DNA的损伤和修复课件

DNA的损伤与修复刘国红DNA的损伤和修复

第一节DNA损伤的概念、类型、意义DNA的损伤和修复

一DNA损伤的概念DNA损伤(DNAdamage)：

DNA复制过程中发生的DNA核苷酸序列的改变。从分子水平看，指DNA分子碱基顺序或数目的改变。

DNA损伤又称基因突变（genemutation）：由于DNA分子中发生碱基对的替换、插入和缺失等,从而引起基因结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。时间：DNA复制时期，即细胞分裂间期（有丝分裂和减数分裂）DNA的损伤和修复基因突变若发生在体细胞，则影响其功能和生存。可导致疾病甚至癌变或死亡。不遗传若发生在生殖细胞，则可能影响后代。可遗传代代相传注意DNA的损伤和修复基因突变的形式┯┯┯┯

ＡＴＧＣ

ＴＡＣＧ

┷┷┷┷┯┯┯┯┯

ＡＴＡＧＣ

ＴＡＴＣＧ

┷┷┷┷┷┯┯┯

ＡＧＣ

ＴＣＧ

┷┷┷┯┯┯┯

ＡＣＧＣ

ＴＧＣＧ

┷┷┷┷插入替换缺失┯┯┯┯

ＡＧＴＣ

ＴＣＡＧ

┷┷┷┷重排DNA的损伤和修复

(一)点突变(pointmutation)指DNA分子上一个碱基对的变异：碱基替换basesubstitution

1.转换(transition)：

同型碱基间的置换:嘌呤代替另一嘌呤，嘧啶代替另一嘧啶

AT→GC及GC→AT

2.

颠换(transversion)：

异型碱基间的置换：嘌呤变嘧啶，嘧啶变嘌呤

AT→TA或CG,GC→CG或TA

DNA的损伤和修复点突变-镰刀形细胞贫血

常染色体隐性、单基因遗传病，携氧功能只有正常红细胞的一半正常红细胞镰刀形红细胞DNA的损伤和修复异常血红蛋白β链的第6位谷氨酸被缬氨酸所代替,导致红细胞形状改变。

碱基颠换AT→TA

DNA的损伤和修复

(二)插入(insertion)和缺失(deletion)插入：DNA大分子上多了一个碱基对或一段核苷酸片段缺失：一个碱基对或一段核苷酸链从DNA大分子上消失

改变了基因核苷酸的数目123412345插入DNA的损伤和修复

框移突变

(frame-shiftmutation):缺失和插入引起的三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸种类、排列顺序发生改变。

正常 5´……GCA

GUA

CAU

GUC……

丙缬组缬缺失C5´……GAG

UAC

AUG

UC……

谷酪蛋丝

地中海贫血DNA的损伤和修复

(三)重排(rearrangement)

指DNA分子内发生较大片段的交换，也称重组。移位的DNA片段可在新位点颠倒方向反置（倒位），也可在染色体之间发生交换重组。

DNA转座DNA断裂错接

HbLeporeδβ基因的形成的机制DNA的损伤和修复

二、突变的意义(后果)1.产生新基因，出现新性状。功能获得或功能丧失是生物变异的根本来源为生物进化提供了原始的材料。

DNA的损伤和修复

2.突变仅改变基因型而无可察觉的表型改变基因多态性

(polymophism)：指群体中个体间基因型的差别现象。

DNA多态性:指正常人群中，DNA分子或基因的某些位点发生中性改变，使DNA的一级结构各不相同，但并不影响基因的表达，形成多态;

DNA的多态性可以看作是在分子水平上的个体区别的遗传标志。本质上讲，多态性的产生在于基因突变，一般发生在基因序列中非编码区。对个体而言，基因多态性碱基序列终生不变，并世代相传。

表型是基因型与环境因素相互作用的结果DNA的损伤和修复

3.突变导致死亡突变若发生在对生命至关重要的基因上，可导致个体或细胞的死亡。4.突变是某些疾病的发病基础

包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的疾病。有些疾病已知其遗传缺陷所在。但大多数尚在研究中。DNA的损伤和修复

三、引发突变的因素内部因素：大量的突变都属于由遗传过程自然发生的，叫自发突变或自然突变（spontaneousmutation）。发生频率为10-9。 外部因素：主要有物理和化学因素。这些因素可诱发突变，称诱变剂。DNA的损伤和修复

物理因素：紫外线和各种电离辐射

1.紫外线（UV）波长100-400nm

真空紫外100-200nm

短波紫外220-320nm

长波紫外320-400nmDNA的损伤和修复2.电离辐射指波长短、频率高、能量高的射线。一切能使物质发生电离的辐射总称。种类很多

带电粒子：

α粒子、β粒子、质子

不带电粒子：中子、γ射线、X射线天然辐射：太阳、宇宙射线、地壳中的放射性同位素人造辐射：医院工业

皮肤、神经系统、造血器官和消化系统的改变最为明显生育能力受损、致癌和胎儿死亡和畸形。

时间防护+距离防护+屏蔽防护DNA的损伤和修复人类史上的灾难1945.8

日本广岛、长崎原子弹事件，当地居民受核辐射影响，肿瘤、白血病的发病率明显增高。1986.4

前苏联切尔诺贝利核电站爆炸2011.3，日本福岛核电站泄漏DNA的损伤和修复2公斤重的太空茄经历过太空遨游的辣椒种子，经宇宙射线照射大多发生了遗传性基因突变。太空椒的培育利用了可遗传的变异：基因突变DNA的损伤和修复

化学因素：常见的化学诱变剂化合物类别分子改变碱基类似物(如：5-BU)A→5-BU→G羟胺类(NH2OH)T→C亚硝酸盐(NO2-)C→U烷化剂(如：氮芥类)G→mGDNA的损伤和修复1、普遍性在自然界各物种中普遍存在。

2、随机性

基因突变的发生在时间上、个体上、基因上，都是随机的。

体细胞和生殖细胞均可发生基因突变。生殖细胞突变频率高于体细胞。体细胞突变在显性或纯合状态才能表现，出现嵌合体。3、低频性突变率是很低的。反应了物种基因的相对稳定性。高等动植物10-5～10-8，细菌10-4～10-10

（由于环境的恶化，基因突变的频率越来越高）四、基因突变特性DNA的损伤和修复4、可逆性

回复突变率一般低于正突变率。

5、多害少利性正突变回复突变野生型基因突变型DNA的损伤和修复

五、突变的类型DNA的损伤和修复

（一）从突变的表型：

1）形态突变：突变影响生物的形态结构。

2）生化突变：突变影响生物的代谢过程，导致某特定生化功能的改变或丧失。

3）致死突变：突变影响生物个体的生活力。

显性致死：杂合态即有致死效应。隐性致死：纯合态时才有致死效应

4）条件致死突变：

在某些条件下致死，而在另些条件下成活的突变。DNA的损伤和修复

（二）从对遗传信息的改变:1）同义突变:

碱基置换后，原密码子变成了另一个密码子，但由于密码子的简并性，因而改变前、后密码子所编码的氨基酸不变，故实际上不会发生突变效应。同义突变约占碱基置换突变总数的25﹪。2）无义突变:

某个编码氨基酸的密码子突变为终止密码子，多肽链合成提前终止，产生没有生物活性的多肽片段，称为无义突变。DNA的损伤和修复

3）错义突变:

碱基序列的改变使一个密码子变成编码另一种氨基酸的密码子，引起了氨基酸序列的改变。错义突变可导致机体某蛋白结构及功能异常，从而引起疾病。

严重影响蛋白活性甚至完全失活，影响表现型。如果该基因是必须基因，则称为致死突变。产物仍有部分活性，表型介于野生型与突变型之间，称渗漏突变。不影响或基本不影响蛋白活性，无明显表型变化，称中性突变。DNA的损伤和修复

（三）按其发生的原因:1)自发突变（spontaneousmutation）：

2)诱发突变（inducedmutation）：

人们有意识地利用物理、化学诱变因素引起的突变。自发突变型和诱发突变间没本质上的不同，诱变剂的作用也只是提高了基因的突变率。

DNA的损伤和修复

（四）按突变的形式:替换（basesubstitution)缺失（deletion）插入（insertion）重排（rearrangement）DNA的损伤和修复

第二节DNA损伤的机制DNA的损伤和修复

一DNA自发损伤的机制1DNA复制时的碱基错配正常生理条件下，DNA复制过程中碱基错配经DNA聚合酶即时“校读”和错配修复系统“校改”后仍然存在的碱基错配。

常见A=C错配G=T错配

ATG

CDNA的损伤和修复

DNA聚合酶3'→5'外切酶活性—校对作用:这种酶活性的主要功能是从3'→5'方向识别和切除不配对的DNA生长链末端的核苷酸。

DNA的损伤和修复5’3’5’3’5’3’外切酶3’5’外切酶32DNA的损伤和修复错配修复错配修复可以纠正几乎所有的错配。错配修复是以底物链上的信息为模板进行的，因此这个系统有区分底物链和新合成链的机制，细胞通过识别DNA链的甲基化状态来区分底物链和新合成的链。整个修复过程可以分为识别、切除和修补等步骤。DNA的损伤和修复

。大肠杆菌:无修复机制时---错配率10-2

DNA聚合酶“校读“后---10-6

错配修复系统的校改后----

10-10

DNA的损伤和修复

2碱基的自发损伤

a碱基脱氨：

DNA分子的自发脱氨指胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤所携带的环外氨基（-NH2）所发生的自发丢失现象。通常发生在pH和温度改变时。温度升高加快脱氨。碱基脱氨对DNA的损伤主要表现为DNA复制中的碱基错配。

DNA的损伤和修复例1：腺嘌呤A

→次黄嘌呤H脱氨它们原有的C-NH2，→脱氨→C=O→碱基品种变化→DNA复制中碱基错配→DNA变异。DNA的损伤和修复胞嘧啶次黄嘌呤腺嘌呤次黄嘌呤DNA的损伤和修复例2:胞嘧啶Ｃ脱氨基后变成尿嘧啶Ｕ。

DNA的损伤和修复鸟嘌呤G黄嘌呤X例3：鸟嘌呤G→黄嘌呤XDNA的损伤和修复氧化脱氨

引起双链碱基配对的变化：变化规律：嘧啶1→嘧啶2嘌呤1→嘌呤2都是转换型突变。5’…C…

→

…U…3’…G…

→

…A…5’…A…

→

…H…

3’…T…

→

…C…5’…G…

→

…X…3’…C…

→

…C…

突变产物“U、H、X”都不是DNA的常规碱基。只有第三种变异危害小些。

DNA的损伤和修复

b脱嘌呤---碱基脱落

碱基和脱氧核糖间的糖苷键破坏，引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从DNA分子上自发脱落或水解，造成某些位点无碱基存在。这些空缺位点称无碱基位点（apurinesite）,简称AP位点。

嘧啶碱基与脱氧核糖间的糖苷键稳定程度高，不易脱落。生理条件下，嘌呤容易脱落且速度较快，是嘧啶的20倍。DNA的损伤和修复

C碱基的互变异构

由于碱基氢原子位置的可逆性变化，导致基因发生酮式-烯醇式或氨式-亚氨式间的结构互变。导致A-C错配或G-T错配。正常正常DNA的损伤和修复如：腺嘌呤A的互变异构体A’

可与胞嘧啶C配对，致A-C错配。AT异构

A’

TA’CATAC异构复制DNA的损伤和修复

3自由基对DNA的氧化损伤

O2.，OH.

，H2O2等如：造成DNA链上脱氧戊糖C-3或C-5磷酯键断裂。自由基还可引起碱基损伤或脱落。核苷酸：磷酸-----戊糖-----含氮碱基磷酯键

N糖苷键核苷酸与核苷酸之间是磷酸二酯键

核苷DNA的损伤和修复DNA的损伤和修复

二、物理因素引起的DNA损伤DNA的损伤和修复1紫外线（UV）

短波紫外220-320nm基因嘧啶二聚体形成光化学产物蛋白和酶的改变长波紫外320-400nm活性氧自由基DNA的损伤和修复

DNA损伤主要是形成嘧啶二聚体。DNA同一条链上，相邻的嘧啶受诱变因素作用，以环丁烷嘧啶二聚体形式共价相连。如TT、TC、CC等二聚体。DNA的损伤和修复----嘧啶二聚体的形成，减弱了双链间氢键作用，引起DNA变形。如果生物体内修复系统失灵，则细胞走向死亡。人皮肤因紫外线照射形成二聚体频率可达每小时5×104细胞，局限在皮肤中，因为紫外线不能穿透皮肤。但微生物受紫外线照射后，就会影响其生存。---紫外线照射还能引起DNA链断裂等损伤。TTAADNA的损伤和修复

2.电离辐射直接效应：DNA直接吸收射线能量而遭损伤。间接效应：DNA周围其他分子（主要是水分子）吸收射线能量产生高活性自由基进而损伤DNA。结果：碱基脱落、碱基破坏、嘧啶二聚体形成、

DNA单链或双链断裂、DNA交联。

DNA的损伤和修复DNA链断裂：电离辐射引起的严重损伤，断链数随照射剂量而增加。

单链断裂双链断裂单断发生频率为双断的10-20倍，但还比较容易修复；对单倍体细胞（如细菌）一次双断就是致死事件。损伤严重的碎片DNA无法修复，不属于突变的问题，而是细胞走向死亡！DNA的损伤和修复DNA交联损伤类型：

链内交联：同一DNA链上碱基共价结合，如嘧啶二聚体形成链间交联：不同DNA链间的碱基共价结合

DNA-蛋白质交联：DNA与蛋白质间以共价键相连这些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，会影响细胞的功能和DNA复制。DNA的损伤和修复损伤交联DNA链的交联：这种“X”型的交联，导致染色体畸变，细胞容易死亡。两条双链DNADNA的损伤和修复三、化学因素对DNA的损伤1.碱基类似物结构与碱基相似的人工合成化合物，进入细胞后能替代正常碱基掺入到DNA链中，干扰了DNA的正常合成。如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氟尿嘧啶（5-FU）、2-氨基嘌呤（2-AP）导致碱基转换。

DNA的损伤和修复

5-BU是胸腺嘧啶(T)的结构类似物，

酮式结构易与A配对；烯醇式结构易与G配对。两轮复制后,A-T转换为G-C.或G-C转换为A-T.酮式烯醇式A→5-BU→GDNA的损伤和修复

2-AP是腺嘌呤A的类似物，既可与T配对，也可与C配对。A-T→2-AP-T→2-AP-C→G-CG-C→2-AP-C→2-AP-T→A-TDNA的损伤和修复2.烷化剂：甲磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍(NG)烷化剂分子的一个或多个活性烷基（甲基或乙基），直接加到碱基N或O上而影响其结构。损伤类型：碱基错配如：鸟嘌呤G烷基化后不与胞嘧啶C配对，而改为与T配对。

G→mGG-C→mG-T→A-T嘌呤脱落

DNA链的断裂或交联

DNA的损伤和修复

3.碱基对类似物

吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对类似物，为平面三环结构，插入后导致移码突变。DNA的损伤和修复4亚硝酸

亚硝酸可引起DNA分子中碱基脱氨。如胞嘧啶C脱氨成为尿嘧啶U,两轮复制后DNA分子中的G-C转变为A-TDNA的损伤和修复实验中使用的许多生化试剂、同位素，其实是诱变剂蔬菜、水果上的农药；洗衣粉中荧光剂、烷化剂，食品中的防腐剂……不仅，影响我们的蛋白、酶；而且对我们的基因也有很大的危害！希望大家要警惕这种潜伏期长的癌变因素！DNA的损伤和修复

第三节DNA损伤的修复修复

(repair)：指针对已发生的缺陷而进行的补救机制。目前已知有4种酶修复系统：直接修复、切除修复、重组修复、SOS修复。

DNA的损伤和修复

(一)直接修复DirectRepair

修复酶识别出损伤部位直接修复，不用切除DNA或切除碱基。DNA的损伤和修复

1光修复(lightrepair)1）

1949年发现细菌光复活现象

可见光（最佳波长400nm）激活光复活酶，分解嘧啶二聚体从低等的单细胞生物至鸟类都有光复活酶；遗憾的是：高等哺乳动物和人没有！DNA的损伤和修复2）过程

DNA的损伤和修复2链断裂的直接重接DNA单链断裂是常见的损伤，其中一部分可仅由DNA连接酶(lingase)参与直接修复。

催化二段DNA链之间3’,5’

磷酸二酯键的形成DNA连接酶在各类生物各种细胞都普遍存在。修复反应容易进行DNA双链断裂几乎不能修复。DNA的损伤和修复缺口填补:连接双股DNA分子中一链的缺口双链DNA分子中双链的缺口不能连接二分子单链DNA

66DNA的损伤和修复3碱基的直接插入DNA链的AP位点能被嘌呤插入酶(insertase)识别结合，在K+存在的条件下，催化和另一条链上碱基严格互补配对的游离嘌呤插入AP位点，DNA完全修复。DNA的损伤和修复嘌呤插入酶(insertase)

专一性强。不与单链DNA作用。如果互补链上也无碱基时，该酶不工作。使用的嘌呤原料：自由嘌呤、脱氧核苷嘌呤。

不用RNA的原料——核苷嘌呤。DNA的损伤和修复4.转甲基作用：

烷基转移酶即自杀型修复酶将DNA上的甲基（-CH3）转移到酶分子上，酶自身被甲基化而失活。

如：Ada蛋白，

即O6-甲基鸟嘌呤-甲基转移酶(MGMT-I),

它可将DNA上6-甲基鸟嘌呤的甲基转移到自身的半胱氨酸残基上，代价是每转移一个甲基，损失一个Ada蛋白。

DNA的损伤和修复(二)切除修复

(excissionrepair)DNA损伤最普遍的修复形式。尤其是哺乳类动物针对多种DNA损伤：

AP位点、嘧啶二聚体、链断裂、碱基烷基化等定义：多步骤多酶参与的过程

在DNA内切酶、外切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等多种酶的共同作用下，先将DNA受损的单链部位切除，然后以另一条链为模板，合成一段正确配对的碱基序列来修补缺口。DNA的损伤和修复识别损伤位点并在两侧切开切除两切口间核苷酸片段DNA合成DNA连接DNA的损伤和修复核酸酶：切割核酸的磷酸二酯键。核酸内切酶：有碱基序列特异性。从多核苷酸链中间开始切割核酸。产物是寡核苷酸。核酸外切酶：有末端特异性。从多核苷酸链5，-端或3，-端开始切割。产物是单个核苷酸。DNA的损伤和修复（1）切除修复利用的是化学能ATP，也叫暗修复。（2）修复发生在复制前。（3）修复的对象是亲代DNA。73注意DNA的损伤和修复

切除方式：依据修复内容不同碱基切除修复（baseexcisionrepair，BER.）

-切除的是单个碱基：碱基丢失、错配、脱氨、环氮类甲基化

-特征：首先要N-糖苷酶识别并切除损伤碱基，留下AP位点核苷酸切除修复（nucleotide

excisionrepair，NER）

-切除的是一段寡核苷酸

-特征：首先要核酸内切酶对DNA链损伤部位两端识别并进行切割。DNA的损伤和修复碱基缺陷或错配的修复核苷酸损伤的修复特异切开损伤核苷酸的糖苷与磷酸间的磷酸二酯键,切除包含AP位点核苷酸在内的小片段DNADNA的损伤和修复“无嘌呤内切核酸酶”或“无碱基内切酶”。特异切开无碱基核苷酸的磷酸二酯键使链断裂.

TA

CPPPPAP内切酶DNA的损伤和修复原核生物中与切除修复有关的基因有三种，称为uvrA,uvrB,uvrC。其产物现已研究清楚，

UvrA,UvrB,辨认及结合DNA损伤部位的蛋白质，

UvrC有切除作用，此外还需要解螺旋酶的协助，将损伤部位除去。DNA的损伤和修复

着色性干皮病（xerodermapigmentosis，XP）

是较早发现的一种遗传病，其发病机制与DNA损伤切除修复存在缺陷有关，患者皮肤和眼睛对太阳光特别是紫外线十分敏感，身体暴光部位的皮肤干燥脱屑，色素沉着，容易发生溃疡，皮肤癌发病率高，常伴有神经系统障碍，智力低下等。

研究其发病机制时，发现一些XP病相关基因，称为XPA、XPB、XPC等。这些基因的表达产物与Uvr类蛋白有同源序列，在切除修复过程中参与辨认和切除损伤DNA部位的作用,XP病人是由于XP基因有缺陷，不能修复紫外线照射引起的DNA损伤。DNA的损伤和修复(三)重组修复(recombinationrepairing)

当DNA损伤较大、较严重，无法及时修复或缺乏切除修复酶系统，可跳跃损伤部位复制，子链形成缺口，复制结束后，在重组基因rec编码的酶（Rec蛋白）、DNA聚合酶、DNA连接酶等的作用下，将无损母链的DNA片段移到子链缺口，进行重组修复。

发生在复制后，故又称“复制后修复”

DNA的损伤和修复重组基因recA:编码重组蛋白RecA,分子量38000KD，该酶与子链空缺区结合，并引导催化子链空缺与无损母链同源序列区域重组交换;RecA蛋白在DNA重组和重组修复中均起关键作用。

重组基因recB、recC、recD:分别编码130kD，120kD和60kD的多肽链，三者构成RecBCD蛋白。RecBCD蛋白的酶活性：1.ATP依赖的单链和双链核酸外切酶活性，又称外切核酸酶V。2.ATP依赖的解螺旋酶活性3.

可被ATP增强的序列特异性的单链核酸内切酶活性。产生参与