第十五章 DNA損傷與修復

1、第十五章 DNA損傷與修復遺傳物質(zhì)DNA的遺傳保守性是維持物種相對穩(wěn)定的最主要因素。然而，在長期的生命演進過程中，生物體時刻受到來自內(nèi)、外環(huán)境中各種因素的影響，DNA的改變不可避免。各種體內(nèi)外因素所導致的DNA組成與結(jié)構(gòu)的變化稱為DNA損傷（DNA damage）。DNA損傷可產(chǎn)生兩種后果：一是DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變，即突變；二是導致DNA失去作為復制和（或）轉(zhuǎn)錄的模板的功能。在長期的進化中，無論低等生物還是高等生物都形成了自己的DNA修復系統(tǒng)，可隨時修復損傷的DNA，恢復DNA的正常結(jié)構(gòu)，保持細胞的正常功能。DNA損傷的同時即伴有DNA修復系統(tǒng)的啟動。受損細胞的轉(zhuǎn)歸，在很大程度上，取決于

2、DNA的修復效果，如能正確修復，細胞DNA結(jié)構(gòu)恢復正常，細胞得以維持正常狀態(tài)；如損傷嚴重，DNA不能被有效修復，則可能通過凋亡的方式，清除DNA受損的細胞，降低DNA損傷對生物體遺傳信息穩(wěn)定性的影響；當DNA發(fā)生不完全修復時，DNA發(fā)生突變，染色體發(fā)生畸變，可誘導細胞出現(xiàn)功能改變，甚至出現(xiàn)衰老、細胞惡性轉(zhuǎn)化等生理病理變化。當然，如果遺傳物質(zhì)具有絕對的穩(wěn)定性，那么生物將會失去進化的基礎(chǔ)，就不會呈現(xiàn)大千世界、萬物生輝的自然景象。因此，生物多樣性依賴于DNA突變與DNA修復之間的良好平衡。第一節(jié) DNA損傷DNA損傷的誘發(fā)因素眾多。一般可分為體內(nèi)因素與體外因素。前者包括機體代謝過程中產(chǎn)生的某些代謝物

3、，DNA復制過程中發(fā)生的堿基錯配以及DNA本身的熱不穩(wěn)定性等因素，可誘發(fā)DNA的“自發(fā)”損傷。后者包括輻射、化學毒物、藥物、病毒感染、植物以及微生物的代謝產(chǎn)物等。值得注意的是，體內(nèi)因素與體外因素的作用，有時是不能截然分開的。許多體外因素是通過誘發(fā)體內(nèi)因素，引發(fā)DNA損傷。然而，不同因素所引發(fā)的DNA損傷的機制往往是不相同的。一、多種因素通過不同機制導致DNA損傷（一）體內(nèi)因素1. DNA復制錯誤 在DNA復制過程中，堿基的異構(gòu)互變、4種dNTP之間濃度的不平衡等均可能引起堿基的錯配，即產(chǎn)生非Watson-Crick堿基對。盡管絕大多數(shù)錯配的堿基會被DNA聚合酶的校對功能所糾正，但依然不可避免地

4、有極少數(shù)的錯配被保留下來，DNA復制的錯配率約10的10次方分之一。此外，復制錯誤還表現(xiàn)為片段的缺失或插人。特別是DNA上的短片段重復序列，在真核細胞染色體上廣泛分布，導致DNA復制系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，使得新生成的DNA上的重復序列拷貝數(shù)發(fā)生變化。DNA重復片段在長度方面有高度多態(tài)性，在遺傳性疾病的研究中有重大價值。亨廷頓病、脆性X綜合征(fragile X syndrome)、肌強直性營養(yǎng)不良（myotonic dystro-phy）等神經(jīng)退行性疾病均屬于此類。2. DNA自身的不穩(wěn)定性 DNA結(jié)構(gòu)自身的不穩(wěn)定性是DNA自發(fā)性損傷中最頻繁和最重要的因素。當DNA受熱或所處環(huán)境的p

5、H值發(fā)生改變時,DNA分子上連接堿基和核糖之間的糖昔鍵可自發(fā)發(fā)生水解，導致堿基的丟失或脫落，其中以脫嘌呤最為普遍。另外，含有氨基的堿基還可能自發(fā)脫氨基反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N堿基，即堿基的轉(zhuǎn)變，如C轉(zhuǎn)變?yōu)閁, A轉(zhuǎn)變?yōu)镮(次黃嘌298第十五章 DNA損傷與修復 299呤）等3.機體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧 機體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧（ROS）可以直接作用于堿基，如修飾鳥嘌呤，產(chǎn)生8-羥基脫氧鳥嘌呤等。（二）體外因素最常見的導致DNA損傷的體外因素，主要包括物理因素、化學因素和生物因素等。這些因素導致DNA損傷的機制各有特點。1.物理因素 物理因素中最常見的是電磁輻射。根據(jù)作用原理的不同，通常將電磁輻射

6、分為電離輻射和非電離輻射。a粒子、粒子,X射線、射線等，能直接或間接引起被穿透組織發(fā)生電離，屬電離輻射；紫外線和波長長于紫外線的電磁輻射屬非電離輻射。（1)電離輻射導致DNA損傷：電離輻射可直接作用于DNA等生物大分子，破壞分子結(jié)構(gòu)，如斷裂化學鍵等。同時，電離輻射還可激發(fā)細胞內(nèi)的自由基反應(yīng)，因此發(fā)揮間接破壞作用。這些作用最終可導致DNA分子發(fā)生堿基氧化修飾、堿基環(huán)結(jié)構(gòu)的破壞與脫落、DNA鏈交聯(lián)與斷裂等多種變化。(2）紫外線照射導致DNA損傷：紫外線（ultraviolet，UV）屬非電離輻射。按波長的不同，紫外線可分為UVA(400一320nm) ,UVB(320一290nm)和UVC（290

7、100nm）3種。UVA的能量較低，一般不造成DNA等大分子損傷。260nm左右的紫外線，其波長正好在DNA和蛋白質(zhì)的吸收峰附近，容易導致DNA等生物大分子損傷。大氣臭氧層可吸收320nm以下的大部分的紫外線，一般不會造成地球上生物的損害。但近年來，由于環(huán)境污染，臭氧層的破壞日趨嚴重，UV對生物的影響越來越為公眾所關(guān)注。低波長紫外線的吸收，可使DNA分子中同一條鏈兩相鄰的胸腺嘧啶堿基（T)，以共價鍵連接形成胸腺嘧啶二聚體結(jié)構(gòu)（TT），或稱為環(huán)丁烷型嘧啶二聚體（圖15-1）。紫外線也可導致其他嘧啶間形成類似的二聚體如CT,CC。二聚體的形成可使DNA產(chǎn)生彎曲和扭結(jié)，影響DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，使復制

8、與轉(zhuǎn)錄受阻。另外，紫外線還會導致DNA鏈間的其他交聯(lián)或鏈的斷裂等損傷。2.化學因素 能引起DNA損傷的化學因素種類繁多，主要包括自由基、堿基類似物、堿基修飾物和嵌人染料等。值得注意的是，許多腫瘤化療藥物是通過誘導DNA損傷，包括堿基改變、單鏈或雙鏈DNA斷裂等，阻斷DNA的復制或RNA的轉(zhuǎn)錄，進而抑制腫瘤細胞增殖。因此，對DNA損傷及后繼的腫瘤細胞死亡機制的認識，將十分有助于對腫瘤化療藥物的改進。300 第三篇 遺傳信息的傳遞(1)自由基導致的DNA損傷：自由基是指能夠獨立存在，外層軌道帶有未配對電子的原子、原子團或分子。自由基的化學性質(zhì)異?；钴S，可引發(fā)多種化學反應(yīng)，影響細胞功能。自由基的產(chǎn)生

9、可以是外界因素與體內(nèi)物質(zhì)相互作用的結(jié)果，如電離輻射產(chǎn)生的羥自由基（OH）和氫自由基（H），而生物體內(nèi)代謝過程可產(chǎn)生活性氧自由基。OH具有極強的氧化性質(zhì)，而H則具有極強的還原性質(zhì)。這些自由基可與DNA分子發(fā)生相互作用，導致堿基、核糖、磷酸基的損傷，引發(fā)DNA結(jié)構(gòu)與功能異常。（2)堿基類似物導致的DNA損傷：堿基類似物是人工合成的一類與DNA正常堿基結(jié)構(gòu)類似的化合物，通常被用作促突變劑或抗癌藥物。在DNA復制時，因結(jié)構(gòu)相似，堿基類似物可取代正常堿基摻人DNA鏈中，并與互補鏈上的堿基配對，進而引發(fā)堿基對的置換。比如，5-溴尿嘧啶（5-bromo uracil,5-BU)是胸腺嘧啶的類似物，有酮式和烯

10、醇式兩種結(jié)構(gòu)，前者與腺嘌呤配對，后者與鳥嘌呤配對，可導致AT配對與GC配對的相互轉(zhuǎn)變。(3)堿基修飾劑、烷化劑導致的DNA損傷：這是一類通過對DNA鏈中堿基的某些基團進行修飾，改變被修飾堿基的配對性質(zhì)，進而改變DNA結(jié)構(gòu)的化合物。例如亞硝酸能脫去堿基上的氨基，腺嘌呤脫氨后成為次黃嘌呤，不能與原來的胸腺嘧啶配對，而與胞嘧啶配對；胞嘧啶脫氨基成為尿嘧啶，不能與原來的鳥嘌呤配對，而與腺嘌呤配對，進而改變堿基序列。此外，眾多的烷化劑如氮芥、硫芥、二乙基亞硝胺等可導致DNA堿基上的氮原子烷基化，引起分子電荷的變化，從而改變堿基配對，或烷基化的鳥嘌呤脫落形成無堿基位點，或引起DNA鏈中的鳥嘌呤連接成二聚體

11、，或?qū)е翫NA鏈交聯(lián)與斷裂。這些變化都可以引起DNA序列或結(jié)構(gòu)的異常，并可阻止正常的修復過程。(4)嵌人性染料導致的DNA損傷：澳化乙錠、吖啶橙等染料可直接插人到DNA堿基對中，導致堿基對間的距離增大一倍，極易造成DNA兩條鏈的錯位，在DNA復制過程中往往引發(fā)核昔酸的缺失、移碼或插人。這些染料在分子生物學可用于DNA的染色。物理因素和化學因素造成的DNA損傷的情況如圖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、風疹病毒、皰疹病毒、黃曲霉菌等，它們產(chǎn)生的毒素和代謝產(chǎn)物，如黃曲霉素等有誘變作用。第十五章 DNA損傷與修復 301二、DNA損傷有多種類型DNA分子中的堿基、核

12、糖與磷酸二酯鍵等都是DNA損傷因素作用的靶點。根據(jù)DNA分子結(jié)構(gòu)改變的不同，DNA損傷有堿基脫落、堿基結(jié)構(gòu)破壞、嘧啶二聚體形成、DNA單鏈或雙鏈斷裂、DNA交聯(lián)等多種類型。1.堿基損傷與糖基破壞 化學毒物可通過對堿基的某些基團進行修飾而改變堿基的性質(zhì)。例如，亞硝酸可導致堿基脫氨；在羥自由基的攻擊下，嘧啶堿基易發(fā)生加成、抽氫等反應(yīng)，導致堿基環(huán)破裂；具有氧化活性的物質(zhì)可造成DNA中嘌呤和嘧啶堿基的氧化修飾，形成8-羥基脫氧鳥昔或6一甲基尿嘧啶等氧化代謝產(chǎn)物；紫外線作用于DNA分子可形成嘧啶二聚體；糖基的碳原子和羥基上的氫可能與自由基反應(yīng)。由于堿基損傷或糖基破壞，在DNA鏈上可能形成一些不穩(wěn)定點，最

13、終可導致DNA鏈的斷裂。2.堿基之間發(fā)生錯配 如前所述，堿基類似物的摻人、堿基修飾劑的作用可改變堿基的性質(zhì)，導致DNA序列中的錯誤配對。在正常的DNA復制過程中，存在著一定比例的自發(fā)堿基錯配，最常見的是組成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶摻人到DNA分子中。3. DNA鏈發(fā)生斷裂 DNA鏈斷裂是電離輻射致DNA損傷的主要形式。某些化學毒劑也可導致DNA鏈斷裂。磷酸二酯鍵的斷裂、脫氧戊糖的破壞、堿基的損傷和脫落都是引起DNA斷裂的原因。堿基損傷或糖基破壞可引起DNA雙螺旋局部變性，形成酶敏感性位點，特異的核酸內(nèi)切酶能識別并切割這樣的部位，造成鏈斷裂。DNA鏈上被損傷的堿基也可以被另一種特異的DNA一糖

14、基化酶除去，形成無嘌呤嘧啶位點（apurinic-apyrimidinic site，AP site），或稱無堿基位點（abasic site），這些位點在內(nèi)切酶等的作用下可形成鏈斷裂。DNA斷裂可以發(fā)生在單鏈或雙鏈上，單鏈斷裂能迅速在細胞中以另一鏈為模板重新合成，完成修復；而雙鏈斷裂在原位修復的幾率很小，需依賴重組修復，這種修復導致染色體畸變的可能性很大。因此，一般認為雙鏈斷裂的DNA損傷與細胞的致死性效應(yīng)有直接的聯(lián)系。4. DNA鏈的共價交聯(lián) DNA損傷中有多種交聯(lián)形式。DNA雙螺旋鏈中的一條鏈上的堿基與另一條鏈上的堿基以共價鍵結(jié)合，稱為DNA鏈間交聯(lián)（DNA interstrand cr

15、oss-linking）。DNA分子中同一條鏈中的兩個堿基以共價鍵結(jié)合，稱為DNA鏈內(nèi)交聯(lián)（DNA intrastrand cross-linking）。DNA分子還可與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合，稱為DNA一蛋白質(zhì)交聯(lián)（DNA protein cross-link-ing）。紫外線照射后形成的嘧啶二聚體就是DNA鏈內(nèi)交聯(lián)的典型例子。以上分別敘述了各種類型的DNA損傷，實際上DNA損傷是相當復雜的。當DNA受到嚴重損傷時，在局部范圍發(fā)生的損傷常不止一種，而是多種類型的損傷復合存在。最常見的是堿基損傷、糖基破壞和鏈斷裂，這種損傷部位被稱為局部多樣損傷部位。上述DNA損傷可導致DNA模板發(fā)生堿基置換、插入

16、、缺失、鏈的斷裂等變化，并可能影響到染色體的高級結(jié)構(gòu)。就堿基置換來講，DNA鏈中一種嘌呤被另一種嘌呤取代，或嘧啶被另一種嘧啶取代，稱為轉(zhuǎn)換（transition)；嘌呤被嘧啶取代或反之，則稱為顛換（tranaversion）。轉(zhuǎn)換和顛換在DNA復制時可引起堿基錯配，導致基因突變。堿基的插人和缺失可引起移碼突變。DNA斷裂阻止了RNA合成過程中鏈的延伸。DNA損傷引起的染色體結(jié)構(gòu)變化也可造成轉(zhuǎn)錄，甚至是翻譯的異常。所有這些變化可造成某種或某些基因信息發(fā)生丟失或異常，進而導致其表達產(chǎn)物的量與質(zhì)的變化，對細胞的功能造成不同程度的影響。需要指出的是，由于密碼子的簡并性（第十七章），上述的堿基置換并非一

17、定發(fā)生氨基酸編碼的改變。堿基置換可以造成改變氨基酸編碼的錯義突變（missense mutation）、變?yōu)榻K止密碼子的無義突變（nonsense mutation）和不改變氨基酸編碼的同義突變（same sense mutation）。教科書和文獻中對于錯義突變用氮基酸的單字母符號和位置共同注明，如B-Raf的第600位的jie氨酸突變?yōu)楣劝彼釀t可寫為V600E，表示為B-RafV600E。302 第三篇 遺傳信息的傳遞第二節(jié) DNA損傷的修復在長期的生命活動中，生物體發(fā)生DNA損傷是不可避免的。這種損傷所導致的結(jié)局取決于DNA損傷的程度，以及細胞對損傷DNA的修復能力。DNA損傷修復是指糾

18、正DNA兩條單鏈間錯配的堿基、清除DNA鏈上受損的堿基或糖基、恢復DNA的正常結(jié)構(gòu)的過程。DNA修復（DNA repair）是機體維持DNA結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)定性，保證生命延續(xù)和物種穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。細胞內(nèi)存在多種修復DNA損傷的途徑或系統(tǒng)。常見的DNA修復途徑或系統(tǒng)包括，直接修復、切除修復、重組修復和損傷跨越修復等（表15-1）。值得注意的是，一種DNA損傷可通過多種途徑來修復，而一種修復途徑也可同時參與多種DNA損傷的修復過程。一、有些DNA損傷可以直接修復直接修復是最簡單的一種DNA損傷的修復方式。修復酶直接作用于受損的DNA，將之恢復為原來的結(jié)構(gòu)。1嘧啶二聚體的直接修復 嘧啶二聚體的直接修

19、復又稱為光復活修復或光復活作用。生物體內(nèi)存在著一種光復活酶（photoreactivating enzyme），能夠直接識別和結(jié)合于DNA鏈上的嘧啶二聚體部位。在波長300一500nm的可見光激發(fā)下，光復活酶可將嘧啶二聚體解聚為原來的單體核苷酸形式，完成修復（圖15-3）。光復活酶最初在低等生物中發(fā)現(xiàn)。高等生物雖然也存在光復活酶，但是光復活修復并不是高等生物修復嘧啶二聚體的主要方式。2.烷基化堿基的直接修復 催化此類直接修復的酶是一類特異的烷基轉(zhuǎn)移酶，可以將烷基從核苷酸轉(zhuǎn)移到自身肽鏈上，修復DNA的同時自身發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的失活。例如，人類O的6次方一甲基鳥嘌呤一DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，能夠?qū)6位的甲

20、基轉(zhuǎn)移到酶自身的半胱氨酸殘基上，使甲基化的鳥嘌呤恢復正常結(jié)構(gòu)（圖15-4）。3.無嘌呤位點的直接修復 DNA鏈上的嘌呤堿基受損時，可能被糖基化酶水解而脫落，生成無嘌呤位點。DNA嘌呤插人酶能催化游離嘌呤堿基或脫氧核苷與DNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共價鍵，導致嘌呤堿基的直接插人。這種作用具有很強的專一性。4.單鏈斷裂的直接修復 DNA連接酶能夠催化DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條鏈上缺口處的5一磷酸基團與相鄰片段的3一羥基之間形成磷酸二酯鍵，從而直接參與部分DNA單鏈斷裂的修復，如電離輻射所造成的切口。第十五章 DNA損傷與修復 303二、切除修復是最普追的DNA損傷修復方式切除修復是生物界最普遍的一種

21、DNA修復方式。通過此修復方式，可將不正常的堿基或核苷酸除去并替換掉。依據(jù)識別損傷機制的不同，又分為堿基切除修復和核苷酸切除修復兩種類型。1、堿基切除修復堿基 切除修復（base excision repair）依賴于生物體內(nèi)存在的一類特異的DNA糖基化酶。整個修復過程包括，識別水解：DNA糖基化酶特異性識別DNA鏈中已受損的堿基并將其水解去除，產(chǎn)生一個無堿基位點；切除：在此位點的5端，無堿基位點核酸內(nèi)切酶將DNA鏈的磷酸二酯鍵切開，去除剩余的磷酸核糖部分；合成：DNA聚合酶在缺口處以另一條鏈為模板修補合成互補序列；連接：由DNA連接酶將切口重新連接，使DNA恢復正常結(jié)構(gòu)（圖15一）。腫瘤抑制

22、基因表達產(chǎn)物p53在哺乳類動物細胞中參與調(diào)控堿基切除修復。直接證據(jù)是DNA烷化劑誘導的DNA損傷，在表達野生型TP53的細胞中可被有效修復，而在TP53缺失的細胞中修復速度明顯減慢。304 第三篇 遺傳信息的傳遞2.核苷酸切除修復與堿基切除修復不同，核苷酸切除修復( nucleotide excision repair)系統(tǒng)并不識別具體的損傷，而是識別損傷對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)所造成的扭曲，但修復過程與堿基切除修復相似。首先，由一個酶系統(tǒng)識別DNA損傷部位；其次，在損傷兩側(cè)切開DNA鏈，去除兩個切口之間的一段受損的寡核苷酸；再次，在DNA聚合酶作用下，以另一條鏈為模板，合成一段新的DNA，填補缺損

23、區(qū)；最后，由連接酶連接，完成損傷修復。切除修復是DNA損傷修復的一種普遍形式，它并不局限于某種特殊原因造成的損傷，而能一般性地識別和糾正DNA鏈及DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的變化，修復系統(tǒng)能夠使用相同的機制和一套修復蛋白去修復一系列性質(zhì)各異的損傷。遺傳性著色性干皮?。▁eroderma pigmentosum, XP)的發(fā)病，就是由于DNA損傷核苷酸切除修復系統(tǒng)基因缺陷所致。有關(guān)人類XP相關(guān)的核苷酸切除修復系統(tǒng)缺陷基因的一般情況，見以下文本框的內(nèi)容，以及表15-2。此外,Cockyne綜合征和人毛發(fā)二硫鍵營養(yǎng)不良癥等疾病的遺傳病因也是DNA損傷核苷酸切除修復系統(tǒng)基因缺陷。框15-1遺傳性XP遺傳性XP是

24、由匈牙利裔皮膚科教授M. Kaposi與岳父，于1870年在他們合著的皮膚病教材中最先描述的。XP患者的皮膚對陽光極度歌感，易受照射損傷，可在幼年時罹患皮膚癌，同時伴有智力發(fā)育遲緩，神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂等癥狀。J. E. Cleaver等首先發(fā)現(xiàn)，XP是由于患者對紫外線照射造成的皮膚細胞的DNA損傷的切除修復缺陷所致。后來經(jīng)細胞融合技術(shù)進一步發(fā)現(xiàn)，XP患者的皮膚細胞與大鼠的體細胞融合后所形成的雜種細胞會重新獲得DNA損傷切除修復的能力，從而可幸免于紫外線照射所造成的損傷；而且對于某些來自于XP患者的成纖維細胞經(jīng)相互融合后也會重新獲得上述能力。這些現(xiàn)象提示，XP具有多型性，而且各型之間可相互補償。已

25、有7種互補型（A,B,C,D,E,F,G)被發(fā)現(xiàn)，而與之相對應(yīng)的DNA損傷核苷酸切除修復缺陷相關(guān)基因分別被命名為XPA,XPB、XPC、XPD、XPE、XPF和XPG等。第十五章 DNA損傷與修復 305人類的DNA損傷核苷酸切除修復需要大約30多種蛋白的參與。其修復過程如下：首先由損傷部位識別蛋白XPC和XPA等，再加上DNA復制所需的SSB，結(jié)合在損傷DNA的部位；XPB、XPD發(fā)揮解旋酶的活性，與上述物質(zhì)共同作用在受損DNA周圍形成一個凸起；XPG與XPF發(fā)生構(gòu)象改變，分別在凸起的3一端和5一端發(fā)揮核酸內(nèi)切酶活性，在增殖細胞核抗原(PCNA）的幫助下，切除并釋放受損的寡核苷酸；遺留的缺損

26、區(qū)由聚合酶或。進行修補合成；最后，由連接酶完成連接。核苷酸切除修復不僅能夠修復整個基因組中的損傷，而且能夠修復那些正在轉(zhuǎn)錄的基因模板鏈上的損傷，后者又稱為轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復（transcription-coupled repair），因此，更具積極意義。在此修復中，所不同的是由RNA聚合酶承擔起識別損傷部位的任務(wù)。3.堿基錯配修復 錯配是指非Watson-Crick堿基配對。堿基錯配修復也可被看作是堿基切除修復的一種特殊形式，是維持細胞中DNA結(jié)構(gòu)完整穩(wěn)定的重要方式，主要負責糾正：復制與重組中出現(xiàn)的堿基配對錯誤；因堿基損傷所致的堿基配對錯誤；堿基插入；堿基缺失。從低等生物到高等生物，均擁有保守的堿基

27、錯配修復系統(tǒng)或途徑。繼細菌錯配修復機制研究之后，真核細胞的錯配修復機制的研究，近年來也取得很大進展?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)多種與大腸桿菌MutS、MutL高度同源的參與錯配修復的蛋白，如與大腸桿菌MutS高度同源的人類的MSH2（MutS Homolog 2）、MSH6、MSH3等。MSH2和MSH6的復合物可識別包括堿基錯配、插入、缺失等DNA損傷，而由MSH2和MSH3形成的蛋白復合物則主要識別堿基的插入與缺失。有關(guān)定位于細胞核內(nèi)的人類錯配修復系統(tǒng)成員的一般情況見表15-3。306 第三篇 遺傳信息的傳遞三、DNA嚴重損傷時需要重組修復雙鏈DNA分子中的一條鏈的斷裂，可被模板依賴的DNA合成系統(tǒng)修復，不

28、會給細胞帶來嚴重后果。但DNA分子的雙鏈斷裂是一種極為嚴重的損傷。與其他修復方式不同的是，雙鏈斷裂修復沒有互補鏈提供修復斷裂的遺傳信息，需要另外一種更為復雜的機制，即重組修復來完成。重組修復是指依靠重組酶系，將另一段未受損傷的DNA移到損傷部位，提供正確的模板，進行修復的過程。依據(jù)機制的不同，重組修復可分為同源重組修復和非同源末端連接重組修復。1.同源重組修復 所謂同源重組修復(homologous recombination repair) ,指的是參加重組的兩段雙鏈DNA在相當長的范圍內(nèi)序列相同（200bp)，這樣就能保證重組后生成的新區(qū)序列正確。大腸桿菌和酵母同源重組的分子機制已比較清楚

29、，起關(guān)鍵作用的是RecA蛋白，也被稱作重組酶，它是一個由352個氨基酸組成的蛋白質(zhì)分子。多個RecA單體在DNA上聚集，形成右手螺旋的核蛋白細絲，細絲中具有深的螺旋凹槽，可以識別和容納DNA鏈。在ATP存在的情況下，RecA可與損傷的DNA單鏈區(qū)結(jié)合，使DNA伸展，同時RecA可識別一段與受損DNA序列相同的姐妹鏈，并使之與受損DNA鏈并列排列，交叉互補，并分別以結(jié)構(gòu)正常的兩條DNA鏈為模板重建損傷鏈。最后在其他酶的作用下，解開交叉互補，連接新合成的鏈，完成同源重組（圖15-6）。同源重組生成的新片段具有很高的忠實性。2.非同源末端連接的重組修復 非同源末端連接重組修復( non-homolo

30、gous end joining re-combination repair)，是哺乳類動物細胞DNA雙鏈斷裂的一種修復方式，顧名思義，即兩個DNA分子的末端不需要同源性就能連接起來。因此，非同源末端連接重組修復的DNA鏈的同源性不高，修復的DNA序列中可存在一定的錯誤。對于擁有巨大基因組的哺乳類動物細胞來說，發(fā)生錯誤的位置可能并不在必需基因上，這樣依然可以維持受損細胞的存活。非同源末端連接重組修復中起關(guān)鍵作用的蛋白分子是DNA依賴的蛋白激酶（DNA-dependent protein kinase, DNA-PK），是一種核內(nèi)的絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶，由一個分子量大約為465 kDa的催化亞基

31、（DNA-PKcs）和一個能結(jié)合DNA游離端的異二聚體蛋白Ku組成。DNA-PKcs的主要作用是介導DNA-PK的催化功能，Ku蛋白可與雙鏈DNA的斷端連接，促進雙鏈斷裂的重接。另一個參與非同源末端連接重組修復的重要蛋白是XRCC4（X-ray repair, complementing de-fective，in chinese hamster），它能與DNA連接酶形成復合物，并增強連接酶的活力，在DNA連接酶與組裝在DNA末端的DNA-PK復合物相結(jié)合的過程中起中間體作用。非同源末端連接重組修復既是修復DNA損傷的一種方式，又可以被看作是一種生理性基因重組策略，將原來并未連在一起的基因或片

32、段連接產(chǎn)生新的組合，如B淋巴細胞、T淋巴細胞的受體基因、免疫球蛋白基第十五章 DNA損傷與修復 307因的構(gòu)建與重排等。四、某些修復發(fā)生在跨越損傷DNA的復制事件之后當DNA雙鏈發(fā)生大范圍的損傷，DNA損傷部位失去了模板作用，或復制叉已解開母鏈，致使修復系統(tǒng)無法通過上述方式進行有效修復，細胞可以誘導一個或多個應(yīng)急途徑，跨過損傷部位先進行復制，再設(shè)法修復。而根據(jù)損傷部位跨越機制的不同，這種跨越損傷DNA的修復又被分為重組跨越損傷修復與合成跨越損傷修復兩種不同類型。1.重組跨越損傷修復當 DNA鏈的損傷較大，致使損傷鏈不能作為模板復制時，細胞利用同源重組的方式，將DNA模板進行重組交換，使復制能夠

33、繼續(xù)下去。然而，在大腸桿菌中，還有某些新的機制，當復制進行到損傷部位時，DNA聚合酶III停止移動，并從模板上脫離下來，然后在損傷部位的下游重新啟動復制，從而在子鏈DNA上產(chǎn)生一個缺口。RecA重組蛋白將另一股健康母鏈上對應(yīng)的序列重組到子鏈DNA的缺口處填補。通過重組跨越，解決了有損傷的 DNA分子的復制問題，但其損傷并沒有真正地被修復，只是轉(zhuǎn)移到了新合成的一個子代DNA分子上，由細胞內(nèi)其他修復系統(tǒng)來后繼修復或是在不斷復制之中被“稀釋”掉。2.合成跨越損傷修復 DNA雙鏈發(fā)生大片段、高頻率的損傷時，細胞可以緊急啟動應(yīng)急修復系統(tǒng)，誘導產(chǎn)生新的DNA聚合酶，替換停留在損傷位點的原來的DNA聚合酶，

34、在子鏈上以隨機方式插入正確或錯誤的核苷酸使復制繼續(xù)，越過損傷部位之后，這些新DNA聚合酶完成使命從DNA鏈上脫離，再由原來的DNA聚合酶III繼續(xù)復制。因為誘導產(chǎn)生的這些新的DNA聚合酶的活性低，識別堿基的精確度差，一般無校對功能，所以這種合成跨越損傷復制過程的出錯率會大大增加，是大腸桿菌SOS反應(yīng)或SOS修復的一部分。308 第三篇 遺傳信息的傳遞在原核細胞中，SOS修復反應(yīng)是由RecA蛋白和LexA阻遏物的相互作用引發(fā)的，有近30個“sos”相關(guān)基因編碼蛋白參與此修復反應(yīng)。正常情況下RecA基因，以及其他的“sos”相關(guān)的可誘導基因的上游，有一段共同的操縱序列（5-CTG-N10-CAG-

35、3）被LexA阻遏蛋白所阻遏抑制，只有低水平的轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生少量相應(yīng)蛋白。當DNA嚴重損傷時，RecA蛋白被激活，促發(fā)LexA的自水解酶活性，當LexA阻遏蛋白因水解而從RecA基因，以及“SOS”相關(guān)的可誘導基因的操縱序列上解離下來后，一系列原本受LexA抑制的基因得以表達，參與SOS修復活動。完成修復后，LexA阻遏蛋白被重新合成，“sos”相關(guān)的可誘導基因又被重新關(guān)閉（圖15-7）。需要指出的是，SOS反應(yīng)誘導的產(chǎn)物可參與重組修復、切除修復、錯配修復等各種途徑的修復過程。這種修復機制因?？站o急呼救信號“SOS”而得名。此外，對于受損的DNA分子，除了啟動上述諸多的修復途徑，以修復損傷之

36、外，細胞還可以通過其他的途徑將損傷的后果降至最低。例如，通過DNA損傷應(yīng)激反應(yīng)活化的細胞周期檢查點機制，延遲或阻斷細胞周期進程，為損傷修復提供充足的時間，誘導修復基因轉(zhuǎn)錄翻譯，加強損傷的修復，使細胞能夠安全進人新一輪的細胞周期。與此同時，細胞還可以激活凋亡機制，誘導嚴重受損的細胞凋亡，在整體上維持生物體基因組的穩(wěn)定。第三節(jié)DNA損傷和修復的意義遺傳物質(zhì)穩(wěn)定性的世代相傳是維持物種穩(wěn)定的主要因素。但是，如果遺傳物質(zhì)是絕對一成不變的話，自然界就失去了進化的基礎(chǔ)，也就沒有新的物種出現(xiàn)。因此生命和生物多樣性依賴第十五章 DNA損傷與修復 309于DNA損傷或突變與損傷修復機制之間的良好動態(tài)平衡。一、DN

37、A損傷具有雙重效應(yīng)一般認為DNA損傷都是有害的。但是，就DNA損傷的結(jié)果而言，既有消極的一面，也有積極的一面。DNA損傷通常有兩個生物學后果：一是給DNA帶來永久性的改變即突變，可能改變基因的編碼序列或者基因的調(diào)控序列；二是DNA的這些改變使得DNA不能用作復制和轉(zhuǎn)錄的模板，使細胞的功能出現(xiàn)障礙，重則死亡。從長遠的生物效應(yīng)來看，進化過程是遺傳物質(zhì)不斷突變的結(jié)果。可以說沒有突變就沒有如今的生物物種的多樣性。當然在短暫的歷史時期，我們是無法看到一個物種的自然演變，只能見到長期突變的累積結(jié)果，適者生存。因此突變是進化的分子基礎(chǔ)。DNA突變可能只是改變基因型，體現(xiàn)為個體差異，而不影響其基本表型。例如基

38、因的多態(tài)性已被廣泛應(yīng)用于親子鑒定、個體識別，器官移植，以及疼病易感性分析等。DNA損傷若發(fā)生在與生命活動密切相關(guān)的基因上，可能導致細胞，甚至是個體的死亡。人類常利用這種特性來殺死某些病原微生物。DNA突變還是某些遺傳性疾病的發(fā)病基礎(chǔ)。有遺傳傾向的疾病，如高血壓、糖尿病和腫瘤等，均是多種基因與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。二、DNA損傷修復障礙與腫瘤等多種疾病相關(guān)細胞中DNA損傷的生物學后果，主要取決于DNA損傷的程度和細胞的修復能力。如果損傷得不到及時正確的修復，就可能導致細胞功能的異常。DNA堿基的損傷可導致遺傳密碼子的變化，經(jīng)轉(zhuǎn)錄和翻譯產(chǎn)生功能異常的RNA與蛋白，引起細胞功能的衰退、凋亡，甚至發(fā)

39、生惡性轉(zhuǎn)化。雙鏈DNA的斷裂可通過重組修復途徑加以修復，但非同源重組修復的忠實性差，修復過程中可能獲得或喪失核昔酸，造成染色體畸變，導致嚴重后果。DNA交聯(lián)影響染色體的高級結(jié)構(gòu)，影響基因的正常表達，對細胞的功能同樣產(chǎn)生影響。因此，DNA損傷與腫瘤、衰老以及免疫性疾病等多種疾病的發(fā)生有著密切的關(guān)聯(lián)（表15-4）。（一）DNA損傷修翅系統(tǒng)缺陷與腫瘤先天性DNA損傷修復系統(tǒng)缺陷的人群易患惡性腫瘤。腫瘤發(fā)生是DNA損傷對機體的遠后效應(yīng)之一。眾多研究表明，DNA損傷DNA修復異?；蛲蛔兡[瘤發(fā)生是貫穿腫瘤發(fā)生發(fā)展過程的重要環(huán)節(jié)。DNA損傷可導致原癌基因的激活，也可使腫瘤抑制基因失活。原癌基因與腫瘤抑制基

40、因的表達或活性失衡是細胞惡變的重要機制。參與DNA修復的多種基因具有腫310 第三篇 遺傳信息的傳遞瘤抑制基因的功能，目前已發(fā)現(xiàn)這些基因在多種腫瘤中發(fā)生突變而失活。1993年有研究發(fā)現(xiàn)，人類遺傳性非息肉性結(jié)腸癌( hereditary non-polyposis colorectal cancer,HNPCC）細胞存在錯配修復、轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復缺陷，造成細胞基因組的不穩(wěn)定性，進而引起調(diào)控細胞生長基因的突變，發(fā)生細胞惡變。在HNPCC中MLH1和MSH2基因的突變時有發(fā)生。MLH1基因的突變形式主要有錯義突變、無義突變、缺失和移碼突變等。而MSH2基因的突變形式主要有移碼突變、無義突變、錯義突變以及

41、缺失或插人等；其中以第622位密碼子發(fā)生C/T轉(zhuǎn)換，導致脯氨酸突變?yōu)榱涟彼嶙顬槌Ｒ?，結(jié)果使MSH2蛋白的功能喪失。BRCA基因（breast cancer gene)參與DNA損傷修復的啟動，細胞周期的調(diào)控。BRCA基因的失活可增加細胞對輻射的敏感性，導致細胞對雙鏈DNA斷裂修復能力的下降?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)BRCA1基因在70%的家族遺傳性乳腺癌和卵巢癌病例中發(fā)生突變而失活。值得注意的是，DNA修復功能缺陷雖可引起腫瘤的發(fā)生，但已癌變的細胞本身DNA修復功能往往并不低下，相反卻顯著地升高，使得癌細胞能夠充分修復化療藥物引起的DNA的損傷，這也是大多數(shù)抗癌藥物不能奏效的原因，所以關(guān)于DNA修復的研究可為腫瘤聯(lián)合化療提供新思路。（二）DNA損傷修復缺陷與人類遺傳病著色性干皮?。╔P)患者的皮膚對陽光敏感，照射后出現(xiàn)紅斑、水腫，繼而出現(xiàn)色素沉著、干燥、角化過度，最終甚至會出現(xiàn)黑色素瘤、基底細胞癌、鱗狀上皮癌及棘狀上皮瘤等瘤變發(fā)生。具有不同臨床表現(xiàn)的XP患者存在明顯的遺傳異質(zhì)性，表現(xiàn)為不同程度的核酸內(nèi)切酶缺乏引發(fā)的切除修復功能缺陷，所以患者的肺、胃腸道等器官在受到有害環(huán)境因素刺激時，會有較高的腫瘤發(fā)生率。在對XP的研究中，還發(fā)現(xiàn)一些患者雖具有明顯的臨