生物化学与分子生物学/DNA损伤

DNA损伤和损伤修复 - DNA损伤 - DNA损伤修复 - DNA损伤及其修复的意义
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。然而，不同因素所引发的 DNA 损伤的机制往往又是不相同的。

多种因素通过不同机制导致DNA损伤

体内因素

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Watson-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1/10¹⁰。
此外，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(huntington disease)、脆性X综合征(fragile X syndrome)、肌强直性营养不良(myotonic dystrophy)等神经退行性疾病均属于此类。

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。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，如C转变为U,A转变为I(次黄嗦呤）等。

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(reactive oxygen species, ROS)可以直接作用修饰碱基，如修饰鸟嗦呤，产生8-轻基脱氧鸟嘌呤等。

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

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。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；而紫外线和波长长于紫外线的电磁辐射属非电离辐射。

电离辐射导致DNA损伤：电离辐射可直接作用于DNA等生物大分子，破坏其分子结构，如断裂DNA分子的化学键等，使DNA链断裂或发生交联。同时，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。
紫外线照射导致DNA损伤：紫外线(ultraviolet, UV)属非电离辐射。按波长的不同，紫外线可分为UVA(400-320nm)、UVB(320-290nm)和 UVC(290 -100nm)三种。UVA的能量较低，一般不造成DNA等生物大分子损伤。260nm左右的紫外线，其波长正好在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320nm以下的大部分的紫外线，一般不会造成地球上生物的损害。但近年来，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。

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)，也称为环丁烷型嘧啶二聚体。另外，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。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。再者，紫外线还会导致DNA链间的其他交联或链的断裂等损伤。

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转录的，进而抑制肿瘤细胞的增殖。因此，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。

自由基导致DNA损伤：自由基是指能够独立存在，外层轨道带有未配对电子的原子、原子团或分子。自由基的化学性质异常活跃，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，如电离辐射产生羟自由基(·OH)和氢自由基(H·) , 而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。这些自由基可与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。
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。比如，5-溴尿嘧啶( 5-bromouracil, 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。
碱基修饰剂、烷化剂导致DNA损伤：这是一类通过对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结构的化合物。例如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。此外，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，或引起DNA链中的鸟嘌呤连接成二聚体，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。
嵌入性染料导致DNA损伤：溴化乙锭、吖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。

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。

DNA损伤有多种类型

DNA分子中的碱基、核糖与磷酸二酣键均是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。

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。比如：①亚硝酸等可导致碱基脱氨；②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；③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轻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。

碱基之间发生错配 如前所述，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。
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，形成无嘌呤嘧啶位点(apurinic-apyrimidinic sile, AP site), 或称无碱基位点，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。
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(DNA intrastrand cross-linking)。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 interstrand cross-linking)。DNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交联(DNA protein cross-linking)。

以上对各种类型的DNA损伤进行了阐述。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。
上述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。就碱基置换来讲，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，称为转换；而嘌呤被嘧啶取代或反之，则称为颠换。转换和颠换在DNA复制时可引起碱基错配，导致基因突变。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。而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。
需要指出的是，由于密码子的简并性，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(missense mutation)、变为终止密码子的无义突变(nonsense mutation)和不改变氨基酸编码的同义突变(same sense mutation)。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-Raf^V600E。