第八版生物化学与分子生物学DNA损伤与修复

DNA损伤与修复

DNADamageandRepair第十五章第一页，共44页。各种体内外因素所导致的DNA组成与结构的变化称为DNA损伤（DNAdamage）其一，DNA的结构发生永久性改变，即突变

其二，导致DNA失去作为复制和/或转录的模板的功能DNA损伤的后果:第二页，共44页。生物多样性依赖于：DNA突变DNA修复平衡第三页，共44页。DNA损伤DNADamage第一节第四页，共44页。一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤（一）体内因素DNA复制错误

DNA自身的不稳定性机体代谢过程中产生的活性氧第五页，共44页。DNA复制错误：在DNA复制过程中，碱基的异构互变、4种dNTP之间浓度的不平衡等均可能引起碱基的错配DNA复制的错配率约1/1010复制错误还表现为片段的缺失或插入。特别是DNA上的短片段重复序列，在真核细胞染色体上广泛分布，导致DNA复制系统工作时可能出现“打滑”现象，使得新生成的DNA上的重复序列拷贝数发生变化。

第六页，共44页。DNA自身的不稳定性

：DNA结构自身的不稳定性是DNA自发性损伤中最频繁和最重要的因素。当DNA受热或所处环境的pH值发生改变时，DNA分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可自发发生水解，导致碱基的丢失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍。含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应，转变为另一种碱基，即碱基的转变，如C转变为U，A转变为I（次黄嘌呤）等。第七页，共44页。（二）体外因素物理因素化学因素生物因素第八页，共44页。物理因素：电离辐射、紫外线(ultraviolet,UV)第九页，共44页。化学因素：自由基导致的DNA损伤碱基类似物导致的DNA损伤碱基修饰剂、烷化剂导致的DNA损伤嵌入性染料导致的DNA损伤第十页，共44页。物理和化学因素对DNA的损伤第十一页，共44页。二、DNA损伤有多种类型

碱基脱落碱基结构破坏嘧啶二聚体形成DNA单链或双链断裂DNA交联第十二页，共44页。碱基损伤与糖基破坏：化学毒物可通过对碱基的某些基团进行修饰而改变碱基的性质。由于碱基损伤或糖基破坏，在DNA链上可能形成一些不稳定点，最终可导致DNA链的断裂。第十三页，共44页。碱基之间发生错配

：碱基类似物的掺入、碱基修饰剂的作用可改变碱基的性质，导致DNA序列中的错误配对。在正常的DNA复制过程中，存在着一定比例的自发碱基错配。最常见的是组成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺入到DNA分子中。第十四页，共44页。DNA链发生断裂：电离辐射、化学毒剂、磷酸二酯键的断裂、脱氧戊糖的破坏、碱基的损伤和脱落都是引起DNA断裂的原因。碱基损伤或糖基破坏可引起DNA双螺旋局部变性，形成酶敏感性位点，特异的核酸内切酶能识别并切割这样的部位，造成链断裂。DNA链上被损伤的碱基也可以被另一种特异的DNA-糖基化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点（apurinic-apyrimidinicsite,APsite），或称无碱基位点（abasicsite），这些位点在内切酶等的作用下可形成链断裂。第十五页，共44页。DNA

的共价交联：DNA双螺旋链中的一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合，称为DNA链间交联（DNAinterstrandcross-linking）。DNA分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称为DNA链内交联（DNAintrastrandcross-linking）。DNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交联（DNAproteincross-linking）。第十六页，共44页。DNA损伤可导致碱基置换缺失插入链的断裂

转换颠换第十七页，共44页。DNA损伤的修复TherepairofDNAdamage第二节第十八页，共44页。DNA修复（DNArepair）是指纠正DNA两条单链间错配的碱基、清除DNA链上受损的碱基或糖基、恢复DNA的正常结构的过程。DNA修复是机体维持DNA结构的完整性与稳定性，保证生命延续和物种稳定的重要环节。

第十九页，共44页。常见的DNA损伤修复途径修复途径修复对象参与修复的酶或蛋白

光复活修复嘧啶二聚体光复活酶

碱基切除修复受损的碱基DNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶

核苷酸切除修复嘧啶二聚体、DNA螺旋结构的改变大肠杆菌中UvrA、UvrB、UvrC和UvrD，人XP系列蛋白XPA、XPB、XPC……XPG等

错配修复复制或重组中的碱基配对错误大肠杆菌中的MutH、MutL、MutS，人的MLH1、MSH2、MSH3、MSH6等

重组修复双链断裂RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、XRCC4

损伤跨越修复大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤RecA蛋白、LexA蛋白、其他类型DNA聚合酶

第二十页，共44页。一、有些DNA损伤可以直接修复

嘧啶二聚体的直接修复

烷基化碱基的直接修复

无嘌呤位点的直接修复

单链断裂的直接修复

第二十一页，共44页。嘧啶二聚体的直接修复第二十二页，共44页。烷基化碱基的直接修复第二十三页，共44页。无嘌呤位点的直接修复

DNA嘌呤插入酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共价键，导致嘌呤碱基的直接插入。具有很强的专一性。单链断裂的直接修复

DNA连接酶能够催化DNA双螺旋结构中一条链上缺口处的5-磷酸基团与相邻片段的3-羟基之间形成磷酸二酯键，从而直接参与部分DNA单链断裂的修复，如电离辐射所造成的切口。第二十四页，共44页。二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式

碱基切除修复

核苷酸切除修复

第二十五页，共44页。碱基切除修复（baseexcisionrepair）

①识别水解：DNA糖基化酶特异性识别DNA链中已受损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点；②切除：在此位点的5端，无碱基位点核酸内切酶将DNA链的磷酸二酯键切开，去除剩余的磷酸核糖部分；③合成：DNA聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列；④连接：由DNA连接酶将切口重新连接，使DNA恢复正常结构

第二十六页，共44页。第二十七页，共44页。核苷酸切除修复（nucleotideexcisionrepair）

①首先，由一个酶系统识别DNA损伤部位；②其次，在损伤两侧切开DNA链，去除两个切口之间的一段受损的寡核苷酸；③再次，在DNA聚合酶作用下，以另一条链为模板，合成一段新的DNA，填补缺损区；④最后由连接酶连接，完成损伤修复。第二十八页，共44页。E.coli的NER主要由4种蛋白质组成：UvrAUvrBUvrCUvrD

第二十九页，共44页。人类的DNA损伤核苷酸切除修复①首先由损伤部位识别蛋白XPC和XPA等，再加上DNA复制所需的SSB，结合在损伤DNA的部位；②XPB、XPD发挥解旋酶的活性，与上述物质共同作用在受损DNA周围形成一个凸起；③XPG与XPF发生构象改变，分别在凸起的3′-端和5′-端发挥核酸内切酶活性,在增殖细胞核抗原（PCNA）的帮助下，切除并释放受损的寡核苷酸；④遗留的缺损区由聚合酶δ或ε进行修补合成；⑤最后，由连接酶完成连接。

第三十页，共44页。NER不仅能够修复整个基因组中的损伤，而且能拯救因转录模板链损伤而暂停转录的RNA聚合酶，即参与转录偶联修复（transcription-coupledrepair）。作用方式：NER蛋白质被募集于暂停的RNA聚合酶。转录偶联修复的意义：将修复酶集中于正在转录DNA，使该区域的损伤尽快得以修复。第三十一页，共44页。碱基错配修复（mismatchrepair）错配是指非Watson-Crick碱基配对。碱基错配修复也可被看作是碱基切除修复的一种特殊形式，主要负责纠正：①复制与重组中出现的碱基配对错误；②因碱基损伤所致的碱基配对错误；③碱基插入；④碱基缺失。第三十二页，共44页。E.coli错配修复系统修复复制差错第三十三页，共44页。Dam甲基化酶（methylase）使E.coli处于暂时的半甲基化状态，标记母链和新合成的DNA链，帮助新合成的DNA链被错配修复系统识别并修复。第三十四页，共44页。模板链的GATC序列甲基化MutH仅切割新合成的DNA链第三十五页，共44页。MutH的切口位于错配核苷酸的5侧，使用外切酶Ⅶ或RecJ，按53方向降解DNA；切口位于错配的3’侧，则使用外切酶Ⅰ，按35方向降解DNA。DNA聚合酶Ⅲ填补所产生单链DNA缺口。第三十六页，共44页。MSH（MutShomologs）蛋白与MutL同源的MLH和PMS蛋白真核细胞错配修复系统无MutH，也无半甲基化标记母链。错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺口辨别错配碱基所在的DNA链。真核细胞核苷酸修复错配系统：第三十七页，共44页。三、DNA严重损伤时需要重组修复

同源重组修复

非同源末端连接的重组修复

第三十八页，共44页。同源重组修复第三十九页，共44页。四、某些修复发生在跨越损伤DNA的复制事件之后

重组跨越损伤修复

合成跨越损伤修复

第四十页，共44页。SOS修复中LexA-RecA操纵子的作用机制第四十一页，共44页。DNA损伤和修复的意义ThesignificanceofDNAdamageandrepair