DNA损伤与修复

1、目录目录DNA损伤与修复损伤与修复 DNA Damage and Repair第十五章第十五章目录目录 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，即的结构发生永久性改变，即突变突变其二，其二，导致导致DNA失去作为复制和失去作为复制和/或转录或转录的模板的功能的模板的功能 DNA损伤的后果损伤的后果:目录目录生物多样性依赖于：生物多样性依赖于：DNADNA突变突变DNADNA修复修复平衡平衡目录目录DNA损伤损伤DNA Damage第一节第一节目录目录一、多种因素通

2、过不同机制一、多种因素通过不同机制导致导致DNA损伤损伤（一）体内因素（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目录目录nDNA复制错误：复制错误：n在在DNADNA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 4种种dNTPdNTP之间浓度之间浓度的不平衡等均可能引起的不平衡等均可能引起碱基的错配碱基的错配nDNADNA复制的错配率约复制的错配率约1/101/101010n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DNADNA上的短片段重复序列，在真核细胞

3、染色体上广上的短片段重复序列，在真核细胞染色体上广泛分布，导致泛分布，导致DNADNA复制系统工作时可能出现复制系统工作时可能出现“打滑打滑”现象，现象，使得新生成的使得新生成的DNADNA上的上的重复序列拷贝数发生变化重复序列拷贝数发生变化。 目录目录n脆性脆性X综合征综合征n X染色体上染色体上(CGG)n重复序列的拷贝数增重复序列的拷贝数增加。加。目录目录n肌强直性营养不良肌强直性营养不良n 19号染色体上号染色体上(CTG)n重复序列扩增导重复序列扩增导致。致。n多见于青春期后，男多于女。主要症状为肌无力、肌萎缩和肌强直。 目录目录nDNA自身的不稳定性自身的不稳定性 ：nDNADNA

4、结构自身的不稳定性结构自身的不稳定性是是DNADNA自发性损自发性损伤中最频繁和最重要的因素。伤中最频繁和最重要的因素。n当当DNADNA受热或所处环境的受热或所处环境的pHpH值发生改变时，值发生改变时， DNADNA分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可自发发生水解，导致碱基的可自发发生水解，导致碱基的丢失丢失或或脱落脱落，其中以其中以脱嘌呤脱嘌呤最为普遍。最为普遍。目录目录目录目录n含有氨基的碱基含有氨基的碱基还可能还可能自发脱氨自发脱氨基反应基反应，转变为，转变为另一种碱基，即另一种碱基，即碱基的转变碱基的转变，如，如C转变为转变为U，A转变转变为为I（次黄

5、嘌呤）（次黄嘌呤）等。等。目录目录（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 生物因素生物因素目录目录n1.物理因素：物理因素：电离辐射、紫外线电离辐射、紫外线(ultra violet, UV)电离辐射引起电离辐射引起DNADNA损伤的机理损伤的机理目录目录n紫外线紫外线(ultra violet, UV)紫外线可引起紫外线可引起DNA的交联的交联, DNA与蛋白质的交联。与蛋白质的交联。n2. 化学因素：化学因素：自由基导致的自由基导致的DNADNA损伤损伤碱基类似物导致的碱基类似物导致的DNADNA损伤损伤 碱基修饰剂、烷化剂导致的碱基修饰剂、烷化剂导致的DNADN

6、A损伤损伤 嵌入性染料导致的嵌入性染料导致的DNADNA损伤损伤 目录目录氧化损伤氧化损伤目录目录甲基化甲基化甲基化甲基化甲基化甲基化目录目录目录目录二、二、DNA损伤有多种类型损伤有多种类型碱基脱落碱基脱落碱基结构破坏碱基结构破坏嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体形成DNA单链或双链断裂单链或双链断裂DNA交联交联目录目录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而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。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DNADNA链上可能形链上可能形成一些不稳定点，最终可导致成一些不稳定点，最终

7、可导致DNADNA链的断裂。链的断裂。目录目录n碱基之间发生错配碱基之间发生错配 ：1. 1.碱基类似物的掺入、碱基修饰剂的作用可改变碱基类似物的掺入、碱基修饰剂的作用可改变碱基的性质，导致碱基的性质，导致DNADNA序列中的错误配对。序列中的错误配对。2. 2.在正常的在正常的DNADNA复制过程中，存在着一定比例的复制过程中，存在着一定比例的自发碱基错配。自发碱基错配。3. 3.最常见的是组成最常见的是组成RNARNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺入到入到DNADNA分子中。分子中。目录目录nDNA链发生断裂：链发生断裂：n电离辐射、化学毒剂、磷酸二酯键的断裂、脱氧戊糖电离辐

8、射、化学毒剂、磷酸二酯键的断裂、脱氧戊糖的破坏、碱基的损伤和脱落的破坏、碱基的损伤和脱落都是引起都是引起DNADNA断裂的原因。断裂的原因。n碱基损伤或糖基破坏可引起碱基损伤或糖基破坏可引起DNADNA双螺旋局部变性，形双螺旋局部变性，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。样的部位，造成链断裂。nDNADNA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-DNA-糖糖基化酶除去，形成基化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点无嘌呤嘧啶位点（apurinic-apurinic-apyrimidini

9、c site, AP siteapyrimidinic site, AP site），或称无碱基位点（），或称无碱基位点（abasic abasic sitesite），这些位点在内切酶等的作用下可形成链断裂。），这些位点在内切酶等的作用下可形成链断裂。目录目录nDNA 的共价交联：的共价交联：pDNADNA双螺旋链中的一条链上的碱基与另一条链上的碱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，称为基以共价键结合，称为DNADNA链间交联链间交联（DNA DNA interstrand cross-linkinginterstrand cross-linking）。）。pDNADN

10、A分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称为为DNADNA链内交联链内交联（DNA intrastrand cross-linkingDNA intrastrand cross-linking）。）。pDNADNA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-DNA-蛋白蛋白质交联质交联（DNA protein cross-linkingDNA protein cross-linking）。）。目录目录DNA损伤可导致损伤可导致碱基置换碱基置换缺失缺失 插入插入 链的断裂链的断裂 转换转换(transition)颠换颠换

11、(transversion)目录目录Frame-shift mutation目录目录n错义突变错义突变 (missense mutation)n无义突变无义突变 (nonsense mutation)n同义突变同义突变 (same sense mutation)目录目录DNA损伤的修复损伤的修复The repair of DNA damage第二节第二节目录目录 DNADNA修复（修复（DNA repairDNA repair）是指纠正）是指纠正DNADNA两条单两条单链间错配的碱基、清除链间错配的碱基、清除DNADNA链上受损的碱基或链上受损的碱基或糖基、恢复糖基、恢复DNADNA的正常结构

12、的过程。的正常结构的过程。 DNADNA修复是机体维持修复是机体维持DNADNA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。目录目录常见的常见的DNA损伤修复途径损伤修复途径 目录目录一、有些一、有些DNA损伤可以损伤可以直接修复直接修复 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目录目录n1.嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复 光复活酶光复活酶目录目录n2.烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复 烷

13、基转移酶烷基转移酶目录目录n3. 无嘌呤位点的直接修复无嘌呤位点的直接修复pDNADNA嘌呤插入酶嘌呤插入酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与DNADNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共价键，导致嘌呤碱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。具有很强的基的直接插入。具有很强的专一性专一性。n4.单链断裂的直接修复单链断裂的直接修复pDNADNA连接酶连接酶能够催化能够催化DNADNA双螺旋结构中一条链上缺口双螺旋结构中一条链上缺口处的处的5 5 - -磷酸基团与相邻片段的磷酸基团与相邻片段的3 3 - -羟基之间形成磷酸二羟基之间形成磷酸二酯键，从而直接参与

14、部分酯键，从而直接参与部分DNADNA单链断裂的修复，如电单链断裂的修复，如电离辐射所造成的切口。离辐射所造成的切口。目录目录二、二、切除修复切除修复是最普遍的是最普遍的DNA损伤修复方式损伤修复方式 碱基切除修复碱基切除修复 核苷酸切除修复核苷酸切除修复目录目录n1.碱基切除修复（碱基切除修复（base excision repair） 识别水解识别水解：DNADNA糖基化酶特异性识别糖基化酶特异性识别DNADNA链中已受链中已受损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点；损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点； 切除切除：在此位点的：在此位点的5 5 端，无碱基位点核酸内切酶将端，无碱

15、基位点核酸内切酶将DNADNA链的磷酸二酯键切开，去除剩余的磷酸核糖部链的磷酸二酯键切开，去除剩余的磷酸核糖部分；分； 合成合成：DNADNA聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列；成互补序列； 连接连接：由：由DNADNA连接酶将切口重新连接，使连接酶将切口重新连接，使DNADNA恢复恢复正常结构正常结构目录目录目录目录DNA糖基化酶糖基化酶AP核酸内切酶核酸内切酶目录目录n2. 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DNADNA损伤部位；损伤部位； 其次

16、，在损伤两侧切开其次，在损伤两侧切开DNADNA链，去除两个切口之间的链，去除两个切口之间的一段受损的寡核苷酸；一段受损的寡核苷酸； 再次，在再次，在DNADNA聚合酶作用下，以另一条链为模板，合聚合酶作用下，以另一条链为模板，合成一段新的成一段新的DNADNA，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。目录目录E.coli的的NER主要由主要由4种种蛋白质组成：蛋白质组成：UvrAUvrBUvrCUvrD 目录目录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XPCXPC和和XPAXPA

17、等，再加上等，再加上DNADNA复制所需的复制所需的SSBSSB，结合在损伤，结合在损伤DNADNA的部位；的部位； XPBXPB、XPDXPD发挥解旋酶的活性，与上述物质共同作用发挥解旋酶的活性，与上述物质共同作用在受损在受损DNADNA周围形成一个凸起；周围形成一个凸起； XPGXPG与与XPFXPF发生构象改变，分别在凸起的发生构象改变，分别在凸起的3-3-端和端和5-5-端发挥核酸内切酶活性端发挥核酸内切酶活性, , 在增殖细胞核抗原在增殖细胞核抗原（PCNAPCNA）的帮助下，切除并释放受损的寡核苷酸；）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遗留的缺损区由聚合酶

18、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。目录目录目录目录目录目录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，即参与转录偶联修复（酶，即参与转录偶联修复（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。转录偶联修复的意义：将修复酶集中于正在转转录偶联修复的意义：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

19、损伤尽快得以修复。目录目录n3.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-CrickWatson-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。 目录目录E.coliE.coli错配修复系统修复复制差错错配修复系统修复复制差错目录目录Dam甲基化酶（甲基化酶

20、（methylase）使）使E.coli处处于暂时的于暂时的半甲基化状态半甲基化状态，标记母链和新合成，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。目录目录模板链的模板链的GATC序列甲基化序列甲基化 MutH仅切割新仅切割新合成的合成的DNA链链 目录目录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，使用外切酶侧，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，则使用外切酶侧，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。目录目录目录目录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，也无半甲基化标记母链。标记母链。错配修复系统利用冈崎片段连接前的错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺