生物細胞如何修復DNA復制錯誤

A. 試說明DNA損傷的類型及其修復機制

第五章 DNA損傷與修復
一、名詞解釋
1、錯義突變 2、無義突變 3、同義突變 4、移碼突變
5、DNA的體外重組 6、限制性核酸內切酶 7、C-值
8、基因家族 9、轉座子
二、簡答題
1.誘變劑的作用機制？
2、突變類型及其遺傳效應？
3.典型的DNA重組實驗通常包括哪些步驟？
4.為什麼在DNA中通常只發現A—T和C—G鹼基配對?
5.什麼是增效與減效突變？
6.噬菌體整合到宿主基因組後4-6個宿主DNA的核苷酸被復制，這是為什麼?這與轉座子插入新位點有何相似之處?另外，兩個核苷酸從5』U3的5』和3』被切除，這意味著遺傳信息從反轉錄病毒中被丟失嗎?
7.列出病毒和非病毒超家族反轉錄轉座子之間的4種差異.
8.描述兩種轉座子引起基因組重排的方式。
9.IS元件整合到靶位點時會發生什麼?
10.一個復合轉座子和一個IS元件之間的關系是什麼?。
11.列出一個轉座子插入到一個新位點所要求的步驟.
12.當(1)DNA在兩個定向重復之間(2)DNA在兩個反向重復之間發生重組的效應各是什麼?
13.在什麼過程中會形成一個共整合體?它的結構是什麼?
14.Tn10元件只有在自己的轉座酶基因具有活性時發生轉座(與利用基因組中Tn10元件表達的轉座酶的情況正好相反)，這種偏愛的原因是什麼?
15.跳躍復制的結果是什麼?
16.重復序列並不是在選擇壓力下存在，因此能快速積累突變。這些特性表明重復序列相互間應存在很大的不同，但事實並不是這樣的。請舉例說明。
17.線檢體DNA的突變率與細胞核DNA突變率有什麼不同?為什麼?
18.簡述大腸桿菌的插入序列，並指出它們對自發突變的重要性。
19.分析比較細菌轉座子的結構與特點。

三、分析題
1.表面抗原的變異和哺乳動物免疫多樣性都是DNA重排的結果。錐蟲通過DNA重 排選擇表達所攜帶的一千多個不同的VSG基因中的一個。而哺乳動物細胞則通過 DNA重排產生成百上千個不同的抗體，包括與VSG蛋白反應的抗體，盡管抗體在數量上的優勢，錐蟲仍然能夠成功地逃避宿主的免疫系統，為什麼?

2.分析比較細菌轉座子的結構與特點。

答案：
一、名詞解釋
1、錯義突變：DNA分子中鹼基對的取代，使得mRNA的某一密碼子發生變化，由它所編碼的氨基酸就變成另一種的氨基酸，使得多肽鏈中的氨基酸順序也相應的發生改變的突變。
2、無義突變：由於鹼基對的取代，使原來可以翻譯某種氨基酸的密碼子變成了終止密碼子的突變。
3、同義突變：鹼基對的取代並不都是引起錯義突變和翻譯終止，有時雖然有鹼基被取代，但在蛋白質水平上沒有引起變化，氨基酸沒有被取代，這是因為突變後的密碼子和原來的密碼子代表同一個氨基酸的突變。
4、移碼突變：在編碼序列中，單個鹼基、數個鹼基的缺失或插入以及片段的缺失或插入等均可以使突變位點之後的三聯體密碼閱讀框發生改變，不能編碼原來的蛋白質的突變。
5、DNA的體外重組：DNA的體外重組是指含有特異目的基因的DNA片段與載體DNA在試管內連接的過程。常用的方法：1. 粘性末端連接法；2. 平末端連接法；3. 結尾法；4. 人工接頭法（linker）。
6、限制性核酸內切酶（restriction endonuclease, 內切酶）：是一類特異性地水解雙鏈（ds）的DNA的磷酸二酯酶。分Ι、II、 Ш 型。內切酶的用途： 1.製作DNA物理圖譜； 2.DNA限制性片段長度多態性分析（RFLPS）。 3.基因克隆及亞克隆； 4.DNA雜交與序列分析； 5.基因組同源性研究； 6.基因突變和化學修飾的研究。
7、C-值：通常是指一種生物單倍體基因組DNA的總量。
8、基因家族：真核生物中許多相關的基因常按功能成套組合，被稱為基因家族。
9、轉座子：是存在於染色體DNA上可自主復制和位移的基本單位。

二、簡答題
1.誘變劑的作用機制？
答：1、鹼基的類似物誘發突變2、改變DNA的化學結構3、結合到DNA分子上誘發移碼突變4、紫外線及其他射線引起的DNA分子的變化
2、突變類型及其遺傳效應？
答：1、突變類型：
A. 點突變NA大分子上一個鹼基的變異。分為轉換和顛換。
B. 缺失：一個鹼基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失。
C. 插入：一個原來沒有的鹼基或一段原來沒有的核苷酸鏈插入到DNA大分子中間。
D. 倒位NA鏈內重組，使其中一段方向倒置。
2、突變的遺傳效應：
A.遺傳密碼的改變：錯義突變、無義突變、同義突變、移碼突變
B.對mRNA剪接的影響：一是使原來的剪接位點消失；二是產生新的剪接位點。
C.蛋白質肽鏈中的片段缺失：
3.典型的DNA重組實驗通常包括哪些步驟？
a、提取供體生物的目的基因（或稱外源基因），酶接連接到另一DNA分子上（克隆載體），形成一個新的重組DNA分子。
b、將這個重組DNA分子轉入受體細胞並在受體細胞中復制保存，這個過程稱為轉化。
c、對那些吸收了重組DNA的受體細胞進行篩選和鑒定。
d、對含有重組DNA的細胞進行大量培養，檢測外援基因是否表達。
4.為什麼在DNA中通常只發現A—T和C—G鹼基配對?
答： (1)C—A配對過於龐大而不能存在於雙螺旋中； G—T鹼基對則太小，核苷酸間的空隙太大無法形成氫鍵。 (2)A和T通常有兩個氫鍵，而C和G有三個。正常情況下，可形成兩個氫鍵的鹼基不能與可形成三個氫鍵的鹼基配對。
5.什麼是增效與減效突變？
答： 順式作用的啟動子等調控序列的突變不是阻礙相對應的轉錄單元轉錄所必需的。然而，轉錄啟動的效率可能會因此而下降，相鄰基因的轉錄會減弱，這樣的突變稱為減效突變。若改變啟動子序列的突變能提高轉錄啟動的效率，則這樣的突變稱為增效突變。
6.噬菌體整合到宿主基因組後4-6個宿主DNA的核苷酸被復制，這是為什麼?這與轉座子插入新位點有何相似之處?另外，兩個核苷酸從5』U3的5』和3』被切除，這意味著遺傳信息從反轉錄病毒中被丟失嗎?
答： 由於反轉錄病毒整合酶(reboviral integase)在整合位點切開一個交錯切口造成靶位點重復。插入之後，填補切口產生重復序列。轉座酶在靶位點產生同向重復序列。病毒基因組每側兩個核苷酸的缺失並不會導致類似基因組另一端的序列的其他拷貝的丟失。
7.列出病毒和非病毒超家族反轉錄轉座子之間的4種差異.
答： 病毒超家族成員含有長末端重復序列LTR、編碼反轉錄酶或整合酶的可讀框以及內含子，但非病毒反轉錄轉座子並不含有這些序列。同樣，病毒反轉錄轉座子的整合會在靶位點產生一段4-6個核苷酸，的短重復序列，而非病毒反轉錄轉座子則產生7-21個核苷酸重復序列。
8.描述兩種轉座子引起基因組重排的方式。
答： 轉座子轉座時能夠導致宿主序列的缺失、重復或插入。另外，轉座子通過宿主重組系統導致基因組重排。
9.IS元件整合到靶位點時會發生什麼?
答： 由於在轉座子插入之前已產生一個交錯切口，而且這一交錯切口在轉座子插入後被填補，因此導致靶位點序列重復。
10.一個復合轉座子和一個IS元件之間的關系是什麼?。
答： 復合轉座子在兩個末端有IS序列
11.列出一個轉座子插入到一個新位點所要求的步驟.
答： 首先，在靶位點處產生一個交錯切口，切出轉座子。接著，轉座子與靶位點連接。最後，填補插入位點兩側的單鏈區。
12.當(1)DNA在兩個定向重復之間(2)DNA在兩個反向重復之間發生重組的效應各是什麼?
答： 同向重復序列之間的重組會導致重復序列之間DNA序列發生缺失。反向重復序列之間的重組則會使重復序列之間的DNA序列發生倒位。
13.在什麼過程中會形成一個共整合體?它的結構是什麼?
答： 在復制轉座中會形成共整合體(cointegrant)，其中含有兩個方向相同的轉座子拷貝，並由原有復制子隔開。
14.Tn10元件只有在自己的轉座酶基因具有活性時發生轉座(與利用基因組中Tn10元件表達的轉座酶的情況正好相反)，這種偏愛的原因是什麼?
答： 轉座酶一旦合成就立即與DNA牢固結合，以免擴散到基因組的其他元件中。有假說認為游離的轉座酶半衰期很短，但若與DNA結合後較為穩定。因為未結合狀態是不穩定的，所以游離的轉座酶不會擴散到其他位點。
15.跳躍復制的結果是什麼?
答： 跳躍復制產生串聯的DNA序列。比如說，小鼠27bp的重復序列跳躍復制產生54bp的重復序列，它由兩個串聯的27bp的重復序列所組成。
16.重復序列並不是在選擇壓力下存在，因此能快速積累突變。這些特性表明重復序列相互間應存在很大的不同，但事實並不是這樣的。請舉例說明。
答： 如衛星DNA的同源性是通過固定的交換來維持的，它通過不均等交換導致其中一個重復單元的增加和另一個的消失。
17.線檢體DNA的突變率與細胞核DNA突變率有什麼不同?為什麼?
答： 在哺乳動物中，線粒體DNA的突變率比核DNA的突變率高。但在植物中，線粒體DNA的突變率比核DNA的突變率低。出現這種差異的可能原因是線粒體採用不同於細胞核的DNA聚合酶和DNA修復體系。
18.簡述大腸桿菌的插入序列，並指出它們對自發突變的重要性。
答： 插入序列(IS)是可以轉座的遺傳元件，它們只插入自我復制的DNA。中，如細菌和噬菌體的染色體及質粒。大腸桿菌中，有幾種不同的IS元件，長度都是0.7—1.5kb. 每種都有特定核苷酸序列，有的編碼轉座酶，負責啟動特定IS的轉座。一般來說，每個IS的兩端都有一對短的反向重復，長約9-41bp(圖A8.1)，轉座酶似乎就是通過識別這些反向重復序列起始轉座的;也就是說，特異的轉座酶和反向重復序列對轉座都很重要。轉座的另一個性質是每個IS的兩端都與宿主DNA的短正向重復序列(3—13bp)相連；這是宿主DNA上的靶位點，在轉座過程中該位點被復制。轉座時，IS向基因組中新的位置隨機地移動。通常，它插入一個結構基因產生突變表型，有時是因為編碼序列受到阻斷，有時則因為IS元件含有多種轉錄或翻譯的終止信號。另外,IS賜可插入操縱子的操縱基因-啟動子區域，導致整個操縱子被關閉，但偶爾操縱子的表達也會變為組成型。當IS含有一個正確定向的啟動子時，可以轉錄細菌操縱子.因為這個啟動子不受調節細菌操縱子的正常調控蛋白調控，產生的效果類似於操縱基因組成型突變。所以，IS元件的轉座是自發突變的一個重要來源。必須意識到這些突變不能被鹼基類似物或移碼突變誘變劑誘導和回復。大腸桿菌中有幾種不同的IS元件，拷貝數在1—5。
19.分析比較細菌轉座子的結構與特點。
答： 1974年，隨著發現與抗生素抗性有關的基因可以在質粒與細菌的染色體之間轉移，科學家發現了轉座子。轉座子比IS元件大很多(一般為2—20kb)，它們至少含有一個基因，給宿主帶來可遺傳的標記，一般是對一種或多種抗生素的抗性。這是一種非常有用的性質，因為每種質粒可以用一種轉座子「標記」，這樣通過對葯物的抗性表型可以簡單地檢測質粒的存在和轉移；同樣，可以輕易地觀察到轉座。轉座子Tn5(圖A8.2)長5.7kb，是一種結構最簡單的轉座子;它由三個成分組裝而成：一個長中心區(2—7kb)，含有卡那黴素的抗性基因，兩端為一對IS元件，每個長1.5kb，方向相反。其他的轉座．子兩端為不同的IS元件，有時兩個IS同向。這些轉座子的轉座類似IS元件，轉座過程中宿主的一個序列或DNA靶位點被復制。發生轉座首先是因為任意一個IS序列或兩個IS序列同時起作用，編碼一個轉座酶(在某些元件中，如Tn5，一個IS只有部分功能，不能編碼一個有活性的轉座酶);其次，轉座子兩端通常有一對與IS特異相應的反向重復序列：無論IS元件是正向還是反向的，這些末端重復序列都存在。 還有一種可能性：任一對IS元件可以相互作用使它們之間的任意序列轉座，這樣任一個基因都可以在兩端連上兩個同樣的IS元件成為轉座子;這個性質已被用構建重組DNA分子。 Tn5因為其組件的組成被稱為集成轉座子。其他轉座子，如復雜的轉座子的結構是不同的；它們兩端不是一對IS而是一對反向重復，編碼轉座所需蛋白的基因位於轉座子的中心區。

三、分析題
1.表面抗原的變異和哺乳動物免疫多樣性都是DNA重排的結果。錐蟲通過DNA重 排選擇表達所攜帶的一千多個不同的VSG基因中的一個。而哺乳動物細胞則通過 DNA重排產生成百上千個不同的抗體，包括與VSG蛋白反應的抗體，盡管抗體在數量上的優勢，錐蟲仍然能夠成功地逃避宿主的免疫系統，為什麼?
答： 錐蟲因為細胞分裂周期短而取勝。當錐蟲感染哺乳動物時，它在血流中以快速的倍增時間復制。在感染開始後不久，識別錐蟲VSG的B細胞從休眠狀態被激活並開始膨大，而哺乳動物細胞的分裂比錐蟲慢得多。當B細胞膨大到足以殺死錐蟲時，一些錐蟲的VSG已經發生了改變，使B細胞不再能識別它。這樣就起始了新一輪的感染，直到免疫系統能識別它時就已改變成能逃得過免疫系統的變體，於是又開始了新的循環。

2.分析比較細菌轉座子的結構與特點。
答： 1974年，隨著發現與抗生素抗性有關的基因可以在質粒與細菌的染色體之間轉移，科學家發現了轉座子。轉座子比IS元件大很多(一般為2—20kb)，它們至少含有一個基因，給宿主帶來可遺傳的標記，一般是對一種或多種抗生素的抗性。 這是一種非常有用的性質，因為每種質粒可以用一種轉座子「標記」，這樣通過對葯物的抗性表型可以簡單地檢測質粒的存在和轉移；同樣，可以輕易地觀察到轉座。轉座子Tn5(圖A8.2)長5.7kb，是一種結構最簡單的轉座子;它由三個成分組裝而成：一個長中心區(2—7kb)，含有卡那黴素的抗性基因，兩端為一對IS元件，每個長1.5kb，方向相反。其他的轉座．子兩端為不同的IS元件，有時兩個IS同向。這些轉座子的轉座類似IS元件，轉座過程中宿主的一個序列或DNA靶位點被復制。發生轉座首先是因為任意一個IS序列或兩個IS序列同時起作用，編碼一個轉座酶(在某些元件中，如Tn5，一個IS只有部分功能，不能編碼一個有活性的轉座酶);其次，轉座子兩端通常有一對與IS特異相應的反向重復序列：無論IS元件是正向還是反向的，這些末端重復序列都存在。 還有一種可能性：任一對IS元件可以相互作用使它們之間的任意序列轉座，這樣任一個基因都可以在兩端連上兩個同樣的IS元件成為轉座子;這個性質已被用構建重組DNA分子。 Tn5因為其組件的組成被稱為集成轉座子。其他轉座子，如復雜的轉座子的結構是不同的；它們兩端不是一對IS而是一對反向重復，編碼轉座所需蛋白的基因位於轉座子的中心區。

B. DNA 復制過程中錯配修復的機制是什麼

它的基本原理是MMR基因保證了DNA復制的高度保真,一旦MMR基因發生突變或啟動子甲基化引起錯配修復基因失活,導致機體錯配修復功能的降低,進而導致整個基因組的不穩定,。

錯配修復基因是在遺傳性非息肉性大腸癌（HNPPC）中分離到的一組遺傳易感基因，該系統任一基因突變，都會導致細胞錯配修復功能缺陷，結果產生遺傳不穩定，表現為復制錯誤或微衛星不穩定，因而容易發生腫瘤。

在現存細胞內的DNA修復機制中，由DNA損害斷裂的程度可以分為兩種類型，一種是單股損害，另一種則是DNA雙股斷裂。前者修復機制通常需要藉助其對應的另一股當模版(template)，而後者在缺乏另一股序列當模版的情況下。

則是轉而透過同源的染色體(homologous chromosome)序列或姊妹染色分體(sister chromatid)來尋求支持。(在高等生物中，有時候DNA雙股斷裂的修復有時候有可能無須任何序列當模版，而徑行將斷裂部分直接接合，然而這種DNA修復方式可能隱含錯誤的機率(error-prone)。

(2)生物細胞如何修復DNA復制錯誤擴展閱讀

錯配修復系統在復制的過程中，就開始矯正剛復制的DNA雙鏈了。DNA復制過程中，模板鏈的GATC序列的A的N6位置發生甲基化，靠近復制叉處甲基化程度最小。所以新合成的DNA雙鏈分子處於半甲基化狀態，錯配修復系統正利用這一原理，以模板鏈的鹼基位模板，外切子鏈的錯配核苷酸。

原核生物比如大腸桿菌的錯配修復系統是由Mut基因編碼的Mut S，Mut H和Mut L蛋白，其中Mut S和Mut L，每個蛋白重復一次，形成四聚體Mut SL，在DNA上滑動，如果遇到鹼基對錯配引起的隆起，就會停留，開始把兩邊的DNA雙鏈拉扯，成環，直到識別到GATC序列，如果A的N6發生甲基化，說明是母鏈，不切除。

而如果GATC的A沒有甲基化，說明是子鏈，Mut H就會結合在Mut SL上。Mut H有核酸內切酶活性，在GATC序列的5』端，再由DNase I發揮外切酶活性，把Mut SL四聚體擰出的環全部切除，再DNA POL III和DNA連接酶重新填補。

真核生物比如人類，與Mut gene對應的編碼基因是hMSH2和hMLH1，對應Mut S和Mut L，其餘過程也相同，詳細基因編碼產物見錯配修復基因。

C. dna的損傷是怎樣修復的其修復的生物學意義是什麼

1. 直接修復 1949年已發現光復活現象，可見光（最有效400nm）可激活光復活酶，此酶能分解由於紫外線形成的嘧啶二聚體。高等哺乳動物沒有此酶。

2. 2.切除修復 在一系列酶的作用下，將DNA分子中受損傷部分切除，並以完整的那一條鏈為模板，合成出切去部分，DNA恢復正常結構。

3. 3.結構缺陷的修復： （1）核酸內切酶識別DNA損傷部位，在其附近將其切開。 （2）核酸外切酶切除損傷的DNA。 （3）DNA聚合酶修復。 （4）DNA連接酶連接。

4. 4.無嘌呤無嘧啶——鹼基缺陷或錯配——脫鹼基（N-糖苷酶）： 甲基磺酸甲酯可使鳥嘌呤第7位氮原子烷基化，活化β-糖苷鍵，造成脫嘌呤作用；酸也能使DNA脫嘌呤。 DNA復制時，DNA聚合酶對dTTP和dUTP分辨力不高，有少量dUTP摻入DNA鏈。細胞中的尿嘧啶-N-糖苷酶可以切掉尿嘧啶。腺嘌呤脫氨形成次黃嘌呤時也可以被次黃嘌呤-N-糖苷酶切掉次黃嘌呤。對於無嘌呤無嘧啶的損傷有兩種修復方法： （1）AP核酸內切酶切開，核酸外切酶切除，DNA聚合酶修復，DNA連接酶連接。 （2）插入酶插入正確鹼基。

5. 5.重組修復 切除修復發生在DNA復制之前，而當DNA發動復制時尚未修復的損傷部位，可以先復制，再重組修復。 在重組修復過程中，DNA鏈的損傷並未除去。 重組修復至少需要4種酶組分。重組基因recA編碼一種分子量為40000的蛋白質，它具有交換DNA鏈的活力。RecA蛋白被認為在DNA重組和重組修復中均起關鍵作用。recB、recC基因分別編碼核酸外切酶V的兩個亞基。此外，修復合成還需要DNA聚合酶和連接酶。

6. 6.易錯修復和應急反應（SOS反應） 誘導修復是細胞DNA受到嚴重損傷或DNA復制系統受到抑制的緊急情況下，為求得生存而出現的一系列誘導性修復。 SOS反應誘導的修復系統包括避免差錯的修復（無差錯修復）和易錯的修復。 避免差錯的修復：SOS反應能誘導光復活切除修復和重組修復中某些關鍵酶和蛋白質的產生，從而加強光復活切除修復和重組修復的能力，這屬於避免差錯的修復。  易錯的修復：SOS反應還能誘導產生缺乏校對功能的DNA聚合酶，它能在DNA損傷部位進行復制而避免了死亡，可是卻帶來了高的突變率，這屬於易錯的修復。  SOS反應是由RecA蛋白和LexA阻遏物相互作用引起的。RecA蛋白不僅在同源重組中起重要作用，而且它也是SOS反應的最初發動因子。在有單鏈DNA和ATP存在時，RecA蛋白被激活而表現出蛋白水解酶的活力，它能分解λ噬菌體的阻遏蛋白和LexA蛋白。LexA蛋白（22Kd）許多基因的阻遏物，當它被RecA的蛋白水解酶分解後就可以使一系列基因得到表達其中包括紫外線損傷的修復基因uvrA、uvrB、uvrC（分別編碼核酸內切酶的亞基）以及recA和lexA基因本身，還有單鏈結合蛋白基因ssb，與λ噬菌體DNA整合有關的基因himA、與誘變作用有關的基因umuDC，與細胞分裂有關的基因sulA，ruv，和lon，以及一些功能不清楚的基因dinA，B，D，F等。 

   DNA的修復機制對保證遺傳信息在傳遞過程中的忠實性，連續性具有重要的意義。

D. 我們人體是如何自動修復體內DNA的損傷的

在你的一個細胞里的DNA，每天都受到上萬次的破壞。乘以你身體中數以百萬億的細胞，每天你將得到百萬的三次方的DNA錯誤。

並且因為DNA為你身體所需的蛋白質，提供藍圖，（DNA的）破壞會造成嚴重的後果，比如患上癌症。

DNA修復中的錯誤，與過早衰老和許多種的癌症有關。

所以如果你在尋找「青春之泉」，它已經在你的細胞中了，每日數十億倍地不停運行著。

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E. DNA復制出錯後是怎麼發現並修復的

DNA是生物遺傳信息的主要載體，其穩定性對於維持生物的機體健康具有至關重要的意義。在細胞的生命過程中，許多內源性因素如鹼基的氧化、脫胺和外源性因素如紫外線、電離輻射、致癌化合物等都會導致DNA損傷。按照修復的途徑，可將DNA損傷劃分為DNA雙鏈損傷（包括NHEJ和HR兩個修復途徑）、鹼基切除修復、核苷酸切除修復、錯配修復等途徑。有意思的是細胞在修復損傷時不會只調動一個孤立的修復途徑，這些途徑之間相互調控和輔助，共同維護遺傳信息的穩定性。
DNA雙鏈損傷（DNA Double-Strand Break）是危害最大的一類DNA損傷，能夠造成DNA雙鏈損傷的事件如離子輻射（IR）和拓撲異構酶抑制劑，也被廣泛的運用於癌症治療。其他類型的DNA損傷能直接或者間接的造成DNA雙鏈損傷，例如細胞復制過程中，復制叉進行到DNA單鏈損傷或者鏈間交聯處，會進一步產生DNA雙鏈損傷。這種效應在腫瘤治療中發揮重要作用，因為很多化療葯物的殺傷機制就是通過其造成的DNA原始損傷發展為DNA雙鏈損傷後，對細胞進行殺傷。DNA雙鏈損傷的主要修復途徑是非同源重組末端連接（NHEJ）和同源重組（HR）。NHEJ修復途徑由DNA-PKcs調控激活，在任何細胞周期時段均可進行，但其不能保證修復結果的准確性；HR則是由ATM調控，只在有姐妹染色單體解固縮的S期和G2期才能進行的精確修復方式。HR是較低等的真核生物修復雙鏈損傷的主要途徑，而NHEJ是哺乳動物細胞修復的主要方式。但HR在修復細胞周期S期復制叉崩潰和鏈間交聯造成的雙鏈損傷發揮極其重要的作用。

F. DNA損傷的修復方式有哪些

1、光修復：

指細胞在酶的作用下，直接將損傷的DNA進行修復。修復是由細菌中的DNA光解酶完成，此酶能特異性識別紫外線造成的核酸鏈上相鄰嘧啶共價結合的二聚體，並與其結合，這步反應不需要光；

結合後如受300-600nm波長的光照射，則此酶就被激活，將二聚體分解為兩個正常的嘧啶單體，然後酶從DNA鏈上釋放，DNA恢復正常結構。

2、切除修復：

（1）細胞內有多種特異的核酸內切酶，可識別DNA的損傷部位，在其附近將DNA單鏈切開，再由外切酶將損傷鏈切除，由聚合酶以完整鏈為模板進行修復合成，最後有連接酶封口；

（2）鹼基脫氨形成的尿嘧啶、黃嘌呤和次黃嘌呤可被專一的N-糖苷酶切除，然後用AP核酸內切酶打開磷酸二酯鍵，進行切除修復。DNA合成時消耗NADPH合成胸腺嘧啶，可與胞嘧啶脫氨形成的尿嘧啶相區別，提高復制的忠實性。RNA是不修復的，所以採用「廉價」的尿嘧啶；

（3）切除修復不需光照，也稱暗修復。大腸桿菌中有UvrABC系統，可切除修復嘧啶二聚體。人體缺乏相應系統則發生「著色性干皮病」，皮膚乾燥，有色素沉著，易患皮膚癌。可加入T4內切酶治療。

3、誘導修復：

DNA嚴重損傷能引起一系列復雜的誘導效應，稱為應急反應，包括修復效應、誘變效應、分裂抑制及溶原菌釋放噬菌體等。細胞癌變也可能與應急反應有關。應急反應誘導切除和重組修復酶系，還誘導產生缺乏校對功能的DNA聚合酶，加快修復，避免死亡，但提高了變異率。

單鏈DNA誘導重組蛋白A，可水解Lex A蛋白，使一系列基因得到表達，如RecA、UvrABC、SOS修復所需的酶等，產生應急反應。應急反應可作為致癌物的簡易檢測方法。採用缺乏修復系統、膜透性高的E.coli突變株，並添加鼠肝勻漿液。

(6)生物細胞如何修復DNA復制錯誤擴展閱讀：

DNA損傷的原因：

DNA存儲著生物體賴以生存和繁衍的遺傳信息，因此維護DNA分子的完整性對細胞至關緊要。外界環境和生物體內部的因素都經常會導致DNA分子的損傷或改變，而且與RNA及蛋白質可以在細胞內大量合成不同，一般在一個原核細胞中只有一份DNA，

在真核二倍體細胞中相同的DNA也只有一對，如果DNA的損傷或遺傳信息的改變不能更正，對體細胞就可能影響其功能或生存，對生殖細胞則可能影響到後代。

參考資料來源：網路-DNA修復

G. DNA 復制出錯後是怎麼發現並修復的即 DNA 損傷的修復機制

光復活DNA損傷修復（repairofDNAdamage）在多種酶的作用下,生物細胞內的DNA分子受到損傷以後恢復結構的現象.DNA損傷修復的研究有助於了解基因突變機制,衰老和癌變的原因,還可應用於環境致癌因子的檢測.簡史1949年A．凱爾納偶然發現灰色鏈絲菌等微生物經紫外線（UV）照射後如果立即暴露在可見光下則可減少死亡.此後在大量的微生物實驗中都發現了這種現象,並證明這是許多種微生物固有的DNA損傷修復功能,並把這一修復功能稱為光復活.1958年R．L．希爾證明即使不經可見光的照射,大腸桿菌也能修復它的由紫外線所造成的DNA損傷,而後又證明其他微生物也有這種功能,當時就把這種修復功能稱為暗復活或暗修復.此後發現暗修復普遍地存在於原核生物、低等真核生物、高等真核生物的兩棲類乃至哺乳動物中,並證實暗修復包括切除修復和復制後修復兩種.1968年美國學者J．E．克利弗首先發現人類中的常染色體隱性遺傳的光化癌變疾病——著色性干皮病（XP）是由基因突變造成的DNA損傷切除修復功能的缺陷引起的.這一發現為惡性腫瘤的發生機理提供了一個重要的分子生物學證據,也使DNA損傷修復的研究進入了醫學領域.可參考4329_SR.ehmc

H. 哪些因素能引起DNA損傷生物機體是如何修復的

一、定義：DNA損傷是復制過程中發生的DNA核苷酸序列永久性改變，並導致遺傳特徵改變的現象。情況分為：substitutation （替換）deletion （刪除）insertion （插入）exon skipping （外顯子跳躍）。
二、原因：
1.DNA分子的自發損傷：DNA復制過程中發生的錯配、鹼基的脫氨基作用、鹼基的丟失（脫嘌呤與脫嘧啶）、活性氧引起的鹼基修飾與鏈斷裂
2.物理因素：紫外線、電離輻射、X射線
3.特殊物質引起的損傷：鹼基類似物、修飾劑、烷基劑、嵌合劑、黃麴黴素
三、修復：
1、光復活：又稱光逆轉。這是在可見光（波長3000～6000埃）照射下由光復活酶識別並作用於二聚體，利用光所提供的能量使環丁醯環打開而完成的修復過程 (圖2)。光復活酶已在細菌、酵母菌、原生動物、藻類、蛙、鳥類、哺乳動物中的有袋類和高等哺乳類及人類的淋巴細胞和皮膚成纖維細胞中發現。這種修復功能雖然普遍存在，但主要是低等生物的一種修復方式，隨著生物的進化，它所起的作用也隨之削弱。
光復活過程並不是PR酶吸收可見光，而是PR酶先與DNA鏈上的胸腺嘧啶二聚體結合成復合物，這種復合物以某種方式吸收可見光，並利用光能切斷胸腺嘧啶二聚體間的C-C鍵，胸腺嘧啶二聚體變成單體，PR酶就從DNA上解離下來。
2、切除修復：又稱切補修復。最初在大腸桿菌中發現，包括一系列復雜的酶促DNA修補復制過程,主要有以下幾個階段：核酸內切酶識別DNA損傷部位，並在5'端作一切口，再在外切酶的作用下從5'端到3'端方向切除損傷；然後在 DNA多聚酶的作用下以損傷處相對應的互補鏈為模板合成新的 DNA單鏈片斷以填補切除後留下的空隙；最後再在連接酶的作用下將新合成的單鏈片斷與原有的單鏈以磷酸二酯鏈相接而完成修復過程。
3、重組修復：重組修復從 DNA分子的半保留復制開始，在嘧啶二聚體相對應的位置上因復制不能正常進行而出現空缺,在大腸桿菌中已經證實這一DNA損傷誘導產生了重組蛋白,在重組蛋白的作用下母鏈和子鏈發生重組,重組後原來母鏈中的缺口可以通過DNA多聚酶的作用,以對側子鏈為模板合成單鏈DNA片斷來填補,最後也同樣地在連接酶的作用下以磷酸二脂鍵連接新舊鏈而完成修復過程。重組修復也是嚙齒動物主要的修復方式。重組修復與切除修復的最大區別在於前者不須立即從親代的DNA分子中去除受損傷的部分,卻能保證DNA復制繼續進行。原母鏈中遺留的損傷部分,可以在下一個細胞周期中再以切除修復方式去完成修復。
4、SOS修復系統：是SOS反應的一種功能。SOS反應是DNA受到損傷或脫氧核糖核酸的復制受阻時的一種誘導反應。在大腸桿菌中,這種反應由recA-lexA系統調控。正常情況下處於不活動狀態。當有誘導信號如 DNA損傷或復制受阻形成暴露的單鏈時，recA蛋白的蛋白酶活力就會被激活，分解阻遏物lexA蛋白,使SOS反應有關的基因去阻遏而先後開放,產生一系列細胞效應。引起SOS反應的信號消除後，recA蛋白的蛋白酶活力喪失，lexA蛋白又重新發揮阻遏作用。

I. dna的復制修復過程是怎麼樣的

DNA復制，首先在解旋酶的作用下將DNA雙鏈解開作為母鏈，以母鏈為模板，以游離的脫氧核苷酸為原料合成新的子鏈，母鏈和對應子鏈形成新DNA。

J. DNA損傷與修復

        突變與癌症的發生均包含細胞DNA損傷過程。人類細胞中的DNA每天都會由於外部（外源）和內部（內源）的代謝進程而遭受成千上百次損傷。細胞基因組的改變可能導致DNA轉錄過程出現錯誤，進而通過翻譯過程影響到信號轉導和細胞功能必需的蛋白質。如果有絲分裂之前這些基因組突變尚未完成修復，則還會進一步遺傳給子代細胞。一旦細胞喪失了有效修復DNA損傷的能力，就可能發生三種反應：細胞衰老、細胞凋亡和細胞癌變（ 圖1 ）。細胞可能會衰老，即進入不可逆的休眠狀態。2005年，多家實驗室報道癌症細胞在體內和體外均會發生衰老現象，停止有絲分裂，阻止細胞進一步演化。細胞可能發生凋亡。DNA損傷達到一定程度,就可能觸發一條凋亡信號轉導通路，迫使細胞進入程序性細胞死亡過程。細胞可能會惡變，即出現永生化的性質並開始不受控制地分裂。

        為了代償細胞內可能發生的不同程度和類型的DNA損傷，細胞發展出多種不同的修復機制，包括錯配、鹼基切除，以及核苷酸切除修復機制。不同修復機制之間很少出現冗餘處理。如果出現損傷過度，細胞就不再耗費能量來有效修復損傷之處，而很可能發展為凋亡或衰老。細胞能夠有效修復的比例與細胞類型和細胞年齡等因素息息相關。

多年來，外源性損傷一直被認為是致癌DNA突變的首要來源。不過，Jackson與Loeb提出內源性DNA損傷也可能是致癌突變的重要來源 5  。來自環境與細胞的誘因均可導致相似類別的DNA損傷。

DNA會受到物理與化學誘變劑的影響。物理誘變劑主要源自各種放射源，其中包括太陽的紫外線（200-300 nm波長）。紫外線會生成共價鍵，將DNA鏈中相鄰的嘧啶（胞嘧啶與胸腺嘧啶）鹼基交聯起來。電離射線（X射線）會在細胞中產生自由基，這些自由基會製造活性氧（ROS）並導致雙螺旋中的單鏈或雙鏈斷裂，從而引發DNA突變。化學誘變劑能夠攻擊DNA鹼基上共價結合的烷基基團；能夠促使DNA鹼基發生甲基化或乙基化反應的氮芥類化合物即是DNA烷化劑的一個實例。前致癌物為一類化學惰性的前體物質，能夠通過代謝反應轉化為具有高度活性的致癌劑。這些致癌劑能夠與DNA發生反應，形成DNA絡合物，即附著在DNA之上的化學實體。苯並芘為一類多芳烴的雜環類物質，本身並非致癌物。但它可通過由細胞色素P450酶介導的兩個連續氧化反應，生成苯並芘二醇環氧化物（BPDE），後者則是一種致癌代謝物，能夠介導共價DNA絡合物的形成（ 圖2 ）。

        內源代謝和生化反應也可能造成DNA損傷，但人們對其中的一些機制還知之甚少 6 。水解反應可能部分或徹底切割DNA鏈上的核苷酸鹼基。連接嘌呤鹼基（腺嘌呤或鳥嘌呤）與脫氧核糖磷酸鏈的化學鍵可能在脫嘌呤過程中自發斷裂。哺乳動物細胞中每天發生約10000次脫嘌呤活動 7 。脫嘧啶活動（在胸腺嘧啶或胞嘧啶的位置丟失嘧啶類鹼基）也可能發生，但頻率要比脫嘌呤活動低20~100倍。

        細胞中也會發生脫氨作用，即腺嘌呤、鳥嘌呤與胞嘧啶環上的氨基丟失，分別形成次黃嘌呤、黃嘌呤與尿嘧啶。DNA修復酶能夠識別和糾正這些非天然的鹼基，但未被糾正的尿嘧啶鹼基在後續的DNA復制過程中可能會被誤讀為胸腺嘧啶，隨之形成C→T點突變。

        在細胞內，與S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的反應可以介導DNA甲基化。SAM是一類細胞內代謝中間體，包含一個具有高度活性的甲基基團。在哺乳動物細胞中，甲基化發生在胞嘧啶鹼基的胞嘧啶環5號位置上，進而形成了一個鳥嘌呤鹼基，即序列CpG。突變錯誤的一個重要來源是甲基化產物5-甲基胞嘧啶的自發脫氨基作用。氨基丟失導致形成胸腺嘧啶鹼基，從而無法被DNA修復酶識別為異常鹼基。這一鹼基置換作用在DNA復制過程中被保留，形成C→T點突變（參見 圖3 ）。

        正常的代謝進程會生成活性氧（ROS），後者會通過氧化作用修飾DNA鹼基。嘌呤與嘧啶類鹼基均會受到氧化作用的影響，最為常見的突變是鳥嘌呤被氧化為8-氧代-7,8-二氫鳥嘌呤，形成8-氧代脫氧鳥苷（8-oxo-dG）。8-oxo-dG能夠與脫氧腺苷而非預期的脫氧胞苷相配對。如果這一錯誤未被錯配修復酶識別並糾正，則隨後復制出的DNA產物就會包含一個C→A點突變。ROS也可能會介導脫嘌呤、脫嘧啶作用以及DNA單/雙鏈的斷裂。

在細胞周期S期，DNA復制過程中還可能引入其他類型的基因組突變。復制模板DNA的聚合酶有少量但不可忽視的錯誤率，會將錯誤鹼基按照沃森-克里克配對原則整合進合成鏈中，與模板DNA相配。化學上發生改變的核苷酸前體也可能被聚合酶整合進入DNA合成鏈，代替正常鹼基。此外，聚合酶在復制含有大量重復核苷酸或重復序列（微衛星區域）的DNA區段時，容易發生「打滑（stuttering）」現象。這一「打滑」的酶學現象是由於鏈之間發生滑動所致，此時模板與復制鏈之間可能出現的滑動會導致兩者之間難於對准。其結果是聚合酶不能准確插入模板DNA指定數量的核苷酸，導致子鏈中的核苷酸過多或過少。

單鏈與雙鏈DNA可能發生斷裂。單鏈斷裂可能由DNA脫氧核糖磷酸酯鏈上的脫氧核糖基團損傷引起。斷裂也可能發生在鹼基切除修復途徑中AP-內切酶1去除脫氧核糖磷酸基團之後的一個中間步驟 8 。發生單鏈斷裂後，核苷酸鹼基與脫氧核糖骨架都會從DNA結構中丟失。雙鏈斷裂經常出現在細胞通過S期傳代過程中，此時DNA發生解螺旋並成為復制的模板，因此更容易發生斷裂。

DNA修復機制

當細胞有能力進入凋亡或衰老狀態時，這些細胞活動都可視為細胞做出的最後調整。對於任一種類的DNA損傷而言，細胞都進化出特定的方法來針對性地修復，或清除損傷類化合物。

O6-甲基化鳥嘌呤DNA甲基轉移酶（MGMT；DNA烷基轉移酶）能夠從DNA的鳥嘌呤鹼基結構上剪切甲基和乙基加合物。這一反應並非催化（酶學）反應，而是化學計量（化學的）反應，每去除一個加合物，就消耗一個MGMT分子。經過基因工程改造而過表達MGMT的細胞對於癌症具有更強的耐受性，這很可能是因為它們能夠消除大量的烷化損傷。Niture等人最近的一篇研究表明，使用半胱氨酸/谷胱甘肽促進葯物與天然抗氧化劑可提升MGMT的表達水平 9 。

        聚合酶-δ等含有校正活性的DNA聚合酶主要參與復制易錯性修復。當檢測到錯誤時，這些酶會暫停DNA的復制過程，回頭去除DNA子鏈上的核苷酸，直至錯誤摻入的核苷酸消除後，再重新開始正向的復制過程。對Pold1基因雙拷貝點突變小鼠的研究數據表明，相對於野生型或單拷貝突變小鼠，此類小鼠的DNA聚合酶-δ校準活性缺失，且上皮性腫瘤發病幾率明顯上升 10 。

        錯配切除修復(MMR)酶能夠進一步糾正復制過程中DNA聚合酶校正活性未檢測到的錯誤。MMR酶能夠切除子鏈DNA上的錯誤核苷酸，並將母鏈DNA作為正確的模板，通過W-C配對來修復該鏈 11  。這一修復過程對於復制微衛星區域時所產生的錯誤至關重要，因為DNA聚合酶的校正活性不會檢測出此類錯誤。在有限程度內，MMR酶類還能夠糾正由DNA氧化或烷化所導致的多種鹼基對異常。這些突變包括含有O6甲基化鳥嘌呤與8氧鳥嘌呤的修飾鹼基對，以及致癌劑和順式鉑氨加合物 12,13 。人類錯配切割修復基因MSH2和MLH1的突變與遺傳性非息肉病性結直腸癌(HNPCC)綜合症有關 14 。

鹼基切除修復與核苷酸切除修復

鹼基切除修復(BER)過程涉及多種可切割和替換單一損傷核苷酸鹼基的酶。由內源氧化和水解作用所引發的不良鹼基修飾主要通過BER酶進行修復。DNA糖基化酶能夠切割核苷酸鹼基與核糖之間的化學鍵，釋放完整的DNA核糖磷酸鏈，不過這一過程會形成一個無嘌呤或無嘧啶（AP）位點。8-氧鳥嘌呤DNA糖基化酶I（Ogg1）能夠去除7,8-二氫-8-氧鳥嘌呤（8-oxoG），後者是一種由活性氧介導生成的鹼基突變。人類OGG1基因的多態性與肺癌和前列腺癌等多種癌症患病風險相關。尿嘧啶DNA糖基化酶（另一種BER酶）能夠切除胞嘧啶脫氨作用的尿嘧啶產物，防止之後形成C→T點突變 15 。N-甲基嘌呤DNA糖基化酶（MPG）能夠去除大量發生了修飾的嘌呤鹼基 16 。

由BER酶介導生成以及源自脫嘧啶和脫嘌呤作用的DNA AP位點，可被AP-內切酶1（APE1）修復。APE1能夠切割AP位點上的磷酸二酯鏈的5'位置。這樣DNA鏈就出現了一個3'-羥基基團與一個5'-鹼性脫氧核糖磷酸基團。DNA聚合酶β（Polβ）基於相應的W-C配對原則向DNA鏈中插入正確的核苷酸，並通過其相應的AP水解活性去除脫氧核糖磷酸基團。X射線修復交叉互補蛋白1（XRCC1)的存在對與III型DNA連接酶（LIG3）形成異源二聚體是必需的。支架蛋白XRCC1含有一個Polβ的非活性結合位點，從而將Polβ與LIG3酶一同帶到修復位點 17 。與XRCC1和Polβ相互作用的Poly（ADP-核糖）聚合酶（PARP-1）是BER途徑的必要組成部分 18,19 。修復的最後步驟由LIG3來完成，它將替代核苷酸的脫氧核糖基團與脫氧核糖磷酸骨架連接起來。這一途徑被稱為「短補丁BER」  20 。

另一條稱為「長補丁BER」的替代途徑能夠置換最短2nt的核苷酸鏈。有報道表明該途徑能置換10-12nt長度的核苷酸鏈 21,22 。長補丁BER需要增殖細胞核抗原（PCNA），後者能夠作為重組酶的支架蛋白 23 。其他類型的DNA聚合酶（可能包括Polδ和Polε  24  ）用於形成寡核苷酸瓣狀結構側翼。已有的核苷酸序列被瓣狀核酸內切酶1（FEN1）所移除。寡核苷酸隨後由DNA連接酶I（LIG1）連接至DNA上，填補缺口並完成修復工作 17 。有關短補丁與長補丁BER途徑選擇的確切細胞學機制仍處於研究階段（參見 圖4 ） 25 。

盡管BER可通過長補丁途徑替代多個核苷酸，但短補丁與長補丁BER都是由單核苷酸損傷引發的，從而最大程度減少對DNA雙螺旋結構的影響。核苷酸切除修復（NER）能夠修復含至少兩個鹼基的核苷酸鏈損傷的，進而造成DNA結構的變形。除了修復較大DNA加合物和紫外線等引起的一系列外源性損傷外， NER還用於修復單鏈斷裂 26 。 NER途徑也可能用於修復氧化應激所致的損傷 27 。在哺乳動物細胞中，20多種蛋白參與了NER途徑，其中包括XPA、XPC-hHR23B、復制蛋白A（RPA）、轉錄因子TFIIH、XPB與XPD DNA解旋酶、ERCC1-XPF和XPG、Polδ、Polε、PCNA和復制因子C 28 。在非小細胞肺癌細胞中，切除修復交叉互補（ERCC1）基因的過表達與細胞的順鉑耐受性有關 29  ，ERCC1基因過表達的細胞也具有增強的DNA修復能力 30 。全基因組NER（GGR）能夠修復整個基因組內發生的損傷，而特異性NER途徑「轉錄偶聯修復（TCR）」能夠在活性RNA聚合酶進行轉錄的過程中對基因進行修復。 31

DNA分子中的雙鏈斷裂會導致基因組序列丟失和重排。此類斷裂可以通過非同源末端連接(NHEJ)或同源重組(HR)，也稱重組修復或模板輔助修復來進行修復。

當細胞處於S/G2階段後期時，HR途徑激活，模板被復制。這一機制基於與受損DNA區域通過著絲粒相連著一條相同或近乎相同的序列，該序列將作為修復模板。HR機制修復的雙鏈斷裂通常出現在復制機器試圖通過一個單鏈斷裂或非配對的位點，此時復制叉結構會出現折疊。

在細胞循環的其他節點，當姊妹染色單體不能作為HR模板時，細胞也可能啟動非同源末端連接（NHEJ）機制。與HR途徑不同，當這些斷裂位點出現時，沒有相應的模板鏈可供參考，細胞不再復制斷裂的DNA區域。在NHEJ途徑中，Ku異源二聚體蛋白位於兩條斷裂DNA鏈的末端位置，在沒有模板指引的條件下對其進行修復，因此可能會丟失序列信息。多種酶類參與了重連過程，其中包括連接酶IV，XRCC4與DNA依賴的蛋白激酶（DNA-PK） 32,33 。NHEJ具有內在的致突變性，因為這一機制有賴於兩條需要連接的DNA片段的單鏈尾之間的偶然性配對（稱為微同源，microhomologies）（參見 圖5 ）。在高等真核生物中，DNA-PK對於NHEJ修復是必需的，無論是主要機制還是替代性的備選機制（D-NHEJ）均是如此 34 。

未來的應用

雖然DNA損傷是癌症細胞發生發展的關鍵因素，持續性損傷卻是臨床癌症治療的組成部分，用於迫使惡性細胞進入凋亡或衰老進程。此種療法中，博來黴素、絲裂黴素、順鉑等諸多化療葯物都很有效，因為它們能夠讓比周圍組織復制更快的癌症細胞發生進一步的DNA損傷。細胞DNA修復機制是一把雙刃劍：一方面它可以減少致癌突變從而幫助保持基因組的完整性；而在惡性細胞中，同樣的機制卻讓細胞倖免於更多的DNA損傷以及持續發生不可控的生長。為了阻斷癌症細胞中的這一存活機制，人們正嘗試使用特定的DNA修復酶（包括MGMT、PARP和DNA-PK）的抑制劑來開展臨床實驗 35-38 。