DNA损伤和修复甲

1、DNA损伤和修复甲DNA损伤与修复损伤与修复DNA Damage and Repair第十五章第十五章 各种体内外因素所导致的各种体内外因素所导致的DNA组成与结构的组成与结构的变化称为变化称为DNA损伤（损伤（DNA damage） 其一，其一，DNA的结构发生永久性改变，即的结构发生永久性改变，即突变突变其二，其二，导致导致DNA失去作为复制和失去作为复制和/或转录或转录的模板的功能的模板的功能 DNA损伤的后果损伤的后果:生物多样性依赖于：生物多样性依赖于：DNADNA突变突变DNADNA修复修复平衡平衡一、多种因素通过不同机制导致一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤损伤（一）体内因素

2、（一）体内因素 1. DNA复制错误复制错误 2. DNA自身的不稳定性自身的不稳定性 3. 机体代谢过程中产生的活性氧机体代谢过程中产生的活性氧第一节第一节 DNA损伤损伤DNA Damagen1. DNA复制错误：复制错误：n在在DNADNA复制过程中，碱基的异构互变、复制过程中，碱基的异构互变、4 4种种dNTPdNTP之间浓度之间浓度的不平衡等均可能引起碱基的错配的不平衡等均可能引起碱基的错配nDNADNA复制的错配率约复制的错配率约1/101/101010n复制错误还表现为片段的缺失或插入。特别是复制错误还表现为片段的缺失或插入。特别是DNADNA上的上的短片段重复序列，在真核细胞染

3、色体上广泛分布，导致短片段重复序列，在真核细胞染色体上广泛分布，导致DNADNA复制系统工作时可能出现复制系统工作时可能出现“打滑打滑”现象，使得新生现象，使得新生成的成的DNADNA上的重复序列拷贝数发生变化。上的重复序列拷贝数发生变化。 n1. DNA复制错误：复制错误：n2. DNA自身的不稳定性自身的不稳定性 ：nDNADNA结构自身的不稳定性是结构自身的不稳定性是DNADNA自发性损伤中最频繁和最自发性损伤中最频繁和最重要的因素。重要的因素。n当当DNADNA受热或所处环境的受热或所处环境的pHpH值发生改变时，值发生改变时， DNA DNA分子上连分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可

4、自发发生水解，导致碱基的丢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。失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍。n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，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，如即碱基的转变，如C C转变为转变为U U，A A转变为转变为I I（次黄嘌呤）等。（次黄嘌呤）等。IMPAMPn3. 体内代谢过程产生的活性氧：体内代谢过程产生的活性氧： 活性氧指反应活性很高活性氧指反应活性很高的含氧自由基和的含氧自由基和H H2 2O O2 2，不，不少含氧自由基可在细胞正少含氧自由基可在细胞正常代谢过程中生成

5、。含氧常代谢过程中生成。含氧自由基可造成碱基的氧化，自由基可造成碱基的氧化，如如7, 8-7, 8-二氢二氢-8-8-氧鸟嘌呤氧鸟嘌呤（7, 8-oxoG, GO7, 8-oxoG, GO）就是一）就是一种氧化碱基，可与种氧化碱基，可与C C或或A A配对，造成配对，造成G-C T-AG-C T-A的的颠换，颠换，DNA pol IDNA pol I和和DNA DNA pol IIpol II的校正活性不能校正的校正活性不能校正其错配，故这种损伤可以其错配，故这种损伤可以积累。积累。（二）体外因素（二）体外因素 1. 物理因素物理因素 2. 化学因素化学因素 3. 生物因素生物因素n1. 物理

6、因素：非电离辐射物理因素：非电离辐射-紫外线紫外线(ultra violet, UV)n DNA DNA分子容易吸收波分子容易吸收波长在长在260nm260nm左右的紫外左右的紫外线（线（UVUV），大剂量的），大剂量的UVUV照射，可以使照射，可以使DNADNA分子一条链上相邻的两分子一条链上相邻的两个嘧啶共价结合，形成个嘧啶共价结合，形成环丁烷嘧啶二聚体。相环丁烷嘧啶二聚体。相邻的两个邻的两个T T或两个或两个C C，以及以及C C和和T T之间均可形之间均可形成嘧啶二聚体，但最易成嘧啶二聚体，但最易形成的是形成的是T-TT-T二聚体和二聚体和6-46-4光产物。光产物。n1. 物理因素：

7、电离辐射物理因素：电离辐射-各种射线各种射线 电离辐射如电离辐射如X X射线和射线和 射射线等，可以引起线等，可以引起DNADNA的的直接损伤和间接损伤。直接损伤和间接损伤。 DNADNA链的断裂会随着链的断裂会随着照射剂量的增大而加剧。照射剂量的增大而加剧。若若DNADNA双链中只有一条双链中只有一条链断裂，称为单链断裂，链断裂，称为单链断裂，若两条链在同一处或紧若两条链在同一处或紧密相邻处同时断裂，则密相邻处同时断裂，则为双链断裂。为双链断裂。切尔诺贝利核电站切尔诺贝利核电站日本福岛核电站日本福岛核电站n2. 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

8、用 点点分子改变分子改变碱基类似物碱基类似物如：如：5-BUA 5-BU G- A - T - G - C -羟胺类（羟胺类（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，NitrominsG mGG mGDNA缺失缺失G自由基导致的自由基导致的DNADNA损伤损伤碱基类似物导致的碱基类似物导致的DNADNA损伤损伤碱基修饰剂、烷化剂导致的碱基修饰剂、烷化剂导致的DNADNA损伤损伤 n2. 化学因素：化学因素：嵌入性染料如溴化乙锭、嵌入性染料如溴化乙锭、GoldView GoldVi

9、ew 等可插入到等可插入到DNADNA分子碱基对之间，分子碱基对之间，故称为嵌入染料故称为嵌入染料（intercalated dyeintercalated dye）。）。这些扁平分子插入这些扁平分子插入DNADNA后正好占据了一后正好占据了一个碱基的位置，将碱基个碱基的位置，将碱基对间的距离加大约对间的距离加大约1 1倍，倍，可造成可造成DNADNA两条链的两条链的错位。错位。 n2. 化学因素：化学因素：n3. 生物因素：病毒、真菌等以及它们产生的此生代生物因素：病毒、真菌等以及它们产生的此生代谢物，如黄曲霉素等谢物，如黄曲霉素等二、二、DNA损伤有多种类型损伤有多种类型碱基脱落碱基脱落碱

10、基结构破坏碱基结构破坏嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体形成DNA单链或双链断裂单链或双链断裂DNA交联交联DNA损伤损伤n碱基损伤与糖基破坏：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。改变碱基的性质。由于碱基损伤或糖基破坏，在由于碱基损伤或糖基破坏，在DNADNA链上可能形链上可能形成一些不稳定点，最终可导致成一些不稳定点，最终可导致DNADNA链的断裂。链的断裂。n碱基之间发生错配碱基之间发生错配 ：碱基类似物的掺入、碱基修饰剂的作用可改变碱基类似物的掺入、碱基修饰剂的作用可改变碱基的性质，导致碱基的性质，导致DNADNA序列

11、中的错误配对。序列中的错误配对。在正常的在正常的DNADNA复制过程中，存在着一定比例的复制过程中，存在着一定比例的自发碱基错配。自发碱基错配。最常见的是组成最常见的是组成RNARNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺入到入到DNADNA分子中。分子中。nDNA链发生断裂：链发生断裂：n电离辐射、化学毒剂、磷酸二酯键的断裂、脱氧戊糖电离辐射、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的破坏、碱基的损伤和脱落都是引起DNADNA断裂的原因。断裂的原因。n碱基损伤或糖基破坏可引起碱基损伤或糖基破坏可引起DNADNA双螺旋局部变性，形双螺旋局部变性，形成酶敏感性位

12、点，特异的核酸内切酶能识别并切割这成酶敏感性位点，特异的核酸内切酶能识别并切割这样的部位，造成链断裂。样的部位，造成链断裂。nDNADNA链上被损伤的碱基也可以被另一种特异的链上被损伤的碱基也可以被另一种特异的DNA-DNA-糖基化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点（糖基化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点（apurinic-apurinic-apyrimidinic site, AP siteapyrimidinic site, AP site），或称无碱基位点（），或称无碱基位点（abasic abasic sitesite），这些位点在内切酶等的作用下可形成链断裂。），这些位点在内切酶等的作用下可形成链

13、断裂。nDNA 的共价交联：的共价交联：pDNADNA双螺旋链中的一条链上的碱基与另一条链上的碱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，称为基以共价键结合，称为DNADNA链间交联（链间交联（DNA DNA interstrand cross-linkinginterstrand cross-linking）。）。pDNADNA分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称为为DNADNA链内交联（链内交联（DNA intrastrand cross-linkingDNA intrastrand cross-linking）。）。pDNA

14、DNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为分子还可与蛋白质以共价键结合，称为DNA-DNA-蛋蛋白质交联（白质交联（DNA protein cross-linkingDNA protein cross-linking）。）。DNA损伤可导致损伤可导致碱基置换碱基置换缺失缺失 插入插入 链的断裂链的断裂 转换转换颠换颠换：如嘌呤取代嘌呤：如嘌呤取代嘌呤碱基碱基错配错配移码移码突变突变：如嘌呤取代嘧啶：如嘌呤取代嘧啶 DNADNA修复（修复（DNA repairDNA repair）是指纠正）是指纠正DNADNA两条单链两条单链间错配的碱基、清除间错配的碱基、清除DNADNA链上受损的碱基或糖基链上

15、受损的碱基或糖基、恢复、恢复DNADNA的正常结构的过程。的正常结构的过程。 DNADNA修复是机体维持修复是机体维持DNADNA结构的完整性与稳定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。性，保证生命延续和物种稳定的重要环节。第二节第二节 DNA损伤的修复损伤的修复The repair of DNA damage常见的常见的DNA损伤修复途径损伤修复途径 一、有些一、有些DNA损伤可以直接修复损伤可以直接修复 1. 1. 嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复 2. 2. 烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复 3. 3. 无嘌呤位点的直接修复无嘌呤位点的直接修复 4. 4

16、. 单链断裂的直接修复单链断裂的直接修复n1. 嘧啶二聚体的直接修复：低等生物主要方式嘧啶二聚体的直接修复：低等生物主要方式n2. 烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复n3. 无嘌呤位点的直接修复无嘌呤位点的直接修复-针对受损的嘌呤碱基针对受损的嘌呤碱基pDNADNA嘌呤插入酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与嘌呤插入酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与DNADNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共价键，导致嘌呤碱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。基的直接插入。具有很强的专一性。n4. 单链断裂的直接修复单链断裂的直接修复pDNADNA连接酶能够催化连接酶能够催化D

17、NADNA双螺旋结构中一条链上缺口双螺旋结构中一条链上缺口处的处的5 5 - -磷酸基团与相邻片段的磷酸基团与相邻片段的3 3 - -羟基之间形成磷酸二羟基之间形成磷酸二酯键，从而直接参与部分酯键，从而直接参与部分DNADNA单链断裂的修复，如电单链断裂的修复，如电离辐射所造成的切口。离辐射所造成的切口。n1. 碱基切除修复（碱基切除修复（base excision repair） 识别水解：识别水解：DNADNA糖基化酶特异性识别糖基化酶特异性识别DNADNA链中已受链中已受损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点；损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点； 切除：在此位点的切除：在此位

18、点的5 5 端，无碱基位点核酸内切酶将端，无碱基位点核酸内切酶将DNADNA链的磷酸二酯键切开，去除剩余的磷酸核糖部链的磷酸二酯键切开，去除剩余的磷酸核糖部分；分； 合成：合成：DNADNA聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列；成互补序列； 连接：由连接：由DNADNA连接酶将切口重新连接，使连接酶将切口重新连接，使DNADNA恢复恢复正常结构正常结构二、切除修复是最普遍的二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式损伤修复方式n2. 核苷酸切除修复（核苷酸切除修复（nucleotide excision repair） 首先，由一个酶系统识别首先，由

19、一个酶系统识别DNADNA损伤部位；损伤部位； 其次，在损伤两侧切开其次，在损伤两侧切开DNADNA链，去除两个切口之间的链，去除两个切口之间的一段受损的寡核苷酸；一段受损的寡核苷酸； 再次，在再次，在DNADNA聚合酶作用下，以另一条链为模板，合聚合酶作用下，以另一条链为模板，合成一段新的成一段新的DNADNA，填补缺损区；，填补缺损区； 最后由连接酶连接，完成损伤修复。最后由连接酶连接，完成损伤修复。E.coli的的NER主要由主要由4种种蛋白质组成：蛋白质组成：UvrAUvrBUvrCUvrD 着色性干皮病（着色性干皮病（XP）发病机制与DNA修复有缺陷有关。 n人类的人类的DNA损伤核

20、苷酸切除修复损伤核苷酸切除修复n人类的人类的DNA损伤核苷酸切除修复损伤核苷酸切除修复 首先由损伤部位识别蛋白首先由损伤部位识别蛋白XPCXPC和和XPAXPA等，再加上等，再加上DNADNA复制所需的复制所需的SSBSSB，结合在损伤，结合在损伤DNADNA的部位；的部位； XPB XPB、XPDXPD发挥解旋酶的活性，与上述物质共同作用在发挥解旋酶的活性，与上述物质共同作用在受损受损DNADNA周围形成一个凸起；周围形成一个凸起； XPG XPG与与XPFXPF发生构象改变，分别在凸起的发生构象改变，分别在凸起的3-3-端和端和5-5-端发挥核酸内切酶活性端发挥核酸内切酶活性, , 在增殖

21、细胞核抗原（在增殖细胞核抗原（PCNAPCNA）的帮助下，切除并释放受损的寡核苷酸；的帮助下，切除并释放受损的寡核苷酸； 遗留的缺损区由聚合酶遗留的缺损区由聚合酶 或或 进行修补合成；进行修补合成； 最后，由连接酶完成连接。最后，由连接酶完成连接。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，即参与转录偶联修复（酶，即参与转录偶联修复（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。转录偶联修复的意义：将修复酶集中于正在转转录偶联修复的意义：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。n3. 碱基错配修复（碱基错配修复（ mismatch repair）错配是指非错配是指非Watson-CrickWatson-Crick碱基配对。碱基配对。碱基错配修复也可被看作是碱基切除修复的一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：种特殊形式，主要