DNA 损伤与修复：细胞生命的精密调控机制

一、DNA 损伤

1.外源性损伤

外源性因素被视作引发 DNA 突变，进而诱发癌症的关键力量。物理诱变剂首当其冲，其中太阳辐射中的紫外线（波长 200 - 300 纳米）极具代表性。它会促使 DNA 链上相邻的嘧啶碱基（胞嘧啶与胸腺嘧啶）形成共价交联，严重干扰 DNA 的正常结构与功能。电离辐射（如 x 射线）则通过在细胞内催生自由基，产生高活性的氧物质（ROS），最终导致 DNA 双螺旋结构出现单链或双链断裂，如同在精密的遗传蓝图上撕开了一道道口子。

化学诱变剂也不遑多让，它们能够将烷基共价连接到 DNA 碱基上。以氮芥化合物为例，这类物质可使 DNA 碱基甲基化或乙基化。此外，原本化学性质惰性的致癌物原，经代谢转化为高活性致癌物后，能与 DNA 反应生成 DNA 加合物，像苯并 [a] 芘，在细胞色素 P450 酶的介导下，经两次氧化反应生成苯并 [a] 芘二醇环氧化物（BPDE），这种强致癌代谢物能与 DNA 共价结合，改变 DNA 的化学组成，极大地增加了基因突变的风险。

2.内源性损伤

内源性的代谢与生化反应同样是 DNA 损伤的重要源头。水解反应能部分甚至完全切断核苷酸碱基与 DNA 链的连接。在哺乳动物细胞中，每天约发生 10,000 次脱嘌呤事件，即嘌呤碱基（腺嘌呤或鸟嘌呤）与脱氧核糖磷酸链间的化学键自发断裂。脱嘧啶现象（胸腺嘧啶或胞嘧啶失去嘧啶基）也时有发生，只是速率相较脱嘌呤低 20 至 100 倍。

细胞内还存在脱氨反应，腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶环上的胺基会因此丢失，分别转变为次黄嘌呤、黄嘌呤和尿嘧啶。倘若尿嘧啶碱基在后续 DNA 复制时未被修正，极有可能被误读为胸腺嘧啶，从而引发 C→T 点突变。DNA 甲基化作为一种特殊的烷基化形式，在细胞内与 s - 腺苷蛋氨酸（SAM）反应后发生。在哺乳动物细胞中，甲基化常发生于距离鸟苷基（G） 5′的胞嘧啶碱基（C）的 5 位，形成序列 CpG。而甲基化的 5 - 甲基胞嘧啶产物自发脱氨后会产生胸腺嘧啶，由于其未被 DNA 修复酶识别为异常碱基，在 DNA 复制中就会产生 C→T 点突变。

正常代谢过程产生的 ROS 也会对 DNA 造成氧化损伤。嘌呤和嘧啶碱基均易被氧化，其中鸟嘌呤氧化为 8-oxo-7,8 - 二氢鸟嘌呤较为常见，对应的核苷酸 8-oxo - 脱氧鸟嘌呤（8-oxo-dG）能与脱氧腺苷碱基配对，而非正常的脱氧胞苷碱基。若此错误未被错配修复酶察觉并纠正，后续复制的 DNA 将出现 C→A 点突变。ROS 还可能导致脱氧核糖核酸发生脱嘌呤、脱嘧啶以及单链或双链断裂。

在细胞周期 S 期的 DNA 复制阶段，同样危机四伏。负责复制模板 DNA 的聚合酶存在一定错误率，可能会掺入与模板 DNA 不匹配的核苷酸。化学修饰的核苷酸前体也可能被聚合酶错误地整合到新生成的 DNA 中。此外，当复制富含重复核苷酸或重复序列的 DNA 片段（微卫星区）时，聚合酶容易因链滑移，导致子链中核苷酸数量异常。单链和双链裂解也可能发生，单链断裂可能源于脱氧核糖基磷酸链的脱氧核糖部分受损，同时也是碱基切除修复途径中 AP - 核酸内切酶作用后的中间步骤；双链裂解在细胞经过 S 期时更为常见，因为此时展开的 DNA 作为复制模板更为脆弱。

二、DNA 修复机制

1.MGMT

面对 DNA 损伤，细胞进化出了多种应对策略。o6 - 甲基鸟嘌呤 DNA 甲基转移酶（MGMT，即 DNA 烷基转移酶）能够从鸟嘌呤上分离甲基和乙基加合物。值得注意的是，这并非传统的催化（酶促）反应，而是化学计量（化学）反应，每去除一个加合物就会消耗一个 MGMT 分子。研究发现，过表达 MGMT 的细胞对癌症的抵抗力更强，或许是因为它们能有效抵消大量的烷基化损伤。近期 Niture 等人的研究表明，使用半胱氨酸 / 谷胱甘肽增强药物和天然抗氧化剂可提升 MGMT 的表达水平，为增强细胞对 DNA 损伤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，具备校对活性，主要参与复制错误修复。一旦检测到错误，这些聚合酶会暂停 DNA 复制进程，反向移除子 DNA 链中的核苷酸，直至错误核苷酸被清除，随后重新启动正向复制。携带 Pold1 基因两个拷贝点突变的小鼠，其 DNA 聚合酶 -δ 的校对活性丧失，与野生型基因或单拷贝突变小鼠相比，上皮性癌症的发生几率显著升高，这充分凸显了 DNA 聚合酶校对活性在维持基因组稳定性方面的重要性。

3.错配切除修复（MMR）酶

错配切除修复（MMR）酶能够纠正 DNA 聚合酶校对活动遗漏的复制错误。它们从子 DNA 中移除不正确的核苷酸，并依据 W - C 配对原则，以父 DNA 链为模板修复子链。在微卫星区域复制过程中，由于 DNA 聚合酶校对活动难以察觉该区域产生的错误，MMR 酶的作用就显得尤为关键。此外，MMR 酶还能在一定程度上纠正由 DNA 氧化或烷基化引发的各类碱基对异常，包括含有 o6 - 甲基鸟嘌呤、8 - 氧鸟嘌呤的修饰碱基对，以及致癌物和顺铂加合物。人类错配切除修复基因 MSH2 和 MLH1 突变与遗传性非息肉病性结直肠癌（HNPCC）综合征密切相关，进一步揭示了 MMR 酶在预防癌症发生中的重要意义。

三、碱基切除修复与核苷酸切除修复

1.碱基切除修复（BER）

碱基切除修复（BER）主要负责切除并替换单个受损的核苷酸碱基，重点修复内源性氧化和水解导致的碱基修饰。DNA 糖基化酶率先出击，切断核苷酸碱基与核糖之间的连接，形成无嘌呤或无嘧啶（AP）位点。例如，8-Oxoguanine DNA 糖基化酶 I （Ogg1）能够去除活性氧产生的碱基突变产物 7,8 - 二氢 - 8-Oxoguanine （8-oxoG），人类 OGG1 基因的多态性与肺癌、前列腺癌等多种癌症风险相关。尿嘧啶 DNA 糖基化酶则负责切除胞嘧啶脱氨产生的尿嘧啶，有效防止后续的 C→T 点突变。n - 甲基嘌呤 DNA 糖基化酶（MPG）能去除多种修饰的嘌呤碱基。

由 BER 酶作用产生的 AP 位点，以及脱嘧啶和脱嘌呤形成的 AP 位点，可在 AP - 核酸内切酶 1 （APE1）的作用下进一步修复。APE1 在 AP 位点的 5′端裂解磷酸二酯链，此时 DNA 链一端为 3 ' - 羟基，另一端为 5 ' - 碱性脱氧核糖磷酸。接着，DNA 聚合酶 β （Polβ）依据 W - C 配对插入正确核苷酸，并利用其相关的 ap 裂解酶活性去除脱氧核糖磷酸。x 射线修复交叉互补基团 1 （XRCC1）与 DNA 连接酶 III （LIG3）形成异二聚体，作为支架蛋白，为 Polβ 提供结合位点，并将 Polβ 和 LIG3 酶聚集在修复位点。Poly（adp - 核糖）聚合酶（PARP - 1）与 XRCC1 和 Polβ 相互作用，是 BER 途径的必要组成部分。修复的最后一步由 LIG3 完成，它将替换的核苷酸与脱氧核糖基磷酸主干连接起来，此为 "短补丁误码率" 途径。

还有一种 "长补丁误码率" 途径，它能替换至少 2 个核苷酸长度的核苷酸链，据报道修复长度可达 10 到 12 个核苷酸。长补丁 BER 需要增殖细胞核抗原（PCNA）作为重组酶的支架蛋白，可能还会调用其他 DNA 聚合酶（如 Polδ 和 Polε）产生寡核苷酸瓣，再由皮瓣内切酶 - 1 （FEN1）去除现有核苷酸序列，最后由 DNA 连接酶 I （LIG1）连接寡核苷酸，完成修复。目前，关于短补丁与长补丁误码率路径选择的具体机制仍在深入研究中。

2.核苷酸切除修复（NER）

核苷酸切除修复（NER）主要修复至少包含 2 个碱基的核苷酸链损伤，这类损伤往往会造成 DNA 结构扭曲。NER 既能修复单链断裂，也能应对一系列外源性损伤，如大型 DNA 加合物、紫外线辐射，甚至氧化应激造成的损伤。在哺乳动物细胞中，NER 通路涉及超过 20 种蛋白质，包括 XPA、XPC - hHR23B、复制蛋白 A （RPA）、转录因子 TFIIH、XPB 和 XPD DNA 解旋酶、ERCC1 - xpf 和 XPG、Polδ、Polε、PCNA 和复制因子 c 等。切除修复交叉互补（ERCC1）基因的过表达与非小细胞肺癌细胞对顺铂的耐药性相关，这反映了其增强的 DNA 修复能力。全球基因组 NER （GGR）负责修复整个基因组的损伤，而转录偶联修复（TCR）作为一种特定的 NER 通路，主要在活性 RNA 聚合酶转录期间修复基因。