生物化學-DNA損傷與修復

每天每個細胞在代謝過程中必然會造成DNA結構損傷，此時細胞必須靠自身修復系統來修復。著色性乾皮病是第一個發現的DNA修復缺陷性遺傳病，因皮膚細胞缺乏核酸內切酶，而使日光損傷的DNA不能正常修復。

　　每天每個細胞在代謝過程中可引起的DNA 50,000~500,000 處分子損傷而造成DNA分子結構上的破壞。
　　DNA損傷因素可以分為DNA內生性損傷與DNA外生性損傷，內生性損傷(如核苷酸鹼基氧化、烷化、去氨化、水解)可影響DNA中核苷酸的結構、polymerase中隨機除錯失誤，或引起核苷酸鹼基錯誤配對(mismatch)等異常，而較為嚴重的外生性損傷以破壞DNA的二級結構(secondary structure)，如細胞在紫外線照射下，DNA會形成雙嘧啶鍵結(purimidine dimer)。就是因為這些損傷不能被polymerase自行修復，細胞必須要靠修復系統(repair system)來修復，以免基因組損傷和突變。

損傷因素	結果
紫外線	相鄰的2個嘧啶鹼基發生共價鍵結合，形成嘧啶二聚體(T-T dimer)
鹼基類似物(5-BU)	A被取代→5-BU→G
羫胺類(NH2-OH)	T→C
後壁(又稱乳突壁)	藉由 aditus 和乳突氣室相通，上部有乳突竇入口，入口下方的錐隆起的骨性突起，內有鐙骨肌
亞硝酸鹽(NO2-)	C→U
烷化劑(氮芥類)	C→GCH3(G鹼基N-7位甲基化)

DNA修復(DNA repairing)是細胞對DNA受損傷後的一種反應，讓DNA恢復原來結構。不同的DNA損傷，細胞有不同的修復反應。包括以下幾種修復：

光修復	是最早發現的DNA修復方式 光修復過程是通過DNA光解酶(photolyase)催化完成的，此酶受到 300~600nm波長的光照射就被活化，可將嘧啶二聚體分解為2個正常單體，恢復正常DNA結構。此酶存在於動植物、人體細胞中
單鏈斷裂重接	一部分可由DNA連接酶(ligase)參與而完全修復；此酶在各類生物細胞中都存在。但雙鏈斷裂缺幾乎不能修復
鹼基直接插入	DNA鏈上嘌呤的脫落，能被DNA嘌呤插入酶(insertase)識別結合，催化鹼基專一性插入，生成糖苷鍵，使DNA完全恢復
烷基的轉移	在低劑量烷化劑作用下能誘導出甲基鳥嘌呤甲基轉移酶(MGMT)的修復活性，能將甲基(-methy)從DNA鏈鳥嘌呤O6位上-methy轉移到蛋白質的半胱氨酸(cysteine)上而修復DNA
切 除 修 復 (excision repair)	切除損傷段落是以原來正確的互補鏈為範本，合成新的片段而完成修復，與重組修復不同 是細胞內DNA損傷後最重要、有效、最普遍的修復方式 對多種DNA小損傷，如鹼基脫落、嘧啶二聚體、鹼基烷基化、單鏈斷裂等都可修復 在原核生物DNA損傷研究中發現，與紫外線損傷後參與修復有關基因，其相應蛋白質分別為UvrA、UvrB、UvrC ，其中UvrA、UvrB參與辨認和結合DNA損傷部位，UvrC與切除功能有關 鹼基切除修復(Base excision-repair)過程步驟： 用DNA 糖基化酶(glycosylase)把單一個錯誤的含氮鹼基剔除→用核酸內切酶( endonuclease)切在鹼基被移除後的空位置(AP site)，移除磷酸鍵，形成nick→DNA聚合酶Ⅰ(DNA polymerase I)從nick處的3端開始修復，邊切邊補→DNA polymerase I脫掉後，DNA接合酶(DNA ligase)再將nick封好，完成反應 核苷酸(nucleotide excision-repai)切除修復過程步驟：先用核酸外切酶(excinuclease)切下數個損傷的核苷酸(nucleotides)，再經過DNA解旋酶(DNA helicase)作用，將含有損傷的部位剔除→DNA聚合酶Ⅰ把缺少的核苷酸(nucleotides)補上→DNA接合酶(DNA ligase)把gate合上 (註)   真核生物 原核生物 核酸外切酶(excinuclease) 16個polypeptides 具有多個亞單位的酶(UvrA、UvrB、UvrC) 切下鹼基數目 3端：切下從DNA損傷處開始算起的第3~5個磷酸雙酯鍵(phosphodiester)5端：切下從DNA損傷處開始算起的第21~25個磷酸雙酯鍵。總共會切下27~29個核苷酸(nucleotide)長度 3端：切下從DNA損傷處開始算起的第4~5個磷酸雙酯鍵5端：切下從DNA損傷處開始算起的第8個磷酸雙酯鍵。總共切下12~13 鹼基(bases)長度 DNA聚合酶 DNA polymerase δ/ε DNA polymeras I
重組修復	DNA複製時若發生DNA損傷，此時DNA兩條鏈已經分開，其修復則必須用DNA重組方式來修復，這與切除修復不同處 步驟：受損的DNA鏈複製時，子代DNA在損傷對應部位出現缺口→完整的另一條母鏈DNA與有缺口的子鏈DNA進行重組交換，將母鏈DNA上相應的片段填補子鏈缺口處，而母鏈DNA出現缺口→以另一條子鏈DNA為範本，經DNA聚合酶(DNA polymeras)催化，合成新的DNA片段，填補母鏈DNA的缺口→由DNA接合酶(DNA ligase)連接，完成修補 此種修復不能完全去除損傷，損傷的DNA段落仍然保留在親代DNA鏈上，修復後合成的DNA是不帶有損傷的，但經多次複製後，損傷就被沖淡了
錯配修復(Mismatch Repair)	可修正在DNA複製時鹼基錯誤配對發生在新合成股上，如一個G與A錯誤配對或重複一些鹼基，造成鹼基配對上困難。錯配修復可除去含有錯誤配對的新合成股(newly synthesized DNA strand) 參與酵素：包括MutH、MutL、MutS，其中MutH可辨識GATC 序列及接合；MutL將MutH和MutS連接起來，形成一個複合物；MutS可辨識突變的核苷酸並與之接合；SSB可保護雙股DNA 過程：藉由MutH-MutS 複合物形成DNA環狀區(DNA loop)→MutH具有GATC核酸內切酶(GATC endonuclease)活性，被啟動後可將未甲基化鏈上(unmethylated strand)的GATC序列中G的5上切一刀(nick)→用DNA螺旋酶II (DNA helicase II)將3→5DNA解開 (unwind)→核酸外切酶I(exonuclease I)將錯誤的核苷酸(nucleotides) 切掉
SOS修復又稱錯誤傾向修復(error-prone repair)	當DNA兩條鏈損傷而無法切除修復或重組修復時→核酸內切酶、外切酶的作用下使損傷處的DNA鏈空缺→損傷誘導產生SOS修復酶，催化空缺部位隨機將核苷酸補上，維持基因組的完整性→完整DNA雙鏈→提高細胞生成率 雖留下的較多錯誤，但使細胞有較高的突變率，可促進演化發生

目前已發現人類遺傳性疾病有4000多種，其中不少與DNA修復缺陷有關，如著色性乾皮病(xeroderma pigmentosum)，它是第一個發現的DNA修復缺陷性遺傳病，皮膚細胞缺乏核酸內切酶，而使日光損傷的DNA不能正常修復，因此，患者皮膚對紫外線特別敏感，容易造成皮膚色素改變，伴角化、萎縮、癌變，並常伴有神經系統障礙，智力低下等。

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