5.2.1 DNA的损伤与修复
大量事实支持DNA是射线作用靶分子的论点。在一定照射剂量范围内，射线造成细胞DNA损伤的同时，也伴随着DNA损伤的修复。
5.2.1.1 DNA分子结构的破坏
常见的DNA损伤有碱基脱落、碱基破坏、嘧啶二聚体形成、单链和双链断裂、DNA链内交联和链间交联、DNA蛋白质交联等（图5.3、图5.4）。
图5.3 电离辐射对DNA分子的损伤
图5.4 DNA的链断裂和嘧啶二聚体形成
（1）碱基的破坏或脱落（damage or deletion）
一般来说，射线诱导的碱基破坏多于碱基脱落，四种碱基辐射敏感性的顺序为：T＞C＞A＞G。嘧啶碱基在羟自由基的攻击下易发生加成、抽氢等反应，导致碱基环的破裂，生成一系列辐射分解产物。
（2）嘧啶二聚体（dimerization）的形成
DNA链上相邻嘧啶碱基共价交联形成环丁烷或二聚体。但实验表明，γ射线诱导DNA链内碱基二聚体生成的能力比紫外线低得多。
（3）链断裂（chain break）
这是电离辐射所致DNA损伤的主要形式。磷酸二酯键的断裂或脱氧核糖的破坏等直接原因，或碱基破坏、脱落等间接原因，都能引起DNA链断裂。DNA双螺旋中有一条链断裂者为单链断裂（single strand break，SSB），两条链于同一处或紧密相邻处同时断裂者为双链断裂（double strand break，DSB）。双链断裂所需的能量比单链断裂约高10～20倍。双链断裂对细胞的危害比单链断裂大得多，被认为是细胞死亡的重要原因。
（4）DNA交联（cross-linking）
由于电离辐射，碱基与碱基之间，碱基与蛋白质之间可形成共价键。因此，同一DNA链相邻碱基之间可发生链内交联（intrastrand cross-linking）；相邻两条DNA链之间的碱基也会发生链间交联（interstrand cross-linking）；DNA与染色质组蛋白之间易发生DNA -蛋白质交联。
（5）DNA二级和三级结构的变化(https://www.daowen.com)
DNA分子受损后发生变性和降解，出现增色效应，旋光色散和圆二色图谱发生改变，DNA溶液的黏度改变。
5.2.1.2 对DNA代谢的影响
电离辐射对DNA代谢的影响主要表现在以下两个方面。
（1）DNA分解增强
已经证明，染色质DNA的降解发生在核小体间的连接区。在一些对辐射敏感的细胞中，照射1～2 h后即可见“可溶性染色质”随照射剂量增加而增加。“可溶性染色质”由单个核小体及其寡聚体所组成，它的出现意味着细胞死亡已经开始。在一定剂量范围内，降解的程度决定于照射剂量。照射后尿中DNA代谢产物——脱氧胞嘧啶核苷、脱氧尿核苷和β-氨基异丁酸等排出量明显增多，这可作为监测辐射损伤的指标。DNA分解增强的原因可能是辐射破坏了溶酶体和细胞核的膜结构，使内源性的核酸酶释放出来，直接与DNA接触，增加了DNA的降解。
（2）DNA合成抑制
DNA受0.01 Gy照射即可观察到DNA合成抑制现象。小鼠经0.25 Gyγ射线全身照射3 h后，脾脏DNA 3 H-Td R掺入量即明显下降；在1.25 Gy以内，下降程度与照射剂量成正比。DNA合成抑制发生的机制可能与各个环节发生障碍有关，如作为DNA合成原料的四种脱氧核苷酸形成的障碍，合成所需能量的障碍，一些酶的活性损失，合成模板损伤，对复制过程的影响，等等。
5.2.1.3 DNA损伤的修复
在众多的生物大分子中，迄今已证实对损伤具有修复能力的唯有DNA，足见其在保持物种稳定和遗传延续性上的重要性。DNA辐射损伤的修复，多数是由多种蛋白质介导的系列催化反应，有DNA单链断裂的修复、双链断裂的修复、碱基损伤的修复、DNA修复合成等，其损伤修复机制有回复修复、切除修复、复制后修复、SOS修复等。但基因组内不同部位，DNA的修复是不同的，一般是选择性优先修复具有转录活性的基因，且修复过程优先发生在转录链上。
研究认为，人类细胞中有几种主要的DNA损伤修复途径，分别是同源重组修复（homologous recombination repair，HRR）、非同源末端连接（non-homologous end joining，NHEJ）、核苷酸切除修复（nucleotide excision repair，NER）、碱基切除修复（base excision repair，BER）、错配修复（mismatch repair，MMR）和范可尼贫血修复途径。其中，单链断裂损伤修复主要是碱基切除修复和核苷酸切除修复，双链断裂损伤修复主要是同源重组修复和非同源末端连接。
细胞内存在完整的DDR系统应对随时发生的DNA损伤事件，以维持基因组稳定。DSB修复机制是DDR系统的重要组成部分，主要途径有两条：一种是NHEJ途径，一种是HRR途径。NHEJ可发生在任意细胞周期时相，为一种有错修复，其核心分子包括DNA-PKcs/KU70/KU80蛋白复合体、LIG4、XRCC4等蛋白。而HRR必须以同源DNA链为模板重新合成受损碱基序列，仅发生于S和G2期，为一种无错修复。HRR过程大致分为三个阶段。
①联会前对DNA损伤位点的加工处理。DSB形成后，MRN蛋白复合体（由MRE11、RAD50和NBS1三种蛋白构成）、CtBP结合蛋白（CtIP）和外切酶（EX01）对损伤位点5'末端进行切割加工形成单链DNA（ssDNA），复制蛋白A（replication protein A，RPA）结合到ssDNA末端形成稳定的单链末端结构。随后，RAD51（DNA-damage repair protein 51）取代RPA形成RAD51-ssDNA核蛋白质丝。
②联会期RAD51介导链入侵。链入侵是该过程的核心事件，RAD51蛋白促进核蛋白质丝对细胞内同源DNA序列进行搜索，通过介导链入侵促进异源双链DNA形成（D环结构）。
③联会后进行修复性合成。RAD51蛋白与DNA分子解离，细胞以入侵的3'末端为引物进行修复性合成。DSB损伤修复异常可导致细胞内累积的稳定性基因突变增加，引起基因组不稳定。
目前已发现与电离辐射损伤相关的人类修复基因，如XRCC（X-ray repair cross complementing）基因、ERCC（excision repair cross complementing）基因、错配修复基因等，其对DNA的修复有重要意义。ATM（ataxia telangiectasia mutated）是一种在感应和传递DNA双链断裂损伤信号、启动损伤DNA修复中起着重要作用的功能蛋白。DNA双链断裂时，ATM蛋白自身被磷酸化，同时激活并调节一系列修复相关蛋白，包括H2AX、RAD50、NBS1、Mre11、CHk1、CHk2、c-AB1和BRCA1等，导致这些重要功能蛋白相继聚集在DNA双链断裂部位，促进DNA损伤的修复。