生物化学和分子生物学：第十五章 DNA损伤与修复

1、DNA损伤与修复损伤与修复(DNA Damage and Repair) 第十五第十五章章 1 本章主要内容：本章主要内容： 1. 什么是什么是DNA损伤损伤? 2. 常常见的见的DNA损伤类型及其诱发因素损伤类型及其诱发因素 3. 什么是什么是DNA损伤修复损伤修复? 4. 常见的常见的DNA损伤修复途径损伤修复途径 5. 切除修复的过程及其生物学意义切除修复的过程及其生物学意义 6. 修复障碍与多种疾病发生密切相关修复障碍与多种疾病发生密切相关 2 DNA损伤损伤 DNA Damage 第一节第一节 3 各种体内外因素所导致的各种体内外因素所导致的DNA组成与结构组成与结构 的变化称为的变

2、化称为DNA损伤损伤（DNA damage） 1. DNA复制错复制错误：误： 碱基错配，重复序列的插入或缺失碱基错配，重复序列的插入或缺失 2. 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： 碱基修饰碱基修饰 3. DNA自身的不稳定性：自身的不稳定性： 碱基的脱落，碱基脱氨转换碱基的脱落，碱基脱氨转换 4 5 相邻相邻T交联形成交联形成 胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体 4. 物理因素：物理因素：电离辐射、紫外线（电离辐射、紫外线（UV）等）等 碱基氧化修饰或脱落、碱基氧化修饰或脱落、DNA链交联或断裂链交联或断裂 6 5. 导致导致DNA损伤的化损伤的化学因素学因素 自由基自由基

3、导致碱基、核糖、磷酸基的损伤导致碱基、核糖、磷酸基的损伤 碱基类似物碱基类似物导致碱基配对导致碱基配对转换转换 7 碱碱基修饰剂、烷化剂基修饰剂、烷化剂修饰碱基导致碱基错配或脱落修饰碱基导致碱基错配或脱落 嵌入性嵌入性染料染料插入碱基对中引起插入、缺失或移码突变插入碱基对中引起插入、缺失或移码突变 8 Ames 试验（沙门氏菌回复突变试验）试验（沙门氏菌回复突变试验） 致突变物检测。鼠伤寒致突变物检测。鼠伤寒 沙门氏菌组氨酸营养缺沙门氏菌组氨酸营养缺 陷型（陷型（his-）菌株，在）菌株，在 组氨酸缺失培养基不生组氨酸缺失培养基不生 长。受诱变剂作用后，长。受诱变剂作用后， 发生回复突变，自行

4、合发生回复突变，自行合 成组氨酸，形成肉眼可成组氨酸，形成肉眼可 见的菌落。某些化学物见的菌落。某些化学物 质需经代谢活化才有致质需经代谢活化才有致 变作用，故在测试系变作用，故在测试系 统中加入哺乳动物微粒统中加入哺乳动物微粒 体酶。体酶。 9 DNA损伤的修复损伤的修复 The repair of DNA damage 第二节第二节 10 DNA修复修复（DNA repair）是指纠正）是指纠正DNA两条单两条单 链间错配的碱基、清除链间错配的碱基、清除DNA链上受损的碱基或糖链上受损的碱基或糖 基、恢复基、恢复DNA正常结构的过程。正常结构的过程。 11 常见的常见的DNA损伤修复途径损

5、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 碱基切除修碱基切除修 复复 受损的碱基受损的碱基 DNA糖基化酶、无嘌呤嘧糖基化酶、无嘌呤嘧 啶核酸内切酶啶核酸内切酶 核苷酸切除核苷酸切除 修复修复 嘧啶二聚体、嘧啶二聚体、DNA螺螺 旋结构的改变旋结构的改变 大肠杆菌中大肠杆菌中UvrA、UvrB、 UvrC和和UvrD，人，人XP系列蛋白系列蛋白 XPA、XPB、XPCXPG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MutH、Mu

6、tL、 MutS，人的，人的MLH1、MSH2、 MSH3、MSH6等等 重组修复重组修复 双链断裂双链断裂 RecA蛋白、蛋白、Ku蛋白、蛋白、DNA- PKcs、XRCC4 损伤跨越修损伤跨越修 复复 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 RecA蛋白、蛋白、LexA蛋白、蛋白、 其他类型其他类型DNA聚合酶聚合酶 12 1. 嘧嘧啶二聚啶二聚体在光复活酶作用下直体在光复活酶作用下直接修复接修复 并非嘧啶二聚体修复的主要方式 一、一、DNA损伤损伤的的直接修复直接修复 13 2. 2. 烷烷基化碱基化碱基在烷基转移酶作用下直基在烷基转移酶作用下直接修复

7、接修复 14 3. 无嘌呤位点在无嘌呤位点在DNA嘌呤插入酶作用下直接修复嘌呤插入酶作用下直接修复 4. DNA连接酶催化单链断裂的直接修复连接酶催化单链断裂的直接修复 DNA损伤直接修复的特点：单一特定的 修复酶完成损伤DNA的修复，简单直接， 非主要修复方式 15 二、切除修复是最普遍的二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式损伤修复方式 碱碱基切除修基切除修复复(Base excision repair， BER) 核核苷酸切除修苷酸切除修复复(Nucleotide excision repair, NER) 碱碱基错配修复基错配修复(Mismatch repair, MMR) 16 识

8、别水解识别水解：DNA糖基化糖基化 酶特异性识酶特异性识别并水解受损别并水解受损 碱基，产生无碱基，产生无碱基碱基位点位点 1. 碱基切除修复碱基切除修复的过程的过程 切切除除：核酸内切核酸内切 酶去酶去除剩余的磷除剩余的磷 酸核酸核糖，产生缺糖，产生缺 口；口； 连接连接：DNA连接酶连接切口，连接酶连接切口，DNA恢复正常结构恢复正常结构 合成合成：DNA聚合酶以另聚合酶以另 一条链为模板填补缺口一条链为模板填补缺口 17 2. 核核苷酸切除修苷酸切除修复的过程复的过程 (NER) : 由酶系统识别由酶系统识别DNA损伤部位；损伤部位； 在损伤两侧切开在损伤两侧切开DNA链，去除两个切口之

9、链，去除两个切口之 间的一段受损的寡核苷酸；间的一段受损的寡核苷酸； DNA聚合酶以完整链为模板，合成聚合酶以完整链为模板，合成DNA填填 补缺损；补缺损； 连接酶连接，完成损伤修复。连接酶连接，完成损伤修复。 识别和纠正DNA链及DNA双螺旋结构的变 化，广泛修复一系列性质各异的损伤 18 E.coli的的NER主要由主要由4种种 蛋白质组成：蛋白质组成： UvrA UvrB UvrC UvrD 19 着着色性色性干干皮病皮病 (Xeroderma Pigmentosum) 核苷酸切除修复相关基因异常核苷酸切除修复相关基因异常 造成造成DNA修复障碍所致。临床修复障碍所致。临床 以光暴露部位

10、色素增加和角化以光暴露部位色素增加和角化 及癌变为特征。及癌变为特征。 人人类的类的NER主要主要由由XP蛋白组成，包括蛋白组成，包括XPA, XPB, XPC, XPD, XPE, XPF, XPG, 共同修复损伤的共同修复损伤的DNA 20 人人类基因组类基因组DNA损损伤的伤的NER转录偶联修复转录偶联修复 XPC和和XPA等识别结等识别结 合合DNA损伤部位；损伤部位； XPB、XPD与与XPA共共 同 作 用 ， 解 链 受 损同 作 用 ， 解 链 受 损 DNA、形成凸起；、形成凸起； XPF与与XPG分别在凸分别在凸 起的起的5-端和端和3-端切除端切除 并释放受损核苷酸；并释

11、放受损核苷酸； 聚合酶修补缺损区；聚合酶修补缺损区； 连接酶完成连接。连接酶完成连接。 21 NER能能拯救因转录模板拯救因转录模板 链 损 伤 而 暂 停 转 录 的链 损 伤 而 暂 停 转 录 的 RNA聚合酶聚合酶，参与，参与转录转录 偶联偶联修复修复(transcription- coupled repair) 作用方式作用方式：NER蛋白结蛋白结 合暂停合暂停的的RNA聚合酶，聚合酶， RNA聚合酶起到损伤传聚合酶起到损伤传 感蛋白的作用。感蛋白的作用。 意义意义：修复：修复酶集中于正酶集中于正 在转录在转录DNA，使使损伤区损伤区 域得以尽快域得以尽快修复修复。 转录偶联修复转录

12、偶联修复 22 碱基错配修复（碱基错配修复（ MMR） 碱基切除修复的一种特殊形式，主要负责纠正：碱基切除修复的一种特殊形式，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。 23 E. coli 碱基错配修复系统包括：碱基错配修复系统包括：MutLHS等等 MutS识别结合错配碱基；识别结合错配碱基；MutL稳定稳定MutS- DNA复合物；复合物；MutH具有核酸内切酶活性具有核酸内切酶活性 MMR如何区分模板链与新生成的链呢？如何区分模板链与新生成的链

13、呢？ 真核细胞碱基错配修复系统：真核细胞碱基错配修复系统：MSH蛋白蛋白 （MutS homologs）；与）；与MutL同源的同源的MLH 和和PMS蛋白蛋白 24 模板模板链链序序列甲基化列甲基化 MutH仅切割仅切割新合成的新合成的DNA单链单链 E.coli 甲基甲基化酶（化酶（methylase）使）使DNA双链处双链处于暂时的于暂时的 半甲基化状态半甲基化状态，仅模板链甲基化标记，从而使，仅模板链甲基化标记，从而使新新合成合成 的的DNA单单链链被被MMR识识别并修复。别并修复。 25 The Nobel Prize in Chemistry 2015 was awarded jo

14、intly to Tomas Lindahl, Paul Modrich and Aziz Sancar for mechanistic studies of DNA repair. 碱基切除修复光复活酶和UvrABC碱基错配修复 26 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 1. 同同源重组源重组修复修复(homologous recombination repair) 在重组酶作用下受损DNA与其姐妹链交叉互补，分 别以正常的两条DNA链为模板重建损伤链，然后解 开交叉互补、连接新合成的链，完成同源重组。 2.非同源末端连接的重组修复（非同源末端连接的重组修复（non-

15、homologous end joining recombination repair) 若发生若发生DNA双链断裂该如何修复？双链断裂该如何修复？ 两个DNA分子的末端无需同源性而发生连接。 27 四、四、DNA损伤严重时启动应急修复（损伤严重时启动应急修复（SOS修复）修复） 跨越跨越DNA损伤部位损伤部位，先复制后修复，出错率高，先复制后修复，出错率高 E. coli中中SOS修复中修复中LexA-RecA 操纵子的作用机制操纵子的作用机制: 28 DNA损伤和修复的意义损伤和修复的意义 The significance of DNA damage and repair 第三节第三节 29 一、一、DNA损伤具有双重效应损伤具有双重效应 1. 给给DNA带来永久性的带来永久性的改变（改变（突变：发生在突变：发生在DNAf 分子上可遗传的结构变化分子上可遗传的结构变化），进化的分子基础；），进化的分子基础； 2. 导导致致DNA不能用作复制和转录的模板不能用作复制和转录的模板，细胞功，细胞功 能能出现障碍出现障碍，导致疾病或死，导致疾病或死亡。亡。 30 二、二、DNA损伤修复障碍与肿瘤