DNA存儲(chǔ)著生物體賴以生存和繁衍的遺傳信息，因此維護(hù)DNA分子的完整性對(duì)細(xì)胞至關(guān)重要。外界環(huán)境和生物體內(nèi)部的因素都經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致DNA分子的損傷或改變，而且與RNA及蛋白質(zhì)可以在胞內(nèi)大量合成不同，一般在一個(gè)原核細(xì)胞中只有一份DNA，在真核二倍體細(xì)胞中相同的DNA也只有一對(duì)，如果DNA的損傷或遺傳信息的改變不能更正，對(duì)體細(xì)胞就可能影響其功能或生存，對(duì)生殖細(xì)胞則可能影響到后代。所以在進(jìn)化過(guò)程中生物細(xì)胞所獲得的修復(fù)DNA損傷的能力就顯得十分重要，也是生物能保持遺傳穩(wěn)定性之所在。在細(xì)胞中能進(jìn)行修復(fù)的生物大分子也就只有DNA，反映了DNA對(duì)生命的重要性。另一方面，在生物進(jìn)化中突變又是與遺傳相對(duì)立統(tǒng)一而普遍存在的現(xiàn)象，DNA分子的變化并不是全部都能被修復(fù)成原樣的，正因?yàn)槿绱松锊艜?huì)有變異、有進(jìn)化。
一、DNA的損傷
(一)DNA損傷的原因
1.DNA分子的自發(fā)性損傷
(1)DNA復(fù)制中的錯(cuò)誤 以DNA為模板按堿基配對(duì)進(jìn)行DNA復(fù)制是一個(gè)嚴(yán)格而精確的事件，但也不是完全不發(fā)生錯(cuò)誤的。堿基配對(duì)的錯(cuò)誤頻率約為10－1－10－2，在DNA復(fù)制酶的作用下堿基錯(cuò)誤配對(duì)頻率降到約10－5－10－6，復(fù)制過(guò)程中如有錯(cuò)誤的核苷酸參入，DNA聚合酶還會(huì)暫停催化作用，以其3′－5′外切核酸酶的活性切除錯(cuò)誤接上的核苷酸，然后再繼續(xù)正確的復(fù)制，這種校正作用廣泛存在于原核和真核的DNA聚合酶中，可以說(shuō)是對(duì)DNA復(fù)制錯(cuò)誤的修復(fù)形式，從而保證了復(fù)制的準(zhǔn)確性。但校正后的錯(cuò)配率仍約在10－10左右，即每復(fù)制1010個(gè)核苷酸大概會(huì)有一個(gè)堿基的錯(cuò)誤。醫(yī)學(xué)全在線網(wǎng)站www.med126.com
(2)DNA的自發(fā)性化學(xué)變化 生物體內(nèi)DNA分子可以由于各種原因發(fā)生變化，至少有以下類型：
a.堿基的異構(gòu)互變 DNA中的4種堿基各自的異構(gòu)體間都可以自發(fā)地相互變化(例如烯醇式與酮式堿基間的互變)，這種變化就會(huì)使堿基配對(duì)間的氫鍵改變，可使腺嘌呤能配上胞嘧啶、胸腺嘧啶能配上鳥(niǎo)嘌呤等，如果這些配對(duì)發(fā)生在DNA復(fù)制時(shí)，就會(huì)造成子代DNA序列與親代DNA不同的錯(cuò)誤性損傷，如圖16－18所示。
圖16-18 腺嘌呤的稀有互變異體與胞嘧啶(a)，或胸腺嘧啶的稀有互變異構(gòu)體與鳥(niǎo)嘌呤
(b)的氫鏈形成導(dǎo)致下一世代中G－C配對(duì)取代A－T配對(duì)
b.堿基的脫氨基作用 堿基的環(huán)外氨基有時(shí)會(huì)自發(fā)脫落，從而胞嘧啶會(huì)變成尿嘧啶、腺嘌呤會(huì)變成次黃嘌呤(H)、鳥(niǎo)嘌呤會(huì)變成黃嘌呤(X)等，遇到復(fù)制時(shí)，U與A配對(duì)、H和X都與C配對(duì)就會(huì)導(dǎo)致子代DNA序列的錯(cuò)誤變化。胞嘧啶自發(fā)脫氨基的頻率約為每個(gè)細(xì)胞每天190個(gè)。
c.脫嘌呤與脫嘧啶 自發(fā)的水解可使嘌呤和嘧啶從DNA鏈的核糖磷酸骨架上脫落下來(lái)。一個(gè)哺乳類細(xì)胞在37℃條件下，20h內(nèi)DNA鏈上自發(fā)脫落的嘌呤約1000個(gè)、嘧啶約500個(gè)：估計(jì)一個(gè)長(zhǎng)壽命不復(fù)制繁殖的哺乳類細(xì)胞(如神經(jīng)細(xì)胞)在整個(gè)生活期間自發(fā)脫嘌呤數(shù)約為108，約占細(xì)胞DNA中總嘌呤數(shù)的3%。
d.堿基修飾與鏈斷裂 細(xì)胞呼吸的副產(chǎn)物O2、H2O2等會(huì)造成DNA損傷，能產(chǎn)生胸腺嘧啶乙二醇、羥甲基尿嘧啶等堿基修飾物，還可能引起DNA單鏈斷裂等損傷，每個(gè)哺乳類細(xì)胞每天DNA單鏈斷裂發(fā)生的頻率約為5萬(wàn)次。此外，體內(nèi)還可以發(fā)生DNA的甲基化，結(jié)構(gòu)的其他變化等，這些損傷的積累可能導(dǎo)致老化。
由此可見(jiàn)，如果細(xì)胞不具備高效率的修復(fù)系統(tǒng)，生物的突變率將大大提高。
2.物理因素引起的DNA損傷 射線引起的DNA損傷是最引人注意的。
圖16－19 胸腺嘧啶二聚體的形成
(1)紫外線引起的DNA損傷 DNA分子損傷最早就是從研究紫外線的效應(yīng)開(kāi)始的。當(dāng)DNA受到最易被其吸收波長(zhǎng)(～260nm)的紫外線照射時(shí)，主要是使同一條DNA鏈上相鄰的嘧啶以共價(jià)鍵連成二聚體，相鄰的兩個(gè)T、或兩個(gè)C、或C與T間都可以環(huán)丁基環(huán)(cyclobutane ring)連成二聚體，其中最容易形成的是TT二聚體，如圖16－19所示。
人皮膚因受紫外線照射而形成二聚體的頻率可達(dá)每小時(shí)5×104/細(xì)胞，但只局限在皮膚中，因?yàn)樽贤饩�不能穿透皮膚。但微生物受紫外線照射后，就會(huì)影響其生存。紫外線照射還能引起DNA鏈斷裂等損傷。
(2)電離輻射引起的DNA損傷 電離輻射損傷DNA有直接和間接的效應(yīng)，直接效應(yīng)是DNA直接吸收射線能量而遭損傷，間接效應(yīng)是指DNA周圍其他分子(主要是水分子)吸收射線能量產(chǎn)生具有很高反應(yīng)活性的自由基進(jìn)而損傷DNA。電離輻射可導(dǎo)致DNA分子的多種變化：醫(yī)學(xué)全在線www.med126.com
a.堿基變化 主要是由OH－自由基引起，包括DNA鏈上的堿基氧化修飾、過(guò)氧化物的形成、堿基環(huán)的破壞和脫落等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。
b.脫氧核糖變化 脫氧核糖上的每個(gè)碳原子和羥基上的氫都能與OH－反應(yīng)，導(dǎo)致脫氧核糖分解，最后會(huì)引起DNA鏈斷裂。
c.DNA鏈斷裂 這是電離輻射引起的嚴(yán)重?fù)p傷事件，斷鏈數(shù)隨照射劑量而增加。射線的直接和間接作用都可能使脫氧核糖破壞或磷酸二酯鍵斷開(kāi)而致DNA鏈斷裂。DNA雙鏈中一條鏈斷裂稱單鏈斷裂(single strand broken)，DNA雙鏈在同一處或相近處斷裂稱為雙鏈斷裂(doublestrand broken)。雖然單鏈斷裂發(fā)生頻率為雙鏈斷裂的10-20倍，但還比較容易修復(fù)；對(duì)單倍體細(xì)胞來(lái)說(shuō)(如細(xì)菌)一次雙鏈斷裂就是致死事件。
d.交聯(lián) 包括DNA鏈交聯(lián)和DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)。同一條DNA鏈上或兩條DNA鏈上的堿基間可以共價(jià)鍵結(jié)合，DNA與蛋白質(zhì)之間也會(huì)以共價(jià)鍵相連，組蛋白、染色質(zhì)中的非組蛋白、調(diào)控蛋白、與復(fù)制和轉(zhuǎn)錄有關(guān)的酶都會(huì)與DNA共價(jià)鍵連接。這些交聯(lián)是細(xì)胞受電離輻射后在顯微鏡下看到的染色體畸變的分子基礎(chǔ)，會(huì)影響細(xì)胞的功能和DNA復(fù)制。
3.化學(xué)因素引起的DNA損傷
化學(xué)因素對(duì)DNA損傷的認(rèn)識(shí)最早來(lái)自對(duì)化學(xué)武器殺傷力的研究，以后對(duì)癌癥化療、化學(xué)致癌作用的研究使人們更重視突變劑或致癌劑對(duì)DNA的作用。
(1)烷化劑對(duì)DNA的損傷 烷化劑是一類親電子的化合物，很容易與生物體中大分子的親核位點(diǎn)起反應(yīng)。烷化劑的作用可使DNA發(fā)生各種類型的損傷：
a.堿基烷基化。烷化劑很容易將烷基加到DNA鏈中嘌呤或嘧啶的N或O上，其中鳥(niǎo)嘌呤的N7和腺嘌呤的N3最容易受攻擊，烷基化的嘌呤堿基配對(duì)會(huì)發(fā)生變化，例如鳥(niǎo)嘌呤N7被烷化后就不再與胞嘧啶配對(duì)，而改與胸腺嘧啶配對(duì)，結(jié)果會(huì)使G－C轉(zhuǎn)變成A－T。
b.堿基脫落。烷化鳥(niǎo)嘌呤的糖苷鍵不穩(wěn)定，容易脫落形成DNA上無(wú)堿基的位點(diǎn)，復(fù)制時(shí)可以插入任何核苷酸，造成序列的改變。
c.斷鏈。DNA鏈的磷酸二酯鍵上的氧也容易被烷化，結(jié)果形成不穩(wěn)定的磷酸三酯鍵，易在糖與磷酸間發(fā)生水解，使DNA鏈斷裂。
d.交聯(lián)。烷化劑有兩類，一類是單功能基烷化劑，如甲基甲烷碘酸，只能使一個(gè)位點(diǎn)烷基化；另一類是以雙功能基烷化劑，化學(xué)武器如氮芥、硫芥等，一些抗癌藥物如環(huán)磷酰胺、苯丁酸氮芥、絲裂霉素等，某些致癌物如二乙基亞硝胺等均屬此類，其兩個(gè)功能基可同時(shí)使兩處烷基化，結(jié)果就能造成DNA鏈內(nèi)、DNA鏈間，以及DNA與蛋白質(zhì)間的交聯(lián)。
圖16－20 氮芥引起DNA分子兩條鏈在鳥(niǎo)嘌呤上的交聯(lián)
(a)交聯(lián)附近的總圖；(b)交聯(lián)部分結(jié)構(gòu)圖
(2)堿基類似物、修飾劑對(duì)DNA的損傷 人工可以合成一些堿基類似物用作促突變劑或抗癌藥物，如5－溴尿嘧啶(5－BU)、5－氟尿嘧啶(5－FU)、2－氨基腺嘌呤(2－AP)等。由于其結(jié)構(gòu)與正常的堿基相似，進(jìn)入細(xì)胞能替代正常的堿基參入到DNA鏈中而干擾DNA復(fù)制合成，例如5－BU結(jié)構(gòu)與胸腺嘧啶十分相近，在酮式結(jié)構(gòu)時(shí)與A配對(duì)，卻又更容易成為烯醇式結(jié)構(gòu)與G配對(duì)，在DNA復(fù)制時(shí)導(dǎo)致A－T轉(zhuǎn)換為G－C。
還有一些人工合成或環(huán)境中存在的化學(xué)物質(zhì)能專一修飾DNA鏈上的堿基或通過(guò)影響DNA復(fù)制而改變堿基序列，例如亞硝酸鹽能使C脫氨變成U，經(jīng)過(guò)復(fù)制就可使DNA上的G桟變成A桾對(duì)；羥胺能使T變成C，結(jié)果是A桾改成C桮對(duì)；黃曲霉素B也能專一攻擊DNA上的堿基導(dǎo)致序列的變化，這些都是誘發(fā)突變的化學(xué)物質(zhì)或致癌劑。
