以DNA为模板进行碱基配对的DNA复制是一项严格而精确的工作，但并非完全没有错误。碱基配对错误的频率约为10-1-10-2。在DNA复制酶的作用下，碱基配对错误的频率降低到约10-5-10-6。如果复制过程中出现错误的核苷酸，DNA聚合酶也会暂停催化。虽然复制过程中碱基错配的概率很低，但仍有一些错配碱基逃过了校对甚至是MMR机制的检测。当模板受损时，反式损伤合成（TLS）聚合酶的保真度很低，是自发突变的重要来源。此外，拓扑异构酶、尿嘧啶掺入等也会造成错误。

虽然大多数DNA复制的保真度相当高，但有时也会出现错误。核苷酸碱基的插入和缺失都有可能发生。此外，DNA复制过程中的自发错误可能会导致在新生合成的DNA分子中加入错误的核苷酸，造成碱基对不匹配 ^[3]。

3.1.2 水解DNA损伤

DNA的水解损伤包括单个碱基的脱氨和缺失。各种代谢产物的生化反应和过量的活性氧（ROS）都可能导致水解损伤。

● 碱基脱氨

含氨基的含氮碱基会自发脱氨基，形成C-U、A-I（次黄嘌呤和G-X（黄嘌呤）。有趣的是，单链中碱基脱氨基的频率远高于双链，因此复制、转录和重组过程中的瞬时单链状态会加剧这种损伤，并在修复突变效应之前发生。在所有碱基中，5-甲基胞嘧啶发生脱氨的频率最高，生成的G:T碱基对会通过较慢的错配修复（MMR）得到纠正。分散的CpG序列很容易受到胞嘧啶-5-甲基转移酶的影响。脊椎动物约有70%-80%的CpG胞嘧啶被甲基化。由其脱氨引起的GC→AT碱基转换占人类遗传病点突变的三分之一。

● 碱基缺失

DNA碱基缺失又称AP（嘌呤/近嘧啶）位点，其突变性特别强，如果不及时修复，会抑制转录。碱基也会丢失。大肠杆菌每代大约丢失一个嘌呤，而哺乳动物细胞每天大约丢失 10,000 个嘌呤。相对而言，嘧啶的 N-糖苷键相对稳定，丢失的概率仅为嘌呤的1/20。消旋位点不稳定，容易发生β-消除反应，导致单链断裂（SSB）。

● 碱基同分异构

DNA中四种碱基的同分异构体均可自发发生变化（例如，烯醇碱基和酮碱基之间的相互转化）。这种变化会改变碱基配对之间的氢键。腺嘌呤可以与胞嘧啶配对，胸腺嘧啶可以与鸟嘌呤配对，等等。如果这些配对在DNA复制过程中发生，就会造成子代DNA序列与亲代DNA序列不同的错误损伤。碱基具有酮和烯醇结构的自发同素异形作用，会造成碱基错配。例如，当腺嘌呤形成A=NH结构时，可形成A=C配对；当鸟嘌呤形成G-OH结构时，可形成GT三键配对。

3.1.3 细胞代谢的内源性副产物

活性氧（ROS）也会造成DNA损伤。活性氧自由基可攻击碱基上的双键，引起开环反应等，还可破坏核糖磷酸骨架，造成单链断裂。这与电离辐射类似。据估计，活性氧在哺乳动物细胞中每小时可造成2300次单链断裂。产生ROS的DNA损伤是最常见的损伤。

3.2 外源性DNA损伤

环境DNA损伤可由物理或化学来源产生。

3.2.1 物理因素

常见的物理因素主要包括电离辐射（IR）和太阳紫外线（UV）。

射线、接触放射性物质和使用放射疗法进行的医疗。它可以诱导碱基修饰、链间交联和DNA链断裂，尤其是双链断裂（DSB）。此外，红外线还会诱导形成ROS，从而进一步损伤 DNA。

来自太阳的紫外线会与DNA发生反应，主要导致两个相邻的嘧啶形成二聚体，阻碍DNA复制和转录。

红外线包括X射线、伽马射线、α和β粒子以及中子。日常生活中的红外线通常来自宇宙辐射和使用X射线或放射治疗的医疗手段。它通过产生DNA断裂，尤其是双链断裂（DSB），直接影响DNA结构。红外线还会导致活性氧（ROS）的形成，从而产生嘌呤/近嘧啶（abasic）位点、单链断裂（SSB）、糖分子修饰和脱氨基加成碱基 ^{[4] [5]}。

3.2.2 化学因素

导致DNA损伤的化学事件包括水解、接触活性氧物质(ROS)和其他活性代谢物。

作为相对常见的代谢副产物，ROS可导致单链和双链断裂、加成和交联。

导致DNA损伤的化学因素有很多。烷化剂具有活性烷基，可转移到碱基或磷酸上，如硫酸二甲酯、甲磺酸甲酯（MMS）、芥子气等。鸟嘌呤的O6和N7最容易被烷基化，导致错配（GT）或脱落。磷酸三酯不稳定，容易断裂。双官能烷基化剂可导致交联，被称为交联剂。某些烷化剂如环磷酰胺（cyclophosphamide）可用于化疗。碱基或核苷类似物，如5-氟尿嘧啶（FU）、5-溴尿嘧啶（BrdU）、6-巯基嘌呤等，可竞争性抑制核苷酸合成或结合核酸造成错配。亚硝酸盐可导致碱基脱氨，亚硝胺被氧化后产生烷化剂和自由基。还有一类化学物质叫代谢活化化合物，在肝脏混合功能氧化酶（细胞色素P450）的催化下，形成活性烷化剂或环氧化物等，与核酸相互作用，引起突变。如芳香胺、多环芳烃等。苯并芘是致癌性最强的多环芳烃之一。烟草烟雾中含有大量的芳香胺和多环芳烃。黄曲霉毒素也是一种代谢活化致癌物，其中黄曲霉毒素B1的作用最强。黄曲霉毒素B1被动扩散到细胞内后，经P-450复合物代谢为活性形式的黄曲霉毒素B1-8,9-环氧化物，然后加入鸟嘌呤N7，使糖苷键减弱，导致脱嘌呤。

4. DNA损伤与DNA变异

虽然DNA损伤和DNA突变都是DNA错误的一种，但它们之间有很大的不同。DNA损伤是DNA的物理异常，如单链和双链断裂，而突变则是DNA碱基序列的改变。DNA损伤可以被酶识别，因此，如果有多余的信息可供复制，就可以正确修复。虽然大多数DNA损伤可以进行DNA修复，但未修复的DNA损伤会在复制细胞中积累，从而导致突变。与DNA损伤不同，DNA突变一旦在两条DNA链上都出现碱基变化，酶就无法识别和修复，从而导致蛋白质功能和调节发生改变。

DNA损伤和DNA变异的主要区别在于，DNA损伤是DNA结构的改变，而DNA变异是DNA核苷酸序列的改变。此外，DNA损伤会阻止DNA复制，而突变则会改变DNA编码的遗传信息。DNA损伤和突变是DNA中发生的一组错误。此外，环境因素以及新陈代谢释放的化合物都会造成DNA损伤，而突变主要是由于DNA复制和重组过程中的错误造成的。

5. DNA损伤应答信号通路

所有活细胞都不可避免地会发生不同类型和程度的DNA损伤。为了在这些不利条件下存活下来，并将完整的遗传信息忠实地传递给下一代，细胞进化出了一种高度有序和协调的机制，即DNA损伤应答（DDR），以减轻这些基因毒性应激。

DDR是维持基因组完整性和稳定性的关键因素。DDR传感蛋白可识别受损DNA并启动一连串信号转导因子（如 ATM、ATR 或 Rad17-RFC 复合物），从而激活DDR介导因子（如丝氨酸/苏氨酸激酶 Chk1、Chk2、Cdc25 磷酸酶）。活化的 DDR介质可激活特定的蛋白质机制，触发适当的细胞反应，可能是DNA修复、细胞周期检查点激活、诱导细胞凋亡或衰老或病变耐受 ^[6-9]。这种不同的反应取决于细胞类型、损伤程度和其他因素。

图1. DNA损伤应答信号通路

图片来源：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S156878641830096X

5.1 DNA修复机制

DNA损伤修复系统的激活是DNA损伤应答的主要终点。真核细胞表现出多种DNA修复机制来处理潜在的DNA损伤 ^[10]。这些修复途径的保真度和诱变后果各不相同 ^[10]。这些机制可感知和识别所有类型的DNA损伤，暂停基因组复制，发出修复信号，并纠正或容忍DNA病变 ^[11]。不同修复机制之间几乎没有冗余。

DNA修复机制包括直接修复、碱基切除修复、核苷酸切除修复、双链断裂修复和交联修复。

5.1.1 切除修复机制

切除修复机制的目标是去除大块DNA加合物和紫外线诱导的光产物、碱基对改变和嘌呤丢失、DNA错配以及单链和双链DNA断裂。

● 核苷酸切除修复（NER）

核苷酸切除修复（NER）是用途最广的DNA修复途径，可修复多种物理和化学因素导致的DNA损伤，如紫外线辐射介导的和致癌的DNA化学加合物。NER可以切除DNA损伤的大片段。它可以修复DNA损伤的各种形式，包括6-4光产物、环丁烷嘧啶二聚体和大块加合物。

● 碱基切除修复（BER）

碱基切除修复（BER）是一种特别有助于清除小碱基修饰的机制。它可以修复氧化、脱氨基、烷基化和消旋单碱基损伤，这些损伤一般不会导致DNA螺旋发生明显扭曲。在BER途径中，DNA糖基化酶检测并消除受损碱基，形成位点，然后由AP内切酶切割，留下一个碱基间隙。DNA聚合酶和DNA连接酶进一步固定该间隙。

5.1.2 错配修复（MMR）

MMR途径可纠正碱基误配，包括碱基错配、插入和缺失。该修复系统有助于识别DNA螺旋扭曲、区分两条链并消除复制错误。通过纠正躲过复制聚合酶校对的不常见错误，它可将复制保真度提高100倍以上 ^[12-14]。

5.1.3 DNA双链断裂修复（DSBR）途径

DNA DSB是最具细胞毒性的DNA损伤。DNA DSB修复途径包括同源重组（HR）、DNA末端连接和非同源末端连接（NHEJ）。

● 同源重组（HR）

同源重组是一种精确的修复途径，需要同源DNA序列作为修复模板 ^[15]，仅限于细胞周期的S/G2期 ^[16]。HR是一个缓慢、复杂和高度精确的修复过程，涉及大量酶和蛋白质。这一途径既能修复单端和双端断裂，也能修复蛋白质阻断的末端。

● 非同源末端连接（NHEJ）

NHEJ 是一种易出错的修复途径，在大多数哺乳动物细胞中主要用于重新连接DSB。NHEJ的发生偏好于G0、G1和早期S期 ^[17-19]。它是哺乳动物细胞在DNA复制前抵御DSB的第一道防线。与HR相比，NHEJ进展迅速，而且与模板和细胞周期无关。它通常具有突变性，只能修复双端断裂，不能修复蛋白质阻断末端。NHEJ涉及断裂DNA末端的连接，不需要序列同源性。

替代性末端连接（a-EJ）途径可修复DNA双链断裂（DSB），它是通过末端切除产生3'单链来启动的。

5.2 细胞周期停滞和细胞凋亡

如果受损DNA得到及时完全修复，对细胞的影响几乎微乎其微。未修复的DNA可能编码细胞周期所需的蛋白质，从而导致细胞周期停滞。细胞周期对细胞的生长、增殖和繁殖至关重要。它最终会影响细胞的生长和存活。如果损伤过度，细胞不再消耗能量来有效修复损伤，很可能会发生凋亡或衰老。

6. DNA损伤与疾病

要在细胞中表达功能性信使核糖核酸并最终生成蛋白质，DNA 序列的准确读取是不可或缺的。此外，细胞分裂过程中忠实的DNA复制对于子细胞从母细胞继承完整的遗传物质至关重要。因此，由内在和内部因素引起的细胞DNA的各种改变会产生深远的生物学后果。虽然大多数DNA损伤可以修复，但修复系统的效率并非百分之百。未修复的DNA损伤会改变基因表达、抑制细胞分裂或导致细胞死亡 ^[20-22]。DNA 损伤在诱变和致癌过程中也扮演着重要角色。Tomasetti C及其同事发现，在17种癌症类型中发现的突变中有三分之二是DNA复制错误造成的 ^[23]。

有证据表明，核DNA（编码大多数细胞RNA和蛋白质）和线粒体DNA的损伤与衰老有关 ^[24]。

细胞DNA损伤也被证明与许多人类疾病的病因和发展有关，如色素性角化症、共济失调性脊髓侧索硬化症、布卢姆综合征和沃纳综合征。

当然，突变并不是永久的坏蛋。试想一下，如果DNA的修复功能足够完善，能够修复所有的DNA损伤，没有突变的产生，那么就不会有基因的改变，也就不会有进化的原材料。根据不同的条件，DNA损伤可以是致病性的，也可以是治疗性的。

DNA 损伤可导致基因改变，如果涉及控制细胞生长的基因，这些突变可导致癌症的发生。DNA的损伤还可能导致细胞死亡，从而给细胞所在的机体带来严重后果，例如，大脑中不可替代的神经元的丧失。受损DNA的积累也被认为是导致衰老的一些原因。

虽然人类基因组DNA的损伤经常发生，但大多数损伤都能通过各种修复机制成功修复。如果DNA病变没有得到及时修复或过于严重而无法修复，就会引发一些信号事件，导致三种不同的细胞命运，包括衰老、凋亡或癌变。

7. 与DNA损伤修复相关的重组蛋白

DNA修复涉及许多途径，其中一些涉及许多蛋白质。为了帮助研究DNA损伤和修复，j9九游会登录入口首页生物提供了一些相关的重组蛋白。

	Proteins		Proteins
Homologous Recombination	RAD51	DDR Sensors	γH2AX
	RAD52		MRN
	RAD54		RPA
	RAD55		Rad1
	RAD57		Rad9
	RAD50		Rad17
	MRE11		Hus1
	XRS2	DDR Mediators	53BP1
DDR Transducers	ATM		MDC1
	ATR		CHK1
	ATRIP		CHK2
DDR Effectors	P53		TOPBP1
			claspin

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