DNA修复：对出错的DNA进行补胎操作 2015年诺贝尔化学奖成果介绍

三名科学家获奖

瑞典时间2015年10月7日11时45分(北京时间17时45分)，瑞典皇家科学院秘书长戈兰汉森。Hansson)宣布将2015年诺贝尔化学奖授予瑞典的托马斯林达尔(Tomas Lindahl)。

获奖者介绍

托马斯·林达尔（Tomas Robert Lindahl），1938年1月28日出生于瑞典斯德哥尔摩。1967年在斯德哥尔摩的卡罗林斯卡学院获得博士学位。获奖时工作单位：英国赫特福德郡弗朗西斯克里克研究所、英国赫特福德郡克莱尔霍尔实验室

诺贝尔奖获得者：托马斯·林达尔

托马斯·林达尔出生于瑞典斯德哥尔摩。他在斯德哥尔摩的卡罗林斯卡学院学习，并于1967年获得博士学位。在新泽西普林斯顿大学和纽约洛克菲勒大学进行博士后研究后，他成为瑞典哥德堡大学的医学和生理化学教授。自1981年以来，他在英国赫特福德郡克莱尔霍尔实验室的癌症研究中心工作。

林达尔在1994年在体外完成了大肠杆菌的碱基修复过程，两年后又完成了人的体外碱基修复。

保罗·莫德里奇（Paul Modrich），1946年6月13日出生于美国新墨西哥州的拉顿（Raton）。1973年在斯坦福大学获得博士学位。获奖时工作单位：美国达勒姆霍华德休斯医学研究所，杜克大学医学院。

诺贝尔奖获得者：保罗·莫德里奇

保罗·莫德里奇出生于美国新墨西哥州科尔法克斯县的拉顿，并在那里长大。1973年，他在斯坦福大学获得博士学位，并在麻省理工学院(MIT)学习。自1976年以来，他在北卡罗来纳州达勒姆的杜克大学工作。保罗·莫德里奇还隶属于马里兰州切维蔡斯的霍华德·休斯医学研究所。

1989年，莫德里奇在体外完成大肠杆菌碱基错配修复系统的重建。2004年，莫德里奇在体外实现人碱基错配修复。

阿齐兹·桑贾尔（Aziz Sancar），1946年9月8日出生于土耳其萨维尔（Savur）。1969年在土耳其的伊斯坦布尔大学获医学博士(MD)学位， 1979年在德克萨斯大学达拉斯分校获得分子生物学博士(PhD)学位。获奖时工作单位：美国北卡罗来纳大学教堂山分校。

诺贝尔奖获得者：阿齐兹·桑贾尔

阿齐兹·桑卡尔出生在土耳其东南部的萨乌尔一个中下阶层家庭。他的父母没有受过教育，但认为教育对他们的孩子很重要。桑卡尔曾在伊斯坦布尔大学和达拉斯德克萨斯大学学习，并于1977年获得博士学位。他是北卡罗来纳大学教堂山医学院的教授。阿齐兹·桑卡尔(Aziz Sancar)的妻子格温·博尔斯·桑卡尔(Gwen Boles Sancar)也是生物化学和生物物理学教授。

1981年，桑加尔实现了大肠杆菌三种蛋白UvrABC核酸内切酶重建，并证实该系统可实现对核苷酸的切除。1995年，桑加尔进一步证实了人也具有类似的体外核苷酸切除过程。

研究工作介绍

<一> DNA基本知识

DNA，中文名为脱氧核糖核酸，是生物细胞内的四种生物大分子之一（蛋白质，核酸，脂质和糖类）。DNA携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息，是生物体发育和正常运作不可或缺的生物大分子。

DNA

DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸。脱氧核苷酸由含氮碱基、脱氧核糖和磷酸构成。其中碱基有4种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C），也就是说脱氧核苷酸也有四种。

DNA 分子结构中，两条多脱氧核苷酸链围绕一个共同的中心轴盘绕，构成双螺旋结构。脱氧核糖-磷酸链在螺旋结构的外面，碱基朝向里面。两条多脱氧核苷酸链反向互补，通过碱基间的氢键形成的碱基配对相连，形成相当稳定的组合。人体的1号染色体含有约2.5亿个碱基对。

DNA结构示意图

DNA中碱基的排列顺序构成了遗传信息。该遗传信息可以通过转录过程形成RNA，然后其中的mRNA通过翻译产生多肽，进而形成各种各样的蛋白质。

DNA的结构

DNA所携带的遗传信息决定生命体的生老病死等命运，因此DNA结构的稳定性具有十分重要的作用。但是DNA的结构稳定性是个相对概念，细胞内的DNA每时每刻都在面临内外多种因素的威胁，包括含氮碱基的不稳定性，生命体代谢产生的自由基，肤质本身的相对精确性等，而外部因素包括紫外线，电离辐射，烷化剂等。这些不稳定因素使得DNA非常容易出现损伤而引发基因突变。

根据克里克的中心法则，遗传信息先从DNA转录到RNA，再通过翻译耦控制合成相应的蛋白质，随后合成的蛋白质执行相应的生理功能。因此DNA的基因变异会导致最终合成的蛋白质发生改变，进而影响生物学功能，引发疾病发生等。

中心法则图解

虽然基因突变是物种进化的推动力，但过多的突变会引发遗传不稳定，进而对物种产生毁灭性后果。现实情况尽管存在多种损伤因素，但机体内的DNA结构却出奇稳定，这表明生物体内存在一套完整且精细的DNA修复系统。

科学家经过大量的研究，这套DNA修复系统包括以下的内容。

<二> 碱基切除修复

1.损伤原因

DNA中的部分含氮碱基容易自发化学反应而造成碱基类型和配对模式的改变，从而引发突变发生。以胞嘧啶C为例，它非常容易发生脱氨基反应变为尿嘧啶U，使得原来的C-G配对变为U-A配对。当细胞中的DNA在复制的时候就会引发DNA突变。而如果该碱基处于关键位置，将会造成严重的后果。

C变成U的过程 图源文献2

2.修复机制

20世纪60年代末，托马斯·林达尔（Tomas Robert Lindahl）从瑞典卡罗林斯卡医学院毕业后，从事研究胞嘧啶C脱氨基的修复过程，这个过程的关键是机体如何识别出C变为U而加以纠正的。

经过几年的努力，林达尔在1974年发现了尿嘧啶-DNA糖基化酶（UNG），这种酶能专一性识别出DNA中的混入的碱基U并将其切除，因为DNA的四种碱基为ATGC，U是属于RNA的碱基。随后研究人员又发现了一系列的特异性DNA糖基化酶（完成其他错误碱基的识别和切除），从而确定机体内存在一个完整的修复系统。

又经过20年的努力，林达尔在1994年在体外完成了大肠杆菌的碱基修复过程，两年后又完成了人的体外碱基修复，这两个进展具有非常重要的意义，因为它们直接模拟了机体内的生物学过程。

脱氨基胞嘧啶残基(尿嘧啶U)的去除

以切除U为例，说一下碱基切除修复过程：①糖基化酶UNG需要在DNA数以亿计的碱基中寻找到混入的U（正常的DNA不含有U，因此会将其视为异物），②发现U后将其从DNA双螺旋内部翻转到链外，糖基化酶将碱基U和脱氧核糖之间的糖苷键断裂而除去碱基U，这是最关键的一步，剩下一个无碱基位点（AP位点），③随后被AP位点核酸内切酶及其它酶辅助催化去掉脱氧核糖骨架而出现单核苷酸缺口，④接下来，DNA聚合酶根据模板信息G将缺失位置补上正确的碱基C，最终DNA连接酶负责形成完整双链。

碱基切除修复 图源文献2

怎么理解这个碱基切除修复呢？就相当于自行车被钉子扎到后补一次胎一样。

DNA出现了异物U：UNG识别出异物U→将其翻转至链外→切除异物碱基→切除（跟碱基连接的）脱氧核糖骨架→补上正确碱基C。

当内胎被钉子扎了：将内胎翻出来→找出被扎部位→拔掉钉子→用锉刀将漏洞口周边锉出毛刺→粘上补胎贴。

自行车补胎

两者简直异曲同工啊。

<三> 核苷酸切除修复

1.损伤原因

紫外线导致TT二聚体 图源文献2

1960年科学家发现一定剂量紫外线照射会引发细菌DNA的两个相邻碱基TT自身共价相连形成二聚体，从而破坏DNA双螺旋结构，造成DNA复制过程中碱基错配甚至碱基缺失，使得细菌出现死亡。后来又发现用可见光（光修复）或未经紫外线照射的细菌裂解液（裂解液）处理则可恢复正常，但人们并不了解其中的详细机制。

光解酶修复受损DNA

2.修复机制

20世纪70年代，桑加尔在美国跟随导师研究DNA修复过程。1976年，桑加尔成功鉴定了光修复酶。但随后将精力投入到暗修复系统，因为早在1966年，就有研究发现表明三个基因UvrA、UvrB和UvrC对保证减少DNA损伤具有重要意义。1981年，桑加尔完成三种蛋白质的纯化，随后首次实现了大肠杆菌三种蛋白UvrABC核酸内切酶重建，并证实该系统可实现对核苷酸的切除。1995年，桑加尔进一步证实了人也具有类似的体外核苷酸切除过程，证明该系统具有较高保守性。

大肠杆菌核苷酸切除修复的简化模型

以细菌TT二聚体切除为例，核苷酸切除修复过程如下：①两个UvrA亚基和一个UvrB亚基先形成三元复合物，②三元复合物沿着DNA双链寻找出损伤点，③UvrA专一性识别TT二聚体后，激活UvrB解旋酶的活性，使得损伤部位局部结构松散，④一个UvrC亚基代替两个UvrA亚基，启动损伤位置前后隔一段距离的精确内切，大约会出掉十二三个核苷酸长度的片段，⑤最后DNA聚合酶和连接酶把空缺补充完整。

核酸切除修复 图源文献2

怎么理解核苷酸切除修复呢？DNA的这个TT二聚体，可以理解为自行车内胎出现一个鼓包。

DNA出现TT二聚体：形成三元复合物→寻找损伤点→解旋使得损伤点附近结构松散→精确内切→补上切掉的片段

自行车内胎出现鼓包：将内胎翻出来→寻找出鼓包部位→切除鼓包及其周边部位→补上被切掉的那一截。

轮胎鼓包示意图

这个跟前面的碱基切除修复相比，因为形成TT二聚体后对DNA的影响比较大。一个鼓包比漏洞的修复要费劲得多。所以后面的这个修复过程比之前的要麻烦一些，但基本过程都是相似的，都是补胎的那一套。

<四> 碱基错配修复

1.损伤原因

虽然DNA聚合酶具有较高的保真度，但一条染色体至少含有千万个碱基对，在DNA的复制过程中不可避免会出现细小的差错。DNA聚合酶本身也具有校对功能，使得出错率为0.001%。虽然这个数值已经够低了，但是人的基因组总共有30亿对碱基，再小的出错率乘以30亿都是一个不可忽视的数值。因此细胞还需要一个二次校对系统，进一步降低DNA复制过程中的出错率。

2.修复机制

科学家最早是在肺炎球菌中发现碱基错配修复系统的，随后在大肠杆菌中鉴定出多种基因与此相关，称为Mut基因，其中最关键的有三个基因MutS、MutH和MutL。1976年，科学家发现大肠杆菌的DNA在GATC位点存在甲基化现象，但复制后的子代链却不发生甲基化现象，同年马修·梅塞尔森（Matthew Meselson）发现碱基错配修复过程中，修复基本只在一条链中完成。1983年，莫德里奇确定GATC位点的甲基化是碱基错配修复的重要识别标志，保证只修复子代链而不影响亲代链。莫德里奇随后纯化三种相关基因产物MutS、MutH和MutL，并在1989年在体外完成大肠杆菌碱基错配修复系统的重建。2004年，莫德里奇在体外实现人碱基错配修复，并证明该系统保守性。

细菌DNA错配修复过程如下：①细菌的MutH和模板链DNA甲基化GATC位点结合，而MutS识别错配位置。②MutL将MutH和MutS拉近形成三元复合物，激活MutH核酸内切酶活性，在靠近甲基化位点将新生链DNA切开。③招募解螺旋酶从切口位置向错配位点移动而将双链解开，待跨过错配碱基位置后将子代链切除。④最后由DNA聚合酶和连接酶把空缺补充完整。

碱基错配修复 图源文献2

还是用补胎理论来理解一下碱基错配修复，但是这个要比前面的更复杂，前面的轮胎虽然需要修补，但是轮胎在生产制造的时候质量是没问题的，而这个碱基错配就相当于制造的时候出现问题了，制造材料中混入了杂质。现在的任务是要对这些质量残次的成品轮胎修补完整，所以工作量更大了。

碱基错配修复：MutS识别出错配位置→将子代链DNA切开→解开双链跨过错配位点将子代链切除→补充完整。

轮胎修补：把轮胎翻出来→用仪器探测出混杂的部位→把质量差的部位切断→补充完整。

这个修补过程看着更麻烦，但最主要的是确定出出错的部位。找到出错部位后，修补工作跟前面的过程基本大同小异。

后记总结

生命科学领域具有DNA中心论（也称碱基论），包括两条前提：碱基序列和互补配对。DNA的结构完整性是生命稳定得以维持的基础，而DNA修复系统是一种重要的错误纠正机制。

通俗来理解，DNA是修复跟自行车的轮胎修补差不多。找出出错部位，切掉出错部位，把空缺部位补充完整。

这项发现的重要性一方面体现在深化对生命系统稳定遗传机制的理解和认识，另一方面也为部分疾病治疗带来新的希望。DNA修复系统的缺失或功能下降导致DNA损伤逐渐增加，引起编码基因突变、基因组不稳定等后果，最终出现衰老或癌症，如黑色素瘤、结肠癌等均已发现与DNA修复缺陷相关。通过设计特定药物增加细胞DNA修复能力而减少DNA损伤有望成为癌症治疗新思路，但从基础研究到最终临床应用仍有很长的路要走。

参考文献

[1]

[2]郭晓强.DNA损伤与修复——2015年诺贝尔化学奖解读[J].生命世界,2016(04):46-51.