明脱氧核糖核酸 provoquées par les 紫外线 impliquaient des dimères thymine-cytosine ou cytosine-cytosine. Et au début des années 1990, Douglas Brash, de l'École de médecine Yale, 和 ses collègues ont découvert ces mêmes mutations dans le gène de la protéine p53, ce qui a renforcé l'intérêt pour cette « signature ultraviolette », car ces mutations existent dans la majorité des cancers de la peau.

然后,化学家解释了为什么当脱氧核糖核酸 是委屈的。通过合成脱氧核糖核酸 含有已知的损害,他们表明聚合酶,酶复制或复制了脱氧核糖核酸在读取发现有光产品的遗传信息时会被误导。让我们看看如何。

每次细胞分裂时, 脱氧核糖核酸 被复制。复制酶通常复制一条链脱氧核糖核酸 通过与模型链的每个碱基相关联,在第二个碱基上建立“互补”碱基:胸腺嘧啶与腺嘌呤相关,胞嘧啶与鸟嘌呤相关(反之亦然)。然而,聚合酶可以被在光产物中转化为尿嘧啶的胞嘧啶所欺骗。这是因为尿嘧啶与胸腺嘧啶非常相似(不是胞嘧啶),因此这些酶在合成的互补链上掺入了腺嘌呤而不是鸟嘌呤。

On observe par conséquent les mutations suivantes : des changements de séquences thymine-cytosine en thymine-thymine, 和 cytosine-cytosine en thymine-thymine. On trouve rarement de mutations aux séquences thymine-thymine, car les deux thymines d'un dimère sont quand même associées à deux adénines, même si elles sont liées. Puis, en construisant des cellules, 和 des souris génétiquement modifiées, pouvant éliminer l'une ou l'autre classe de photoproduits, les biologistes ont montré que ce sont surtout les dimères cyclobutanes, plutôt que les 摄影产品(6-4), qui sont responsables de ces mutations.

Mort cellulaire, mutations : les rayons 紫外线 b – puisque la plupart des études ont eu lieu avec des 紫外线 b 直到那时-因此对细胞有害。但是,维修系统脱氧核糖核酸 existent dans tous les organismes vivants : ils éliminent les 摄影产品en restaurant la séquence d'脱氧核糖核酸 初始。

在人类中,一系列蛋白质在多个阶段修复二聚体。首先,由于光产物在光子中引起的变形而被定位。脱氧核糖核酸。然后,其他蛋白质切断了脱氧核糖核酸 感光产品的两面都损坏,留下缺口。最后,蛋白质可以通过复制脱氧核糖核酸 面对他。遗传缺陷使这种修复机制的蛋白质失活是导致患有“月球的孩子”综合征的皮肤癌易感性增加1000倍的原因 色素干皮. Ces enfants ne peuvent s'exposer au soleil sans risquer de développer un cancer. Voilà une preuve supplémentaire du rôle des 摄影产品dimériques dans les cancers de la peau.

Bien que les 紫外线 a 被较少吸收脱氧核糖核酸 que les 紫外线 b,它们可能会损坏脱氧核糖核酸,甚至是突变。大约三十年前,提出了一种涉及间接机制的解释,称为光敏化。

Les 紫外线 a 氧化脱氧核糖核酸 ...

在这种情况下,它不是脱氧核糖核酸 它吸收光子,但吸收细胞的其他成分,例如维生素或酶促因子。通过与光子相互作用,“光敏剂”分子进入激发态。它可以与周围的分子发生反应并引发氧化反应,这种现象称为氧化应激。氧化反应涉及有害的氧衍生物。通常,受激发的光敏剂会将其能量转移到分子氧(o2),然后进入激发态,称为单线态氧。该分子容易与富含电子的化合物反应。化学家表明,单线态氧的目标脱氧核糖核酸 是鸟嘌呤基地。而在2004年,我们表明单重态氧与脱氧核糖核酸 导致形成8-oxo-7,8-dihydroguanine(8oxoGua)。

光敏化的第二种机理涉及“自由基”,尤其是羟基自由基,它可以氧化所有四个碱基并断裂链。脱氧核糖核酸 通过分解糖。最后一条较不频繁的途径是直接氧化脱氧核糖核酸,当光敏剂剥离电子时,鸟嘌呤仍是主要目标。

同样,色谱和生化工具可以使科学家看到对色谱柱的损害。脱氧核糖核酸 dans les cellules exposées aux 紫外线 a. 的oxydation de la guanine en 8-oxoGua est l'événement le plus fréquent. On observe aussi des cassures de chaîne, mais avec une probabilité deux à trois fois inférieure. Les trois autres bases sont moins endommagées que la guanine. On estime ainsi que la formation transitoire de l'oxygène singulet 和 la production de 8-oxoGua correspondent à 80 d百分比u stress oxydant dû à une irradiation par des 紫外线 a.

8-oxoGua的存在脱氧核糖核酸 导致鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对突变为胸腺嘧啶-腺嘌呤。但是,8-oxoGua的修复是有效的。防止8-oxoGua堆积的酶库与修复二聚体的库不同。关键的酶是 脱氧核糖核酸-糖基化酶,一种切割所谓键的酶 n-糖苷连接糖和碱基。因此,它消除了脱氧核糖核酸和其他酶完成对脱氧核糖核酸 通过整合完整的鸟嘌呤。

...并创建照片产品

的effet des 紫外线 a se limite-t-il, comme on l'a longtemps cru, au stress oxydant ? Non, 和 une des classes de 摄影产品dimériques rencontrés avec les 紫外线 b,环丁烷二聚体,对脱氧核糖核酸 provoqués par les 紫外线 a. Une seule expérience sur des bactéries 和 quelques données éparses l'avaient suggéré ; c'est en montrant que la fréquence des dimères était supérieure à celle des produits d'oxydation qu'au milieu des années 2000, nos équipes ont remis en lumière cet aspect de la photochimie des 紫外线 a.

En outre, les travaux d'autres groupes ont confirmé que des dimères de pyrimidines participent à l'apparition de mutations dans les cellules humaines exposées aux 紫外线 a. Nous avons par ailleurs montré que la proportion des différents 摄影产品dimériques était différente de celle obtenue avec les 紫外线 b : nous ne trouvons pas de 摄影产品(6-4), très peu de dimères de cytosines, 和 une majorité de dimères de thymines. Les dimères thymine-cytosine ne représentent qu'environ dix d百分比u total. Cette proportion se retrouve dans tous les types cellulaires. De plus, à l'inverse des 紫外线 b, la peau protège peu contre la formation des dimères par les 紫外线 a (因为黑色素吸收较少的这些射线)。

因此,我们正在处理脱氧核糖核酸 particulière dans les cellules exposées aux 紫外线 a :这些光子被吸收脱氧核糖核酸尽管很弱,但足以产生照片产品。是初始激发态的差异脱氧核糖核酸 qui expliquerait la différence de nature des dommages entre 紫外线 a 和 紫外线 b.

抗紫外线面霜 a

Les conséquences de ces résultats récents sont importantes. Bien que la formation des dimères avec les 紫外线 a soit moins efficace qu'avec les 紫外线 b, la prédominance des 紫外线 a dans la lumière à laquelle nous sommes exposés suggère qu'une fraction non négligeable des 摄影产品mutagènes provienne de cette partie du spectre. Ces données soulignent aussi les propriétés génotoxiques des 紫外线 a,也就是说它们可能导致突变,甚至导致癌症。

Ce risque cancérogène, ajouté au rôle prédominant des 紫外线 a dans le vieillissement cutané, a conduit les législateurs à imposer aux écrans solaires du commerce une photoprotection efficace dans cette partie du spectre solaire. La réévaluation du pouvoir cancérogène des 紫外线 a a entraîné un autre changement : le Centre de recherche international sur le cancer a classé les équipements de bronzage artificiel riches en 紫外线 a 在人类致癌物中。美国国家癌症研究所采用了这种分类方法,并于2010年发布了有关该主题的报告。

在过去的三十年中,我们更好地了解了损害的作用脱氧核糖核酸 dans l'apparition des cancers de la peau. Ces informations ont permis aux scientifiques de mieux comprendre la réaction des cellules aux 紫外线 和 d'améliorer les stratégies de protection contre cet agent mutagène que sont les rayonnements 紫外线 du 太阳.

Toutefois, de nombreuses questions liées à la formation de ces dommages restent ouvertes. Ainsi, les 摄影产品joueraient un rôle de « détecteurs » pour déclencher le bronzage 和 protéger davantage la peau (mais on ignore comment). Leur présence serait aussi liée à la modulation des défenses immunitaires 和 à l'apparition des coups de soleil. Depuis la première description du dimère de thymines il y a un demi-siècle, les dommages engendrés par les 紫外线 dans l’adn méritent encore l’attention des scientifiques de toutes disciplines. ■

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