DNA损伤修复系统和修复过程

1、DNA损伤修复系统和修复过程 外界环境和生物体内部的外界环境和生物体内部的因素都经常会导致因素都经常会导致DNA分子的分子的损伤或改变，如果损伤或改变，如果DNA的损伤的损伤或遗传信息的改变不能更正，或遗传信息的改变不能更正，对体细胞就可能影响其功能或对体细胞就可能影响其功能或生存，对生殖细胞则可能影响生存，对生殖细胞则可能影响到后代。到后代。 前前 言言 所以在进化过程中生物细胞所以在进化过程中生物细胞所获得的修复所获得的修复DNA损伤的能力就损伤的能力就显得十分重要，这是生物一项极显得十分重要，这是生物一项极为重要的防卫功能，也是生物能为重要的防卫功能，也是生物能保持遗传稳定性之所在。保持

2、遗传稳定性之所在。在细在细胞中能进行修复的生物大胞中能进行修复的生物大分子只有分子只有DNA，反映了，反映了DNA对生命的重要性。对生命的重要性。 另一方面，在生物进另一方面，在生物进化中突变又是与遗传对立化中突变又是与遗传对立统一而普遍存在的现象，统一而普遍存在的现象，DNA分子的变化并不是全分子的变化并不是全部都能被修复成原样的，部都能被修复成原样的，正因为如此生物才会有变正因为如此生物才会有变异、有进化。异、有进化。提提 纲纲 DNA损伤的原因；损伤的原因； DNA损伤的类型损伤的类型 ； DNA损伤的几种修复机制；损伤的几种修复机制； DNA的损伤修复与人类疾病的损伤修复与人类疾病；

3、几种新的几种新的DNA损伤修复基因损伤修复基因。一、一、DNA损伤的原因损伤的原因 现在已经清楚，现在已经清楚，DNA损伤损伤是严重威胁细胞自稳态和生命是严重威胁细胞自稳态和生命的主要危害之一。能够造成的主要危害之一。能够造成DNA损伤的原因既可以是自发损伤的原因既可以是自发的突变，也可以是由细胞内外的突变，也可以是由细胞内外环境中存在的因素。环境中存在的因素。 这些因素又可分内源性和外这些因素又可分内源性和外源性两大类。源性两大类。内源性的因素包括细胞代谢过程内源性的因素包括细胞代谢过程所产生的一些活性物质，如产生所产生的一些活性物质，如产生于细胞质或线粒体的活性氧游离于细胞质或线粒体的活性

4、氧游离基；基；外源性的因素则主要指外部环境外源性的因素则主要指外部环境中存在的紫外线辐射、离子辐射中存在的紫外线辐射、离子辐射或化学致突变物质。或化学致突变物质。 这些因素可以造成这些因素可以造成DNA分子在碱基、戊分子在碱基、戊糖或磷酸骨架等不同水平上的多种类型的变糖或磷酸骨架等不同水平上的多种类型的变化，以致使作为遗传信息载体的化，以致使作为遗传信息载体的DNA分子相分子相应发生改变，也就是基因突变，包括缺失突应发生改变，也就是基因突变，包括缺失突变、点突变、移码突变等等。这些突变往往变、点突变、移码突变等等。这些突变往往会影响到会影响到DNA分子的代谢，包括分子的代谢，包括DNA的复制、

5、的复制、修复和遗传重组；同时也会影响到细胞的凋修复和遗传重组；同时也会影响到细胞的凋亡等其他生理过程。它们必然会不同程度地亡等其他生理过程。它们必然会不同程度地危及基因组的稳定性，并进而威胁到细胞的危及基因组的稳定性，并进而威胁到细胞的自稳态，使之出现病理改变，如癌变，更有自稳态，使之出现病理改变，如癌变，更有甚者可以导致细胞死亡。甚者可以导致细胞死亡。 因此，细胞需要在进化过程因此，细胞需要在进化过程中获得一系列能够针对不同类型中获得一系列能够针对不同类型的的DNA损伤进行感知、修复等应损伤进行感知、修复等应答的能力，包括答的能力，包括DNA损伤的感知、损伤的感知、DNA损伤信号的捕获、损伤

6、信号的捕获、DNA损伤损伤信号的传导、细胞周期的调节控信号的传导、细胞周期的调节控制，以致最终达到利用已有的制，以致最终达到利用已有的DNA损伤修复手段对损伤修复手段对DNA损伤加损伤加以修复的目的。以修复的目的。 DNA损伤的原因损伤的原因 DNA分子的自发性损伤分子的自发性损伤 物理因素引起的物理因素引起的DNA损伤损伤 化学因素引起的化学因素引起的DNA损伤损伤DNA分子的自发性损伤分子的自发性损伤(1) DNA复制中的错误复制中的错误(2) DNA的自发性化学变化的自发性化学变化a.碱基的异构互变碱基的异构互变b.碱基的脱氨基作用碱基的脱氨基作用c.脱嘌呤与脱嘧啶脱嘌呤与脱嘧啶d.碱基

7、修饰与链断裂碱基修饰与链断裂DNA复制中的错误复制中的错误 以以DNA为模板按碱基配对进行为模板按碱基配对进行DNA复制复制是一个严格而精确的事件，但也不是完全不是一个严格而精确的事件，但也不是完全不发生错误的。碱基配对的错误频率约为发生错误的。碱基配对的错误频率约为10-1 10-2，在，在DNA复制酶等维护复制酶等维护复制准确性的因复制准确性的因素素作用下碱基错误配对频率降到约作用下碱基错误配对频率降到约10-510-6，复制过程中广泛存在于原核和真核复制过程中广泛存在于原核和真核生物的生物的错错配校正系统，可以对配校正系统，可以对DNA复制错误进行修复，复制错误进行修复，但校正后的错配率

8、仍约在但校正后的错配率仍约在10-10左右，即每复左右，即每复制制1010个核苷酸大概会有一个碱基的错误。个核苷酸大概会有一个碱基的错误。DNA的自发性化学变化的自发性化学变化a. 碱基的异构互变碱基的异构互变 DNA中的中的4种碱基各自的异构体间都种碱基各自的异构体间都可以自发地相互变化可以自发地相互变化(例如烯醇式与酮式例如烯醇式与酮式碱基间的互变碱基间的互变)，这种变化就会使碱基配，这种变化就会使碱基配对间的氢键改变，可使腺嘌呤能配上胞对间的氢键改变，可使腺嘌呤能配上胞嘧啶、胸腺嘧啶能配上鸟嘌呤等，如果嘧啶、胸腺嘧啶能配上鸟嘌呤等，如果这些配对发生在这些配对发生在DNA复制时，就会造成复

9、制时，就会造成子代子代DNA序列与亲代序列与亲代DNA不同的错误性不同的错误性损伤。损伤。碱碱基基互互变变异异构构型型腺嘌呤腺嘌呤胞嘧啶胞嘧啶鸟嘌呤鸟嘌呤胸腺嘧啶胸腺嘧啶胺胺式式亚胺式亚胺式酮式酮式烯醇式烯醇式CGAC异构体互变异构体互变ACGT胺式胺式 亚胺式亚胺式 酮式酮式烯醇式烯醇式腺嘌呤的稀有互变异体与胞嘧啶腺嘌呤的稀有互变异体与胞嘧啶(a)，或胸腺嘧啶的稀有互变异构体与鸟或胸腺嘧啶的稀有互变异构体与鸟嘌呤嘌呤(b)的氢链形成导致下一世代中的氢链形成导致下一世代中GC配对取代配对取代AT配对配对b. 碱基的脱氨基作用碱基的脱氨基作用 碱基的环外氨基有时会自发脱落，碱基的环外氨基有时会自

10、发脱落，从而胞嘧啶会变成尿嘧啶、腺嘌呤从而胞嘧啶会变成尿嘧啶、腺嘌呤会变成次黄嘌呤会变成次黄嘌呤(H)、鸟嘌呤会变成、鸟嘌呤会变成黄嘌呤黄嘌呤(X)等，遇到复制时，等，遇到复制时，U与与A配配对、对、H和和X都与都与C配对就会导致子代配对就会导致子代DNA序列的错误变化。胞嘧啶自发脱序列的错误变化。胞嘧啶自发脱氨基的频率约为每个细胞每天氨基的频率约为每个细胞每天190个。个。c. 脱嘌呤与脱嘧啶脱嘌呤与脱嘧啶 自发的水解可使嘌呤和嘧啶从自发的水解可使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落下来。一个哺链的核糖磷酸骨架上脱落下来。一个哺乳类细胞在乳类细胞在37条件下，条件下，20h内内DNA链上

11、链上自发脱落的嘌呤约自发脱落的嘌呤约1000个、嘧啶约个、嘧啶约500个：个：估计一个长寿命不复制繁殖的哺乳类细估计一个长寿命不复制繁殖的哺乳类细胞胞(如神经细胞如神经细胞)在整个生活期间自发脱在整个生活期间自发脱嘌呤数约为嘌呤数约为108，约占细胞，约占细胞DNA中总嘌呤中总嘌呤数的数的3%。d.碱基修饰与链断裂碱基修饰与链断裂 细胞呼吸的副产物细胞呼吸的副产物O2、H2O2等会造等会造成成DNA损伤，能产生胸腺嘧啶乙二醇、损伤，能产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，还可能引羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，还可能引起起DNA单链断裂等损伤，每个哺乳类细单链断裂等损伤，每个哺乳类细胞每天胞

12、每天DNA单链断裂发生的频率约为单链断裂发生的频率约为5万万次。此外，体内还可以发生次。此外，体内还可以发生DNA的甲基的甲基化化,结构的其他变化等，这些损伤的积累结构的其他变化等，这些损伤的积累可能导致老化。可能导致老化。 由此可见，如由此可见，如果细胞不具备高效果细胞不具备高效率的修复系统，生率的修复系统，生物的突变率将大大物的突变率将大大提高。提高。物理因素引起的物理因素引起的DNA损伤损伤 射线引起的射线引起的DNA损伤是最引人注意的。损伤是最引人注意的。(1) 紫外线引起的紫外线引起的DNA损伤损伤DNA分子损伤最分子损伤最早就是从研究紫外线的效应开始的。当早就是从研究紫外线的效应开

13、始的。当DNA受到最易被其吸收波长受到最易被其吸收波长(260nm)的紫外线照的紫外线照射时，主要是使同一条射时，主要是使同一条DNA链上相邻的嘧啶链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体，相邻的两个以共价键连成二聚体，相邻的两个T、或两个、或两个C、或、或C与与T间都可以环丁基环间都可以环丁基环(cyclobutane ring)连成二聚体，其中最容易形成的是连成二聚体，其中最容易形成的是TT二二聚体。聚体。 人皮肤因受紫外线照射而形人皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每小时成二聚体的频率可达每小时5104/细胞，但只局限在皮肤中，细胞，但只局限在皮肤中，因为紫外线不能穿透皮肤。而微因为紫外线

14、不能穿透皮肤。而微生物受紫外线照射后，就会影响生物受紫外线照射后，就会影响其生存。其生存。 紫外线照射还能引起紫外线照射还能引起DNA链链断裂等损伤。断裂等损伤。(2)电离辐射引起的电离辐射引起的DNA损伤损伤 电离辐射损伤电离辐射损伤DNA有直接和间接有直接和间接的效应，直接效应是的效应，直接效应是DNA直接吸收射直接吸收射线能量而遭损伤，间接效应是指线能量而遭损伤，间接效应是指DNA周围其他分子周围其他分子(主要是水分子主要是水分子)吸收射吸收射线能量产生具有很高反应活性的自线能量产生具有很高反应活性的自由基进而损伤由基进而损伤DNA。电离辐射可导致电离辐射可导致DNA分子的多种变化：分子

15、的多种变化：a.碱基变化包括碱基变化包括DNA链上的碱基氧链上的碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落等。一般嘧啶比嘌呤的破坏和脱落等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。更敏感。b.脱氧核糖变化脱氧核糖上的每个脱氧核糖变化脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与碳原子和羟基上的氢都能与OH反应，反应，导致脱氧核糖分解，最后会引起导致脱氧核糖分解，最后会引起DNA链断裂。链断裂。c. DNA链断裂链断裂 这是电离辐射引起的严重损伤事件，断这是电离辐射引起的严重损伤事件，断链数随照射剂量而增加。射线的直接和间接链数随照射剂量而增加。射线的直接和间接作用都可能使脱氧核糖破

16、坏或磷酸二酯键断作用都可能使脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而致开而致DNA链断裂。链断裂。DNA双链中一条链断裂双链中一条链断裂称单链断裂称单链断裂(single strand broken)，DNA双链双链在同一处或相近处断裂称为双链断裂在同一处或相近处断裂称为双链断裂(doublestrand broken)。虽然单链断裂发生频。虽然单链断裂发生频率为双链断裂的率为双链断裂的10-20倍，但还比较容易修复；倍，但还比较容易修复；对单倍体细胞来说对单倍体细胞来说(如细菌如细菌)一次双链断裂就一次双链断裂就是致死事件。是致死事件。d. 交联交联 包括包括DNA链交联和链交联和DNA-蛋白质交联。

17、蛋白质交联。同一条同一条DNA链上或两条链上或两条DNA链上的碱基链上的碱基间可以共价键结合，间可以共价键结合，DNA与蛋白质之间与蛋白质之间也会以共价键相连，组蛋白、染色质中也会以共价键相连，组蛋白、染色质中的非组蛋白、调控蛋白、与复制和转录的非组蛋白、调控蛋白、与复制和转录有关的酶都会与有关的酶都会与DNA共价键连接。这些共价键连接。这些交联是细胞受电离辐射后在显微镜下看交联是细胞受电离辐射后在显微镜下看到的染色体畸变的分子基础，会影响细到的染色体畸变的分子基础，会影响细胞的功能和胞的功能和DNA复制。复制。3.化学因素引起的化学因素引起的DNA损伤损伤 化学因素对化学因素对DNA损伤的认

18、识最早来损伤的认识最早来自对化学武器杀伤力的研究，以后对癌自对化学武器杀伤力的研究，以后对癌症化疗、化学致癌作用的研究使人们更症化疗、化学致癌作用的研究使人们更重视突变剂或致癌剂对重视突变剂或致癌剂对DNA的作用。的作用。(1) 烷化剂对烷化剂对DNA的损伤烷化剂是一类的损伤烷化剂是一类亲电子的化合物，很容易与生物体中大亲电子的化合物，很容易与生物体中大分子的亲核位点起反应。烷化剂的作用分子的亲核位点起反应。烷化剂的作用可使可使DNA发生各种类型的损伤：发生各种类型的损伤：a. 碱基烷基化碱基烷基化 烷化剂很容易将烷基加到烷化剂很容易将烷基加到DNA链链中嘌呤或嘧啶的中嘌呤或嘧啶的N或或O上，

19、其中鸟嘌上，其中鸟嘌呤的呤的N7和腺嘌呤的和腺嘌呤的N3最容易受攻击，最容易受攻击，烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化，烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化，例如鸟嘌呤例如鸟嘌呤N7被烷化后就不再与胞被烷化后就不再与胞嘧啶配对，而改与胸腺嘧啶配对，嘧啶配对，而改与胸腺嘧啶配对，结果会使结果会使GC转变成转变成AT。b. 碱基脱落碱基脱落 烷化鸟嘌呤的糖苷键烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落形成不稳定，容易脱落形成DNA上无碱基的位点，复上无碱基的位点，复制时可以插入任何核苷酸，制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。造成序列的改变。c. 断链断链 DNA链的磷酸二酯键上链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷化，

20、结果的氧也容易被烷化，结果形成不稳定的磷酸三酯键，形成不稳定的磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，易在糖与磷酸间发生水解，使使DNA链断裂。链断裂。d. 交联交联 烷化剂有两类，一类是单功能基烷烷化剂有两类，一类是单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能使一个位化剂，如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；另一类是以双功能基烷化剂，点烷基化；另一类是以双功能基烷化剂，化学武器如氮芥、硫芥等，一些抗癌药化学武器如氮芥、硫芥等，一些抗癌药物如环磷酰胺、丝裂霉素等，某些致癌物如环磷酰胺、丝裂霉素等，某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此类，其两个物如二乙基亚硝胺等均属此类，其两个功能基可同时使两处烷基化，结果就

21、能功能基可同时使两处烷基化，结果就能造成造成DNA链内、链内、DNA链间，以及链间，以及DNA与与蛋白质间的交联。蛋白质间的交联。氮芥引起氮芥引起DNA分子两条链在分子两条链在鸟嘌呤上的交联鸟嘌呤上的交联 （a）交联附近的总图；（）交联附近的总图；（b）交联部分结构图）交联部分结构图 (1) (1) 烷化剂对烷化剂对DNADNA的损伤的损伤a. 碱基烷基化碱基烷基化b. 碱基脱落碱基脱落c. 断链断链d. 交联交联(2) 碱基类似物、修饰剂对碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤的损伤 人工可以合成一些碱基类似物用作促突人工可以合成一些碱基类似物用作促突变剂或抗癌药物，如变剂或抗癌药物，如5-5-溴

22、尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)(5-BU)、5-5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶(5-FU) (5-FU) 等。由于其结构与正常的碱等。由于其结构与正常的碱基相似，进入细胞能替代正常的碱基参入到基相似，进入细胞能替代正常的碱基参入到DNADNA链中而干扰链中而干扰DNADNA复制合成。复制合成。 还有一些人工合成或环境中存在的化学还有一些人工合成或环境中存在的化学物质能专一修饰物质能专一修饰DNADNA链上的碱基或通过影响链上的碱基或通过影响DNADNA复制而改变碱基序列，例如亚硝酸盐能使复制而改变碱基序列，例如亚硝酸盐能使C C脱氨变成脱氨变成U U，经过复制就可使，经过复制就可使DNADNA上的上的GCG

23、C变成变成ATAT对；黄曲霉素对；黄曲霉素B B也能专一攻击也能专一攻击DNADNA上的碱基上的碱基导致序列的变化，这些都是诱发突变的化学导致序列的变化，这些都是诱发突变的化学物质或致癌剂。物质或致癌剂。二、二、DNA损伤的类型（后果）损伤的类型（后果） 碱基改变碱基改变 碱基丢失碱基丢失 核苷酸插入或缺失核苷酸插入或缺失 DNA链断裂链断裂 DNA链间共价交联链间共价交联 碱基改变碱基改变水解造成的碱基脱氨基作用，是水解造成的碱基脱氨基作用，是DNA中最常中最常见的非酶促自发性化学变化，它可以改变碱见的非酶促自发性化学变化，它可以改变碱基配对。基配对。紫外线和放射性射线等电离辐射可能造成紫外

24、线和放射性射线等电离辐射可能造成DNA链中相邻的两个嘧啶碱基之间发生共价链中相邻的两个嘧啶碱基之间发生共价交联，形成嘧啶二聚体，使该位点丧失了复交联，形成嘧啶二聚体，使该位点丧失了复制模板作用。制模板作用。乙基甲磺酸等烷化剂的烷基化作用，以及细乙基甲磺酸等烷化剂的烷基化作用，以及细胞中的多种代谢产物胞中的多种代谢产物(如氧如氧)都可能对碱基造都可能对碱基造成损伤，改变其正常功能。成损伤，改变其正常功能。 碱基丢失碱基丢失在每个人细胞基因组中，每天在每个人细胞基因组中，每天因热或酸破坏糖苷键而丢失的嘌因热或酸破坏糖苷键而丢失的嘌呤碱基多达呤碱基多达5 00010 000个。个。胞嘧啶自动脱氨基变

25、成尿嘧啶胞嘧啶自动脱氨基变成尿嘧啶再被糖苷酶除去者每日也要有上再被糖苷酶除去者每日也要有上百个。百个。水解也能造成嘧啶碱基丢失。水解也能造成嘧啶碱基丢失。 spontaneous DNA damage 脱氨作用脱氨作用deamination of adenine, cytosine, and guanine (B)脱嘌呤作用脱嘌呤作用depurination (loss of purine bases) 胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶腺嘌呤腺嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤核苷酸插入或缺失核苷酸插入或缺失 在在DNA复制或重组时，复制或重组时，具有扁平分子结构的嵌入具有扁平分子结构的嵌入剂剂(如溴乙锭和吖啶如溴

26、乙锭和吖啶)可以可以造成造成DNA的核苷酸增加或的核苷酸增加或减少。减少。 DNA链断裂链断裂 电离辐射或某些化学试电离辐射或某些化学试剂，如博来霉素剂，如博来霉素(bleomycin)可以使磷酸二酯键断裂。此可以使磷酸二酯键断裂。此外，自由基外，自由基(free radicals)也也能造成能造成DNA链断裂，产生链断裂，产生3-脱氧核酸片段。脱氧核酸片段。 DNA链间共价交联链间共价交联 具有两个功能基团具有两个功能基团的烷化剂，如丝裂霉素的烷化剂，如丝裂霉素(mitomycin)，可以使两，可以使两条条DNA链之间发生共价链之间发生共价交联。交联。 三、三、DNA修复修复(DNA rep

27、airing) DNA修复修复(DNA repairing)是细是细胞对胞对DNA受损伤后的一种反应，受损伤后的一种反应，这种反应可能使这种反应可能使DNA结构恢复原结构恢复原样，重新能执行它原来的功能；样，重新能执行它原来的功能；但有时并非能完全消除但有时并非能完全消除DNA的损的损伤，只是使细胞能够耐受这种伤，只是使细胞能够耐受这种DNA的损伤而能继续生存。的损伤而能继续生存。 也许这未能完全修复而存留下来也许这未能完全修复而存留下来的损伤会在适合的条件下显示出来的损伤会在适合的条件下显示出来(如细胞的癌变等如细胞的癌变等)，但如果细胞不具，但如果细胞不具备这修复功能，就无法对付经常发备这

28、修复功能，就无法对付经常发生的生的DNA损伤事件，就不能生存。所损伤事件，就不能生存。所以研究以研究DNA修复也是探索生命的一个修复也是探索生命的一个重要方面，而且与军事医学、肿瘤重要方面，而且与军事医学、肿瘤学等密切相关。对不同的学等密切相关。对不同的DNA损伤，损伤，细胞可以有不同的修复反应。细胞可以有不同的修复反应。 很多细胞的分裂十分缓慢，甚至完很多细胞的分裂十分缓慢，甚至完全停止全停止(例如肝细胞和脑细胞例如肝细胞和脑细胞)，这些细，这些细胞必须长期利用其胞必须长期利用其DNA携带的信息。所携带的信息。所有细胞中的有细胞中的DNA都会产生损伤，即使在都会产生损伤，即使在非生长细胞中也

29、同样如此。为了解决这非生长细胞中也同样如此。为了解决这个问题，在进化中细胞建立和发展了个问题，在进化中细胞建立和发展了DNA修复系统，以便及时修复修复系统，以便及时修复DNA损伤，损伤，但仍有不到但仍有不到1 1的碱基变化可能造成基因的碱基变化可能造成基因突变。突变。 DNA损伤修复方式（机制）损伤修复方式（机制）直接修复直接修复(direct repair) 这是较简单的修复方式，一般都能将这是较简单的修复方式，一般都能将DNA修复修复到原样。到原样。 光修复光修复:是最早发现的是最早发现的DNA修复方式。修复是由细修复方式。修复是由细菌中的菌中的DNA光解酶光解酶(photolyase)完

30、成，此酶能特异完成，此酶能特异性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶二聚体，性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶二聚体，并与其结合，这步反应不需要光；结合后如受并与其结合，这步反应不需要光；结合后如受300600nm波长的光照射，则此酶就被激活，将二聚波长的光照射，则此酶就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，然后酶从体分解为两个正常的嘧啶单体，然后酶从DNA链上链上释放，释放，DNA恢复正常结构。后来发现类似的修复酶恢复正常结构。后来发现类似的修复酶广泛存在于动植物中，人体细胞中也有发现广泛存在于动植物中，人体细胞中也有发现 Photoreactivation光复能作用光复能作用胸腺嘧啶二聚体

31、胸腺嘧啶二聚体光裂合酶光裂合酶紫外线紫外线可光见可光见切除修复切除修复(excisionrepair) 这种这种DNA损伤修复方式最为普遍，其主损伤修复方式最为普遍，其主要步骤有三：切开要步骤有三：切开(incision) ： 特异的核酸特异的核酸内切酶识别损伤结构，并切断损伤部位两端内切酶识别损伤结构，并切断损伤部位两端的磷酸二酯键。切除的磷酸二酯键。切除(excision) ： 特异的酶特异的酶或蛋白因子将损伤片段去除。合成或蛋白因子将损伤片段去除。合成 ： DNA聚合酶以单链区为模板合成互补拷贝以填补聚合酶以单链区为模板合成互补拷贝以填补缺口缺口(gap)，最后，最后DNA连接酶将新合成

32、的连接酶将新合成的DNA片段的片段的3端和缺口端和缺口5端连接起来。端连接起来。DNA损伤的损伤的类型决定切除修复的具体方式和步骤。类型决定切除修复的具体方式和步骤。 切除修复的方式切除修复的方式 切除修复可以分为以下切除修复可以分为以下2种种方式：方式： 碱基切除修复；碱基切除修复； 核苷酸切除修复；核苷酸切除修复；碱基切除修复碱基切除修复 参与碱基切除修复的有一组参与碱基切除修复的有一组DNA糖糖苷酶苷酶(glycosylases)，它们特异识别，它们特异识别DNA中中发生改变的碱基，并将其水解除去。至发生改变的碱基，并将其水解除去。至少存在少存在6种类型种类型DNA糖苷酶，它们分别切糖苷

33、酶，它们分别切除脱氨基的胞嘧啶除脱氨基的胞嘧啶(U)、腺嘌呤，不同烷、腺嘌呤，不同烷基化或氧化的碱基，开环的碱基，以及基化或氧化的碱基，开环的碱基，以及碳原子之间的双键突然变成单键的碱基。碳原子之间的双键突然变成单键的碱基。 核苷酸切除修复核苷酸切除修复 这种方式可以修复这种方式可以修复DNA双螺双螺旋中发生的几乎所有类型的巨大旋中发生的几乎所有类型的巨大损伤损伤(bulky lesions)，包括某些致，包括某些致癌剂癌剂(如苯芘和甲基胆蒽如苯芘和甲基胆蒽)所造成所造成的庞大的烃基共价结合于碱基，的庞大的烃基共价结合于碱基，以及紫外线照射产生的各种嘧啶以及紫外线照射产生的各种嘧啶二聚体二聚体

34、(T-T、C-T和和C-C)。 当出现这种当出现这种DNA损伤时，损伤时，1个个大型多酶复合物负责搜寻在大型多酶复合物负责搜寻在DNA中发生的变形，而不是识别某种中发生的变形，而不是识别某种特殊的碱基改变。一旦发现了变特殊的碱基改变。一旦发现了变形的损伤部位，这个复合物就在形的损伤部位，这个复合物就在它的两侧切断它的两侧切断DNA链，然后解旋链，然后解旋酶将包括损伤部位在内的酶将包括损伤部位在内的DNA片片段去除。最后由段去除。最后由DNA聚合酶和连聚合酶和连接酶修补缺口。接酶修补缺口。 上述的切除修复在切除损伤上述的切除修复在切除损伤段落后是以原来正确的互补链为段落后是以原来正确的互补链为模

35、板来合成新的段落而做到修复模板来合成新的段落而做到修复的。但在某些情况下没有互补链的。但在某些情况下没有互补链可以直接利用，例如在可以直接利用，例如在DNA复制复制进行时发生进行时发生DNA损伤，此时损伤，此时DNA两条链已经分开，其可进行重组两条链已经分开，其可进行重组修复：修复： 重组修复重组修复(recomhnational repair) 细菌内绝大多数细菌内绝大多数DNA损伤之所以能损伤之所以能够精确修复，够精确修复，1个重要的前提是，损伤通个重要的前提是，损伤通常发生于常发生于DNA双螺旋中的双螺旋中的1条链，而另条链，而另1条链仍然贮存着正确的遗传信息。只有条链仍然贮存着正确的遗

36、传信息。只有在极其偶然的情况下，才会出现在极其偶然的情况下，才会出现DNA双双螺旋两条链在同一部位都受到损伤，以螺旋两条链在同一部位都受到损伤，以至这个至这个DNA分子不能提供携带正确遗传分子不能提供携带正确遗传信息的修复模板链。信息的修复模板链。 受损伤的受损伤的DNA链复制时，链复制时，产生的子代产生的子代DNA在损伤的在损伤的对应部位出现缺口。另对应部位出现缺口。另一条母链一条母链DNA与有缺口的与有缺口的子链子链DNA进行重组交换，进行重组交换，将母链将母链DNA上相应的片段上相应的片段填补子链缺口处，而母链填补子链缺口处，而母链DNA出现缺口。出现缺口。 以另一以另一条子链条子链DN

37、A为模板，经为模板，经DNA聚合酶催化合成一新聚合酶催化合成一新DNA片段填补母链片段填补母链DNA的的缺口，最后由缺口，最后由DNA连接酶连接酶连接，完成修补。连接，完成修补。 重组修复重组修复 重组修复重组修复 是这种罕见的是这种罕见的DNA损伤，细胞在进化中产生了特殊的损伤，细胞在进化中产生了特殊的修复机制，即利用含有正常拷贝的第修复机制，即利用含有正常拷贝的第2个个DNA分子进分子进行遗传重组修复，通过这个正常拷贝提供正确的遗行遗传重组修复，通过这个正常拷贝提供正确的遗传信息。这种重组修复过程是复制后修复，因为它传信息。这种重组修复过程是复制后修复，因为它出现于复制后。出现于复制后。

38、SOS修复修复 “SOSSOS”是国际上通用的紧急呼救信号。是国际上通用的紧急呼救信号。SOSSOS修修复是指复是指DNADNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种诱导的一种DNADNA修复方式。当修复方式。当DNADNA两条链的损伤邻两条链的损伤邻近时，损伤不能被切除修复或重组修复，这时在近时，损伤不能被切除修复或重组修复，这时在核酸内切酶、外切酶的作用下造成损伤处的核酸内切酶、外切酶的作用下造成损伤处的DNADNA链链空缺，再由损伤诱导产生的一整套的特殊空缺，再由损伤诱导产生的一整套的特殊DNADNA聚合聚合酶、酶、SOSSOS修复酶类，催化空缺部

39、位修复酶类，催化空缺部位DNADNA的合成，这的合成，这时补上去的核苷酸几乎是随机的，仍然保持了时补上去的核苷酸几乎是随机的，仍然保持了DNADNA双链的完整性，使细胞得以生存，但留下的错误双链的完整性，使细胞得以生存，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复，但这种修复带给较多，故又称为错误倾向修复，但这种修复带给细胞很高的突变率。细胞很高的突变率。 SOS修复修复DNA的损伤修复和疾病的损伤修复和疾病 研究和真核研究和真核DNA损伤修复有关的基损伤修复有关的基因的因的1个主要途径是，寻找对紫外线或个主要途径是，寻找对紫外线或损伤损伤DNA的化学试剂敏感性增加的变异的化学试剂敏感性增加的变异体

40、，并假定这些变异体产生于体，并假定这些变异体产生于DNA切除切除修复机制缺陷。在啤酒酵母中发现了若修复机制缺陷。在啤酒酵母中发现了若干对紫外线敏感的突变株，从中找到干对紫外线敏感的突变株，从中找到10个辐射敏感基因个辐射敏感基因(RAD)，其中，其中6个基因的个基因的表达产物可能参与识别表达产物可能参与识别DNA损伤。损伤。 酵母的综合遗传分析结果显示，酵母的综合遗传分析结果显示，至少有至少有50多个基因表达产物涉及多个基因表达产物涉及DNA损伤修复系统。在中国仓鼠卵巢细损伤修复系统。在中国仓鼠卵巢细胞系胞系(CHO)中，发现了烷化剂丝裂霉中，发现了烷化剂丝裂霉素素C造成造成DNA链间发生共价

41、交联的突链间发生共价交联的突变株，它们对紫外线异常敏感，这变株，它们对紫外线异常敏感，这些突变株可以分成些突变株可以分成8种类型，提示仓种类型，提示仓鼠细胞的鼠细胞的DNA损伤修复系统至少涉及损伤修复系统至少涉及8个不同的基因。个不同的基因。 人类的人类的DNA损伤修复系统可能更复杂，这损伤修复系统可能更复杂，这些系统产生缺陷将导致多种疾病。些系统产生缺陷将导致多种疾病。 人类遗传性息肉性结肠直肠癌人类遗传性息肉性结肠直肠癌 着色性干皮病着色性干皮病 运动失调毛细血管扩张症运动失调毛细血管扩张症 Bloom综合症综合症 Cockayne综合症综合症 Fanconi贫血症贫血症 着色性干皮病着色

42、性干皮病 是一种罕见的常染色体隐性是一种罕见的常染色体隐性遗传皮肤病，纯合子患者对阳光遗传皮肤病，纯合子患者对阳光或紫外线极其敏感，在婴儿期皮或紫外线极其敏感，在婴儿期皮肤的病变就会日趋严重，皮肤干肤的病变就会日趋严重，皮肤干燥、萎缩并出现角质化，眼睑结燥、萎缩并出现角质化，眼睑结疤，角膜溃烂，经常在几个位点疤，角膜溃烂，经常在几个位点发生黑色素瘤等皮癌，许多患者发生黑色素瘤等皮癌，许多患者在在30岁前死于皮癌转移。岁前死于皮癌转移。着色性干皮病着色性干皮病 Xeroderma Pigmentosum (XP) 在正常人皮肤成纤维细胞在正常人皮肤成纤维细胞DNA中，中，紫外线辐射产生的嘧啶二聚

43、体在紫外线辐射产生的嘧啶二聚体在24小时之内有一半被切除修复，而小时之内有一半被切除修复，而XP患者的这种患者的这种DNA损伤在相同时间内几损伤在相同时间内几乎没有任何改变。乎没有任何改变。XP患者的遗传研患者的遗传研究显示，至少有究显示，至少有8个基因参与这一个基因参与这一DNA损伤修复系统，正是这些基因发损伤修复系统，正是这些基因发生了突变，使得生了突变，使得XP患者丧失了修复患者丧失了修复紫外线造成的紫外线造成的DNA损伤的能力，以至损伤的能力，以至这种损伤在细胞内积累成灾。这种损伤在细胞内积累成灾。Chromosome 19着色性干皮病着色性干皮病Xeroderma Pigmentos

44、umAR. 病因为遗传性修复功能缺陷，病因为遗传性修复功能缺陷，发病率约发病率约1/6万万1/10万。万。分分8型，型，IV型基因定位于：型基因定位于：19q13.2-q13.3约约80%患者在出生后数月至患者在出生后数月至3岁岁内发病，数年后变形成基底细胞内发病，数年后变形成基底细胞癌、鳞状上皮癌或黑色素瘤。癌、鳞状上皮癌或黑色素瘤。Xeroderma PigmentosumXeroderma pigmentosum. Carcinoma spinocellularae运动失调毛细血管扩张症运动失调毛细血管扩张症 Ataxia-telangiectasia运动共济失调毛细运动共济失调毛细血管

45、扩张症又称为血管扩张症又称为Louis-Bar综合征，患综合征，患者对者对射线敏感，易发生淋巴细胞癌，表射线敏感，易发生淋巴细胞癌，表现为运动失调，并且皮肤和眼睛的毛细现为运动失调，并且皮肤和眼睛的毛细血管扩张，染色体畸变及免疫机能障碍。血管扩张，染色体畸变及免疫机能障碍。毛细血管扩张运动失调基因毛细血管扩张运动失调基因(ATM) 定位定位于于11q22-q23 。ATM发生某种变异的女性发生某种变异的女性发生乳腺癌的危险性增加三倍。研究人发生乳腺癌的危险性增加三倍。研究人员指出这种基因变异占所有乳腺癌患者员指出这种基因变异占所有乳腺癌患者的的13左右。左右。 运动失调毛细血管扩张症运动失调毛

46、细血管扩张症ATM (11q22.3)Bloom综合症综合症 Bloom综合症，患者对温综合症，患者对温和的烷化剂敏感，易发生白血和的烷化剂敏感，易发生白血病和淋巴细胞癌等癌症，表现病和淋巴细胞癌等癌症，表现为光敏感，面部毛细血管扩张，为光敏感，面部毛细血管扩张，染色体改变染色体改变(如姐妹染色单体如姐妹染色单体交换异常，可能和交换异常，可能和DNA重组修重组修复缺陷有关复缺陷有关)。 光敏感，面部毛细血管扩张光敏感，面部毛细血管扩张CSB发生突变发生突变 科凯恩综合征科凯恩综合征(Cockayne syndrome，CS)等位基因等位基因CSB发生突变，缺乏发生突变，缺乏CSB基因，基因，不

47、能修复不能修复UV照射导致的基因损伤，是科照射导致的基因损伤，是科克因综合征发生的原因。转录相关的修克因综合征发生的原因。转录相关的修复过程已知与复过程已知与CSA、CSB和和XAB产物有关，产物有关，但转录修复的机制还不很清楚，需进一但转录修复的机制还不很清楚，需进一步研究揭示参与其它物质。步研究揭示参与其它物质。Cockaynes syndrome Cockayne综合症患者对紫外线敏感，表现综合症患者对紫外线敏感，表现为侏儒症，视网膜萎缩，早衰、耳聋及三体为侏儒症，视网膜萎缩，早衰、耳聋及三体性染色体畸变。性染色体畸变。 5q12DNA修复基因修复基因 1997年年10月，美国国立环境卫

48、生月，美国国立环境卫生科学研究所科学研究所(NIEHS)提出环境基因组提出环境基因组计划，阐明基因和环境对疾病的影计划，阐明基因和环境对疾病的影响和它们之间的相互作用，列举了响和它们之间的相互作用，列举了11大类共大类共76种再测序的环境应答基种再测序的环境应答基因，因，DNA修复基因被列为第一位，其修复基因被列为第一位，其中中21种种DNA修复酶基因被列为重点研修复酶基因被列为重点研究对象。究对象。 几种新的几种新的DNA损伤修复基因损伤修复基因 ATM XRCC1、 XRCC3 HBx BRCA1 oh8Gua hOGG1ATM是一种蛋白激酶是一种蛋白激酶 ATM蛋白属于磷酸肌醇蛋白属于磷

49、酸肌醇- -3激酶（激酶（PI-3K）家族成员，也是哺乳动物细胞）家族成员，也是哺乳动物细胞BASC高分子蛋白复合物的组成者之一。高分子蛋白复合物的组成者之一。 当这当这种蛋白激酶功能缺陷时，可引起多种临种蛋白激酶功能缺陷时，可引起多种临床症状，如对射线极度敏感、小脑神经床症状，如对射线极度敏感、小脑神经细胞变性、不育症、生长延迟、免疫缺细胞变性、不育症、生长延迟、免疫缺陷、肿瘤易患性等，陷、肿瘤易患性等，ATM病人正是这种病人正是这种表现。表现。ATM调整调整DNA修复和凋亡通路修复和凋亡通路 ATM调整由于调整由于DNA损伤引发的损伤引发的DNA修复和修复和凋亡通路。该通路主要表现为凋亡通

50、路。该通路主要表现为DNA损伤激活损伤激活ATM激酶，激酶，ATM激酶磷酸化其下游的相应蛋激酶磷酸化其下游的相应蛋白，使细胞在细胞周期关卡处停滞分裂，主白，使细胞在细胞周期关卡处停滞分裂，主要是要是G1 - - S期和期和G2- -M期的阻滞，使损伤的期的阻滞，使损伤的DNA得以修复，当修复失败时，细胞进入凋亡进得以修复，当修复失败时，细胞进入凋亡进程。程。ATM磷酸化的蛋白质很多，如磷酸化的蛋白质很多，如P53，cdc25A，cdc25C等，这些蛋白质对细胞周期等，这些蛋白质对细胞周期关卡调控都非常重要。因此也就证明了关卡调控都非常重要。因此也就证明了ATM在细胞周期调控中的重要作用。在细胞周期调控中的重要作用。XRCC1 肺癌的发生发展是多基因变异累积的病变过程，肺癌的发生发展是多基因变异累积的病变过程，吸烟、大气污染和职业接触是肺癌发生三大危险吸烟、大气污染和职业接触是肺癌发生三大危险因素。然而，肺癌具有家族聚集性和明显个体差因素。然而，肺癌具有家族聚集性和明显个体差异。异。 XRCC1 (X-ray cross-complementing group1)是是一种重要的一种重要的DNA修复基因，在一系列内外氧化剂修复基因，在一系列内