第四节　DNA损伤与修复

一、DNA损伤方式及修复信号反应

（一）DNA损伤方式

在各种因素所致的DNA一系列损伤，包括单一位点损伤和区域多位点损伤，即簇集损伤（cluster damage）。单一位点损伤主要包括碱基损伤、DNA链断裂、DNA交联及整个或部分高级结构的变化。碱基损伤包括碱基脱落、碱基改变、错误碱基（碱基取代）和碱基的插入或丢失等。DNA链断裂包括DNA单链断裂（single-strand break，SSB）和DNA双链断裂（double-strand break，DSB），DSB是两条互补链于同一对应处或相邻处同时断裂。

对于DNA交联，在DNA双螺旋结构中一条链上的碱基与其互补链上的碱基以共价键结合，称为DNA链间交联（DNA interstrand cross-linking）；DNA分子同一条链上的两个碱基相互以共价键结合，称为DNA链内交联（DNA intrastrand cross-linking），如嘧啶二聚体（pyrimidine dimer，PD）就是链内交联的典型例子。DNA与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交联（DNA-protein cross-linking，DPC）。

簇集损伤是指多个到十几个bp范围内的DNA分子中出现多个DNA损伤位点[包括DSB、SSB和APS（无嘌呤或无嘧啶位点，apurinic/apyrimidinic sites）等]，是几种DNA损伤的集合。簇集损伤又分为DSB簇集损伤和非DSB簇集损伤两种（图2-7）。由于DNA簇集损伤密集分布在狭小的空间结构里，损伤复杂，损伤类型多样，使其修复更为困难，从而阻碍基因组DNA复制和转录等功能，更易造成细胞死亡、突变和癌变的严重后果。

DNA双螺旋结构靠3种力量保持其稳定性，一是互补bp之间的氢键；二是碱基芳香环π电子之间相互作用而引起的碱基堆砌力；三是磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键。如果DNA二级和三级结构发生改变，那么DNA大分子就会发生变性和降解。DNA变性系指双螺旋结构解开，氢键断裂，克原子磷消光系数显著升高，出现了增色效应，比旋光度和黏度降低，浮力密度升高，酸碱滴定曲线改变，同时失去生物活性。DNA降解比变性更为剧烈，伴随着多核苷酸链内共价键的断裂，分子量降低。这些都是由于一级结构中糖基和碱基的损伤以及二级结构稳定性遭到破坏的结果。

（二）DNA修复信号反应

早在1935年，Hollaender通过观察大肠杆菌在紫外线照射后的存活情况，首次提出了修复的概念。1964年，Setlow和Carrier首次从分子水平揭示DNA的辐射损伤修复，发现大肠杆菌B在紫外线照射后经过一段时间的培养，胸腺嘧啶二聚体从酸不溶的DNA部分中丢失，而出现在酸溶性部分中，表明DNA中损伤的碱基已被切除，并发现这个过程与DNA合成的恢复及细胞存活有关。此后，DNA修复引起众多学者的注意，并对修复方式、途径及其机制进行了大量的研究。

DNA损伤后，发生一系列DNA修复信号反应（图2-8）。例如，大量DNA螺旋扭曲损伤或SSB，常激活核苷酸切除修复（nucleotide excision repair，NER）或碱基切除修复（base excision repair，BER）途径；当DNA损伤较重，引起DSB，则可激活非同源末端连接（non-homologous end joining，NHEJ）途径和/或同源重组（homologous recombination，HR）途径。DNA损伤发生后，机体通过细胞周期检查点的调控，使细胞阻滞于某一特定时相（G₁期或G₂期），从而给受损DNA修复提供更充分的时间。但如果这种损伤超过一定限度，机体也会启动凋亡程序，诱导受损细胞发生程序性死亡。

DNA损伤修复反应，特别是其DSB修复反应，是一个多步骤的复杂过程，由多个功能蛋白的交替联合，构成一个完整的修复系统，其修复过程涉及蛋白磷酸化、乙酰化、泛素化（ubiquitination）和生物素化等修饰功能。在DSB损伤修复中，主要涉及非同源末端连接和同源重组修复两种途径，前者是哺乳动物细胞中一种很普遍的DSB修复方式。在DSB中，毛细血管扩张性共济失调突变基因（ataxia telangiectasiamutated gene，ATM基因）和DNA依赖蛋白激酶催化亚单位（catalytic sunbunit of the DNA-dependent protein kinase，DNA-PKcs）是重要的DNA损伤修复蛋白，通过结合在DSB的DNA末端，激活和诱发DNA修复。

另外一种重要的DNA损伤修复蛋白是多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶[poly-（ADP ribose）glycohydrolase，PARP]，分子量为122kD，含有633个氨基酸残基，其分子有3个功能区域：N端的DNA结合域、C端的催化域和中间的自我修饰域。N端的结合域具有核定位信号（nuclear localization signal，NLS）和2个锌指（zinc finger）结构，其作用为非序列依赖型的识别SSB或DSB损伤。C端的催化域则具有烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）结合位点，能够结合烟酰胺二核苷酸（nicotinamide dinucleotide）以其为底物，裂解成为腺苷二磷酸核糖（adenosine diphosphate ribose，ADP-ribose）和NAD，并催化ADP-ribose聚合到其他核蛋白（如组蛋白）上，使其形成大分子同源聚合物。多聚基化的蛋白质活性受到抑制，与染色体分离，并使染色体变得松散，从而促进DNA修复酶对受到损伤的染色体进行修复。PARP在发生自身多聚基化后则与结合的损伤DNA链解离，并被其他酶水解。中间的自我修饰域则含有自身核糖基化的区域，在发生断裂后能够自身活化，大大地增强活性。

PARP是一种广泛存在于细胞内的具有蛋白修饰和核苷酸聚合作用的聚合酶，由各种因素造成的DNA链断裂损伤可增强PARP活性，引起包括自身在内的相应蛋白核苷多聚基化，从而影响相关蛋白的活性，进一步影响由于损伤修复而引起细胞内一系列的生化改变。应用PARP抑制剂或PARP缺陷细胞，则表现出细胞对各种损伤的敏感性增加。PARP分子结构为非序列依赖型识别DNA链断裂损伤，在DSB修复中与DNA-PKcs有同等的重要作用。

已经证明，各种因素引起的DNA各类损伤在一定条件下都能发生不同程度的修复。通常观察到的修复现象有以下几种：回复修复（包括酶学光复活、SSB、嘌呤的直接插入和甲基转移等）、切除修复（包括碱基切除修复和核苷酸切除修复）、DNA链断裂修复（SSB和DSB修复）和错配修复等。其中，DSB是一种最严重的损伤类型，如不能及时修复，DNA的复制和转录将被阻断，严重时导致细胞死亡；如出现错误修复或不及时修复，将引起基因或染色体缺失或重排性突变。

二、DNA损伤修复的分子机制

（一）回复修复

回复修复（reverse repair）是一种最简单的修复方式。细胞对DNA的某些损伤在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成修复，包括酶学光复活、单链断裂重接、嘌呤的直接插入及甲基转移等。

1.酶学光复活

这是修复DNA链上的嘧啶二聚体的一种最直接方式。催化此反应的酶称为光修复酶（photolyase）或光复活酶（photoreactivating enzyme），其作用过程分为三个步骤：①酶与DNA中的嘧啶二聚体部位相结合；②吸收波长为260~380nm的近紫外光将酶激活，使二聚体解聚；③酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构。

光修复酶最初发现于低等生物修复紫外线损伤的主要方式，其活性也受氧分压的影响。虽然在高等生物，包括人的细胞中发现此酶的存在，但光复活并不是高等生物细胞修复嘧啶二聚体的主要途径。光修复酶分子（54kD）有两个与吸收光子有关的生色基团，即次甲四氢叶酸（methenyltetra-hydrofolic acid）和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸（reduced flavin adenine dinucleotide，FADH₂）前者吸收光子，并激活后者，生成的激发型FADH₂再将电子转移给嘧啶二聚体，使其还原。

2.单链断裂重接

SSB中有一部分是通过简单的重接而修复，只需要DNA连接酶参加，故也属于直接回复。DNA连接酶能催化DNA双螺旋结构中一条链中的缺口处的5’-磷酸根与相邻的一个3’-羟基而形成磷酸二酯键。连接所需要的能量来自NAD+（如大肠杆菌）或ATP（如动物细胞）。此酶在各类生物的各种细胞中普遍存在，修复反应容易进行。

3.嘌呤的直接插入

当DNA链上的嘌呤碱基受到辐射损伤时，可被糖基化酶水解而脱落，生成无嘌呤位点。已发现，修复此类损伤需要一种特异性酶，即DNA嘌呤插入酶（insertase）。该酶首先与无嘌呤位点相结合，在K+存在的条件下，催化嘌呤游离碱基或脱氧核苷与DNA缺嘌呤部位生成糖苷共价键；其插入酶所插入的碱基具有专一性，如在多聚dG-dC链上只插入G，而在多聚dA-dT链上只插入A。这种机制能确保遗传信息的正确修复。

4.甲基转移

DNA的鸟嘌呤可因环境中的甲基卤素化合物、亚硝酸盐代谢产物以及其他烷化剂的存在而发生O6位甲基化。细胞中的O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶可修复此种损伤，其作用是一步将甲基转移至酶的半胱氨酸残基而使DNA的鸟嘌呤恢复正常结构。

上述4种直接回复是修复最直接的方式，对细胞非常有利。因为修复所需要的酶比较单一，而且只有一步反应，修复特异性高，较少发生错误。但实际上，这种修复的例子比较局限。

（二）切除修复

1.切除修复（excision repair）

在切除修复中，首先切除损伤部位（或连同其附近的一定部位），然后用正确配对的、完好的碱基替代，这是修复DNA损伤最为普遍的方式；其过程比直接修复要复杂得多，有多种酶和基因参与。其基本步骤可归纳为：①识别，细胞内存在一系列能识别受损伤碱基的酶和蛋白质，有的只有识别能力，有的同时具有识别能力和切除活性，有的属于糖基化酶，有的还具有无嘌呤位点核酸内切酶活性；②切除，当损伤的碱基被识别后，下一步是将其切除，根据切除部位的大小可分为两种方式，即碱基切除和核苷酸切除；③修补，DNA链中的损伤区域经上述酶和蛋白切除后，留下一个或一大段空缺，需要DNA pol来修补，在大肠杆菌中执行BER中补缺功能的是DNA polⅠ；④连接，修补过程可以将空隙中的核苷酸全部补齐，完成最后一个磷酸二酯键的连接需要依靠DNA连接酶Ⅰ。在不同损伤情况下，参与上述切除修复的基本过程的基因产物种类不完全相同。

在紫外线（UV）致DNA损伤修复过程中，DNA链的剪切，需要3个功能酶：uvrA（114kD）、uvrB（84kD）和uvrC（74kD），还需有ATP和镁离子的参与。内切位点是二聚体前8个磷酸二酯键5’末端和二聚体后第4（有时是第5）个磷酸二酯键3’末端（图2-9）。通过这种方式，切下的DNA片段为损伤部位12~13nt。酶切留下一个3’羟基末端，令DNA polⅠ合成DNA并延伸至受损碱基的5’末端，5’末端上的磷酰基团与3’末端的连接。uvrA、uvrB和uvrC三种酶都参与该剪切过程。

2.碱基切除修复（BER）

这是较普遍的切除修复方式之一，修复细胞内源性自发DNA损伤，包括胞嘧啶的水解脱氨基、5mC以及某些简单类型碱基损伤，需要几种酶参与。首先由糖苷酶（glycosidase）识别受损碱基，并切断糖苷键，使异常碱基脱落，出现一个无嘌呤嘧啶碱基的部位（AP位点），然后由无嘌呤嘧啶裂合酶（简称AP裂合酶）在无碱基部位将DNA链的磷酸二酯键切开，再由核酸外切酶（或内切酶）去除残基，在该链上留下一缺损区。

3.核苷酸切除修复（nucleotide excision repair，NER）与转录偶联修复

这与碱基切除方式不同的是，被切除的不是单个的游离碱基，而是一段寡核苷酸，这是细胞内更为普遍的一种修复方式，其步骤也较为复杂。大多以大肠杆菌为模型，主要采用多种突变缺陷株与野生型进行对比观察，首先发现的基因位点为uvrA，以后又相继发现uvrB和uvrC基因位点等。正常细胞中这些基因产物的含量很低，通过分子克隆获得3种蛋白，而且这3种蛋白必须同时存在时才能发挥作用，故称为uvrABC核酸内切酶。uvrA蛋白对双链DNA只具有较弱的结合能力，当遇到uvrB蛋白时，二者结合形成复合物，与DNA的结合能力增强。通过ATP供能，复合物沿DNA链移动，到达损伤部位，形成稳定复合物，但此时尚无催化功能。当与uvrC蛋白结合后，开始发挥切割作用。对二聚体来说，在其上游7个碱基处，下游3~4个碱基处，切下一段长约12nt的片段。uvrABC核酸内切酶切除的底物不仅限于嘧啶二聚体，而且还可以切除丝裂霉素、氮芥、补骨脂素和顺铂等与DNA生成的加合物。由此可见，该体系在DNA损伤修复过程发挥十分重要的作用。核苷酸切除修复（NER）缺陷是一些遗传性疾病发生的基础，如人类着色性干皮病（xeroderma pigmentosum，XP）、科凯恩综合征（Cockayne syndrome）和毛发低硫营养不良（trichothiodystrophy）三种疾病与此有关。

上述核苷酸损伤修复过程是一种泛基因组NER（global genome NER，GG-NER），又可分为两个亚途径：即泛基因组修复（global genome repair GGR）和转录偶联修复（transcription coupled repair，TCR）。在哺乳类动物细胞中，还存在一种与基因转录活性状态相关联的NER，即TCR，其主要特征是具有活性转录基因的NER效率明显优于非活性转录基因或沉默基因，基因转录链的修复优于非转录链的修复。

4.错配修复（mismatch repair，MMR）

这是一种DNA复制后修复机制，主要是修复新合成DNA链上的错误。MMR可看作是BER的一种特殊形式，即纠正复制和重组中的碱基配对错误及因损伤引起的碱基编码错误。在20世纪90年代初，发现几乎所有的人类遗传性非息肉病性结直肠癌的癌细胞及某些散发性的癌症细胞具有极高的突变率，并同时具有MMR缺陷。参与MMR过程的蛋白因子有多种，从细菌到人类有很高的同源保守性。MMR过程主要有四个步骤，即错配碱基的识别、寻找错误碱基链的信号、切除含错误碱基的DNA链和修复合成。

DNA碱基错配有两个基本类型，即一种是真正意义上的碱基错误配对（如G-T），另一种是由于在一条链上插入或缺失一个或几个碱基而引起无配对碱基环，这两种分别由不同的修复蛋白复合物识别。在MMR过程中的一个关键反应，是如何鉴别需要切除修复的错误碱基所在链。

英国Meier等利用人类和蠕虫的数据深入阐明了诱发癌症的突变原因，对秀丽隐杆线虫动物模型的对照试验结果可能与人类诱发癌症的突变原因有关，证实与癌症风险增加的一种DNA修复通路就是DNA的MMR。

（三）DNA链断裂修复

1.DNA单链断裂的修复

绝大多数哺乳类动物细胞都能快速高效修复单链断裂（SSB）。SSB的修补合成和重接关键在于断裂末端基团的化学结构，即需要3’末端为磷酸基团和5’末端为羟基基团。因此，SSB修复的启动首先要识别断裂（缺口）点，并对末端基团进行“修剪”，其中有3个关键蛋白参与SSB修复反应，包括XRCC1、PARP和多核苷酸激酶（polynucleotide kinase，PNK，即将断点的3’末端修剪为磷酸基团和5’末端为羟基基团）。XRCC1为X射线交错互补修复基因1（X-ray cross complementing defective repair 1），一种70kD蛋白，其羧基端的BRCT功能结构域，能与连接酶、DNA聚合酶β和PARP等蛋白结合；其中的BRCT是BRCA1 C-terminus结构域，是DNA损伤修复系统重要的信号传导和蛋白靶向结构域，BRCA1为乳腺癌易感基因1（breast cancer susceptibility gene 1，BRCA1）。

多数实验结果表明，SSB修复与时间呈指数关系，修复速率依赖于温度。半修复期大致为10~40min，因细胞类型和温度而异。一般，在1h内DNA重接可达90%左右。

2.DNA双链断裂的修复

哺乳类动物细胞大多数都能进行双链断裂（DSB）的修复，但需要适宜的代谢条件和时间。细胞DSB修复可分为早期的快修复和随后的慢修复两个阶段。在快修复阶段，可修复50%~70%，或修复更高比例的DSB，其半修复时间为十到数十分钟；在慢修复阶段，其半修复时间在1h以上。

在研究DSB修复与细胞存活及染色体畸变的关系时，经过计算和推导证实，延迟接种能提高细胞存活率与DSB修复有关，即DSB修复与潜在致死损伤的修复有直接的联系。而在重接时，如果发生倒易位置的重组，则导致染色体重排，细胞的突变频率也随之增加。

在真核细胞中，存在同源重组（HR）修复和非同源末端连接（NHEJ）两种DSB修复机制。大多认为，前者是酵母细胞中的主要修复机制，后者是哺乳类动物细胞中的主要修复机制；两种机制互相协调，共同修复DSB，维持基因组的完整性。HR在减数分裂、有丝分裂晚S/G₂期及胚胎细胞修复中发挥重要的作用；NHEJ在有丝分裂细胞G₁/G₀时相起主要的作用。

（1）同源重组修复：

HR是利用未受损伤的姐妹染色单体和同源染色体（或同源DNA）的遗传信息，修补DSB，是一种具有高度保真性有效的修复机制。参与细菌DNA同源重组的酶有数十种，其中许多酶和辅助因子与DNA复制和修复是共用的。在大肠杆菌中，HR的关键蛋白是RecA，可结合单链DNA（ssDNA），形成RecA-ssDNA复合物。在有重复DNA存在时，其复合物与含有同源序列的靶双链DNA相互作用，将结合的单链DNA插入双链DNA的同源区，与互补链配对，将同源链解放出来。RecBCD复合物具有核酸外切酶、核酸内切酶和解旋酶的活性，当遇到Chi位点（5’-GCTGGTGG-3’），可在其下游切除3’末端的游离单链。RuvC为核酸内切酶，可切开同源重组的中间体。

大肠杆菌的同源重组过程大致如下：RecBCD复合物使DNA产生单链切口；RecA蛋白催化单链DNA对另一双链的侵入，并与其中的一条链交叉，交叉分支移动，待相交的另一链在RecBCD内切酶活性催化下断裂后，由DNA连接酶连接缺失的远末端，形成Holliday连接体（Holliday junction），后者再经过内切酶RuvC切割及DNA连接酶的作用而完成重组。

人类DSB同源重组修复，根据同源保守性，发现部分酵母同源基因和蛋白。例如，人乳腺癌患者遗传易感突变基因表达产物BRCA1蛋白含有BRCT结构域，BRCA1和BRCA2可结合hRad51，参与同源重组修复。

（2）非同源末端连接：

NHEJ修复反应过程相对较为简单，其反应中的核心修复蛋白参与，包括DNA依赖蛋白激酶（DNA-dependent protein kinase，DNA-PK）复合物（Ku70、Ku80和DNA-PKcs）、XRCC4（DNA断裂修复蛋白）和DNA连接酶Ⅳ。NHEJ功能缺陷的细胞同时还会出现V（D）J重组功能的异常，是B细胞和T细胞发育过程中必要的分子事件，是在两个重组基因（RAG1和RAG2）表达产物的作用下产生位点特异性断裂，介导V、D和J的重排。

NHEJ修复DSB的主要过程：当DSB发生时，Ku70和Ku80蛋白组成的异源二聚体首先识别DNA断裂末端，并与其相结合，保护游离DNA末端避免被核酸酶分解，随后募集DNA-PKcs聚集在DNA分子末端，组成DNA-PK，激发后者的活性，使H2AX磷酸化，引发DNA损伤信号传递反应，启动DSB修复及DNA-PK磷酸化其下游的DNA修复蛋白（XRCC4和DNA连接酶Ⅳ等）参与修复和损伤信号传导的一系列蛋白质。断端经核酸外切酶和DNA聚合酶填充后，最终由DNA连接酶Ⅳ将断端重新连接起来。DNA链一旦被连接，DNA-PK即发生自我磷酸化，使两个亚单位从DNA链上解离。

（3）微管丝和液滴协调的相互作用：

2020年，加拿大Oshidari等证实了具有多个DSB的酵母细胞，经微管丝和由DNA修复蛋白组成的液体状小滴之间协调的相互作用，促进了Rad52 DNA修复蛋白在受损的DNA位点聚集，维持基因组稳定性，实现DNA修复中心的形成与功能。这种液滴是由DNA修复蛋白与不同类型DNA损伤诱导的细胞核内微管丝（DNA damage-inducible intranuclear microtubule filaments，DIMs）组成的。

3.DNA修复合成

细胞受某些化学因子、紫外线和电离辐射作用后，经过一段时间保温，可以观察到一种DNA合成。这种合成不同于细胞增殖过程中的DNA复制，其合成量相当低，合成起始于损伤后即刻，随时间延长而增加，但与细胞周期不相关。经研究证实，这是一种修复合成，即DNA期外合成，或程序外DNA合成（unscheduled DNA synthesis，UDS）。

通常采用3H-胸腺嘧啶核苷（3H-thymine nucleoside，3H-TdR）掺入法测定UDS。细胞损伤后在抑制半保留复制的条件下，加入3H-TdR，保温一定时间后测定其放射性强度。更为直观的方法是放射自显影，计数每个细胞核内的感光银颗粒数。多种来源的哺乳动物细胞均可发生UDS，故UDS的测定已成为研究和观察DNA修复的一种重要手段。

（四）基因DJ-1修复糖化核苷酸机制

糖化是体内一种重要的DNA损伤来源，与增加DNA突变率及其链断裂相关联。在乙二醛（glyoxal，GO）和甲基乙二醛（methylglyoxal，MGO）的作用下，核酸发生永久性的糖化；作为糖代谢的副产物，二者在细胞中普遍存在，因而成为主要的糖化剂。对这些糖化剂最为敏感的核苷酸是鸟苷酸（G）和脱氧鸟苷酸（dG）。法国Richarme领导的研究团队报道，基因DJ-1能够修复糖化核苷酸，起到一种DNA去糖化酶（DNA deglycase）的作用，切除核酸中的额外糖分子。缺乏DJ-1的体外培养细胞中，DNA累积突变，更容易发生断裂。因此，DJ-1可使蛋白去糖化，DJ-1去糖化酶可能代表仅有的修复蛋白和核酸的酶。Richarme等人将其研究扩展到核酸。在不含细胞的溶液中，DJ-1阻止糖分子添加到核苷酸上，而且也切除核苷酸上最近添加的糖分子。在体外培养的大肠杆菌中，缺乏DJ-1同源基因（即Hsp31、YhbO和YajL）的细菌具有的糖化DNA比野生型细菌多两倍，其突变率提高了46倍，这表明当缺乏功能性DJ-1时，DNA稳定性显著下降。在人HeLa细胞系中，抑制DJ-1也会导致更多的糖化和断裂的DNA产生，这再次支持它在DNA修复中发挥着作用。

（五）乙醛致DNA损伤修复方式

荷兰和英国学者发现一种酒精代谢物乙醛导致的DNA损伤修复方式，并可能用于治疗范科尼贫血（Fanconi anemia，FA）或降低酒精性癌症的发病率。含酒精的饮料是一类致癌物。当酒精进入人体后，会被分解成乙醛，经乙醛脱氢酶2（aldehyde dehydrogenase 2，ALDH2）将乙醛转化成乙酸。但是，亚洲人群中很多人的ALDH2基因失活了，所以这些人群酒精性癌症的发病率很高。机体的另一层防护就是修复乙醛导致DNA损伤的保护机制。

乙醛损伤DNA，可导致DNA链间交联（DNA interstrand cross-linking），研究者发现其修复通路之一是范科尼贫血通路（FA通路）。FA这条通路在DNA复制到交联位点时，剪断一条DNA单链。随后，细胞启动其他机制修复被剪断的DNA，但是有可能会导致染色体重排，并有可能引起细胞癌变。除了FA通路，研究者发现第二种DNA交联修复方式，比FA通路快，更安全，不切断交联位点附近的DNA链，而是直接将DNA链的一端解开，对DNA交联损伤位点修复后，交联位点的一条链上的碱基正常。研究者发现，第二种修复方式虽然能修复乙醛诱导的DNA交联损伤，但是对于顺铂诱导的DNA交联损伤却无能为力。下一步需要进一步探讨第二种修复方式的分子机制。

（六）簇集损伤的修复

对于DNA簇集损伤位点主要通路是碱基切除修复（BER）通路。已证实，非DSB簇集损伤位点影响BER，导致簇集损伤延长；因此，这种损伤持续到复制过程，突变增加。此外，某些非DSB簇集损伤位点在细胞内处理，形成额外的DSB。在人类，非DSB簇集损伤的延迟修复可杀伤肿瘤细胞；在正常细胞，产生突变和基因不稳定性。非DSB簇集损伤位点的修复低于离体的有氧代谢引起的单个损伤，可作为细胞高突变或细胞毒的后果。

一般，DSB损伤均可产生细胞毒、突变和癌变效应。已经证实，DNA簇集损伤比单一损伤位点修复的细胞机制更加困难。这些未修复的DNA簇集损伤可能产生额外的DSB。DNA簇集损伤位点似乎延迟修复酶功能。通过模拟含有AP位点或8-氧鸟嘌呤（8-oxoguanine，8-oxoG）位点的DNA簇集损伤动力学理论模型，发现这些损伤引起DNA非典型构象。这些构象可能使修复酶难以结合这些位点区域，因此降低修复效能。进一步应用带有对应链特殊空间的确定损伤的寡核苷酸（oligonucleotide）和质粒，进行模式系统的研究，证实簇集可能包含不能修复的、很高修复抗性和突变前的损伤。研究指出，非DSB簇集损伤，如未修复，能够导致突变的形成和染色体异常。

对于簇集损伤的修复，有一些检测方法。来自于簇集损伤效应的遗传改变潜在性很高，包括AP位点、8-oxoG和5，6-二氢胸腺嘧啶（5，6-dihydrothymine，DHT）的组合。应用哺乳动物胞核或全细胞提取物，在AP位点/SSB的5个碱基内的碱基损伤时，AP位点或SSB修复降低。碱基损伤的性质影响其修复降低的程度。8-oxoG损伤在对应的SSB修复效能上降低2~8倍；类似的效应，胸腺嘧啶乙二醇（thymine glycol，Tg）使其降低2.5倍；并且，在SSB重接效率上，DHT使其降低1.4~2倍。Tg是非诱变源，但阻断复制的聚合酶作用强；当紧密对应8-oxoG或AP位点时，含有Tg的簇集具有高突变性或潜在的细胞毒损伤。应用细菌质粒-碱基检测法和细胞提取物或纯化蛋白的修复检测法，通过处理Tg可以观察DNA簇集损伤位点的突变或细胞毒性。

三、DNA修复异常性疾病

在人类，DNA突变在其疾病发生中起到重要的作用。DNA修复缺陷导致多种遗传性疾病的发生，其中着色性干皮病为最经典的例证，囊性纤维化和亨廷顿病等遗传病和某些癌症的发生也与DNA突变有关。

由突变产生的遗传病可由亲代传给子代。突变随机存在于任何细胞中，由于细胞的不断更替，一个细胞的突变通常不会影响整个人体。然而，生殖细胞（精子和卵子）的突变可以在受精后被传递下去，在子代所有的细胞中存在，从而产生一个突变的携带者，并将其突变遗传给下一代。遗传病通常只包括一个基因的突变。突变的基因有各种各样，从而导致遗传病的多样性。与癌症发生相关的突变存在于机体体细胞中。癌症经常与调节细胞分裂的基因突变相关。这些突变往往使细胞分裂的能力不能正常控制，从而产生肿瘤。

（一）着色性干皮病

着色性干皮病（xeroderma pigmentosum，XP）在1870年由匈牙利皮肤病学家Kaposi报道，而后在世界各国逐渐发现此类疾病。XP特点是暴露处皮肤色素改变，伴角化或萎缩及癌变。XP男女发病率相似，在各大洲几乎全部种族里均有报道。XP对紫外线极其敏感，多见于皮肤色素较深的人种，一般为常染色体隐性遗传，偶有性连锁隐性遗传，由核酸内切酶缺陷造成DNA修复功能异常所致。本病的主要生化缺陷是由于皮肤部位细胞缺乏核酸内切酶，而使日光损伤的DNA不能正常修复。起初在暴露部，如面、唇、结膜、颈部及小腿等处，出现雀斑和皮肤发干，类似日光性皮炎，开始皮肤发红，以后出现持久性网状毛细血管扩张。

XP主要的临床症状分为3组：①皮肤症状，对阳光暴露过敏导致皮肤红斑、大泡，皮肤干燥、色素脱失、毛细血管扩张和皮肤萎缩；②眼部症状，睑缘炎、眼睑红斑、色素沉着和角化过度，眼睑萎缩导致的睑内翻或外翻、睫毛脱落和下眼睑萎缩，伴有畏光性结膜炎、色素沉着、干燥和睑球粘连，水肿的暴露性角膜炎、角膜细胞浸润和血管生长、角膜溃疡，粘连和萎缩的虹膜炎；③神经系统症状，小头畸形、进行性智力下降、舞蹈样手足徐动症、共济失调、痉挛、耳聋、反射减弱和无反射等。此外，XP患者在阳光照射后易发生光化性角化过度和多种体表肿瘤，如皮肤基底细胞癌、鳞状细胞癌、恶性黑色素瘤、血管瘤、纤维瘤、肉瘤以及眼部肿瘤（包括乳头状瘤和结膜上皮内上皮瘤）等。研究表明，XP肿瘤易感性是其XPC基因缺失所致，XPC基因在DNA核苷酸切除修复中起重要作用。经遗传工程改造使小鼠出现XPC基因纯合子缺失（XPC-/-），这些小鼠在紫外线（UV）辐射后极易患皮肤癌；接触化学致癌物乙酰氨基芴（acetylami-nofluorine，AAF）后极易患肝癌和肺癌，而且发病率比对照组明显增高。如同时有p53基因功能缺失（XPC-/-Trp53+/-），或负责BER的APEX基因缺失时，这些小鼠患皮肤癌的可能性大大增加，皮肤鳞癌的分化变得更差或所诱导的肝癌进展加快。

XP的发病机制主要是皮肤和眼睛对阳光的过敏，导致DNA损伤，环丁烷嘧啶二聚体和（6，4）光产物[（6，4）photoproduct]形成，这些物质无法被有分子缺陷的细胞DNA修复机制修复。在XP中已发现几种DNA的修复机制：不同程度的嘧啶二聚体切除和二聚体切除后由于新碱基插入减少而导致修复性DNA复制水平降低等。XP患者修复性复制水平为正常人的0~90%。DNA修复在所有受检的组织中均减少，包括培养的皮肤细胞、外周淋巴细胞、成纤维细胞和肝细胞。大多数XP都有染色体畸变。

XP有两种不同的生化缺陷形式，一种缺乏NER，另一种缺乏复制DNA的能力。XP的NER系统共有7种基因受累，分别为XPA、XPB、XPC、XPD、XPE、XPF和XPG。XPA编码蛋白除与各种UV射线和化学损伤的DNA结合外，在其他修复蛋白的黏附、核苷酸切除和替代合成过程中起核心作用。XPA中DNA结合部位的突变比蛋白C端区的突变所引起的中枢神经系统紊乱更为严重。此外，XPA、XPB、XPD和XPG亚型患者均可发展为神经系统疾病。

导致DNA损伤而难以修复的因子有很多，包括UV辐射、甲氧基补骨脂素加合物、4-硝基喹啉N-氧化物、溴苯[α]蒽、环化[α]苯蒽、1-硝基嘧啶-1-氧化物和乙酰氨基芴等。另外，导致DNA损伤后能被XP正常修复的因子有X射线、溴尿嘧啶光产物、磺化甲基甲烷、N-甲基-N’-硝基-N-亚硝基胍和甲基亚硝基脲等。

（二）Bloom综合征

Bloom综合征（Bloom syndrome）又称布卢姆综合征、侏儒面部毛细血管扩张综合征等，为一种罕见的常染色体隐性遗传综合征。Bloom综合征以极高染色体脆性和大量姐妹染色单体交换为特征。用溴脱氧尿嘧啶（bromodeoxyuridine，BrdU）掺入染色体法显示Bloom综合征的姐妹染色单体交换频率与正常相比高出数倍。用植物血凝素（phytohemagglutinin，PHA）刺激培养淋巴细胞，Bloom综合征发生姐妹染色单体交换频率为90%，而正常人低于10%。即使是同一染色体同一片段的互换频率，Bloom综合征细胞也比正常细胞多10倍。这些实验结果证实了Bloom综合征DNA复制紊乱：Bloom综合征患者成纤维细胞和淋巴细胞复制叉（replication fork）进行速率约比正常人慢25%。本病主要临床表现为面部典型对称性毛细血管扩张、光敏感性及侏儒等典型的三大特征，患者身材矮小（大约150cm），唇部毛细血管扩张和红斑，皮肤黄褐斑，容易发生低色素性贫血和感染，在培养的分裂间期（interphase）成纤维细胞和淋巴细胞比例增加10%~20%。

研究证实，Bloom综合征中有DNA连接酶Ⅰ缺陷。哺乳动物细胞有两种DNA连接酶，DNA连接酶Ⅰ主要在细胞增殖时被诱导，可能在染色体复制过程中起作用，可催化钝端（blunt end）DNA片段的连接；而DNA连接酶Ⅱ则长期存在于细胞核中，可将寡（dT）分子与多聚（rA）分子连接。寡（dT）是寡脱氧胸腺苷酸oligodeoxythymidylic acid，oligo（dT）；多聚（rA）是poly（rA）。

本病患者对UV射线敏感。约5%~10%的患者有患癌症的风险。B细胞姐妹染色单体交换频率高的Bloom综合征患者对多种致癌物的敏感性升高。这些观察提示，致癌物能使危险水平姐妹染色单体交换的细胞发生转化，只有低水平交换的细胞则不发生转化。

（三）范科尼贫血

范科尼贫血（Fanconi anemia，FA）是一种罕见的常染色体或X染色体隐性遗传性疾病，其患者因缺少DNA的一个关键基因BRIP1，使许多与其相互作用的基因不能发挥功能。FA的发病率为1/107~5/107，为先天性造血衰竭性疾病中最常见的一种，主要与基因组的不稳定性有关。现已发现22种FA亚型，仅FANCB亚型为X染色体隐性遗传。FA传统上被认为是一种儿科疾病，只有9%的患者发生在成年。FA临床表现异质性明显，极易合并各种恶性肿瘤。其中，FA患者发生急性髓细胞性白血病的概率是普通人群的700倍。

FA表现为染色体不稳定性、氧代谢障碍和细胞内氧自由基高负荷。临床上，FA患者主要特征是全血减少性贫血、骨缺陷和身材矮小伴有皮肤色素沉着或减少。约20%的患者还常有肾缺陷（肾发育不良、马蹄肾和双输尿管）、肠扭转、眼缺陷（上睑下垂、眼球震颤、斜视和眼过小等）、耳聋、先天性心脏缺陷及智力低下。在年纪较大的患者，可发生急性白血病。最常见的骨缺陷是桡骨异常，拇指发育不全、缺少或增多，第一掌骨的发育不全，以及桡骨发育不全或缺失等。

将FA患者的淋巴细胞和成纤维细胞进行培养，发现染色体的改变以染色单体断裂、裂隙、染色单体交换和内复制为特征。由于DNA修复功能下降，SSB使染色体端粒缩短速度加快，过短的端粒失去保护染色体的功能结构区，导致细胞凋亡。此外，FA患者细胞对X射线的敏感度增高，提示DNA修复系统中外切酶或连接酶缺陷是FA的原因。

（四）毛细血管扩张性共济失调综合征

毛细血管扩张性共济失调综合征（ataxia telangiectasia syndrome，ATS）是一种罕见的，累及多系统的常染色体隐性遗传性疾病，其特征是神经元变性、基因组不稳定和癌症高发。ATS发生于婴儿早期，10岁以前完全残疾。ATS患者的主要症状是肢体不协调、震颤和运动机能亢进、肌张力减退和腱反射消失。患病过程中构音障碍、面部表情怪异和眼球跳动等。10岁左右常出现智力障碍。在3~4岁后，毛细血管扩张的症状就会出现，主要在结膜、耳和颈部。最后出现严重的免疫缺陷。多数患者表现为细胞介导的免疫缺陷，IgA和IgE功能下降，可能是由未成熟B细胞合成，也可能是基因重排和拼接错误而造成的，因为ATS患者基因组中有合成IgA的DNA序列。

本病易感基因为AT基因，位于染色体11q22-q23。基因编码的大分子蛋白属于激酶家族一员，其C端有高度保守的激酶域，与磷脂酰肌醇3激酶域相当。激酶家族成员的主要功能是修复DNA和控制DNA损伤后细胞周期检查点的作用。当DSB时，AT基因首先被激活，并起DNA修复的“看管”作用。大多数AT基因的突变都会造成编码蛋白的截断和不稳定性，如果是错义突变和接合错误，则仅引起轻度的表型改变。此外，AT患者的细胞对电离辐射极为敏感，因此患癌概率增高。这些患者的染色体不稳定，DNA修复异常，有早老趋势，血清中有高水平的甲胎蛋白（alpha-fetal protein，AFP）。

神经系统症状的出现与生化改变或免疫缺陷无关，可能是组织分化异常所致，尤其是中枢神经系统、肝和生殖腺。用AT患者细胞进行实验，证实有两种不同的分子现象：在X射线或γ射线照射后，DNA复制受抑制和至少有两种的DNA修复旁路异常。X射线照射后，未经修复的DNA在细胞内长期存在，证实细胞DNA修复机制异常。但是，难以解释的是该病细胞有DNA修复缺陷，无正常照射后细胞有丝分裂延迟现象。

当AT为纯合子时，大约10%的患者发展为癌症，所发生的恶性肿瘤主要为B或T细胞性淋巴瘤、霍奇金淋巴瘤或白血病。AT的杂合子患乳腺癌的危险轻度增加。动物实验证明，AT缺陷小鼠的症状与AT患者有许多相同之处，胸腺淋巴瘤的发病率也升高。AT患者恶性淋巴肿瘤高发率与AT基因突变有关，AT缺陷的小鼠也证实了AT基因灭活是散发性恶性淋巴瘤的病因。另一方面，检查人恶性淋巴瘤染色体，发现11q22-q23位置上的AT基因杂合性丢失是一常见事件，而且在散发性T细胞性幼淋巴细胞白血病（T cell prolymphocytic leukemia，T-PLL）、B细胞性慢性淋巴细胞白血病（B cell chronic lymphocytic leukemia，BCLL）和套细胞淋巴瘤（mantle cell lymphoma，MCL）的病例也常检出AT基因的灭活。散发性恶性淋巴瘤最常见的AT基因突变类型为核苷酸错义突变。因此，AT基因是一种肿瘤抑制基因。由于从B-CLL患者的生殖细胞也检出AT基因错义突变，一些患者可能是先天性AT杂合子。

（五）科凯恩综合征

科凯恩综合征（Cockayne syndrome）的别名包括侏儒-视网膜萎缩-耳聋综合征、侏儒-视网膜萎缩综合征、侏儒症、早老性侏儒症、小头纹状体小脑钙化和脑白质营养不良综合征、染色体20-倍体综合征（trisomy-20 syndrome）及Neill-Ding-wall综合征。本病的病因不明，常染色体隐性遗传，47个染色体，在F组中有额外染色体，即染色体20三倍体。病理检查见中枢神经呈特异性退行性病变。大脑皮质、小脑及视神经萎缩，白质有多发性小钙化病灶。小脑的Pukinje细胞脱落，灰质和脑干有脱髓鞘病灶。肾动脉硬化，酷似高血压引起的继发性肾硬化外观。肾小球变性、肾小管萎缩。

科凯恩综合征临床上以侏儒伴进行性精神运动障碍和神经变性为特征，出生时患儿体重降低，多在2岁时发病，出现发育障碍、身体衰弱和光性皮炎后形成色素沉着性瘢痕、早衰和智力发育迟缓等症状。脑髓鞘形成有异常，并伴钙盐沉着，进而发展为色素性视网膜病、白内障和神经性耳聋等。通过观察患有科凯恩综合征两姐妹14年的疾病过程，证实其临床特征出现早，10岁以后迅速发展为早老和精神运动障碍，伴有明显的智力下降。CT和MRI扫描发现，大脑破坏。除此以外，科凯恩综合征患者对UV射线敏感，从培养患者的细胞也证实了这一点；其原因是在DNA转录中，对UV引起损伤后NER缺陷，但整个核苷酸切除修复（NER）基因组不受影响。另一类有科凯恩综合征症状的患者，同时有XPB、XPD或XPG基因的突变，这些患者对UV敏感，且整个NER基因也有缺陷，因而这些患者也有着色性干皮病（XP）的临床特征。

科凯恩综合征是由CSA和CSB基因突变所致，导致转录偶联修复（transcription coupled repair，TCR）缺陷。转录偶联修复是一种优先修复机制，主要发生在表达基因的转录链上，先于非转录链和其他基因组的修复。从B组科凯恩综合征患者分离出一种蛋白，称CSB，类似Rad26编码蛋白，属DNA依赖腺苷三磷酸酶（adenosine triphosphatase，ATPase；简称ATP酶）SWI2/SNF2家族成员，正常时参与转录偶联修复过程和染色质重塑，突变时这些功能丧失。

（六）沃纳综合征

沃纳综合征（Werner syndrome）又称成人早老综合征、维尔纳综合征，是一种早发而严重的过早老化性疾病，男多于女，1岁以内生长发育正常，以后逐渐发生早老改变。早老综合征是一种少见的以代谢异常、发育障碍和侏儒状态的疾病，伴有骨骼、牙齿、指趾甲、毛发及脂肪等发育不全，以童年表现老人面貌和动脉硬化等为其特征。患儿智力大多正常，但血脂增高，生长激素的生成较正常减少50%。

本病的病因尚未明了，可能与常染色体隐性遗传有关。发病多为散发病例，但亦有同卵双生两人发病的。有人认为，有遗传因素，其家族遗传方式可能与基因突变有关，有些病例有父母近亲结婚史，父亲的年龄多较大；可能由于胶原合成减慢，透明纤维增加，使脂肪细胞减少；其血管结缔组织发生变化，终致动脉粥样硬化。主要病理变化为全身性动脉粥样变、皮下组织缺乏脂肪及皮脂腺，而血脂升高；脱发、骨质疏松、骨质溶解和恶病质。对UV射线也呈高度敏感。本病患者的培养细胞不像正常细胞那样，能将断裂的DNA链重新连接起来，说明这种细胞DNA修复障碍。

（七）Nijmegen断裂综合征

Nijmegen断裂综合征（Nijmegen breakage syndrome，NBS）是一种极罕见的常染色体隐性遗传病，NBS1基因缺陷，该基因位于染色体8q21，现已被克隆，基因产物为nibrin，属于Rad50蛋白复合物（Mre11-Rad50-Nbs1，MRN）成员，正常该基因与DSB修复有关。由于NBS不能产生nibrin，致使Mre11不能进行细胞核定位和DSB修复。对55例NBS患者进行分析，发现大多数来自东欧国家，在Rad50基因中第657~661位点上有5bp缺失（缺失ACAAA）。另外，还发现4种缺失性突变。

异染色质蛋白1（heterochromatin protein 1，HP1）和MRN复合物都是保守因子，对基因组的稳定性和完整性具有重要作用。2019年，意大利等国学者发现果蝇中的HP1a蛋白可通过MRN复合物的chromoshadow结构域（CSD）与其结合。此外，MRN复合物的任一成员丢失均会降低HP1a的水平，说明MRN复合物可能是影响HP1a稳定性的一种调节剂。HPb1a在NBS突变细胞中过表达会大大减少NBS缺失，引起DNA损伤，表明HP1a与NBS可协同作用维持果蝇染色体的完整性。研究者还发现，人源HP1α与NBS1也具有相互作用，且与果蝇相似，siRNA介导的NBS1抑制可降低人培养细胞的HP1α表达水平。令人意外的是，在NBS患者来源的成纤维细胞中发现，携带NBS1基因657del5亚型突变并能够表达NBS1蛋白p26和p70截断片段的细胞能够积累HP1α蛋白，该发现与NBS1基因敲除细胞的结果不同，说明截断NBS1能够提高HP1α的表达和/或增强其稳定性。值得注意的是，采用siRNA敲低HP1α的表达能够降低成纤维细胞对辐射的超敏性。综上，该研究证明了HP1和NBS1之间紧密的相互作用对于基因组的稳定性至关重要，HP1α可能是抵消NBS患者细胞染色体不稳定的一个潜在靶标。

NBS患者的主要临床特征是小头畸形（microcephaly），通常无严重迟缓症状，有典型的鸟样面容（birdlike），免疫缺陷，染色体脆性增加，对X射线敏感，容易发生癌症，特别是恶性淋巴瘤。40%的患者在21岁前发生癌症。最为重要的特征是皮肤出现异常色素沉着，特别是咖啡牛奶色斑（café au lait spots）和白斑、先天性畸形，尤其是指/趾弯曲和并指/趾。在DNA修复功能障碍的患者，广泛存在有先天性畸形、免疫缺陷、对辐射敏感及易发生癌症。然而，还未发现特殊基因型-表型之间的联系，即有相同基因型的患者所表现的表型不同，而有不同基因型的患者却表现相同的表型。特殊的突变却不表现特别的临床特征。NBS可以通过NBS1基因序列分析其是否突变或nibrin免疫斑点杂交来确诊。

（八）遗传性非息肉病性结直肠癌

DNA修复基因突变造成癌症发生的最好例子是遗传性非息肉病性结直肠癌（hereditary nonpolyposis colorectal cancer，HNPCC）。这种疾病的特征是家族性结直肠癌，好发部位为盲肠和近端结肠，其原因是DNA错配修复基因缺陷。DNA错配修复基因可使DNA复制错误减少1 000倍以上，一旦DNA错配修复基因出现缺陷，DNA突变率就会增加；在不能有效修复的情况下，会影响到肿瘤抑制基因和癌基因的改变，从而引起肿瘤的发生。与HNPCC相关的基因至少有4对错配修复基因发生突变，其中1个基因称人类MSH2（hMSH2），定位于2号染色体。部分患者hMSH2基因中1个拷贝缺陷与生俱来，而另1个位于结肠上皮细胞的错配修复基因拷贝则遭受“二次打击”。因此，DNA错配修复基因的遗传致病模式类似p53和Rb等肿瘤抑制基因，但该基因对细胞的生长无调控作用。HNPCC患者除发生结直肠癌外，子宫内膜癌的发生率也相当高，是最常见的结直肠外肿瘤。在一些HNPCC家族，不发生结直肠癌，只发生子宫内膜癌，发病率大约为22%~43%。奇怪的是，其他组织罕见发生癌症。已发现，大多数HNPCC家族生殖细胞的hMSH2第2外显子基因突变位于300~305的碱基，为AGTTGA缺失，因而肿瘤组织中不能表达hMSH2基因蛋白产物，提示这种缺失突变是该肿瘤的病因。李会晨等研究证实，错配修复基因hMSH6是中国人HNPCC突变的一个组成部分，肿瘤细胞间浸润淋巴细胞增多是其基本特征和标志。

（九）Muir-Torre综合征

Muir-Torre综合征（Muir-Torre syndrome，MTS）是一种罕见的染色体显性遗传性疾病，其发生与DNA错配修复的种系突变相关。但也有研究发现，器官移植后应用相关免疫抑制剂的患者亦可罹患MTS。根据是否显示微卫星不稳定性（microsatellite instability，MSI）将MTS分为Ⅰ型和Ⅱ型。本病男女均可罹患，男性较多，发病年龄平均为48岁。

MTS患者主要特征为内脏恶性肿瘤和皮脂腺疾病。家族患病的基础是DNA错配修复基因缺陷。患者肿瘤见于胃肠道多发性腺癌、子宫内膜癌、卵巢癌、乳腺癌、泌尿道乳头状移行细胞癌、多种皮肤肿瘤以及角化棘皮瘤。所有这些肿瘤都表现为微卫星不稳定和错配修复基因蛋白MSH2缺乏。在生殖细胞查出hMSH2的突变点在337密码子，为CAA→TAA，使Gln→STOP。

（十）囊性纤维化

囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）是白人中最常见的致寿命缩短的遗传性疾病，美国白人婴儿的发病率约为1/3 300，黑人婴儿为1/15 300，亚裔美国人为1/32 000；30%患者为成人。

CF是常染色体隐性遗传，白人中基因携带者占3%。相关基因位于染色体7q（长臂）基因组DNA的25万对bp上，编码膜相关蛋白，即囊性纤维化穿膜传导调节蛋白（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）。最常见的基因突变，△F508导致CFTR蛋白508位置上的苯丙氨酸残基缺失，并发生在约70%的等位基因中；另有30%有600种以上较少见的基因突变，CFTR的功能尚未明确，但显然是cAMP调节的氯离子通道的一部分，并且调节氯和钠跨细胞膜的转运，杂合子无异常的临床症状，但存在上皮细胞膜转运的轻度异常。

根据梗阻性黄疸、肝肿大和门静脉高压等临床表现，血清谷丙转氨酶、谷草转氨酶及碱性磷酸酶升高，胆囊造影不显影，汗液中氯化物增加及肝活检异常可以确立诊断。

（十一）亨廷顿病

亨廷顿病（Huntington disease，HD）是一种常染色体显性遗传，与衰老和年龄相关的神经系统退行性疾病，在1872年首次由Huntington医生发现，直到1993年研究者才证实其是由于亨廷顿基因（HTT）发生突变而导致的，突变的亨廷顿蛋白（mutant huntingtin，mHTT）会导致蛋白质构象的改变，在胞内产生聚集，引起神经元死亡及进行性神经退变。HD患者体内HTT基因存在CAG三核苷酸重复次数的异常增加，在蛋白质水平上表现为多聚谷氨酰胺（polyglutamine，polyQ）延长，病理表现为基底神经节纹状体神经元的死亡以及大脑萎缩。

HD患者的临床症状表现为舞蹈样运动、认知障碍和精神失常。HD的致病机制目前并不完全清楚，现有证据支持一些假说，如氧化压力、线粒体功能异常和基因毒性压力都是引发HD的潜在分子机制。越来越多的研究聚焦其DNA损伤修复异常在神经退行性疾病中所起的作用。2017年，美国Ross和Truant认为DNA损伤修复异常是神经退行性疾病发生的共同机制，DNA损伤修复在HD的发生中扮演重要的角色，HTT突变会引发多种DNA损伤及修复通路的过度激活，HD细胞对电离辐射敏感，存在DSB修复缺陷；同时，HTT突变会阻碍DNA修复关键因子毛细血管扩张性共济失调突变（ATM）蛋白在DNA修复中正常功能的发挥。DNA修复通路还是HD发病年龄的重要影响因素。此外，将ATM作为治疗靶点，能够减轻突变HTT基因引发的细胞毒性及动物模型的疾病进程；ATM还在维持细胞稳态和线粒体信号中起着关键作用。鉴于线粒体异常与HD发病的相关性，ATM作为治疗靶点的分子机制也逐渐明朗。

近期，我国鲁伯埙等在Nature杂志发文（列为2019年Nature十大杰出论文之一），利用细胞内的天然清除机制——自噬作用，由“自噬小体”有选择地降解mHTT蛋白。研究者用小分子筛选4种化合物能改善亨廷顿病患者的病情。

另外，以李晓江领衔的国际研究团队首次利用基因编辑技术（CRISPR/Cas9）和体细胞核移植技术，成功培育出世界首例HTT基因敲入猪，精准地模拟出人类神经退行性疾病。研究表明，该模型不但能够模拟HD患者在大脑纹状体的中型棘突神经元选择性死亡的典型病理特征，而且在行为表型上也能表现出类似HD的“舞蹈样”行为异常。更重要的是，这些病理特征及异常行为都可以稳定地遗传给后代。

我国陈功领导的研究小组开发一系列基于神经源性分化因子1（NeuroD1，在正常大脑发育过程中促进神经元生成的一种因子）的基因疗法，将脑内神经胶质细胞直接重编程为功能新的神经元，以治疗各种脑部疾病，包括HD等。在基因治疗后，小鼠运动功能明显恢复，寿命显著延长。