維護遺傳物質化學穩定性的DNA修補
 
2016/08/05
 
蕭世裕 | 成功大學化學系
許茗閎 | 成功大學化學系
 
 
遺傳物質DNA

生物體擁有的遺傳物質會決定該生物的特徵,若把生物體比做一棟建築物,遺傳物質就如同建築藍圖,它記載了建築物所有的資訊。

生物的遺傳物質是染色體,而染色體主要由去氧核醣核酸(DNA)所組成。DNA是一種長鏈聚合物,由4種核苷酸以磷酸酯鍵結合而成,而每一種核苷酸都含有一種鹼基,分別是腺嘌呤(adenine, A)、胸腺嘧啶(thymine, T)、胞嘧啶(cytosine, C)及鳥糞嘌呤(guanine, G),這些鹼基沿著DNA長鏈的排列次序就組成了生物的遺傳密碼。

1953年華生(James D. Watson)和克里克(Francis H. C. Crick)解出DNA的雙鏈螺旋立體結構,他們發現DNA是由兩個單鏈DNA以鹼基配對(G對C,A對T)的方式纏繞在一起,鹼基配對是以微弱的氫鍵作用而成。隨後他們更提出在細胞分裂過程中,DNA會先行複製,其複製方式就是先把雙鏈DNA拉開,以每一單鏈當作模板合成子代DNA。複製的結果是一條雙鏈變成兩條雙鏈,分別提供給兩個子代細胞,這個假設終獲證實,從此解開DNA扮演生物遺傳物質的謎底。

人類是由精子裡的23條染色體和卵子裡的23條染色體結合成體內最原始版本的遺傳物質,所有能說明「我們是啥」的資訊都存在於此。這時候,受精卵中的遺傳物質(DNA)排列起來有兩公尺長,但隨著受精卵經過無數次的分化和分裂後,人體DNA的總長度甚至已達可以從地球繞到太陽250圈。這麼龐大的生物資訊相當可觀吧?華生和克里克能夠解出這謎底,因此被公認為近代生物學之父,實在是實至名歸!

DNA面臨的挑戰

一條兩公尺長的DNA最後複製成足以繞地球和太陽250圈的DNA,而且最近一次複製的DNA與原來受精卵的原始版本DNA幾乎完全相同,這就是生命分子偉大可貴之處。從化學的觀點來看,這幾乎是不可能的事情,因為所有化學反應都會伴隨著隨機的錯誤。此外,我們的DNA每天都會受到來自太陽的高能量輻射線和環境及體內的高反應性分子的攻擊。面對這麼多嚴厲的考驗,DNA並沒有輕易地被改變或產生突變,這是什麼原因呢?

2015年的3位諾貝爾獎得主林達爾(Tomas Lindahl)、莫瑞克(Paul Modrich)與桑賈爾(Aziz Sancar)分別替我們解開了生物體內偵測與修護受損DNA的分子機制,甚至進一步針對一些遺傳性疾病、癌症的形成和老化的因子提出精闢的解釋。

三種DNA修補的機制

生物體經過長期的繁衍依然能夠存在,代表了DNA一定是可以修補的。生物的演化的確需要突變,但在每一個世代裡只能允許少數的改變,如果生物體的DNA一下子改變太多,這生物體會產生劇烈的變化,若不能適應就會導致滅亡。林達爾在1960年代末期就是在探討一個問題:DNA到底有多穩定?

他發現DNA會進行一個緩慢的衰變;核苷酸中的胞嘧啶會脫去一個胺基(-NH2)而變成尿嘧啶(uracil, U),進而導致鹼基配對的改變。在DNA雙鏈螺旋中,胞嘧啶(C)應與鳥糞嘌呤(G)配對,但尿嘧啶(U)的確傾向與腺嘌呤(A)配對,如果讓這個缺陷存在,在下一次DNA複製時會造成突變。

林達爾發現細胞對這問題有一個保護機制,在1974年他發現一組稱為醣苷酶的酵素,可以偵測DNA中自然衰變的產物尿嘧啶,把它切除後,另一個酵素繼續移除DNA鏈上殘缺的核苷酸,最後由DNA聚合酵素和DNA連接酵素把缺口縫合,以確保DNA的完整性,這是讓受損的DNA破鏡重圓完好如初的第一個例子。顯然的,林達爾揭開了細胞內DNA的鹼基切除式修補機制。

除了須面對生物自然的衰變外,DNA還會受到紫外線的攻擊而受傷,在細胞中修補紫外線造成的破壞有兩種機制:光分解酵素修補機制和核苷酸切除修補機制,這都是桑賈爾發現的。當紫外線照射到細胞的DNA時,鄰近的兩個胸腺嘧啶會產生二聚體,進而導致基因的突變。1976年桑賈爾成功地利用分子生物學工具,選殖了一個光分解酵素,它可以利用藍光修補胸腺嘧啶二聚體。

隨後他發現不需仰賴藍光就可直接修補胸腺嘧啶二聚體的uvrA、uvrB和uvrC 3個基因所編碼的3個酵素。這3個酵素以分工合作的方式,偵測和移除受到紫外線破壞的DNA(胸腺嘧啶二聚體),然後再把破損的DNA依鹼基配對的方式修補回去,以確保DNA的完整性,這是破鏡重圓完好如初的第二個例子。

誠如上述,一個人類細胞的DNA就含有約60億個鹼基對,當細胞分裂一次,這60億個鹼基對就必須忠實地複製一次。在人類的細胞中,DNA的複製仰賴3種DNA聚合酵素,這些酵素不但扮演合成DNA的角色,還須校對並修正所合成DNA的準確性。在這嚴密的複製系統下,若仍有漏網之魚沒有被發現,就需要仰賴「誤配修補機制」來補救這一個缺失了。

在誤配修補過程中,最重要的是確認哪一鏈是母代DNA,哪一鏈是子代DNA,把誤配的子代DNA切除,再依照母代DNA的鹼基序列修補回去。

1970年代末期,莫瑞克發現了一個有趣的酵素—甲基化酶,它會把甲基偶合到DNA上,這些甲基可做為信號站,指引特定的DNA限制酵素在正確的位置切割DNA鏈。隨後,他與麥瑟森(Matthew Meselson)教授合作,創造了一個具有誤配的噬菌體DNA。莫瑞克利用甲基化酶把其中一鏈DNA甲基化,然後使這噬菌體感染細菌,結果發現這個細菌只修正沒有被甲基化的那一條DNA鏈。

莫瑞克與麥瑟森於是提出了一個結論,在DNA複製的過程中,母代DNA已經被甲基化,子代DNA剛合成出來而尚未甲基化,參與誤配修補的酵素由此可以辨認出未被甲基化的子代DNA並予以切除,然後再依照甲基化的母代DNA的鹼基序列修補回去,以確保DNA的完整性,這是破鏡重圓完好如初的第三個例子。

DNA修補與癌症的關係

面對核苷酸鹼基的不穩定性、每天由太陽照射的紫外線、DNA複製時產生誤配的鹼基,以及來自環境與食品的汙染物,生物體的基因必須修復成千上萬的損傷,因此除了鹼基切除式修補、核苷酸切除式修補,以及誤配式修補外,生物體內應該還有其他的機制維護DNA的完整性。

因為如果缺乏這些修補機制或DNA修補系統有缺陷,生物體的遺傳物質會被破壞而突變,嚴重時甚至導致癌症的發生。例如核苷酸切除式修補系統的先天缺陷會導致著色性乾皮病,這種病患對紫外線照射程度敏感,並在過度暴露於陽光下之後產生皮膚癌。DNA誤配修補系統的缺陷則會增加遺傳性大腸癌的機率。

另外有一些癌細胞,其DNA突變的比率很高,對化療藥物的抗藥性也很高,它就是把一個或多個DNA修補系統部分或完全關閉所造成的。這種癌細胞的DNA飽受創傷且非常脆弱,藥物研究人員就利用這一特性,開發可抑制這種癌細胞殘餘的修補系統,以加速癌細胞死亡的藥物,抗癌藥物奧拉帕尼(Olaparib)就是這種抑制癌細胞修復系統的範例。

林達爾、莫瑞克和桑賈爾3位科學家在DNA修補系統的基礎科學研究成果,不但清楚說明了生物體內如何維護遺傳物質DNA的完整性,更協助我們了解一些癌症形成的原因和發展出治療的藥物。莫瑞克說:「由好奇心驅使的研究是如此重要,你永遠不知道它會帶你往何處……當然也需要一些好運氣。」

【2015年諾貝爾化學獎特別報導】

 
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