DNA損傷與修復
日期：2024-01-24 13:10:15
DNA是遺傳信息的寶庫，是生物體生存和繁殖的必要條件，因此保持 DNA分子的完整性對細胞至關重要。然而，DNA在不斷復制并傳遞給子細胞的過程中難免會受到損傷。那么，細胞如何處理受損的 DNA呢？到底什么是 DNA損傷？DNA損傷的原因是什么？DNA損傷與哪些疾病相關？
本文將介紹DNA損傷及其原因，與突變的區別，以及DNA損傷的類型、DNA損傷反應途徑和相關疾病。
1. 什么是DNA損傷？
DNA損傷是指任何偏離其原始雙螺旋結構的改變。所有細胞生物都會發生DNA損傷。
2. 什么導致DNA損傷？
DNA損傷的來源很多，主要可分為兩類：內源性因素和外源性因素。細胞內源性DNA損傷包括復制錯誤和內源性化學反應引起的自發性基因毒性損傷。外源又可分為物理因素和化學因素。
3. DNA損傷的類型
每個細胞在其生命周期中都必須不斷對抗內源性和外源性DNA損傷 [1]。
3.1 內源性DNA損傷
據估計，每個細胞每天要經歷近10萬次自發的DNA損傷 [2]。
3.1.1 DNA復制錯誤
以DNA為模板進行堿基配對的DNA復制是一項嚴格而精確的工作，但并非完全沒有錯誤。堿基配對錯誤的頻率約為10-1-10-2。在DNA復制酶的作用下，堿基配對錯誤的頻率降低到約10-5-10-6。如果復制過程中出現錯誤的核苷酸，DNA聚合酶也會暫停催化。雖然復制過程中堿基錯配的概率很低，但仍有一些錯配堿基逃過了校對甚至是MMR機制的檢測。當模板受損時，反式損傷合成（TLS）聚合酶的保真度很低，是自發突變的重要來源。此外，拓撲異構酶、尿嘧啶摻入等也會造成錯誤。
雖然大多數DNA復制的保真度相當高，但有時也會出現錯誤。核苷酸堿基的插入和缺失都有可能發生。此外，DNA復制過程中的自發錯誤可能會導致在新生合成的DNA分子中加入錯誤的核苷酸，造成堿基對不匹配 [3]。
3.1.2 水解DNA損傷
DNA的水解損傷包括單個堿基的脫氨和缺失。各種代謝產物的生化反應和過量的活性氧（ROS）都可能導致水解損傷。
● 堿基脫氨
含氨基的含氮堿基會自發脫氨基，形成C-U、A-I（次黃嘌呤和G-X（黃嘌呤）。有趣的是，單鏈中堿基脫氨基的頻率遠高于雙鏈，因此復制、轉錄和重組過程中的瞬時單鏈狀態會加劇這種損傷，并在修復突變效應之前發生。在所有堿基中，5-甲基胞嘧啶發生脫氨的頻率最高，生成的G:T堿基對會通過較慢的錯配修復（MMR）得到糾正。分散的CpG序列很容易受到胞嘧啶-5-甲基轉移酶的影響。脊椎動物約有70%-80%的CpG胞嘧啶被甲基化。由其脫氨引起的GC→AT堿基轉換占人類遺傳病點突變的三分之一。
● 堿基缺失
DNA堿基缺失又稱AP（嘌呤/近嘧啶）位點，其突變性特別強，如果不及時修復，會抑制轉錄。堿基也會丟失。大腸桿菌每代大約丟失一個嘌呤，而哺乳動物細胞每天大約丟失 10,000 個嘌呤。相對而言，嘧啶的 N-糖苷鍵相對穩定，丟失的概率僅為嘌呤的1/20。消旋位點不穩定，容易發生β-消除反應，導致單鏈斷裂（SSB）。
● 堿基同分異構
DNA中四種堿基的同分異構體均可自發發生變化（例如，烯醇堿基和酮堿基之間的相互轉化）。這種變化會改變堿基配對之間的氫鍵。腺嘌呤可以與胞嘧啶配對，胸腺嘧啶可以與鳥嘌呤配對，等等。如果這些配對在DNA復制過程中發生，就會造成子代DNA序列與親代DNA序列不同的錯誤損傷。堿基具有酮和烯醇結構的自發同素異形作用，會造成堿基錯配。例如，當腺嘌呤形成A=NH結構時，可形成A=C配對；當鳥嘌呤形成G-OH結構時，可形成GT三鍵配對。
3.1.3 細胞代謝的內源性副產物
活性氧（ROS）也會造成DNA損傷。活性氧自由基可攻擊堿基上的雙鍵，引起開環反應等，還可破壞核糖磷酸骨架，造成單鏈斷裂。這與電離輻射類似。據估計，活性氧在哺乳動物細胞中每小時可造成2300次單鏈斷裂。產生ROS的DNA損傷是最常見的損傷。
3.2 外源性DNA損傷
環境DNA損傷可由物理或化學來源產生。
3.2.1 物理因素
常見的物理因素主要包括電離輻射（IR）和太陽紫外線（UV）。
射線、接觸放射性物質和使用放射療法進行的醫療。它可以誘導堿基修飾、鏈間交聯和DNA鏈斷裂，尤其是雙鏈斷裂（DSB）。此外，紅外線還會誘導形成ROS，從而進一步損傷 DNA。
來自太陽的紫外線會與DNA發生反應，主要導致兩個相鄰的嘧啶形成二聚體，阻礙DNA復制和轉錄。
紅外線包括X射線、伽馬射線、α和β粒子以及中子。日常生活中的紅外線通常來自宇宙輻射和使用X射線或放射治療的醫療手段。它通過產生DNA斷裂，尤其是雙鏈斷裂（DSB），直接影響DNA結構。紅外線還會導致活性氧（ROS）的形成，從而產生嘌呤/近嘧啶（abasic）位點、單鏈斷裂（SSB）、糖分子修飾和脫氨基加成堿基 [4] [5]。
3.2.2 化學因素
導致DNA損傷的化學事件包括水解、接觸活性氧物質(ROS)和其他活性代謝物。
作為相對常見的代謝副產物，ROS可導致單鏈和雙鏈斷裂、加成和交聯。
導致DNA損傷的化學因素有很多。烷化劑具有活性烷基，可轉移到堿基或磷酸上，如硫酸二甲酯、甲磺酸甲酯（MMS）、芥子氣等。鳥嘌呤的O6和N7最容易被烷基化，導致錯配（GT）或脫落。磷酸三酯不穩定，容易斷裂。雙官能烷基化劑可導致交聯，被稱為交聯劑。某些烷化劑如環磷酰胺（cyclophosphamide）可用于化療。堿基或核苷類似物，如5-氟尿嘧啶（FU）、5-溴尿嘧啶（BrdU）、6-巰基嘌呤等，可競爭性抑制核苷酸合成或結合核酸造成錯配。亞硝酸鹽可導致堿基脫氨，亞硝胺被氧化后產生烷化劑和自由基。還有一類化學物質叫代謝活化化合物，在肝臟混合功能氧化酶（細胞色素P450）的催化下，形成活性烷化劑或環氧化物等，與核酸相互作用，引起突變。如芳香胺、多環芳烴等。苯并芘是致癌性最強的多環芳烴之一。煙草煙霧中含有大量的芳香胺和多環芳烴。黃曲霉毒素也是一種代謝活化致癌物，其中黃曲霉毒素B1的作用最強。黃曲霉毒素B1被動擴散到細胞內后，經P-450復合物代謝為活性形式的黃曲霉毒素B1-8,9-環氧化物，然后加入鳥嘌呤N7，使糖苷鍵減弱，導致脫嘌呤。
4. DNA損傷與DNA變異
雖然DNA損傷和DNA突變都是DNA錯誤的一種，但它們之間有很大的不同。DNA損傷是DNA的物理異常，如單鏈和雙鏈斷裂，而突變則是DNA堿基序列的改變。DNA損傷可以被酶識別，因此，如果有多余的信息可供復制，就可以正確修復。雖然大多數DNA損傷可以進行DNA修復，但未修復的DNA損傷會在復制細胞中積累，從而導致突變。與DNA損傷不同，DNA突變一旦在兩條DNA鏈上都出現堿基變化，酶就無法識別和修復，從而導致蛋白質功能和調節發生改變。
DNA損傷和DNA變異的主要區別在于，DNA損傷是DNA結構的改變，而DNA變異是DNA核苷酸序列的改變。此外，DNA損傷會阻止DNA復制，而突變則會改變DNA編碼的遺傳信息。DNA損傷和突變是DNA中發生的一組錯誤。此外，環境因素以及新陳代謝釋放的化合物都會造成DNA損傷，而突變主要是由于DNA復制和重組過程中的錯誤造成的。
5. DNA損傷應答信號通路
所有活細胞都不可避免地會發生不同類型和程度的DNA損傷。為了在這些不利條件下存活下來，并將完整的遺傳信息忠實地傳遞給下一代，細胞進化出了一種高度有序和協調的機制，即DNA損傷應答（DDR），以減輕這些基因毒性應激。
DDR是維持基因組完整性和穩定性的關鍵因素。DDR傳感蛋白可識別受損DNA并啟動一連串信號轉導因子（如 ATM、ATR 或 Rad17-RFC 復合物），從而激活DDR介導因子（如絲氨酸/蘇氨酸激酶 Chk1、Chk2、Cdc25 磷酸酶）?；罨?DDR介質可激活特定的蛋白質機制，觸發適當的細胞反應，可能是DNA修復、細胞周期檢查點激活、誘導細胞凋亡或衰老或病變耐受 [6-9]。這種不同的反應取決于細胞類型、損傷程度和其他因素。
圖1. DNA損傷應答信號通路
圖片來源：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S156878641830096X
5.1 DNA修復機制
DNA損傷修復系統的激活是DNA損傷應答的主要終點。真核細胞表現出多種DNA修復機制來處理潛在的DNA損傷 [10]。這些修復途徑的保真度和誘變后果各不相同 [10]。這些機制可感知和識別所有類型的DNA損傷，暫?；蚪M復制，發出修復信號，并糾正或容忍DNA病變 [11]。不同修復機制之間幾乎沒有冗余。
DNA修復機制包括直接修復、堿基切除修復、核苷酸切除修復、雙鏈斷裂修復和交聯修復。
5.1.1 切除修復機制
切除修復機制的目標是去除大塊DNA加合物和紫外線誘導的光產物、堿基對改變和嘌呤丟失、DNA錯配以及單鏈和雙鏈DNA斷裂。
● 核苷酸切除修復（NER）
核苷酸切除修復（NER）是用途最廣的DNA修復途徑，可修復多種物理和化學因素導致的DNA損傷，如紫外線輻射介導的和致癌的DNA化學加合物。NER可以切除DNA損傷的大片段。它可以修復DNA損傷的各種形式，包括6-4光產物、環丁烷嘧啶二聚體和大塊加合物。
● 堿基切除修復（BER）
堿基切除修復（BER）是一種特別有助于清除小堿基修飾的機制。它可以修復氧化、脫氨基、烷基化和消旋單堿基損傷，這些損傷一般不會導致DNA螺旋發生明顯扭曲。在BER途徑中，DNA糖基化酶檢測并消除受損堿基，形成位點，然后由AP內切酶切割，留下一個堿基間隙。DNA聚合酶和DNA連接酶進一步固定該間隙。
5.1.2 錯配修復（MMR）
MMR途徑可糾正堿基誤配，包括堿基錯配、插入和缺失。該修復系統有助于識別DNA螺旋扭曲、區分兩條鏈并消除復制錯誤。通過糾正躲過復制聚合酶校對的不常見錯誤，它可將復制保真度提高100倍以上 [12-14]。
5.1.3 DNA雙鏈斷裂修復（DSBR）途徑
DNA DSB是最具細胞毒性的DNA損傷。DNA DSB修復途徑包括同源重組（HR）、DNA末端連接和非同源末端連接（NHEJ）。
● 同源重組（HR）
同源重組是一種精確的修復途徑，需要同源DNA序列作為修復模板 [15]，僅限于細胞周期的S/G2期 [16]。HR是一個緩慢、復雜和高度精確的修復過程，涉及大量酶和蛋白質。這一途徑既能修復單端和雙端斷裂，也能修復蛋白質阻斷的末端。
● 非同源末端連接（NHEJ）
NHEJ 是一種易出錯的修復途徑，在大多數哺乳動物細胞中主要用于重新連接DSB。NHEJ的發生偏好于G0、G1和早期S期 [17-19]。它是哺乳動物細胞在DNA復制前抵御DSB的第一道防線。與HR相比，NHEJ進展迅速，而且與模板和細胞周期無關。它通常具有突變性，只能修復雙端斷裂，不能修復蛋白質阻斷末端。NHEJ涉及斷裂DNA末端的連接，不需要序列同源性。
替代性末端連接（a-EJ）途徑可修復DNA雙鏈斷裂（DSB），它是通過末端切除產生3'單鏈來啟動的。
5.2 細胞周期停滯和細胞凋亡
如果受損DNA得到及時完全修復，對細胞的影響幾乎微乎其微。未修復的DNA可能編碼細胞周期所需的蛋白質，從而導致細胞周期停滯。細胞周期對細胞的生長、增殖和繁殖至關重要。它最終會影響細胞的生長和存活。如果損傷過度，細胞不再消耗能量來有效修復損傷，很可能會發生凋亡或衰老。
6. DNA損傷與疾病
要在細胞中表達功能性信使核糖核酸并最終生成蛋白質，DNA 序列的準確讀取是不可或缺的。此外，細胞分裂過程中忠實的DNA復制對于子細胞從母細胞繼承完整的遺傳物質至關重要。因此，由內在和內部因素引起的細胞DNA的各種改變會產生深遠的生物學后果。雖然大多數DNA損傷可以修復，但修復系統的效率并非百分之百。未修復的DNA損傷會改變基因表達、抑制細胞分裂或導致細胞死亡 [20-22]。DNA 損傷在誘變和致癌過程中也扮演著重要角色。Tomasetti C及其同事發現，在17種癌癥類型中發現的突變中有三分之二是DNA復制錯誤造成的 [23]。
有證據表明，核DNA（編碼大多數細胞RNA和蛋白質）和線粒體DNA的損傷與衰老有關 [24]。
細胞DNA損傷也被證明與許多人類疾病的病因和發展有關，如色素性角化癥、共濟失調性脊髓側索硬化癥、布盧姆綜合征和沃納綜合征。
當然，突變并不是永久的壞蛋。試想一下，如果DNA的修復功能足夠完善，能夠修復所有的DNA損傷，沒有突變的產生，那么就不會有基因的改變，也就不會有進化的原材料。根據不同的條件，DNA損傷可以是致病性的，也可以是治療性的。
DNA 損傷可導致基因改變，如果涉及控制細胞生長的基因，這些突變可導致癌癥的發生。DNA的損傷還可能導致細胞死亡，從而給細胞所在的機體帶來嚴重后果，例如，大腦中不可替代的神經元的喪失。受損DNA的積累也被認為是導致衰老的一些原因。
雖然人類基因組DNA的損傷經常發生，但大多數損傷都能通過各種修復機制成功修復。如果DNA病變沒有得到及時修復或過于嚴重而無法修復，就會引發一些信號事件，導致三種不同的細胞命運，包括衰老、凋亡或癌變。
7. 與DNA損傷修復相關的重組蛋白
DNA修復涉及許多途徑，其中一些涉及許多蛋白質。為了幫助研究DNA損傷和修復，華美生物提供了一些相關的重組蛋白。
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