解析DNA损伤修复与人类健康

除了部分病毒外，几乎所有生物体内都含有DNA。在真核细生物细胞中，DNA在细胞核内和线粒体内都存在。DNA在人类的生长发育过程中有着非常重要的作用。它储存了遗传信息，能够让遗传信息在生命物体中代代相传；并且DNA可指导RNA和蛋白质的合成。

DNA分子聚集在一起，在细胞中呈现双螺旋结构。大多数DNA损伤会影响DNA分子的双螺旋结构。如，碱基本身的化学性质改变，引入的原本没有的化学键或加合物，都可以破坏DNA分子原来的双螺旋结构。DNA分子的螺旋结构会进一步形成超螺旋结构，DNA分子还与蛋白质结合共同行使其生理功能。DNA分子的损伤也可能破坏超螺旋结构和改变DNA与蛋白质的相互作用。有些损伤可以造成DNA不能正常转录成RNA，进而不能翻译成蛋白质，阻断了蛋白质的生成。有些损伤可以阻断DNA复制，细胞可能因此而死亡。关键基因中的DNA损伤，会影响细胞执行其正常功能，并可能形成肿瘤。

DNA损伤与突变不同。DNA损伤指DNA物质异常，如单、双链断裂，8-羟基脱氧鸟苷和多环芳烃加合物。DNA损伤能够被酶识别，有被修复的可能。突变指DNA分子中一个碱基变成另外一个碱基，使DNA序列改变。DNA双链都突变了，酶就不能识别这种DNA分子的改变，也就不能修复。DNA损伤往往可以造成突变。

细胞内环境因素和正常的代谢过程都会导致DNA受损，每天每个细胞中受损伤的DNA分子可达1,000-1,000,000。但人类基因组大约有6亿个碱基（3亿个碱基对），这些错误分子只占0.000165%。

DNA损伤主要有两种来源：

1.内源性损伤。包括，正常生理代谢（特别是氧化脱氨过程）产生的副产物——活性氧引起的损伤，这属于自发性突变；还有，DNA复制过程中产生的错误；

2.外源性损伤。外界因素，如来自太阳照射的紫外线（UV,200-300nm）；X射线，g射线；水解或受热分解；某些植物性毒素；人造诱变化学物质，特别是芳香族化合物，可插入DNA链中；癌症化疗和放射疗法；病毒。

细胞中积累了大量的DNA损伤后，或不能有效修复DNA损伤后，细胞会进入以下状态：

1.不可逆的休眠状态，细胞衰老（senescence）；

2.细胞自杀，也叫细胞凋亡（apoptosis）或编程性死亡（programmed cell death）；

3.无限制细胞分裂状态，可引发恶性肿瘤。

DNA修复能力对维持基因组的完整性是至关重要的，DNA修复对生物体行使正常功能是必须的。许多基因起初被发现影响寿命，后来发现其与DNA损伤修复和保护DNA有关。没有修正DNA损伤的细胞，如果形成配子，就会在子代染色体中引入突变，进而影响进化速率。

有许多机制可以修复由于DNA损伤引起的遗传信息的丢失。DNA的修复机制与DNA损伤类型和DNA损伤所处的细胞周期阶段有关。总的来说，修复机制有：

1.真接反转修复：不需要模板指导。这种机制只修复单个碱基损伤的DNA，不修复DNA链磷酸二酯键骨架断裂。

2.单链损伤修复：DNA双链中一条链断裂，另一条链可做为模板，修正损伤链。包括核苷酸切除修复（NER）

3.双链损伤修复：DNA双链损伤，可通过非同源性末端接合（NHEJ），微同源性末端接合(MMEJ)和同源重组方式修复。

4.跨损伤合成：通过特殊的酶作用，允许DNA复制过程跨过损伤部位，引入了点突变。这种修复机制可能会产生比较严重的染色体畸变，或细胞死亡。这种机制提高了细胞对DNA损伤的耐受性，可以提高细胞对恶劣环境的抵抗体。

DNA修复异常，如核苷酸切除修复（NER）机制缺失，可引起着色性干皮病，对阳光过敏，易患皮肤癌和未老先衰；可得科凯恩综合症，对紫外光和化学物质过敏；可引起毛发低硫营养不良，皮肤、头发、指甲易受损。其它机制的DNA修复异常，还可引起韦耳纳综合症，早衰，生长迟缓；布卢姆氏综合症，阳光过敏，高发恶性病，易发白血病；共济失调毛细管扩张综合症，对电离辐射和某些化学物质过敏。DNA修复异常，还会引起癌症。

DNA修复的基本过程在原核生物、真核生物、病毒中都高度保守。越复杂的有机体有着越复杂的机制。化石资料显示，单细胞生物开始于前寒武纪，核酸成为唯一的，普遍的编码遗传信息的介质。地球出现富氧层，氧化磷酸化作用使细胞产生自由基，自由基具有破坏性。进化出DNA修复机制抵抗氧化引起的损伤。某种机会下，DNA损伤没有被修复，或被产生错误DNA倾向的机制作用，产生的序列与原序列不同。这样，留下的突变可能会传到子代。进化的速率在某些物种或某些基因上，就是功能突变的速率。因此，DNA修复机制的速率和准确性对于进化的进程也有影响。