生物化学与分子生物学：第十五章 DNA损伤与修复

1、DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复 DNA Damage (Mutation) and Repair 第十五章第十五章 遗传物质的结构改变而引起的遗传信息遗传物质的结构改变而引起的遗传信息 改变，均可称为改变，均可称为突变。突变。 在复制过程中发生的在复制过程中发生的DNA突变称为突变称为DNA 损伤损伤(DNA damage)。 从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是DNA分子上分子上 碱基碱基的改变。的改变。 一、一、多种因素通过不同形式可引起多种因素通过不同形式可引起DNA损伤损伤 碱基开环和糖苷键断裂引起碱基丢失碱基开环和糖苷键断裂引起碱基丢失 辐射或氧化损伤等引起碱

2、基改变辐射或氧化损伤等引起碱基改变 化学因素可引起核苷酸插入或缺失化学因素可引起核苷酸插入或缺失 辐射和化学损伤可引起辐射和化学损伤可引起DNADNA链断裂链断裂 物理和化学因素可引起物理和化学因素可引起DNADNA链间或链内交联链间或链内交联 其一，导致复制或转录障碍其一，导致复制或转录障碍 其二，导致复制后产生基因突变其二，导致复制后产生基因突变 DNA损伤的结果损伤的结果: 二、二、DNA损伤损伤修复系统有多种类型修复系统有多种类型 DNA聚合酶（Y-家族），如 E.coli：UmuC 嘧啶二聚体、无嘌 呤位点 跨损伤DNA合成 E.coli：RecA和RecBCD 双链断裂重组修复 E

3、.coli：UvrA, UvrB, UvrC, UvrD 人：XPC, XPA, XPD, ERCCI- XPF, XPG 嘧啶二聚体，碱基 烷基化核苷酸切除修复 DNA糖苷酶（即DNA糖基水解酶） 碱基损伤碱基切除修复 嘧啶二聚体直接修复 E.coli：MutS, MutL, MutH 人：MSH, MLH, PMS 复制差错错配修复 酶 损伤修复系统的类型 修复对象：修复对象：将将DNA中因紫外线照射而形成的嘧啶中因紫外线照射而形成的嘧啶 二聚体分解二聚体分解。 机制：机制：细胞内光裂合酶（细胞内光裂合酶（photolyases）分子中生）分子中生 色基团次甲四氢叶酸吸收光子并将色基团次甲

4、四氢叶酸吸收光子并将FADH2激活生激活生 成的激发型成的激发型FADH2，再将电子转移给嘧啶二聚体，再将电子转移给嘧啶二聚体， 使其还原。使其还原。 分布：分布：分布广泛，除哺乳动物外均有之。分布广泛，除哺乳动物外均有之。 （一）（一）直接修复（直接修复（direct repair）利用修复酶）利用修复酶 简单地逆转简单地逆转DNA损伤损伤 光复活修复系统光复活修复系统 修复对象：修复对象：DNA中被甲基化修饰的鸟嘌呤（中被甲基化修饰的鸟嘌呤（O6-甲甲 基鸟嘌呤，与基鸟嘌呤，与T配对）。配对）。 机制：机制：将甲基转移到酶蛋白活性中心的将甲基转移到酶蛋白活性中心的Cys残基侧残基侧 链上，

5、使鸟嘌呤复原，避免发生突变。链上，使鸟嘌呤复原，避免发生突变。 特点：特点：DNA甲基转移酶一旦接受甲基就不再具有甲基转移酶一旦接受甲基就不再具有 催化活性催化活性 ，修复代价高昂，修复代价高昂 。 O O6 6- -甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤DNADNA甲基转移酶修复甲基转移酶修复 糖苷酶（糖苷酶（glycosylases）识别、切除受损碱基，产生识别、切除受损碱基，产生 AP位点（位点（apurinic or apyrimidinic site）。）。 AP内切酶内切酶在在AP位点的位点的5端切断磷酸二酯键。端切断磷酸二酯键。 AP外切酶外切酶再切割再切割AP位点的位点的3端。端。 DNA聚合酶

6、聚合酶填补产生的缺口。填补产生的缺口。 最后最后DNA连接酶连接酶连接。连接。 （二）碱基切除系统修复切除受损碱基（二）碱基切除系统修复切除受损碱基 碱基切除修复（碱基切除修复（base excision repair, BER） 对象：对象：受损的碱基受损的碱基 修复系统：修复系统： E.coli碱基切除修复系统碱基切除修复系统 切除胞嘧啶自发脱氨基产生的尿嘧啶切除胞嘧啶自发脱氨基产生的尿嘧啶 胞嘧啶脱氨基产生的尿嘧啶；胞嘧啶脱氨基产生的尿嘧啶； 氧化的鸟嘌呤（氧化的鸟嘌呤（oxoG）；）； 脱氨基的腺嘌呤；脱氨基的腺嘌呤； 开环碱基；开环碱基； 碳原子之间双键变成单键的碱基等。碳原子之间双

7、键变成单键的碱基等。 DNADNA糖苷酶识别的异常碱基包括：糖苷酶识别的异常碱基包括： 功能：功能：利用利用DNA糖苷酶糖苷酶切除切除DNA复制复制前前 未去除的未去除的损伤碱基损伤碱基。 自动防故障（自动防故障（fail-safe）系统）系统 碱基切除修复系统切除鸟嘌呤氧化产物碱基切除修复系统切除鸟嘌呤氧化产物oxoG DNA聚合酶聚合酶和和连接酶连接酶以未损伤的以未损伤的DNA链为模链为模 板修补缺口。板修补缺口。 （三）核苷酸切除修复系统（三）核苷酸切除修复系统识别识别DNA双螺旋双螺旋变形变形 核苷酸切除修复（核苷酸切除修复（nucleotide excision repair, NE

8、R）系统识别系统识别DNA双螺旋形状的变形。双螺旋形状的变形。 E.coli的的NER主要由主要由4种种 蛋白质组成：蛋白质组成： UvrA UvrB UvrC UvrD UvrA识别识别DNA双螺旋结构变形双螺旋结构变形 UvrB负责解链，募集核酸内切酶负责解链，募集核酸内切酶UvrC UvrC在损伤部位的两侧切断在损伤部位的两侧切断DNA链链 UvrD去除这两个切点之间的去除这两个切点之间的DNA片段片段 DNA聚合酶聚合酶和连接酶填补缺口和连接酶填补缺口 核苷酸切除修复系统核苷酸切除修复系统 XPC蛋白负责发现蛋白负责发现DNA双螺旋中的变形双螺旋中的变形 XPA 和和XPD蛋白具有解旋

9、酶活性蛋白具有解旋酶活性 核酸酶核酸酶ERCC1-XPF切割损伤部位切割损伤部位5侧，侧， XPG切割切割3侧侧 DNA聚合酶和连接酶负责填补产生的缺口聚合酶和连接酶负责填补产生的缺口 高等真核生物的高等真核生物的NER作用：作用： NER不仅能够修复整个基因组中的损伤，而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且能拯救因转录模板链损伤而暂停转录的RNA聚合聚合 酶，即参与酶，即参与转录偶联修复（转录偶联修复（transcription-coupled repair）。 作用方式：作用方式：NER蛋白质被募集于暂停的蛋白质被募集于暂停的RNA 聚合酶。聚合酶。

10、转录偶联修复的意义：转录偶联修复的意义：将修复酶集中于正在转将修复酶集中于正在转 录录DNA，使该区域的损伤尽快得以修复。，使该区域的损伤尽快得以修复。 1. 在核苷酸切除修复（包括转录偶联修复）时在核苷酸切除修复（包括转录偶联修复）时 起起DNA解旋酶的作用；解旋酶的作用； 2. 在转录过程中打开在转录过程中打开DNA模板模板。 真核转录偶联修复的核心是真核转录偶联修复的核心是TFH。 TFH分别参与两个独立过程：分别参与两个独立过程： 对于对于DNA双链断裂（双链断裂（double-strand break， DSB）损伤，细胞采用双链断裂修复，即）损伤，细胞采用双链断裂修复，即重组修重组

11、修 复（复（recombinational repair），通过与姐妹染色，通过与姐妹染色 体体正常拷贝的同源重组正常拷贝的同源重组来恢复正确的遗传信息。来恢复正确的遗传信息。 （四）重组修复系统能够修复双链断裂损伤（四）重组修复系统能够修复双链断裂损伤 RecBCD酶复合物有酶复合物有解旋酶解旋酶和和核酸酶核酸酶活性。活性。 RecB和和RecD是两种是两种DNA解旋酶，解旋酶，RecB沿沿DNA 链链5末端解旋，运动速度较慢；而末端解旋，运动速度较慢；而RecD沿沿DNA 链链3末端解旋，运动速度快，导致单链末端解旋，运动速度快，导致单链DNA环环 状结构逐渐积累。状结构逐渐积累。 重组修

12、复作用机制：重组修复作用机制： E.coli的的rec基因（基因（recA、recB、recC和和recD） 编码的几种酶参与重组修复。编码的几种酶参与重组修复。 RuvA蛋白识别蛋白识别Holliday结构连接处。结构连接处。 内切酶内切酶RuvC特异识别特异识别Holliday结构中的结构中的ATTG序序 列并切割列并切割DNA，使，使Holliday结构分离，完成结构分离，完成 DNA重组。重组。 当当RecBCD遇到遇到chi序列序列(5GCTGGTGG3)，就，就 在其附近将单链在其附近将单链DNA切断，从而切断，从而DNA重组成为重组成为 可能。可能。 利用上述重组修复系统修复断裂

13、染色体，利用上述重组修复系统修复断裂染色体， 细胞中必须存在姐妹染色体。细胞中必须存在姐妹染色体。 在细胞周期早期，姐妹染色体还没有产生，在细胞周期早期，姐妹染色体还没有产生， 如果染色体发生断裂，自动防故障系统将通过如果染色体发生断裂，自动防故障系统将通过 通过通过非同源末端连接（非同源末端连接（nonhomologous end joining，NHEJ）发挥作用。发挥作用。 正在复制的正在复制的DNA聚合酶可能遭遇尚未修聚合酶可能遭遇尚未修 复的复的DNA损伤，细胞自动防故障系统能够使损伤，细胞自动防故障系统能够使 复制体绕过损伤部位，这一机制就是复制体绕过损伤部位，这一机制就是跨损伤跨

14、损伤 DNA合成合成。 E.coli跨损伤跨损伤DNA合成由合成由UmuC-UmuD 复合物复合物进行。进行。 （五）（五）跨损伤跨损伤DNA聚合酶能够跨越损伤部位聚合酶能够跨越损伤部位 合成合成DNA E.coli 跨损伤跨损伤 DNA合成合成 突变的因素及类型突变的因素及类型 物理因素物理因素 紫外线紫外线(ultra violet, UV)、各种辐射、各种辐射 UV 化学因素化学因素 常见的化学诱变剂常见的化学诱变剂 化合物类别化合物类别作作 用用 点点分子改变分子改变 碱基类似物碱基类似物 如：如：5-BU A 5-BU G - A - - T - - G - - C - 羟胺类（羟胺

15、类（NH2OH）T C - T - - A - - C - - G - 亚硝酸盐（亚硝酸盐（NO2）C U - G - - C - - A - - T - 烷化剂烷化剂 如：氮芥类，如：氮芥类，Nitromins G mG G mG DNA缺失缺失G 目目 录录 突变的类型突变的类型 点突变（点突变（point mutation） 缺失（缺失（deletion） 插入（插入（insertion ） 倒位（倒位（rearrangement） 框移框移 (frame-shift) 镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基亚基 N-val his leu thr pro val g

16、lu C 肽链肽链 CAC GTG 基因基因 正常成人正常成人Hb (HbA)亚基亚基 N-val his leu thr pro glu glu C 肽链肽链 CTC GAG 基因基因 （一）点突变：（一）点突变：指指DNA分子上一个碱基发生变异分子上一个碱基发生变异 （二）缺失（二）缺失、插入插入和框移和框移 缺失：缺失：一个碱基或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从DNA分子上分子上 消失。消失。 插入：插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入 到到DNA分子中间。分子中间。 缺失或插入都可导致缺失或插入都可导致框移突变框移突变 。 谷谷 酪酪 蛋

17、蛋 丝丝 5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬 正常正常 5 G A G U A C A U G U C 缺失缺失C 缺失引起框移突变缺失引起框移突变 框移突变：框移突变：指指缺失缺失或或插入插入（核苷酸）的突变，（核苷酸）的突变， 引起三联密码子的阅读方式改变，造成蛋白引起三联密码子的阅读方式改变，造成蛋白 质氨基酸排列顺序发生改变，其后果是翻译质氨基酸排列顺序发生改变，其后果是翻译 出一级结构完全不同的另一种蛋白质。出一级结构完全不同的另一种蛋白质。 由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型 目目 录录 DNA分子内较大

18、片段的交换。移位的分子内较大片段的交换。移位的DNA可以在新位可以在新位 点上颠倒方向反置（倒位），也可以在点上颠倒方向反置（倒位），也可以在染色体之间染色体之间发生发生 交换重组。交换重组。 （三）（三） 重排重排 地中海贫血是一种遗传性疾地中海贫血是一种遗传性疾 病，症状主要表现为间接性病，症状主要表现为间接性 贫血、眼距较宽、头颅畸形贫血、眼距较宽、头颅畸形 等，如果不加以输血和药物等，如果不加以输血和药物 治疗，大多数患者活不过治疗，大多数患者活不过5 年，最终死于肝脏纤维化和年，最终死于肝脏纤维化和 功能衰竭。功能衰竭。 DNA损伤的修复损伤的修复 修复修复(repairing) 是

19、对已发生分子改变的补偿措施，使其是对已发生分子改变的补偿措施，使其 回复为原有的天然状态。回复为原有的天然状态。 直接修复直接修复/光修复光修复(light repairing) 切除修复切除修复(excision repairing) 重组修复重组修复(recombination repairing) SOS修复修复 修复的主要类型修复的主要类型 （一）光修复（一）光修复 光修复酶光修复酶 (photolyase) UV Exposure to UV light Induced thymine- thymine (pyrimidine) dimer Photolyase *Photoreac

20、tivation of DNA *Photolyase *Does not take place in humans UvrA UvrB UvrC OHP DNA聚合酶聚合酶 OH P （二）切除修复（二）切除修复 是细胞内最重要和是细胞内最重要和 有效的修复机制，主要有效的修复机制，主要 由由DNA-pol和连接酶和连接酶 完成。完成。 DNA连接酶连接酶ATP E.coli的切的切 除修复机制除修复机制 目目 录录 核酸内切酶核酸内切酶 “切切-补补-封封” 5 3polymerizing activity 重组修复：重组修复重组修复：重组修复 是先复制再修复。通是先复制再修复。通 过过链间的