第十五章 DNA损伤与修复
遗传物质DNA的遗传保守性是维持物种相对稳定的最主要因素。然而，在长期的生命演进过程中，生物体时刻受到来自内、外环境中各种因素的影响，DNA的改变不可避免。各种体内外因素所导致的DNA组成与结构的变化称为DNA损伤（DNA damage）。DNA损伤可产生两种后果：一是DNA的结构发生永久性改变，即突变；二是导致DNA失去作为复制和（或）转录的模板的功能。
在长期的进化中，无论低等生物还是高等生物都形成了自己的DNA修复系统，可随时修复损伤的DNA，恢复DNA的正常结构，保持细胞的正常功能。DNA损伤的同时即伴有DNA修复系统的启动。受损细胞的转归，在很大程度上，取决于DNA的修复效果，如能正确修复，细胞DNA结构恢复正常，细胞得以维持正常状态；如损伤严重，DNA不能被有效修复，则可能通过凋亡的方式，清除DNA受损的细胞，降低DNA损伤对生物体遗传信息稳定性的影响；当DNA发生不完全修复时，DNA发生突变，染色体发生畸变，可诱导细胞出现功能改变，甚至出现衰老、细胞恶性转化等生理病理变化。当然，如果遗传物质具有绝对的稳定性，那么生物将会失去进化的基础，就不会呈现大千世界、万物生辉的自然景象。因此，生物多样性依赖于DNA突变与DNA修复之间的良好平衡。
第一节 DNA损伤
DNA损伤的诱发因素众多。一般可分为体内因素与体外因素。前者包括机体代谢过程中产生的某些代谢物，DNA复制过程中发生的碱基错配以及DNA本身的热不稳定性等因素，可诱发DNA的“自发”损伤。后者包括辐射、化学毒物、药物、病毒感染、植物以及微生物的代谢产物等。值得注意的是，体内因素与体外因素的作用，有时是不能截然分开的。许多体外因素是通过诱发体内因素，引发DNA损伤。然而，不同因素所引发的DNA损伤的机制往往是不相同的。
一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤
（一）体内因素
1. DNA复制错误 在DNA复制过程中，碱基的异构互变、4种dNTP之间浓度的不平衡等均可能引起碱基的错配，即产生非Watson-Crick碱基对。尽管绝大多数错配的碱基会被DNA聚合酶的校对功能所纠正，但依然不可避免地有极少数的错配被保留下来，DNA复制的错配率约10的10次方分之一。
此外，复制错误还表现为片段的缺失或插人。特别是DNA上的短片段重复序列，在真核细胞染色体上广泛分布，导致DNA复制系统工作时可能出现“打滑”现象，使得新生成的DNA上的重复序列拷贝数发生变化。DNA重复片段在长度方面有高度多态性，在遗传性疾病的研究中有重大价值。亨廷顿病、脆性X综合征(fragile X syndrome)、肌强直性营养不良（myotonic dystro-phy）等神经退行性疾病均属于此类。
2. DNA自身的不稳定性 DNA结构自身的不稳定性是DNA自发性损伤中最频繁和最重要的因素。当DNA受热或所处环境的pH值发生改变时,DNA分子上连接碱基和核糖之间的糖昔键可自发发生水解，导致碱基的丢失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍。另外，含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应，转变为另一种碱基，即碱基的转变，如C转变为U, A转变为I(次黄嘌
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第十五章 DNA损伤与修复 299
呤）等
3.机体代谢过程中产生的活性氧 机体代谢过程中产生的活性氧（ROS）可以直接作用于碱基，如修饰鸟嘌呤，产生8-羟基脱氧鸟嘌呤等。
（二）体外因素
最常见的导致DNA损伤的体外因素，主要包括物理因素、化学因素和生物因素等。这些因素导致DNA损伤的机制各有特点。
1.物理因素 物理因素中最常见的是电磁辐射。根据作用原理的不同，通常将电磁辐射分为电离辐射和非电离辐射。a粒子、β粒子,X射线、γ射线等，能直接或间接引起被穿透组织发生电离，属电离辐射；紫外线和波长长于紫外线的电磁辐射属非电离辐射。
（1)电离辐射导致DNA损伤：电离辐射可直接作用于DNA等生物大分子，破坏分子结构，如断裂化学键等。同时，电离辐射还可激发细胞内的自由基反应，因此发挥间接破坏作用。这些作用最终可导致DNA分子发生碱基氧化修饰、碱基环结构的破坏与脱落、DNA链交联与断裂等多种变化。
(2）紫外线照射导致DNA损伤：紫外线（ultraviolet，UV）属非电离辐射。按波长的不同，紫外线可分为UVA(400一320nm) ,UVB(320一290nm)和UVC（290—100nm）3种。UVA的能量较低，一般不造成DNA等大分子损伤。260nm左右的紫外线，其波长正好在DNA和蛋白质的吸收峰附近，容易导致DNA等生物大分子损伤。大气臭氧层可吸收320nm以下的大部分的紫外线，一般不会造成地球上生物的损害。但近年来，由于环境污染，臭氧层的破坏日趋严重，UV对生物的影响越来越为公众所关注。
低波长紫外线的吸收，可使DNA分子中同一条链两相邻的胸腺嘧啶碱基（T)，以共价键连接形成胸腺嘧啶二聚体结构（TT），或称为环丁烷型嘧啶二聚体（图15-1）。紫外线也可导致其他嘧啶间形成类似的二聚体如CT,CC。二聚体的形成可使DNA产生弯曲和扭结，影响DNA的双螺旋结构，使复制与转录受阻。另外，紫外线还会导致DNA链间的其他交联或链的断裂等损伤。
2.化学因素 能引起DNA损伤的化学因素种类繁多，主要包括自由基、碱基类似物、碱基修饰物和嵌人染料等。值得注意的是，许多肿瘤化疗药物是通过诱导DNA损伤，包括碱基改变、单链或双链DNA断裂等，阻断DNA的复制或RNA的转录，进而抑制肿瘤细胞增殖。因此，对DNA损伤及后继的肿瘤细胞死亡机制的认识，将十分有助于对肿瘤化疗药物的改进。
300 第三篇 遗传信息的传递
(1)自由基导致的DNA损伤：自由基是指能够独立存在，外层轨道带有未配对电子的原子、原子团或分子。自由基的化学性质异常活跃，可引发多种化学反应，影响细胞功能。自由基的产生可以是外界因素与体内物质相互作用的结果，如电离辐射产生的羟自由基（．OH）
．
和氢自由基（H），而生物体内代谢过程可产生活性氧自由基。．OH具有极强的氧化性质，而．H则具有极强的还原性质。这些自由基可与DNA分子发生相互作用，导致碱基、核糖、磷酸基的损伤，引发DNA结构与功能异常。
（2)碱基类似物导致的DNA损伤：碱基类似物是人工合成的一类与DNA正常碱基结构类似的化合物，通常被用作促突变剂或抗癌药物。在DNA复制时，因结构相似，碱基类似物可取代正常碱基掺人DNA链中，并与互补链上的碱基配对，进而引发碱基对的置换。比如，5-溴尿嘧啶（5-bromo uracil,5-BU)是胸腺嘧啶的类似物，有酮式和烯醇式两种结构，前者与腺嘌呤配对，后者与鸟嘌呤配对，可导致AT配对与GC配对的相互转变。 (3)碱基修饰剂、烷化剂导致的DNA损伤：这是一类通过对DNA链中碱基的某些基团进行修饰，改变被修饰碱基的配对性质，进而改变DNA结构的化合物。例如亚硝酸能脱去碱基上的氨基，腺嘌呤脱氨后成为次黄嘌呤，不能与原来的胸腺嘧啶配对，而与胞嘧啶配对；胞嘧啶脱氨基成为尿嘧啶，不能与原来的鸟嘌呤配对，而与腺嘌呤配对，进而改变碱基序列。此外，众多的烷化剂如氮芥、硫芥、二乙基亚硝胺等可导致DNA碱基上的氮原子烷基化，引起分子电荷的变化，从而改变碱基配对，或烷基化的鸟嘌呤脱落形成无碱基位点，或引起DNA链中的鸟嘌呤连接成二聚体，或导致DNA链交联与断裂。这些变化都可以引起DNA序列或结构的异常，并可阻止正常的修复过程。
(4)嵌人性染料导致的DNA损伤：澳化乙锭、吖啶橙等染料可直接插人到DNA碱基对中，导致碱基对间的距离增大一倍，极易造成DNA两条链的错位，在DNA复制过程中往往引发核昔酸的缺失、移码或插人。这些染料在分子生物学可用于DNA的染色。
物理因素和化学因素造成的DNA损伤的情况如图15-2所示。
3.生物因素 生物因素主要指病毒，如麻疹病毒和真菌等、风疹病毒、疱疹病毒、黄曲霉菌等，它们产生的毒素和代谢产物，如黄曲霉素等有诱变作用。
第十五章 DNA损伤与修复 301
二、DNA损伤有多种类型
DNA分子中的碱基、核糖与磷酸二酯键等都是DNA损伤因素作用的靶点。根据DNA分子结构改变的不同，DNA损伤有碱基脱落、碱基结构破坏、嘧啶二聚体形成、DNA单链或双链断裂、DNA交联等多种类型。
1.碱基损伤与糖基破坏 化学毒物可通过对碱基的某些基团进行修饰而改变碱基的性质。例如，①亚硝酸可导致碱基脱氨；②在羟自由基的攻击下，嘧啶碱基易发生加成、抽氢等反应，导致碱基环破裂；③具有氧化活性的物质可造成DNA中嘌呤和嘧啶碱基的氧化修饰，形成8-羟基脱氧鸟昔或6一甲基尿嘧啶等氧化代谢产物；④紫外线作用于DNA分子可形成嘧啶二聚体；⑤糖基的碳原子和羟基上的氢可能与自由基反应。由于碱基损伤或糖基破坏，在DNA链上可能形成一些不稳定点，最终可导致DNA链的断裂。
2.碱基之间发生错配 如前所述，碱基类似物的掺人、碱基修饰剂的作用可改变碱基的性质，导致DNA序列中的错误配对。在正常的DNA复制过程中，存在着一定比例的自发碱基错配，最常见的是组成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺人到DNA分子中。
3. DNA链发生断裂 DNA链断裂是电离辐射致DNA损伤的主要形式。某些化学毒剂也可导致DNA链断裂。磷酸二酯键的断裂、脱氧戊糖的破坏、碱基的损伤和脱落都是引起DNA断裂的原因。碱基损伤或糖基破坏可引起DNA双螺旋局部变性，形成酶敏感性位点，特异的核酸内切酶能识别并切割这样的部位，造成链断裂。DNA链上被损伤的碱基也可以被另一种特异的DNA一糖基化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点（apurinic-apyrimidinic site，AP site），或称无碱基位点（abasic site），这些位点在内切酶等的作用下可形成链断裂。 DNA断裂可以发生在单链或双链上，单链断裂能迅速在细胞中以另一链为模板重新合成，完成修复；而双链断裂在原位修复的几率很小，需依赖重组修复，这种修复导致染色体畸变的可能性很大。因此，一般认为双链断裂的DNA损伤与细胞的致死性效应有直接的联系。
4. DNA链的共价交联 DNA损伤中有多种交联形式。DNA双螺旋链中的一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合，称为DNA链间交联（DNA interstrand cross-linking）。DNA分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称为DNA链内交联（DNA intrastrand cross-linking）。DNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为DNA一蛋白质交联（DNA protein cross-link-ing）。紫外线照射后形成的嘧啶二聚体就是DNA链内交联的典型例子。
以上分别叙述了各种类型的DNA损伤，实际上DNA损伤是相当复杂的。当DNA受到严重损伤时，在局部范围发生的损伤常不止一种，而是多种类型的损伤复合存在。最常见的是碱基损伤、糖基破坏和链断裂，这种损伤部位被称为局部多样损伤部位。
上述DNA损伤可导致DNA模板发生碱基置换、插入、缺失、链的断裂等变化，并可能影响到染色体的高级结构。就碱基置换来讲，DNA链中一种嘌呤被另一种嘌呤取代，或嘧啶被另一种嘧啶取代，称为转换（transition)；嘌呤被嘧啶取代或反之，则称为颠换（tranaversion）。转换和颠换在DNA复制时可引起碱基错配，导致基因突变。碱基的插人和缺失可引起移码突变。DNA断裂阻止了RNA合成过程中链的延伸。DNA损伤引起的染色体结构变化也可造成转录，甚至是翻译的异常。所有这些变化可造成某种或某些基因信息发生丢失或异常，进而导致其表达产物的量与质的变化，对细胞的功能造成不同程度的影响。
需要指出的是，由于密码子的简并性（第十七章），上述的碱基置换并非一定发生氨基酸编码的改变。碱基置换可以造成改变氨基酸编码的错义突变（missense mutation）、变为终止密码子的无义突变（nonsense mutation）和不改变氨基酸编码的同义突变（same sense mutation）。教科书和文献中对于错义突变用氮基酸的单字母符号和位置共同注明，如B-Raf的第600位的jie氨酸突变为谷氨酸则可写为V600E，表示为B-RafV600E。
302 第三篇 遗传信息的传递
第二节 DNA损伤的修复
在长期的生命活动中，生物体发生DNA损伤是不可避免的。这种损伤所导致的结局取决于DNA损伤的程度，以及细胞对损伤DNA的修复能力。DNA损伤修复是指纠正DNA两条单链间错配的碱基、清除DNA链上受损的碱基或糖基、恢复DNA的正常结构的过程。DNA修复（DNA repair）是机体维持DNA结构的完整性与稳定性，保证生命延续和物种稳定的重要环节。
细胞内存在多种修复DNA损伤的途径或系统。常见的DNA修复途径或系统包括，直接修复、切除修复、重组修复和损伤跨越修复等（表15-1）。值得注意的是，一种DNA损伤可通过多种途径来修复，而一种修复途径也可同时参与多种DNA损伤的修复过程。
一、有些DNA损伤可以直接修复
直接修复是最简单的一种DNA损伤的修复方式。修复酶直接作用于受损的DNA，将之恢复为原来的结构。
1．嘧啶二聚体的直接修复 嘧啶二聚体的直接修复又称为光复活修复或光复活作用。生物体内存在着一种光复活酶（photoreactivating enzyme），能够直接识别和结合于DNA链上的嘧啶二聚体部位。在波长300一500nm的可见光激发下，光复活酶可将嘧啶二聚体解聚为原来的单体核苷酸形式，完成修复（图15-3）。光复活酶最初在低等生物中发现。高等生物虽然也存在光复活酶，但是光复活修复并不是高等生物修复嘧啶二聚体的主要方式。
2.烷基化碱基的直接修复 催化此类直接修复的酶是一类特异的烷基转移酶，可以将烷基从核苷酸转移到自身肽链上，修复DNA的同时自身发生不可逆转的失活。例如，人类O的6次方一甲基鸟嘌呤一DNA甲基转移酶，能够将O6位的甲基转移到酶自身的半胱氨酸残基上，使甲基化的鸟嘌呤恢复正常结构（图15-4）。
3.无嘌呤位点的直接修复 DNA链上的嘌呤碱基受损时，可能被糖基化酶水解而脱落，生成无嘌呤位点。DNA嘌呤插人酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共价键，导致嘌呤碱基的直接插人。这种作用具有很强的专一性。
4.单链断裂的直接修复 DNA连接酶能够催化DNA双螺旋结构中一条链上缺口处的5‘一磷酸基团与相邻片段的3’一羟基之间形成磷酸二酯键，从而直接参与部分DNA单链断裂的修复，如电离辐射所造成的切口。
16第十五章 DNA损伤与修复解析
