双链断裂

双链断裂（Double-Strand Breaks，简称 DSBs），是指 DNA 分子中两条互补链在相邻位置同时发生磷酸二酯键断裂的现象。与单链断裂（SSB）不同，DSBs 会导致染色体物理连续性的完全丧失。DSBs 是细胞内最严重的 DNA 损伤形式，若未能及时或准确修复，将直接导致**染色体易位**、**细胞凋亡**或恶性转化。它是**放射治疗**、**化疗**以及**CRISPR/Cas9**基因编辑技术发挥作用的核心病理/物理基础。

双链断裂
Double-Strand Breaks

✕ 物理连续性丧失
核心后果	基因组不稳定性
诱发因素	电离辐射、复制压力
修复路径	NHEJ、HRR
检测标志	γ-H2AX 焦点
临床转化	合成致死、放疗增敏

诱导因素：内源性与外源性的双重应激

细胞每天约产生 $10 \sim 50$ 个内源性 DSBs，这些损伤主要来源于：

• **内源性因素**：
  • **复制叉坍塌**：当复制叉遇到单链断裂或 DNA 损伤位点时，可能发生停滞并随后断裂。
  • **活性氧 (ROS)**：高浓度的自由基通过氧化应激直接攻击脱氧核糖。
  • **生理性断裂**：如免疫球蛋白基因组中的 **V(D)J重组** 或减数分裂中的染色体交叉。
• **外源性因素**：
  • **电离辐射 (IR)**：X 射线、$\gamma$ 射线通过直接或间接（电离水分子产生自由基）方式切断 DNA。
  • **拟化学治疗药物**：如博来霉素、拓扑异构酶抑制剂（依托泊苷等）通过干扰 DNA 拓扑状态诱发断裂。

修复博弈：NHEJ 与 HRR 的路径选择

细胞进化出了两套精密协作的修复方案，它们在保真度与细胞周期依赖性上存在显著差异。

DSBs 主要修复路径对比表

维度	**非同源末端连接 (NHEJ)**	**同源重组修复 (HRR)**
**工作原理**	直接将断端连接，无需模板。	利用姊妹染色单体作为精确模板。
**保真度**	**低**（易产生插入或缺失）。	**极高**（无损修复）。
**周期限制**	贯穿整个细胞周期。	仅限 S 期和 G2 期（有模板时）。
**核心蛋白**	Ku70/80, DNA-PKcs, Ligase IV。	BRCA1, BRCA2, RAD51, PALB2。

损伤感知：DNA 损伤反应 (DDR) 级联

当 DSBs 发生时，细胞会立即启动 **ATM** 激酶介导的信号级联。

1. **感知**：MRN 复合物识别断裂末端并激活 ATM。
2. **放大**：ATM 磷酸化组蛋白 **γ-H2AX**，在断裂位点形成可见的物理焦点（Foci）。
3. **决策**：通过下调 **p53** 等因子触发生长停滞（Checkpoint），为修复争取时间；若损伤不可修复，则引导细胞进入**衰老**或凋亡。

临床医学应用

• **合成致死疗法**：在 **HRD**（同源重组缺陷）的肿瘤中，通过抑制单链断裂修复酶 **PARP**，迫使 SSBs 转化为 DSBs。由于肿瘤细胞无法完成高保真修复，最终导致癌细胞死亡。
• **放射治疗原理**：放疗的目标是诱导足够的 DSBs 以超过肿瘤细胞的修复极限，从而实现局部控制。
• **基因编辑控制**：CRISPR 系统通过产生精准的 DSBs 来激发细胞的自发修复。若引导其进入 NHEJ 路径，则实现基因敲除；若提供模板进入 HRR 路径，则实现基因精准修正。

参考文献

• [1] **Jackson SP, Bartek J**. **DNA damage response in human biology and disease.** Nature. 2009.
• [2] **Ciccia A, Elledge SJ**. **The DNA damage response: making it safe to play with knives.** Molecular Cell. 2010.
  • 【评析】**：对 DDR 系统进行了系统综述，详细描述了 DSBs 识别与修复的竞争机制。
• [3] **Khanna KK, Jackson SP**. **DNA double-strand breaks: signaling, repair and the cancer connection.** Nature Genetics. 2001.

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