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：细胞核内和线粒体内。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：

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四种：

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双股断裂的修复有时候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概率（error-prone）。

单股和双股DNA修复

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

碱基切除修复（Base excision repair, BER）

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

错误配对修复（Mismatch repair, MMR）

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

双股DNA修复

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）

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，癌症罹患的概率有会跟着增加，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：

DNA损害的累积导致癌症的生成

DNA修复能力与癌症的关系

DNA修复机制与临床治疗

DNA修复机制影响癌症化疗成效

DNA修复机制影响抗病毒药物的作用

将DNA修复蛋白视为治疗标靶

参见

SOS反应

细胞周期

DNA复制

基因治疗

生命延续

早年衰老症候群

参考资料

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

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