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DNA损伤和损伤修复
生物化学与分子生物学第十三章DNA损伤和损伤修复知识梳理，包括DNA损伤、DNA损伤修复、DNA损伤及其修复的意义三部分内容。
编辑于2022-11-02 10:34:37 广东- DNA损伤和损伤修复
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DNA损伤和损伤修复
概述
生物遗传物质DNA的遗传保守性是维持生物物种相对稳定的最主要因素
DNA损伤的同时即伴有DNA损伤修复系统的启动
DNA损伤
然而在长期的生物演进过程中，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。
定义
各种外因素所导致的DNA组成与结构变化
产生的后果
损伤导致DNA的结构发生永久性改变（突变）
损伤导致DNA失去作为复制和（或）转录的模板的功能
DNA损伤修复系统
在长期的生物进化中，无论低等生物还是高等生物均形成了自己的DNA损伤修复系统
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
受损细胞的转归，在很大程度上，取决于DNA损伤的修复效果
损伤被正确修复，细胞的DNA的结构恢复正常，细胞就能够维持正常状态
损伤严重，DNA不能被有效修复，则可能通过凋亡的方式，清除这些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的损伤发生不完全修复时，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
自然界生物的多样性依赖于DNA损伤与DNA损伤修复之间的良好平衡
如果遗传物质具有绝对的稳定性，那么生物将失去其进化的基础，就不会呈现大千世界万物生辉的自然景象。
第一节 DNA损伤
概述
DNA损伤的诱发因素众多
体内因素
主要包括机体代谢过程中产生的某些活性代谢物，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
诱发DNA“自发”损伤
体外因素
主要包括辐射、化学毒物、药物病毒感染、植物以及微生物的代谢产物等
体内因素与体外因素的作用，往往是不能截然分开的
通常体外因素是通过体内因素引发DNA损伤的
不同因素所引发的DNA损伤的机制往往又是不相同的
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
产生非 Watson-Crick碱基对
指在DNA复制过程中，碱基的异构互变，4种dNTP之间的浓度的不平衡等均可能引起碱基的错配
尽管绝大多数错配的碱基会被DNA聚合酶的即时校读功能所纠正，但依然不可避免地有极少数的碱基错配被保留下来
DNA复制的错配率约1/10*10
复制错误还表现为片段的缺失或插入
特别是DNA上的短片段重复序列，在真核细胞基因组上广泛分布，导致DNA复制系统工作时可能出现“打滑”现象，使得新生DNA上的重复序列的拷贝数发生变化
DNA重复片段在长度方面表现出的高度的多态性，在遗传性疾病的研究上有重大价值
亨廷顿病、脆性X综合征、肌强直性营养不良等神经退行性疾病均属于此类
2.DNA自身的不稳定性
在DNA自发性损伤中，DNA结构自身的不稳定性是最频繁发挥作用的因素
当DNA受热或所处环境的pH发生改变时，DNA分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可自发发生水解，导致碱基的丢失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍
含有氨基的碱基可能自发发生脱氨基反应，转变为另一种碱基
如C转变为U，A转变为I（次黄嘌呤）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）可以直接作用修饰碱基
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损伤的机制各有其特点。物理因素和化学因素造成的DNA损伤的情况如图13-2所示（详见第九版生物化学P251）。
1.物体因素
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。
（1）电离辐射导致DNA损伤
α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，损伤DNA，属电离辐射
损伤机制
电离辐射可直接作用于DNA等生物大分子，破坏其分子结构
断裂DNA分子的化学键等，使DNA链断裂或发生交联
电离辐射还可激发细胞内的自由基反应，发挥间接作用，导致DNA分子发生碱基氧化修饰，破坏碱基环结构，使其脱落
（2）紫外线照射导致DNA损伤
紫外线和波长长于紫外线的电磁辐射属非电离辐射
紫外线（UV）
UVA（400～320nm）
UVA的能量较低，一般不造成DNA等生物大分子损伤
UVB（320～290nm）
UVC（290～100m）
260nm左右的紫外线，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320mm以下的大部分的紫外线，一般不会造成地球上生物的损害
近年来，由于环境污染，臭氧层的破坏日趋严重，来自大气层外的UV对地球生物的影响越来越为公众所关注
损伤机制
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
低波长紫外线的吸收，可使DNA分子中同一条链相邻的两个胸腺嘧啶碱基（T），以共价键连接形成胸腺嘧啶二聚体结构（TT）（环丁烷型嘧啶二聚体）
见图13-1（详见第九版生物化学P250）。
紫外线也可导致其他嘧啶间形成类似的二聚体
如CT和CC二聚体等
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
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、碱基修饰物和嵌入染料等。
（1）自由基导致DNA损伤
自由基
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
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体外因素与体内因素相互作用的结果
电离辐射产生羟自由基（•OH）和氢自由基（H•）
生物体内的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
自由基可与DNA分子发生反应，导致碱基、核糖和磷酸基损伤，引发DNA的结构与功能异常
（2）碱基类似物导致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，通常被用作抗癌药物或促突变剂
在DNA复制时，因结构类似，碱基类似物可取代正常碱基掺入到DNA链中，并与互补链上的碱基配对，引发碱基对的置换
5-溴尿嘧啶（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配对间的相互转变
（3）碱基修饰剂、烷化剂导致DNA损伤
机制
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，进而改变DNA结构
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，转而与胞嘧啶配对
胞嘧啶脱氨基成为尿嘧啶，不能与原来的鸟嘌呤配对，转而与腺嘌呤配对
这些均能改变碱基的序列
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DNA分子电荷变化，也可改变碱基配对，或烷基化的鸟嘌呤脱落形成无碱基位点，引起DNA链中的鸟嘌呤连接成三聚体，或导致DNA链交联与断裂
这些变化都可以引起DNA序列或结构异常，阻止正常的修复过程
（4）嵌入性染料导致DNA损伤
溴化乙锭、啶橙等染料可直接插入到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苷酸的缺失、移码或插入
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复制或RNA转录的，进而抑制肿瘤细胞的增殖
对DNA损伤，以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
3.生物因素
生物因素主要指病毒和霉菌
如麻疹病毒、风疹病毒、疱疹病毒、黄曲霉、寄生曲霉等
其蛋白质表达产物或产生的毒素和代谢产物，如黄曲霉素等有诱变作用
黄曲霉素主要由黄曲霉产生
在湿热地区的食品和饲料中出现黄曲霉毒素的概率最高
它们存在于土壤、动植物、各种坚果中，特别是容易污染花生玉米、稻米、大豆、小麦等粮油产品，是霉菌毒素中毒性最大、对人类健康危害极为突出的一类霉菌毒素
二、DNA损伤有多种类型
简述
损伤靶点
DNA分子中的碱基、核糖与磷酸二酯键均是DNA损伤因素作用的靶点
损伤类型
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
DNA损伤是相当复杂的
当DNA受到严重损伤时，在其局部范围所发生的损伤常常不止一种，而是多种类型的损伤复合存在
最常见的是碱基损伤、糖基破坏和链断裂可能同时存在
这样的损伤部位被称为局部多样性损伤部位
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
转换和颠换在DNA复制时可引起碱基错配，导致基因突变
需要指出的是，由于密码子的简并性（第十五章），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 、变为终止密码子的无义突变和不改变氨基酸编码的同义突变。教科书和文献中对于错义突变用氨基酸的单字母符号和位置共同注明，如B-Raf的第600位的缬氨酸突变为谷氨酸则写为V600E，具体标示为B-RafV600E。
转换
指DNA链中的一种嘌呤被另一种嘌呤取代，或一种嘧啶被另一种嘧啶取代
颠换
指DNA链中的嘌呤被嘧啶取代或反之
碱基的插入和缺失可引起移码突变
DNA断裂可阻止RNA合成过程中链的延伸
DNA损伤所引起的染色质结构变化也可以造成转录的异常
所有这些变化均可造成某种或某些基因信息发生异常或丢失，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
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理化性质，破坏碱基的结构
亚硝酸等可导致碱基脱氨
在羟自由基的攻击下，嘧啶碱基易发生加成、脱氢等反应，导致碱基环破裂
具有氧化活性的物质可造成DNA中嘌呤或嘧啶碱基的氧化修饰，形成8-羟基脱氧鸟苷或6-甲基尿嘧啶等氧化代谢产物
DNA分子中的戊糖基的碳原子和羟基上的氢可能与自由基反应，由此戊糖基的正常结构被破坏
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，最终导致DNA链的断裂
2.碱基之间发生错配
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的碱基错配发生，最常见的是组成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺入到DNA分子中。
3.DNA链发生断裂
损伤形式
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
戊糖环的破坏、碱基的损伤和脱落都是引起DNA断裂的原因
碱基损伤或糖基的破坏可引起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位点，造成DNA链断裂
DNA链上受损碱基也可以被另一种特异的DNA糖苷酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点（无碱基位点），这些位点在内切酶等的作用下可造成DNA链的断裂
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条互补链为模板重新合成，完成修复
双链断裂在原位修复的概率很小，需依赖重组修复，这种修复导致染色体畸变的可能性很大
一般认为双链断裂的DNA损伤与细胞的致死性效应有直接联系
4.DNA链的共价交联
被损伤的DNA分子中有多种DNA交联形式
DA链内交联
指DNA分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合
低波长紫外线照射后形成的嘧啶二聚体就是DNA链内交联的最典型的例子
链间交联
指DNA分子一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合
DNA蛋白质交联
指DNA分子还可与蛋白质以共价键结合
第二节 DNA损伤修复
概述
DNA损伤修复
在生命的各种活动中，生物体发生DNA损伤不可避免。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。
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损伤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13-1）详见第九版生物化学P253。
对于受损的DNA分子，除了启动上述诸多的修复途径，以修复损伤之外，细胞还可以通过其他的途径将损伤的后果降至最低
通过DNA损伤应激反应活化的细胞周期检查点机制，延迟或阻断细胞周期进程，为损伤修复提供充足的时间诱导修复基因转录翻译，加强损伤的修复，使细胞能够安全进入新一轮的细胞周期
与此同时，细胞还可以激活凋亡机制，诱导严重受损的细胞凋亡，在整体上维持生物体基因组的稳定
一种DNA损伤可通过多种途径修复，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
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（光复活修复或光复活作用）
DNA光裂合酶
能直接识别和结合于DNA链上的嘧啶二聚体部位
在可见光（400m）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13-3）详见第九版生物化学P253。
DNA光裂合酶最初在低等生物中发现，有两个与吸收光子有关的生色基团，次甲基四氢叶酸和FADH2
次甲基四氢叶酸吸收光子后将FADH2激活，再由激活的FADH2将电子转移给嘧啶二聚体，使其还原
鸟类等高等生物虽然也存在DNA光裂合酶，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
哺乳动物细胞缺乏DNA光裂合酶
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直接转移到自身肽链上，修复DNA的同时自身发生不可逆转的失活
人类O6-甲基鸟嘌-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13-4）详见第九版生物化学P254。
3.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’-磷酸基团与相邻片段的3′-羟基之间形成磷酸二酯键，从而直接参与DNA单链断裂的修复
如电离辐射所造成DNA单链上的切口
直接修复是最简单的一种DNA损伤的修复方式
二、切除修复是最普通的DNA损伤修复方式
通过此修复方式，可将不正常的碱基或核苷酸除去并替换掉。依据识别损伤机制的不同，又分为碱基切除修复和核苷酸切除修复两种类型。 切除修复是生物界最普遍的一种DNA损伤修复方式
1.碱基切除修复
碱基切除修复（BER）依赖于生物体内存在的一类特异的DNA糖苷酶
修复过程
识别水解
DNA糖苷酶特异性识别DNA链中已受损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点
切除
在此位点的5’-端，无碱基位点核酸内切酶将DNA链的磷酸二酯键切开，同时去除剩余的磷酸核糖部分
合成
DNA聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列
连接
由DNA连接酶将切口重新连接，使DNA恢复正常结构
（图13-5）详见第九版生物化学P255。
抑癌蛋白p53在哺乳动物细胞中参与调控碱基切除修复
直接证据是DNA烷化剂诱导的DNA损伤，在表达野生型p53的细胞可被有效修复，而在p53缺失的细胞，其修复速度明显减慢
2.核苷酸切除修复
与碱基切除修复不同，核苷酸切除修复（NER）系统并不识别具体的损伤，而是识别损伤对DNA双螺旋结构所造成的扭曲，但修复过程与碱基切除修复相似
首先，由一个酶系统识别DNA损伤部位
其次，在损伤部位两侧切开DNA链，去除两个切口之间的一段受损的寡核苷酸
再次，在DNA聚合酶作用下，以另一条链为模板，合成一段新的DNA，填补缺损区
最后由连接酶连接，完成损伤修复
切除修复是DNA损伤修复的一种普遍形式，它并不局限于某种特殊原因造成的损伤，而能一般性地识别和纠正DNA链及DNA双螺旋结构的变化，修复系统能够使用相同的机制和一套修复蛋白质去修复一系列性质各异的损伤
人类的DNA损伤核苷酸切除修复需要大约30多种蛋白质的参与
遗传性着色性干皮病（XP）发病是由于DNA损伤核苷酸切除修复系统基因缺陷所致
有关人类XP相关的核苷酸切除修复系统缺陷基因的一般情况见表13-2（详见第九版生物化学P255）。
Cockyne综合征和人毛发低硫营养不良等疾病的遗传病因也是DNA损伤核苷酸切除修复系统基因缺陷
修复过程
由损伤部位识别蛋白XPC和XPA等，再加上DNA复制所需的SSB，结合在损伤DNA的部位
XPB和XPD发挥解旋酶的活性，与上述蛋白质共同作用在受损DNA周围形成一个凸起
XPG与XPF发生构象改变，分别在凸起的3’-端和5’-端发挥核酸内切酶活性，在增殖细胞核抗原（PCNA）的帮助下，切除并释放受损的寡核苷酸
遗留的缺损区由DNA聚合酶δ或ε进行修补合成
由连接酶完成连接
核苷酸切除修复不仅能够修复整个基因组中的损伤，而且能够修复那些正在转录的基因模板链上的损伤，后者又称为转录偶联修复，因此，更具积极意义。
在此修复中，所不同的是由RNA聚合酶承担起识别损伤部位的任务。
3.碱基错配修复
错配是指非Watson-Crick-碱基配对
碱基错配修复也可被看作是碱基切除修复的一种特殊形式，是维持细胞中DNA结构完整稳定的重要方式
主要负责纠正以下错误
复制与重组中出现的碱基配对错误
因碱基损伤所致的碱基配对错误
碱基插入
碱基缺失
从低等生物到高等生物，均拥有保守的碱基错配修复系统或途径
大肠杆菌参与DNA复制中错配修复的蛋白质包括MutH、MutL、MutS、DNA解旋酶、单链DNA结合蛋白、核酸外切酶I、DNA聚合酶Ⅲ，以及DNA连接酶等10余种蛋白质或相关酶成分，修复过程十分复杂
修复过程中面临的主要问题是如何区分母链和子链
在细菌DNA中甲基化饰是一个重要标志，母链是高度甲基化的，主要是其腺嘌呤A发生甲基化修饰，而新合成子链中的腺嘌呤A的甲基化修饰尚未进行，这提示错配修复应在此链上进行
首先由MutS蛋白识别错配碱基，随后由MutL和MutH等蛋白质协同相应的核酸外切酶，将包含错配点在内的一小段DNA水解、切除，经修补、连接后，恢复DNA正确的碱基配对
继细菌错配修复机制被揭示之后，真核细胞的错配修复机制的研究，近年来也取得很大进展
有关人类错配修复系统成员的一般情况见表13-3（详见第九版生物化学P256）。
现已发现多种与大肠杆菌的MutS和MutL高度同源的参与错配修复的蛋白质，如与大肠杆菌MutS高度同源的人类的MSH2、MSH6和MSH3等
MSH2和MSH6的复合物可识别包括碱基错配、插入、缺失等DNA损伤，而由MSH2和MSH3形成的蛋白质复合物则主要识别碱基的插入与缺失
真核细胞并不像原核细胞那样以甲基化来区分母链和子链，可能是依赖修复酶与复制复合体之间的联合作用识别新合成的子链
三、DNA严重损伤时需要重组修复
简述
重组修复
双链DNA分子中的一条链断裂，可被模板依赖的DNA修复系统修复，不会给细胞带来严重后果。然而，DNA分子的双链断裂是一种极为严重的损伤。与其他修复方式不同的是，双链断裂修复由于没有互补链可言，因此难以直接提供修复断裂所必需的互补序列信息。为此，需要另外一种更为复杂的机制，来完成DNA双链断裂的修复。
指依靠重组酶系，将另一段未受损伤的DNA移到损伤部位，提供正确的模板，进行修复的过程
依据机制的不同，重组修复可分为同源重组修复和非同源末端连接重组修复
1.同源重组修复
定义
指的是参加重组的两段双链DNA在相当长的范围内序列相同（≥200bp）
这样就能保证重组后生成的新区序列正确
大肠杆菌同源重组的分子机制已比较清楚
起关键作用的是RecA蛋白（重组酶）
它是一个由352个氨基酸组成的蛋白质
多个RecA单体在DNA上聚集，形成右手螺旋的核蛋白细丝，细丝中具有深的螺旋凹槽，可以识别和容纳DNA链
在ATP存在的情况下，RecA可与损伤的DNA单链区结合，使DNA伸展，同时RecA可识别一段与受损DNA序列相同的姐妹链，并使之与受损DNA链并列排列，交叉互补，并分别以结构正常的两条DNA链为模板重建损伤链
最后在其他酶的作用下，解开交叉互补，连接新合成的链，完成同源重组
同源重组生成的新片段具有很高的忠实性
有关酵母同源重组的分子机制也已被研究揭示，与大肠杆菌的相似
详见图13-6（详见第九版生物化学P257）。
在酵母的重组修复过程中先后有Mre、Nbs、Rad50、Rad52、Rad51B、Rad51C、Rad51D、 XRCC2、XRCC3和RPA等相关蛋白质或酶参与
2.非同源末端连接的重组修复
非同源末端连接重组修复是哺乳动物细胞DNA双链断裂的一种修复方式
两段DNA链的末端不需要同源性就能相互替代连接
因此，非同源末端连接重组修复的DNA链的同源性不高，修复的DNA序列中可存在一定的差异
对于拥有巨大基因组的哺乳动物细胞来说，发生错误的位置可能并不在必需基因上，这样依然可以维持受损细胞的存活
非同源末端连接重组修复中起关键作用的蛋白质分子是DNA依赖的蛋白激酶（DNA-PK）
是一种核内的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，由一个分子量大约为465kD的催化亚基（DNA-PKcs）和一个能结合DNA游离端的杂二聚体蛋白Ku组成
DNA-PKcs的作用是介导DNA-PK的催化功能，而Ku蛋白可与双链DNA的断端连接，促进双链断裂的重接
另一个参与非同源末端连接重组修复的重要蛋白质是XRCC4
它能与DNA连接酶形成复合物，增强连接酶的活力，在DNA连接酶与组装在DNA末端的 DNA-PK复合物相结合的过程中起中间体作用
非同源末端连接重组修复既是修复DNA损伤的一种方式，又可以被看作是一种生理性基因重组的策略，将原来并未连在一起的基因或片段连接产生新的组合
如B淋巴细胞、T淋巴细胞的受体基因、免疫球蛋白基因的构建与重排等。
四、跨越损伤DNA合成是一种差错倾向性DNA损伤修复
当DNA双链发生大范围的损伤，DNA损伤部位失去了模板作用，或复制叉已解开母链，致使修复系统无法通过上述方式进行有效修复，此时，细胞可以诱导一个或多个应急途径，通过跨过损伤部位先进行复制，再设法修复。而根据损伤部位跨越机制的不同，这种跨越损伤DNA的修复被分为重组跨越损伤修复与合成跨越损伤修复两种类型。
1.重组跨越损伤修复
当DNA链的损伤较大，致使损伤链不能作为模板复制时，细胞利用同源重组的方式，将DNA模板进行重组交换，使复制能够继续下去
在大肠杆菌中，还有某些新的机制，当复制进行到损伤部位时，DNA聚合酶Ⅲ停止移动，并从模板上脱离下来，然后在损伤部位的下游重新启动复制，从而在子链DNA上产生一个缺口
RecA重组蛋白将另一股健康母链上对应的序列重组到子链DNA的缺口处填补
通过重组跨越，解决了有损伤的DNA分子的复制问题，但其损伤并没有真正地被修复，只是转移到了另一个新合成的一个子代的DNA分子上，由细胞内其他修复系统来后继修复
2.合成跨越损伤修复
SOS修复反应
当DNA双链发生大片段高频率的损伤时，大肠杆菌可以紧急启动应急修复系统，诱导产生新的DNA聚合酶（DNA聚合酶Ⅳ或V），替换停留在损伤位点的原来的DNA聚合酶Ⅲ，在子链上以随机方式插入正确或错误的核苷酸使复制继续，越过损伤部位之后，这些新的DNA聚合酶完成使命后从DNA链上脱离，由原来的DNA聚合酶Ⅲ继续复制
因为诱导产生的这些新的DNA聚合酶的活性低，识别碱基的精确度差，一般无校对功能，所以这种合成跨越损伤复制过程的出错率会大大增加，是大肠杆菌SOS反应或SOS修复的一部分。
在大肠杆菌等原核细胞中，SOS修复反应是由RecA蛋白与LexA阻遏物的相互作用引发的，有近30个SOS相关基因编码蛋白质参与此修复反应
正常情况下，RecA基因以及其他的SOS相关的可诱导基因的上游，有一段共同的操纵序列（5-CTG-N10-CAG-3’）被LexA阻遏蛋白所阻遏，只有低水平的转录和翻译，产生少量的相应蛋白质
当DNA严重损伤时，RecA蛋白表达，激活LexA的自水解酶活性，当LexA阻遏蛋白因水解从RecA基因，以及SOS相关的可诱导基因的操纵序列上解离下来后，一系列受LexA阻遏的基因得以表达，参与SOS修复活动
完成修复后，LexA阻遏蛋白重新合成，SOS相关的可诱导基因重新关闭
（图13-7）详见第九版生物化学P258。
SOS反应诱导的产物可参与重组修复、切除修复和错配修复等修复过程
这种修复机制因海空紧急呼救信号“SOS而得名。
第三节 DNA损伤及其修复的意义
遗传物质稳定性的世代相传是维持物种稳定的主要因素。然而，如果遗传物质是绝对一成不变的话，自然界也就失去了进化的基础，也就不会有新的物种出现。
一、DNA损伤具有双重效应
一般认为DNA损伤是有害的，然而，就损伤的结果而言，DNA损伤具有双重效应，DNA损伤是基因突变的基础
DNA损伤通常有两种生物学后果
一是给DNA带来永久性的改变，即突变，可能改变基因的编码序列或基因的调控序列
突变是进化的分子基础
从久远的生物史来看，进化是遗传物质不断突变的过程。可以说没有突变就没有如今的生物物种的多样性。当然在短暂的某一段历史时期，我们往往无法看到一个物种的自然演变，只能见到长期突变的累积结果，适者生存。
DNA突变可能只改变基因型，而不影响其表型，并表现出个体差异
目前，基因的多态性已被广泛应用于亲子鉴定、个体识别，器官移植，以及疾病易感性分析等
DNA突变还是某些遗传性疾病的发病基础
有遗传倾向的疾病，如高血压和糖尿病，尤其是肿瘤，均是多种基因与环境因素共同作用的结果
二是DNA的这些改变使得DNA不能用作复制和转录的模板，使细胞的功能出现障碍，重则死亡
DNA损伤若发生在与生命活动密切相关的基因上，可能导致细胞，甚至是个体的死亡
人类常利用此性质杀死某些病原微生物
二、DNA损伤修复障碍与多种疾病相关
简述
细胞中DNA损伤的生物学后果，主要取决于DNA损伤的程度和细胞的修复能力
如果损伤得不到及时正确的修复，就可能导致细胞功能的异常
DNA碱基的损伤将可能导致遗传密码子的变化，经转录和翻译产生功能异常的RNA与蛋白质，引起细胞功能的衰退、凋亡，甚至发生恶性转化
双链DNA的断裂可通过同源或非同源重组修复途径加以修复，但非同源重组修复的忠实性差，修复过程中可能获得或丧失核苷酸，造成染色体畸形，导致严重后果
DNA交联影响染色体的高级结构，妨碍基因的正常表达，对细胞的功能同样产生影响
DNA损伤与肿瘤、衰老以及免疫性疾病等多种疾病的发生有着非常密切的关联
（表13-4）详见第九版生物化学P260。
（一）DNA损伤修复系统缺陷与肿瘤
先天性DNA损伤修复系统缺陷病人容易发生恶性肿瘤
肿瘤发生是DNA损伤对机体的远期效应之一
众多研究表明，DNA损伤→DNA损伤修复异常→基因突变→肿瘤发生是贯穿肿瘤发生发展的重要环节
DNA损伤可导致原癌基因的激活，也可使抑癌基因失活
癌基因与抑癌基因的表达失衡是细胞恶变的重要机制
参与DNA损伤修复的多种基因具有抑癌基因的功能，目前已发现这些基因在多种肿瘤中发生突变而失活
人类遗传性非息肉性结肠癌（HNPCC）细胞存在错配修复与转录偶联修复缺陷，造成细胞基因组的不稳定性，进而引起调控细胞生长的基因发生突变，引发细胞恶变
在 HNPCC中MLH1和MSH2基因的突变时有发生
MLH1基因的突变形式主要有错义突变、无义突变、缺失和移码突变等
MSH2基因的突变形式主要有移码突变、无义突变、错义突变以及缺失或插入等
其中以第622位密码子发生C/T转换，导致脯氨酸突变为亮氨酸最为常见，结果使MSH2蛋白的功能丧失。
BRCA基因参与DNA损伤修复的启动与细胞周期的调控
BRCA基因的失活可增加细胞对辐射的敏感性，导致细胞对双链DNA断裂修复能力的下降
现已发现BRCA基因在70％的家族遗传性乳腺癌和卵巢癌病例中发生突变而失活
DNA修复功能缺陷虽可引起肿瘤的发生，但已癌变的细胞本身DNA修复功能往往并不低下，相反会显著升高，使得癌细胞能够充分修复化疗药物引起的DNA的损伤，这也是大多数抗癌药物不能奏效的直接原因
关于DNA修复的研究可为肿瘤联合化疗提供新思路
（二）DNA损伤修复缺陷与遗传性疾病
着色性干皮病（XP）
病人的皮肤对阳光敏感，射后出现红斑、水肿，继而出现色素沉着、干燥、角化过度，最终甚至会出现黑色素瘤、基底细胞癌、状上皮癌及棘状上皮瘤等瘤变发生
具有不同临床表现的XP病人存在明显的遗传异质性，表现为不同程度的核酸内切酶缺乏引发的切除修复功能缺陷
所以病人的肺、胃肠道等器官在受到有害环境因素刺激时，会有较高的肿瘤发生率
“XP变种”（XPV）
在对XP的进一步研究中发现，一些病人虽具有明显的临床症状，但在UV辐射后的核苷酸切除修复中却没有明显的缺陷表型
这类病人的细胞在培养中表现出对UV辐射的轻微增高的敏感性，变种的切除修复功能正常，但复制后修复的功能有缺陷
最新的研究发现，某些XP变种的分子病理学机制是由它对DNA碱基损伤耐受的缺陷所致，而不是修复方面的缺陷
共济失调-毛细血管扩张症（AT）
是一种常染色体隐性遗传病，主要影响机体的神经系统、免疫系统与皮肤
AT病人的细胞对射线及拟辐射的化学因子，如博来霉素等敏感，具有极高的染色体自发畸变率，以及对辐射所致的DNA损伤的修复缺陷
病人的肿瘤发病率相当高
AT的发生与在DNA损伤信号转导网络中发挥关键作用的ATM分子的突变有关
DNA损伤核苷酸切除修复的缺陷可以导致人毛发低硫营养不良（TTD）、 Cockayne综合征（CS）和范科尼贫血等遗传病
（三）DNA损伤修复缺陷与免疫性疾病
DNA损伤修复、免疫和肿瘤等均是紧密关联的
DNA修复功能先天性缺陷病人，其免疫系统常有缺陷，主要是T淋巴细胞功能缺陷
随着年龄的增长，细胞中的DNA修复功能逐渐衰退，如果同时发生免疫监视功能的障碍，便不能及时清除癌变的突变细胞，从而导致发生肿瘤
（四）DNA损伤修复与衰老
有关DNA损伤修复能力比较研究发现
寿命长的动物如象、牛等的DNA损伤的修复能力较强
寿命短的动物如小鼠、仓鼠等的DNA损伤的修复能力较弱
人的DNA修复能力也很强，但到一定年龄后会逐渐减弱，突变细胞数与染色体畸变率相应增加
如人类常染色体隐性遗传的早老症和韦尔纳综合症病人，其体细胞极易衰老，一般早年死于心血管疾病或恶性肿瘤