生物化学15 章DNA损伤与修复

1、有害物质富集有害物质富集例例: DDT在水环境中存在量仅为在水环境中存在量仅为310-6ppm(mg/L)的时候，当的时候，当它进入浮游动物体内就被富集为它进入浮游动物体内就被富集为0.04ppm；浮游动物被小鱼吃了，小鱼体内浮游动物被小鱼吃了，小鱼体内DDT富集量就变为富集量就变为0.5ppm；当小鱼被大鱼吃了，大鱼体内当小鱼被大鱼吃了，大鱼体内DDT富集量就升高为富集量就升高为2ppm；当大鱼被鹰吃了，鹰体内当大鱼被鹰吃了，鹰体内DDT富集量就变为富集量就变为25ppm， DDT浓浓度整整富集了度整整富集了1000万倍。万倍。如果人吃了鱼或鹰，那么人体内如果人吃了鱼或鹰，那么人体内DDT富

2、集量更是高得可怕。富集量更是高得可怕。会会引起突变引起突变“低剂量、长期暴露的蓄积作用低剂量、长期暴露的蓄积作用”目录目录DNA损伤与修复损伤与修复 DNA Damage and Repair第十五章第十五章目录目录 各种体各种体内外因素所导致内外因素所导致的的DNA组成组成与与结构结构的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失去失去作为复制和作为复制和/或转录或转录的的模板的功能模板的功能 DNA损伤的后果损伤的后果:目录目录大纲要求n掌握DNA损伤的概念和类型。n掌握DN

3、A损伤的修复。n熟悉DNA损伤和修复的意义。目录目录生物多样性依赖于：生物多样性依赖于：DNADNA突变突变DNADNA修复修复平衡平衡目录目录DNA损伤损伤DNA Damage第一节第一节目录目录一、多种因素通过不同机制一、多种因素通过不同机制导致导致DNA损伤损伤（一）体内因素（一）体内因素 DNA复制错误复制错误 DNA自身的不稳定性自身的不稳定性 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目录目录nDNA复制错误：复制错误：n在在DNADNA复制过程中，碱基的复制过程中，碱基的异构互变异构互变、4 4种种dNTPdNTP之间浓度之间浓度的不平衡的不平衡等均可能引起碱基的错配等

4、均可能引起碱基的错配nDNADNA复制的复制的错配率约错配率约1/101/101010n复制错误还表现为片段的复制错误还表现为片段的缺失缺失或或插入插入。n特别是特别是DNADNA上的上的短片段重复序列短片段重复序列，在真核细胞染色体上广，在真核细胞染色体上广泛分布，导致泛分布，导致DNADNA复制复制系统工作时可能出现系统工作时可能出现“打滑打滑”现象，现象，使得新生成的使得新生成的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。 目录目录目录目录 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自发性损伤中最自发性

5、损伤中最频繁和最重要的因素频繁和最重要的因素。n当当DNADNA受热受热或或所处环境的所处环境的pHpH值值发生改变时，发生改变时， DNADNA分子上连接碱基和核糖之间的分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键糖苷键可自发可自发发生发生水解水解，导致，导致碱基的丢失碱基的丢失或或脱落脱落，其中以，其中以脱嘌脱嘌呤呤最为普遍。最为普遍。n含有氨基的碱基还可能含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应自发脱氨基反应，转变为，转变为另一种碱基，即另一种碱基，即碱基的转变碱基的转变，如，如C C转变为转变为U U，A A转转变为变为I I（次黄嘌呤）等。（次黄嘌呤）等。碱基的脱氨基作用碱基的脱氨基作用 碱基的环外氨

6、基自发脱落，碱基的环外氨基自发脱落，C变变为为U，A变为次黄嘌呤（变为次黄嘌呤（H ），），G变变为黄嘌呤（为黄嘌呤（X）。 复制时，复制时，U与与A配对、配对、H和和X都与都与C配对会导致子代配对会导致子代DNA序列的错误序列的错误变化。变化。活性氧引起的碱基修饰与链断裂活性氧引起的碱基修饰与链断裂 细胞呼吸的副产物细胞呼吸的副产物O2-, H2O2造成造成DNA损伤，产损伤，产生一些碱基修饰物（胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧生一些碱基修饰物（胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等），还可引起啶等），还可引起DNA单链断裂等损伤单链断裂等损伤; 这些损失这些损失的积累可导致老化。的积累可导致老化。目录目

7、录（二）体外因素（二）体外因素 物理因素物理因素 化学因素化学因素 生物因素生物因素目录目录n物理因素：物理因素：电离辐射、紫外线电离辐射、紫外线(ultra violet, UV)n化学因素：化学因素：自由基自由基导致的导致的DNADNA损伤损伤碱基类似物碱基类似物导致的导致的DNADNA损伤损伤 碱基修饰剂碱基修饰剂、烷化剂导致的、烷化剂导致的DNADNA损伤损伤 嵌入性染料嵌入性染料导致的导致的DNADNA损伤损伤 目录目录目录目录二、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的共价交

8、联的共价交联DNA损伤损伤目录目录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。 如亚硝酸盐，如亚硝酸盐，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。目录目录nDNA链发生断裂：链发生断裂：n电离辐射电离辐射、化学毒剂化学毒剂、磷酸二酯键的断裂磷酸二酯键的断裂、脱氧戊糖脱氧戊糖的破坏的破坏、碱基的损伤和脱落碱基的损伤和脱落都是引起都是引起DNADNA断裂的原因。断裂

9、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-糖糖基化酶除去，形成基化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点无嘌呤嘧啶位点（apurinic-apurinic-apyrimidinic site, apyrimidinic site, AP siteAP site），或称无碱基位点（），或称无碱基位点（abasi

10、c 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断裂。目录目录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 in

11、trastrand cross-linkingDNA intrastrand cross-linking）。）。pDNADNA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-蛋白蛋白质交联质交联（DNA protein cross-linkingDNA protein cross-linking）。）。目录目录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 转换转换颠换颠换目录目录DNA损伤的修复损伤的修复The repair of DNA damage第二节第二节目录目录 DNADNA修复修复（DNA repairDNA r

12、epair）是指）是指纠正纠正DNADNA两条单两条单链间链间错配的碱基错配的碱基、清除清除DNADNA链上链上受损的碱基或受损的碱基或糖基糖基、恢复恢复DNADNA的的正常结构正常结构的过程。的过程。 DNADNA修复是机体维持修复是机体维持DNADNA结构的完整性与稳结构的完整性与稳定性，保证定性，保证生命延续和物种稳定的重要环节生命延续和物种稳定的重要环节。（生理意义（生理意义目录目录常见的常见的DNA损伤修复途径损伤修复途径 修复途径修复途径 修复对象修复对象 参与修复的酶或蛋白参与修复的酶或蛋白光复活修复光复活修复 嘧啶二聚体嘧啶二聚体 光复活酶光复活酶碱基切除修复碱基切除修复 受损

13、的碱基受损的碱基 DNADNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶核苷酸切除修核苷酸切除修复复 嘧啶二聚体、嘧啶二聚体、DNADNA螺螺旋结构的改变旋结构的改变 大肠杆菌中大肠杆菌中UvrAUvrA、UvrBUvrB、UvrCUvrC和和UvrDUvrD，人人XPXP系列蛋白系列蛋白XPAXPA、XPBXPB、XPCXPGXPCXPG等等错配修复错配修复 复制或重组中的碱基复制或重组中的碱基配对错误配对错误 大肠杆菌中的大肠杆菌中的MutHMutH、MutLMutL、MutSMutS，人，人的的MLH1MLH1、MSH2MSH2、MSH3MSH3、MSH6MSH6等等重

14、组修复重组修复 双链断裂双链断裂 RecARecA蛋白、蛋白、KuKu蛋白、蛋白、DNA-PKcsDNA-PKcs、XRCC4XRCC4损伤跨越修复损伤跨越修复 大范围的损伤或复制大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤中来不及修复的损伤 RecARecA蛋白、蛋白、LexALexA蛋白、其他类型蛋白、其他类型DNADNA聚合酶聚合酶目录目录一、一、有些有些DNA损伤可以损伤可以直接修复直接修复 嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复 烷基化碱基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无嘌呤位点的直接修复 单链断裂的直接修复单链断裂的直接修复目录目录n嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的

15、直接修复目录目录n烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复目录目录n无嘌呤位点的直接修复无嘌呤位点的直接修复pDNADNA嘌呤插入酶嘌呤插入酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与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。具有很强的基的直接插入。具有很强的专一性专一性。n单链断裂的直接修复单链断裂的直接修复pDNADNA连接酶连接酶能够催化能够催化DNADNA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

16、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。目录目录二、切除修复是二、切除修复是最普遍最普遍的的DNA损伤修复方式损伤修复方式 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目录目录n碱基切除修复碱基切除修复（base excision repair） 识别水解识别水解：DNADNA糖基化酶糖基化酶特异性识别特异性识别DNADNA链中链中已受已受损的碱基损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点；并将其水解去除，产生一个无碱基位点； 切除切除：在此位点的：在此位点的5 5 端，无碱基

17、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； 连接连接：由：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目录目录目录目录n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D

18、NADNA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。目录目录*受到受到ATP水解的驱动，水解的驱动，2个个UvrA与与1个个UvrB形成形成三聚体复合物三聚体复合物 （UvrA2UvrB1）；）；*该复合物与该复合物与DNA随机结随机结合后，沿着合后，沿着DNA链移动链移动，以探测损伤的位置。，以探测损伤的位置。*识别损伤的过程比较

19、缓慢识别损伤的过程比较缓慢，为限速步骤。，为限速步骤。*当遇到嘧啶二聚体时，通当遇到嘧啶二聚体时，通过水解过水解ATP，造成损伤部，造成损伤部位的位的DNA双螺旋发生局双螺旋发生局部解链和进一步弯曲，致部解链和进一步弯曲，致使使UvrB与损伤部位形成与损伤部位形成更紧密的接触；更紧密的接触；*UvrA在在ATP水解后离开水解后离开复合物，留下复合物，留下UvrB横跨横跨损伤部位；损伤部位；大肠杆菌的核苷酸切除修复大肠杆菌的核苷酸切除修复目录目录*UvrC被被UvrB招募到损伤招募到损伤部位后激活部位后激活UvrB的核酸的核酸内切酶活性，内切酶活性，UvrB在距在距离嘧啶二聚体的下游离嘧啶二聚体

20、的下游4nt的位置切开的位置切开DNA链；链；*与此同时，与此同时，UvrC的核酸的核酸内切酶活性被内切酶活性被UvrB激活激活，在距离嘧啶二聚体的上，在距离嘧啶二聚体的上游游7nt的位置切开的位置切开DNA链链；*于是，产生一个长达于是，产生一个长达13nt的含有嘧啶二聚体的寡聚的含有嘧啶二聚体的寡聚核苷酸片段。核苷酸片段。大肠杆菌的核苷酸切除修复大肠杆菌的核苷酸切除修复目录目录*在解链酶在解链酶UvrD的的作用下，作用下，ATP被水被水解，包含嘧啶二聚解，包含嘧啶二聚体的体的DNA片段发生片段发生解链而离开双螺旋解链而离开双螺旋，UvrC也随之而也随之而去；去；*最后，最后，DNA聚合酶聚

21、合酶I或或II填补空缺；填补空缺；*DNA连接酶则缝合连接酶则缝合切口。切口。大肠杆菌的核苷酸切除修复大肠杆菌的核苷酸切除修复目录目录n碱基错配修复碱基错配修复（ mismatch repair）错配错配是指是指非非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，主要负责纠正： 复制与重组中出现的碱基配对错误；复制与重组中出现的碱基配对错误； 因碱基损伤所致的碱基配对错误；因碱基损伤所致的碱基配对错误； 碱基插入；碱基插入； 碱基缺失。碱基缺失。 目录目录E.

22、coliE.coli错配修复系统修复复制差错错配修复系统修复复制差错目录目录Dam甲基化酶（甲基化酶（methylase）使）使E.coli处处于暂时的于暂时的半甲基化状态半甲基化状态，标记母链和新合成，标记母链和新合成的的DNA链，帮助链，帮助新合成的新合成的DNA链链被错配修复被错配修复系统识别并修复。系统识别并修复。目录目录模板链模板链的的GATC序列甲基化序列甲基化 MutH仅切割仅切割新新合成的合成的DNA链链 目录目录MutH的切口位于错配核苷酸的的切口位于错配核苷酸的5 侧侧，使用外切酶，使用外切酶或或RecJ，按，按53 方向降解方向降解DNA；切口位于错配的切口位于错配的3侧

23、侧，则使用外切酶，则使用外切酶，按，按3 5 方向降解方向降解DNA。DNA聚合酶聚合酶填补所产生单链填补所产生单链DNA缺口。缺口。目录目录三、三、DNA严重损伤时需要重组修复严重损伤时需要重组修复 同源重组修复同源重组修复 非同源末端连接的重组修复非同源末端连接的重组修复目录目录同源重组修复同源重组修复利用细胞内一些促进同源重利用细胞内一些促进同源重组的蛋白质来从姊妹染色体或同源染色体那里组的蛋白质来从姊妹染色体或同源染色体那里获得合适的修复断裂的信息，这一种方式的精获得合适的修复断裂的信息，这一种方式的精确性较高；确性较高；非同源末端连接（非同源末端连接（NHEJ）修复）修复在无序列在无序列同源的情况下，让断裂的末端重新连接起来，同源的情况下，让断裂的末端重新连接起来，这种方式容易发生错误，是人类修复双链断裂这种方式容易发生错误，是人类修复双链断裂的主要方式。的主要方式。目录目录DNA双链断裂的重组修复双链断裂的重组修复 目录目录哺乳动物细胞哺乳动物细胞DNA双链断裂的非同源末端连接双链断裂的非同源末端连接 目录目录损伤跨越损伤跨越 重组跨越使用同源重组的方法