DNA损伤与修复

DNA修复的新研究进展

DNA修复是指细胞在受到DNA损伤时，通过一系列复杂的生化反应修复DNA分子上的损伤点的过程。这个过程非常重要，因为DNA是人体内信息分子的载体，受到氧化、辐射等因素的影响容易造成DNA损伤，从而导致遗传突变、癌症等疾病的发生。不断有科学家对DNA修复过程进行研究，寻找能够促进DNA修复的方法已成为生物医学研究中的热点问题。近年来，随着科技的发展和对DNA修复机制的不断深入了解，一些全新的研究进展也相继浮出水面。

DNA修复机制的发现

DNA修复机制的发现并不是一蹴而就的，人们需要克服种种挫折和困难。在20世纪30年代，人们首次意识到DNA受到损伤的危害性。20世纪50年代，人类学会了用电子显微镜研究DNA中的细节结构，由此，科学家才开始了解到DNA受到损伤时的物理和化学特性。20世纪60年代，人们发现体内的DNA修复机制能够快速放发现DNA损伤，并做出修复反应。该机制对人体的健康起着至关重要的作用，也是科学家研究DNA损伤修复的关键基石。

光线和化学引起的DNA损伤修复

DNA修复可以被划分为两种主要类型，即光线和化学引起的损伤。光线引起的 DNA 损伤包括自然辐射，如太阳光和宇宙射线；医疗介入，如放射治疗和放射性同位素等。

化学引起的 DNA 损伤包括基因毒性环境污染物和致癌物质，例如烟草烟气和许多种化合物等。针对这些引起 DNA 损伤的因素，人体内自然存在多种 DNA 修复 Enzyme在十分有序的环节中工作以对顺序进行修复。其中一个主要酶是O6-甲基鸟嘌呤 DNA 甲基转移酶(MGMT)，它负责被甲基化后的 DNA 骨架上的甲基去甲基化修复，因此在 prev。啊早期的实验中被发现。事实上，光线和化学均能引起 DNA 损伤，因此计算机模型研究已成为许多实验室的一个重要手段，通过数值模拟来预测 DNA 损伤的种类以及修复机制可能的运作方式。

Mpg人体基因调控与DNA修复

基金项目:国家自然科学基金资助项目(30371613,30425017)作者单位:100083北京大学医学部生物化学与分子生物学系通讯作者:朱卫国,E-mai:lzhuweiguo@󰀁专题综论󰀁DNA的损伤与修复柴国林󰀁朱卫国【主题词】󰀁DNA损伤;󰀁DNA修复【Subjectwords】󰀁DNAdamage;󰀁DNArepair󰀁󰀁细胞的生物信息储存在DNA中。在真核细胞中,绝大多数(98%)DNA与蛋白质结合形成染色质存在于细胞核内,一小部分存在于其他细胞器中,如线粒体内。DNA由鸟嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、戊糖和磷酸组成,碱基不同的排列顺序编码了不同的生物信息。在细胞的生存过程中,DNA会遭到内源性和外源性的损伤(表1),例如放射线[1]和化学物质[2]。正常细胞的DNA损伤是诱发疾病的原因之一。然而对于肿瘤细胞,DNA损伤可以作为治疗肿瘤的一种手段。临床常用的化学物理疗法中,绝大多数是针对于DNA的。因此,DNA一直是放疗、化疗的重要靶点,在肿瘤的治疗中有非常重要的意义。如何诱导肿瘤细胞DNA损伤,防止DNA损伤的修复,进而诱导肿瘤细胞的坏死与凋亡,是肿瘤治疗研究的重点。表1󰀁哺乳动物细胞DNA损伤的发生频率DNA损伤类型次󰀁细胞-1󰀁d-1单链损伤55000脱嘌呤13000脱嘧啶650鸟氨酸-O6甲基化3100胞嘧啶脱氨基200葡萄糖-6-磷酸加合物3胸腺嘧啶乙二醇270胸苷乙二醇70羟甲基尿嘧啶6208-氧鸟氨酸180分子间交联8双链断裂9DNA-蛋白质交联不清󰀁󰀁一、DNA损伤的形式及生物效应不同的损伤源会产生不同类型的损伤。DNA在损伤因素的作用下,主要产生碱基损伤和DNA链的断裂。碱基损伤包括:单碱基加合物、碱基改变和碱基缺失。链的损伤主要有DNA二聚体、单链断裂和双链断裂。DNA损伤最主要的结果是突变和细胞死亡[3]。突变的主要类型有:碱基替换(basesubstitution)、碱基缺失(deletion)和插入(insertion)。DNA损伤的主要生物效应是细胞突变和死亡。突变主要产生于复制过程中,当DNA聚合酶复制到损伤部位时,受损的碱基会使聚合酶插入错误的碱基。例如,聚合酶经常将胸腺嘧啶与O6甲基鸟嘌呤配对,这样G-C配对就会转变成为A-T配对。DNA损伤的另一个结果是细胞死亡。大量的损伤可以直接诱导细胞死亡。此外,DNA损伤还可以通过诱导凋亡促使细胞死亡。其中,最为典型的例子就是5-氮脱氧胞苷与HDAC抑制剂联合诱导肺癌细胞凋亡[4]。最近的研究表明,5-氮脱氧胞苷能够诱导DNA损伤[5],而且这种损伤是5-氮脱氧胞苷与组蛋白去乙酰化酶抑制剂诱导细胞凋亡的前提。二、DNA损伤的监测点和与DNA损伤相关的蛋白质DNA损伤的检测是一种多个蛋白质共同参与的过程。在这个过程中,有多个监测点,分别在G1或S期、S期、G2期和M期。这些监测点主要使受损伤的DNA不会被复制,从而保证损伤不会被遗传给子代细胞。损伤的DNA能够被多种蛋白质所识别(表2)。这些蛋白质对于损伤的修复具有两面性:一方面,有些蛋白质与损伤部位结合后,能够作为DNA受到损伤的信号传递给修复系统;另一方面,有些蛋白质与损伤的部位结合后,掩盖了受损的部位,使其不能够被修复系统识别,从而导致细胞突变或死亡。由此可见,这些蛋白质对于DNA损伤的修复和基因组的稳定起着非常重要的作用。其中,掩盖损伤位点的蛋白质分别是:拓扑异构酶、HMG(highmobility-groupprotein)蛋白和TBP(TATAbindingprotein)。󰀁577󰀁中华肿瘤杂志2005年10月第27卷第10期󰀁ChinJOnco,lOctober2005,Vol27,No.10表2󰀁真核细胞中与DNA损伤相互作用的蛋白质DNA损伤类型DNA修复方式参与的蛋白质BasemismatchesMMRhTop1,ctTop1BERdTop,rTop2,hTop2󰀁Abasicsites(AP)BERctTopNERdTop2,hTop2󰀁,hTop2󰀁BERintermediatesBERhTop2󰀁󰀁5󰀁-nickedAP󰀁3󰀁-nickedAP󰀁5󰀁-dRflapOxidizedbasesBER,TCR󰀁8-oxoGYMutS,hTop1󰀁8-oxoAhTop2󰀁,hTop2󰀁󰀁5-OHChTop1AlkylatedbasesAlkyltransferase󰀁O6-meGdeoxygenase,NERhMutS󰀁,hTop2󰀁,hTop2󰀁,hTop1󰀁O4-meThMutS󰀁󰀁󰀁AhTop2󰀁andhTop2󰀁,hTop1UVphotoproducts(CPD,6-4PP)NER,TCRyPhr1,RPA,MutS󰀁,hTBP,TFTC,hATR,hTop1,dTop2BPDEadductsNER,TCRhTop1andrTop1󰀁CisplatinintrastrandcrosslinksNERRPA,hMutS󰀁󰀁1,2-d(GpG)hTBP󰀁1,2-d(ApG)YB-1,HMG1,mtTFA,SRY,UBF,Nhp6A,Ixr1,rHistoneH1Psoraleninterstrandcross-linksND󰀁SpⅡ󰀁*SinglestrandbreaksNDhTop1RibonucleotidesNDhTop2󰀁,hTop2󰀁sugarmodificationscytosineDNApolymerasehTop1arabinosideexonucleasehTop2󰀁,hTop2󰀁GemcitabineNDhTop1使损伤的DNA易于被修复的蛋白质分别是:Ixr1(HMGcontainingtranscriptionfactorintrastrandcross-linkrecognitionprotein)和YB-1等。高表达这些蛋白质的细胞,对于化疗药物存在很高的耐药性。󰀁󰀁三、DNA损伤的修复(一)核DNA损伤的修复细胞通过两种机制对DNA损伤进行修复:一种是将损伤的DNA切除,合成一段新的DNA来代替损伤的DNA,这种修复是切除修复(excisionrepair);另一种修复不需要合成新的DNA,在生理条件下,损伤直接从碱基上移除,使碱基恢复原来的状态,这种修复是损伤恢复(reversalofdamage)。损伤恢复最典型的例子是光分解酶(photolysase)修复由紫外线造成的DNA内二聚体和甲基转移酶修复的甲基化损伤。1.损伤直接逆转:这种修复方式最为简单,是指细胞在酶的作用下,直接将损伤的DNA进行修复。细菌的DNA在紫外线的照射下形成的嘧啶嘧啶二聚体,这种类型的损伤是在光分解酶的作用下直接修复的。另一个例子是甲基转移酶将鸟嘌呤(O6-甲基鸟嘌呤)和胸腺嘧啶(O4甲基胸腺嘧啶)O位上的甲基转移给自己,从而达到修复DNA的目的。2.切除修复:(1)碱基切除修复(baseexcisionrepair,BER):从细菌到人类细胞,碱基切除修复的蛋白质广泛存在。绝大多数自发的碱基损伤是靠碱基切除修复进行修复的。碱基切除修复由多蛋白、多步骤完成(图1)。以大肠杆菌为例:碱基切除修复首先由糖基酶分解由损伤碱基与DNA骨架形成的糖苷键,在切除的部位留下一个不含碱基的空位,然后由AP(apurinic/apyrimidinic)内切核酸酶在空位处切断DNA骨架,切断的DNA解螺旋(deangling)由脱氧核酸磷酸二酯酶来完成,最后,由DNA聚合酶填补碱基DNA连接酶,将新的碱基与DNA其他碱基连接起来。碱基切除修复也能够修复大量的碱基损伤。但受损碱基的移除不是由一种酶来完成的,而是由多个酶来完成的,每一种酶切除特定的损伤。例如,尿嘧啶糖基酶移除DNA内的尿嘧啶,3-甲基腺嘌呤糖基酶可以切除烷化的碱基。(2)核苷切除修复(nucleotideexcisionrepair,󰀁578󰀁中华肿瘤杂志2005年10月第27卷第10期󰀁ChinJOnco,lOctober2005,Vol27,No.10

缺钱的小憨皮

DNA damage response (DDR)

——损伤太强导致的细胞周期停滞（cell-cycle arrest）

DNA 分子在进行一系列DNA 的复制、包装、分离和转录等复杂的动态过程中伴随着大量的 DNA 损伤及复制错误。基因组还会受到各种存在于环境中的诱变剂攻击，例如电离辐射和化学试剂。各式各样的基因毒性压力伴随着许多类型的基因突变，包括双螺旋断裂（DSBs），单链的 DNA 断裂，DNA 交叉互换及插入，核苷酸碱基修饰、插入、缺失及染色体易位。其中危害最大的是 DNA 双链断裂。DNA 的损伤可以进一步破坏机体细胞、组织及器官。细胞进化出了一种 DNA 损伤应激反应可以修复 DNA 损伤，高度保守的 DNA

损伤修复应答机制可以维持基因组的完整性[1]。

DNA损伤应答（DNA Damage Response）是细胞对DNA损伤后的一种应激反应。正常细胞具有复杂的DNA损伤应激反应通路，其激活会引起细胞周期停滞、细胞凋亡或者细胞衰老，并抑制细胞癌变的发生[1]。当高水平的DNA 损伤发生时，细胞周期检查点被激活，使细胞周期停滞，待细胞修复系统修复这些损伤后，细胞周期恢复运转，其中，细胞周期检查点的激活需要 DNA 损伤达到一个阈值[2]。

细胞周期检查点的激活需要 DNA 损伤达到一个阈值

DNA 损伤能够激活细胞周期检查点，但是，事实上在增殖的哺乳动物细胞中，每小时每个细胞 DNA 大约发生一万次修饰。并不是任何程度的 DNA 损伤细胞都会发生激活检查点，在低水平的 DNA 损伤情况下，细胞周期检查点不会被激活，单个 DNA 双链断裂足以引起检查点的激活。DNA 损伤程度依赖于处理时间的长短，细胞周期检查点的激活需要

DNA 损伤达到一个阈值。

DNA 损伤激活细胞周期检查点[2]

自然界各种物理、化学因子如射线或化学药物可以引起细胞内 DNA 损伤。细胞增殖过程中，当 DNA 损伤发生时，细胞激活一种调节机制，使细胞周期停滞，待细胞修复系统修复这些损伤后，细胞周期恢复运转。当损伤不能被有效修复时可引起细胞的凋亡。细胞通过长期进化产生了一种保证细胞周期中DNA复制和染色体分配的质量的机制，通常称为细胞周期检查点（cell cycle checkpoint）。只有当细胞周期进程中发生异常事件时，如 DNA 损伤或染色体未正确分配等，检查点才会被激活。

第1篇

一、引言

DNA作为生物体的遗传物质，在生物体的生长发育、遗传变异和进化过程中起着至关重要的作用。然而，DNA在复制、转录和修复过程中，由于外界因素或内部错误，会导致DNA损伤。为了维持生物体的正常功能，细胞必须通过一系列的DNA损伤修复机制来修复受损的DNA。其中，非同源重组（Non-Homologous End Joining，NHEJ）和同源重组（Homologous Recombination，HR）是两种主要的DNA损伤修复途径。本文将详细介绍这两种分子机制的原理和作用。

二、非同源重组（NHEJ）

1. NHEJ的原理

NHEJ是一种在DNA双链断裂（Double-Strand Break，DSB）发生时，直接连接断裂末端的DNA损伤修复途径。该途径不需要模板DNA，因此具有较快的修复速度，但修复效率较低，容易出现错误连接。

2. NHEJ的分子机制

（1）识别和切割断裂末端：在DSB发生时，DNA断裂修复因子（如Mre11、Rad50和Nbs1）形成复合物，识别断裂末端，并通过ATP酶活性切割断裂末端。

（2）末端连接：在Xrcc4和Ligase IV的作用下，将断裂末端的粘性末端连接起来，形成环状中间体。

（3）去除中间体：在DNA聚合酶的作用下，去除中间体，形成完整的DNA分子。

三、同源重组（HR）

1. HR的原理

HR是一种在DSB发生时，利用未受损的姐妹染色单体或同源染色体作为模板，精确修复断裂末端的DNA损伤修复途径。HR具有高保真性，但修复速度较慢。

2. HR的分子机制

（1）断裂末端的识别和连接：与NHEJ类似，HR也需要识别和切割断裂末端。在HR过程中，DSS1和RAD51蛋白复合物参与断裂末端的识别和连接。

（2）形成重组中间体：RAD51蛋白复合物与断裂末端结合，形成重组中间体。 （3）分支迁移：在分支迁移酶的作用下，重组中间体在姐妹染色单体或同源染色体上移动，寻找匹配的序列。