DNA修复与保护

由于对生物很感兴趣，我平时就非常关注生物学科方面的信息和知识。2015年的诺贝尔奖揭晓后，我注意到2015年的诺贝尔化学奖授予给了瑞典、美国、土耳其的三位科学家，以表彰他们对“细胞修复自身DNA的机制”的研究。有“豪华版诺贝尔奖”之称的“生命科学突破奖”2015年颁给了六位科学家，其中美国和瑞典的两位科学家获奖是因为对“基因组编辑CRISPR技术”的研究。该技术基于DNA保护机制。DNA修复与保护技术为什么会受到科学界的重视呢？我带着疑问查阅了很多资料，请教了几位老师，对它进行了初步的探索和分析。

DNA分子独特的双螺旋，具有较稳定的结构；DNA双链提供精确模板，通过碱基互补配对能够保证复制准确进行。怎么会出现差错呢？DNA如何保存自身相对稳定？DNA受到损伤又如何修复？下面结合DNA复制、变异、基因表达等相关知识进行一些分析和探索。

一、DNA的快速复制

在细胞增殖的间期DNA复制，复制需要模板、原料、酶（解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶）、ATP及适宜的温度、pH等条件。遵循边解旋边复制，以解旋的两条亲代母链为模板，按照碱基互补配对原则合成两条子链，新合成子链与母链重新相互盘绕形成两个完全相同的双链DNA分子，表现为半保留复制。

研究发现，37℃时DNA聚合酶Ⅲ催化速率为750个核苷酸/秒，按此速率，含有245 522 847个碱基对的人1号染色体复制约需91h。而人体受精卵经5次有丝分裂发育成含32个细胞的桑葚胚需3～4天，每个周期至少也得14 h。可见，若要短期内完成DNA复制，除了提高DNA聚合酶活性外，关键是“DNA多起点双向复制”。

（1）多起点双向复制。这是真核生物DNA复制最主要的形式，从一个特定位点解旋得到两条母链，以此作为复制模板，沿着两个相反的方向各延伸出两条链，形成1个复制泡、2个复制叉；2个起点则形成2个复制泡、4个复制叉……这样可以大幅提高DNA复制速率。如图1所示，DNA有两个复制起点O1和O2，各形成两个相反方向的复制叉，相当于形成4个“工作面”，其复制速率就可达1个复制起点时的4倍。

（2）DNA聚合酶。DNA是由两条反向平行的脱氧核苷酸单链相互盘绕而成的。DNA聚合酶只能将单个游离脱氧核苷酸通过形成3′，5′一磷酸二酯键连接到核苷酸链的3′端，换言之，DNA聚合酶只能沿5′3′方向延伸（合成）子链。DNA聚合酶的这一特性使得DNA复制时出现两个有趣现象：①DNA复制需要引物，引物为长度为15～30个碱基的单链DNA或RNA。在DNA人工合成（PCR）中需要加入人工合成的引物，如：一个DNA分子连续复制n次，需要两种引物2n―2个，数量各半。②DNA半不连续复制。DNA是“边解旋边复制”的，故DNA复制时，以3′5′链为模板合成的一条子链延伸方向为5′3′，与复制叉移动方向一致；而另一条以5′3′为模板链合成的子链。延伸方向与复制叉移动方向相反，其合成是不连续的，即先形成许多不连续的片断（称为冈崎片断），再通过DNA连接酶连成一条完整的DNA链。见图2。

DNA合成速率如此之快，复制差错在所难免。此外，各种高能辐射、化学试剂、病毒等物理、化学、生物因素都可能对DNA造成损伤，导致基因突变或染色体结构变异。

二、DNA修复与保护

DNA在生物体内保持稳定，证明存在特殊的DNA修复与保护机制。

（1）重组修复。依据DNA损坏程度可分为单链损伤和DNA双链断裂，前者可利用双链DNA中一段完整的互补链按照碱基互补配对原则修复。双链断裂的DNA则能以其同源染色体DNA为模板，通过同源重组的方式修复。

DNA双链断裂的修复较其他类型的DNA损伤更加困难，修复不当则可能导致染色体缺失、重排、易位和倒位等，从而易于形成肿瘤等疾病。真核细胞具有成对同源染色体，其DNA相应部位具有相同遗传信息（等位基因或相同基因）。如果一条染色体DNA部分缺失。就可以以另一条同源染色体上的DNA进行复制和修复，当然这种修复不可能是100%，因为同源染色体的两个DNA分子的碱基序列并不完全相同，但修复之后一般可保证细胞遗传和代谢的正常进行，毕竟相同位点具有控制相对性状的基因。

（2）端粒的保护。端粒是真核细胞染色体末端的可保护染色体的特殊结构。正常细胞随细胞不断增殖，端粒逐渐缩短，当细胞端粒缩至一定程度，细胞停止分裂。端粒酶能复制和延长端粒DNA来稳定染色体端粒DNA的长度。端粒酶是由RNA和蛋白质组成的复合物，如人类端粒由6个碱基重复序列TFAGGG和结合蛋白组成，其蛋白质具有催化活性，能以RNA为模板，以端粒3’末端为引物，合成端粒重复序列，故端粒酶属于逆转录酶。

（3）限制酶的保护。限制酶能识别特定的核苷酸序列，并在每条链定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键进行切割。限制酶是由细菌产生的，一般不切割自身的DNA分子，只切割外源DNA，其生理意义是提高自身的防御能力。

（4）CRISPR。科学家在对微生物基因组研究时发现，病毒能把自身的基因整合到细菌，利用细菌的细胞工具为自身的基因复制服务，而细菌力图将来自病毒的入侵基因清除，两者共同进化，细菌最终发展出一种CRISPR的系统，利用该系统，细菌可以不动声色地把病毒基因从自身DNA上切除，这是细菌特有的免疫系统。如今，CRISPR基因编辑系统被迅速运用到基因敲除动物模型的构建之中，成为生命科学最热门的技术。该技术实质是“RNA干扰”，原理如图3：病毒基因、人工转入基因等外源性基因随机整合到宿主细胞基因组内，并利用宿主细胞进行转录时，常产生一些双链RNA（dsRNA）。宿主细胞利用核酸内切酶迅速将这些dsR-NA切割成多个约21～23个碱基对的小片段RNA（即siRNA）。siRNA在解旋酶的作用下解旋为两条单链RNA，并与外源性基因表达的mRNA的同源区进行特异性结合，最终诱发宿主细胞针对这些mRNA的降解反应。由于dsRNA抑制基因表达具有高效性，任何导致正常机体dsRNA形成的情况都会引起不需要的基因不能表达（称基因沉寂）。当然，机体内正常基因有效表达时，有一套严密防止dsRNA形成的机制。

DNA修复与保护对人类非常重要，以上只是一些基本原理和常识，它还有很多奥妙等待我们去研究、去探索。

作者单位：河南郑州一中龙湖校区高三（1）班