DNA 损伤与修复

1、DNADNA损伤：在生物体生命过程中损伤：在生物体生命过程中DNADNA双螺旋结双螺旋结构发生的任何改变。构发生的任何改变。 内源因素：内源因素：DNADNA复制错误、细胞代谢活动产生化学物质（复制错误、细胞代谢活动产生化学物质（如自由基、烷化剂）的攻击。如自由基、烷化剂）的攻击。 外源因素：紫外线、放射线、污染物、香烟燃烧剩余物和外源因素：紫外线、放射线、污染物、香烟燃烧剩余物和病毒等。病毒等。第五章第五章 DNADNA的损伤、修复的损伤、修复和基因突变和基因突变 DNADNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，维护，维护DNADNA分子的完整性对细胞至

2、关紧要分子的完整性对细胞至关紧要；修复修复DNADNA损伤的能力是生物能保持遗传稳定性损伤的能力是生物能保持遗传稳定性所在；所在；DNADNA分子的变化并不是全部都能被修复成原样分子的变化并不是全部都能被修复成原样的，因此生物才会有变异、有进化的，因此生物才会有变异、有进化。DNADNA损伤修复的重要性损伤修复的重要性第一节第一节 基因结构异常的分子机制基因结构异常的分子机制 一、一、DNADNA一级结构变异的分子机制一级结构变异的分子机制 DNA一级结构改变的主要原因一级结构改变的主要原因 引起引起DNA一级结构改变的原因主要有两类：一级结构改变的原因主要有两类： 一类是复制时碱基的偶然性错

3、配，由此引起的突变称为一类是复制时碱基的偶然性错配，由此引起的突变称为自自发性突变（发性突变（spontaneous mutation）。）。这种突变频率极低，约这种突变频率极低，约为为10-9，即每合成，即每合成109核苷酸可能会有一次碱基与模板不相配的核苷酸可能会有一次碱基与模板不相配的错误。错误。 另一类是体内代谢过程中产生的自由基由某些环境因素引另一类是体内代谢过程中产生的自由基由某些环境因素引起的起的DNA一级结构改变，由此引起的突变称为一级结构改变，由此引起的突变称为诱发突变诱发突变（induced mutagenesis）。）。（一）诱发因素（一）诱发因素 能引起突变的理化因素或

4、物质称为诱变剂（能引起突变的理化因素或物质称为诱变剂（mutagen），），主要有以下一些类型：主要有以下一些类型：1、碱基和核苷酸类似物，如、碱基和核苷酸类似物，如5-氟尿嘧啶（氟尿嘧啶（5-Fu）、）、6-巯基巯基嘌呤（嘌呤（6-MP）等。）等。2、烷化剂，如氮芥、环磷酰胺。、烷化剂，如氮芥、环磷酰胺。3、抗生素类，如放线菌素、抗生素类，如放线菌素D、丝裂霉素、博来霉素、丝裂霉素、博来霉素 等。等。4、染色剂，如吖啶黄、二氨基吖啶等。、染色剂，如吖啶黄、二氨基吖啶等。5、亚硝酸盐。、亚硝酸盐。6、电离辐射和紫外线照射。、电离辐射和紫外线照射。（二）诱变剂的作用机制（二）诱变剂的作用机制 碱

5、基和核苷酸类似物，如碱基和核苷酸类似物，如5-5-氟尿嘧啶（氟尿嘧啶（5-Fu5-Fu）、）、6-6-巯巯基嘌呤（基嘌呤（6-MP6-MP），能取代正常的碱基而掺入到），能取代正常的碱基而掺入到DNADNA当中去，并当中去，并通过互变异构引起复制错误，或掺入到通过互变异构引起复制错误，或掺入到RNARNA影响影响RNARNA的转录和的转录和翻译。翻译。 烷化剂，如氮芥和环磷酰胺的分子有一个或多个活性烷化剂，如氮芥和环磷酰胺的分子有一个或多个活性烷基，可使烷基，可使DNADNA分子中的鸟嘌呤分子中的鸟嘌呤N7N7烷化后除去，留下缺失碱烷化后除去，留下缺失碱基后的空隙。基后的空隙。如：甲基磺酸乙酯

6、如：甲基磺酸乙酯 EMSEMS，CHCH3 3SO2(OC2H5)SO2(OC2H5) 硫酸二乙酯硫酸二乙酯 DESDES，SO2(OC2H5)2SO2(OC2H5)2EMSEMS、MMSMMS等烷化剂都带有等烷化剂都带有1 1个或多个活泼的烷基，这些个或多个活泼的烷基，这些烷基能够加入碱基的许多位置形成烷基化碱基，改变烷基能够加入碱基的许多位置形成烷基化碱基，改变氢键的结合能力氢键的结合能力 抗生素类，如放线菌素抗生素类，如放线菌素D D、丝裂霉素和博来霉素能、丝裂霉素和博来霉素能与与DNADNA上脱氧鸟苷形成复合物，使上脱氧鸟苷形成复合物，使DNADNA失去模板作用，抑失去模板作用，抑制制

7、DNADNA聚合酶。聚合酶。丝裂霉素为细胞毒药物，在丝裂霉素为细胞毒药物，在DNADNA的两条链之间形成的两条链之间形成共价键，使双链不能分开。共价键，使双链不能分开。这种作用效应是这种作用效应是不可逆不可逆的，具杀菌作用。的，具杀菌作用。但是由于缺乏选择性，其毒性很大，不能用作抗但是由于缺乏选择性，其毒性很大，不能用作抗微生物剂，但作为微生物剂，但作为抗肿瘤抗肿瘤剂剂。 染色剂，如吖啶黄和二氨基吖啶，通过与双螺旋结染色剂，如吖啶黄和二氨基吖啶，通过与双螺旋结合引起合引起DNA变构，并激活修复性核酸内切酶，影响变构，并激活修复性核酸内切酶，影响DNA复制和转录。复制和转录。 亚硝酸盐可以除去亚

8、硝酸盐可以除去DNA中任何一个带有氨基基团的碱基上中任何一个带有氨基基团的碱基上氨基基团，使氨基基团，使DNA上碱基脱氨，则上碱基脱氨，则C、A、G变成变成U、H（次黄（次黄嘌呤）、嘌呤）、X（黄嘌呤），导致复制转录中碱基配对错误。（黄嘌呤），导致复制转录中碱基配对错误。 电离辐射可导致电离辐射可导致DNA链的断裂；紫外线照射引起两个相链的断裂；紫外线照射引起两个相邻碱基之间发生二聚化，尤其是相邻胸腺嘧啶之间形成邻碱基之间发生二聚化，尤其是相邻胸腺嘧啶之间形成T-T交联，阻碍复制与转录。交联，阻碍复制与转录。二、突变类型及其遗传效应二、突变类型及其遗传效应（一）突变类型（一）突变类型 根据根据

9、DNADNA分子的改变，突变可以分为四类分子的改变，突变可以分为四类 DNADNA大分子一个碱基的变异，又可以分为转换和大分子一个碱基的变异，又可以分为转换和颠换两种，嘌呤取代嘌呤，嘧啶取代嘧啶称为颠换两种，嘌呤取代嘌呤，嘧啶取代嘧啶称为，有，有4 4种转换形式，即种转换形式，即AGAG、GAGA、TCTC、CTCT。嘌呤取代嘧啶或嘧啶取代嘌呤称为嘌呤取代嘧啶或嘧啶取代嘌呤称为，有，有8 8种种颠换形式。颠换形式。 一个碱基或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从DNADNA大分子上消失。大分子上消失。 一个原来没有的碱基或一段原来没有的核苷酸链插一个原来没有的碱基或一段原来没有的核苷酸链插入

10、入DNADNA大分子中间。大分子中间。 DNADNA链内重组，使其中一段方向反置。链内重组，使其中一段方向反置。（二）突变的遗传效应（二）突变的遗传效应 从从DNA碱基序列改变多少碱基序列改变多少可以分成可以分成和和。 从对阅读框的影响来看从对阅读框的影响来看，如果插入或缺失，如果插入或缺失1个或个或2个碱基，可以个碱基，可以改变阅读框架，这种突变往往是致死的。如果缺失或插入改变阅读框架，这种突变往往是致死的。如果缺失或插入3个碱基，个碱基，则阅读框架不变，其产物常常有活性或有部分活性。则阅读框架不变，其产物常常有活性或有部分活性。 从对遗传信息改变来看从对遗传信息改变来看，点突变中碱基替代突

11、变可以分成同义，点突变中碱基替代突变可以分成同义突变、错义突变和无义突变。突变、错义突变和无义突变。 （1）同义突变（）同义突变（same sense mutation）是指没有改变产物氨是指没有改变产物氨基酸序列的密码子变化，不影响蛋白质表型。基酸序列的密码子变化，不影响蛋白质表型。 （2）错义突变（）错义突变（missense mutation）则引起了产物氨基酸序则引起了产物氨基酸序列的改变。列的改变。 （3）无义突变（）无义突变（nonsense mutation）是指某个碱基改变使代是指某个碱基改变使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子。无义突变表某种氨基酸的密码子变为蛋

12、白质合成的终止密码子。无义突变还可以由移框突变、插入突变和缺失突变造成。还可以由移框突变、插入突变和缺失突变造成。 2 2、对、对mRNAmRNA剪接的影响剪接的影响 如果点突变发生在内含子的剪接位点，可以产生两种影响如果点突变发生在内含子的剪接位点，可以产生两种影响 （1 1）使原有的剪接位点消失；使原有的剪接位点消失； （2 2）产生新的剪接位点。）产生新的剪接位点。 无论是哪一种形式，都可以导致无论是哪一种形式，都可以导致mRNAmRNA的错误剪接，产生异常的的错误剪接，产生异常的mRNAmRNA。最终产生异常的表达产物。数个碱基缺失，片断缺失均有。最终产生异常的表达产物。数个碱基缺失，

13、片断缺失均有可能造成剪接位点的缺失。可能造成剪接位点的缺失。 3 3、蛋白质肽链中的片断缺失、蛋白质肽链中的片断缺失（1 1）无义突变和）无义突变和DNADNA片断的缺失都可以导致肽链中的片断缺失，片断的缺失都可以导致肽链中的片断缺失，致使基因编码的蛋白质失去原有的功能。致使基因编码的蛋白质失去原有的功能。（2 2）移码突变不仅使翻译后的肽链中氨基酸序列发生改变，而且）移码突变不仅使翻译后的肽链中氨基酸序列发生改变，而且也导致肽链中的大片断缺失。因为移码使阅读框发生改变后，在也导致肽链中的大片断缺失。因为移码使阅读框发生改变后，在结构基因中往往出现多个终止密码子，无法翻译出全长的肽链。结构基因

14、中往往出现多个终止密码子，无法翻译出全长的肽链。损伤的损伤的DNA可以修复可以修复 直接修复直接修复：如光复活酶：如光复活酶, ,普遍存在在生物机体中普遍存在在生物机体中, ,可可以把嘧啶二聚体恢复正常状态。以把嘧啶二聚体恢复正常状态。 切除修复切除修复：找出损伤位置并切除，进行修复合成并：找出损伤位置并切除，进行修复合成并连接。连接。 重组修复重组修复： 先复制再修复。子代链在对应模板链先复制再修复。子代链在对应模板链的损伤的损伤 处留下缺口，先将同源母链处留下缺口，先将同源母链DNADNA上相应的上相应的核苷酸片段转移替补，然后再合成一段序列填充缺核苷酸片段转移替补，然后再合成一段序列填充

15、缺口。口。 SOSSOS系统系统：复杂的应急反应。既有避免差错的修复：复杂的应急反应。既有避免差错的修复又有引起差错的修复，后者有高变异率但也增加了又有引起差错的修复，后者有高变异率但也增加了生存机会。生存机会。DNA损伤的修复：是对已发生分子改变的补偿措施，使其回损伤的修复：是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原来的天然状态。复为原来的天然状态。第二节第二节 DNADNA的修复的修复 切除修复切除修复重组修复重组修复脱嘌呤、脱氨和形成胸腺嘧啶二聚体都可能造成脱嘌呤、脱氨和形成胸腺嘧啶二聚体都可能造成DNA损伤损伤 DNA损伤常见形式是通过损伤常见形式是通过N-糖苷键的水解，鸟嘌呤或腺嘌糖

16、苷键的水解，鸟嘌呤或腺嘌呤的自发脱嘌呤作用形成脱氧核糖。据估计人体内细胞中每呤的自发脱嘌呤作用形成脱氧核糖。据估计人体内细胞中每天每天每109碱基对就有多达碱基对就有多达103碱基对发生脱嘌呤。另一种类型损碱基对发生脱嘌呤。另一种类型损伤是伤是如果不能校正，在如果不能校正，在DNA复制后，复制后，一个一个C-G碱基对就将变成一个碱基对就将变成一个A-T碱基对了。碱基对了。胞嘧啶脱氨如不校胞嘧啶脱氨如不校正将导致：正将导致： G-C突变为突变为A-TCUU A 紫外线和离子辐射诱导有可能形成紫外线和离子辐射诱导有可能形成。一个。一个胸腺嘧啶的胸腺嘧啶的C-5C-5、C-6C-6与相邻胸腺嘧啶上同

17、样位置的碳之间形成与相邻胸腺嘧啶上同样位置的碳之间形成一个一个结果使得结果使得DNADNA骨架的结构发生了改变，有可能骨架的结构发生了改变，有可能引起与互补链上的相应的腺嘌呤残基之间的氢键断裂。引起与互补链上的相应的腺嘌呤残基之间的氢键断裂。胸腺嘧啶形成的示意图胸腺嘧啶形成的示意图在在E.coliE.coli中存在中存在4 4种基本的修复系统种基本的修复系统 E.coliE.coli中存在的中存在的4 4种基本类型的种基本类型的DNADNA修复系统：直接修复，修复系统：直接修复，核苷酸切除修复、碱基切除修复和错配修复。核苷酸切除修复、碱基切除修复和错配修复。 某些损伤的核苷酸和错配的碱基可以被

18、某些蛋白质识别和某些损伤的核苷酸和错配的碱基可以被某些蛋白质识别和修复。他们不切断修复。他们不切断DNADNA或切除碱基而是直接实施修复，这样的或切除碱基而是直接实施修复，这样的损伤修复机制称为直接修复。损伤修复机制称为直接修复。 DNADNA损伤之一的胸腺嘧啶二聚体可以通过直接修复机制修损伤之一的胸腺嘧啶二聚体可以通过直接修复机制修复。胸腺嘧啶二聚体是紫外线辐射造成的，复。胸腺嘧啶二聚体是紫外线辐射造成的，可以结合可以结合胸腺嘧啶二聚体引起的扭曲了的双螺旋部位。在可见光存在下，胸腺嘧啶二聚体引起的扭曲了的双螺旋部位。在可见光存在下，然后光复活酶从已修复好的然后光复活酶从已修复好的DNADNA

19、上脱落。上脱落。光修复（光修复（light repairinglight repairing） 通过光复活酶修复胸腺嘧啶二聚体的过程通过光复活酶修复胸腺嘧啶二聚体的过程胸腺嘧啶二聚体其他两种修复策略（暗修复胸腺嘧啶二聚体其他两种修复策略（暗修复+重组修复）重组修复）A. A. 核苷酸切除修复核苷酸切除修复 修复酶是由基因修复酶是由基因uvruvrA A、uvruvrB B和和uvruvrC C分别编码的三个亚基组分别编码的三个亚基组成的，所以该酶又称为成的，所以该酶又称为。结果都出现一个单链缺口。然后在结果都出现一个单链缺口。然后在DNADNA聚合酶催化下按照互聚合酶催化下按照互补链填充缺口，

20、切口最后通过补链填充缺口，切口最后通过DNADNA连接酶连接。连接酶连接。 (1)(1)由特异内切核酸酶识别损伤，由特异内切核酸酶识别损伤，并在损伤前的糖并在损伤前的糖磷酸骨架上切开一磷酸骨架上切开一个裂口。裂口处有个裂口。裂口处有3 3-OH-OH和含有损伤区和含有损伤区的的5 5端。端。 (2)DNA(2)DNA聚合酶以聚合酶以3 3-OH-OH为引物，以为引物，以另一条完好的互补链为模板进行修复，另一条完好的互补链为模板进行修复，合成一段新片段合成一段新片段 (3)(3)损伤区被损伤区被DNADNA聚合酶的聚合酶的5 5-3-3外切外切酶活性作用切除。酶活性作用切除。 (4)(4)新合成

21、的新合成的DNADNA片段和原存在的片段和原存在的DNADNA部分由连接酶催化相连。部分由连接酶催化相连。 是一种多酶的催化过程，包括是一种多酶的催化过程，包括4 4个步骤：个步骤：参与的酶有参与的酶有 核酸内切酶核酸内切酶，DNADNApolpol, ,DNADNA连接酶连接酶特异核酸内切酶pol DNA连接酶B. 碱基切除修复碱基切除修复 是一个能识别是一个能识别DNA中象尿嘧啶、次黄嘌中象尿嘧啶、次黄嘌呤和黄嘌呤那样的不正确碱基的酶，这些碱基都是由胞嘧啶、呤和黄嘌呤那样的不正确碱基的酶，这些碱基都是由胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤分别脱氨形成的。这样变型的碱基可以通过腺嘌呤和鸟嘌呤分别脱氨形成的

22、。这样变型的碱基可以通过DNA糖基化酶切断糖基化酶切断N-糖苷键除去，这样一来在糖苷键除去，这样一来在DNA中制造了中制造了脱嘌呤或脱嘧啶的部位，通常将这样的部位称之脱嘌呤或脱嘧啶的部位，通常将这样的部位称之AP位点位点。 每种每种DNA糖基化酶通常对一种类型的碱基损伤特异。例糖基化酶通常对一种类型的碱基损伤特异。例如尿嘧啶糖基化酶就可以除去由于胞嘧啶脱氨形成的尿嘧啶，如尿嘧啶糖基化酶就可以除去由于胞嘧啶脱氨形成的尿嘧啶，形成一个形成一个AP位点。然后一个称为位点。然后一个称为AP内切核酸酶切去含有内切核酸酶切去含有AP位点的脱氧核糖位点的脱氧核糖-5-磷酸，出现一个核苷酸空隙。然后在磷酸，出

23、现一个核苷酸空隙。然后在DNA聚合酶作用下重新放置一个正确的核苷酸，最后通过聚合酶作用下重新放置一个正确的核苷酸，最后通过DNA连连接酶将切口封闭。接酶将切口封闭。尿嘧啶糖基化酶系统的修复过程尿嘧啶糖基化酶系统的修复过程 偶尔错误的偶尔错误的DNADNA复制会导致新合成的链与模板链之间的一复制会导致新合成的链与模板链之间的一个错误的碱基配对。这样的错误可以通过个错误的碱基配对。这样的错误可以通过E.coliE.coli中的中的3 3个蛋白个蛋白质（质（）校正。该修复系统只能校正新合成的）校正。该修复系统只能校正新合成的DNADNA，其主要依据是新合成的链中，其主要依据是新合成的链中GATCGA

24、TC序列中的序列中的A A（腺苷酸残基）（腺苷酸残基）开始未被甲基化。开始未被甲基化。GATCGATC中中A A甲基化与否常用来区别新合成的链甲基化与否常用来区别新合成的链（未甲基化）和模板链（甲基化）。这一区别很重要，因为修（未甲基化）和模板链（甲基化）。这一区别很重要，因为修复酶需要识别两个核苷酸残基中的哪一个是错配的，否则如果复酶需要识别两个核苷酸残基中的哪一个是错配的，否则如果将正确的核苷酸除去就会导致突变。未甲基化的将正确的核苷酸除去就会导致突变。未甲基化的GATCGATC序列不需序列不需要紧靠着错配碱基，因为错配碱基与要紧靠着错配碱基，因为错配碱基与GATCGATC序列之间的间隔的

25、序列之间的间隔的DNADNA序列可以被外切核酸酶切除，是从序列可以被外切核酸酶切除，是从3 3还是从还是从5 5方向切除取决方向切除取决于不正确碱基的相对位置。于不正确碱基的相对位置。错配修复错配修复RecADNA pol切除修复切除修复重重组组修修复：复： DNADNA于复制时会于复制时会越越过过受受损区域损区域进行复制进行复制 经经重重组组修修复复，受，受损损的的DNADNA仍然存在仍然存在于于子代的一个细胞子代的一个细胞中。中。 重重组组修修复复不不会会浪浪费时间费时间， 重重组组修修复复可可让负伤让负伤的的DNADNA在细在细胞中仍胞中仍可可照常照常进进行分裂行分裂。：前面介绍的：前面

26、介绍的DNADNA损伤修复功能可以不经诱导而产生，损伤修复功能可以不经诱导而产生，然而许多能造成然而许多能造成DNADNA损伤或抑制复制的处理均能引起一系列复杂损伤或抑制复制的处理均能引起一系列复杂的诱导效应，称为的诱导效应，称为应急反应（应急反应（SOS responseSOS response）。）。SOSSOS反应包括诱反应包括诱导出现的导出现的DNADNA损伤修复效应、诱变效应、细胞分裂的抑制以及溶损伤修复效应、诱变效应、细胞分裂的抑制以及溶原性细菌释放噬菌体等。细胞的癌变也可能与原性细菌释放噬菌体等。细胞的癌变也可能与SOSSOS反应有关。反应有关。 SOSSOS反应是细胞反应是细胞

27、DNADNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的应急反应。下，为求得生存而出现的应急反应。SOSSOS反应诱导的修复系统包反应诱导的修复系统包括括避免差错的修复（避免差错的修复（error free repairerror free repair）和倾向差错的修复）和倾向差错的修复（error prone repairerror prone repair）两类。光复活、切除修复能够识别两类。光复活、切除修复能够识别DNADNA的损伤或错配碱基而加以消除，在它们的修复过程中并不引入错的损伤或错配碱基而加以消除，在它们的修复过程中并不引入错

28、配碱基，因此属于避免差错的修复。配碱基，因此属于避免差错的修复。SOSSOS修复能诱导切除修复和修复能诱导切除修复和重组修复中某些关键酶和蛋白质的产生，使这些酶和蛋白质在细重组修复中某些关键酶和蛋白质的产生，使这些酶和蛋白质在细胞内的含量升高，从而加强切除修复和重组修复的能力。此外，胞内的含量升高，从而加强切除修复和重组修复的能力。此外，SOSSOS反应还能诱导产生缺乏校对功能的反应还能诱导产生缺乏校对功能的DNADNA聚合酶，它能在聚合酶，它能在DNADNA损损伤部位进行复制而避免了死亡，可是却带来了高的变异率。伤部位进行复制而避免了死亡，可是却带来了高的变异率。SOSSOS的诱变效应与此有

29、关。的诱变效应与此有关。SOS SOS 修复修复Irradiation of bacteria before virus infection enhanced repair of damaged viral genes but led to mutations. UVUVd T4 phage E. coliFew surviving phageUVd T4 phage E. coliHigher frequency of surviving phage, but many mutants.SOS SOS 修复修复诱导 DNA 聚合酶活性LexA LexA ( (一种一种DNADNA结合抑制蛋白结合抑制蛋白),), umuC umuC 和和 umuD, umuD, 编码编码 DNADNA聚合酶活性聚合酶活性, ,允许复制跨过允许复制跨过 损损伤位点伤位点, , 常插入一个或几个常插入一个或几个 A A碱基碱基. .AGCTAGTCAT/TCAGTCAGCTAGTCAT /TCAGTCTCGATCANNNNGTCAGReplication stopsat T/T dimerError-prone polymerase allowsreplication to proceed, albeit inaccuratelySOS response:RecA-P的三种功能的三种功能a、