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自然界中的各种物理、化学、生物以及自身因素对DNA分子直接或间接的作用可导致碱基对组成或排列顺序的变化，若这些变化都表现为基因突变，则无法保持DNA分子的高度精确性和完整性，生命将无法生存和延续。然而事实并非如此，细胞内存在多种DNA损伤修复系统，可以修复DNA分子损伤与错误，降低突变所引起的有害效应，故修复系统可以说是DNA的安全保障体系。
非电离辐射（本章主要指紫外线）由于能量较低，不足以使原子电离，只能产生激发作用造成DNA分子单链上的相邻两个嘧啶形成共价二聚体，如胸腺嘧啶二聚体（TT）、胞嘧啶二聚体（CC）等，严重影响DNA的复制和转录。
（一）光复活修复
光复活修复（photoreactivation repair）又称光修复（photo repair），是在损伤部位进行修复。关键因素是光复活酶（photoreactivating enzyme）和300～600nm的可见光。光复活酶能识别嘧啶二聚体，并与之结合，形成酶-DNA复合物，通过可见光的照射，利用其提供的能量解开嘧啶二聚体，然后光复活酶从复合物中释放出来，完成修复，这一过程称为光复活修复（图3-11）。
图3-11 光修复过程的示意图
1. 完整的DNA分子区段；2. UV照射后，形成TT，DNA分子空间构型改变；3. 光复合酶识别出变形的地方，与之结合并形成酶-DNA复合体；4. 吸收可见光，利用能量，酶能把二聚体分开；5. 最后DNA恢复正常构型，酶释放。
（二）切除修复
切除修复（excision repair）又称暗修复（dark repair），为取代损伤部位的修复。切除修复发生在复制之前，需要4种酶参与：①核酸外切酶；②核酸内切酶；③DNA聚合酶；④连接酶。首先核酸内切酶在胸腺嘧啶二聚体一侧切开该DNA单链，然后以另一条正常链为模板，由DNA聚合酶按照碱基互补原则，补齐需切除部分（含TT等）的碱基序列，最后由核酸外切酶切去含嘧啶二聚体的片段，并由连接酶将断口与新合成的DNA片段连接起来（图3-12）。这种修复方式除了能切除嘧啶二聚体外，还可切除DNA上的其他损伤。人的色素性干皮症（xeroderma pigmentosum，XP）为隐性纯合体的体征，表现为易发皮肤肿瘤、光过敏、白内障、神经异常等，主要是患者的成纤维细胞切除修复酶系统缺陷，如解旋酶、核酸内切酶基因突变等，造成不能对紫外线诱发的大量DNA损伤进行有效修复所致。
（三）重组修复
重组修复（recombination repair）又称复制后修复，大致经过以下三步：
1. 复制 含有嘧啶二聚体或其他结构损伤的DNA仍可进行复制，当复制到损伤部位时，DNA子链中与损伤部位相对应的部位出现缺口，复制结束。
图3-12 嘧啶二聚体的切除修复示意图
1. UV照射后，形成胸腺嘧啶二聚体（TT）；2. 一种特定的核酸内切酶识别胸腺嘧啶二聚体（TT）的位置，在二聚体附近将一条链切断，造成缺口；3. DNA聚合酶以未受伤的互补DNA链为模板，合成新的DNA片段，合成方向是5′→3′，弥补DNA的缺口；4. 专一的核酸外切酶切除含有二聚体的一段核苷酸链；5. 连接酶将缺口封闭，DNA恢复原状。
2. 重组 完整的母链与有缺口的子链重组，使缺口转移到母链上。
3. 再合成 重组后，母链上的缺口由DNA聚合酶合成互补片段，再由连接酶使新片段与旧链连接完整，从而使复制出来的DNA分子的结构恢复正常（图3-13）。
在重组修复过程中，不能从根本上消除亲代DNA结构中的二聚体损伤，但能使复制出来的DNA分子结构保持正常；当第二次复制时，又要重复上述过程。虽然二聚体始终没有消除，但是经多次复制之后，受损伤的DNA分子在生物体内的比例会大大降低，逐渐被“稀释”，最终无损于机体细胞正常的生理过程。
图3-13 重组修复示意图
1. DNA的一条链上有胸腺嘧啶二聚体；2. DNA链复制时越过嘧啶二聚体，在二聚体对面的互补链上留下缺口；3. 核酸内切酶在完整的DNA上形成一个缺口，使有缺口的DNA链与极性相同，但有缺口的同源DNA链的游离端互补；4. 二聚体对面的缺口由新核苷酸链片段（粗线）弥补起来，此新片段是以完整的DNA分子为模板合成的；5. 连接酶使新片段与旧链连接，完成重组修复。
（四）跨损伤修复
当DNA复制在损伤部位中断时可发生耐受损伤的跨损伤修复，或称SOS修复（SOS repair），是DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式。该修复过程实质是利用损伤核糖核酸为模板，通过DNA聚合酶使碱基掺入至复制中断处进行DNA合成，使DNA链延长。修复结果能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误、掺入的碱基易使DNA链中产生碱基序列的差异。因此是一种易误修复过程，往往可致突变形成。
电离辐射（X射线）对DNA的损伤没有选择性和特异性，除直接损伤作用外，还通过对水的电离所形成的自由基起间接损伤作用，DNA单链或双链断裂，造成缺失、重复、倒位或易位。高剂量照射时，还可以引起碱基的破坏。由于电离辐射对DNA的作用比较复杂，修复机制还不甚清楚。
近年来的研究表明，X射线可以引起原初DNA单链以相同方式断裂，只是因修复效应不同，所以观察到单链打断有所差异。一般认为，DNA损伤的修复有3种过程，需要3种不同的酶系。
（一）超快修复
单链打断的极快修复过程。在适宜条件下，大约2分钟内修复即可完成，可能是DNA连接酶的单独作用，将被打断的单链迅速连接起来。
（二）快修复
修复速度稍慢于超快修复，需要DNA聚合酶Ⅰ参与修复过程，一般在室温下、在缓冲液中迅速进行。例如，细菌在X射线照射后几分钟内，在室温下、在缓冲液中即可使超快修复所剩下的断裂单链的90％被修复。 E.coli 变异株经X射线照射后，单链断裂的修复效率较低，因为缺乏DNA聚合酶Ⅰ修复系统。
（三）慢修复
修复时间较长，是重组修复系统对快修复方式所不能修复的单链断裂加以修复的过程。例如，在37℃培养基中，细菌完成慢修复的时间在40～60分钟。
生物体对DNA损伤的修复过程是普遍存在的，它是细胞的正常生理功能。不仅电离辐射、紫外线引起的损伤可以被修复，许多化学诱变剂所引起的损伤也可以被修复。修复作用在一定程度上保持着遗传物质的相对稳定性，保证了细胞的正常生命活动。而修复缺陷或者错误修复，则可能对生物体造成不同形式和程度的危害。当然，某些没有修复的突变也可能成为生物进化的源泉。
思考题
1. 什么是基因突变？
2. 基因突变有哪些特性？
3. 基因突变有哪些主要类型？
4. 请从分子水平总结基因突变的发生机制。