分子生物学第六章：DNA损伤与修复课件

第六章DNA损伤与修复

DNAdamageandrepair汤立军中南大学生物科学与技术学院分子生物学研究中心1哺乳动物细胞DNA损伤的发生频率23自发性复制错误碱基脱落或部分脱落活性氧族物理因素紫外线电离辐射化学因素烷化剂碱基类似物修饰剂DNA第一节DNA损伤的原因及后果病原生物基因的整合5一、DNA分子的自发性损伤(一)DNA复制产生误差大肠杆菌中DNA复制为例：碱基配对的错误率为10-1～10-2复制后经校正系统校正，错配率为10-9左右6（二）DNA的自发性化学变化1.碱基的异构互变DNA分子中的4种碱基各自的异构体间都可以自发地相互变化(例如酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变)，使配对碱基间的氢键改变。7碱基的互变异构效应

碱基T和G能够以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现碱基C和A能够以氨基式或亚氨基式两种互变状态出现一般生理条件下，碱基互变平衡反应倾向于酮式或氨基式，故AT和CG碱基配对

…‥8

2.碱基的脱氨基作用碱基的环外氨基有时会自发脱落，从而胞嘧啶(C)变成尿嘧啶(U)，腺嘌呤(A)变成次黄嘌呤(H)、鸟嘌呤（G）变成黄嘌呤(X)等。复制时U与A配对、H和X都与C配对就会导致子代DNA序列的错误变化。10复制时可以插入任何核苷酸。脱落碱基后的脱氧核糖3ˊ端的磷酸二酯键易被水解，造成DNA链断裂。在哺乳动物细胞基因组中，每天每个细胞因N-糖苷键自发水解约丢失10000个嘌呤碱基和200个嘧啶碱基。125.环出效应14二、物理因素引起的DNA损伤(一)紫外线照射引起的DNA损伤当DNA受到最易被其吸收波长(～260nm)的紫外线照射时，同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体，相邻的两个T、或两个C、或C与T间都可以环丁基环(cyclobutanering)连成二聚体，其中最容易形成的是T-T二聚体。二聚体导致复制不能进行。

151617皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每小时5×104／细胞，紫外线不能穿透皮肤，因此损伤只局限在皮肤中。此外，紫外线照射还能引起DNA链断裂等损伤。18电离辐射引起DNA损伤的机理20电离辐射引起DNA损伤的机制自由基损害损伤DNA修复系统

MCI假说(mobilechargeinteraction)直接与DNA分子链发生作用，作用的靶点是DNA分子中移动的电子。21电离辐射导致DNA链的断裂单链断裂：

双链断裂：23

三、化学因素引起的DNA损伤(一)烷化剂对DNA的损伤烷化剂是一类亲电子的化合物，很容易与生物大分子的亲核位点起反应，使DNA发生各种类型的损伤。1．碱基烷基化烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的N或O上,烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化。24(一)烷化剂对DNA的损伤2.碱基脱落

烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落形成DNA上的无碱基位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。26(一)烷化剂对DNA的损伤3．断链DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷基化，结果形成不稳定的磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断裂。27(一)烷化剂对DNA的损伤4.交联烷化剂有两类，一类是单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；另一类是双功能基烷化剂，如化学武器氮芥、硫芥等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂霉素等，某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此类，其两个功能基可同时使两个位点烷基化。28

5-BrdU（5-BrdU-A；5-BrdU-G）酮式烯醇式碱基类似物、修饰剂对DNA的改变

亚硝酸盐能使C脱氨基变成U（C→U）

羟胺能使T脱甲基变成C（T→C）

黄曲霉素B（攻击碱基）30DNA损伤类型

碱基脱落碱基修饰&去氨基化链内交联

DNA-蛋白质交联

DNA链断裂

DNA重组31四、DNA损伤的后果DNA损伤后分子最终改变，有以下几种类型：1.点突变(pointmutation)DNA链上单一碱基的变异。嘌呤替代嘌呤(A与G之间的相互替代)、嘧啶替代嘧啶(C与T之间的替代)称为转换(transition)；嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤则称为颠换(transvertion)。2.缺失(deletion)DNA链上一个或一段核苷酸消失。323.插入(insertion)指一个或一段核苷酸插入DNA链。4.倒位或转位(transposition)指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处。5.DNA断裂3334突变或诱变对生物可能产生4种后果：①致死性;②丧失某些功能;③改变基因型(genotype)而不改变表现型(phenotype);④发生有利于物种生存的结果,使生物进化。

35第二节DNA修复DNA的修复主要类型:错配修复直接修复切除修复重组修复跨损伤修复(SOS修复)36一、错配修复在DNA复制过程中,DNA聚合酶能够利用其3ˊ一5ˊ外切核酸酶活性去除错配核苷酸，但是这种校正作用并不十分可靠,某些错配核苷酸可能逃避检测,出现于新合成的DNA链中。错配修复系统能够发现和修复这些错配核苷酸。37

1.E.coli错配修复机制DNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)解旋酶Helicase、SSB、外切核酸酶(Ⅰ、Ⅶ、X和RecJ)、DNApolymeraseⅢ、连接酶MCE(mismatchcorrectenzyme)mutL激活内切核酸酶mutHmutS扫描新生链中错配碱基mutH识别非甲基化DNA链;酶切含错配碱基的DNA区段错配修复系统组成（Mismatchrepairsystem）38错配修复

39错配修复(大肠杆菌)Mis-pairedbases40错配修复(大肠杆菌)412.真核细胞错配修复机制424344错配修复(人)45二、直接修复1.DNA断裂口直接修复在DNA5ˊ-P端和3ˊ-OH端未受损伤的情况下，连接酶能够直接修复DNA的断裂口。462.光复合酶直接修复二聚体473.直接修复烷基化碱基O6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶。甲基从DNA转移至烷基转移酶上,已经甲基化的酶不能再转变为非甲基化酶,因此,此种修复又称为该酶的自杀性修复。48

DNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能被DNA嘌呤插入酶(insertase)识别结合，并在K＋存在下催化游离的嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA无嘌呤部位形成糖苷键。且催化插入的碱基有高度专一性、与另一条链上的碱基严格配对，使DNA完全恢复。4．直接插入嘌呤49三、碱基切除修复（BaseExcisionRepair，BER）指切除和替换由内源性化学物作用产生的DNA碱基损伤,是切除修复的一种。受损碱基移除是由多个酶来完成的。主要针对DNA单链断裂和小的碱基改变及氧化性损伤。505152碱基切除修复（人）53四、核苷酸切除修复（nucleotideexcisionrepair）

体内识别DNA损伤最多的修复通路。不识别任何特殊的碱基损失，而是识别双螺旋形状的改变；修复时切除含有损伤碱基的那一段DNA。545556核苷酸切除修复(大肠杆菌)UvrA:识别损伤部位UvrB:解旋双链紫外线诱导uvrA、uvrB、uvrC和uvrD四种基因表达57UvrC:5ˊ末端内切UvrB:

3ˊ末端内切58UvrD:解旋酶5960核苷酸切除修复(基因组修复–人)61核苷酸切除修复(转录偶联修复-人类)62GGR和TCR的共同修复通路6364五、重组修复大肠杆菌重组修复65五、重组修复根据DNA末端连接需要的同源性分为:同源重组：需要多种蛋白参与,在减数分裂、细胞有丝分裂后期S/G2期起主要作用。非同源末端连接：DNA分子之间不需要广泛的同源性，主要是在免疫球蛋白重组时对DNA双链进行连接，在细胞有丝分裂G1/G0期起主要作用。66同源重组修复DNA双链断裂（人）67非同源末端连接修复DSB68六、SOS修复

正在复制的DNA聚合酶可能遇到尚未修复的DNA损伤，例如胸腺嘧啶二聚体或无嘌呤位点，复制体必须设法跨越损伤进行复制，或者被迫暂停复制。即使细胞不能修复这些损伤，自动防故障系统能够使复制体绕过损伤部位，这一机制就是跨损伤DNA合成。SOS修复存在于大肠杆菌，不存在于人类。697071RecA-P的三种功能a.

DNA重组活性b.与S.S.DNA结合活性c.

proteinase活性当DNA正常复制时（无复制受阻，无DNA损伤，无TTdimer）

RecA-p不表现proteinase活性7273当DNA复制受阻/DNAdamaged细胞内原少量表达的RecA-p与S.S.DNA结合激活RecA-p的proteinase活性修复损伤LexA-p降解RecA-p高效表达SOSopen当DNA复制度过难关后RecA-p很快消失LexAgeneonSOSoff74SOS修复

DNA复制不很严格,新合成的DNA容易造成错误产生突变。75常见的DNA损伤及其修复机制错配修复碱基错配和缺失（插入）复制错误和烷化剂双链断裂修复（同源重组修复和末端连接）双链断裂和链间交联抗癌药（如顺铂和丝裂霉素）核苷酸切除修复