DNA損傷與修復的調控機制解析

一、DNA 損傷

1.外源性損傷
外源性因素被視作引發 DNA 突變，進而誘發癌癥的關鍵力量。物理誘變劑首當其沖，其中太陽輻射中的紫外線（波長 200 - 300 納米）極具代表性。它會促使 DNA 鏈上相鄰的嘧啶堿基（胞嘧啶與胸腺嘧啶）形成共價交聯，嚴重干擾 DNA 的正常結構與功能。電離輻射（如 x 射線）則通過在細胞內催生自由基，產生高活性的氧物質（ROS），最終導致 DNA 雙螺旋結構出現單鏈或雙鏈斷裂，如同在精密的遺傳藍圖上撕開了一道道口子。

化學誘變劑也不遑多讓，它們能夠將烷基共價連接到 DNA 堿基上。以氮芥化合物為例，這類物質可使 DNA 堿基甲基化或乙基化。此外，原本化學性質惰性的致癌物原，經代謝轉化為高活性致癌物后，能與 DNA 反應生成 DNA 加合物，像苯并 [a] 芘，在細胞色素 P450 酶的介導下，經兩次氧化反應生成苯并 [a] 芘二醇環氧化物（BPDE），這種強致癌代謝物能與 DNA 共價結合，改變 DNA 的化學組成，極大地增加了基因突變的風險。

2.內源性損傷
內源性的代謝與生化反應同樣是 DNA 損傷的重要源頭。水解反應能部分甚至完全切斷核苷酸堿基與 DNA 鏈的連接。在哺乳動物細胞中，每天約發生 10,000 次脫嘌呤事件，即嘌呤堿基（腺嘌呤或鳥嘌呤）與脫氧核糖磷酸鏈間的化學鍵自發斷裂。脫嘧啶現象（胸腺嘧啶或胞嘧啶失去嘧啶基）也時有發生，只是速率相較脫嘌呤低 20 至 100 倍。

細胞內還存在脫氨反應，腺嘌呤、鳥嘌呤和胞嘧啶環上的胺基會因此丟失，分別轉變為次黃嘌呤、黃嘌呤和尿嘧啶。倘若尿嘧啶堿基在后續 DNA 復制時未被修正，極有可能被誤讀為胸腺嘧啶，從而引發 C→T 點突變。DNA 甲基化作為一種特殊的烷基化形式，在細胞內與 s - 腺苷蛋氨酸（SAM）反應后發生。在哺乳動物細胞中，甲基化常發生于距離鳥苷基（G） 5′的胞嘧啶堿基（C）的 5 位，形成序列 CpG。而甲基化的 5 - 甲基胞嘧啶產物自發脫氨后會產生胸腺嘧啶，由于其未被 DNA 修復酶識別為異常堿基，在 DNA 復制中就會產生 C→T 點突變。

正常代謝過程產生的 ROS 也會對 DNA 造成氧化損傷。嘌呤和嘧啶堿基均易被氧化，其中鳥嘌呤氧化為 8-oxo-7,8 - 二氫鳥嘌呤較為常見，對應的核苷酸 8-oxo - 脫氧鳥嘌呤（8-oxo-dG）能與脫氧腺苷堿基配對，而非正常的脫氧胞苷堿基。若此錯誤未被錯配修復酶察覺并糾正，后續復制的 DNA 將出現 C→A 點突變。ROS 還可能導致脫氧核糖核酸發生脫嘌呤、脫嘧啶以及單鏈或雙鏈斷裂。

在細胞周期 S 期的 DNA 復制階段，同樣危機四伏。負責復制模板 DNA 的聚合酶存在一定錯誤率，可能會摻入與模板 DNA 不匹配的核苷酸。化學修飾的核苷酸前體也可能被聚合酶錯誤地整合到新生成的 DNA 中。此外，當復制富含重復核苷酸或重復序列的 DNA 片段（微衛星區）時，聚合酶容易因鏈滑移，導致子鏈中核苷酸數量異常。單鏈和雙鏈裂解也可能發生，單鏈斷裂可能源于脫氧核糖基磷酸鏈的脫氧核糖部分受損，同時也是堿基切除修復途徑中 AP - 核酸內切酶作用后的中間步驟；雙鏈裂解在細胞經過 S 期時更為常見，因為此時展開的 DNA 作為復制模板更為脆弱。

二、DNA 修復機制

1.MGMT
面對 DNA 損傷，細胞進化出了多種應對策略。o6 - 甲基鳥嘌呤 DNA 甲基轉移酶（MGMT，即 DNA 烷基轉移酶）能夠從鳥嘌呤上分離甲基和乙基加合物。值得注意的是，這并非傳統的催化（酶促）反應，而是化學計量（化學）反應，每去除一個加合物就會消耗一個 MGMT 分子。研究發現，過表達 MGMT 的細胞對癌癥的抵抗力更強，或許是因為它們能有效抵消大量的烷基化損傷。近期 Niture 等人的研究表明，使用半胱氨酸 / 谷胱甘肽增強藥物和天然抗氧化劑可提升 MGMT 的表達水平，為增強細胞對 DNA 損傷的防御能力提供了新的思路。

2.DNA 聚合酶
DNA 聚合酶，如聚合酶 -δ，具備校對活性，主要參與復制錯誤修復。一旦檢測到錯誤，這些聚合酶會暫停 DNA 復制進程，反向移除子 DNA 鏈中的核苷酸，直至錯誤核苷酸被清除，隨后重新啟動正向復制。攜帶 Pold1 基因兩個拷貝點突變的小鼠，其 DNA 聚合酶 -δ 的校對活性喪失，與野生型基因或單拷貝突變小鼠相比，上皮性癌癥的發生幾率顯著升高，這充分凸顯了 DNA 聚合酶校對活性在維持基因組穩定性方面的重要性。

3.錯配切除修復（MMR）酶
錯配切除修復（MMR）酶能夠糾正 DNA 聚合酶校對活動遺漏的復制錯誤。它們從子 DNA 中移除不正確的核苷酸，并依據 W - C 配對原則，以父 DNA 鏈為模板修復子鏈。在微衛星區域復制過程中，由于 DNA 聚合酶校對活動難以察覺該區域產生的錯誤，MMR 酶的作用就顯得尤為關鍵。此外，MMR 酶還能在一定程度上糾正由 DNA 氧化或烷基化引發的各類堿基對異常，包括含有 o6 - 甲基鳥嘌呤、8 - 氧鳥嘌呤的修飾堿基對，以及致癌物和順鉑加合物。人類錯配切除修復基因 MSH2 和 MLH1 突變與遺傳性非息肉病性結直腸癌（HNPCC）綜合征密切相關，進一步揭示了 MMR 酶在預防癌癥發生中的重要意義。

三、堿基切除修復與核苷酸切除修復

1.堿基切除修復（BER）
堿基切除修復（BER）主要負責切除并替換單個受損的核苷酸堿基，重點修復內源性氧化和水解導致的堿基修飾。DNA 糖基化酶率先出擊，切斷核苷酸堿基與核糖之間的連接，形成無嘌呤或無嘧啶（AP）位點。例如，8-Oxoguanine DNA 糖基化酶 I （Ogg1）能夠去除活性氧產生的堿基突變產物 7,8 - 二氫 - 8-Oxoguanine （8-oxoG），人類 OGG1 基因的多態性與肺癌、前列腺癌等多種癌癥風險相關。尿嘧啶 DNA 糖基化酶則負責切除胞嘧啶脫氨產生的尿嘧啶，有效防止后續的 C→T 點突變。n - 甲基嘌呤 DNA 糖基化酶（MPG）能去除多種修飾的嘌呤堿基。

由 BER 酶作用產生的 AP 位點，以及脫嘧啶和脫嘌呤形成的 AP 位點，可在 AP - 核酸內切酶 1 （APE1）的作用下進一步修復。APE1 在 AP 位點的 5′端裂解磷酸二酯鏈，此時 DNA 鏈一端為 3 ' - 羥基，另一端為 5 ' - 堿性脫氧核糖磷酸。接著，DNA 聚合酶 β （Polβ）依據 W - C 配對插入正確核苷酸，并利用其相關的 ap 裂解酶活性去除脫氧核糖磷酸。x 射線修復交叉互補基團 1 （XRCC1）與 DNA 連接酶 III （LIG3）形成異二聚體，作為支架蛋白，為 Polβ 提供結合位點，并將 Polβ 和 LIG3 酶聚集在修復位點。Poly（adp - 核糖）聚合酶（PARP - 1）與 XRCC1 和 Polβ 相互作用，是 BER 途徑的必要組成部分。修復的最后一步由 LIG3 完成，它將替換的核苷酸與脫氧核糖基磷酸主干連接起來，此為 “短補丁誤碼率” 途徑。

還有一種 “長補丁誤碼率” 途徑，它能替換至少 2 個核苷酸長度的核苷酸鏈，據報道修復長度可達 10 到 12 個核苷酸。長補丁 BER 需要增殖細胞核抗原（PCNA）作為重組酶的支架蛋白，可能還會調用其他 DNA 聚合酶（如 Polδ 和 Polε）產生寡核苷酸瓣，再由皮瓣內切酶 - 1 （FEN1）去除現有核苷酸序列，最后由 DNA 連接酶 I （LIG1）連接寡核苷酸，完成修復。目前，關于短補丁與長補丁誤碼率路徑選擇的具體機制仍在深入研究中。

2.核苷酸切除修復（NER）
核苷酸切除修復（NER）主要修復至少包含 2 個堿基的核苷酸鏈損傷，這類損傷往往會造成 DNA 結構扭曲。NER 既能修復單鏈斷裂，也能應對一系列外源性損傷，如大型 DNA 加合物、紫外線輻射，甚至氧化應激造成的損傷。在哺乳動物細胞中，NER 通路涉及超過 20 種蛋白質，包括 XPA、XPC - hHR23B、復制蛋白 A （RPA）、轉錄因子 TFIIH、XPB 和 XPD DNA 解旋酶、ERCC1 - xpf 和 XPG、Polδ、Polε、PCNA 和復制因子 c 等。切除修復交叉互補（ERCC1）基因的過表達與非小細胞肺癌細胞對順鉑的耐藥性相關，這反映了其增強的 DNA 修復能力。全球基因組 NER （GGR）負責修復整個基因組的損傷，而轉錄偶聯修復（TCR）作為一種特定的 NER 通路，主要在活性 RNA 聚合酶轉錄期間修復基因。

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參考文獻
[1] Hu J ,  Adar S . The Cartography of UV‐induced DNA Damage Formation and DNA Repair[J]. Photochemistry and Photobiology, 2017.
[2] Chatterjee N ,  Walker G C . Mechanisms of DNA damage, repair, and mutagenesis[J]. Environmental and Molecular Mutagenesis, 2017, 58(1):235-263.

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