临床执医-生物化学与分子生物学-012DNA损伤和损伤修复

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十二、DNA的损伤与修复

• 《生物化学》- 1、DNA损伤
  • 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。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。各种体内外因素所导致的DNA组成与结构变化称为DNA损伤。
    • DNA损伤可产生两种后果：一是损伤导致DNA的结构发生永久性改变，即突变；二是损伤导致DNA失去作为复制和(或)转录的模板的功能。DNA损伤的诱发因素众多，一般可分为体内因素与体外因素。
    • 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，均可诱发DNA“自发"损伤。体外因素则主要包括辐射、化学毒物、药物、病毒感染、植物以及微生物的代谢产物等。值得注意的是，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。
  • 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之间的浓度的不平衡等均可能引起碱基的错配，即产生非Wason-Crick碱基对。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1/100亿。
        • 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。
      • 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。另外，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。
      • 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。
    • (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。
      • 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，损伤DNA，属电离辐射；而紫外线和波长长于紫外线的电磁辐射属非电离辐射。
      • 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、碱基修饰物和嵌入染料等。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复制或RNA转录，进而抑制肿瘤细胞的增殖。
      • 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。
  • 二、DNA损伤有多种类型
    • 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。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理化性质，破坏碱基的结构。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
      • 碱基类似物的掺入、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
      • 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；而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。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。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。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。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，称为链间交联。DNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交联。
      • 实际上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。
• 《生物化学》- 2、DNA损伤修复
  • 概述
    • 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。
    • 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。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。
  • 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。生物体内存在着一种DNA光裂合酶，能够直接识别和结合于DNA链上的嘧啶二聚体部位。在可见光激发下，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。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。
    • 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。
  • 二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式
    • 切除修复是生物界最普遍的一种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。
  • 三、DNA严重损伤时需要重组修复
    • 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，即重组修复来完成DNA双链断裂的修复。重组修复是指依靠重组酶系，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。
  • 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。
    • 此外，对于受损的DNA分子，除了启动上述诸多的修复途径之外，细胞还可以通过其他的途径将损伤的后果降至最低。例如，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，诱导修复基因表达，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。
• 《生物化学》- 3、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。因此，生物多样性依赖于DNA损伤与损伤修复之间的良好的动态平衡。
  • 一、DNA损伤具有双重效应
    • 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。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。
    • 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。因此突变是进化的分子基础。
    • 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。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、DNA损伤修复障碍与多种疾病相关
    • 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。
    • (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。
    • (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，照射后出现红斑、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。
    • (三) DNA损伤修复缺陷与免疫性疾病
      • 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。因此，DNA损伤修复、免疫和肿瘤等均是紧密关联的。
    • (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。
• 临床执医 生物化学与分子生物学 012 DNA损伤和损伤修复