紫外导致的DNA损伤与修复 论文

紫外导致的DNA损伤与修复论文由于臭氧层的损耗到达地球表面的紫外辐射日渐增加。

而关于增加的紫
外辐射对生物体的各种作用机制已引起了研究者的极大兴趣。

而DNA在从细菌到人的各种生物体中无疑是紫外线导致的损伤的重要目标。

紫外辐射能够导致两种常见的，具有遗传与细胞双重毒性的DNA损伤：环丁烷-嘧啶二聚体（CPD）和6-4光产物（6-4PP）及其杜瓦异构体。

但是，在长期的进化中，细胞已经进化出了很多修复或耐受机制来抵抗由紫外线及其他因素导致的DNA损伤。

在光复活酶的帮助下进行的光复活作用是很多生物体中最重要和常见的修复机制。

切除修复，它可以划分成碱基切除修复（BER）与核苷酸切除(NER)修复，在一些生物体中也是一种重要的修复途径。

这种途径分别是由一些糖基化酶和聚合酶催化的。

此外，像二聚体旁路，重组修复等其它一些修复途径也在不同的生物体中
发挥着作用。

本综述讨论了紫外线导致的DNA损伤及相关的修复途径，并对未来的研究工作做了展望。

紫外线DNA损伤；光复原作用；切除修复；损伤旁路
1
DNA损伤（DNA damage）是指在外界因素作用下，DNA的结构发生变化，DNA损伤可以通过转录，翻译的产物——RNA与蛋白质来作用于细胞,并影响其代谢。

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物种攻击导致的损伤（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； (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
等。

如果这些损伤得不到修复，细胞的正常生命活动就会受到破坏，由细胞构成的生
命体就会产生突变，并会由此而诱发一系列的遗传疾病。

为了防止DNA损伤而造成突变，生物体的细胞通过自身的DNA修复系统对其进行自我修复——DNA修复（DNA repair）以维持自身遗传的稳定性。

每个正常生物体内都存在着能―医治‖DNA损伤的复杂的修复系统，它们就像一个受过良好训练的维修小组，不停地对受损DNA进行着修复。

自从1953年沃森(Watson)和克里克(Crick)提出DNA结构的双螺旋模型之【】1后，人们在研究DNA的损伤和修复中已经取得了丰富的成果。

本文将专门介绍近年来紫外线导致的DNA损伤与修复方面所取得进展及其研究方向。

臭氧层是保护地球上生命免遭致命的短波太阳辐射的屏障。

然而许多研究表明由于人类排放的污染物——氯氟代烃（chlorouorocarbons ，CFCs）,氯代烃（chlorocarbons ，CCs）和有机溴化物（organo-bromides，OBs）等——的催化作用，大气平流层中的臭氧层正持续的被损耗掉，其结果是越来越多的紫外线-B 【】【】23（ultraviolet-B ，UV-B; 280-315 nm）到达地球表层。

南极和北极地区的臭氧层损耗都已见报道，其中尤以南极地区的情况严重。

南极地区的臭氧层空洞【】4的面积在2000年时已达创记录的2830万平方公里。

而且据预测这种臭氧层【】5 损耗及随之而来的紫外线辐射增加在本世纪中仍将持续。

科学家相信在平流层的臭氧层出现之前，太阳紫外辐射的杀伤力使得陆地生物的出现被推迟了二十或三十亿年。

紫外辐射能够对所有的生命体，包括原核微
生物，真核的低等和高等植物，动物和人类，产生毒害作用。

紫外线中UV-C （<280 nm）辐射对生命体没有影响，因为它能被地球大气中的氧气与臭氧定量吸收。

尽管大部分的来自太空的UV-B都被臭氧层吸收掉了，但波长更长的UV-B 【】6(280—315nm)和UV-A (315—410nm)辐射却对生物体有着显著的作用。

太阳辐射对生命系统的毒害作用主要是由于上述的那一小部分UV-B被细胞内的DNA吸收导致的。

UV-A的波长使其很难对DNA产生直接的损伤，但它可以通
过间接的光敏反应来损伤DNA。

紫外辐射的生物的影响包括减少生长，破坏蛋【】7 白质，对一些生物体光合成反应的光抑制等。

【】【】【】【】891011DNA在众多生命体中，如细菌，蓝藻，浮游藻类，植物，动【】【】1213物及人类，都是紫外线损伤的重要目标。

所有的生物细胞中都富含紫外
线吸收剂，如核酸与蛋白质。

另外许多生命过程中都会产生别的紫外线吸收色素，
如蓝藻及浮游藻类产生的类菌胞素氨基酸(mycosporine-like amino
acids,MAAs)。

这些生物在生命活动中不能完全避免表层组织的DNA遭受紫外辐射。

DNA损伤有细胞和遗传的双重毒性作用。

DNA的辐射损伤对细胞有着很大的危险，因为
一个光子的撞击可能会导致细胞的癌变，并可能杀死细胞。

在紫外线的导致的DNA损伤分为两类,一类是DNA中的碱基形成环丁烷-嘧啶二聚体（cyclobutane-pyrimidine dimers ，CPDs)二聚体;另一类是形成6-4光产物（6-4photoproducts，6-4PPs, 它是嘧啶的加合产物），以及它们的杜瓦价键异【】【】1415第一类DNA损伤是由于紫外线作用于构体（Dewar valence isomers）。

DNA的碱基,使其活化而发生化学反应，使DNA结构发生变化。

一般来说,这类损伤主要是造成相邻嘧啶碱基形成环丁烷-嘧啶二聚体（见图1）,使局部DNA不配对。

例如,在此条件下可形成T?T,T?C,C?C二聚体。

二聚体的形成取决于两
个因素的影响。

一个因素是紫外线:紫外线强度越大,形成嘧啶二聚体的趋势也越
大。

最近,在实验中人们发现,波长对其形成也有影响:用波长240nm~280nm的紫外线照射时,形成二聚体的趋势是:T?T>T?C>C?C,胸腺嘧啶二聚体最易形成;但在波长280-320nm紫外线照射下,趋势为:T?T=T?C>C?C。

这表明,紫外线波长变化,形成胸腺嘧啶二聚体趋势降低。

另一个影响二聚体的因素是序列自身特点:即某一段富含嘧啶碱基的DNA中容易形成二聚体。

T T TT
OOOOUV
(A)HNNHHNHNPhotoreactivation+(photolyase)NOONONONHHHH
TCT C
NHO2O2NHUVNHN(B)+HNNPhotoreactivationNON(photolyase)OONHNOHHH
1 最具毒性与变异性的DNA损伤——紫外辐射导致的环丁烷-嘧啶二聚体。

二聚体
由两个相邻嘧啶形成。

这里画出的是（A）胸腺嘧啶-胸腺嘧啶环丁烷-嘧啶二聚体，（B）
胸腺嘧啶-胞嘧啶二聚体和他们在光照下经光复原酶进行的光复原反应。

在紫外线辐射后，环丁烷-嘧啶二聚体产生的最多，也很可能是更具细胞毒性的损伤。

但是6-4光产物有更严重的，潜在的致命和致突变作用。

在波长大于290nm的情况下6-4光产物可以通过光异构化作用（photoisomerization）转变为【】16杜瓦异构体。

含有更多处于UV-A和UV-B之间波长的紫外辐射源能产生比
例更多的杜瓦异构体，因为光异构化作用在320nm处进行的最好。

320nm也正
是6-4光产物的最大紫外吸收波长。

因此Taylor等认为在太阳光下所有的6-4光【】17在紫外线导致的DNA损伤产物中，环丁烷-嘧产物都会转变为杜瓦异构体。

啶二聚体和6-4光产物分别约占75%和25%。

这两种类型的损伤都会使DNA螺【】18旋发生扭曲。

环丁烷-嘧啶二聚体和6-4光产物分别导致7-9?和44?的扭曲。

紫外辐射对一个碱基的损伤能力取决于DNA链的变形性；当然碱基的本质也扮演着重要作用，因为二聚体产物的分布依赖于嘧啶碱基的出现。

损伤很容易发生
在易扭曲的序列上，例如，环丁烷-嘧啶二聚体容易发生在单股的DNA和（dA）【】19 -（dT）链的易扭曲末端，但不会发生在它们刚性的中部。

OOOOHHNNHNHNONOHNOHOHONOONOOOOOOO254nmOPOP--OHOOHO
6- 4TT
312nm
NH2
OHN
NOOHN
HONO
OOO
OP-
OHO
Dewar TT
2 第二种常见的紫外线导致的DNA损伤—6-4光产物及其杜瓦异构体。

6-4光产物在
DNA中可按5’-T-C-3’，5’-C-C-3’，5’-T-T-3’形成，但不能以5’-C-
T-3’形成。

这种损伤也
是有毒性的和可致突变的。

据报道在紫外线导致的小鼠皮肤癌中，环丁烷-嘧啶二聚体优先在p53变异位【】15点上生成。

微生物和哺乳动物中环丁烷-嘧啶二聚体的生物学作用已被大量
的
研究过。

环丁烷-嘧啶二聚体能够抑制DNA聚合酶发挥作用。

据报道环丁烷-嘧【】20啶二聚体和6-4光产物都可以阻断哺乳动物?型RNA聚合酶。

如果不修复，
单是环丁烷-嘧啶二聚体就能阻止一个转录单位的表达。

有证据表明被阻止的哺
【】21乳动物?型RNA聚合酶仍然连接在被阻止的位点上。

因此，持续的损伤不仅
会减少游离的RNA聚合酶的浓度，还会阻止它们所连的基因的转录。

每个环丁烷-嘧啶二聚体都充当了转录与复制的障碍物，并且只有一小部分二聚体会
导
【】22因此，如果这些DNA损伤不经修复，将会扰乱DNA的转录与复制，致突变。

并能导致遗传密码的误读，进而产生变异与死亡。

生命体繁衍生存的关键是遗传信息从亲代细胞精确的传递到子代细胞。

这样
精确的传递需要（1）DNA复制时的极端精确与染色体分配时的准确，（2）能
在自发的和外界导致的DNA损伤中存活，同时将可遗传突变的数目降到最少。

为了达到上述目标，生物体已经发展出了很多有效的DNA修复机制，可以抵抗DNA损伤的致命作用。

许多特定蛋白质持续检测着基因组中的DNA损伤。

一旦损伤
识别蛋白质碰到一个错误搭配的碱基，一个非嘌呤（apurinic）或非嘧啶（apyrimidinic）的位点，或者结构异变的碱基，它就会激发一个有效的DNA修复机制，以便最终重构正确的遗传信息。

下面将介绍一些重要的DNA修复机制。

4.1
这种修复机制可能是一种最早的和最简单的修复机制，它只涉及一种酶：光复原酶（Photolyase）。

为了消除紫外导致的DNA损伤，很多生物体都包含
着
能特定结合环丁烷-嘧啶二聚体（环丁烷-嘧啶二聚体光复原酶，CPD photolyase）和6-4光产物（6-4光复原酶，6-4 photolyase）的酶，它们可以利用光能消除损【】23伤（图 1），这种过程就叫光复原反应（Photoreactivation）。

环丁烷-嘧啶二聚体光复原酶被报道存在于细菌，真菌，植物，无脊椎动物及许多脊椎动物中，
而6-4光复原酶已经在果蝇，蚕，非洲爪蟾（Xenopus laevis）和响尾蛇中发现，【】22但在大肠杆菌和酵母菌中未发现。

光复原酶在人体中似乎是不存在或者不起【】24作用的。

在许多古细菌（archaebacteria）中发现了 DNA光复原酶，因此这类酶被认为是最古老的修复蛋白质，它们可能帮助了原始地球上早期生命体的进【】25 化。

光复原酶是单体的，依赖黄素（flavin-dependent）的修复酶。

它的分子量在55,000-65,000道尔顿,随物种变化而略有不同,但都包括了两个辅助因子:第一辅助因子是FADH,第二种辅助因子是8-羟基脱氮核黄素或次甲基四氢叶酸。

当DNA需要修复时,光复原酶由于活性部位氨基酸的识别作用,使其与嘧啶二聚体结合(这一步不需要光)。

第一辅助因子吸收350nm-450nm的光,能量传递给FADH辅助因子,变为FADH-。

FADH-将一个电子传给嘧啶二聚体(即Pyr?Pyr),使其活化,打开5-5,6-6的碳键,二聚体转变为Pyr和Pyr-。

然后电子从Pyr-转移到黄素辅助因子,将其变为FADH-,完成这些步骤后,嘧啶二聚体被打开,光复原酶从DNA上【】26 脱落下来。

【】27Todo等发现环丁烷-嘧啶二聚体光复原酶，6-4光复原酶和植物的蓝光
光
子受体在进化及作用机制方面是相关联的。

他们克隆并测序了果蝇的6-4光复原酶基因，发现该光复原酶多肽的基因序列与微生物的环丁烷-嘧啶二聚体光复原酶和植物的蓝光光子受体存在相性。

实际上，果蝇（它兼有环丁烷-嘧啶二聚体光复原酶和6-4光复原酶）的6-4光复原酶与蓝光光子受体的相似性，要比它与
果蝇的环丁烷-嘧啶二聚体光复原酶和其他动物的光复原酶的相似性大。

很多研
究者发现已经发现了人体内存在一种与的果蝇的6-4光复原酶序列相似性达40%的类似蛋白质，但这种蛋白质究竟是作为光复原酶，还是作为光子受体，尚需要【】28 进一步研究。

4.2
与光复原反应相比，暗修复途径（dark repair pathways）是更复杂的，并且不能直接的逆转DNA损伤，而是以新的未损伤核苷酸替换被损伤的DNA。

有两种主要的切除修复途径：碱基切除修复（base excision repair，BER）和核苷酸切除修复（nucleotide excision repair，NER）。

4.2.1 该途径进化出来是为保护细胞免受由诸如水解，活泼性氧
物种和其他由细胞内新陈代谢导致的内源性DNA损伤（endogenous DNA
damage）的影响。

DNA糖基化酶是碱基切除修复中涉及的核心酶。

它们可以通过切断损伤碱基与其余核苷酸间的N-糖苷键来移除被损伤碱基。

不同的DNA糖基化酶能移除不同类型的损伤，具体的修复途径由所涉及的糖基化酶决定。

DNA糖基化酶有很多种，例如尿嘧啶糖基化酶（Uracil glycosylase），3-甲基腺嘌呤糖基化酶（3-Methyladenine glycosylase）等。

很多DNA糖基化酶的三维结构及【】29作用模式已经被分类阐明。

下面重点介绍与修复紫外导致的DNA损伤有关的糖基化酶。

一些生物体除了含有一般的DNA糖基化酶外，还含有一种紫外线内切核酸
酶（ UV-endonucleases），它可以在嘧啶二聚体的位点处产生链断裂。

事实上紫
外线内切核酸酶使二聚体的5’-嘧啶的N-糖苷键的断裂，接着发生非嘌呤/嘧啶裂解酶（ AP lyase）参与的链切断。

这种酶的结构已通过X射线晶体分析方法获【】【】3031知，它的作用机制也已通过结构和位点导向致突变实验得知。

这种酶正常情况下只存在于抗紫外线的生物体中，如藤黄微球菌（Micrococcus luteus）。

【】32然而，在噬菌体T4中也已发现了一个由denV基因编码的类似酶。

真正的真核生物紫外线内切核酸酶也已在裂殖酵母（S. pombe），红色链孢霉（N. crassa）中鉴别出，它们能识别出环丁烷-嘧啶二聚体和6-4光产物，并立即产生相应的
[33] 切断。

4.2.2 Nucleotide excision repair NER 该类修复能清除包括环丁烷-嘧啶二聚体和6-4光产物在内的很多类型的DNA形变损伤。

核苷酸切除修复使用三十余种酶将细胞DNA中的损伤寡核苷酸（oligonucleotide）清除。

尽管核苷酸切除修复对生物的生存来说并不是必不可少的，但是该类修复基因的
缺陷可能导致人患三种特殊的对太阳光过敏的，易致癌症的遗传紊乱疾病：着色
性干皮病(Xeroderma pigmentosum,XP)，柯喀内斯综合征（Cockayne’s syndrome，
[34]CS），毛发硫营养不良症（trichothiodystrophy，TTD）。

核苷酸切除修复存在却显得个体患皮肤癌的风险要比正常个体高1000倍。

NER分为（1）转录互补修复（transcription-coupled repair，TC-NER）——活跃基因转录链的首选修
复途径，（2）全基因组修复（global genome repair，GG-NER）——修复基因组
[35] 中的非转录部分，其中包括转录基因中的非转录链。

真核生物核苷酸切除修复的途径已经在酵母与人的细胞中研究到了分子水【】35平上。

其主要反应已经通过用损伤DNA作为模板在生物体外进行了重构。

它的修复过程包括5个步骤：XPChHR23B复合物（酵母中是Rad4-Rad23复合【】36物）作为损伤识别器连接到形变DNA位点上，并开启核苷酸切除修复；通过XPB和XPD两种DNA解旋酶打开损伤位点的双螺旋结构；激活XPA 和RPA蛋白的活性；通过XPF和XPG核酸内切酶切割损伤的DNA链；DNA多聚酶和PCNA填补缺口；DNA连接酶?将损伤链连至母链
植物尽管有着非常高效的光复原酶，可以在二聚体产生后的几分钟到几小时内清除它们。

但是，植物仍然有核苷酸切除修复途径，可以切除二聚体，尤其可
以切除6-4光产物。

基因与基因组分析显示植物的核苷酸切除修复途径与哺乳动
物和真菌的相似，而与细菌的不相关。

4.3
当修复由于尚不清楚的原因无法进行时，细胞要存活唯一的选择就是损伤旁路（lesion bypass）。

大多数由紫外线及其它化学物质引起的损伤进而导致的遗
传突变是由于一种跨损伤合成（translesion synthesis）过程。

它是当聚合酶遇到
非编码或错误编码的损伤时，插入一个与损伤相反的错误核苷酸，然后接着进行
聚合。

有研究表明pol η对经过环丁烷-嘧啶二聚体的跨损伤合成有着促进作用。

这种过程是极为准确和高效的，它把腺嘌呤插到环丁烷-嘧啶二聚体TT的位点【】37上。

但是，对6-4光产物不是这种情况，因为6-4 TT的跨损伤合成可能导致鸟嘌呤的插入。

在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中一个高效的DNA聚合酶pol η绕过环丁烷-嘧啶二聚体TT的例子已见报道。

而这种酵母中polξ（由【】38蛋白质Rev3和Rev7构成）经过环丁烷-嘧啶二聚体TT的复制也已报道。

人体中Rev3和Rev7的类似物已被documented(？)，表明人的polξ在易错跨损【】39 伤复制（error-prone translesion replication）中扮演着重要角色。

除了上述的修复机制，细胞还具备其他的修复（耐受）机制抵抗DNA损伤的影响。

例如重组修复（recombinational repair），细胞周期检测点（cell-cycle checkpoints），程序性细胞凋亡（programmed cell death）等。

核苷酸切除修复途径的主要作用是清除紫外导致的DNA损伤。

该途径的缺陷会导致严重的易患癌症的可遗传性疾病，如着色性干皮病。

而人类却对如此重要的细胞抵抗机制没有其他的后备选择。

因此，核苷酸切除修复途径存在缺陷的
个体或多或少的不能切除DNA上的嘧啶二聚体。

而这种情况是哺乳动物特有的，
因为低等真核生物，植物及细菌都有其他的抵抗紫外辐射的机制，如可以解聚二
聚体的DNA光复原酶和可以对二聚体做特定切除的DNA糖基化酶与核酸酶。

光复原作用是快速的修复机制，因此对生活在强光照条件下的生物体十分重要。

尽管，如前面所述在人体中找到了光复原酶的类似物，但哺乳动物是否具备光复
原作用还不得而知。

这方面研究的最终目标应该是开发出人工DNA光复原酶，它可以激发有效的识别并修复生物体中紫外线导致的DNA损伤，使着色性干皮病和毛发硫营养不良症得患者解除病痛。

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