第九章 DNA损伤与修复

第九章DNA损伤与修复DNA损伤是指DNA正常的化学或物理结构的改变，包括在生命过程中DNA双螺旋的任何改变。损伤形式可以分为两类：即碱基改变和结构扭曲。

第一节DNA损伤一、DNA损伤的概念DNA损伤的遗传效应：碱基改变会影响DNA序列，不影响整体结构，不影响转录和复制，而是通过序列改变作用于子代，改变子代的遗传信息，如果这种改变被保留和固定下来，则造成突变。结构扭曲对复制和转录产生物理性损害，导致细胞死亡。因此，DNA损伤可以导致突变或致死。突变：DNA序列水平上永久性的、可遗传的改变。二、自发性损伤复制过程引起的损伤：复制过程中，碱基配对存在一定概率的错配，经过DNA聚合酶校读和单链结合蛋白等综合因子作用之后，仍然会存在DNA损伤。例如：大肠杆菌DNA复制时误配率为10-1-10-2，经过DNA聚合酶校正后误配率为10-5-10-6，在DNA结合蛋白和其他因子作用之后错配率为10-10。DNA聚合酶本身的功能、二价阳离子的改变等都可能增加误配概率。DNA损伤可以是自发性的，也可能是物理或化学因素诱发的。自发性损伤的成因：碱基的自发性化学改变：碱基杂环上的一些N和C原子及一些环外功能团是具有较强的化学活性的。细胞中的某些代谢产物和外界因素能够引起这些位点的改变，从而造成损伤。碱基的自发性化学改变包括：（1）互变异构：DNA分子上的4种碱基自发的使氢原子位置改变，产生互变异构体，进一步使碱基配对形式发生改变，在复制后的子链上就可能出现错误，因而造成损伤。如A的互变异构体A’可以和C配对，T的互变异构体可与G配对。（2）脱氨基作用：C、A、G分子中含有环外氨基，有时会自发脱落，结果C→U，A→Hx，G→X，这些碱基衍生物的配对特性与原来的碱基不同，U:A，Hx:C，X:C。（3）脱嘌呤作用：在生理条件下，DNA可以通过自发水解使嘌呤碱和嘧啶碱从脱氧核糖骨架上脱落。脱嘌呤位点呈现“非编码损伤”，该位点的遗传信息丢失。据估计，一个哺乳动物细胞每小时脱去的嘌呤碱和嘧啶碱平均分别为580个和29个。（4）氧化损伤：在所有需氧细胞中，由于超氧化物、氢过氧化物，尤其是羟基自由基等活性氧（ROS）的存在，会在正常生理条件下发生氧化损伤，产生一系列特性改变的氧化产物。如胸腺嘧啶乙二醇、8-氧化鸟嘌呤、2-氧化腺嘌呤、5-羟甲基尿嘧啶等。正常碱基结构活性氧作用造成DNA上碱基氧化的例子三、物理因素引起的损伤紫外线：环丁烷嘧啶二聚体：在UV作用下，同一条链上相邻嘧啶核苷酸以共价键结合，形成二聚体。人皮肤中，每小时由于UV而产生嘧啶二聚体的频率为5×104/细胞。电离辐射：碱基破坏、脱落，脱氧核糖分解：电离辐射能量直接作用于DNA分子或通过水分子的解离产生自由基，引起碱基破坏、脱落或脱氧核糖的分解。链断裂：包括双链断裂和单链断裂。碱基破坏和脱落也间接引起链断裂。DNA交联：包括DNA链间交联和DNA蛋白质交联。四、化学因素引起的损伤烷化剂：是一类亲电子化合物，很容易与生物大分子的亲核位点起反应。典型的例子如：7-甲基鸟嘌呤，3-甲基腺嘌呤，3-甲基鸟嘌呤，O6-甲基鸟嘌呤等：损伤干扰DNA解旋，因此可能是致死的。鸟嘌呤对磺酸乙基甲烷（EMS）等特别敏感，烷基化的鸟嘌呤配对特性发生改变，GC对转换为GT配对。因而造成损伤。磷酸二酯键的烷基化则形成不稳定的磷酸三酯键，导致DNA链断裂。烷化剂举例：烷化碱基举例：碱基类似物：如5-溴尿嘧啶，与U结构相似，有酮式和烯醇式两种状态，以烯醇式存在时可与G配对，而造成损伤。5-溴尿嘧啶以烯醇式与鸟嘌呤配对5-溴尿嘧啶（B）引发的损伤：i.T的类似碱基B掺入T的位置；ii.一次复制后，G被引入到B的对应位置；iii.二次复制后C被引入到G的对应位置。致癌物：如煤焦油中的苯并芘，可与鸟嘌呤残基共价结合，形成加合物。芳香族烷化剂、黄曲霉素B1也与DNA形成共价加合物。植物毒素：许多损伤机理尚不清楚。第二节DNA修复一、切除修复是一种普遍存在的修复机制，可在多种损伤中起作用，并且是无差错的。切除修复有两种形式：碱基切除修复（BER）和核苷酸切除修复（NER）。NER：大肠杆菌中，uvrA、uvrB、uvrC三个基因编码的多肽组成的酶是NER的关键酶，叫做ABC内切核酸酶，该酶在损伤部位两边各切除精确数目的碱基，然后包含损伤的寡聚核苷酸被切除并留下一个缺口。

BER：专一的DNA糖苷酶识别修饰碱基，切除修饰碱基与糖基之间的N-糖苷键，留下脱嘌呤或脱嘧啶位点（AP位点），AP内切核酸酶在该位点切开DNA，其外切酶活性可继续切出1个缺口。NER中产生的缺口更大一些，而在BER中可小至1个核苷酸。在E.coli中缺口可由DNA聚合酶I填补，最后的磷酸二酯键由DNA连接酶完成。在真核生物中，BER中缺口主要由DNA聚合酶β填补，而NER中较长