16第十五章 DNA损伤与修复

第十五章DNA损伤和修复遗传物质DNA的遗传保存是保持物种相对稳定性的最重要因素。然而，在长期的生命进化过程中，生物总是受到来自内部和外部环境的各种因素的影响，DNA的变化是不可避免的。由各种内部和外部因素引起的DNA组成和结构的变化称为DNA损伤。DNA损伤会有两种后果：一是DNA结构的永久性改变，即突变；第二个是使DNA失去其作为复制和/或转录模板的功能。在长期的进化过程中，低等生物和高等生物都形成了自己的DNA修复系统，可以随时修复受损的DNA，恢复DNA的正常结构，维持细胞的正常功能。DNA损伤伴随着DNA修复系统的启动。受损细胞的预后在很大程度上取决于DNA的修复作用。如果DNA能被正确修复，细胞DNA结构将恢复正常，细胞将保持正常状态。如果损伤严重，不能有效修复，就有可能通过细胞凋亡消除DNA损伤细胞，减少DNA损伤对生物体遗传信息稳定性的影响。当发生不完全的DNA修复时，就会发生DNA突变和染色体畸变，从而导致细胞功能的改变，甚至生理和病理的改变，如衰老和恶性细胞转化。当然，如果遗传物质具有绝对的稳定性，那么生物体将失去进化的基础，不会呈现出一个广阔世界的自然景象和万物的光明。因此，生物多样性依赖于DNA突变和DNA修复之间的良好平衡。第一节DNA损伤DNA损伤有许多诱发因素。一般可分为体内因素和体外因素。前者包括生物体代谢过程中产生的一些代谢产物、DNA复制过程中的碱基错配以及DNA本身的热不稳定性，这些都可以诱发“自发”的DNA损伤。后者包括辐射、化学毒物、药物、病毒感染、植物和微生物的代谢物等。值得注意的是，体内因素和体外因素的影响有时并没有完全分开。许多体外因素通过诱导体内因素来诱导DNA损伤。然而，不同因素引起的DNA损伤机制往往是不同的。一、多种因素通过不同的机制导致DNA损伤(a)内部因素1.DNA复制错误在DNA复制过程中，碱基的异构互变异构和四个dNTP之间浓度的不平衡可能导致碱基错配，即非沃森-克里克碱基对。尽管绝大多数错配的碱基将通过DNA聚合酶的校对功能得到纠正，但仍不可避免地会保留极少量的错配，并且DNA复制的错配率约为10的十分之一。此外，复制错误还表现为缺失片段或插入。特别地，在真核细胞的染色体上广泛分布着DNA上的短片段重复序列，这导致了DNA复制系统工作时的“滑动”现象，并改变了新产生的DNA上重复序列的拷贝数。DNA重复片段具有高度多态性，在遗传病研究中具有重要价值。亨廷顿氏病、脆性X综合征、强直性肌营养不良(强直性肌营养不良)和其他神经退行性疾病都属于这一类。2.DNA本身的不稳定性DNA结构本身的不稳定性是自发DNA损伤中最常见和最重要的因素。当DNA被加热或环境的酸碱度改变时，连接碱基和DNA分子上的核糖之间的糖基键会自发水解，导致碱基的丢失或脱落，其中脱嘌呤作用是最常见的。此外，含氨基的碱基也可以发生自发脱氨基反应，并被转化为另一种碱基，即碱基转化，例如从碳到铀，从甲到乙(次黄嘌呤298第十五章DNA损伤与修复299毒药)3.代谢过程中产生的活性氧可以直接作用于碱基，如修饰的鸟嘌呤，产生8-羟基脱氧鸟嘌呤。(2)体外因素导致DNA损伤的最常见的体外因素主要包括物理因素、化学因素和生物因素。这些因素引起的DNA损伤机制有其自身的特点。1.物理因素最常见的物理因素是电磁辐射。根据不同的作用原理，电磁辐射通常分为电离辐射和非电离辐射。粒子A、X射线、射线等。可以直接或间接使穿透的组织电离，这是电离辐射。紫外线和波长比紫外线长的电磁辐射是非电离辐射。(1)电离辐射引起的DNA损伤：电离辐射可直接作用于生物大分子如DNA，破坏分子结构，如破坏化学键等。同时，电离辐射还能刺激细胞内的自由基反应，从而起到间接的破坏作用。这些作用最终会导致DNA分子的许多变化，如碱基氧化修饰、碱基环结构破坏和脱落、DNA链交联和断裂等。(2)紫外线辐射引起的DNA损伤：紫外线是非电离辐射。根据波长不同，紫外线可分为紫外线(400-320纳米)、紫外线(320-290纳米)和紫外线(290-100纳米)。长波紫外线能量低，一般不会造成DNA大分子损伤。波长约为260纳米的紫外线刚好接近DNA和蛋白质的吸收峰，这容易对DNA等生物大分子造成损伤。大气臭氧层可以吸收320纳米以下的大部分紫外线，一般不会对地球上的生物造成损害。然而，近年来，由于环境污染，臭氧层的破坏越来越严重，紫外线对生物体的影响越来越受到公众的关注。低波长紫外线的吸收使得DNA分子中同一链中的两个相邻胸腺嘧啶碱基(t)共价连接形成胸腺嘧啶二聚体结构(TT)，或环丁烷嘧啶二聚体(图15-1)。紫外线也能使其他嘧啶形成类似的二聚体，如氯丁橡胶和氯丁橡胶。二聚体的形成可以弯曲和扭结DNA，影响DNA的双螺旋结构，并阻碍复制和转录。此外，紫外线还会导致DNA链之间的其他交联或损伤，如链断裂。2.有多种化学因素可导致DNA损伤，包括自由基、碱基类似物、碱基修饰剂和嵌入染料。值得注意的是，许多肿瘤化疗药物通过诱导DNA损伤来阻断DNA复制或RNA转录，包括碱基改变、单链或双链DNA断裂，从而抑制肿瘤细胞增殖。因此，了解DNA损伤和随后肿瘤细胞死亡的机制将大大有助于肿瘤化疗药物的改进。第三条遗传信息的传递(1)自由基引起的DNA损伤：自由基是指原子、自由基或分子能够独立存在，并且在其外轨道上有不成对的电子。自由基的化学性质非常活跃，可以引发各种化学反应并影响细胞功能。自由基的产生可能是外部因素和体内物质(如羟基自由基)相互作用的结果。羟基)和氢自由基(。h)由电离辐射产生，而人体内的代谢过程会产生活性氧自由基。羟基具有很强的氧化性能。h具有很强的还原性。这些自由基可以与DNA分子相互作用，造成碱基、核糖和磷酸基团的损伤，并导致DNA的结构和功能异常。(2)碱基类似物引起的DNA损伤：碱基类似物是人工合成的化合物，类似于正常的DNA碱基结构，通常用作诱变剂或抗癌药物。在DNA复制过程中，碱基类似物可以取代人类DNA链中的正常碱基，因为它们的结构相似，并与互补链中的碱基配对，从而导致碱基对替换。例如，5-溴尿嘧啶(5-溴尿嘧啶，5-BU)是胸腺嘧啶的类似物，有两种结构：酮和烯醇。前一对与腺嘌呤，后一对与鸟嘌呤，这可以导致AT配对和GC配对的相互转化。(3)碱基修饰剂和烷化剂引起的DNA损伤：这是一种通过修饰DNA链中碱基的某些基团来改变修饰碱基的配对性质，从而改变DNA结构的化合物。例如，亚硝酸可以除去碱基中的氨基，腺嘌呤脱氨基变成次黄嘌呤，它不能与原始胸腺嘧啶配对，而是与胞嘧啶配对。胞嘧啶脱氨基变成尿嘧啶，不能与鸟嘌呤配对，而是与腺嘌呤配对，从而改变碱基序列。此外，许多烷化剂，如氮芥、硫芥、二乙基亚硝胺等。可导致氮原子在DNA碱基上的烷基化，导致分子电荷的变化，从而改变碱基配对，或使烷基化的鸟嘌呤滴下形成非碱基位点，或导致DNA链中的鸟嘌呤连接成二聚体，或导致DNA链交联和断裂。这些变化会导致DNA序列或结构的异常，并阻碍正常的修复过程。(4)嵌入的人类染料引起的DNA损伤：染料如澳大利亚乙锭和吖啶橙可以直接插入到DNA碱基对中，导致碱基对之间的距离加倍，容易引起两条DNA链的错位，并且经常在DNA复制过程中引起核酸的缺失、代码移位或插入。这些染料可用于分子生物学中的DNA染色。物理和化学因素引起的DNA损伤如图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、风疹病毒、疱疹病毒、黄曲霉等。它们产生的毒素和代谢产物，如黄曲霉毒素等。具有诱变作用。第十五章DNA损伤与修复301第二，有许多类型的DNA损伤DNA分子中的碱基、核糖和磷酸二酯键都是DNA损伤因子的目标。根据DNA分子结构的变化，DNA损伤包括碱基脱落、碱基结构破坏、嘧啶二聚体形成、DNA单链或双链断裂、DNA交联等类型。1.碱基损伤和糖基破坏的化学毒物可以通过修饰某些碱基来改变碱基的性质。例如，(1)亚硝酸可以引起碱的脱氨基；(2)在羟基自由基的攻击下，嘧啶碱基容易发生加成、氢提取等反应，导致碱基环断裂；(3)具有氧化活性的物质可引起DNA中嘌呤和嘧啶碱基的氧化修饰，形成氧化代谢物，如8-羟基脱氧鸟苷或6-甲基尿嘧啶；(4)当紫外线作用于DNA分子时，可形成嘧啶二聚体；糖基的碳原子和羟基上的氢可以与自由基反应。由于碱基损伤或糖基损伤，在DNA链上可能形成一些不稳定点，这可能最终导致DNA链的断裂。2.碱基之间的错配如上所述，碱基类似物的掺杂和碱基修饰剂的作用会改变碱基的性质，导致DNA序列中不正确的配对。在正常的DNA复制过程中，有一定比例的自发碱基错配。最常见的是尿嘧啶，它是核糖核酸的组成部分，用来代替胸腺嘧啶，使人掺入脱氧核糖核酸分子。3.DNA链断裂DNA链断裂是电离辐射引起的DNA损伤的主要形式。一些化学物质也能导致DNA链断裂。磷酸二酯键的断裂、脱氧戊糖的破坏、碱基的破坏和丢失都是造成脱氧核糖核酸断裂的原因。碱基损伤或糖基破坏可导致DNA双螺旋的局部变性，形成酶敏感位点。特异性核酸内切酶可以识别并切割这些位点，导致链断裂。DNA链上受损的碱基也可以被另一种特定的DNA糖基化酶除去，形成无嘌呤无嘧啶位点或无碱基位点，其可以在核酸内切酶等的作用下形成链断裂。DNA断裂可以发生在单链或双链上。使用另一条链作为模板完成修复，单链断裂可以在细胞中快速重新合成。然而，双链断裂原位修复的可能性非常小，并且依赖于重组修复，这很有可能导致染色体畸变。因此，一般认为双链断裂引起的DNA损伤与细胞的致死效应直接相关。4.DNA链的共价交联在DNA损伤中有许多交联形式。一条DNA双螺旋链上的碱基与另一条链上的碱基共价结合，这被称为DNA间交联。一个DNA分子中同一条链上的两个碱基通过共价键结合在一起，这被称为DNA链内交联。DNA分子也可以共价结合到蛋白质上，称为DNA蛋白质交联。紫外线照射后形成的嘧啶二聚体是DNA链交联的典型例子。上面分别描述了各种类型的DNA损伤。事实上，DNA损伤相当复杂。当DNA受到严重损伤时，在局部区域往往会出现一种以上的损伤，但多种类型的损伤同时存在。最常见的是碱基损伤、糖基损伤和链断裂。这种损伤部位称为局部多发损伤部位。上述DNA损伤可导致DNA模板的改变，如碱基置换、插入、缺失、链断裂等。并可能影响染色体的高级结构。就碱基取代而言，DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤取代，或者嘧啶被另一个嘧啶取代，这被称为过渡。嘌呤被嘧啶取代，反之亦然，这被称为反式厌恶。转化和颠换会导致DNA复制过程中的碱基错配，从而导致基因突变。碱基的插入和缺失会导致代码移位突变。在核糖核酸合成过程中，脱氧核糖核酸的断裂阻止了链的延伸。由DNA损伤引起的染色体结构的变化也可能导致转录甚至翻译异常。所有这些变化都会导致一些或某些基因信息丢失或异常，进而导致其表达产物的数量和质量发生变化，从而对细胞功能产生不同程度的影响。应该指出的是，由于密码子的简并性(第17章)，上述碱基取代不一定导致氨基酸编码的改变。碱基替换会导致改变氨基酸编码的错义突变、改变终止密码子的无义突变以及不改变氨基酸编码的同义突变。教科书和文献指出错义突变与单个字母符号和氨基酸的位置有关。例如，如果B-Raf第600位的解氨基酸突变是谷氨酸，它可以写成V600E并表达为B-RafV600E。302第3条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，生物体的DNA损伤是不可避免的。这种损伤的结果取决于DNA损伤的程度和细胞修复受损DNA的能力。脱氧核糖核酸损伤修复是指纠正两条脱氧核糖核酸单链之间的错配碱基，去除脱氧核糖核酸链上受损的碱基或糖基，并恢复脱氧核糖核酸正常结构的过程。DNA修复是生物体维持DNA结构完整性和稳定性，保证生命延续和物种稳定的重要环节。有许多方法或系统可以修复细胞中的DNA损伤。常见的DNA修复途径或系统包括直接修复、切除修复、重组修复和跨损伤修复(表15-1)。值得注意的是，一个DNA损伤可以通过多种方式修复，而且一种修复方式也可以参与多个DNA损伤的修复过程。首先，一些DNA损伤可以直接修复直接修复是修复DNA损伤的最简单方法。修复酶直接作用于受损的DNA，使其恢复到原来的结构。1.嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复也称为光反应修复或光反应。生物体中有一种光反应酶，可以直接识别并结合到DNA链上的嘧啶二聚体位点。在波长为300-500纳米的可见光的激发下，光反应酶可以将嘧啶二聚体解聚成原始的单体核苷酸形式，从而完成修复(图15-3)。光反应酶首次在低等生物中发现。虽然在高等生物中存在光呼吸，但光反应修复并不是高等生物修复嘧啶二聚体的主要方式。2.烷基