楊蕙萱 肖義軍

人教版高中生物教材中，介紹了細(xì)胞在受到致癌因子作用時(shí)，細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，使細(xì)胞發(fā)生癌變。除此之外，作為細(xì)胞中最主要的遺傳物質(zhì)DNA偶爾也會(huì)發(fā)生堿基錯(cuò)配的情況，如堿基的替換、增添和缺失等，都會(huì)對(duì)DNA的結(jié)構(gòu)造成損傷，使其復(fù)制與轉(zhuǎn)錄都受到阻礙，進(jìn)而引起細(xì)胞突變。然而，在一定條件下，細(xì)胞能對(duì)受到的不同損傷進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)的方式主要有錯(cuò)配修復(fù)、直接修復(fù)、切除修復(fù)、重組修復(fù)和應(yīng)急反應(yīng)（SOS）。

1 錯(cuò)配修復(fù)

錯(cuò)配修復(fù)是指DNA分子在復(fù)制的過程中，有堿基的插入/缺失而引起堿基錯(cuò)配時(shí)，而采用的一種修復(fù)方式。在人教版高中生物教科書必修2“DNA的復(fù)制”中，DNA作為生物體最主要的遺傳物質(zhì)，在復(fù)制的過程中，是按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則進(jìn)行的，但這種堿基互補(bǔ)配對(duì)原則是不是就一定能保證堿基配對(duì)不會(huì)發(fā)生錯(cuò)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(duì)的替換、增添或缺失等，而引起的基因結(jié)構(gòu)的改變。由此可見，DNA分子在復(fù)制時(shí)雖按堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則進(jìn)行，但堿基配對(duì)偶爾也會(huì)發(fā)生錯(cuò)配的情況。一旦DNA分子中出現(xiàn)堿基錯(cuò)配，細(xì)胞就會(huì)啟動(dòng)錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)來修復(fù)，進(jìn)而減少突變的發(fā)生。這種修復(fù)方式主要是依靠細(xì)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(fù)制時(shí)，復(fù)制叉只要通過復(fù)制的起始位點(diǎn)，在DNA合成前的數(shù)分鐘，母鏈就會(huì)被甲基化。若DNA出現(xiàn)堿基錯(cuò)配，該系統(tǒng)就會(huì)通過辨別母鏈和子鏈（新合成時(shí)未被甲基化）來將子鏈切除，同時(shí)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(fù)過程中需要許多酶的參與，如：特異性修復(fù)蛋白（MutS、MutL、MutH）、核酸外切酶（ExoⅠ、ExoⅦ、ExoX、RecJ）、DNA解旋酶Ⅱ、DNA單鏈結(jié)合蛋白（SSB）及DNA連接酶等。具體過程是二聚體MutS先找到DNA錯(cuò)配位點(diǎn)，之后與之結(jié)合，隨后二聚體MutL結(jié)合上來，和MutS組成復(fù)合物（MutSL），MutSL在ATP水解提供能量的驅(qū)使下，能沿DNA雙鏈向兩方向移動(dòng)直至遇到GATC序列為止，然后MutH再與MutSL結(jié)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(jié)合蛋白的協(xié)助，直到將錯(cuò)配的堿基切除掉。

2 直接修復(fù)

直接修復(fù)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(fù)至原先形態(tài)的一種修復(fù)方式。常見的直接修復(fù)的類型有：光復(fù)活修復(fù)和暗修復(fù)。

在人教版高中生物教科書必修1中，介紹了細(xì)胞的癌變，將致癌因子主要分為三類：物理的、化學(xué)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(jià)鍵聯(lián)結(jié)形成嘧啶二聚體，或使DNA鏈斷裂、DNA分子內(nèi)或分子間交聯(lián)等，而影響DNA的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使其復(fù)制與轉(zhuǎn)錄都遭到損害。細(xì)胞對(duì)于這種損傷，會(huì)采用光復(fù)活修復(fù)的方式。光復(fù)活作用只能修復(fù)因紫外線照射而導(dǎo)致DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的嘧啶二聚體，是一種非常專一的修復(fù)方式。在其修復(fù)歷程中需光復(fù)活酶的參與。首先是光復(fù)活酶與損傷部位結(jié)合，在可見光的作用下，酶被激活而行使修復(fù)功能，修復(fù)完成后再把酶釋放。這種修復(fù)方式對(duì)植物體而言特別重要，因?yàn)楣鈴?fù)活酶廣泛存在于低等單細(xì)胞生物或植物體中，而高等生物由于缺乏光復(fù)活酶，所以采用暗修復(fù)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(jìn)行修復(fù)合成。

3 切除修復(fù)

切除修復(fù)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(fù)到正常的過程。在切除修復(fù)過程中會(huì)對(duì)DNA的多種損傷都能起到修復(fù)的作用，因此這是一種比較普遍的修復(fù)方式，可分為以下兩種方式進(jìn)行。

① 堿基切除修復(fù)，通常是DNA分子中只有單個(gè)堿基發(fā)生損傷時(shí)，所采用的方式。在細(xì)胞內(nèi)有各種DNA糖苷酶時(shí)，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(diǎn)（無嘌呤/嘧啶位點(diǎn)）。只要AP位點(diǎn)在DNA分子中形成，受到損傷的糖苷鍵就會(huì)被AP核酸內(nèi)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(xì)胞貧血癥，這種病的病因就是DNA分子中的一個(gè)堿基發(fā)生了替換，由CTT變成了CAT即一個(gè)堿基T變成A，經(jīng)轉(zhuǎn)錄和翻譯成蛋白質(zhì)后，蛋白質(zhì)多肽鏈中的個(gè)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(fù)，DNA鏈上的核苷酸受到損傷時(shí)，使雙鏈間的氫鍵不能產(chǎn)生，由此造成DNA結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形（如嘧啶二聚體的形成），此時(shí)就由該系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)。以大腸桿菌為例，參與其修復(fù)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(fù)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(dòng)同時(shí)尋找并結(jié)合在損傷部位上，隨后Uvr（A）2解體，然后UvrC辨別Uvr（A）B-DNA復(fù)合物，同時(shí)在距離損傷的堿基5′端7個(gè)核苷酸處和3′端3-4個(gè)核苷酸處切開兩個(gè)切口，最后UvrD解螺旋酶結(jié)合進(jìn)來，同時(shí)把切開的DNA片段移去，缺口位置由DNA聚合酶Ⅰ將長(zhǎng)約12的核苷酸片段填補(bǔ)進(jìn)來，再由DNA連接酶將缺口進(jìn)行連接。在真核生物中，是切在離損傷的3′端第5個(gè)磷酯鍵和5′端第24個(gè)磷酯鍵，最后再由DNA聚合酶E彌補(bǔ)空缺和DNA連接酶連接封口。

4 重組修復(fù)

重組修復(fù)是在DNA復(fù)制完成之后，再進(jìn)行修復(fù)的一種方式。即當(dāng)受到損傷的DNA未被修復(fù)時(shí)，仍能繼續(xù)進(jìn)行復(fù)制，只是在復(fù)制的過程中，遇到損傷部位時(shí)先越過，在下一個(gè)相應(yīng)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(gè)對(duì)應(yīng)于損傷部位的缺口，此時(shí)這個(gè)缺口就由DNA重組來填補(bǔ)。即從同源的DNA母鏈上，把相對(duì)應(yīng)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(chǎn)生的空缺就用再合成的序列來彌補(bǔ)。重組修復(fù)在細(xì)胞處于減數(shù)分裂和有絲分裂（S期）時(shí)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(huì)發(fā)生交叉互換，即遺傳物質(zhì)發(fā)生局部的互換，這可能會(huì)造成DNA結(jié)構(gòu)的改變。

5 SOS（應(yīng)急反應(yīng)）

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

五種修復(fù)方式不同點(diǎn)的比較見表1。

以上的五種DNA修復(fù)系統(tǒng)都廣泛的存在于生物體中，在每種系統(tǒng)修復(fù)的過程中，有些修復(fù)過程可能比較簡(jiǎn)單，可能只要一種蛋白的參與，但也可能很復(fù)雜，需要多種蛋白間的相互協(xié)調(diào)。但不論哪種修復(fù)方式，對(duì)保持DNA結(jié)構(gòu)的完整性都具有重要的意義。

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