人类DNA分子通过高度组装以染色质形式存在于细胞核内,染色质的动态结构与核内多种生物过程相互影响。作为生命体的重要遗传物质,DNA双链断裂损伤(DSBs)严重威胁基因组稳定性,无效修复会导致基因突变和癌症发生。在高辐射环境、放射诊断治疗以及载人航天活动中,人体健康常常受到电离辐射的威胁。电离辐射引起的DNA损伤响应和修复过程修饰或招募多种染色质重塑因子和修复蛋白在损伤位点聚集形成修复聚点。修复因子如何在损伤产生后快速募集?紧密折叠的染色质结构是否阻碍修复因子向损伤位点移动?染色质和修复因子在修复中起到怎样的作用?本论文从DSBs修复聚点的修复动力学以及染色质的精细组织结构开展研究,有助于深入理解电离辐射诱导的DNA损伤修复及染色质的结构调控机理,为肿瘤放射治疗和空间辐射防护提供科学指导。首先基于免疫荧光高分辨显微成像和三维图像分析开展了He La细胞受X-射线辐照后的γ-H2AX和53BP1蛋白动态研究。实验表明,不同辐照剂量下,γ-H2AX和53BP1聚点数量、荧光强度和体积等指标展示的DSBs修复动态不同。0.2 Gy辐照后γ-H2AX和53BP1聚点数量15分钟同时达到最大;1Gy辐照后,γ-H2AX在辐照后10分钟达到最大聚点数量,53BP1则在辐照后25分钟达到峰值。不同蛋白聚点数量达到峰值的时间差反映出它们在DNA损伤响应过程中的时间依赖性。通过聚点体积和荧光强度指标分析表明,0.2 Gy和1 Gy辐照剂量下24小时仍有部分损伤未得到完全修复,表明三维高分辨显微荧光分析具有较高的聚点分析灵敏度。利用STORM超分辨成像技术,开展了DNA损伤修复聚点的单分子分析和图像重构研究,获得了γ-H2AX、53BP1、MDC1以及XRCC1蛋白在损伤位点的精细组织和分布。实验表明,在同一个损伤位点内,MDC1/γ-H2AX和53BP1蛋白呈现出总体共定位和部分独立分布的特征。53BP1募集单分子数与γ-H2AX分子数成正比。XRCC1和53BP1几乎完全没有空间共定位现象。极少的XRCC1分布在距离53BP1中心25 nm和175 nm处,可能是单链断裂损伤与双链断裂损伤的叠加。这些修复蛋白分子纳米尺度的空间分布和位置的差异表明尽管它们处于相同的修复聚点但是具体的功能不同。通过电离辐射诱导和DNA超分辨成像分析,研究了DNA损伤和修复过程中细胞核内染色质结构变化。实验发现,未辐照样品中DNA是异质性的高低密度区域交错分布,紧密的纤维状染色质伴随少量的簇状结构;被辐照后整个细胞核尺度小于100 nm的簇状染色质结构均匀分布。γ-H2AX、53BP1和MDC1修复蛋白的单分子重构均发现了大量与染色质类似的星形簇状结构分布,分析表明这可能是30 nm染色质纤维结构。双色超分辨成像表明DSBs的修复过程沿着染色质结构发生。染色质去致密化和组织重构是修复因子能够在损伤位点募集非常关键的结构调节,H2AX磷酸化导致染色质表面电荷改变和染色质重塑因子的募集可能是这一现象的诱因。