生物化学与分子生物学：第15章 DNA损伤修复

1、 第十五章第十五章 DNA损伤与修复损伤与修复 DNA damage and repair 各种体内外因素所导致的各种体内外因素所导致的DNA组成与结构的组成与结构的 变化称为变化称为DNA损伤（损伤（DNA damage）。 其一，其一，DNA的结构发生永久性改变，的结构发生永久性改变， 即突变；即突变； 其二，导致其二，导致DNA失去作为复制和失去作为复制和/或转或转 录的模板的功能。录的模板的功能。 DNA损伤的后果损伤的后果: 生物多样性依赖于：生物多样性依赖于： DNA突变突变DNA修复修复 平衡平衡 一、多种因素通过不同机制导致一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤损伤 （一）体内

2、因素（一）体内因素 DNA复制错误复制错误 DNA自身的不稳定性自身的不稳定性 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 第一节第一节 DNA损伤损伤 nDNA复制错误：复制错误： n在在DNA复制过程中，碱基的异构互变、复制过程中，碱基的异构互变、4种种dNTP 之间浓度的不平衡等均可能引起之间浓度的不平衡等均可能引起碱基的错配碱基的错配。 DNA复制的错配率约复制的错配率约1/1010。 n复制错误还表现为复制错误还表现为片段的缺失或插入片段的缺失或插入。 n特别是特别是DNA上的短片段重复序列，在真核细胞染上的短片段重复序列，在真核细胞染 色体上广泛分布，导致色体上广泛分布，

3、导致DNA复制系统工作时可能复制系统工作时可能 出现出现“打滑打滑”现象，使得新生成的现象，使得新生成的DNA上的上的重复重复 序列拷贝数发生变化序列拷贝数发生变化。 同型异构体转换同型异构体转换 = O -OH 同型异构体转换同型异构体转换 -NH2 -NH 异构互变造成的复制损伤异构互变造成的复制损伤 nDNA自身的不稳定性自身的不稳定性 ： nDNA自发性损伤中最频繁和最重要的因素。自发性损伤中最频繁和最重要的因素。 n当当DNA受热或所处环境的受热或所处环境的pH值发生改变时，值发生改变时， DNA分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可 自发发生水解，导致

4、碱基的自发发生水解，导致碱基的丢失丢失或或脱落脱落，其，其 中以中以脱嘌呤脱嘌呤最为普遍。最为普遍。 n含有氨基的碱基还可能含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应自发脱氨基反应，转，转 变为另一种碱基，即变为另一种碱基，即碱基的转变碱基的转变，如，如C转变为转变为 U，A转变为转变为I（次黄嘌呤）等。（次黄嘌呤）等。 脱嘌呤与脱嘧啶脱嘌呤与脱嘧啶 (碱基丢失碱基丢失) 碱基的脱氨基作用碱基的脱氨基作用 （二）体外因素（二）体外因素 物理因素物理因素 化学因素化学因素 生物因素生物因素 1.物理因素物理因素:紫外线（紫外线（UV）引起的）引起的DNA损伤损伤 DNA受到大剂量紫外线（受到大剂量紫外线

5、（260nm）照射时，照射时， 同一条链上相邻的嘧啶同一条链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体以共价键连成二聚体； TT, CC, CT之间都可形成二聚体。之间都可形成二聚体。 复制时，此处产生复制时，此处产生 空耗过程，空耗过程，DNA 不能复制，细胞不不能复制，细胞不 能分裂，导致凋亡能分裂，导致凋亡。 紫外线引起的紫外线引起的DNA损伤损伤 最易形成胸腺嘧啶二聚体（最易形成胸腺嘧啶二聚体（TT） 1.物理因素物理因素: 电离辐射电离辐射 （2）烷基剂对）烷基剂对DNA的损伤的损伤 （1）碱基类似物、修饰剂对）碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤的损伤 （3）嵌合剂对）嵌合剂对DNA的损伤。的损伤

6、。 2.化学因素引起的化学因素引起的DNA损伤损伤 黄曲霉素黄曲霉素B1（aflatoxin B1，AFB1） 一种很强的致癌剂。一种很强的致癌剂。 在鸟嘌呤在鸟嘌呤 N7位置上形成一加成复合物后位置上形成一加成复合物后 产生无嘌呤位点。修复要求产生无嘌呤位点。修复要求SOS系统参与。系统参与。SOS 越过无嘌呤位点并在这些位点对应处选择性插入越过无嘌呤位点并在这些位点对应处选择性插入 腺嘌呤，使鸟嘌呤残基脱嘌呤的试剂偏向于产生腺嘌呤，使鸟嘌呤残基脱嘌呤的试剂偏向于产生 G-CT-A颠换。颠换。 3.生物因素生物因素 病毒，如麻疹、风疹、疱疹等。病毒，如麻疹、风疹、疱疹等。 在宿主细胞内通过整

7、合作用将其自身的遗传物质在宿主细胞内通过整合作用将其自身的遗传物质 整合到宿主细胞染色体的整合到宿主细胞染色体的DNA上，改变宿主细胞上，改变宿主细胞 的的DNA结构和序列。结构和序列。 n碱基损伤与糖基破坏：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。而改变碱基的性质。 由于碱基损伤或糖基破坏，在由于碱基损伤或糖基破坏，在DNA链上可能链上可能 形成一些不稳定点，最终可导致形成一些不稳定点，最终可导致DNA链的断链的断 裂裂。 二、二、DNA损伤有多种类型损伤有多种类型 n碱基之间发生错配碱基之间发生错配 ： 碱基类似

8、物的掺入、碱基修饰剂的作用可改碱基类似物的掺入、碱基修饰剂的作用可改 变碱基的性质，导致变碱基的性质，导致DNA序列中的错误配对。序列中的错误配对。 在正常的在正常的DNA复制过程中，存在着一定比例复制过程中，存在着一定比例 的自发碱基错配。的自发碱基错配。 最常见的是组成最常见的是组成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶的尿嘧啶替代胸腺嘧啶 掺入到掺入到DNA分子分子中。中。 nDNA链发生断裂：链发生断裂： 电离辐射、化学毒剂、磷酸二酯键的断裂、脱氧戊电离辐射、化学毒剂、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糖的破坏、碱基的损伤和脱落都是引起DNA断裂的断裂的 原因。原因。 碱

9、基损伤或糖基破坏可引起碱基损伤或糖基破坏可引起DNA双螺旋局部变性，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。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链上被损伤的碱基也可以被另一种特异的DNA- 糖基化酶除去，形成糖基化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点无嘌呤嘧啶位点（apurinic- apyrimidinic site, AP site），或称无碱基位点），或称无碱基位点 （abasic site），这些位点在内切酶等的作用下可形），这些位点在内切酶等的作用下可形 成链断裂。成

10、链断裂。 nDNA 的共价交联：的共价交联： pDNA双螺旋链中的一条链上的碱基与另一条链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，称为上的碱基以共价键结合，称为DNA链间交联链间交联 （DNA interstrand cross-linking）。）。 pDNA分子中同一条链中的两个碱基以共价键结分子中同一条链中的两个碱基以共价键结 合，称为合，称为DNA链内交联链内交联（DNA intrastrand cross-linking）。）。 pDNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为分子还可与蛋白质以共价键结合，称为 DNA-蛋白质交联蛋白质交联（DNA protein cr

11、oss- linking）。）。 DNA损伤可导致损伤可导致 u碱基置换碱基置换 转换（转换（transition）:嘌呤取代嘌呤，嘧啶取代嘧啶嘌呤取代嘌呤，嘧啶取代嘧啶 颠换（颠换（ transversion ）:嘌呤取代嘧啶嘌呤取代嘧啶 u缺失缺失 u插入插入 u链的断裂链的断裂 移码突变移码突变 The repair of DNA damage 第二节第二节 DNA损伤的修复损伤的修复 DNA修复（修复（DNA repair）是指纠正是指纠正DNA两条两条 单链间错配的碱基、清除单链间错配的碱基、清除DNA链上受损的碱基链上受损的碱基 或糖基、恢复或糖基、恢复DNA的正常结构的过程。的正

12、常结构的过程。 DNA修复是机体维持修复是机体维持DNA结构的完整性与稳结构的完整性与稳 定性，保证生命延续和物种稳定的重要环节。定性，保证生命延续和物种稳定的重要环节。 常见的常见的DNA损伤修复途径损伤修复途径 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 碱基切除修复碱基切除修复 受损的碱基受损的碱基 DNADNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶 核苷酸切除修核苷酸切除修 复复 嘧啶二聚体、嘧啶二聚体、DNADNA螺螺 旋结构的改变旋结构的改变 大肠杆菌中大肠杆菌中Uvr

13、AUvrA、UvrBUvrB、UvrCUvrC和和UvrDUvrD， 人人XPXP系列蛋白系列蛋白XPAXPA、XPBXPB、XPCXPGXPCXPG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MutHMutH、MutLMutL、MutSMutS，人的，人的 MLH1MLH1、MSH2MSH2、MSH3MSH3、MSH6MSH6等等 重组修复重组修复 双链断裂双链断裂 RecARecA蛋白、蛋白、KuKu蛋白、蛋白、DNA-DNA-PKcsPKcs、XRCC4XRCC4 损伤跨越修复损伤跨越修复 大范围的损伤或复制大范围的损伤或复制

14、中来不及修复的损伤中来不及修复的损伤 RecARecA蛋白、蛋白、LexALexA蛋白、其他类型蛋白、其他类型DNADNA聚聚 合酶合酶 一、有些一、有些DNA损伤可以直接修复损伤可以直接修复 嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复 烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复 无嘌呤位点的直接修复无嘌呤位点的直接修复 单链断裂的直接修复单链断裂的直接修复 n嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复 n烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复 n无嘌呤位点的直接修复无嘌呤位点的直接修复 pDNA嘌呤插入酶嘌呤插入酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧能催化游离嘌呤碱基或脱氧 核苷与核苷与DNA嘌呤缺如部位重

15、新生成糖苷共价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入。具有很强的键，导致嘌呤碱基的直接插入。具有很强的 专一性专一性。 n单链断裂的直接修复单链断裂的直接修复 pDNA连接酶连接酶能够催化能够催化DNA双螺旋结构中一条双螺旋结构中一条 链上缺口处的链上缺口处的5 -磷酸基团与相邻片段的磷酸基团与相邻片段的3 -羟基羟基 之间形成磷酸二酯键，从而直接参与部分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。单链断裂的修复，如电离辐射所造成的切口。 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 1.碱基切除修复碱基切

16、除修复（base excision repair） 2.核苷酸切除修复核苷酸切除修复（nucleotide excision repair） 首先，由一个酶系统识别首先，由一个酶系统识别DNA损伤部位；损伤部位； 其次，在损伤两侧切开其次，在损伤两侧切开DNA链，去除两个切口之链，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； 再次，在再次，在DNA聚合酶作用下，以另一条链为模板，聚合酶作用下，以另一条链为模板， 合成一段新的合成一段新的DNA，填补缺损区；，填补缺损区； 最后由连接酶连接，完成损伤修复。最后由连接酶连接，完成损伤修复。 E.Coli 的的NER主要由主要由4

17、 种蛋白质组成：种蛋白质组成： UvrA UvrB UvrC UvrD n人类的人类的DNA损伤核苷酸切除修复损伤核苷酸切除修复 首先由损伤部位识别蛋白首先由损伤部位识别蛋白XPC和和XPA等，再等，再 加上加上DNA复制所需的复制所需的SSB，结合在损伤，结合在损伤DNA 的部位；的部位； XPB、XPD发挥解旋酶的活性，与上述物质发挥解旋酶的活性，与上述物质 共同作用在受损共同作用在受损DNA周围形成一个凸起；周围形成一个凸起； XPG与与XPF发生构象改变，分别在凸起的发生构象改变，分别在凸起的3- 端和端和5-端发挥核酸内切酶活性端发挥核酸内切酶活性, 在增殖细胞在增殖细胞 核抗原（核

18、抗原（PCNA）的帮助下，切除并释放受）的帮助下，切除并释放受 损的寡核苷酸；损的寡核苷酸； 遗留的缺损区由聚合酶遗留的缺损区由聚合酶或或进行修补合成；进行修补合成； 最后，由连接酶完成连接。最后，由连接酶完成连接。 NER不仅能够修复整个基因组中的损伤，而不仅能够修复整个基因组中的损伤，而 且能拯救因转录模板链损伤而暂停转录的且能拯救因转录模板链损伤而暂停转录的RNA聚合聚合 酶，即参与酶，即参与转录偶联修复（转录偶联修复（transcription-coupled repair）。 作用方式：作用方式：NER蛋白质被募集于暂停的蛋白质被募集于暂停的RNA 聚合酶。聚合酶。 转录偶联修复的意

19、义：转录偶联修复的意义：将修复酶集中于正在将修复酶集中于正在 转录转录DNA，使该区域的损伤尽快得以修复。，使该区域的损伤尽快得以修复。 3.碱基错配修复碱基错配修复（ mismatch repair） 错配是指非错配是指非Watson-Crick碱基配对。碱基配对。 碱基错配修复也可被看作是碱基切除修复的一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，主要负责纠正：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。 E.coli错配修复系

20、统修复复制差错错配修复系统修复复制差错 Dam甲基化酶（甲基化酶（methylase）使使E.coli处处 于暂时的半甲基化状态，标记母链和新合成于暂时的半甲基化状态，标记母链和新合成 的的DNA链，帮助新合成的链，帮助新合成的DNA链被错配修复链被错配修复 系统识别并修复。系统识别并修复。 模板链模板链的的GATC 序列甲基化序列甲基化 MutH仅切割仅切割新新 合成的合成的DNA链链 MutH的切口位于错配核苷酸的的切口位于错配核苷酸的5 侧侧，使用外切酶，使用外切酶 或或RecJ，按，按53 方向降解方向降解DNA； 切口位于错配的切口位于错配的3侧侧，则使用外切酶，则使用外切酶，按，按3 5 方向降解方向降解DNA。 DNA聚合酶聚合酶填补所产生单链填补所产生单链DNA缺口。缺口。 MSH（MutS homologs）蛋白）蛋白 与与MutL同源的同源的MLH和和PMS蛋白蛋白 真核细胞错配修复系统无真核细胞错配修复系统无MutH，也无半甲基化