16第十五章-DNA损伤与修复

第十五章 DNA 损伤与修复 遗传物质 DNA 的遗传保守性是维持物种相对稳定的最主要因素 然而 在长期的生命 演进过程中 生物体时刻受到来自内 外环境中各种因素的影响 DNA 的改变不可避免 各种体内外因素所导致的 DNA 组成与结构的变化称为 DNA 损伤 DNA damage DNA 损伤可产生两种后果 一是 DNA 的结构发生永久性改变 即突变 二是导致 DNA 失去作 为复制和 或 转录的模板的功能 在长期的进化中 无论低等生物还是高等生物都形成了自己的 DNA 修复系统 可随时 修复损伤的 DNA 恢复 DNA 的正常结构 保持细胞的正常功能 DNA 损伤的同时即伴有 DNA 修复系统的启动 受损细胞的转归 在很大程度上 取决于 DNA 的修复效果 如能 正确修复 细胞 DNA 结构恢复正常 细胞得以维持正常状态 如损伤严重 DNA 不能被 有效修复 则可能通过凋亡的方式 清除 DNA 受损的细胞 降低 DNA 损伤对生物体遗传 信息稳定性的影响 当 DNA 发生不完全修复时 DNA 发生突变 染色体发生畸变 可诱 导细胞出现功能改变 甚至出现衰老 细胞恶性转化等生理病理变化 当然 如果遗传物 质具有绝对的稳定性 那么生物将会失去进化的基础 就不会呈现大千世界 万物生辉的 自然景象 因此 生物多样性依赖于 DNA 突变与 DNA 修复之间的良好平衡 第一节 DNA 损伤 DNA 损伤的诱发因素众多 一般可分为体内因素与体外因素 前者包括机体代谢过程 中产生的某些代谢物 DNA 复制过程中发生的碱基错配以及 DNA 本身的热不稳定性等因 素 可诱发 DNA 的 自发 损伤 后者包括辐射 化学毒物 药物 病毒感染 植物以 及微生物的代谢产物等 值得注意的是 体内因素与体外因素的作用 有时是不能截然分 开的 许多体外因素是通过诱发体内因素 引发 DNA 损伤 然而 不同因素所引发的 DNA 损伤的机制往往是不相同的 一 多种因素通过不同机制导致 DNA 损伤 一 体内因素 1 DNA 复制错误 在 DNA 复制过程中 碱基的异构互变 4 种 dNTP 之间浓度的不平 衡等均可能引起碱基的错配 即产生非 Watson Crick 碱基对 尽管绝大多数错配的碱基会 被 DNA 聚合酶的校对功能所纠正 但依然不可避免地有极少数的错配被保留下来 DNA 复制的错配率约 10 的 10 次方分之一 此外 复制错误还表现为片段的缺失或插人 特别是 DNA 上的短片段重复序列 在真 核细胞染色体上广泛分布 导致 DNA 复制系统工作时可能出现 打滑 现象 使得新生 成的 DNA 上的重复序列拷贝数发生变化 DNA 重复片段在长度方面有高度多态性 在遗 传性疾病的研究中有重大价值 亨廷顿病 脆性 X 综合征 fragile X syndrome 肌强直性 营养不良 myotonic dystro phy 等神经退行性疾病均属于此类 2 DNA 自身的不稳定性 DNA 结构自身的不稳定性是 DNA 自发性损伤中最频繁和最 重要的因素 当 DNA 受热或所处环境的 pH 值发生改变时 DNA 分子上连接碱基和核糖之 间的糖昔键可自发发生水解 导致碱基的丢失或脱落 其中以脱嘌呤最为普遍 另外 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 C 转变为 U A 转变为 I 次黄嘌 298 第十五章 DNA 损伤与修复 299 呤 等 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 ROS 可以直接作用 于碱基 如修饰鸟嘌呤 产生 8 羟基脱氧鸟嘌呤等 二 体外因素 最常见的导致 DNA 损伤的体外因素 主要包括物理因素 化学因素和生物因素等 这 些因素导致 DNA 损伤的机制各有特点 1 物理因素 物理因素中最常见的是电磁辐射 根据作用原理的不同 通常将电磁辐射 分为电离辐射和非电离辐射 a 粒子 粒子 X 射线 射线等 能直接或间接引起被穿 透组织发生电离 属电离辐射 紫外线和波长长于紫外线的电磁辐射属非电离辐射 1 电离辐射导致 DNA 损伤 电离辐射可直接作用于 DNA 等生物大分子 破坏分子 结构 如断裂化学键等 同时 电离辐射还可激发细胞内的自由基反应 因此发挥间接破 坏作用 这些作用最终可导致 DNA 分子发生碱基氧化修饰 碱基环结构的破坏与脱落 DNA 链交联与断裂等多种变化 2 紫外线照射导致 DNA 损伤 紫外线 ultraviolet UV 属非电离辐射 按波长的 不同 紫外线可分为 UVA 400 一 320nm UVB 320 一 290nm 和 UVC 290 100nm 3 种 UVA 的能量较低 一般不造成 DNA 等大分子损伤 260nm 左右的紫外线 其波长正好在 DNA 和蛋白质的吸收峰附近 容易导致 DNA 等生物大分子损伤 大气臭氧层可吸收 320nm 以下的大部分的紫外线 一般不会造成地球上生物的损害 但近年来 由于环境污 染 臭氧层的破坏日趋严重 UV 对生物的影响越来越为公众所关注 低波长紫外线的吸收 可使 DNA 分子中同一条链两相邻的胸腺嘧啶碱基 T 以共价 键连接形成胸腺嘧啶二聚体结构 TT 或称为环丁烷型嘧啶二聚体 图 15 1 紫外线 也可导致其他嘧啶间形成类似的二聚体如 CT CC 二聚体的形成可使 DNA 产生弯曲和扭 结 影响 DNA 的双螺旋结构 使复制与转录受阻 另外 紫外线还会导致 DNA 链间的其 他交联或链的断裂等损伤 2 化学因素 能引起 DNA 损伤的化学因素种类繁多 主要包括自由基 碱基类似物 碱基修饰物和嵌人染料等 值得注意的是 许多肿瘤化疗药物是通过诱导 DNA 损伤 包 括碱基改变 单链或双链 DNA 断裂等 阻断 DNA 的复制或 RNA 的转录 进而抑制肿瘤 细胞增殖 因此 对 DNA 损伤及后继的肿瘤细胞死亡机制的认识 将十分有助于对肿瘤 化疗药物的改进 300 第三篇 遗传信息的传递 1 自由基导致的 DNA 损伤 自由基是指能够独立存在 外层轨道带有未配对电子的 原子 原子团或分子 自由基的化学性质异常活跃 可引发多种化学反应 影响细胞功能 自由基的产生可以是外界因素与体内物质相互作用的结果 如电离辐射产生的羟自由基 OH 和氢自由基 H 而生物体内代谢过程可产生活性氧自由基 OH 具有极 强的氧化性质 而 H 则具有极强的还原性质 这些自由基可与 DNA 分子发生相互作用 导致碱基 核糖 磷酸基的损伤 引发 DNA 结构与功能异常 2 碱基类似物导致的 DNA 损伤 碱基类似物是人工合成的一类与 DNA 正常碱基结 构类似的化合物 通常被用作促突变剂或抗癌药物 在 DNA 复制时 因结构相似 碱基 类似物可取代正常碱基掺人 DNA 链中 并与互补链上的碱基配对 进而引发碱基对的置 换 比如 5 溴尿嘧啶 5 bromo uracil 5 BU 是胸腺嘧啶的类似物 有酮式和烯醇式两种 结构 前者与腺嘌呤配对 后者与鸟嘌呤配对 可导致 AT 配对与 GC 配对的相互转变 3 碱基修饰剂 烷化剂导致的 DNA 损伤 这是一类通过对 DNA 链中碱基的某些基 团进行修饰 改变被修饰碱基的配对性质 进而改变 DNA 结构的化合物 例如亚硝酸 能脱去碱基上的氨基 腺嘌呤脱氨后成为次黄嘌呤 不能与原来的胸腺嘧啶配对 而与 胞嘧啶配对 胞嘧啶脱氨基成为尿嘧啶 不能与原来的鸟嘌呤配对 而与腺嘌呤配对 进而改变碱基序列 此外 众多的烷化剂如氮芥 硫芥 二乙基亚硝胺等可导致 DNA 碱基上的氮原子烷基化 引起分子电荷的变化 从而改变碱基配对 或烷基化的鸟嘌呤 脱落形成无碱基位点 或引起 DNA 链中的鸟嘌呤连接成二聚体 或导致 DNA 链交联与 断裂 这些变化都可以引起 DNA 序列或结构的异常 并可阻止正常的修复过程 4 嵌人性染料导致的 DNA 损伤 澳化乙锭 吖啶橙等染料可直接插人到 DNA 碱基 对中 导致碱基对间的距离增大一倍 极易造成 DNA 两条链的错位 在 DNA 复制过程 中往往引发核昔酸的缺失 移码或插人 这些染料在分子生物学可用于 DNA 的染色 物理因素和化学因素造成的 DNA 损伤的情况如图 15 2 所示 3 生物因素 生物因素主要指病毒 如麻疹病毒和真菌等 风疹病毒 疱疹病毒 黄 曲霉菌等 它们产生的毒素和代谢产物 如黄曲霉素等有诱变作用 第十五章 DNA 损伤与修复 301 二 DNA 损伤有多种类型 DNA 分子中的碱基 核糖与磷酸二酯键等都是 DNA 损伤因素作用的靶点 根据 DNA 分子结构改变的不同 DNA 损伤有碱基脱落 碱基结构破坏 嘧啶二聚体形成 DNA 单 链或双链断裂 DNA 交联等多种类型 1 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改变碱基的性质 例如 亚硝酸可导致碱基脱氨 在羟自由基的攻击下 嘧啶碱基易发生加成 抽氢等 反应 导致碱基环破裂 具有氧化活性的物质可造成 DNA 中嘌呤和嘧啶碱基的氧化修 饰 形成 8 羟基脱氧鸟昔或 6 一甲基尿嘧啶等氧化代谢产物 紫外线作用于 DNA 分子 可形成嘧啶二聚体 糖基的碳原子和羟基上的氢可能与自由基反应 由于碱基损伤或糖 基破坏 在 DNA 链上可能形成一些不稳定点 最终可导致 DNA 链的断裂 2 碱基之间发生错配 如前所述 碱基类似物的掺人 碱基修饰剂的作用可改变碱基的 性质 导致 DNA 序列中的错误配对 在正常的 DNA 复制过程中 存在着一定比例的自发 碱基错配 最常见的是组成 RNA 的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺人到 DNA 分子中 3 DNA 链发生断裂 DNA 链断裂是电离辐射致 DNA 损伤的主要形式 某些化学毒剂 也可导致 DNA 链断裂 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 DNA 断裂的原因 碱基损伤或糖基破坏可引起 DNA 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样的部位 造成链断裂 DNA 链上被损伤的碱基也 可以被另一种特异的 DNA 一糖基化酶除去 形成无嘌呤嘧啶位点 apurinic apyrimidinic site AP site 或称无碱基位点 abasic site 这些位点在内切酶等的作用下可形成链断 裂 DNA 断裂可以发生在单链或双链上 单链断裂能迅速在细胞中以另一链为模板重新合成 完成修复 而双链断裂在原位修复的几率很小 需依赖重组修复 这种修复导致染色体畸 变的可能性很大 因此 一般认为双链断裂的 DNA 损伤与细胞的致死性效应有直接的联 系 4 DNA 链的共价交联 DNA 损伤中有多种交联形式 DNA 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 DNA 链间交联 DNA interstrand cross linking DNA 分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合 称为 DNA 链内交联 DNA intrastrand cross linking DNA 分子还可与蛋白质以共价键结合 称为 DNA 一蛋白质交 联 DNA protein cross link ing 紫外线照射后形成的嘧啶二聚体就是 DNA 链内交联的 典型例子 以上分别叙述了各种类型的 DNA 损伤 实际上 DNA 损伤是相当复杂的 当 DNA 受 到严重损伤时 在局部范围发生的损伤常不止一种 而是多种类型的损伤复合存在 最常 见的是碱基损伤 糖基破坏和链断裂 这种损伤部位被称为局部多样损伤部位 上述 DNA 损伤可导致 DNA 模板发生碱基置换 插入 缺失 链的断裂等变化 并可 能影响到染色体的高级结构 就碱基置换来讲 DNA 链中一种嘌呤被另一种嘌呤取代 或 嘧啶被另一种嘧啶取代 称为转换 transition 嘌呤被嘧啶取代或反之 则称为颠换 tranaversion 转换和颠换在 DNA 复制时可引起碱基错配 导致基因突变 碱基的插 人和缺失可引起移码突变 DNA 断裂阻止了 RNA 合成过程中链的延伸 DNA 损伤引起的 染色体结构变化也可造成转录 甚至是翻译的异常 所有这些变化可造成某种或某些基因 信息发生丢失或异常 进而导致其表达产物的量与质的变化 对细胞的功能造成不同程度 的影响 需要指出的是 由于密码子的简并性 第十七章 上述的碱基置换并非一定发生氨 基酸编码的改变 碱基置换可以造成改变氨基酸编码的错义突变 missense mutation 变 为终止密码子的无义突变 nonsense mutation 和不改变氨基酸编码的同义突变 same sense mutation 教科书和文献中对于错义突变用氮基酸的单字母符号和位置共同注明 如 B Raf 的第 600 位的 jie 氨酸突变为谷氨酸则可写为 V600E 表示为 B RafV600E 302 第三篇 遗传信息的传递 第二节 DNA 损伤的修复 在长期的生命活动中 生物体发生 DNA 损伤是不可避免的 这种损伤所导致的结局取 决于 DNA 损伤的程度 以及细胞对损伤 DNA 的修复能力 DNA 损伤修复是指纠正 DNA 两条单链间错配的碱基 清除 DNA 链上受损的碱基或糖基 恢复 DNA 的正常结构的过程 DNA 修复 DNA repair 是机体维持 DNA 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 细胞内存在多种修复 DNA 损伤的途径或系统 常见的 DNA 修复途径或系统包括 直 接修复 切除修复 重组修复和损伤跨越修复等 表 15 1 值得注意的是 一种 DNA 损伤可通过多种途径来修复 而一种修复途径也可同时参与多种 DNA 损伤的修复过程 一 有些 DNA 损伤可以直接修复 直接修复是最简单的一种 DNA 损伤的修复方式 修复酶直接作用于受损的 DNA 将之恢复为原来的结构 1 嘧啶二聚体的直接修复 嘧啶二聚体的直接修复又称为光复活修复或光复活作用 生物体内存在着一种光复活酶 photoreactivating enzyme 能够直接识别和结合于 DNA 链上的嘧啶二聚体部位 在波长 300 一 500nm 的可见光激发下 光复活酶可将嘧 啶二聚体解聚为原来的单体核苷酸形式 完成修复 图 15 3 光复活酶最初在低等生 物中发现 高等生物虽然也存在光复活酶 但是光复活修复并不是高等生物修复嘧啶二 聚体的主要方式 2 烷基化碱基的直接修复 催化此类直接修复的酶是一类特异的烷基转移酶 可以将烷 基从核苷酸转移到自身肽链上 修复 DNA 的同时自身发生不可逆转的失活 例如 人类 O 的 6 次方一甲基鸟嘌呤一 DNA 甲基转移酶 能够将 O6 位的甲基转移到酶自身的半胱氨 酸残基上 使甲基化的鸟嘌呤恢复正常结构 图 15 4 3 无嘌呤位点的直接修复 DNA 链上的嘌呤碱基受损时 可能被糖基化酶水解而脱落 生成无嘌呤位点 DNA 嘌呤插人酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与 DNA 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人 这种作用具有很强的专一性 4 单链断裂的直接修复 DNA 连接酶能够催化 DNA 双螺旋结构中一条链上缺口处的 5 一磷酸基团与相邻片段的 3 一羟基之间形成磷酸二酯键 从而直接参与部分 DNA 单 链断裂的修复 如电离辐射所造成的切口 第十五章 DNA 损伤与修复 303 二 切除修复是最普追的 DNA 损伤修复方式 切除修复是生物界最普遍的一种 DNA 修复方式 通过此修复方式 可将不正常的碱基 或核苷酸除去并替换掉 依据识别损伤机制的不同 又分为碱基切除修复和核苷酸切除修 复两种类型 1 碱基切除修复碱基 切除修复 base excision repair 依赖于生物体内存在的一类特 异的 DNA 糖基化酶 整个修复过程包括 识别水解 DNA 糖基化酶特异性识别 DNA 链中已受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 5 端 无碱基位点核酸内切酶将 DNA 链的磷酸二酯键切开 去除剩余的磷酸核糖部分 合成 DNA 聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列 连接 由 DNA 连接酶将切 口重新连接 使 DNA 恢复正常结构 图 15 一 肿瘤抑制基因表达产物 p53 在哺乳类动物细胞中参与调控碱基切除修复 直接证据是 DNA 烷化剂诱导的 DNA 损伤 在表达野生型 TP53 的细胞中可被有效修复 而在 TP53 缺 失的细胞中修复速度明显减慢 304 第三篇 遗传信息的传递 2 核苷酸切除修复与碱基切除修复不同 核苷酸切除修复 nucleotide excision repair 系 统并不识别具体的损伤 而是识别损伤对 DNA 双螺旋结构所造成的扭曲 但修复过程 与碱基切除修复相似 首先 由一个酶系统识别 DNA 损伤部位 其次 在损伤两侧 切开 DNA 链 去除两个切口之间的一段受损的寡核苷酸 再次 在 DNA 聚合酶作用下 以另一条链为模板 合成一段新的 DNA 填补缺损区 最后 由连接酶连接 完成损伤 修复 切除修复是 DNA 损伤修复的一种普遍形式 它并不局限于某种特殊原因造成的损伤 而能一般性地识别和纠正 DNA 链及 DNA 双螺旋结构的变化 修复系统能够使用相同的机 制和一套修复蛋白去修复一系列性质各异的损伤 遗传性着色性干皮病 xeroderma pigmentosum XP 的发病 就是由于 DNA 损伤核苷酸 切除修复系统基因缺陷所致 有关人类 XP 相关的核苷酸切除修复系统缺陷基因的一般情 况 见以下文本框的内容 以及表 15 2 此外 Cockyne 综合征和人毛发二硫键营养不良症 等疾病的遗传病因也是 DNA 损伤核苷酸切除修复系统基因缺陷 框 15 1 遗传性 XP 遗传性 XP 是由匈牙利裔皮肤科教授 M Kaposi 与岳父 于 1870 年在他们合著的皮肤病教材中最先描 述的 XP 患者的皮肤对阳光极度歌感 易受照射损伤 可在幼年时罹患皮肤癌 同时伴有智力发育迟缓 神经系统功能紊乱等症状 J E Cleaver 等首先发现 XP 是由于患者对紫外线照射造成的皮肤细胞的 DNA 损伤的切除修复缺陷所致 后来经细胞融合技术进一步发现 XP 患者的皮肤细胞与大鼠的体细胞融 合后所形成的杂种细胞会重新获得 DNA 损伤切除修复的能力 从而可幸免于紫外线照射所造成的损伤 而且对于某些来自于 XP 患者的成纤维细胞经相互融合后也会重新获得上述能力 这些现象提示 XP 具 有多型性 而且各型之间可相互补偿 已有 7 种互补型 A B C D E F G 被发现 而与之相对应的 DNA 损伤核苷酸切除修复缺陷相关基因分别被命名为 XPA XPB XPC XPD XPE XPF 和 XPG 等 第十五章 DNA 损伤与修复 305 人类的 DNA 损伤核苷酸切除修复需要大约 30 多种蛋白的参与 其修复过程如下 首先由损伤部位识别蛋白 XPC 和 XPA 等 再加上 DNA 复制所需的 SSB 结合在损伤 DNA 的部位 XPB XPD 发挥解旋酶的活性 与上述物质共同作用在受损 DNA 周围形 成一个凸起 XPG 与 XPF 发生构象改变 分别在凸起的 3 一端和 5 一端发挥核酸内切酶 活性 在增殖细胞核抗原 PCNA 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 或 进行修补合成 最后 由连接酶完成连接 核苷酸切除修复不仅能够修复整个基因组中的损伤 而且能够修复那些正在转录的基 因模板链上的损伤 后者又称为转录偶联修复 transcription coupled repair 因此 更具 积极意义 在此修复中 所不同的是由 RNA 聚合酶承担起识别损伤部位的任务 3 碱基错配修复 错配是指非 Watson Crick 碱基配对 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 是维持细胞中 DNA 结构完整稳定的重要方式 主要负责纠正 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 碱基插入 碱基缺失 从低等生物到高等生物 均拥有保守的碱基错配修复系统或途径 继细菌错配修复机制研究之后 真核细胞的错配修复机制的研究 近年来也取得很大 进展 现已发现多种与大肠杆菌 MutS MutL 高度同源的参与错配修复的蛋白 如与大 肠杆菌 MutS 高度同源的人类的 MSH2 MutS Homolog 2 MSH6 MSH3 等 MSH2 和 MSH6 的复合物可识别包括碱基错配 插入 缺失等 DNA 损伤 而由 MSH2 和 MSH3 形 成的蛋白复合物则主要识别碱基的插入与缺失 有关定位于细胞核内的人类错配修复系统 成员的一般情况见表 15 3 306 第三篇 遗传信息的传递 三 DNA 严重损伤时需要重组修复 双链 DNA 分子中的一条链的断裂 可被模板依赖的 DNA 合成系统修复 不会给细胞 带来严重后果 但 DNA 分子的双链断裂是一种极为严重的损伤 与其他修复方式不同的 是 双链断裂修复没有互补链提供修复断裂的遗传信息 需要另外一种更为复杂的机制 即重组修复来完成 重组修复是指依靠重组酶系 将另一段未受损伤的 DNA 移到损伤部 位 提供正确的模板 进行修复的过程 依据机制的不同 重组修复可分为同源重组修复 和非同源末端连接重组修复 1 同源重组修复 所谓同源重组修复 homologous recombination repair 指的是参加重组 的两段双链 DNA 在相当长的范围内序列相同 200bp 这样就能保证重组后生成的新区 序列正确 大肠杆菌和酵母同源重组的分子机制已比较清楚 起关键作用的是 RecA 蛋白 也被称作重组酶 它是一个由 352 个氨基酸组成的蛋白质分子 多个 RecA 单体在 DNA 上 聚集 形成右手螺旋的核蛋白细丝 细丝中具有深的螺旋凹槽 可以识别和容纳 DNA 链 在 ATP 存在的情况下 RecA 可与损伤的 DNA 单链区结合 使 DNA 伸展 同时 RecA 可 识别一段与受损 DNA 序列相同的姐妹链 并使之与受损 DNA 链并列排列 交叉互补 并 分别以结构正常的两条 DNA 链为模板重建损伤链 最后在其他酶的作用下 解开交叉互 补 连接新合成的链 完成同源重组 图 15 6 同源重组生成的新片段具有很高的忠实 性 2 非同源末端连接的重组修复 非同源末端连接重组修复 non homologous end joining re combination repair 是哺乳类动物细胞 DNA 双链断裂的一种修复方式 顾名思义 即两 个 DNA 分子的末端不需要同源性就能连接起来 因此 非同源末端连接重组修复的 DNA 链的同源性不高 修复的 DNA 序列中可存在一定的错误 对于拥有巨大基因组的哺乳类 动物细胞来说 发生错误的位置可能并不在必需基因上 这样依然可以维持受损细胞的存 活 非同源末端连接重组修复中起关键作用的蛋白分子是 DNA 依赖的蛋白激酶 DNA dependent protein kinase DNA PK 是一种核内的丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶 由一个分子 量大约为 465 kDa 的催化亚基 DNA PKcs 和一个能结合 DNA 游离端的异二聚体蛋白 Ku 组成 DNA PKcs 的主要作用是介导 DNA PK 的催化功能 Ku 蛋白可与双链 DNA 的 断端连接 促进双链断裂的重接 另一个参与非同源末端连接重组修复的重要蛋白是 XRCC4 X ray repair complementing de fective in chinese hamster 它能与 DNA 连接酶形成复合物 并增强 连接酶的活力 在 DNA 连接酶与组装在 DNA 末端的 DNA PK 复合物相结合的过程中起 中间体作用 非同源末端连接重组修复既是修复 DNA 损伤的一种方式 又可以被看作是 一种生理性基因重组策略 将原来并未连在一起的基因或片段连接产生新的组合 如 B 淋 巴细胞 T 淋巴细胞的受体基因 免疫球蛋白基 第十五章 DNA 损伤与修复 307 因的构建与重排等 四 某些修复发生在跨越损伤 DNA 的复制事件之后 当 DNA 双链发生大范围的损伤 DNA 损伤部位失去了模板作用 或复制叉已解开母 链 致使修复系统无法通过上述方式进行有效修复 细胞可以诱导一个或多个应急途径 跨过损伤部位先进行复制 再设法修复 而根据损伤部位跨越机制的不同 这种跨越损伤 DNA 的修复又被分为重组跨越损伤修复与合成跨越损伤修复两种不同类型 1 重组跨越损伤修复当 DNA 链的损伤较大 致使损伤链不能作为模板复制时 细胞利 用同源重组的方式 将 DNA 模板进行重组交换 使复制能够继续下去 然而 在大肠杆 菌中 还有某些新的机制 当复制进行到损伤部位时 DNA 聚合酶 III 停止移动 并从模 板上脱离下来 然后在损伤部位的下游重新启动复制 从而在子链 DNA 上产生一个缺口 RecA 重组蛋白将另一股健康母链上对应的序列重组到子链 DNA 的缺口处填补 通过重组 跨越 解决了有损伤的 DNA 分子的复制问题 但其损伤并没有真正地被修复 只是转移 到了新合成的一个子代 DNA 分子上 由细胞内其他修复系统来后继修复或是在不断复制 之中被 稀释 掉 2 合成跨越损伤修复 DNA 双链发生大片段 高频率的损伤时 细胞可以紧急启动应急 修复系统 诱导产生新的 DNA 聚合酶 替换停留在损伤位点的原来的 DNA 聚合酶 在 子链上以随机方式插入正确或错误的核苷酸使复制继续 越过损伤部位之后 这些新 DNA 聚合酶完成使命从 DNA 链上脱离 再由原来的 DNA 聚合酶 III 继续复制 因为诱导产生 的这些新的 DNA 聚合酶的活性低 识别碱基的精确度差 一般无校对功能 所以这种合 成跨越损伤复制过程的出错率会大大增加 是大肠杆菌 SOS 反应或 SOS 修复的一部分 308 第三篇 遗传信息的传递 在原核细胞中 SOS 修复反应是由 RecA 蛋白和 LexA 阻遏物的相互作用引发的 有近 30 个 sos 相关基因编码蛋白参与此修复反应 正常情况下 RecA 基因 以及其他的 sos 相关的 可诱导基因的上游 有一段共同的操纵序列 5 CTG N10 CAG 3 被 LexA 阻遏蛋白所阻遏抑 制 只有低水平的转录和翻译 产生少量相应蛋白 当 DNA 严重损伤时 RecA 蛋白被激活 促发 LexA 的自水解酶活性 当 LexA 阻遏蛋白因水解而从 RecA 基因 以及 SOS 相关的可 诱导基因的操纵序列上解离下来后 一系列原本受 LexA 抑制的基因得以表达 参与 SOS 修复 活动 完成修复后 LexA 阻遏蛋白被重新合成 sos 相关的可诱导基因又被重新关闭 图 15 7 需要指出的是 SOS 反应诱导的产物可参与重组修复 切除修复 错配修复等各种途 径的修复过程 这种修复机制因海空紧急呼救信号 SOS 而得名 此外 对于受损的 DNA 分子 除了启动上述诸多的修复途径 以修复损伤之外 细胞还可 以通过其他的途径将损伤的后果降至最低 例如 通过 DNA 损伤应激反应活化的细胞周期检查 点机制 延迟或阻断细胞周期进程 为损伤修复提供充足的时间 诱导修复基因转录翻译 加 强损伤的修复 使细胞能够安全进人新一轮的细胞周期 与此同时 细胞还可以激活凋亡机制 诱导严重受损的细胞凋亡 在整体上维持生物体基因组的稳定 第三节 DNA 损伤和修复的意义 遗传物质稳定性的世代相传是维持物种稳定的主要因素 但是 如果遗传物质是绝对 一成不变的话 自然界就失去了进化的基础 也就没有新的物种出现 因此生命和生物多 样性依赖 第十五章 DNA 损伤与修复 309 于 DNA 损伤或突变与损伤修复机制之间的良好动态平衡 一 DNA 损伤具有双重效应 一般认为 DNA 损伤都是有害的 但是 就 DNA 损伤的结果而言 既有消极的一面 也有积极的一面 DNA 损伤通常有两个生物学后果 一是给 DNA 带来永久性的改变即突 变 可能改变基因的编码序列或者基因的调控序列 二是 DNA 的这些改变使得 DNA 不能 用作复制和转录的模板 使细胞的功能出现障碍 重则死亡 从长远的生物效应来看 进化过程是遗传物质不断突变的结果 可以说没有突变就没 有如今的生物物种的多样性 当然在短暂的历史时期 我们是无法看到一个物种的自然演 变 只能见到长期突变的累积结果 适者生存 因此突变是进化的分子基础 DNA 突变可能只是改变基因型 体现为个体差异 而不影响其基本表型 例如基因的 多态性已被广泛应用于亲子鉴定 个体识别 器官移植 以及疼病易感性分析等 DNA 损 伤若发生在与生命活动密切相关的基因上 可能导致细胞 甚至是个体的死亡 人类常利 用这种特性来杀死某些病原微生物 DNA 突变还是某些遗传性疾病的发病基础 有遗传倾向的疾病 如高血压 糖尿病和 肿瘤等 均是多种基因与环境因素共同作用的结果 二 DNA 损伤修复障碍与肿瘤等多种疾病相关 细胞中 DNA 损伤的生物学后果 主要取决于 DNA 损伤的程度和细胞的修复能力 如 果损伤得不到及时正确的修复 就可能导致细胞功能的异常 DNA 碱基的损伤可导致遗传 密码子的变化 经转录和翻译产生功能异常的 RNA 与蛋白 引起细胞功能的衰退 凋亡 甚至发生恶性转化 双链 DNA 的断裂可通过重组修复途径加以修复 但非同源重组修复 的忠实性差 修复过程中可能获得或丧失核昔酸 造成染色体畸变 导致严重后果 DNA 交联影响染色体的高级结构 影响基因的正常表达 对细胞的功能同样产生影响 因此 DNA 损伤与肿瘤 衰老以及免疫性疾病等多种疾病的发生有着密切的关联 表 15 4 一 DNA 损伤修翅系统缺陷与肿瘤 先天性 DNA 损伤修复系统缺陷的人群易患恶性肿瘤 肿瘤发生是 DNA 损伤对机体的 远后效应之一 众多研究表明 DNA 损伤 DNA 修复异常 基因突变 肿瘤发生是贯穿 肿瘤发生发展过程的重要环节 DNA 损伤可导致原癌基因的激活 也可使肿瘤抑制基因失 活 原癌基因与肿瘤抑制基因的表达或活性失衡是细胞恶变的重要机制 参与 DNA 修复 的多种基因具有肿 310 第三篇 遗传信息的传递 瘤抑制基因的功能 目前已发现这些基因在多种肿瘤中发生突变而失活 1993 年有研究发现 人类遗传性非息肉性结肠癌 hereditary non polyposis colorectal cancer HNPCC 细胞存在错配修复 转录偶联修复缺陷 造成细胞基因组的不稳定性 进 而引起调控细胞生长基因的突变 发生细胞恶变 在 HNPCC 中 MLH1 和 MSH2 基因的突 变时有发生 MLH1 基因的突变形式主要有错义突变 无义突变 缺失和移码突变等 而 MSH2 基因的突变形式主要有移码突变 无义突变 错义突变以及缺失或插人等 其中以 第 622 位密码子发生 C T 转换 导致脯氨酸突变为亮氨酸最为常见 结果使 MSH2 蛋白的 功能丧失 BRCA 基因 breast cancer gene 参与 DNA 损伤修复的启动 细胞周期的调控 BRCA 基因的失活可增加细胞对辐射的敏感性 导致细胞对双链 DNA 断裂修复能力的下降 现 已发现 BRCA1 基因在 70 的家族遗传性乳腺癌和卵巢癌病例中发生突变而失活 值得注意的是 DNA 修复功能缺陷虽可引起肿瘤的发生 但已癌变的细胞本身 DNA 修复功能往往并不低下 相反却显著地升高 使得癌细胞能够充分修复化疗药物引起的 DNA 的损伤 这也是大多数抗癌药物不能奏效的原因 所以关于 DNA 修复的研究可为肿 瘤联合化疗提供新思路 二 DNA 损伤修复缺陷与人类遗传病 着色性干皮病 XP 患者的皮肤对阳光敏感 照射后出现红斑 水肿 继而出现色素沉 着 干燥 角化过度 最终甚至会出现黑色素瘤 基底细胞癌 鳞状上皮癌及棘状上皮瘤 等瘤变发生 具有不同临床表现的 XP 患者存在明显的遗传异质性 表现为不同程度的核 酸内切酶缺乏引发的切除修复功能缺陷 所以患者的肺 胃肠道等器官在受到有害环境因 素刺激时 会有较高的肿瘤发生率 在对 XP 的研究中