鸟嘌呤G碱基氧化还原性质极为活泼，在DNA氧化损伤及DNA电荷传导等过程中扮演重要的角色。在光照或强氧化自由基作用下，G碱基容易失去一个电子形成阳离子自由基(G^+·)，引发DNA链上的空穴传输或系列的DNA氧化损伤反应，生成后续的损伤产物（8-OG，FAPY-G, imidazolone, oxazolone等）。在基金委、科技部、中科院支持下，化学所光化学重点实验室的科研人员，致力于发展时间分辨激光光谱方法，深入研究DNA氧化损伤系列反应的复杂过程和机理。 

　　对DNA的二级结构G-四链体的体系中G碱基的单电子氧化及脱质子反应，探测到阳离子自由基G^+？在G-四链体中不同于单个碱基dG以及双链DNA的独特的脱质子反应途径（脱氨基质子N₂-H而不是亚氨基质子N₁-H），揭示了DNA结构的局部氢键微环境对质子转移反应机理的影响，阐述了G-四链体端粒DNA氧化损伤的动力学微观机理（J. Am. Chem.Soc. 2015,137，259-266）。 

　　在前期工作基础上，科研人员进一步探测到DNA氧化损伤的关键反应中间体。引发氧化损伤反应的阳离子自由基G^+·的生成不单纯是直接的单电子氧化过程，而是经常涉及到一类重要的自由基离子对中间体参与反应。理论计算预测自由基离子对中间体寿命短（~ ps），稳定性极低，过去实验上一直难以对其探测表征。 　　

　　图A：G碱基单体氧化反应中的离子对中间体特征光谱吸收；图B：TD-DFT计算的离子对中间体光谱及相关电子跃迁轨道；图C：离子对中间体的特征光谱在双链DNA发生裂分；图D：双链DNA中GC碱基对内的质子转移途径。 

　　科研人员通过低温稳定反应中间体的方法并结合时间分辨光谱探测，成功捕捉到DNA鸟嘌呤氧化损伤基元反应途径中的自由基离子对中间体。对于氯自由基与G碱基的反应体系，在低温瞬态吸收光谱上探测到中心位于570 nm的强吸收峰，结合理论计算归属为G^+？…Cl^-离子对中间体，这一可见光区域的特征吸收光谱是由离子对静电作用改变跃迁轨道空间重叠所致，研究给出可用于区别G^+？等其它瞬态物种的离子对中间体的光谱特征。进一步在双链DNA的氧化反应体系中，观测到离子对中间体在570nm的特征光谱裂分为480nm和610nm两个吸收峰。借助动力学分析，确定了这两个吸收峰对应于双链GC碱基对内质子转移平衡的两种离子对结构Cl^-…G^+？:C ？ Cl^-…G(-H)^？:C(+H⁺)，通过离子对特征光谱的裂分，进而清晰区分了双链DNA碱基对内质子转移平衡的两种质子化结构、并测得质子转移的反应能垒(Ea ~ 1.4 kcal/mol)。这些结果给出DNA鸟嘌呤氧化反应的自由基离子对机理的关键实验证据，对深入认识DNA质子耦合电子转移和DNA氧化损伤等过程具有重要意义。相关研究结果发表在Science子刊《Science Advances》 (Sci. Adv. 2017, 3, e1700171.): Capturing the radical ion-pair intermediate in DNA guanine oxidation. 　　  

　　光化学院重点实验室 

　　2017年9月21日