環境污染與DNA修復

引言

探討環境污染物對 DNA（脫氧核糖核酸）的損傷和對DNA修復功能的影響,是近年來從分子水平揭示環境污染物的致畸作用、致突變作用和致癌作用機理的一種微觀研究方法，在環境醫學中占有重要地位。

DNA是一種生物高分子聚合物。它主要存在於動物和植物細胞核的染色體內，也存在於線粒體和葉綠體中。DNA是由脫氧核糖、磷酸和鹼基共同構成的脫氧核苷酸多聚體。DNA有4種核苷酸鹼基，即A（腺嘌呤）、G（鳥嘌呤）、T（胸腺嘧啶）和 C（胞嘧啶）。雙鏈DNA分子中的兩條鏈以反向平行的方式形成一個雙螺旋結構。

描述

生命的遺傳信息貯存在DNA內，DNA的自我傳遞過程稱為複製。每當細胞分裂時,解鏈蛋白使DNA分子中雙螺旋的兩條母鏈打開，再各以其母鏈作為模板,在DNA聚合酶作用下，按鹼基配對的“互補原則”分別形成與自身互補的子鏈，從而使一個DNA分子,複製出兩個完全相同的子代DNA分子。每個子代分子是由一條來自親代的“舊”的多核苷酸鏈和一條新合成的多核苷酸鏈共同組成，因而也叫做“半保留複製”。生物通過這種複製方式保持了每個 DNA分子的核苷酸順序的相對恆定性。生物體內的DNA多聚酶在DNA複製過程中，可以檢查出錯誤的鹼基，並予以切除,減少DNA複製的錯誤率，保證遺傳信息的穩定。

DNA損傷

人類生存的環境是極其複雜的，特別是環境中物理的或化學的污染因素常常會引起機體內細胞DNA結構的改變，即造成DNA的損傷。如紫外線即可對核苷酸鏈上的鹼基對造成損傷,引起鏈的斷裂,分子內或分子間的交聯以及核酸和蛋白質之間的交聯等。當 DNA鏈內的氫鍵被紫外線破壞時，鏈和鏈之間的嘧啶即可形成二聚體，二聚體會阻礙DNA雙鏈的解鏈和複製。單鏈DNA也可在相鄰接的嘧啶之間形成二聚體，其作用為阻礙鹼基的正常配對，使嘌呤鹼不能正常參入,影響DNA複製的正常進行。又如電離輻射所引起的 DNA損傷主要是單鏈斷裂、雙鏈斷裂、分子間交聯，其他如鹼基和核苷的脫落和核糖的破壞的後果也多為單鏈斷裂，因此，單鏈斷裂比雙鏈斷裂要高10～20倍。這些損傷可導致誘發點突變或染色體斷裂。引起DNA損傷的化學物質種類較多,如多環芳烴中苯並(a)芘,它在混合功能氧化酶的激活作用下，可形成具有親電子結構的化合物──環氧化物。這種環氧化物與細胞內的 DNA等大分子的親核基團相結合，就會造成 DNA損傷。當這種損傷不能修復或修而不復時，就有可能使細胞癌變。有些金屬和鎳、鈹、鉻等致癌物也可能與核酸殘基形成穩定的配合複合物，從而產生致癌作用。

DNA修復

是生物體所具有的修復功能的總稱。它是生物在長期進化過程中，為了適應複雜的環境，防止基因突變,保持遺傳信息的穩定，不斷克服各種引起DNA損傷的因素而逐漸形成的。這一現象是1946年在微生物體內發現的。目前認為切除修復是哺乳類動物中最主要的修復形式，它可以修復大多數型式的鹼基損傷，這一功能也使人類具有對抗環境中污染因素和穩定遺傳信息的能力。

切除修復是一個受基因控制的多酶修復系統。DNA受到化學誘變物（致突變物）或射線照射後，可能產生損傷片段。這時機體細胞能依靠四種酶，像進行外科手術那樣把損傷的部位切除和修復。其過程是先由內切核酸酶把損傷部位切斷，然後由外切核酸酶把傷口略加擴大，繼而由 DNA聚合酶把切除的部位用新的核苷酸片段修補上,最後由DNA連線酶將新補上的核苷酸片段和原來鏈之間的裂隙縫合好（見圖）。

正常人的切除能力很強，如正常人的成纖維細胞經紫外線照射後，過12～25小時即有50～75％的嘧啶二聚體被切除，DNA的修複合成也同時進行。

一般生物體內除切除修復功能外，還有其他的修復功能，如光修復、重組修復等。至於人類是否也具有這些修復功能，尚無定論。（見彩圖）