DNA损伤、突变和修复

1、1生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室夏夏 俊俊DNA损伤损伤（突变）与修复（突变）与修复P682基因突变基因突变（gene mutation）: 在生物进化过程中，由于生物体内外在生物进化过程中，由于生物体内外环境多种因素的影响，使遗传物质的结构改环境多种因素的影响，使遗传物质的结构改变而引起遗传信息的改变，均可称为突变。变而引起遗传信息的改变，均可称为突变。 从分子水平来看，突变主要表现为从分子水平来看，突变主要表现为DNA分子上碱基的改变。分子上碱基的改变。P683 各种体内外因素所导致的各种体内外因素所导致的DNA组成与结组成与结构的变化称为构的变化称为DNA损伤（损伤

2、（DNA damage） (1) DNA的结构发生永久性改变，即突变的结构发生永久性改变，即突变(2) 导致导致DNA失去作为复制和失去作为复制和/或转录的模或转录的模 板的功能，板的功能， 使细胞的功能出现障碍，重则使细胞的功能出现障碍，重则死亡死亡。 DNA损伤的后果损伤的后果:4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 受损细胞的转归，很大程度上取决于受损细胞的转归，很大程度上取决于DNA的的修复效果：修复效果：（1）正确有效的修复）正确有效的修复（2）损伤严重，不能被有效修复）损伤严重，不能被有效修复（3）不完全修复）不完全修复5突变的意义突变的意义（一

3、）突变是进化、分化的分子基础。（一）突变是进化、分化的分子基础。（二）只有基因型改变的突变形成（二）只有基因型改变的突变形成DNA的多态性的多态性 这种突变没有可察觉的表型改变，如兼并密码这种突变没有可察觉的表型改变，如兼并密码子第三位碱基的改变、蛋白质非功能区段上编码序子第三位碱基的改变、蛋白质非功能区段上编码序列的改变等。多态性用于描述个体之间的基因型差列的改变等。多态性用于描述个体之间的基因型差别现象。别现象。（三）致死性的突变可导致个体、细胞的死亡（利用（三）致死性的突变可导致个体、细胞的死亡（利用此特性消灭有害病原体）。此特性消灭有害病原体）。 （四）突变是某些疾病的发病基础。（四）

4、突变是某些疾病的发病基础。P696第一节第一节多种因素可引起多种因素可引起DNA损伤损伤并具有各自的机制并具有各自的机制7一、引起一、引起DNA 损伤的因素损伤的因素*紫外线照射紫外线照射*电离辐射电离辐射自发突变：自发突变： 频率：频率：10-9*5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)*羟胺羟胺*亚硝酸盐亚硝酸盐*氮芥类氮芥类物理物理生物生物化学化学诱变因素诱变因素病毒等病毒等P708（一）（一）DNA 的自发性损伤的自发性损伤P701、DNA的复制错误的复制错误2、DNA的修复合成的修复合成 修复系统将修复系统将DNA损伤部位损伤部位的一段的一段DNA切除，再以互补链切除，再以互补链为模板重新合

5、成为模板重新合成DNA，又称，又称DNA非程序合成非程序合成。3、碱基的自发突变、碱基的自发突变脱氨基脱氨基:A、G、C环外氨基丢失环外氨基丢失碱基丢失碱基丢失:无碱基位点无碱基位点(AP部位部位)4、正常代谢产物对、正常代谢产物对DNA的损伤的损伤氧自由基氧自由基造成造成DNA链断裂链断裂9嘌呤碱嘌呤碱( purine bases)CNCCCNNNCHHH123456789HCNCHCCCNNHCHNH26O鸟嘌呤鸟嘌呤(2-氨基，氨基，6-氧嘌呤氧嘌呤)腺嘌呤腺嘌呤 Adenine（6-氨基嘌呤）氨基嘌呤）2CNCCCCNNHCHH2N6GuanineH10O嘧啶碱嘧啶碱（pyrimidi

6、ne bases）HC NHCCHCHN123456OONCHNCHCCHH尿嘧啶（尿嘧啶（U）OCHNCCCHNHCH3胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T）NH2OCCNCHCHNH胞嘧啶（胞嘧啶（C）（2-氧氧,4-氨基嘧啶）氨基嘧啶）（2,4-二氧嘧啶）二氧嘧啶）（5-甲基尿嘧啶）甲基尿嘧啶）11CNCHCCCNNHCH6HO次黄嘌呤次黄嘌呤CNCC CCNNHCH6HOHO黄嘌呤黄嘌呤脱氨基脱氨基Guanine2CNCCCCNNHCHH2N6HOCNCHCCCNNHCHNH26Adenine12OONCHNCHCCHH尿嘧啶（尿嘧啶（U）NH2OCCNCHCHNH胞嘧啶（胞嘧啶（C）脱氨基脱氨基1

7、3（二）环境造成的（二）环境造成的DNA 损伤损伤P701、紫外线引起的、紫外线引起的DNA损伤损伤 UVT G A A C CA C T T G G胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体DNA之间交联之间交联DNA与蛋白质交联与蛋白质交联DNA链断裂链断裂142、电离辐射引起、电离辐射引起DNA损伤损伤（1）导致碱基变化）导致碱基变化 主要由主要由OH自由基引起，包括自由基引起，包括DNA链上碱基氧化修饰、过氧化物形成、链上碱基氧化修饰、过氧化物形成、碱基环的破坏和脱落等。碱基环的破坏和脱落等。（2）导致脱氧核糖变化）导致脱氧核糖变化 脱氧核糖上每个碳原子和羟脱氧核糖上每个碳原子和羟基上氢都能与基上氢

8、都能与OH反应反应,导致脱氧导致脱氧核糖分解，最终引起核糖分解，最终引起DNA链断裂链断裂（3）导致）导致DNA链断裂链断裂 可使脱氧核糖破坏或磷酸二酯可使脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而导致键断开而导致DNA链断裂。有单链链断裂。有单链断裂、双链断裂等不同形式。断裂、双链断裂等不同形式。（4）引起）引起DNA链交联链交联 DNA-DNA交联、交联、DNA-蛋白质蛋白质交联。是细胞受电离辐射后在显微交联。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镜下看到的染色体畸变的分子基础153、烷化剂引起、烷化剂引起DNA损伤损伤（1）导致碱基烷基化）导致碱基烷基化 G的的N7和和A的的N3最容

9、易烷基化，最容易烷基化，G的的N7被烷基化后改与被烷基化后改与T配对，配对， G-CA-T （2）导致碱基脱落）导致碱基脱落 G烷基化后的糖苷键不稳定，易烷基化后的糖苷键不稳定，易脱落形成脱落形成DNA上无碱基位点，复制时上无碱基位点，复制时可插入任何核苷酸，使序列改变。可插入任何核苷酸，使序列改变。（3）导致）导致DNA链断裂链断裂 磷酸二酯键上的磷酸二酯键上的O易烷基化，形易烷基化，形成不稳定的磷酸三酯键，糖与磷酸间成不稳定的磷酸三酯键，糖与磷酸间发生水解，发生水解，DNA链断裂。链断裂。（4）引起）引起DNA链交联链交联单功能基烷化剂：甲基甲烷碘酸单功能基烷化剂：甲基甲烷碘酸双功能基烷化

10、剂：双功能基烷化剂：DNA链内、链间、链内、链间、 以及与蛋白质的交联以及与蛋白质的交联 氮芥、硫芥；环磷酰胺；二乙基氮芥、硫芥；环磷酰胺；二乙基亚硝酸亚硝酸16R|+R|+ -烷基化鸟嘌呤烷基化鸟嘌呤m7G鸟嘌呤鸟嘌呤G鸟嘌呤鸟嘌呤*G*（1）电荷平衡电荷平衡 N1脱氢脱氢123456789烷基化烷基化例：当例：当“G”的的N7-位烷基化位烷基化N+7-R，会出现，会出现两种两种情况：情况：（1）电荷平衡，）电荷平衡，N1脱氢；脱氢；17 G* 少了一个氢键条件，少了一个氢键条件， G*不能与不能与C配对，改为与配对，改为与T配对。配对。导致基因转换型突变。导致基因转换型突变。G*T5 G

11、3 CG烷基化烷基化N1脱氢脱氢18（2）G烷基化后，烷基化后，糖苷键断裂糖苷键断裂出现出现脱嘌呤脱嘌呤现象。现象。插入碱基修复时，插入碱基修复时，有有1/4的可能性恢复正常，的可能性恢复正常，有有3/4的可能性变异。的可能性变异。1. G G 正常正常2. G A3. G T4. G C变异了变异了R19损伤损伤交连交连 这种这种“X”型的交连，导致染色体畸变，型的交连，导致染色体畸变，细胞容易死亡。细胞容易死亡。两条双链两条双链DNA204、碱基类似物、修饰剂引起碱基对的改变、碱基类似物、修饰剂引起碱基对的改变（1）碱基类似物用作促突变剂或抗癌药物）碱基类似物用作促突变剂或抗癌药物 5-氟

12、尿嘧啶（氟尿嘧啶（5-FU）、）、5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-BU）、）、2-氨基腺嘌呤（氨基腺嘌呤（2-AP）。）。（2）某些化学物质能专一修饰）某些化学物质能专一修饰DNA链上碱基链上碱基亚硝酸盐：使亚硝酸盐：使C脱氨变成脱氨变成U，经复制使，经复制使G-CA-T A脱氨基变成脱氨基变成I，I与与C配对，结果配对，结果A-T G-C黄曲霉素黄曲霉素B：专一攻击：专一攻击DNA上碱基，导致序列变化上碱基，导致序列变化这些均为诱发突变的化学诱变剂或致癌剂这些均为诱发突变的化学诱变剂或致癌剂21OCH3OOOOONADPH+H+ + O2OOCH3OOOOOH2NNHNNNO+OHOCH3OOO

13、OOH2NNNHNNOP450黄曲霉素是致肝癌的重要危险因子黄曲霉素是致肝癌的重要危险因子黄曲霉素黄曲霉素B1经经CYP作用生成的黄曲霉素作用生成的黄曲霉素2,3-环氧化物可环氧化物可与与DNA分子中鸟嘌呤结合，引起分子中鸟嘌呤结合，引起DNA突变。突变。 黄曲霉素黄曲霉素B12,3-环氧黄曲霉素环氧黄曲霉素DNA-鸟嘌呤鸟嘌呤环曲霉素与环曲霉素与DNA的的 结合产物结合产物谷胱甘肽结合产物谷胱甘肽结合产物OOCH3OOOOO+GSHGSTOCH3OOOOOSGHO22二、二、DNA 损伤的类型损伤的类型单点突变、多点突变单点突变、多点突变转换、颠换转换、颠换链内共价交联链内共价交联链间共价交

14、联链间共价交联电离辐射、某些化学试剂电离辐射、某些化学试剂使链内磷酸二酯键断裂使链内磷酸二酯键断裂DNA重组重组DNA损伤损伤碱基突变碱基突变DNA链断裂链断裂DNA链交联链交联插入或缺失插入或缺失单个碱基、多个碱基、单个碱基、多个碱基、一段序列的插入或缺失一段序列的插入或缺失DNA分子内发生较大片分子内发生较大片段的交换。段的交换。P6923 一个碱基的变异。有转换同型碱基和颠换异一个碱基的变异。有转换同型碱基和颠换异型碱基。型碱基。 转换转换: 一种嘌呤换成另一种嘌呤或一种一种嘌呤换成另一种嘌呤或一种 嘧啶换成另一种嘧啶。嘧啶换成另一种嘧啶。 颠换颠换: 嘌呤换成嘧啶或嘧啶换成嘌呤。嘌呤换

15、成嘧啶或嘧啶换成嘌呤。点突变点突变点突变点突变 point mutation（错配错配mismatch ）P6924GTG 镰刀形红细胞镰刀形红细胞性贫血性贫血HbS 基因基因CAC 正常成人正常成人HbA 基因基因GAG CTC HbA 肽链肽链 N-val his leu thr pro glu glu -C（146） HbS 肽链肽链N-val his leu thr pro val glu -C（146） 镰刀形红细胞性贫血患者镰刀形红细胞性贫血患者HbS与正常成人与正常成人HbA比较比较25HbS 的红细胞的红细胞 正常人红细胞正常人红细胞 HbS与与HbA红细胞形态红细胞形态 26

16、插入插入：一个碱基或一段核苷酸插入到一个碱基或一段核苷酸插入到DNA大分子中大分子中缺失缺失：一个碱基或一段核苷酸从一个碱基或一段核苷酸从DNA上消失上消失框移突变框移突变：由于缺失和插入，使三联体密码的阅读由于缺失和插入，使三联体密码的阅读 方式改变。但方式改变。但3个或个或3n个核苷酸插入或缺失个核苷酸插入或缺失 不一定引起框移突变不一定引起框移突变(frame-shift mutation)。5. UCACGACAUAUG.3丝丝精精组组蛋蛋5. UCAGACAUAUG.3丝丝天冬天冬异亮异亮缺失缺失mRNA插入插入(insertion)、缺失、缺失(deletion)和框移突变和框移突

17、变P6927由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型DNA分子内发生较大片段的交换，也称为重组。分子内发生较大片段的交换，也称为重组。重排重排（rearrangement）P6928由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型29第二节第二节DNA损伤修复机制是遗传损伤修复机制是遗传保守性的重要保障保守性的重要保障30 DNA修复（修复（DNA repair）是指纠正是指纠正DNA两两条单链间错配的碱基、清除条单链间错配的碱基、清除DNA链上受损的链上受损的碱基或糖基、恢复碱基或糖基、恢复DNA的正常结构的过程。的正常结构的过程。 D

18、NA修复是机体维持修复是机体维持DNA结构的完整性与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稳定性，保证生命延续和物种稳定的重要环节。节。31正常修复功能正常修复功能修复功能缺陷修复功能缺陷32DNA断裂断裂氧化氧化损伤损伤DNA加成物加成物铰链物铰链物33 修复类型修复类型 基因种类基因种类 损伤种类损伤种类DNA ligase (LIG3), 单碱基损伤单碱基损伤DNA glycosylase (MBD4, MPG, MYH, NTH1, OGG1, SMUG1,TDG, UNG), APE1, APE2, XRCC1,ADPRT, ADPRTL2, ADPRTL3 .XPA,

19、 XPC, XPE, XPF/ERCC4, 多碱基损伤多碱基损伤 XPG/ERCC5, ERCC1, LIG1, （紫外线、吸烟）（紫外线、吸烟） CSB/ERCC6,CSA/CKN1, XAB2, TFIIH (XPB/ERCC3 XPD/ERCC2, GTF2H1, GTF2H21, GTF2H3,GTF2H4, CDK7, CCNH, MNAT), DDB1, DDB2, MMS19, CENN2, AD23A, RAD23B, RPA1, RPA2, RPA3 . 碱基错配修复碱基错配修复MSH2, MHS3, MSH6, MSH4,碱基错配碱基错配MSH5, MLH1, MLH3,

20、PMS1, PMS2, PMS2L3, PMS2L4 .Wood et al, Science, 2001重组修复重组修复 RAD50, RAD51, RAD51B, RAD51C, DNA双链断裂双链断裂 RAD51D, RAD54L, RAD54B, V(D)J重组重组 RAD52, DMC1, MRE11A, NBS1, ERCC1, XPF/ERCC4, XRCC2 XRCC3, XRCC4, XRCC5, XRCC6 XRCC7, XRCC8, BRCA1, BRCA2 .34DNA损伤修复：损伤修复：对已发生分子改变的对已发生分子改变的DNA进进行补偿措施，使其回复为原有的天然状态

21、。行补偿措施，使其回复为原有的天然状态。 DNA损伤损伤修复的主要机制修复的主要机制（一）光修复（一）光修复（二）切除修复（二）切除修复（三）重组修复（三）重组修复（四）（四）SOS修复修复35一、某些一、某些DNA 损伤可以直接修复损伤可以直接修复1、二聚体可被、二聚体可被光复活酶光复活酶直接修复（直接修复（光修复光修复） UV紫外线照射可引起核酸链上相邻的两个紫外线照射可引起核酸链上相邻的两个胸腺嘧胸腺嘧啶形成二聚体啶形成二聚体TT。光修复过程是通过光修复过程是通过光复活酶光复活酶催化而完成的，需催化而完成的，需 300 600 nm波长照射激活。波长照射激活。嘧啶二聚体的形成与解聚嘧啶二

22、聚体的形成与解聚光修复酶光修复酶P71362、DNA断裂口可以直接修复断裂口可以直接修复 在在5 -P端和端和3 -OH端未受损伤情况下，连接酶能端未受损伤情况下，连接酶能直接修复因电离辐射等因素造成的直接修复因电离辐射等因素造成的DNA断裂口断裂口 。3、烷基化碱基可以直接修复、烷基化碱基可以直接修复 大肠杆菌中有一种大肠杆菌中有一种Ada酶，能将烷基不可逆地转酶，能将烷基不可逆地转移到自身，从而修复甲基化碱基和甲基化的磷酸二酯移到自身，从而修复甲基化碱基和甲基化的磷酸二酯键，同时其自身失活键，同时其自身失活 。37二、切除修复二、切除修复(excision repair)是常见的修复方式是

23、常见的修复方式定义定义 在有关酶和蛋白质的作用下，去除在有关酶和蛋白质的作用下，去除DNA链的链的损伤部分，用执行修复功能的损伤部分，用执行修复功能的DNA聚合酶催化聚合酶催化dNTP聚合而填补缺口，最后用连接酶将修复过聚合而填补缺口，最后用连接酶将修复过的链与无损伤的链两端连接起来。的链与无损伤的链两端连接起来。是细胞内最是细胞内最重要和有效的修复机制重要和有效的修复机制，主要由，主要由DNA-pol和和连接酶完成。连接酶完成。过程过程识别、识别、切除、切除、合成、合成、连接连接P71381、单个核苷酸的切除修复、单个核苷酸的切除修复 特定的特定的DNA糖苷酶识别并切除受损碱基糖苷酶识别并切

24、除受损碱基 AP核酸内切酶识别裸露脱氧核糖上的核酸内切酶识别裸露脱氧核糖上的AP位点位点（apurinic and apyrimidinic sites,无嘌呤和无嘧啶位点）无嘌呤和无嘧啶位点）,在该位点在该位点5 端切开，核酸外切酶从端切开，核酸外切酶从5 3 方向切方向切除脱氧核糖残基。除脱氧核糖残基。 由由DNA聚合酶和连接酶修复缺口聚合酶和连接酶修复缺口392、核苷酸片段切除修复、核苷酸片段切除修复原核生物参与原核生物参与切除修复的酶切除修复的酶及蛋白质及蛋白质 UvrA 、UvrB(辨认和结合辨认和结合DNA损伤部位损伤部位)UvrC(去除损伤链去除损伤链)pol(填补空隙填补空隙)

25、DNA连接酶连接酶(连接缺口连接缺口)真核生物除去损伤链：真核生物除去损伤链：XP蛋白蛋白405533 UvrA、UvrB辨认及结合辨认及结合DNA 损伤部位损伤部位 UvrBUvrA UvrC置置换换UvrA 5 5 3 3 UvrC切除切除损伤部位损伤部位POH切除修复过程（切除修复过程（E.coli） DNA-pol填补空隙填补空隙 dNTP 5 5 3 3 POHOHDNA ligase 连接缺口连接缺口 ATP ADP 41三、重组修复三、重组修复(recombination repairing)w当当DNA分子的损伤面较大分子的损伤面较大时，来不及修复完善就时，来不及修复完善就进行

26、复制，损伤部位因无模板指引，复制的新子进行复制，损伤部位因无模板指引，复制的新子链会出现缺口。链会出现缺口。w重组蛋白重组蛋白RecA将另一股健康的母链与缺口部分将另一股健康的母链与缺口部分进行交换，以填补缺口。进行交换，以填补缺口。w健康的母链产生的缺口由健康的母链产生的缺口由pol I和和连接酶连接酶复原。复原。w原有的损伤仍存在，但随着多次复制，损伤的比原有的损伤仍存在，但随着多次复制，损伤的比例越占越少。例越占越少。P7142切下正常母链的切下正常母链的DNA片段并插入片段并插入因损伤而未被复因损伤而未被复制的子链缺口上；制的子链缺口上；正常母链带缺口正常母链带缺口 RecA重组后，一

27、重组后，一个子代个子代DNA双链中，母双链中，母链仍有缺陷，链仍有缺陷，但子链正常；但子链正常；而另一个正而另一个正常子链复制常子链复制复原复原 pol IDNA损损伤部位伤部位重组修复重组修复43四、四、SOS修复修复SOS是国际海难信号，在此用以表示应急性的复是国际海难信号，在此用以表示应急性的复制方式。制方式。除了需要复制、修复的酶系统外，还需除了需要复制、修复的酶系统外，还需重组蛋白重组蛋白RecA及及调控蛋白调控蛋白LexA（抑制与（抑制与SOS修复有关的修复有关的基因表达）。基因表达）。机制：机制：DNA严重受损时，严重受损时，RecA作为蛋白水解酶作为蛋白水解酶使使LexA蛋白水

28、解蛋白水解，从而解除与，从而解除与SOS修复有关的基修复有关的基因的抑制，修复酶系大量表达。因的抑制，修复酶系大量表达。P7144 SOS修复系统对碱基的识别、选择能力差，修复系统对碱基的识别、选择能力差，是是以牺牲复制的准确性而换取细胞的生存，以牺牲复制的准确性而换取细胞的生存，使使DNA保留的错误会较多，从而引起广泛、保留的错误会较多，从而引起广泛、长期的突变。这是长期的突变。这是SOS修复的主要特点。修复的主要特点。人类细胞中尚未发现这种修复系统人类细胞中尚未发现这种修复系统。P7145SOS 修复机制修复机制 SOS 修复无模板指导的修复无模板指导的DNA复制复制 大剂量的紫外线照射，

29、大量的二聚体产生大剂量的紫外线照射，大量的二聚体产生 SOS系统诱导，错误潜伏系统诱导，错误潜伏的复制超越二聚体而进行的复制超越二聚体而进行错误碱基错误碱基46RecA-P 三种功能三种功能（1） DNA 重组活性重组活性（2） 与与S.S. DNA结合活性结合活性（3） 少数蛋白的少数蛋白的proteinase活性活性当当DNA正常复制时正常复制时（无复制受阻，无（无复制受阻，无DNA损伤，损伤， 无无TTdimer） RecA-p不表现不表现proteinase活性活性47当当DNA复制受阻复制受阻/ DNA damaged细胞内原少量表达的细胞内原少量表达的RecA-p与与S.S, DN

30、A结合结合激活激活RecA-p的的proteinase活性活性修复损伤修复损伤LexA-p降解降解RecA-p高效表达高效表达 SOS open48 SOS 修复只是修复只是SOS反应的一部分反应的一部分 RecA在在SOS反应反应中起核心作用中起核心作用 RecA与与LexA组组成调控环路成调控环路DNA 损伤损伤 SOS RecA RecA受受LexALexA的的部分抑制部分抑制49当当DNA复制度过难关后复制度过难关后SOS repair 是一种错误倾向性极强的修复机制是一种错误倾向性极强的修复机制是进化中形成的是进化中形成的“ 竭尽全力，治病救人竭尽全力，治病救人” 的措的措施施（正常

31、状态下，（正常状态下，SOS是关闭的）是关闭的）RecA-p很快消失很快消失LexA gene onSOS off50五、细胞周期检查点控制是真核生物五、细胞周期检查点控制是真核生物 诱导修复的主要机制诱导修复的主要机制 真核细胞有复杂的控制体系，真核细胞有复杂的控制体系，DNA受受损时，往往无法依靠单纯的修复机制进行损时，往往无法依靠单纯的修复机制进行修复，需要通过修复，需要通过细胞周期检查点控制细胞周期检查点控制(checkpoint control,又称关卡控制）又称关卡控制）来对来对DNA损伤作出应答。损伤作出应答。细胞周期检查点控制机制最早在酵母细胞中发现细胞周期检查点控制机制最早在

32、酵母细胞中发现51 当当DNA损伤发生在复制期（损伤发生在复制期（S）和有丝分裂期）和有丝分裂期（M）这两个细胞周期的重要时相时，细胞除了）这两个细胞周期的重要时相时，细胞除了诱导修复基因的转录外，还可暂时阻断细胞周期，诱导修复基因的转录外，还可暂时阻断细胞周期，防止损伤防止损伤DNA继续复制，如无法复制，则可以诱继续复制，如无法复制，则可以诱导细胞进入凋亡。真核生物通过导细胞进入凋亡。真核生物通过细胞周期检查点细胞周期检查点控制机制控制机制来准确控制应答时序，协调应答过程，来准确控制应答时序，协调应答过程，从而诱导修复基因的转录，或暂时阻断细胞周期，从而诱导修复基因的转录，或暂时阻断细胞周期

33、，或诱导细胞凋亡。或诱导细胞凋亡。52（一）酵母细胞的细胞周期检查点控制机制（一）酵母细胞的细胞周期检查点控制机制野生型酿酒酵母野生型酿酒酵母放射线放射线细胞周期暂时阻断于细胞周期暂时阻断于G2期期 rad9突变的酿酒酵母突变的酿酒酵母放射线放射线死亡死亡 损伤发生在损伤发生在G1、G2期，细胞周期检查点控制的期，细胞周期检查点控制的四种相关基因是：四种相关基因是：rad9、rad17、rad24、mec3。它。它们接受们接受DNA损伤信号，下传给损伤信号，下传给mec1和和rad53。 mec1和和rad53蛋白激酶基因，是信号传导中的蛋白激酶基因，是信号传导中的两个关键基因。两个关键基因。

34、RAD53位于位于MEC1下游，可能直接下游，可能直接阻断细胞周期于阻断细胞周期于G1、S。53 DNA损伤发生在损伤发生在S期时，细胞周期检查点控期时，细胞周期检查点控制的相关基因是另外三种：制的相关基因是另外三种：pol2、rfc5、dpb11。 pol2编码编码DNA聚合酶聚合酶，RFC5就是复制因子就是复制因子C，DPB11的作用尚不明确，但它是阻断复制必需的的作用尚不明确，但它是阻断复制必需的因子。因子。54 在在DNA损伤应答过程中，损伤应答过程中， rad53表达产物被磷表达产物被磷酸化激活的过程有赖于酸化激活的过程有赖于POL2、RAD9和和MEC1。 若损伤发生在若损伤发生在

35、S期，主要依靠期，主要依靠POL2方式应答。方式应答。 若损伤发生在若损伤发生在G1、G2期，则主要依靠期，则主要依靠RAD9、RAD17 、RAD24和和MEC3方式应答。方式应答。 细胞通过上述机制对细胞通过上述机制对DNA损伤产生选择性反损伤产生选择性反应和阻断应和阻断DNA复制。复制。55DNA damage in G1 and G2 phageDNA damage in S phageRAD9RAD17 RAD24MEC3POL2RFC5DPB11MEC1,TEL1RAD53G1 S G2 M56（二）（二）哺乳类动物的细胞周期检查点控制机制哺乳类动物的细胞周期检查点控制机制 哺乳动

36、物的相关控制基因是：哺乳动物的相关控制基因是：p53、p21和和atm（突变共济失调毛细血管扩张症基因）（突变共济失调毛细血管扩张症基因）。 p53是一种抑癌基因，可调节其他损伤应答相是一种抑癌基因，可调节其他损伤应答相关基因的表达，在关基因的表达，在DNA损伤应答中起关键作用。紫损伤应答中起关键作用。紫外线照射后，野生型细胞（外线照射后，野生型细胞（ p53+ +/+ +）的细胞周期阻）的细胞周期阻断在断在G1期，而缺失期，而缺失p53的细胞（的细胞（ p53- -/- -）无此现象。）无此现象。研究发现，研究发现， p53的应答作用是通过其下游效应基因的应答作用是通过其下游效应基因实现的。

37、实现的。57DNA damagep53P21BaxGadd45CDK/cyclinblocking cell cycle G1cell apoptosisGadd45-PCNAexcision repairing58 P21通过与通过与CDK/cyclin结合抑制结合抑制CDK2和和CDK4的活性，的活性，后两者是细胞周期从后两者是细胞周期从G1转入转入S期所必需的周期蛋白依赖性期所必需的周期蛋白依赖性蛋白激酶，从而蛋白激酶，从而P53通过调节通过调节P21/CDk/Cdk可诱导细胞周期可诱导细胞周期阻滞于阻滞于G1期。期。P53还可以通过调节还可以通过调节Bax的表达来诱导细胞凋的表达来诱导

38、细胞凋亡，亡，Bax为细胞凋亡基因。为细胞凋亡基因。 p53能够调控能够调控gadd45基因表达，基因表达，Gadd45不仅具有促核不仅具有促核苷酸切除修复作用，还可以通过与细胞核增殖抗原（苷酸切除修复作用，还可以通过与细胞核增殖抗原（PCNA）的相互作用阻断细胞复制，阻断细胞周期。的相互作用阻断细胞复制，阻断细胞周期。PCNA参与参与DNA复制和复制和DNA损伤的切除修复，它既是损伤的切除修复，它既是DNA聚合酶聚合酶和和的辅助因子，又是的辅助因子，又是DNA复制复合物的成员。众多相关基因复制复合物的成员。众多相关基因协同表达，可调节协同表达，可调节DNA复制复制 、阻断细胞周期或引起细胞凋

39、、阻断细胞周期或引起细胞凋亡。亡。59第三节第三节生物标记物可作为生物标记物可作为DNA损伤和修复的参考标志损伤和修复的参考标志P7260一、甲基化损伤修复相关基因的突变可一、甲基化损伤修复相关基因的突变可 作为甲基化损伤的基因型标记物作为甲基化损伤的基因型标记物 烷化剂使烷化剂使G甲基化变成甲基化变成O6-甲基鸟嘌呤，可以与甲基鸟嘌呤，可以与T配对，造成碱基错配。配对，造成碱基错配。重要的修复酶：重要的修复酶： O6-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（甲基转移酶（MGMT） MGMT基因高度保守，其调节序列的突变是基因高度保守，其调节序列的突变是导致导致MGMT表达水平改变的重要原因，

40、并因此导表达水平改变的重要原因，并因此导致对烷基化损伤修复的个体差异。致对烷基化损伤修复的个体差异。MGMT突变可突变可作为甲基化损伤的基因型标记物。作为甲基化损伤的基因型标记物。61二、切除修复相关的酶和基因可二、切除修复相关的酶和基因可 作为切除修复的生物标记物作为切除修复的生物标记物碱基切除修复：碱基切除修复：尿嘧啶糖基化酶尿嘧啶糖基化酶为主要始动因素为主要始动因素核苷酸切除修复：核苷酸切除修复：着色性干皮病着色性干皮病A蛋白蛋白始动始动切除修复基因：切除修复基因： 大肠杆菌大肠杆菌Uvr基因家族：基因家族：rad1、 rad2、 rad3、 rad4、rad7 rad10、 rad14

41、、 rad16、 rad23、 rad24、 rad25、mmsl9 人人ecrr基因：基因：ecrr1-6等等6个基因个基因 切除修复基因：切除修复基因：xpa-h等等8个基因个基因 放射线敏感基因：放射线敏感基因：atm、bcra2、p53等等 均可作为切除修复的生物标记物均可作为切除修复的生物标记物62三、错配修复相关基因可作为检测三、错配修复相关基因可作为检测 错配修复功能的生物标记物错配修复功能的生物标记物hmsh2、hmsh3、gtbp(msh6)、hmlh1、 hpms1、hpms2、Mutsa 错配修复错配修复基因基因细菌细菌人类人类Muthls系统系统错配修复错配修复基因突变

42、基因突变自身序列的改变自身序列的改变微卫星序列的不稳定性微卫星序列的不稳定性（microsatellite instability,MI）63遗传性非息肉型结肠癌遗传性非息肉型结肠癌（HNPCC,多发性家族性结肠癌）多发性家族性结肠癌） HNPCC中，错配修复缺陷是癌变的第一步。中，错配修复缺陷是癌变的第一步。对其家族的前瞻性研究发现对其家族的前瞻性研究发现MLH1、MSH2的的MI（微卫星序列的不稳定性）微卫星序列的不稳定性）在肿瘤及癌前病变的病在肿瘤及癌前病变的病人中明显升高，表明人中明显升高，表明MI对对HNPCC的发生有预测作的发生有预测作用，可作为检测错配修复功能的基因标记物。用，可

43、作为检测错配修复功能的基因标记物。P7264四、四、DNA聚合酶聚合酶突变突变可作为碱基切除可作为碱基切除 修复功能缺陷的标记物修复功能缺陷的标记物 DNA聚合酶聚合酶不参与染色体不参与染色体DNA复制，复制，但参与辐射损伤和化学损伤的修复，并对但参与辐射损伤和化学损伤的修复，并对细胞生长具有调节作用，该酶的突变导致细胞生长具有调节作用，该酶的突变导致碱基切除修复功能的缺陷。碱基切除修复功能的缺陷。65五、五、Ku蛋白和蛋白和Rad52蛋白缺陷可作为蛋白缺陷可作为 重组修复缺陷的标记物重组修复缺陷的标记物 重组修复是大片段重组修复是大片段DNA损伤后的重要修复损伤后的重要修复方式，虽然准确性较

44、差，但可以避免损伤导致的方式，虽然准确性较差，但可以避免损伤导致的细胞立即死亡。细胞立即死亡。Ku蛋白是双链断裂平端修复的必蛋白是双链断裂平端修复的必需蛋白，需蛋白，Rad52蛋白是双链断裂同源重组修复的蛋白是双链断裂同源重组修复的重要参与者。已发现同源重组修复缺陷的胃细胞重要参与者。已发现同源重组修复缺陷的胃细胞癌变的可能性增加。核内核酸外切酶也参与重组癌变的可能性增加。核内核酸外切酶也参与重组修复。修复。66第四节第四节DNA损伤、修复损伤、修复与人类疾病与人类疾病P7267一、核苷酸切除修复与着色性干皮病一、核苷酸切除修复与着色性干皮病P72着色性干皮病（着色性干皮病（xeroderma

45、 pigmentosum，XP） 无法修复紫外线造成的损伤无法修复紫外线造成的损伤核苷酸切除修复相关基因：核苷酸切除修复相关基因： XPA、B、C、D、E、F、G 其中任何一个基因突变都可以引起其中任何一个基因突变都可以引起XP病。病。细胞融合实验发现：来自于不同患者的皮肤成纤细胞融合实验发现：来自于不同患者的皮肤成纤维细胞对紫外线损伤的修复有互补作用，甚至可维细胞对紫外线损伤的修复有互补作用，甚至可以使核苷酸切除修复能力恢复正常。以使核苷酸切除修复能力恢复正常。68XP病人和正常人中皮肤癌发生的年龄分布病人和正常人中皮肤癌发生的年龄分布Kraemer, PNAS, 1997Skin canc

46、ers in normal populationSkin cancers in XP populationXP = xeroderma pigmentosum69二、错配修复与遗传性非息肉型结肠癌二、错配修复与遗传性非息肉型结肠癌P72 HNPCC是最常见的遗传性肿瘤之一，是常染色是最常见的遗传性肿瘤之一，是常染色体显性遗传疾病，其癌瘤细胞常表现出体显性遗传疾病，其癌瘤细胞常表现出微卫星微卫星DNA的不稳定性的不稳定性，长度较正常细胞或长或短。，长度较正常细胞或长或短。 微卫星微卫星DNA的不稳定性在多个位点存在，可以的不稳定性在多个位点存在，可以作为错配修复功能缺陷的标志。作为错配修复功能缺

47、陷的标志。 HNPCC家族中表型正常者，其错配修复基因只家族中表型正常者，其错配修复基因只有一个拷贝失活，有较高肿瘤易发性。当基因的第有一个拷贝失活，有较高肿瘤易发性。当基因的第二个拷贝失活时，错配修复能力丧失，导致高突变二个拷贝失活时，错配修复能力丧失，导致高突变表型出现。修复能力的降低使其无法修复癌基因、表型出现。修复能力的降低使其无法修复癌基因、抑癌基因关键部位的突变，有利于细胞恶性生长。抑癌基因关键部位的突变，有利于细胞恶性生长。70三、转录偶联修复与三、转录偶联修复与Cockayne综合征（综合征（CS）P72转录偶联修复转录偶联修复（transcription-coupled re

48、pair,TCR） 1982年提出。转录过程有利于年提出。转录过程有利于DNA损伤修复的损伤修复的进行，基本转录因子进行，基本转录因子(TFH)是转录启动所必需的，是转录启动所必需的，也是参加核苷酸切除修复不可缺少的蛋白质因子。也是参加核苷酸切除修复不可缺少的蛋白质因子。修复与转录过程的偶联通过修复与转录过程的偶联通过转录修复偶联因子转录修复偶联因子(transcription repair coupling factor,TRCF)来实现的。来实现的。 转录偶联修复的意义：转录偶联修复的意义：将修复酶集中于正在转将修复酶集中于正在转录录DNA，使该区域的损伤尽快得以修复。，使该区域的损伤尽快

49、得以修复。 若若TRCF基因发生突变，损伤的基因发生突变，损伤的DNA在被修复在被修复以后，不能继续进行转录，从而导致病变。以后，不能继续进行转录，从而导致病变。71Cockayne综合征（综合征（CS）P72 常染色体隐性遗传疾，病变涉及多个系统，但常染色体隐性遗传疾，病变涉及多个系统，但皮肤癌易患率很低，有别于皮肤癌易患率很低，有别于XP。 CS由两组基因突变引起：由两组基因突变引起： CS-A,CS-B/ERCC6 基因突变，患者表现典型基因突变，患者表现典型CS症状症状 XPB，XPD或或XPG 基因突变，患者表现基因突变，患者表现XP-CS症状症状72四、线粒体四、线粒体DNA修复与衰老修复与衰老人线粒体基因组人线粒体基因组是独立于细胞核染色是独立于细胞核染色体外的另一基因组，体外的另一基因组，能自主复制。能自主复制。编码其自身蛋白质合编码其自身蛋白质合成 体 系 的 某