DNA损伤是复制过程中发生的DNA核苷酸序列永久性改变.docx

学期作业：

DNA损伤与人类疾病

王晶晶
201100230158
临床七年制1班

一、什么是DNA损伤
DNA损伤是复制过程中发生的DNA核苷酸序列永久性改变，并导致遗传特征改变的现象。情况分为：substitutation （替换）deletion （删除）insertion （插入）exon skipping （外显子跳跃）
二、DNA损伤的原因
DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维护DNA分子的完整性对细胞至关紧要。外界环境和生物体内部的因素都经常会导致DNA分子的损伤或改变，而且与RNA及蛋白质可以在细胞内大量合成不同，一般在一个原核细胞中只有一份DNA，在真核二倍体细胞中相同的DNA也只有一对，如果DNA的损伤或遗传信息的改变不能更正，对体细胞就可能影响其功能或生存，对生殖细胞则可能影响到后代。 所以在进化过程中生物细胞所获得的修复DNA损伤的能力就显得十分重要，也是生物能保持遗传稳定性之所在。在细胞中能进行修复的生物大分子也就只有DNA，反映了DNA对生命的重要性。另一方面，在生物进化中突变又是与遗传相对立统一而普遍存在的现象，DNA分子的变化并不是全部都能被修复成原样的，正因为如此生物才会有变异、有进化。
1、物理因素引起的DNA损伤
射线引起的DNA损伤是最引人注意的。
紫外线引起的DNA损伤
DNA分子损伤最早就是从研究紫外线的效应开始的。当DNA受到最易被其吸收波长（～260nm）的紫外线照射时，主要是使同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体，相邻的两个T、或两个C、或C与T间都可以环丁基环（cyclobutane ring）连成二聚体，其中最容易形成的是TT二聚体.。
人皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每小时5× 104/细胞，但只局限在皮肤中，因为紫外线不能穿透皮肤。但微生物受紫外线照射后，就会影响其生存。紫外线照射还能引起DNA链断裂等损伤。
电离辐射引起的DNA损伤
电离辐射损伤DNA有直接和间接的效应，直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损伤，间接效应是指DNA周围其他分子（主要是水分子）吸收射线能量产生具有很高反应活性的自由基进而损伤DNA。电离辐射可导致DNA分子的多种变化：
①硷基变化 主要是由OH-自由基引起，包括DNA链上的硷基氧化修饰、过氧化物的形成、硷基环的破坏和脱落等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。
②脱氧核糖变化 脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与OH-反应，导致脱氧核糖分解，最后会引起DNA链断裂。
③DNA链断裂 这是电离辐射引起的严重损伤事件，断链数随照射剂量而增加。射线的直接和间接作用都可能使脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而致DNA链断裂。DNA双链中一条链断裂称单链断裂（single strand broken），DNA双链在同一处或相近处断裂称为双链断裂（double strand broken）。虽然单断发生频率为双断的10-20倍，但还比较容易修复；对单倍体细胞（如细菌）一次双断就是致死事件。
④交联 包括DNA链交联和DNA-蛋白质交联。同一条DNA链上或两条DNA链上的硷基间可以共价键结合，DNA与蛋白质之间也会以共价键相连，组蛋白、染色质中的非组蛋白、调控蛋白、与复制和转录有关的酶都会与DNA共价键连接。这些交联是细胞受电离辐射后在显微镜下看到的染色体畸变的分子基础，会影响细胞的功能和DNA复制。
2、化学因素引起的DNA损伤
化学因素对DNA损伤的认识最早来自对化学武器杀伤力的研究，以后对癌症化疗、化学致癌作用的研究使人们更重视突变剂或致癌剂对DNA的作用。
1、烷化剂对DNA的损伤 烷化剂是一类亲电子的化合物，很容易与生物体中大分子的亲核位点起反应。烷化剂的作用可使DNA发生各种类型的损伤：
①碱基烷基化。烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的N或O上，其中鸟嘌呤的N7和腺嘌呤的N3最容易受攻击，烷基化的嘌呤硷基配对会发生变化，例如鸟嘌呤N7被烷化后就不再与胞嘧啶配对、而改与胸腺嘧啶配对，结果会使G-C转变成A-T。
②碱基脱落。 烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落形成DNA上无硷基的位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。
③断链。DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷化，结果形成不稳定的磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断裂。
④交联。烷化剂有两类，一类是单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；另一类是双功能基烷化剂，化学武器如氮芥、硫芥等、一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂霉素等、某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此类，其两个功能基可同时使两处烷基化，结果就能造成DNA链内、DNA链间、以及DNA与蛋白质间的交联。
2、碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤 人工可以合成一些硷基类似物用作促突变剂或抗癌药物，如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氟尿嘧啶（5-FU）、2-氨基腺嘌呤（2-AP）等。由于其结构与正常的硷基相似，进入细胞能替代正常的硷基参入到DNA链中而干扰DNA复制合成，例如5-BU结构与胸腺嘧啶十分相近，在酮式结构时与A配对，却又更容易成为烯醇式结构与G配对，在DNA复制时导致A-T转换为G-C。
还有一些人工合成或环境中存在的化学物质能专一修饰DNA链上的硷基或通过影响DNA复制而改变硷基序列，例如亚硝酸盐能使C脱氨变成U，经过复制就可使DNA上的G-C变成A-T对；羟胺能使T变成C，结果是A-T改成C-G对；黄曲霉素B也能专一攻击DNA上的硷基导致序列的变化，这些都是诱发突变的化学物质或致癌剂。
三、DNA损伤的后果
突变或诱变对生物可能产生4种后果：
①致死性；
②丧失某些功能；
③改变基因型（genotype）而不改变表现型（phenotye）；
④发生了有利于物种生存的结果，使生物进化。

四、最新研究发现

1、DNA损伤与慢性肾病
通过外显子测序，Hildebrandt及其同事在斑马鱼疾病模型中研究了神纤维化和肾消耗病nephronophthisis，检测到了慢性肾病CKD的一个新致病基因FAN1。研究人员在斑马鱼疾病模型中敲除fan1，引起DNA损伤应答升高、凋亡现象和类似肾消耗症的肾囊肿。
经过查找资料发现，此前认为与慢性肾病并不相关的DNA损伤应答DDR其实也是该疾病的一个致病机制。DNA损伤是各种化学物质一起作用的结果，了解基因毒性物质在慢性肾病中的作用可能很重要
FAN1蛋白具有核酸酶活性，在范可尼贫血症DNA损伤应答DDR的通路中能对DNA链间交联ICL进行修复。研究人员发现FAN1（范可尼贫血相关核酸酶1）的突变会在慢性肾病患者中引发巨核间质肾病KIN（karyomegalic interstitial nephritis）。
研究发现携带FAN1突变个体的细胞对ICL诱导剂丝裂霉素C敏感，但与范可尼贫血症患者的细胞不同，这种细胞在二氧环丁烷处理后不会发生染色体断裂或细胞周期阻滞。野生型FAN1细胞对ICL诱导剂不敏感，但cDNA携带FAN1突变的KIN患者细胞对ICL诱导剂敏感。研究人员在在斑马鱼中敲除fan1基因，导致DNA损伤应答增加，引发了凋亡现象和肾囊肿。
2、DNA损伤与慢性阻塞性肺病
研究过程：
取20例吸烟的慢性阻塞性肺病患者、20例健康吸烟者和15例健康无吸烟者的外周血并分离淋巴细胞，用western blot测淋巴细胞热休克蛋白70水平，用彗星实验测淋巴细胞DNA损伤水平。
结果：
（1） Dna损伤积分：患病者高于健康吸烟者高于健康不吸烟者。
（2） 外周血热休克蛋白70吸光度：健康不吸烟者高于健康吸烟者高于患病者。
（3） 热休克蛋白水平70水平与DNA损伤积分呈负相关。
因此，慢性肺阻塞疾病与DNA损伤有关。