生物化學與分子生物學/DNA損傷

DNA損傷和損傷修復 - DNA損傷 - DNA損傷修復 - DNA損傷及其修復的意義
DNA 損傷的誘發因素眾多，一般可分為體內因素與體外因素。體內因素主要包括機體代謝過程中產生的某些活性代謝物，DNA 複製過程中發生的鹼基錯配，以及 DNA 本身的熱不穩定性等，均可誘發 DNA「自發」損傷。體外因素則主要包括輻射、化學毒物、藥物、病毒感染、植物以及微生物的代謝產物等。值得注意的是，體內因素與體外因素的作用，往往是不能截然分開的。通常，體外因素是通過體內因素引發 DNA 損傷的。然而，不同因素所引發的 DNA 損傷的機制往往又是不相同的。

多種因素通過不同機制導致DNA損傷

體內因素

DNA複製錯誤

在DNA 複製過程中，鹼基的異構互變，4種dNTP 之間的濃度的不平衡等均可能引起鹼基的錯配，即產生非Watson-Crick鹼基對。儘管絕大多數錯配的鹼基會被DNA聚合酶的即時校讀功能所糾正，但依然不可避免地有極少數的鹼基錯配被保留下來。DNA複製的錯配率約1/10¹⁰。
此外，複製錯誤還表現為片段的缺失或插入。特別是DNA上的短片段重複序列，在真核細胞基因組上廣泛分布，導致DNA 複製系統工作時可能出現「打滑」現象，使得新生DNA上的重複序列的拷貝數發生變化。DNA重複片段在長度方面表現出的高度的多態性，在遺傳性疾病的研究上有重大價值。亨廷頓病(huntington disease)、脆性X綜合徵(fragile X syndrome)、肌強直性營養不良(myotonic dystrophy)等神經退行性疾病均屬於此類。

DNA自身的不穩定性

在DNA自發性損傷中，DNA結構自身的不穩定性是最頻繁發揮作用的因素。當DNA受熱或所處環境的pH發生改變時，DNA分子上連接鹼基和核糖之間的糖苷鍵可自發發生水解，導致鹼基的丟失或脫落，其中以脫嘌呤最為普遍。另外，含有氨基的鹼基可能自發發生脫氨基反應，轉變為另一種鹼基，如C轉變為U,A轉變為I(次黃嗦呤）等。

機體代謝過程中產生的活性氧

機體代謝過程中產生的活性氧(reactive oxygen species, ROS)可以直接作用修飾鹼基，如修飾鳥嗦呤，產生8-輕基脫氧鳥嘌呤等。

體外因素

最常見的導致DNA損傷的體外因素，主要包括物理因素、化學因素和生物因素等。這些因素導致DNA損傷的機制各有其特點。

物理因素

物理因素中最常見的是電磁輻射。根據作用原理的不同，通常將電磁輻射分為電離輻射和非電離輻射。α粒子、β粒子、X射線、γ射線等，能直接或間接引起被穿透組織發生電離，損傷DNA, 屬電離輻射；而紫外線和波長長於紫外線的電磁輻射屬非電離輻射。

電離輻射導致DNA損傷：電離輻射可直接作用於DNA等生物大分子，破壞其分子結構，如斷裂DNA分子的化學鍵等，使DNA鏈斷裂或發生交聯。同時，電離輻射還可激發細胞內的自由基反應，發揮間接作用，導致DNA分子發生鹼基氧化修飾，破壞鹼基環結構，使其脫落。
紫外線照射導致DNA損傷：紫外線(ultraviolet, UV)屬非電離輻射。按波長的不同，紫外線可分為UVA(400-320nm)、UVB(320-290nm)和 UVC(290 -100nm)三種。UVA的能量較低，一般不造成DNA等生物大分子損傷。260nm左右的紫外線，其波長正好在DNA和蛋白質的吸收峰附近，容易導致DNA等生物大分子損傷。大氣臭氧層可吸收320nm以下的大部分的紫外線，一般不會造成地球上生物的損害。但近年來，由於環境污染，臭氧層的破壞日趨嚴重，來自大氣層外的UV對地球生物的影響越來越為公眾所關注。

低波長紫外線的吸收，可使DNA分子中同一條鏈相鄰的兩個胸腺嘧啶鹼基(T)，以共價鍵連接形成胸腺嘧啶二聚體結構(TT)，也稱為環丁烷型嘧啶二聚體。另外，紫外線也可導致其他嘧啶間形成類似的二聚體，如CT和CC二聚體等。二聚體的形成可使DNA產生彎曲和扭結，影響DNA的雙螺旋結構，使複製與轉錄受阻。再者，紫外線還會導致DNA鏈間的其他交聯或鏈的斷裂等損傷。

化學因素

能引起DNA損傷的化學因素種類繁多，主要包括自由基、鹼基類似物、鹼基修飾物和嵌入染料等。值得注意的是，許多腫瘤化療藥物是通過誘導DNA損傷，包括鹼基改變、單鏈或雙鏈DNA斷裂等，阻斷DNA複製或RNA轉錄的，進而抑制腫瘤細胞的增殖。因此，對DNA損傷，以及後繼的腫瘤細胞死亡機制的認識，將十分有助於對腫瘤化療藥物的改進。

自由基導致DNA損傷：自由基是指能夠獨立存在，外層軌道帶有未配對電子的原子、原子團或分子。自由基的化學性質異常活躍，可引發多種化學反應，影響細胞功能。自由基的產生可以是體外因素與體內因素相互作用的結果，如電離輻射產生羥自由基(·OH)和氫自由基(H·) , 而生物體內的代謝過程可產生活性氧自由基。·OH具有極強的氧化性質，而H·則具有極強的還原性質。這些自由基可與DNA分子發生反應，導致鹼基、核糖和磷酸基損傷，引發DNA的結構與功能異常。
鹼基類似物導致DNA損傷：鹼基類似物是人工合成的一類與DNA正常鹼基結構類似的化合物，通常被用作抗癌藥物或促突變劑。在DNA複製時，因結構類似，鹼基類似物可取代正常鹼基摻入到DNA鏈中，並與互補鏈上的鹼基配對，引發鹼基對的置換。比如，5-溴尿嘧啶( 5-bromouracil, 5-BU)是胸腺嘧啶的類似物，有酮式和烯醇式兩種結構，前者與腺嘌呤配對，後者與鳥嘌呤配對，可導致AT配對與GC配對間的相互轉變。
鹼基修飾劑、烷化劑導致DNA損傷：這是一類通過對DNA鏈中鹼基的某些基團進行修飾，改變被修飾鹼基的配對，進而改變DNA結構的化合物。例如亞硝酸能脫去鹼基上的氨基，腺嘌呤脫氨後成為次黃嘌呤，不能與原來的胸腺嘧啶配對，轉而與胞嘧啶配對；胞嘧啶脫氨基成為尿嘧啶，不能與原來的鳥嘌呤配對，轉而與腺嘌呤配對。這些均能改變鹼基的序列。此外，眾多的烷化劑如氮芥、硫芥、二乙基亞硝胺等可導致DNA鹼基上的氮原子烷基化，引起DNA分子電荷變化，也可改變鹼基配對，或烷基化的鳥嘌呤脫落形成無鹼基位點，或引起DNA鏈中的鳥嘌呤連接成二聚體，或導致DNA鏈交聯與斷裂。這些變化都可以引起DNA序列或結構異常，阻止正常的修復過程。
嵌入性染料導致DNA損傷：溴化乙錠、吖啶橙等染料可直接插入到DNA鹼基對中，導致鹼基對間的距離增大一倍，極易造成DNA兩條鏈的錯位，在DNA複製過程中往往引發核苷酸的缺失、移碼或插入。

生物因素

生物因素主要指病毒和黴菌，如麻疹病毒、風疹病毒、疱疹病毒、黃麴黴、寄生麴黴等，其蛋白質表達產物或產生的毒素和代謝產物，如黃麴黴素等有誘變作用。
黃麴黴素主要由黃麴黴產生。在濕熱地區的食品和飼料中出現黃麴黴毒素的概率最高。它們存在於土壤、動植物、各種堅果中，特別是容易污染花生、玉米、稻米、大豆、小麥等糧油產品，是黴菌毒素中毒性最大、對人類健康危害極為突出的一類黴菌毒素。

DNA損傷有多種類型

DNA分子中的鹼基、核糖與磷酸二酣鍵均是DNA損傷因素作用的靶點。根據DNA分子結構改變的不同，DNA損傷有鹼基脫落、鹼基結構破壞、嘧啶二聚體形成、DNA單鏈或雙鏈斷裂、DNA交聯等多種類型。

鹼基損傷與糖基破壞 化學毒物可通過對鹼基的某些基團進行修飾而改變鹼基的理化性質，破壞鹼基的結構。比如：①亞硝酸等可導致鹼基脫氨；②在羥自由基的攻擊下，嘧啶鹼基易發生加成、脫氫等反應，導致鹼基環破裂；③具有氧化活性的物質可造成DNA中嘌呤或嘧啶鹼基的氧化修飾，形成8-羥基脫氧鳥苷或6-甲基尿嘧啶等氧化代謝產物。DNA分子中的戊糖基的碳原子和輕基上的氫可能與自由基反應，由此戊糖基的正常結構被破壞。

由於鹼基損傷或糖基破壞，在DNA鏈上可能形成一些不穩定點，最終導致DNA鏈的斷裂。

鹼基之間發生錯配 如前所述，鹼基類似物的摻入、鹼基修飾劑的作用可改變鹼基的性質，導致DNA序列中的錯誤配對。在正常的DNA複製過程中，存在着一定比例的自發的鹼基錯配發生，最常見的是組成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶摻入到DNA分子中。
DNA鏈發生斷裂 DNA鏈斷裂是電離輻射致DNA損傷的主要形式。某些化學毒劑也可導致DNA鏈斷裂。戊糖環的破壞、鹼基的損傷和脫落都是引起DNA斷裂的原因。鹼基損傷或糖基的破壞可引起DNA雙螺旋局部變性，形成酶敏感性位點，特異的核酸內切酶能識別並切割這樣的位點，造成DNA鏈斷裂。DNA鏈上受損鹼基也可以被另一種特異的DNA-糖苷酶除去，形成無嘌呤嘧啶位點(apurinic-apyrimidinic sile, AP site), 或稱無鹼基位點，這些位點在內切酶等的作用下可造成DNA鏈的斷裂。DNA斷裂可以發生在單鏈或雙鏈上，單鏈斷裂能迅速在細胞中以另一條互補鏈為模板重新合成，完成修復；而雙鏈斷裂在原位修復的概率很小，需依賴重組修復，這種修復導致染色體畸變的可能性很大。因此，一般認為雙鏈斷裂的DNA損傷與細胞的致死性效應有直接聯繫。
DNA鏈的共價交聯 被損傷的DNA分子中有多種DNA交聯形式。DNA分子中同一條鏈中的兩個鹼基以共價鍵結合，稱為DNA鏈內交聯(DNA intrastrand cross-linking)。低波長紫外線照射後形成的嘧啶二聚體就是DNA鏈內交聯的最典型的例子。DNA分子一條鏈上的鹼基與另一條鏈上的鹼基以共價鍵結合，稱為鏈間交聯(DNA interstrand cross-linking)。DNA分子還可與蛋白質以共價鍵結合，稱為DNA-蛋白質交聯(DNA protein cross-linking)。

以上對各種類型的DNA損傷進行了闡述。實際上DNA損傷是相當複雜的。當DNA受到嚴重損傷時，在其局部範圍所發生的損傷常常不止一種，而是多種類型的損傷複合存在。最常見的是鹼基損傷、糖基破壞和鏈斷裂可能同時存在。這樣的損傷部位被稱為局部多樣性損傷部位。
上述DNA損傷可導致DNA模板發生鹼基置換、插入、缺失、鏈的斷裂等變化，並可能影響到染色體的高級結構。就鹼基置換來講，DNA鏈中的一種嘌呤被另一種嘌呤取代，或一種嘧啶被另一種嘧啶取代，稱為轉換；而嘌呤被嘧啶取代或反之，則稱為顛換。轉換和顛換在DNA複製時可引起鹼基錯配，導致基因突變。鹼基的插入和缺失可引起移碼突變。DNA斷裂可阻止RNA合成過程中鏈的延伸。而DNA損傷所引起的染色質結構變化也可以造成轉錄的異常。所有這些變化均可造成某種或某些基因信息發生異常或丟失，進而導致其表達產物的量與質的變化，對細胞的功能造成不同程度的影響。
需要指出的是，由於密碼子的簡併性，上述的鹼基置換並非一定發生胺基酸編碼的改變。鹼基置換可以造成改變胺基酸編碼的錯義突變(missense mutation)、變為終止密碼子的無義突變(nonsense mutation)和不改變胺基酸編碼的同義突變(same sense mutation)。教科書和文獻中對於錯義突變用胺基酸的單字母符號和位置共同註明，如B-Raf的第600位的纈氨酸突變為穀氨酸則寫為V600E, 具體標示為B-Raf^V600E。