DNA损伤的修复类型有哪些？ 第1页

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DNA损伤主要几种修复路径如下

碱基切除修复 (Base Excision Repair, BER)

DNA糖基化酶(DNA glycosylases，原核比较常见的包括Fpg、MutY、AlkA、UDG等)识别并切除损伤部位的碱基，得到无碱基位点(Abasic Site)，再被脱嘌呤嘧啶内切酶(Apurinic/apyrimidinic endonuclease, APE)切除，引起单链断裂(single strand break)，断裂部位的5'端存在一个磷酸脱氧核糖(Deoxyribose5-phosphate, dRP)，该部位被DNA聚合酶β (DNA polymerase β, Polβ)的裂解活性(lyase activity)切除得到少一个碱基的5'磷酸和3'羟基，然后Polβ再引入一个正常的核苷酸，最后通过DNA连接酶Lig III与骨架蛋白XRCC1形成复合物将其连接得到正常的双链。以上是Short-patch BER。

通过NEIL1-3(人体内，细菌体内一般使Fpg/Nei家族) DNA糖基化酶同时裂解损伤部位的3'和5'端，得到3'和5'磷酸，再经过PNKP磷酸酶将3'磷酸变成3'羟基得到与APE1与polβ作用后相同的产物

Long-patch BER修复路径是通过DNA聚合酶的链置换合成(strand displacement synthesis)将损伤部位延续，然后通过Flap核酸酶(FEN-1)将含有损伤的一段被替换的链给切除，最后通过DNA连接酶将新产生的3'羟基和5'磷酸连接

总结如下图：

（图片来源：DOI: 10.1128/MCB.00030-16）

核酸切除修复(Nucleotide excision repair, NER)

紫外线引起的DNA损伤修复的主要路径，可以通过不同路径激活，主要方式两种，分别叫做global genome NER (GG‑NER) 和 transcription-coupled NER (TC‑NER)。一般紫外线引起的DNA损伤可以使胸腺嘧啶发生[2+2]光化学反应产生四元环二聚体或者6-4加合物，真核细胞的NER路径图解如下。

GC-NER是修复任何时期的较大DNA损伤的方式，可通过SOS应激路径激活，真核细胞一般是XPC, RAD23B, TFIIH, XPA, RPA, XPG，而原核细胞一般是UvrA~D这几个酶来修复，一系列NER修复蛋白识别并且聚集到损伤部位，然后含有损伤的双链部分发生解旋，再通过nicking endonuclease切断损伤部位附近的一小段核苷酸序列(这种核酸酶不切断双链，而只切断单链上含损伤的5'以及3'端某两个部位的磷酸键)，再经过解旋酶使切下来的片段离去，最后在DNA聚合酶以及连接酶作用下把gap给补充起来得到正常双链

TC-NER跟GC-NER的区别就是激活路径不一样，TC-NER是由RNA聚合酶在转录过程中识别损伤后暂停转录，然后再通过招募其他NER修复蛋白来修复损伤，因此TC-NER只在转录过程中发生

（图片来源：Nature Reviews Molecular Cell Biology volume 15, pages465–481(2014)）

DNA错配修复 (DNA mismatch repair, MMR)

一般是修复DNA复制中产生的错误配对

以原核细胞为例，MutS蛋白识别因为错配而发生畸变的DNA双链并与其结合，然后招募MutL以及MutH。MutH能够特异性的切断子链(因为母链上有甲基化)。然后MutL招募解旋酶其解旋，使子链错配部位周围不与母链配对，然后经过另一个核酸酶将子链的这一部分切除。最后和NER一样，被切掉的这一部分通过DNA聚合酶以及DNA连接酶修复成正确的双链

示意图如下

(图片来源：DOI: 10.1021/cr0404794)

同源介导的双链DNA修复（Homology Directed Repair，HDR）

DNA双链损伤的主要无错误的修复方式，在同源片段存在下，该模板链引导DNA发生修复，最常见的一种形式是同源重组(Homologous Recombination, HR)

同源重组示意图如下

损伤部位被激酶ATR和ATM识别，激酶能激活BRCA1，其可招募核酸外切酶MRE11将两条链损伤附近的一段序列切除，单链在重组酶RAD51作用下与临近的其他同源链(一般在姐妹染色体上)互补，相当于以同源链为模板进行DNA合成。在合成到原本的双链能够部分互补后，这条链从同源链上脱离并结合原本与其互补的另一条链上，并以其作为模板通过DNA聚合酶进行DNA合成，最后DNA连接酶形成磷酸键从而得到无损的DNA双链

(图片来源：https://doi.org/10.3390/cancers13092249)

非同源末端连接 (Non-homologous end joining, NHEJ)

双链损伤另一主要修复机制，与HDR相反，其不需要同源片段。自身免疫抗原Ku70/Ku80与损伤部位结合，招募DNA Pkcs激酶复合物，然后其招募并磷酸化激活核酸酶，然后核酸酶进行相邻片段的切除，其后DNA聚合酶以及连接酶将末端进行直接连接。这种修复机制容易引起序列的丢失、移位以及染色体重排，容易引发基因突变。

（图片来源：Nature Reviews Molecular Cell Biology volume 18, pages495–506(2017)）

微同源介导末端连接 (Microhomology-mediated end joining, MMEJ)

这种修复方式相当于是NHEJ的替代方式，在NHEJ未激活时细胞用这种方式修复DNA双链损伤。NHEJ过程中所需的蛋白Ku70-Ku80以及Rad1可以抑制MMEJ路径，当这些蛋白不再与DNA损伤部位结合时，MMEJ路径被激活，此时MRX复合物、Sae2以及Exo1通过核酸酶作用从5'至3'端切除损伤部分的序列，然后暴露出微同源序列。双链上的微同源序列互相结合，随后经过剪切修饰以及连接得到无损的DNA双链。这种情况下得到的DNA双链相比于原来的双链，微同源序列5'端被核酸酶剪掉的那段序列就缺失了。

当微同源序列之间结合不够稳定的情况下，DNA聚合酶可通过将3'端的互补序列延申，如果新得到的序列能跟原本的微同源序列稳定的结合，那么二者结合后就通过同样的剪切修饰和连接得到无损的DNA双链，然而在这种情况下得到的DNA双链，与原双链相比，缺少了一开始被核酸酶切掉的那部分，同时插入了TLS聚合酶延申的那部分序列。可见MMEJ这种修复方式是极易发生突变的。

因为现在研究发现主要是Polθ对这一路径进行修复，原因可能是Polθ能够在同源性很低(比如只有5~6个碱基配对)的情况下合成DNA，有一些文章里也把这一路径叫做TMEJ(polymerase Theta-Mediated End Joining)

(图片来源：doi:10.1016/j.tig.2008.08.007)

跨损伤合成 (Translesion Synthesis, TLS)

这种方式理解起来比较简单，就不放图了，放个参考文献大家想深入了解的话可以看看：

doi: 10.1128/ecosalplus.7.2.2

说白了就是无视DNA损伤直接进行DNA合成，原本的DNA损伤没有得到修复(从这个角度来看也许不应该认为这是一种DNA修复路径)，但是新合成的DNA是无损的。合成过程中需要特定的TLS聚合酶，比较常见的就是DNA聚合酶Y家族Pol IV以及Pol V(原核)，再加上Pol η、Pol ι、 和Pol κ(真核)，B族的一些聚合酶也可以进行TLS。这些TLS酶由于其结构对碱基配对的结合能力不够强，从而在碱基发生损伤或者变化时，这些酶还能够识别这个不一样的碱基对，但是代价是这种修复方式一般保真性比较低(特异性降低使TLS酶能够识别损伤碱基但同时也能识别错误的碱基对)。

DNA发生损伤后容易引起错配，其根本原因就是某些损伤会引起碱基配对的亲和力发生变化，以鸟嘌呤的两种损伤8-氧化鸟嘌呤(8-oxodGuo)或甲酰胺嘧啶(formamidopyrimidine，Fapy·dG)损伤为例，原本G碱基与C碱基发生配对，而发生这种损伤时，开环作用导致N7由原来的氢键受体变成了氢键给体，因此其与A碱基配对的能力大幅提高。所以TLS过程中，相比正常的G，Fapy·dG对位引入A的概率较高，发生G到T突变的概率大大增加

(图片来源：https://doi.org/10.1021/acs.biochem.5b00119)

直接反转修复(direct reversal)

最直接的修复方式，怎么产生的损伤就怎么修复回去，比如光化学损伤引起的TT二聚体，除了通过NER修复以外，还可以用光修复酶(photolyase)进行修复，这种酶有FAD，能通过光激发得到的电子让这个形成二聚体的2+2光化学反应发生逆转。

另外一个例子就是在烷基化试剂存在时引起DNA碱基的烷基化，可以通过一些烷基化转移酶(Alkyltransferases)将烷基化去除