DNA修復(fù)與保護(hù)

宋雛葉

由于對(duì)生物很感興趣，我平時(shí)就非常關(guān)注生物學(xué)科方面的信息和知識(shí)。2015年的諾貝爾獎(jiǎng)揭曉后，我注意到2015年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予給了瑞典、美國(guó)、土耳其的三位科學(xué)家，以表彰他們對(duì)“細(xì)胞修復(fù)自身DNA的機(jī)制”的研究。有“豪華版諾貝爾獎(jiǎng)”之稱的“生命科學(xué)突破獎(jiǎng)”2015年頒給了六位科學(xué)家，其中美國(guó)和瑞典的兩位科學(xué)家獲獎(jiǎng)是因?yàn)閷?duì)“基因組編輯CRISPR技術(shù)”的研究。該技術(shù)基于DNA保護(hù)機(jī)制。DNA修復(fù)與保護(hù)技術(shù)為什么會(huì)受到科學(xué)界的重視呢？我?guī)е蓡?wèn)查閱了很多資料，請(qǐng)教了幾位老師，對(duì)它進(jìn)行了初步的探索和分析。

DNA分子獨(dú)特的雙螺旋，具有較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；DNA雙鏈提供精確模板，通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)能夠保證復(fù)制準(zhǔn)確進(jìn)行。怎么會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)呢？DNA如何保存自身相對(duì)穩(wěn)定？DNA受到損傷又如何修復(fù)？下面結(jié)合DNA復(fù)制、變異、基因表達(dá)等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行一些分析和探索。

一、DNA的快速?gòu)?fù)制

在細(xì)胞增殖的間期DNA復(fù)制，復(fù)制需要模板、原料、酶（解旋酶、DNA聚合酶、DNA連接酶）、ATP及適宜的溫度、pH等條件。遵循邊解旋邊復(fù)制，以解旋的兩條親代母鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則合成兩條子鏈，新合成子鏈與母鏈重新相互盤(pán)繞形成兩個(gè)完全相同的雙鏈DNA分子，表現(xiàn)為半保留復(fù)制。

研究發(fā)現(xiàn)，37℃時(shí)DNA聚合酶Ⅲ催化速率為750個(gè)核苷酸/秒，按此速率，含有245 522 847個(gè)堿基對(duì)的人1號(hào)染色體復(fù)制約需91h。而人體受精卵經(jīng)5次有絲分裂發(fā)育成含32個(gè)細(xì)胞的桑葚胚需3～4天，每個(gè)周期至少也得14 h。可見(jiàn)，若要短期內(nèi)完成DNA復(fù)制，除了提高DNA聚合酶活性外，關(guān)鍵是“DNA多起點(diǎn)雙向復(fù)制”。

（1）多起點(diǎn)雙向復(fù)制。這是真核生物DNA復(fù)制最主要的形式，從一個(gè)特定位點(diǎn)解旋得到兩條母鏈，以此作為復(fù)制模板，沿著兩個(gè)相反的方向各延伸出兩條鏈，形成1個(gè)復(fù)制泡、2個(gè)復(fù)制叉；2個(gè)起點(diǎn)則形成2個(gè)復(fù)制泡、4個(gè)復(fù)制叉……這樣可以大幅提高DNA復(fù)制速率。如圖1所示，DNA有兩個(gè)復(fù)制起點(diǎn)O₁和O₂，各形成兩個(gè)相反方向的復(fù)制叉，相當(dāng)于形成4個(gè)“工作面”，其復(fù)制速率就可達(dá)1個(gè)復(fù)制起點(diǎn)時(shí)的4倍。

（2）DNA聚合酶。DNA是由兩條反向平行的脫氧核苷酸單鏈相互盤(pán)繞而成的。DNA聚合酶只能將單個(gè)游離脫氧核苷酸通過(guò)形成3′，5′一磷酸二酯鍵連接到核苷酸鏈的3′端，換言之，DNA聚合酶只能沿5′→3′方向延伸（合成）子鏈。DNA聚合酶的這一特性使得DNA復(fù)制時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)有趣現(xiàn)象：①DNA復(fù)制需要引物，引物為長(zhǎng)度為15～30個(gè)堿基的單鏈DNA或RNA。在DNA人工合成（PCR）中需要加入人工合成的引物，如：一個(gè)DNA分子連續(xù)復(fù)制n次，需要兩種引物2ⁿ—2個(gè)，數(shù)量各半。②DNA半不連續(xù)復(fù)制。DNA是“邊解旋邊復(fù)制”的，故DNA復(fù)制時(shí)，以3′→5′鏈為模板合成的一條子鏈延伸方向?yàn)?′→3′，與復(fù)制叉移動(dòng)方向一致；而另一條以5′→3′為模板鏈合成的子鏈。延伸方向與復(fù)制叉移動(dòng)方向相反，其合成是不連續(xù)的，即先形成許多不連續(xù)的片斷（稱為岡崎片斷），再通過(guò)DNA連接酶連成一條完整的DNA鏈。見(jiàn)圖2。

DNA合成速率如此之快，復(fù)制差錯(cuò)在所難免。此外，各種高能輻射、化學(xué)試劑、病毒等物理、化學(xué)、生物因素都可能對(duì)DNA造成損傷，導(dǎo)致基因突變或染色體結(jié)構(gòu)變異。

二、DNA修復(fù)與保護(hù)

DNA在生物體內(nèi)保持穩(wěn)定，證明存在特殊的DNA修復(fù)與保護(hù)機(jī)制。

（1）重組修復(fù)。依據(jù)DNA損壞程度可分為單鏈損傷和DNA雙鏈斷裂，前者可利用雙鏈DNA中一段完整的互補(bǔ)鏈按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則修復(fù)。雙鏈斷裂的DNA則能以其同源染色體DNA為模板，通過(guò)同源重組的方式修復(fù)。

DNA雙鏈斷裂的修復(fù)較其他類(lèi)型的DNA損傷更加困難，修復(fù)不當(dāng)則可能導(dǎo)致染色體缺失、重排、易位和倒位等，從而易于形成腫瘤等疾病。真核細(xì)胞具有成對(duì)同源染色體，其DNA相應(yīng)部位具有相同遺傳信息（等位基因或相同基因）。如果一條染色體DNA部分缺失。就可以以另一條同源染色體上的DNA進(jìn)行復(fù)制和修復(fù)，當(dāng)然這種修復(fù)不可能是100%，因?yàn)橥慈旧w的兩個(gè)DNA分子的堿基序列并不完全相同，但修復(fù)之后一般可保證細(xì)胞遺傳和代謝的正常進(jìn)行，畢竟相同位點(diǎn)具有控制相對(duì)性狀的基因。

（2）端粒的保護(hù)。端粒是真核細(xì)胞染色體末端的可保護(hù)染色體的特殊結(jié)構(gòu)。正常細(xì)胞隨細(xì)胞不斷增殖，端粒逐漸縮短，當(dāng)細(xì)胞端粒縮至一定程度，細(xì)胞停止分裂。端粒酶能復(fù)制和延長(zhǎng)端粒DNA來(lái)穩(wěn)定染色體端粒DNA的長(zhǎng)度。端粒酶是由RNA和蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物，如人類(lèi)端粒由6個(gè)堿基重復(fù)序列TFAGGG和結(jié)合蛋白組成，其蛋白質(zhì)具有催化活性，能以RNA為模板，以端粒3末端為引物，合成端粒重復(fù)序列，故端粒酶屬于逆轉(zhuǎn)錄酶。

（3）限制酶的保護(hù)。限制酶能識(shí)別特定的核苷酸序列，并在每條鏈中特定部位的兩個(gè)核苷酸之間的磷酸二酯鍵進(jìn)行切割。限制酶是由細(xì)菌產(chǎn)生的，一般不切割自身的DNA分子，只切割外源DNA，其生理意義是提高自身的防御能力。

（4）CRISPR。科學(xué)家在對(duì)微生物基因組研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，病毒能把自身的基因整合到細(xì)菌，利用細(xì)菌的細(xì)胞工具為自身的基因復(fù)制服務(wù)，而細(xì)菌力圖將來(lái)自病毒的入侵基因清除，兩者共同進(jìn)化，細(xì)菌最終發(fā)展出一種CRISPR的系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，細(xì)菌可以不動(dòng)聲色地把病毒基因從自身DNA上切除，這是細(xì)菌特有的免疫系統(tǒng)。如今，CRISPR基因編輯系統(tǒng)被迅速運(yùn)用到基因敲除動(dòng)物模型的構(gòu)建之中，成為生命科學(xué)最熱門(mén)的技術(shù)。該技術(shù)實(shí)質(zhì)是“RNA干擾”，原理如圖3：病毒基因、人工轉(zhuǎn)入基因等外源性基因隨機(jī)整合到宿主細(xì)胞基因組內(nèi)，并利用宿主細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄時(shí)，常產(chǎn)生一些雙鏈RNA（dsRNA）。宿主細(xì)胞利用核酸內(nèi)切酶迅速將這些dsR-NA切割成多個(gè)約21～23個(gè)堿基對(duì)的小片段RNA（即siRNA）。siRNA在解旋酶的作用下解旋為兩條單鏈RNA，并與外源性基因表達(dá)的mRNA的同源區(qū)進(jìn)行特異性結(jié)合，最終誘發(fā)宿主細(xì)胞針對(duì)這些mRNA的降解反應(yīng)。由于dsRNA抑制基因表達(dá)具有高效性，任何導(dǎo)致正常機(jī)體dsRNA形成的情況都會(huì)引起不需要的基因不能表達(dá)（稱基因沉寂）。當(dāng)然，機(jī)體內(nèi)正常基因有效表達(dá)時(shí)，有一套嚴(yán)密防止dsRNA形成的機(jī)制。

DNA修復(fù)與保護(hù)對(duì)人類(lèi)非常重要，以上只是一些基本原理和常識(shí)，它還有很多奧妙等待我們?nèi)パ芯俊⑷ヌ剿鳌?/p>

作者單位：河南鄭州一中龍湖校區(qū)高三（1）班

（責(zé)任編輯 趙平）