碱基切除修复

**碱基切除修复（BER）**是一种DNA修复途径，可纠正DNA中经化学修饰或不适当的碱基，尤其是不会明显扭曲双螺旋结构的损伤。修复通常始于 DNA 糖基化酶移除单个碱基，在 DNA 骨架上留下缺碱基的糖。随后的一系列反应会处理该位点、替换受影响的 DNA，并封合 DNA 链。BER 有助于保护遗传信息，避免其因自发性化学变质和环境因素造成的损伤而受损。(nobelprize.org)

BER识别的损伤

DNA 链不会因碱基发生化学变化而立即断裂。BER 可识别许多这类改变，包括氧化、脱氨以及某些烷基化反应产生的产物。BER 的典型起始步骤是识别改变后的碱基，而不是移除一段较长且结构已发生扭曲的 DNA。(nobelprize.org)

以下两个例子体现了该途径的特异性：

• **DNA中的尿嘧啶：**脱氨会使胞嘧啶转变为尿嘧啶。尿嘧啶-DNA 糖基化酶移除尿嘧啶，随后修复过程以对链上的鸟嘌呤为模板，将胞嘧啶恢复。糖基化酶反应本身会释放碱基，但不会立即切断糖-磷酸骨架。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
• **8-氧代鸟嘌呤：**鸟嘌呤氧化会产生8-氧代鸟嘌呤，它在DNA复制过程中可能与腺嘌呤错配，从而促进突变。当该损伤与胞嘧啶配对时，人类糖基化酶 OGG1 会优先将其移除。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

因此，BER 包含多种损伤识别途径，这些途径汇聚到相近的下游处理反应；它并非由一个对所有受损碱基都具有相同特异性的单一酶系统组成。(nobelprize.org)

分子机制

碱基识别与切除

DNA糖基化酶是一种酶，可识别特定碱基底物，并切断连接碱基与脱氧核糖的 N-糖苷键。许多糖基化酶会将目标碱基从 DNA 螺旋中翻出，置于催化口袋内，以此检查底物。切除后会留下一个无碱基位点，也称为 AP 位点，即无嘌呤或无嘧啶位点。初始的碱基移除反应之后，糖及其周围的骨架仍然保留。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

不同糖基化酶的催化能力各异。有些只移除碱基；另一些还具有 AP 裂解酶活性，可切断无碱基位点处的骨架。例如，哺乳动物 OGG1 既能催化碱基移除，也能处理缺碱基的糖。所形成的中间产物决定后续需要哪些反应。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

骨架切割与末端处理

在由移除碱基的糖基化酶启动的哺乳动物经典途径中，AP核酸内切酶 APE1 会在无碱基位点的 $5'$ 侧紧邻处切断一个磷酸二酯键。这一反应会产生一个 $3'$-羟基和一个 $5'$-脱氧核糖磷酸残基。羟基可作为修复合成的起始端，而残留的糖-磷酸基团则必须先被移除，DNA 链才能完全封合。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

DNA聚合酶β具有两种相关活性：合成替代 DNA，并通过其 dRP 裂解酶活性移除 $5'$-脱氧核糖磷酸。这是同一种蛋白质中的两种不同催化功能。因此，成功完成 BER 不仅需要插入正确的碱基，还需要形成化学性质适合修复的 DNA 末端。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

修复合成与连接

聚合酶以互补链为模板填补修复缺口。随后，DNA连接酶封合剩余的切口，恢复骨架的连续性。研究人员使用纯化的人尿嘧啶-DNA 糖基化酶、AP 核酸内切酶、聚合酶β和连接酶III，对尿嘧啶-鸟嘌呤底物进行了实验性修复。辅助蛋白 XRCC1 与聚合酶β和连接酶III相互作用，起协调支架作用，而不是直接催化这些反应的酶。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

短片段与长片段修复

BER 可以替换单个核苷酸，也可以替换一小段 DNA。这两种方式分别称为短片段修复和长片段修复。

这些差异已通过使用纯化蛋白质进行的生化重构实验得到证实。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

在长片段修复中，DNA 合成会置换现有链的一部分，产生一个含有待移除物质的 DNA 瓣。瓣状结构核酸内切酶1（FEN1）会切割这一结构。研究人员已利用 AP 核酸内切酶、复制因子C、PCNA、FEN1、聚合酶δ和连接酶I，重构出一种 PCNA 依赖的人类修复系统。“长片段”描述的是替换合成的范围，并不意味着起始损伤本身一定很大。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

细胞核与线粒体中的修复

BER 同时作用于细胞核 DNA 和线粒体 DNA，但参与其中的聚合酶及其相对贡献未必相同。在纯化的线粒体 BER 系统中，人类聚合酶γ能够填补单核苷酸缺口，并移除脱氧核糖磷酸。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

早期将聚合酶γ描述为唯一线粒体 DNA 聚合酶的说法并不完整。实验研究已在几种哺乳动物细胞类型的线粒体中检测到聚合酶β，并证明它参与线粒体修复。因此，应根据研究的组织或实验系统来描述其作用，而不应假定聚合酶β不存在于线粒体中。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

损伤移除以外的作用

BER 机制也参与调控DNA甲基化的变化。在一种主动去甲基化途径中，TET 酶会氧化甲基化的胞嘧啶衍生物，而胸腺嘧啶 DNA 糖基化酶会移除包括5-甲酰胞嘧啶和5-羧基胞嘧啶在内的产物。下游修复过程可用未修饰的胞嘧啶替换被切除的残基。这使碱基切除与表观遗传学调控相联系：BER 的底物并非总是意外产生的损伤，也可能是 DNA 受控修饰过程中的中间产物。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

生物学意义与局限

一种已确立的人类疾病关联是MUTYH相关性息肉病。MUTYH 编码一种参与碱基切除修复的 DNA 糖基化酶；若遗传自父母双方的拷贝都发生致病变异，就会导致一种常染色体隐性遗传疾病，并显著增加结直肠癌症风险。这说明，特定损伤处理活性的丧失会损害基因组维护。(medlineplus.gov)

修复并非在每个中间阶段都必然无害。BER 会暂时产生无碱基位点和链断裂。当多个损伤位点彼此接近，尤其是分布在相对的两条链上时，对它们的处理可能造成双链断裂或增加发生突变的可能性。针对簇集损伤的实验表明，损伤处理的先后顺序及位点间距会影响修复是恢复 DNA，还是造成后果更严重的损伤。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

BER 也不同于另外两种主要的切除修复途径。核苷酸切除修复会移除含有紫外线诱导损伤等病变的 DNA 片段，而DNA错配修复则会纠正与 DNA 复制相关的碱基配对错误。BER 的定义性特征是以移除单个碱基作为修复起始步骤。(nobelprize.org)

发现

一项奠基性发现是 Tomas Lindahl 于1974年从细菌大肠杆菌中鉴定出一种酶，该酶能够从含有脱氨胞嘧啶的 DNA 中释放尿嘧啶。这一发现表明，修复反应针对的是碱基-糖键，而非首先切断 DNA 骨架。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

后续生化研究鉴定了下游反应活性，并利用纯化的人类蛋白质重构了修复过程。Lindahl 与 Paul Modrich 和 Aziz Sancar 共同获得2015年诺贝尔化学奖，以表彰他们对 DNA 修复机制的研究，分别认可了他们在碱基切除修复、错配修复和核苷酸切除修复方面的工作。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)

参考来源

1. Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2015: Mechanistic Studies of DNA Repairnobelprize.org
2. An N-glycosidase from Escherichia coli that releases free uracil from DNA containing deaminated cytosine residuespubmed.ncbi.nlm.nih.gov
3. A mammalian DNA repair enzyme that excises oxidatively damaged guanines maps to a locus frequently lost in lung cancerpubmed.ncbi.nlm.nih.gov
4. Reconstitution of DNA base excision-repair with purified human proteins: interaction between DNA polymerase beta and the XRCC1 proteinpmc.ncbi.nlm.nih.gov
5. Modulation of the 5'-deoxyribose-5-phosphate lyase and DNA synthesis activities of mammalian DNA polymerase beta by apurinic/apyrimidinic endonuclease 1pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
6. Excision of deoxyribose phosphate residues by DNA polymerase beta during DNA repairpubmed.ncbi.nlm.nih.gov
7. Human DNA polymerase beta deoxyribose phosphate lyase. Substrate specificity and catalytic mechanismpubmed.ncbi.nlm.nih.gov
8. Reconstitution of proliferating cell nuclear antigen-dependent repair of apurinic/apyrimidinic sites with purified human proteinspubmed.ncbi.nlm.nih.gov
9. Identification of 5'-deoxyribose phosphate lyase activity in human DNA polymerase gamma and its role in mitochondrial base excision repair in vitropubmed.ncbi.nlm.nih.gov
10. DNA polymerase β outperforms DNA polymerase γ in key mitochondrial base excision repair activitiespubmed.ncbi.nlm.nih.gov
11. DNA Polymerase Beta Participates in Mitochondrial DNA Repairpubmed.ncbi.nlm.nih.gov
12. Tet-mediated formation of 5-carboxylcytosine and its excision by TDG in mammalian DNApubmed.ncbi.nlm.nih.gov