【遗传学结课论文】DNA损伤与修复.docx

成绩

中国农业大学
课程论文
（2012-2013学年秋季学期）

论文题目： DNA损伤与修复
课程名称： 遗传学
任课教师： 朱登云 郭岩
班　　级： 生物111班
学　　号： 1102040128
姓　　名： 杨明轩

DNA损伤与修复
摘 要 DNA—作为生物体生存及繁衍的重要遗传信息—对于生物体的正常生存至关重要。基因组的稳定性经常会受到DNA 损伤的威胁.，然而，高度致密的染色质结构却极大地妨碍了DNA 修复的进行。 因此，真核生物细胞中必须有一套精确的机制来克服染色质这一天然的屏障。因此，在长期的进化中，生物体演化出了若干机制来修复因为各种内外因素而发生的DNA损伤。本文主要介绍了目前已知的四种诱变机制并着重阐述其对应的五种主要的DNA损伤修复机制，最后对DNA损伤修复机制在生物学和医学领域的应用进行了展望
关键词 DNA 损伤 修复 表观遗传学

一、引言
DNA储存着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维护DNA分子的完整性对细胞至关紧要。外界环境和生物体内部的许多因素都经常会导致DNA分子的损伤或改变。如果DNA的损伤或改变不能被修复，将影响细胞乃至生物体的生存。所以细胞修复DNA损伤的能力十分重要。
DNA损伤是指在生物体生命过程中DNA双螺旋结构发生的任何非正常改变。其中因自然条件引起的突变称为自发突变（spontaneous mutation），其突变频率很低（约为10-6-10-10）。另外一种为因存在诱变剂（mutagen）导致的DNA损伤，因突变率相比于自发突变较高，常作为生物学及医学领域研究的重要对象及材料。主要诱变作用机制有4种：碱基类似物（base analog）；碱基修饰物（base modifier）；嵌入染料（intercalating dye）；紫外线（ultraviolet）。
针对DNA损伤，生物体在长期进化过程中，也获得了对DNA损伤的修复功能。目前已知的DNA损伤修复机制大致有5种：直接修复——修复嘧啶二聚体或甲基化DNA；切除修复——切除突变的碱基或核苷酸片段；错配修复——恢复错配；重组修复——复制后的修复，越过损伤部位重新启动停滞的复制叉；SOS修复——紧急修复，导致变异。

二、DNA损伤诱变机制
2.1 碱基类似物
碱基类似物在DNA复制时可以通过取代正常碱基掺入到DNA分子中，并与互补链上碱基配对。这些碱基类似物极易发生互变异构，在DNA复制时改变与之配对的碱基。并在再一次复制时使碱基对发生置换，导致基因发生突变。
例如5—溴尿嘧啶（Bu）是胸腺嘧啶的类似物，在通常情况下其以同时存在，在第一次复制时可以取代T掺入到DNA分子中并与A配对，当它转为烯醇式时，在第二次复制时可以与G配对，从而导致使原本AT对转变为CG对。
2.2 碱基修饰剂
碱基修饰剂可与DNA中碱基发生化学反应，因而使碱基受到修饰，在DNA复制时，是碱基配对发生错误，因而引起突变。
例如亚硝酸能脱去碱基上氨基—在亚硝酸存在下，腺嘌呤脱氨后成为次黄嘌呤（H），DNA复制时与胞嘧啶配对，而不是与胸腺嘧啶配对。因而使AT对在第二次复制时转变为GC对；同理胞嘧啶脱氨后成为尿嘧啶，使GC对转变为AT对。但鸟嘌呤不受影响，因为亚硝酸虽然使鸟嘌呤脱氨变为黄嘌呤（X），但仍与胞嘧啶配对，DNA复制后并不引起碱基对置换。
2.3 嵌入染料
一些吖啶类化合物如吖啶橙、吖啶黄、原黄素还有溴化乙锭等染料。其均为一类扁平稠环分子，可以插入到DNA碱基对之间，在DNA复制时造成新合成链增加或缺失碱基，造成移码突变。
2.4 紫外线
紫外线诱变作用是使DNA同一条链上相邻两个胸腺嘧啶形成二聚体，使DNA分子发生扭曲，因而妨碍碱基正常配对，从而引起突变。

三、DNA损伤修复机制
3.1 直接修复
直接修复（DR）是将被损伤的碱基恢复到正常状态的修复，有两种方式：光复活修复和O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（MGMT）修复。
对胸腺嘧啶二聚体的形成和修复机制研究的较为详细，是光复活修复的典型例子。最早发现细菌在被紫外线照射后，如果立即再用可见光照射则存活率显著提高。这种光复活机制是由于有效波长在400nm左右的可见光激活了光复活酶，它能分解由紫外线照射而形成的环丁烷嘧啶二聚体。光复活作用是高度专一性的直接修复方式。E.coil的光复活修复酶含有两个色素分子，N5，N10-次甲基四氢叶酸和还原性的黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH2）。酶分子通过生色基团吸收蓝色或者近紫外波长的射线，再把能量转移到待切环丁烷环中的辅因子上。被激活的FADH2通过电子转移引发环丁烷嘧啶二聚体裂解，同时酶脱落下来。光复活酶在生物界中分布较广，从低等单细胞生物到鸟类都有，但包括人类在内的胎盘哺乳动物除外。这种修复方式对植物体特别重要。对高等动物而言则主要是暗修复，即切除含嘧啶二聚体的核酸链，然后再修复合成。
3.2 切除修复
切除修复是在DNA内切酶、DNA外切酶、DNA连接酶、DNA聚合酶等共同作用下，将DNA分子受损伤的部分切除，并以完整的一条链为模板，合成切除的部分，使DNA恢复正常结构的过程。该修复系统包括碱基切除修复和核苷酸切除修复两种。
在碱基切除修复（BER）中，细胞中各种类型的DNA糖苷酶特异性的识别受损伤的核酸位点，并水解受损碱基和脱氧核糖之间的N-β-糖苷键，在DNA链上留下一个无嘌呤或无嘧啶的位点，统称为AP位点。之后，AP核酸内切酶识别该位点，并切开5’端的糖苷-磷酸键形成切口，DNA聚合酶I填充切口，DNA连接酶连接完成修复。
核苷酸切除修复（NER）主要负责修复那些使DNA双链之间无法形成氢键以及影响区域性染色体结构的DNA损伤，例如嘧啶二聚体、DNA附加物、DNA交互连接等。目前有两种模型对核苷酸切除修复的机制进行了解释。分别为先补后切模型和先切后补模型。在E.coil中，UvrA可以识别DNA损伤部位，引导UvrB 和UvrC与其结合形成复合体。由UvrC完成对DNA单链的切割，12个碱基的DNA链由解链酶II作用脱离，然后由DNA聚合酶III以互补链合成DNA，最后由DNA连接酶封闭其缺口，从而完成DNA损伤修复。
3.3 错配修复
DNA错配修复（MMR）修复系统广泛存在于各种生物体细胞中，主要的功能是修复DNA复制过程中产生的错配，包括单个碱基的错配和两个以上碱基的插入或缺失造成的错配。
在DNA复制过程中，发生的碱基的错配能够被校正。如果是新合成的链被校正，则基因编码的信息可以得到恢复；但如果是模板链被校正，则复制后的突变就被固定了下来。因此，细胞中的错配修复系统能够识别DNA母链和子链。母链具有区别于子链的识别标签，Dam甲基化酶可使DNA的5’-GATC-3’序列中的腺嘌呤N6甲基化。该4碱基序列广泛分布于整个基因组中，一般每隔250bp就出现一次，邻近于可能出现错配的位点。GATC为回文序列，其互补链5’ →3’方向序列也是GATC。当母链甲基化的GATC序列被复制之后，新合成子链上的GATC序列将延时甲基化，短时间内子代DNA双链均处于半甲基化状态。利用该时间差，以母链甲基为标记区分母链和子链，根据“保存母链，修正子链”的原则，只对未甲基化的子链上的错配进行修复。一旦发生错配，MutS蛋白识别并结合到错配碱基对上，MutL与MutS结合后形成稳定复合物，MutH核酸内切酶结合到MutSL复合体上，接着在5’-GATC处切开未甲基化的DNA链。随后，核酸外切酶在解旋酶和SSL蛋白的协助下切除切口到错配位点的这段序列。最后，空缺由DNA聚合酶III填充，DNA连接酶连接切口完成修复。该过程必须在错配发生后的数分钟之内进行，否则子链被甲基化之后就无法再对母链和子链进行区分。
3.4 重组修复
重组修复（ER）是指一种复制后修复，即对在复制起始时尚未修复的DNA损伤部位可以先复制再修复。而这个过程必须依赖重组后的过程，原DNA损伤可能永远存在于子代细胞并遗传下去，也可能被其他机制修复。不过该修复必须跨越DNA损伤部位，当复制进行到损伤处时，可能发生短时间的停顿，然后越过该损伤处，在其下游又以一种未知的机制起始DNA复制，这样在合成的子链上就会产生一个缺口，而另一条DNA互补链则正常完成复制形成子链。两条新合成的双链DNA之间发生重组，则带有缺口的子链以正常互补母链为模板在DNA聚合酶的作用下完成修复。
3.5 SOS修复
SOS修复也称为差错倾向修复，是细胞中的DNA受到大规模损伤，严重影响到细胞生存，在其他修复系统难以见效的情况下，被诱发出来的一种高效的修复系统。通常情况下，DNA的两条互补链中，当一条链受损时可以另一条链为模板进行修复。但是，在模板链损伤、双链断裂或者是双链交联而无法正常互补时，正常的复制过程进行不下去，就会引发所谓的SOS修复。SOS修复是20世纪50年代时，Weigle在大肠杆菌噬菌体的诱变过程中偶然发现的，当噬菌体受到诱变因素作用后，可能产生各种类型的突变，但是总体的突变率较低。但对噬菌体的宿主进行诱变，发现可以获得大量的噬菌体突变。对此机制的进一步研究发现，宿主受到诱变后可诱发出SOS修复系统，该系统不仅对宿主本身的大规模DNA损伤进行修复，而且对经突变的噬菌体DNA损伤也同时进行修复，诱发其产生大量突变。
一般认为，SOS修复可以通过两种机制对DNA损伤进行修复，即通过式修复与切除式修复。这两种修复均可造成损伤位点产生突变，是名副其实的倾向差错修复。首先来看通过式修复。当DNA上的损伤无法通过其他修复途径完成时，可诱导产生一种新的DNA聚合酶，该酶不会对损伤部位新合成的碱基配对状态进行严格的检查，就可通过该损伤部位。在这一过程中，诱变点上往往会加上一个不配对的碱基，从而导致基因突变。正常的DNA多聚酶由于有严格的配对检查和校正系统，当发现DNA损伤部位所加新碱基不能正确配对时就对DNA合成活性转为3’-5’外切活性，切去该不配对碱基，如此反复循环造成空转和DNA合成停止，如果不能修复对机体可能是致死的。再来看切除式修复。如果DNA双链上均有损伤而且距离较近，机体可能先对其中一条链采取切除式修复，一个修复位点正常，另一个则产生错误，再对另一条链进行切除式修复，又会保留这个基因突变，也可能在复制后由外切酶的作用下扩大缺口，发生通过式修复产生错误，形成新的突变。
SOS修复是SOS反应的重要组成部分。所谓的SOS反应，是指机体受到大剂量诱变产生大规模DNA损伤时，产生的一系列复杂的诱导反应，称为称为应激反应，包括DNA损伤修复、生长抑制、溶原性噬菌体释放等。它广泛存在于原核和真核生物中，是生物体在不利环境中求得生存的一种本能。其中的SOS修复可以修复其他系统难以完成的DNA损伤，即使准确性较差或者是产生突变，这却是生物为了维持其生命的延续，不得已而采取的一种以牺牲遗传物质的忠实性，冒着产生大量突变基因的风险的紧急保命措施。毕竟，虽然在一般环境中突变是不利的，但在DNA受损和复制被抑制的特殊环境中，DNA突变有利于生物体的存活。

四、总结与展望
对于生物体来说，DNA损伤修复的意义是不言而喻的。正是因为有了多种DNA损伤修复机制，才使得生物体能够保持DNA的稳定性，从而保持了遗传的稳定性，也使得正常的生命活动得以进行。对上面提到的五种机制进行比较，我们可以得到下面的一些结论。除了光复活修复由光供能之外，其他几种修复都由ATP供能。在修复的对象方面，光复活和切除修复是修复模板，错配修复是修复子链，重组修复是形成新模板，SOS修复则是为了产生一个不中断的子代分子而不顾突变带来的危险。也正因为如此，SOS修复是唯一导致突变的修复系统。
目前已知的主要就是上面的五种机制。至于生物体内是否还有其他DNA损伤修复机制在发挥作用，则需要人们继续进行研究。况且，人们对现有的几种机制也并非完全了解。我们或许已经知道了几种基因，也了解了一定的信号网络，但是，是什么因素导致了损伤位点被识别，以及一系列有序的修复过程是如何被联系到一起的，这里面的信号转导和调控机理仍然不被我们所知。
而对于DNA损伤修复与疾病的关系，显然，由于DNA对生物体的重要性，一旦其发生损伤，如若不能及时得到修复，必然对生物体产生影响，导致疾病。但我们目前仅仅能够知道一些疾病是由DNA损伤修复缺陷引起的，却无法针对性的给出治疗方案。由此可见，在历经数十亿进化长路的生命面前，人们懂得还是太少。我们仍然需要对各种生命现象展开进一步探索。在DNA损伤方面，需要进一步了解其分子机制，了解它与癌症以及其他遗传病的联系，并尽早从基因水平上给出治疗方案。

参考文献

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