Question

细胞通过哪几种修复系统对DNA的损伤进行修复？

Answer 1

1. DNA聚合酶的 “校正”修复
DNA复制具有非常高的精确度，平均每复制109个核苷酸，才出现一个核苷酸的差错。虽然复制是以碱基的精确互补配对为基础，但碱基配对有时仍然会出错。DNA聚合酶的 “校对”机制可不断地纠正复制过程中可能出现的差错。DNA聚合酶在复制DNA时，首先对新参与合成的核苷酸要进行筛选；其次对错误掺入的核苷酸则利用其3′→5′外切酶活性进行切除，使得DNA复制中出现配的概率大大减少。另外，DNA聚合酶5′→3′合成方向也是确保DNA复制准确的机制之一。
2.　光复活修复
光复活修复 ,也称直接修复，紫外线损伤的光复活过程是一种广泛存在的修复作用，从低等单
细胞生物到鸟类都有，但高等哺乳动物中没有。紫外线照射可能引起DNA链上两个相邻的嘧啶发生聚合反应，形成嘧啶二聚体，其中主要是胸腺嘧啶二聚体，这些二聚体能阻止DNA的复制和转录。光复活修复能够修复任何嘧啶二聚体的损伤，其修复过程为：光复活酶识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物；在300～600nm可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁酰环打开，使之完全修复；光复活酶从DNA上解离。
3.　切除修复
切除修复 是指在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤
的部分切除，并以完整的链为模板，合成切去的部分，使DNA恢复正常结构的过
程。切除修复有以下两种方式：（1）碱基切除修复 　主要修复单个碱基缺陷的损伤，即小段DNA的损伤。这是在DNA聚合酶、DNA糖苷酶 、内切酶和连接酶等参与下完成的。DNA糖
苷酶能特异性识别并将不正常的碱基水解切除，形成无碱基的AP位点,由AP核酸内切酶在AP位点附近将DNA链切开，然后外切酶切除包括 AP位点在内的DNA链，聚合酶填补单链缺口，最后连接酶将链连接。
（2）核苷酸切除修复: 当 DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成
氢键，由核苷酸切除修复系统负责进行修复。这是大段 DNA 损伤修复系统，由ATP依赖的切除核酸酶进行双切除，即在损伤部位的两侧切开磷酸二酯键，除去损伤的寡核苷酸。留下的缺
口由DNA聚合酶Ⅰ、DNA聚合酶δ或ε进行修补合成，最后由DNA连接酶连接。
4.重组修复
光复活修复和切除修复是先修复，后复制，又称为复制前修复，而重组修复是 复 制 后 修 复，是用DNA重组的方法修复DNA损伤。分三个步骤：①复制，损伤的DNA仍可复制，但复制到损伤部位时，子链就出现了缺口；②重组，从完整的母链将相应的片段移到缺口，而母链上形成缺口；③填补和连接，母链上的缺口由DNA聚合酶进行填补合成，最后由DNA连接酶连接
重组修复是DNA的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式，修复过程中，DNA 损伤并未
除去。但是，随着复制的不断进行，若干代后，损伤部分逐渐被稀释，实际上消除了损伤的影响。
5.错配修复
DNA复制是一个高保真过程，但其正确性毕竟不是绝对的，复制产物中仍会存在少数未被校出的错配碱基。错配修复是一种特殊的核苷酸切除修复，用来切除复制中新合成DNA链上的错配碱基。通过对错配碱基的修复将使复制的精确性提高102～103倍。现已在大肠杆菌、酵母和哺乳动物中都发现了错配修复系统。复制错配中的错配碱基存在于新合成的子代链中，错配修复是按模板的遗传信息来修复错配碱基的。因此，该修复系统必须有一种能在复制叉通过之后识别模板链与新合成DNA链的机制，以保证只从新合成的DNA链中去除错配碱基。原核生物主要通过对模板链的甲基化来区分新合成的DNA链，大肠杆菌通常利用腺嘌呤甲基化酶 （Dam甲基化酶）将双链DNA的5′GATC序列中的腺嘌呤N6甲基化，利用胞嘧啶甲基化酶可将5′CCAGG和5′CCTGG序列中的胞嘧啶转变为5′甲基胞嘧啶。当复制完成后，在短暂的时间内 （几秒或几分钟），只有模板链是甲基化的，而新合成的链是非甲基化的。正是子代DNA链中的这种暂时半甲基化，可以作为一种链的识别标志，以区别模板链和新合成的链，从而使存在于GATC等序列附近的复制错配将按亲代链为模板进行修复。几分钟后新合成链也将在Dam甲基化酶作用下被甲基化，从而成为全甲基化DNA。一旦两条链都被甲基化，这种错配修复过程几乎不再发生。由于甲基化DNA成为识别模板链和新合成链的基础，且错配修复发生在GATC的邻近处，故这种修复也称为甲基指导的错配修复 。真核生物的错配修复与大肠杆菌基本相似，例如哺乳动物也广泛地利用核苷酸甲基化来识别子链和亲链。
错配修复是一个非常耗能的修复过程，错配的碱基离5′GATC等序列越远，被切除的核苷酸就越多，重新合成新链消耗的dNTP就越多。碱基错配修复对DNA复制忠实性的贡献极大，DNA子链中的错配几乎完全都被修正。
6.SOS修复
SOS修复 又称差错倾向性修复。这是一种在DNA分子受到较大范围损伤并且使复制受到抑制时出现的修复机制，以SOS借喻细胞处于危急状态。DNA分子受到长片段高密度损伤，使DNA复制过程在损伤部位受到抑制。损伤诱导一种特异性较低的新DNA聚合酶和重组酶等一整套与SOS修复相关的酶。由这些特异性较低的酶继续催化损伤部位DNA的复制，复制完成后，虽然可维持基因组的完整性，提高细胞的生存概率，但保留许多错误的碱基，从而造成突变。
SOS修复广泛存在于原核生物和真核生物的细胞中，是生物体在不利环境中求得生存的应急反应。主要受recA、lexA 两个基因的控制，当DNA受损伤时生成足够量的RecA蛋白，然后RecA蛋白水解LexA蛋白而使许多与修复有关的基因激活。所有细胞都有许多修复DNA损伤的方法或途径，采用哪种途径取决于在什么情况下和产生的是什么类型的损伤。如尿嘧啶N糖基修复酶系统和错配修复系统能纠正复制的错误，光复活修复系统、切除修复系统、重组修复系统和SOS修复系统等能修复环境因素和体内化学物质造成的DNA分子损伤。DNA分子的双螺旋结构是其损伤修复的重要基础，因为DNA的互补双链可保证其一股链上的损伤
被切除后，能从另一股链上获得修复所需要的信息。