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，如果DNA的損傷或遺傳信息的改變不能更正，對體細(xì)胞就可能影響其功能或生存，對生殖細(xì)胞則可能影響到后代。所以在進(jìn)化過程中生物細(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)誤配對頻率降到約10－5－10－6，復(fù)制過程中如有錯(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，可以說是對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(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)體與鳥嘌呤
(b)的氫鏈形成導(dǎo)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(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)、鳥嘌呤會(huì)變成黃嘌呤(X)等，遇到復(fù)制時(shí)，U與A配對、H和X都與C配對就會(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。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，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)開始的。當(dāng)DNA受到最易被其吸收波長(～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)；對單倍體細(xì)胞來說(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DNA損傷的認(rèn)識(shí)最早來自對化學(xué)武器殺傷力的研究，以后對癌癥化療、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(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(huì)發(fā)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(jié)果會(huì)使G－C轉(zhuǎn)變成A－T。
b.堿基脫落。烷化鳥嘌呤的糖苷鍵不穩(wěn)定，容易脫落形成DNA上無堿基的位點(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，卻又更容易成為烯醇式結(jié)構(gòu)與G配對，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)過復(fù)制就可使DNA上的G桟變成A桾對；羥胺能使T變成C，結(jié)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(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。
