DNA修復的五種方式

楊蕙萱 肖義軍

人教版高中生物教材中，介紹了細胞在受到致癌因子作用時，細胞中的遺傳物質會發(fā)生變化，使細胞發(fā)生癌變。除此之外，作為細胞中最主要的遺傳物質DNA偶爾也會發(fā)生堿基錯配的情況，如堿基的替換、增添和缺失等，都會對DNA的結構造成損傷，使其復制與轉錄都受到阻礙，進而引起細胞突變。然而，在一定條件下，細胞能對受到的不同損傷進行修復，修復的方式主要有錯配修復、直接修復、切除修復、重組修復和應急反應（SOS）。

1 錯配修復

錯配修復是指DNA分子在復制的過程中，有堿基的插入/缺失而引起堿基錯配時，而采用的一種修復方式。在人教版高中生物教科書必修2“DNA的復制”中，DNA作為生物體最主要的遺傳物質，在復制的過程中，是按照堿基互補配對原則進行的，但這種堿基互補配對原則是不是就一定能保證堿基配對不會發(fā)生錯誤呢？而在第五章第一節(jié)“基因突變和基因重組”中，又介紹了基因突變是指DNA分子中發(fā)生堿基對的替換、增添或缺失等，而引起的基因結構的改變。由此可見，DNA分子在復制時雖按堿基互補配對的原則進行，但堿基配對偶爾也會發(fā)生錯配的情況。一旦DNA分子中出現(xiàn)堿基錯配，細胞就會啟動錯配修復系統(tǒng)來修復，進而減少突變的發(fā)生。這種修復方式主要是依靠細胞中的Dam甲基化酶，它能在母鏈GATC序列上使腺苷酸N6位甲基化。在DNA分子復制時，復制叉只要通過復制的起始位點，在DNA合成前的數(shù)分鐘，母鏈就會被甲基化。若DNA出現(xiàn)堿基錯配，該系統(tǒng)就會通過辨別母鏈和子鏈（新合成時未被甲基化）來將子鏈切除，同時以母鏈作模板，再合成新的子鏈片段。

以大腸桿菌為例，在其修復過程中需要許多酶的參與，如：特異性修復蛋白（MutS、MutL、MutH）、核酸外切酶（ExoⅠ、ExoⅦ、ExoX、RecJ）、DNA解旋酶Ⅱ、DNA單鏈結合蛋白（SSB）及DNA連接酶等。具體過程是二聚體MutS先找到DNA錯配位點，之后與之結合，隨后二聚體MutL結合上來，和MutS組成復合物（MutSL），MutSL在ATP水解提供能量的驅使下，能沿DNA雙鏈向兩方向移動直至遇到GATC序列為止，然后MutH再與MutSL結合，并在未被甲基化的子鏈GATC序列的5′端（沿5′→3′方向由ExoⅦ或RecJ將鏈切除）或3′端（沿3′→5′方向由ExoⅠ或ExoX將鏈切除）把核酸鏈切開，最終再由DNA聚合酶Ⅲ依照模板序列合成新的DNA鏈，由DNA連接酶將缺口連接。但在切除鏈的過程中，鏈的解開須要有DNA解旋酶Ⅱ和DNA單鏈結合蛋白的協(xié)助，直到將錯配的堿基切除掉。

2 直接修復

直接修復是指在不須要切掉受損的堿基/核苷酸的條件下，就能使受損的部位回復至原先形態(tài)的一種修復方式。常見的直接修復的類型有：光復活修復和暗修復。

在人教版高中生物教科書必修1中，介紹了細胞的癌變，將致癌因子主要分為三類：物理的、化學的和病毒的致癌因子。其中，物理致癌因子中的紫外線的照射可讓DNA分子同一條鏈上，相鄰的胸腺嘧啶堿基之間，以共價鍵聯(lián)結形成嘧啶二聚體，或使DNA鏈斷裂、DNA分子內或分子間交聯(lián)等，而影響DNA的結構，進而使其復制與轉錄都遭到損害。細胞對于這種損傷，會采用光復活修復的方式。光復活作用只能修復因紫外線照射而導致DNA雙螺旋結構上出現(xiàn)的嘧啶二聚體，是一種非常專一的修復方式。在其修復歷程中需光復活酶的參與。首先是光復活酶與損傷部位結合，在可見光的作用下，酶被激活而行使修復功能，修復完成后再把酶釋放。這種修復方式對植物體而言特別重要，因為光復活酶廣泛存在于低等單細胞生物或植物體中，而高等生物由于缺乏光復活酶，所以采用暗修復的方式，就是先把鏈上有嘧啶二聚體形成的部分切除掉，之后再進行修復合成。

3 切除修復

切除修復是指需要許多酶參與，將受到損傷的部位從DNA分子中切去，之后再用完整的那一條鏈作模板，合成出被切掉的那一部分，從而讓DNA雙螺旋恢復到正常的過程。在切除修復過程中會對DNA的多種損傷都能起到修復的作用，因此這是一種比較普遍的修復方式，可分為以下兩種方式進行。

① 堿基切除修復，通常是DNA分子中只有單個堿基發(fā)生損傷時，所采用的方式。在細胞內有各種DNA糖苷酶時，它可以辨別DNA中不正確堿基，并切除損傷的N-β糖苷鍵，而形成AP位點（無嘌呤/嘧啶位點）。只要AP位點在DNA分子中形成，受到損傷的糖苷鍵就會被AP核酸內切酶切開，并切去小片段DNA。然后，由DNA聚合酶Ⅰ再合成出新的DNA片段，合成后由DNA連接酶連接。如人教版高中生物必修2教科書中提到的鐮刀型細胞貧血癥，這種病的病因就是DNA分子中的一個堿基發(fā)生了替換，由CTT變成了CAT即一個堿基T變成A，經轉錄和翻譯成蛋白質后，蛋白質多肽鏈中的個別氨基酸序列發(fā)生了改變，而引起的病變。

② 核苷酸切除修復，DNA鏈上的核苷酸受到損傷時，使雙鏈間的氫鍵不能產生，由此造成DNA結構產生較大變形（如嘧啶二聚體的形成），此時就由該系統(tǒng)進行修復。以大腸桿菌為例，參與其修復過程的蛋白主要有：切割酶（UvrA、UvrB、UvrC）、UvrD解螺旋酶、DNA聚合酶Ⅰ和DNA連接酶。在ATP水解供能下，二聚體UvrA與UvrB蛋白組成復合物[Uvr（A）2 B-DNA]，Uvr（A）2 B-DNA擁有解旋酶的作用，可沿DNA鏈按照5′→3′的方向移動同時尋找并結合在損傷部位上，隨后Uvr（A）2解體，然后UvrC辨別Uvr（A）B-DNA復合物，同時在距離損傷的堿基5′端7個核苷酸處和3′端3-4個核苷酸處切開兩個切口，最后UvrD解螺旋酶結合進來，同時把切開的DNA片段移去，缺口位置由DNA聚合酶Ⅰ將長約12的核苷酸片段填補進來，再由DNA連接酶將缺口進行連接。在真核生物中，是切在離損傷的3′端第5個磷酯鍵和5′端第24個磷酯鍵，最后再由DNA聚合酶E彌補空缺和DNA連接酶連接封口。

4 重組修復

重組修復是在DNA復制完成之后，再進行修復的一種方式。即當受到損傷的DNA未被修復時，仍能繼續(xù)進行復制，只是在復制的過程中，遇到損傷部位時先越過，在下一個相應正確的位置上，再重新合成引物和DNA鏈。這樣在新合成的鏈中留下一個對應于損傷部位的缺口，此時這個缺口就由DNA重組來填補。即從同源的DNA母鏈上，把相對應的核苷酸序列片段，移到子鏈缺口處，再由連接酶連接，而在母鏈上產生的空缺就用再合成的序列來彌補。重組修復在細胞處于減數(shù)分裂和有絲分裂（S期）時起主要作用，如在減數(shù)分裂前期，四分體中的非姐妹染色單體之間會發(fā)生交叉互換，即遺傳物質發(fā)生局部的互換，這可能會造成DNA結構的改變。

5 SOS（應急反應）

在細胞中，不管是DNA受到損傷還是復制受到抑制，都能引起一系列復雜的誘導效應。這種效應可使細胞在緊急的情況下求得生存，被稱為應急反應（SOS）。SOS主要由RecA（輔蛋白酶）和LexA（基因的阻遏物）進行調控。RecA是最初的發(fā)動因子，只要有DNA鏈和ATP就能被激活，進而使LexA的酶活性被激活。被激活的LexA會自行解體，從而讓許多的基因得到表達。SOS反應是細胞處于不利的環(huán)境時，為求得生存而誘導的一系列復雜反應。除此之外，它還可能會誘發(fā)突變，由于新的基因產生是通過突變途徑而獲得的，所以其在生物進化中可能也具有重要意義。

五種修復方式不同點的比較見表1。

以上的五種DNA修復系統(tǒng)都廣泛的存在于生物體中，在每種系統(tǒng)修復的過程中，有些修復過程可能比較簡單，可能只要一種蛋白的參與，但也可能很復雜，需要多種蛋白間的相互協(xié)調。但不論哪種修復方式，對保持DNA結構的完整性都具有重要的意義。

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