DNA損傷和損傷修復(fù)
? ? ?? DNA的遺傳保守性是生物維持物種相對(duì)穩(wěn)定的重要因素，然而時(shí)刻受到來(lái)自體內(nèi)或體外的各種因素影響，生物的DNA的改變也是不可避免的。這兩者之間的平衡一方面保持了物種的穩(wěn)定，另一方面又為生物提供了進(jìn)化的基礎(chǔ)，創(chuàng)造了自然界生物的多樣性。
DNA損傷有多種類型，有堿基脫落、堿基結(jié)構(gòu)破壞、形成嘧啶二聚體、DNA單雙鏈斷裂、DNA交聯(lián)等。
?
堿基結(jié)構(gòu)破壞
?
堿基的損傷與糖基的破壞產(chǎn)生原因主要有亞硝酸導(dǎo)致堿基脫氨、具有氧化活性的物質(zhì)可導(dǎo)致DNA中堿基或嘧啶的氧化修飾。含有氨基的堿基也可發(fā)生脫氨基進(jìn)而導(dǎo)致堿基的轉(zhuǎn)變，比如C轉(zhuǎn)變?yōu)閁。
?
當(dāng)DNA受熱或者pH值發(fā)生改變時(shí)堿基與核糖之間的糖苷鍵可發(fā)生水解，導(dǎo)致堿基的丟失或脫落。
?堿基的錯(cuò)配
?在DNA復(fù)制的過(guò)程中，有可能會(huì)發(fā)生堿基的錯(cuò)配或片段的缺失及插入。雖然大多數(shù)錯(cuò)配在產(chǎn)生時(shí)就會(huì)被DNA聚合酶的校讀功能及時(shí)糾正，但仍然有極少數(shù)的錯(cuò)配被保留下來(lái)，其錯(cuò)配率約10-10。片段的缺失或插入一般出現(xiàn)在短片段重復(fù)序列中，DNA正在復(fù)制過(guò)程中增加了拷貝數(shù)，例如亨廷頓病就屬于此類情況。患者亨廷頓基因中CAG的拷貝數(shù)多于常人，正常人不超過(guò)38個(gè)拷貝，而患者該段基因可達(dá)39個(gè)拷貝以上。
?
堿基類似物或堿基修飾劑的加入也可導(dǎo)致堿基性質(zhì)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致DNA系列中產(chǎn)生錯(cuò)誤配對(duì)。
?DNA交聯(lián)
?低波長(zhǎng)紫外線的吸收可導(dǎo)致一條鏈中兩個(gè)相鄰的胸腺嘧啶堿基以共建連接成胸腺嘧啶二聚體，也稱DNA的鏈內(nèi)交聯(lián)。短波長(zhǎng)紫外線的吸收也可導(dǎo)致其他嘧啶形成類似的二聚體，比如CT二聚體或CC二聚體。二聚體的形成可進(jìn)一步導(dǎo)致DNA產(chǎn)生彎曲扭結(jié)，影響DNA的轉(zhuǎn)錄或復(fù)制。
?DNA斷裂
?DNA斷裂產(chǎn)生的因素一般是電離輻射，不過(guò)也可能因戊糖結(jié)構(gòu)的破壞、堿基的損傷和脫落所導(dǎo)致。單鏈的斷裂一般可由互補(bǔ)鏈作為模板迅速得到修復(fù)，但雙鏈的斷裂得到修復(fù)的概率很小，需依賴重組修復(fù)，這種修復(fù)產(chǎn)生染色體畸變的可能性很大。
?
DNA損傷的誘發(fā)因素有很多，大致可分為體內(nèi)因素和體外因素。體內(nèi)因素主要有機(jī)體內(nèi)代謝產(chǎn)生的活性代謝物、DNA復(fù)制時(shí)堿基的錯(cuò)配，體外因素通常指輻射、病毒感染、化學(xué)毒物等。不過(guò)，兩者之間并不是完全沒(méi)有聯(lián)系，因?yàn)轶w外因素往往是先誘發(fā)了體內(nèi)因素，進(jìn)而導(dǎo)致了DNA的損傷。DNA損傷的結(jié)果取決于兩個(gè)方面，損傷的程度和細(xì)胞對(duì)損傷DNA的修復(fù)能力。細(xì)胞修復(fù)DNA的途徑也多種多樣，比如直接修復(fù)、切除修復(fù)、重組修復(fù)和損傷跨越修復(fù)等，分別可對(duì)應(yīng)以上介紹的幾種損傷情況。不過(guò)一種損傷并不只可由一種修復(fù)途徑修復(fù)，一種修復(fù)途徑也并不只參與一種DNA損傷修復(fù)過(guò)程。
?光復(fù)活修復(fù)
?一般修復(fù)的對(duì)象為嘧啶二聚體，也稱二聚體的直接修復(fù)。生物體內(nèi)存在一種DNA光裂合酶，能夠識(shí)別DNA鏈上的嘧啶二聚體，并在400nm可見(jiàn)光的激發(fā)下將嘧啶二聚體解聚為原本的單體核苷酸形式。
?切除修復(fù)
?堿基的切除修復(fù)一般依賴于DNA糖苷酶。DNA糖苷酶識(shí)別鏈中損傷的堿基，并將其水解去除，產(chǎn)生一個(gè)無(wú)堿基位點(diǎn)，在此位點(diǎn)的5’-端，無(wú)堿基位點(diǎn)核酸內(nèi)切酶將其磷酸二酯鍵斷開(kāi)，然后由另一條互補(bǔ)鏈作為模板進(jìn)行修復(fù)，最后由DNA連接酶在切口處將其重新連接，使DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)。
?
還有另一種特殊情況來(lái)應(yīng)對(duì)堿基的錯(cuò)配，但在修復(fù)過(guò)程中主要面對(duì)的問(wèn)題是如何區(qū)別錯(cuò)配鏈（子鏈）與母鏈。在細(xì)菌DNA中甲基化修飾是一個(gè)重要標(biāo)志，母鏈通常是高度甲基化的，而新合成的子鏈還尚未進(jìn)行甲基化修飾，修復(fù)憑此來(lái)區(qū)別錯(cuò)配鏈與母鏈。
?
除此之外，還有應(yīng)對(duì)DNA螺旋結(jié)構(gòu)改變的切除修復(fù)方式，即核苷酸切除修復(fù)。與堿基切除修復(fù)不同的是，核苷酸切除修復(fù)時(shí)并不識(shí)別具體的損傷，而是識(shí)別損傷對(duì)DNA螺旋結(jié)構(gòu)造成的扭曲，在扭曲部位的兩側(cè)切開(kāi)DNA鏈并去除受損的單鏈核苷酸。最后以另一條鏈為模板修復(fù)合成新的DNA填補(bǔ)空缺，完成修復(fù)。
?重組修復(fù)
?當(dāng)DNA損傷嚴(yán)重時(shí)需要啟動(dòng)重組修復(fù)，如DNA雙鏈的斷裂就是一種極為嚴(yán)重的損傷。重組修復(fù)由于沒(méi)有互補(bǔ)鏈，所以很難直接得到修復(fù)所需的序列信息，需要更復(fù)雜的機(jī)制來(lái)完成DNA雙鏈斷裂的修復(fù)。重組修復(fù)有兩種情況，分別是同源重組修復(fù)和非同源重組修復(fù)。
?
同源修復(fù)是利用參加基因重組的兩段DNA雙鏈內(nèi)含有的一段相同的序列，這樣可以確保重組后生成的新序列是正確的。大腸桿菌的同源重組修復(fù)中，起主要作用的是RecA蛋白，這種蛋白可識(shí)別并容納DNA鏈。RecA可與損傷的DNA結(jié)合，并識(shí)別與受損DNA序列相同的姐妹鏈，并使之解旋分別與兩條受損DNA并列排列，以結(jié)構(gòu)正常的兩條鏈為模板進(jìn)行修復(fù)。最后在其他酶的作用下解開(kāi)交叉互補(bǔ)，恢復(fù)原來(lái)的結(jié)構(gòu)。
?
非同源重組修復(fù)是哺乳類動(dòng)物細(xì)胞DNA雙鏈斷裂的一種修復(fù)方式，非同源重組修復(fù)所利用的DNA同源性不高，所以修復(fù)的DNA會(huì)與原本存在一定差異。但由于哺乳動(dòng)物具有巨大的基因組，所以錯(cuò)誤可能并不出現(xiàn)在必須基因上，卻可以維持受損細(xì)胞的存活。
?
而且該過(guò)程也可以看做一種生理性的基因重組，比如以前提到過(guò)的免疫系統(tǒng)中的基因重組，即B淋巴細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞的受體基因、免疫球蛋白基因的重構(gòu)等。
?跨越損傷DNA合成
?對(duì)于DNA損傷的處理還有一種特殊情況，當(dāng)DNA損傷過(guò)于嚴(yán)重或已經(jīng)開(kāi)始復(fù)制導(dǎo)致修復(fù)系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行有效修復(fù)。此時(shí)，細(xì)胞就可誘導(dǎo)進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)應(yīng)急途徑，先跳過(guò)損傷部位進(jìn)行復(fù)制，然后再設(shè)法修復(fù)。
?
DNA損傷修復(fù)的障礙往往會(huì)導(dǎo)致多種疾病，如著色性干皮?。╔P）就是因?yàn)榧?xì)胞無(wú)法進(jìn)行核苷酸切除修復(fù)而導(dǎo)致表皮細(xì)胞極易發(fā)生突變。所以比常人更易患上皮膚癌、黑色素瘤等疾病。此外Cockyne綜合征和人毛發(fā)低硫營(yíng)養(yǎng)不良等遺傳病的病因也是核苷酸切除修復(fù)系統(tǒng)的基因出現(xiàn)問(wèn)題所導(dǎo)致。
?
DNA的損傷一般被認(rèn)為是有害的，但對(duì)于損傷修復(fù)的結(jié)果一般認(rèn)為其有雙重效應(yīng)。一方面是可以給DNA帶來(lái)突變，為生物進(jìn)化提供基礎(chǔ)。二是可能導(dǎo)致DNA復(fù)制或轉(zhuǎn)錄出現(xiàn)障礙嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致細(xì)胞死亡。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?作者：神州
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?審核：食野
加入我們
APC科普編輯部招新啟事
A.P.C.總部招生群:1027526691
格物社?科普平臺(tái)：605923025
