生物化學與分子生物學/DNA的損傷
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(一)DNA損傷的原因
1.DNA分子的自發性損傷
(1)DNA復制中的錯誤 以DNA為模板按堿基配對進行DNA復制是一個嚴格而精確的事件，但也不是完全不發生錯誤的。堿基配對的錯誤頻率約為10-1－10-2，在DNA復制酶的作用下堿基錯誤配對頻率降到約10-5-10-6，復制過程中如有錯誤的核苷酸參入，DNA聚合酶還會暫停催化作用，以其3′－5′外切核酸酶的活性切除錯誤接上的核苷酸，然后再繼續正確的復制，這種校正作用廣泛存在于原核和真核的DNA聚合酶中，可以說是對DNA復制錯誤的修復形式，從而保證了復制的準確性。但校正后的錯配率仍約在10-10左右，即每復制1010個核苷酸大概會有一個堿基的錯誤。
(2)DNA的自發性化學變化 生物體內DNA分子可以由于各種原因發生變化，至少有以下類型：
a.堿基的異構互變 DNA中的4種堿基各自的異構體間都可以自發地相互變化(例如烯醇式與酮式堿基間的互變)，這種變化就會使堿基配對間的氫鍵改變，可使腺嘌呤能配上胞嘧啶、胸腺嘧啶能配上鳥嘌呤等，如果這些配對發生在DNA復制時，就會造成子代DNA序列與親代DNA不同的錯誤性損傷，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體與鳥嘌呤
(b)的氫鏈形成導致下一世代中G-C配對取代A－T配對
b.堿基的脫氨基作用 堿基的環外氨基有時會自發脫落，從而胞嘧啶會變成尿嘧啶、腺嘌呤會變成次黃嘌呤(H)、鳥嘌呤會變成黃嘌呤(X)等，遇到復制時，U與A配對、H和X都與C配對就會導致子代DNA序列的錯誤變化。胞嘧啶自發脫氨基的頻率約為每個細胞每天190個。
c.脫嘌呤與脫嘧啶 自發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。一個哺乳類細胞在37℃條件下，20h內DNA鏈上自發脫落的嘌呤約1000個、嘧啶約500個：估計一個長壽命不復制繁殖的哺乳類細胞(如神經細胞)在整個生活期間自發脫嘌呤數約為108，約占細胞DNA中總嘌呤數的3%。
d.堿基修飾與鏈斷裂 細胞呼吸的副產物O2、H2O2等會造成DNA損傷，能產生胸腺嘧啶乙二醇、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，每個哺乳類細胞每天DNA單鏈斷裂發生的頻率約為5萬次。此外，體內還可以發生DNA的甲基化，結構的其他變化等，這些損傷的積累可能導致老化。
由此可見，如果細胞不具備高效率的修復系統，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開始的。當DNA受到最易被其吸收波長(～260nm)的紫外線照射時，主要是使同一條DNA鏈上相鄰的嘧啶以共價鍵連成二聚體，相鄰的兩個T、或兩個C、或C與T間都可以環丁基環(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每小時5×104/細胞，但只局限在皮膚中，因為紫外線不能穿透皮膚。但微生物受紫外線照射后，就會影響其生存。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，直接效應是DNA直接吸收射線能量而遭損傷，間接效應是指DNA周圍其他分子(主要是水分子)吸收射線能量產生具有很高反應活性的自由基進而損傷DNA。電離輻射可導致DNA分子的多種變化：
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、過氧化物的形成、堿基環的破壞和脫落等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。
b.脫氧核糖變化 脫氧核糖上的每個碳原子和羥基上的氫都能與OH－反應，導致脫氧核糖分解，最后會引起DNA鏈斷裂。
c.DNA鏈斷裂 這是電離輻射引起的嚴重損傷事件，斷鏈數隨照射劑量而增加。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)。雖然單鏈斷裂發生頻率為雙鏈斷裂的10-20倍，但還比較容易修復；對單倍體細胞來說(如細菌)一次雙鏈斷裂就是致死事件。
d.交聯 包括DNA鏈交聯和DNA-蛋白質交聯。同一條DNA鏈上或兩條DNA鏈上的堿基間可以共價鍵結合，DNA與蛋白質之間也會以共價鍵相連，組蛋白、染色質中的非組蛋白、調控蛋白、與復制和轉錄有關的酶都會與DNA共價鍵連接。這些交聯是細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，會影響細胞的功能和DNA復制。
3.化學因素引起的DNA損傷
化學因素對DNA損傷的認識最早來自對化學武器殺傷力的研究，以后對癌癥化療、化學致癌作用的研究使人們更重視突變劑或致癌劑對DNA的作用。
(1)烷化劑對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起反應。烷化劑的作用可使DNA發生各種類型的損傷：
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會發生變化，例如鳥嘌呤N7被烷化后就不再與胞嘧啶配對，而改與胸腺嘧啶配對，結果會使G-C轉變成A－T。
b.堿基脫落。烷化鳥嘌呤的糖苷鍵不穩定，容易脫落形成DNA上無堿基的位點，復制時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，結果形成不穩定的磷酸三酯鍵，易在糖與磷酸間發生水解，使DNA鏈斷裂。
d.交聯。烷化劑有兩類，一類是單功能基烷化劑，如甲基甲烷碘酸，只能使一個位點烷基化；另一類是以雙功能基烷化劑，化學武器如氮芥、硫芥等，一些抗癌藥物如環磷酰胺、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，其兩個功能基可同時使兩處烷基化，結果就能造成DNA鏈內、DNA鏈間，以及DNA與蛋白質間的交聯。
圖16－20 氮芥引起DNA分子兩條鏈在鳥嘌呤上的交聯
(a)交聯附近的總圖；(b)交聯部分結構圖
(2)堿基類似物、修飾劑對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。由于其結構與正常的堿基相似，進入細胞能替代正常的堿基參入到DNA鏈中而干擾DNA復制合成，例如5-BU結構與胸腺嘧啶十分相近，在酮式結構時與A配對，卻又更容易成為烯醇式結構與G配對，在DNA復制時導致A－T轉換為G-C。
還有一些人工合成或環境中存在的化學物質能專一修飾DNA鏈上的堿基或通過影響DNA復制而改變堿基序列，例如亞硝酸鹽能使C脫氨變成U，經過復制就可使DNA上的G桟變成A桾對；羥胺能使T變成C，結果是A桾改成C桮對；黃曲霉素B也能專一攻擊DNA上的堿基導致序列的變化，這些都是誘發突變的化學物質或致癌劑。
(二)DNA損傷的后果
上述損傷會最終導致DNA分子結構的變化，這種DNA分子水平上的突變(mutation)是整體遺傳突變的基礎。
歸納DNA損傷后分子最終的改變，有以下幾種類型：
1.點突變(point mutation) 指DNA上單一堿基的變異。嘌呤替代嘌呤(A與G之間的相互替代)、嘧啶替代嘧啶(C與T之間的替代)稱為轉換(transition)；嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤則稱為顛換(transvertion)。
2.缺失(deletion) 指DNA鏈上一個或一段核苷酸的消失。
3.插入(insertion) 指一個或一段核苷酸插入到DNA鏈中。在為蛋白質編碼的序列中如缺失及插入的核苷酸數不是3的整倍數，則發生讀框移動(reading frame shift)，使其后所譯讀的氨基酸序列全部混亂，稱為移碼突變(frameshift mutaion)。
4.倒位或轉位(transposition) 指DNA鏈重組使其中一段核苷酸鏈方向倒置、或從一處遷移到另一處。
5.雙鏈斷裂 已如前述，對單倍體細胞一個雙鏈斷裂就是致死性事件。
突變或誘變對生物可能產生4種后果：①致死性；②喪失某些功能；③改變基因型(genotype)而不改變表現型(phenotype)；④發生了有利于物種生存的結果，使生物進化。
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