掌握DNA损伤及其修复方法。

DNA是储存遗传信息的物质。从生物遗传角度来讲，要求在复制过程中保持遗传密码的稳定性，物种才能得以延续。哺乳动物单倍体细胞的基因组由2.9X109 bp DNA组成。动物一生中，从受精卵细胞到个体死亡，这些遗传密码要经过千万次的复制。在物种进化的长河中，DNA复制的次数更是难以计数，而且生物体内外环境都存在着使DNA损伤（DNA damage）的因素。可见，除DNA复制的高度真实性外，还要求某种修复DNA损伤的机制。

（一）造成DNA损伤的因素

造成DNA损伤的因素有生物体内自发的、亦有外界物理和化学等因素。

1自发的因素

由于DNA分子受到周围环境溶剂分子的随机热碰撞(thermal collision)，腺嘌呤或鸟嘌呤与脱氧核糖间的N-糖苷键可以断裂，使A或G脱落。人体细胞中DNA每天每个细胞要脱落5000个嘌呤碱，每天每个细胞也有100个胞嘧啶自发脱氨而成尿嘧啶。

2物理因素

（1）紫外线损伤由于嘌呤环与嘧啶环都含有共轭双键，能吸收紫外线而引起损伤。嘧啶碱引起的损伤比嘌呤碱大10倍。损伤是由于嘧啶二聚体的产生，即2个相邻嘧啶碱的C5和C6共价交联。

（2）电离辐射损伤如X射线和γ射线，可以是辐射能量直接对DNA的影响，或DNA周围的溶剂分子吸收了辐射能，再对DNA产生损伤作用。如碱基的破坏、单链的断裂、双链的断裂、分子间的交联、碱基脱落或核糖的破坏等。

3化学因素

（二）DNA损伤的类型

根据DNA分子的改变，可把突变分为下面几种主要类型。

•点突变

点突变(point mutation)是DNA分子上一个碱基的变异，可分为：①转换(transition)同型碱基，如一种嘌呤代替另一种嘌呤或一种嘧啶代替另一嘧啶。②颠换(transversation)异型碱基，即嘌呤变嘧啶，或嘧啶变嘌呤。点突变可根据发生在DNA分子的部位，如发生在启动子或剪接信号部位可以影响整个基因的功能；若发生在编码序列，有的可以改变蛋白质的功能如引起镰状红细胞贫血；有的则为中性变化，即编码氨基酸虽变化，但功能不受影响；有的甚至是静止突变，碱基虽变但编码氨基酸种类不变。

•缺失 

缺失(deletion)是一个碱基或一段核苷酸链乃至整个基因，从DNA大分子上丢失。如有些地中海贫血、生长激素基因缺失，再如上述Lesch- Nyhan综合征是HGPRT基因缺失。

插入

插入(insertion)是一个原来没有的碱基或一段原来没有的核苷酸序列插入到DNA大分子中去，或有些芳香族分子如吖啶(acridine)嵌入DNA双螺旋碱基对中，可以引起移码突变(frame-shift-mutation)，影响三联体密码的阅读方式。

倒位

DNA链内部重组，使其一段方向颠倒。

（三）修复机制

•光修复机制

这种机制主要存在于低等生物。

1.不需要光复活酶

光复活酶(photoreactivating enzyme)也称为DNA光修复酶(photolyase)。当280nm紫外线照射DNA产生的嘧啶二聚体，在短波239nm照射下，二聚体即分解成单体。

2.需要光复活酶紫外线照射使光复活酶激活，能解聚嘧啶二聚体。

•切除修复

因不需要光照射，故也称暗修复。DNA引起大的损伤,包括UV引起的嘧啶二聚体、嘧啶/ 环丁烷二聚体、几个其它类型的碱基加合物、通过曝露于香烟的烟尘在DNA中形成的苯并芘尿嘧啶。一般由切除修复(excision repair)系统修复。该修复途径对所有生物的生存是关键的。在大肠杆菌E.coli中，有一种UV特异的切割酶(excinuclease或UVrABCenzyme)，能识别UV照过产生的二聚体部位。并在远离损伤部位5′端8个核苷酸处及3′端4个核苷酸处各作一切口。像外科手术“扩创”一样，将含损伤的一段DNA切掉。DNA聚合酶Ⅰ进入此缝隙，从3′-OH开始，按碱基配对原则以另一条完好链为模板进行修复。最后由DNA连接酶将新合成的DNA片段与原来DNA链连接而封口。真核细胞的切割核酸酶的作用和机制，是与细菌的酶完全类似的方式对嘧啶二聚体切割。切除修复是人体细胞的重要修复形式，有些遗传性疾病如着色性干皮病(xerodermapigmentosum)，是常染色体隐性遗传性疾病。纯合子患者的皮肤对阳光或紫外线极度敏感，皮肤变干、真皮萎缩、角化、眼睑结疤、角膜溃疡，易患皮肤癌。此病是由于缺乏UV特异内切核酸酶造成的。

碱基切除修复

每个细胞都有一类DNA糖苷酶(DNA glycosylase)，每一种酶能识别一种DNA分子中改变的碱基，能水解该改变的碱基与脱氧核糖间的糖苷键，使改变的碱基脱落，在DNA上产生一个缺嘌呤或缺嘧啶的位（apurinic-or apyrimidinic-site，APsite）,再藉切除修复机制进行修复。现知至少有20种不同的DNA糖苷酶，各具特异性。如识别胞嘧啶脱氨生成的尿嘧啶，腺嘌呤脱氨基产物，开环的碱基，不同烷基化类型的碱基等。如胞嘧啶脱氨后即成尿嘧啶，若不纠正，可引起类型转换，即G-C→A-T。

碱基切除修复（base-excision repair）步骤如下：

1)DNA糖苷酶识别损伤的碱基,在碱基和脱氧核糖之间切割。

2）AP核酸内切酶切AP位置附近的磷酸二酯键。 

3）DNA聚合酶Ⅰ用它的5′→3′外切酶活性除去损伤链,从缺口的3′-ＯＨ起始

修复合成,用新合成的DNA替代。

4）最后缺口由DNA连接酶封口

镰刀型贫血病

镰刀型贫血病是血红蛋白分子遗传缺陷造成的一种疾病，病人的大部分红细胞呈镰刀状。其特点是病人的血红蛋白β—亚基N端的第六个氨基酸残基是缬氨酸（vol），而不是下正常的谷氨酸残基(Glu)。血红蛋白是个四聚体蛋白，血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线不同，血红蛋白是个别构蛋白，因此镰刀型细胞贫血病是一种分子病。它是一种遗传性贫血症，属隐性遗传。是基因突变产生的血红蛋白质分子结构改变的一种分子病。患者的红细胞缺氧时变成镰刀形（正常的是圆盘形），失去输氧的功能，许多红血球还会因此而破裂造成严重贫血，甚至引起病人死亡。