生物化學(xué)與分子生物學(xué)/DNA修復(fù)

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生物化學(xué)與分子生物學(xué)

DNA的生物合成
- DNA的損傷與修復(fù)
  - DNA的損傷
  - DNA修復(fù)

DNA修復(fù)(DNA repairing)是細(xì)胞對DNA受損傷后的一種反應(yīng)，這種反應(yīng)可能使DNA結(jié)構(gòu)恢復(fù)原樣，重新能執(zhí)行它原來的功能；但有時并非能完全消除DNA的損傷，只是使細(xì)胞能夠耐受這種DNA的損傷而能繼續(xù)生存。也許這未能完全修復(fù)而存留下來的損傷會在適合的條件下顯示出來(如細(xì)胞的癌變等)，但如果細(xì)胞不具備這修復(fù)功能，就無法對付經(jīng)常發(fā)生的DNA損傷事件，就不能生存。所以研究DNA修復(fù)也是探索生命的一個重要方面，而且與軍事醫(yī)學(xué)、腫瘤學(xué)等密切相關(guān)。對不同的DNA損傷，細(xì)胞可以有不同的修復(fù)反應(yīng)。

(一)回復(fù)修復(fù)

這是較簡單的修復(fù)方式，一般都能將DNA修復(fù)到原樣。

1.光修復(fù)　這是最早發(fā)現(xiàn)的DNA修復(fù)方式。修復(fù)是由細(xì)菌中的DNA光解酶(photolyase)完成，此酶能特異性識別紫外線造成的核酸鏈上相鄰嘧啶共價結(jié)合的二聚體，并與其結(jié)合，這步反應(yīng)不需要光；結(jié)合后如受300－600nm波長的光照射，則此酶就被激活，將二聚體分解為兩個正常的嘧啶單體，然后酶從DNA鏈上釋放，DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)。后來發(fā)現(xiàn)類似的修復(fù)酶廣泛存在于動植物中，人體細(xì)胞中也有發(fā)現(xiàn)。

2.單鏈斷裂的重接　DNA單鏈斷裂是常見的損傷，其中一部分可僅由DNA連接酶(ligase)參與而完全修復(fù)。此酶在各類生物各種細(xì)胞中都普遍存在，修復(fù)反應(yīng)容易進(jìn)行。但雙鏈斷裂幾乎不能修復(fù)。

損傷DNA的切除修復(fù)

圖16－21　損傷DNA的切除修復(fù)

3.堿基的直接插入　DNA鏈上嘌呤的脫落造成無嘌呤位點，能被DNA嘌呤插入酶(insertase)識別結(jié)合，在K＋存在的條件下，催化游離嘌呤或脫氧嘌呤核苷插入生成糖苷鍵，且催化插入的堿基有高度專一性、與另一條鏈上的堿基嚴(yán)格配對，使DNA完全恢復(fù)。

4.烷基的轉(zhuǎn)移　在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)有一種O6甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶，能直接將甲基從DNA鏈鳥嘌呤O6位上的甲基移到蛋白質(zhì)的半胱氨酸殘基上而修復(fù)損傷的DNA。這個酶的修復(fù)能力并不很強，但在低劑量烷化劑作用下能誘導(dǎo)出此酶的修復(fù)活性。

(二)切除修復(fù)(excision repair)　是修復(fù)DNA損傷最為普遍的方式，對多種DNA損傷包括堿基脫落形成的無堿基位點、嘧啶二聚體、堿基烷基化、單鏈斷裂等都能起修復(fù)作用。這種修復(fù)方式普遍存在于各種生物細(xì)胞中，也是人體細(xì)胞主要的DNA修復(fù)機(jī)制。修復(fù)過程需要多種酶的一系列作用，基本步驟如圖16?1所示，①首先由核酸酶識別DNA的損傷位點，在損傷部位的5′側(cè)切開磷酸二酯鍵。不同的DNA損傷需要不同的特殊核酸內(nèi)切酶來識別和切割。②由5′→3′核酸外切酶將有損傷的DNA片段切除。③在DNA聚合酶的催化下，以完整的互補鏈為模板，按5′→3′方向DNA鏈，填補已切除的空隙。④由DNA連接酶將新合成的DNA片段與原來的DNA斷鏈連接起來。這樣完成的修復(fù)能使DNA恢復(fù)原來的結(jié)構(gòu)。

DNA損傷后重組修復(fù)

圖16-22　DNA損傷后重組修復(fù)

(三)重組修復(fù)(recombinational repair)

上述的切除修復(fù)在切除損傷段落后是以原來正確的互補鏈為模板來合成新的段落而做到修復(fù)的。但在某些情況下沒有互補鏈可以直接利用，例如在DNA復(fù)制進(jìn)行時發(fā)生DNA損傷，此時DNA兩條鏈已經(jīng)分開，其修復(fù)可用圖16?2所示的DNA重組方式：①受損傷的DNA鏈復(fù)制時，產(chǎn)生的子代DNA在損傷的對應(yīng)部位出現(xiàn)缺口。②另一條母鏈DNA與有缺口的子鏈DNA進(jìn)行重組交換，將母鏈DNA上相應(yīng)的片段填補子鏈缺口處，而母鏈DNA出現(xiàn)缺口。③以另一條子鏈DNA為模板，經(jīng)DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填補母鏈DNA的缺口，最后由DNA連接酶連接，完成修補。

重組修復(fù)不能完全去除損傷，損傷的DNA段落仍然保留在親代DNA鏈上，只是重組修復(fù)后合成的DNA分子是不帶有損傷的，但經(jīng)多次復(fù)制后，損傷就被“沖淡”了，在子代細(xì)胞中只有一個細(xì)胞是帶有損傷DNA的。

(四)SOS修復(fù)

“SOS”是國際上通用的緊急呼救信號。SOS修復(fù)是指DNA受到嚴(yán)重?fù)p傷、細(xì)胞處于危急狀態(tài)時所誘導(dǎo)的一種DNA修復(fù)方式，修復(fù)結(jié)果只是能維持基因組的完整性，提高細(xì)胞的生成率，但留下的錯誤較多，故又稱為錯誤傾向修復(fù)(errorprone repair)，使細(xì)胞有較高的突變率。

SOS修復(fù)

圖16－23　SOS修復(fù)

如圖16－23所示，當(dāng)DNA兩條鏈的損傷鄰近時，損傷不能被切除修復(fù)或重組修復(fù)，這時在核酸內(nèi)切酶、外切酶的作用下造成損傷處的DNA鏈空缺，再由損傷誘導(dǎo)產(chǎn)生的一整套的特殊DNA聚合酶桽OS修復(fù)酶類，催化空缺部位DNA的合成，這時補上去的核苷酸幾乎是隨機(jī)的，但仍然保持了DNA雙鏈的完整性，使細(xì)胞得以生存。但這種修復(fù)帶給細(xì)胞很高的突變率。

應(yīng)該說目前對真核細(xì)胞的DNA修復(fù)的反應(yīng)類型、參與修復(fù)的酶類和修復(fù)機(jī)制了解還不多，但DNA損傷修復(fù)與突變、壽命、衰老、腫瘤發(fā)生、輻射效應(yīng)、某些毒物的作用都有密切的關(guān)系。人類遺傳性疾病已發(fā)現(xiàn)4000多種，其中不少與DNA修復(fù)缺陷有關(guān)，這些DNA修復(fù)缺陷的細(xì)胞表現(xiàn)出對輻射和致癌劑的敏感性增加。例如著色性干皮病(xerodermapigmentosum)就是第一個發(fā)現(xiàn)的DNA修復(fù)缺陷性遺傳病，患者皮膚和眼睛對太陽光特別是紫外線十分敏感，身體暴光部位的皮膚干燥脫屑、色素沉著、容易發(fā)生潰瘍、皮膚癌發(fā)病率高，常伴有神經(jīng)系統(tǒng)障礙，智力低下等，病人的細(xì)胞對嘧啶二聚體和烷基化的清除能力降低。