DNA修复

DNA修复是细胞中经常运行的一种进程。它使基因组免受损伤和突变，因此对细胞的生存是很重要的。在人的细胞中，一般的代谢活动和环境因素（如紫外线和放射线）都能造成DNA损伤，导致每个细胞每天多达1,000,000处的分子损害。这些损害给DNA分子造成结构上的破坏，由此可大大的改变细胞阅读信息和基因编码的方式，其余的损害引发在细胞基因体中的潜在有害突变，进而影响子细胞在进行有丝分裂后的存活。因此，DNA修复必须经常运作，以快速地改正DNA结构上的任何错误之处。当正常修复程序失效与细胞凋亡没有发生，则不可回复的DNA损伤可能会发生，包含了双股断裂与DNA与DNA交互连结。

DNA修复的速度与许多因素有关，如细胞类型、细胞老化以及外在环境等。然而当细胞累积大量的DNA损伤老化时，DNA修复的速度下降，直至赶不上正在进行的DNA损伤的速度。这时，细胞可能遭受以下三种命运之一：

- 不可逆的冬眠，即所谓的衰老
- 细胞自杀，即细胞凋亡或程序性细胞死亡
- 失控的细胞分裂可能导致形成肿瘤或癌

人体中的大多数细胞先是衰老，经历不可挽回的DNA损伤之后，走向凋亡。在这种情况下，凋亡作为“最后一招”起着防止细胞致癌而危害机体的作用。

衰老时，生物合成和物质周转的变更使细胞的生命活动效率降低，这不可避免地导致疾病发生。一个细胞的DNA修复的能力对其基因组的完整性和此细胞甚至机体的正常功能来说是极其重要的。许多原来对预期寿命显示出影响的基因被证实跟DNA损伤修复和保护有关。

形成接合子的细胞中的分子伤害若未能修复改正，将产生变异的子代，从而影响到演化的速率。

## DNA损伤

细胞内正常的代谢活动与环境因素所引起的DNA损伤的发生速率约为每个细胞每天1,000至1,000,000处分子损害。但是许多别的因素能使之达到更高的速率。一个关键的癌相关基因（如肿瘤抑制基因）的一处未修复的损害就能对个体产生灾难性的后果，而这类基因只占人类基因组的6,000,000,000（30亿个碱基对）个碱基的0.000165％。

### 细胞核DNA与线粒体DNA损伤

人类细胞和绝大多数的真核细胞的DNA定位于细胞内的两个地方：细胞核内和粒线体内。细胞核DNA（nDNA，nuclear DNA之缩写）大量聚集于染色体；染色体是由DNA和缠绕其上的称为组蛋白的珠状蛋白质组成的。只要细胞要表达其nDNA编码的遗传信息，其相应的染色体区域就要拆开，定位在此处的基因才被表达，之后这一区域又固缩回原来的静态构造。线粒体DNA（mtDNA，mitochondrial DNA之缩写）定位于细胞器线粒体之内，存在若干个拷贝。mtDNA同样与许多蛋白质紧密结合以形成一种叫做类核的复合体。在线粒体里面，生成三磷酸腺苷（ATP）的氧化磷酸化反应的副产物——活性含氧物种（ROS），或称自由基，导致形成一种高度氧化的环境，已知这种环境能对mtDNA造成伤害。

### DNA损伤的原因

DNA损伤可分为两大类型：

1.内源性损伤，如被正常代谢的副产物活性氧分子（自由基）攻击导致的损伤（自发突变）。

2.外源性损伤，由外部因素引起，例如：

1.来自太阳的紫外射线UV 200－300nm

2.其他频率的辐射，包括X射线和γ射线

3.水解和热解

4.某些植物毒素

5.人造的突变物质，如吸烟产生的某些烃

6.肿瘤的化学疗法和放射线疗法

在细胞分裂之前，损伤DNA的复制会引起错误碱基与损伤碱基相对立地结合。子代细胞由遗传而继承了错误的碱基之后，也就成了变异细胞（带了突变的细胞），从此再无退路（除非通过很少有的回复突变和基因转换）。

### DNA的损害类型

内生性的DNA损害类型以影响DNA的初级结构（primary structure，例如：核苷酸层次的结构、配对等）为主，只有比较严重的外生性的DNA损害才有机会造成DNA二级结构（secondary structure，例如：DNA层次的立体结构改变）的破坏。

DNA初级结构的损害形式主要可以分为五种：

- 核苷酸碱基氧化（oxidation）：例如：8-oxo-7,8-dihydroguanine (8-oxoG)，Thymine glycol等，这些主要是细胞内的活性含氧物种（ROS）对DNA的攻击所造成。另外，环境中的游离辐射也常会对造成碱基的氧化作用。
- 核苷酸碱基烷化（alkylation）：或常称作甲基化，methylation)，例如O6-methylguanine，N7-methylguanine，N3-methyladenine等。
- 核苷酸碱基去氨化（deamination）：例如：尿嘧啶，就是由于甲基化的胞嘧啶经过去氨化所形成的。
- 核苷酸碱基水解（hydrolysis）：例如去嘌呤或去嘧啶作用。
- 核苷酸碱基错误配对（mismatch）：这常常是导因于DNA复制过程当中新合成的DNA单股置入错误的核苷酸所导致。

而外生性的DNA损害，随着暴露在外生性因子的时间、剂量的差异，其导致的DNA损害形式也有很大的差异。目前的研究发现细胞在紫外线得照射下对使得DNA会形成嘧啶二聚体，是一种外生性DNA损害的明确类型。

## DNA修复机制

既然内生性（endogenous）与外生性（exogenous）的DNA损害来源均无法避免，细胞就必须面对这些DNA损害的形式采取适当的措施。对一个细胞来说，消极的做法是暂时容忍损害的存在，等到细胞的基因体遭受损害到一定程度，细胞自然无法再持续进行运作；而积极的做法则是针对所有可能的DNA损害发展出相对应的修复补救措施，以确保基因体内遗传讯息的正确性。根据分子生物学近几年来的研究发展，科学家已经发现无论是以单细胞形式存活的酵母菌到我们人类的细胞，都可以找到相对应的DNA修复机制，这说明DNA修复机制在各物种间的高度保守性（highly conservative），更充分显示了DNA损害所造成的危害，在生物演化初期就无可避免。

在现存细胞内的DNA修复机制中，由DNA损害断裂的程度可以分为两种类型，一种是单股损害，另一种则是DNA双股断裂。前者修复机制通常需要借助其对应的另一股当模板（template），而后者在缺乏另一股序列当模板的情况下，则是转而透过同源的染色体序列或姊妹染色分体来寻求支援。（在高等生物中，有时候DNA双股断裂的修复有可能无须任何序列当模板，而径行将断裂部分直接接合，然而这种DNA修复方式可能隐含错误的几率（error-prone）。

### 单股DNA修复

单股DNA损害修复机制的特色是，当只要DNA两股的其中一股发生损害，另一股在这时候就可以当作模板，以作为修正的依据。细胞为了对抗各种形式的DNA损害，发展了数种DNA单股损害的修复机制，包括：

- 单一蛋白所参与的直接修复机制

MGMT（methylguanine methyltransferase）具有甲基转移酶的活性，因此可以直接将6号位置鸟嘌呤的甲基（CH3，O6-methylguanine）直接移除。而在细菌内也有一个修复蛋白，光裂合酶，可以修复紫外线所造成的嘧啶二聚体。由于这一类的蛋白可以直接将遭受破坏的DNA或核苷酸还原，因此不需要另一股当作修复的模板。

- 碱基切除修复（Base excision repair, BER）

BER用来清除并修复异常的、不该出现的碱基。这些非A、T、G、C碱基的出现若无适时修复，则DNA聚合酶在复制的过程就很容易在碰到这些碱基时置入错误的配对，即点突变发生。

- 核苷酸切除修复（Nucleotide excision repair, NER）

NER主要修复那些影响区域性的染色体结构的DNA损害，包括由紫外线所导致的嘧啶二聚体，化学分子或蛋白质与DNA间的键结—DNA附加物（DNA adduct），或者DNA与DNA的键结—DNA交互连结（cross-link）等。这些损害的形式若没有适时的排除，DNA聚合酶将无法辨识而滞留在损害的位置，这时细胞就会活化细胞周期检查点（cell cycle checkpoint）以全面停止细胞周期的进行。

- 全基因体的核苷酸切除修复（Global-Genome Nucleotide excision repair, GG-NER）。

为典型的NER修复机制，透过对于DNA损害具有特殊亲合辨识能力的XPC-HR23B蛋白质双合体（dimer）来启动NER的修复路径。

- 转录合并修复（Transcription-coupled repair, TCR）

为针对RNA转录过程所伴随启动的NER修复机制，所以又称转录合并核苷酸切除修复（Transcription-coupled NER, TC-NER）。TC-NER是由RNA聚合酶在转录过程遇到核苷酸损害无法辨识而停滞时所活化的修复机制，借由RNA聚合酶停滞的动作可以立即招来NER相关的修复蛋白前来，这样就能加速DNA损害的复原，而无须漫长地等待GG-NER的反应。但也如此，TC-NER所负责修复的范围只局限于能够转录RNA的DNA序列。

- 错误配对修复（Mismatch repair, MMR）

MMR主要是负责DNA在复制过程发生嘌呤—嘧啶错误配对的校对工作。

- 单股DNA断裂修复（Single strand break repair, SSBR）

细胞内参与修复单股DNA断裂的机制与碱基切除修复的蛋白质种类有很高的重复，因此有些人把单股DNA断裂的机制也归入碱基切除修复的路径内。

### 双股DNA修复

双链断裂（double-strand break，缩写：DSB），又称双股断裂，是指双股DNA分子的两条单链在同一位置被切割时发生的现象。双股断裂可诱发DNA修复，可能造成遗传重组，细胞也有一些系统作用于其他时候造成的双股断裂。

DNA双股断裂对细胞来说是最严重也是最致命的DNA损害类型。不若DNA单股的损害在组蛋白的保护下或许可以逃过更进一步的损害与化学物质的攻击，DNA双股断裂的结果使得DNA的末端直接裸露，在这种情况的发生若没有及时的处理，细胞内DNA损害反应（DNA damage response）机制就会活化，其后果之一是停止细胞的生长与分裂，或者是启动细胞凋亡，无论如何都是驱使细胞走向毁灭一途。幸好从真核生物阶段细胞就已发展出数套机制用来防范DNA双股断裂的产生，分别是：

- 同源性重组（Homologous recombination，HR）

同源性重组修复是利用细胞内的染色体两两对应的特性，若其中一条染色体上的DNA发生双股断裂，则另一条染色体上对应的DNA序列即可当作修复的模板来回复断裂前的序列，因此在某些条件下，同源性重组又称作基因转换（gene conversion）。

同源性重组HR修复路径与细胞周期的进行有很高的依赖性。在G1期，染色体套数为2n的情况下，同源染色体是HR唯一可使用的模板。等到在S期／G2期有了姊妹染色分体（sister chromatid）的加入，染色体套数倍增为4n，这时候HR机制就有更多的修复模板可供选择，因此一般认为HR修复的运作在S期／G2期比较活跃。

- 非同源性末端接合（Non-homologous end joining, NHEJ）

NHEJ修复机制与前面的HR最大的差异，就在于完全不需要任何模板的帮助，此一机制的修复蛋白可以直接将双股裂断的末端彼此拉近，再借由DNA黏合酶（ligase）的帮助下，将断裂的两股重新接合。相较于HR，NHEJ的机制既简单又不依靠模板的方式，在基因体越复杂、包含越多非编码DNA（junk DNA）的生物体，NHEJ的活性相对于HR是非常活跃的，可是在基因体越简单，尤其是单细胞型态的生物，NHEJ很有可能破坏原本序列完整性，反而不受青睐。

值得一提的是，NHEJ除了负责DNA损害的修复，高等生物所特有的免疫系统在进行V(D)J重组以产生具多样性的抗体时，由RAG蛋白作用所造成的DNA断裂，也是需要NHEJ来进行善后工作的。

### 细胞周期检查点与DNA修复的相关性

除了既有的DNA修复机制，细胞还有一项用来对抗DNA损害生成的武器，那就是细胞周期检查点（cell cycle checkpoint）。对于一个持续进行周期的细胞，若DNA遭受损害，除了既有的DNA修复机制可以侦测损害的地点，检查点机制相关的蛋白也被认为具有类似的能力，只是检查点侦测到损害形成时所做的反应是停滞细胞周期的进行。不过有越来越多的科学研究发现DNA修复机制与检查点的活化有相辅相成的效果，例如；游离辐射造成DNA双股断裂，除了前面提到同源重组以及非同源性末端接合修复机制可以径行修复断裂的DNA，在检查点扮演关键角色的ATM（Ataxia-Telangiectasia）蛋白质除了启动检查点机制以停滞细胞周期，科学家也发现ATM会透过直接磷酸化或透过更复杂的机制来启动上述的修复机制。而有些蛋白质被认为同时具有检查点活化以及DNA修复的功能，例如：p53与BRCA1，这更加说明两种机制相互依存以降低DNA损害对细胞本身所造成的伤害。

## DNA损害、修复与生物个体的关连

DNA损害可能造成细胞停止生长（senescence）、细胞凋亡或转型成癌细胞，而对于生物个体当然不可避免的会导致对应的症状，即老化、死亡，或者肿瘤的形成，这些现象与源自细胞内产生的DNA损害无法顺利透过DNA修复机制进行处理有很大的关连。拜分子生物学快速进展之赐，这十几年来许多未知病因的症状陆续被发现原来是DNA修复机制相关基因的突变或异常所造成的结果，间接证实了DNA损害对于生物个体所造成的危害。

### DNA修复机制与遗传性疾病

并非所有的DNA修复机制异常会导致遗传性疾病发生，事实上，根据科学家的实验结果，有更多的例子显示缺少DNA修复机制中某些参与的基因反而导致实验老鼠在胚胎时期突然停止发育，英文称呼为胚胎致死（embrYonic lethality），唯有少数幸运胚胎存活而得以出生，不过可预期的这些刚出生的小生命不久将慢慢出现基因缺陷伴随而来得遗传病征。

DNA修复机制异常对生物个体最普遍的遗传病征，大多是发育迟缓（有些也包含丧失生殖能力）、神经退化、智能不足等，也有些是免疫功能缺乏，如果缺乏事先的疾病诊断与照护，通常很容易死亡。若是年龄稍长，癌症罹患的几率有会跟着增加，在DNA修复机制异常的情况下，很少有患者逃得过癌症侵袭。

以下是一些遗传性疾病与其对应的DNA修复机制：

遗传性疾病｜受影响的修复机制（基因）｜对染色体的损害｜与癌症的相关性

Multiple colorectal adenomas｜碱基切除修复（MYH）｜点突变几率增加｜大肠直肠癌

着色性干皮症｜核苷酸切除修复（XP相关基因群）｜点突变几率增加｜皮肤癌

柯凯因氏症候群｜转录合并修复（CSA、CSB等）｜点突变几率增加｜无

遗传性非息肉大肠直肠癌｜错误配对修复（MLH1、MSH2）｜点突变几率增加｜大肠直肠癌

Familiar Breast/Ovary Cancer｜同源性重组（BRCA1、BRCA2）｜染色体异常｜乳癌、卵巢癌

Ataxia Telangiectasis｜同源性重组、非同源性末端接合（ATM）｜染色体异常｜淋巴癌

AT-like Disorder｜同源性重组、非同源性末端接合（Mre11）｜染色体异常｜淋巴癌

Nijmegen Breakage Syndrmoe｜同源性重组、非同源性末端接合（NBS1）｜染色体异常｜淋巴癌

IV型黏合酶缺失症｜非同源性末端接合（lIG4）｜染色体异常｜血癌

Bloom Syndrome｜同源性重组（BLM）｜染色体异常｜血癌、淋巴癌

维尔纳综合症｜同源性重组（WRN）｜染色体异常｜各种癌症

Fanconi Anemia｜同源性重组（FA相关基因群）｜染色体易断裂｜血癌

## 参考资料

- Genome maintenance mechanisms for preventing cancer. Nature 411 366-374 (2001)