dna损伤修复与致突变作用,dna损伤的修复机制有哪些

2023-07-08 阅读 923 评论 0

摘要：dna损伤的修复机制有哪些DNA分子的两条链或同一DNA链的不同区段的侧链间形成的共价相互作用。通过交联能增加DNA分子的刚性。细胞通常使用多种途径来修复相同的DNA损伤，并且修复途径的选择对于维持基

dna损伤的修复机制有哪些

DNA分子的两条链或同一DNA链的不同区段的侧链间形成的共价相互作用。通过交联能增加DNA分子的刚性。

细胞通常使用多种途径来修复相同的DNA损伤，并且修复途径的选择对于维持基因组保真度具有重要意义。DNA链间交联共价地将两条DNA链连接在一起，因而阻断DNA复制和转录；化学疗法就是利用这些交联物的细胞毒性来发挥作用的。

DNA损伤的机制

DNA损伤修复（repair of DNA damage），在多种酶的作用下，生物细胞内的DNA分子受到损伤以后恢复结构的现象。

DNA损伤修复的研究有助于了解基因突变机制，衰老和癌变的原因，还可应用于环境致癌因子的检测。

dna损伤修复的三种机制

1、光修复是最早发现的DNA修复方式。细菌中的DNA光解酶酶能特异性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合的二聚体，并与其结合后受光照射，则此酶就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，然后酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构。2、切除修复　细胞内有多种特异的核酸内切酶，可识别DNA的损伤部位，在其附近将DNA单链切开，再由外切酶将损伤链切除，由聚合酶以完整链为模板进行修复合成，最后有连接酶封口。3、碱基的直接插入　　DNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能被DNA嘌呤插入酶识别结合，在K+存在的条件下，催化游离嘌呤或脱氧嘌呤核苷插入生成糖苷键，且催化插入的碱基有高度专一性、与另一条链上的碱基严格配对，使DNA完全恢复。 4、烷基的转移　　在细胞中发现有一种O6甲基鸟嘌呤甲基转移酶，能直接将甲基从DNA链鸟嘌呤O6位上的甲基移到蛋白质的半胱氨酸残基上而修复损伤的DNA。5、重组修复　　此过程也叫复制后修复。重组修复中原损伤没有除去，但若干代后可逐渐稀释，消除其影响。所需要的酶包括与重组及修复合成有关的酶，如重组蛋白A、B、C及DNA聚合酶、连接酶等。 6、诱导修复　　DNA严重损伤能引起一系列复杂的诱导效应，称为应急反应，包括修复效应、诱变效应、分裂抑制及溶原菌释放噬菌体等。细胞癌变也可能与应急反应有关。应急反应诱导切除和重组修复酶系，还诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合酶，加快修复，避免死亡，但提高了变异率。

DNA损伤后有哪些修复机制?各有何特点?

DNA复制具有高度忠实性（fidelity），其错配几率约为10-10。从热力学上考虑，碱基发生错配的几率约为10-2，酶对底物的选择作用和校正作用各使错配几率下降两个数量级，所以体外合成DNA的错配几率为10-6。体内复制叉的复杂结构提高了复制的准确性，修复系统又对错配加以纠正，进一步提高了复制的忠实性。

DNA复制中产生的错误首先由DNA聚合酶的校对活性进行纠正。不匹配的DNA链从聚合酶活性位点POL转移至3'→5'核酸外切酶活性位点（EXO），错配的碱基通过校对被切除。有3个真核DNA聚合酶具有校对活性：聚合酶δ、ε和γ。Polδ和ε用于核基因复制，而Polγ位于线粒体。

逃脱校对的错误主要通过错配修复（mismatch repair，MMR）系统进行纠正。这个过程发生在核小体重新装配之前，以尽量避免将错配包装到核小体中。在错配的核苷酸得到修复之前，某些MMR相关蛋白（如MSH6）可以抑制CAF-1介导的核小体装配。

人细胞中典型的MMR反应包括三个主要步骤。首先，错配识别蛋白MutSα（MSH2-MSH6异二聚体）或MutSβ（MSH2-MSH3异二聚体）识别错配。前者主要识别单碱基错配和一两个碱基的插入或缺失（IDL），后者主要用于识别较大的IDL。

MutS与错配部位结合后发生构象变化，形成可沿DNA运动的移动钳（mobile clamp）。移动钳募集MutLα蛋白，后者被复制体上的PCNA（滑动钳）激活，在错配位点两侧切割出切口，再由外切核酸酶EXO1将这一段大约数百碱基的核苷酸切除（也可由POLδ/ε从切口处引发链置换合成）。最后，由DNA聚合酶δ（滞后链）或ε（前导链）重新合成子链，DNA连接酶封闭缺口。

值得一提的是，由于接近复制体，核小体也尚未装配，所以此时可以轻易识别新生的子链（比如利用PCNA充当链识别信号），从而以亲代链为模板进行修复。当核小体装配完成之后，就很难分辨一对错配碱基中到底哪个正确了。

复制的忠实性对于生存与繁衍非常重要。忠实地复制不仅是物种稳定遗传的基础，也是个体生存的保障。对于寿命较长的多细胞生物，在个体生存期间会经历多次细胞分裂。如果复制的忠实性不足，就很容易积累突变，导致衰老和多种疾病。

根据最近的研究，人类干细胞中的突变大约以每年40个的速率稳定积累（Nature. 2016 Oct 13; 538(7624): 260–264.）。这些突变中的一部分可能是在跨损伤合成（TLS）时产生的。TLS能够使细胞有效完成有损伤模板的复制，从而避免死亡，但其忠实性较低，所以也给机体埋下了隐患。这方面的研究是目前的热点之一。

有一种理论认为，体细胞突变的积累是衰老的原因。突变会干扰基因的正确表达，影响细胞功能。在早期，由于生物体具有一些冗余结构，所以突变不会立即导致衰老。但当一个细胞的遗传冗余（以二倍体形式）耗尽，其功能即无法正常发挥；当机体的细胞冗余耗尽，就会迅速衰老。

突变的积累也与肿瘤的发生和发展密切相关。研究表明，肿瘤具有显著的遗传不稳定性，而且表现在三个不同的层次上：染色体不稳定（CIN）涉及多种染色体畸变（易位、缺失、基因重复、三体或缺体等），微卫星不稳定（MSI或MIN）涉及短串联重复序列（微卫星序列）的扩增或减少，点突变不稳定（PIN）涉及核苷酸序列的改变（碱基取代、缺失、插入等）。

这些遗传不稳定的产生和修复机制，比如各种DNA聚合酶的特性与突变、TLS与肿瘤发展等，都是目前肿瘤研究的热点领域。

另一方面，突变也是遗传多样性和生物进化的来源，所以复制的忠实性也不是越高越好。有些生物就是以高突变率和庞大种群作为生存和进化的基本策略，使其能够迅速适应新的环境。RNA病毒是此类的典型代表。

与DNA复制相比，RNA复制的保真度要低得多。催化RNA复制的酶（RdRp）很容易出错，几率大约为万分之一，与其基因组大致相当。所以RNA病毒每轮基因组复制大约会产生一个突变。

由于RNA病毒种群庞大，所以在宿主感染期间会产生大量紧密相关的病毒变体。这些突变多数是不利的，但偶尔出现的有利突变会迅速被筛选出来，并快速扩散。这使病毒能够快速适应新的生存环境（如更换宿主、逃避宿主免疫系统、产生抗药性等）。正是由于这种机制，流感病毒等每年都会产生新的突变株，大约每十年会由于出现一种重大突变而引起一次大流行。

除类病毒外，RNA病毒是突变率最高的已知物种。有研究认为RNA病毒已经处于复制忠实性阈值的边缘，突变负担的任何增加都将导致病毒种群的灭绝。当用诱变剂如核苷类似物等处理后，这些病毒数量就会急剧下降（Viruses. 2018 Nov 1;10(11). pii: E600.）。

dna损伤修复的意义

简单地说，基因突变的可逆性就是指变异的位点又发生突变并变回原来正常的基因序列。突变基因又可以通过突变而成为野生型基因，这一过程称为回复突变。正向突变率总是高于回复突变率，一个突变基因内部只有一个位置上的结构改变才能使它恢复原状。

1、基因突变（genic mutation）：

基因突变（gene mutation）是由于DNA分子中发生碱基对的增添、缺失或替换，而引起的基因结构的改变，就叫做基因突变。1个基因内部可以遗传的结构的改变。又称为点突变，通常可引起一定的表型变化。广义的突变包括染色体畸变。狭义的突变专指点突变。实际上畸变和点突变的界限并不明确，特别是微细的畸变更是如此。野生型基因通过突变成为突变型基因。突变一词既指突变基因，也指具有这一突变基因的个体。

基因突变通常发生在DNA复制时期，即细胞分裂间期，包括有丝分裂间期和减数第一次分裂前的间期；同时基因突变和脱氧核糖核酸的复制、DNA损伤修复、癌变和衰老都有关系，基因突变也是生物进化的重要因素之一，所以研究基因突变除了本身的理论意义以外还有广泛的生物学意义。基因突变为遗传学研究提供突变型，为育种工作提供素材，所以它还有科学研究和生产上的实际意义。