生物化学与分子生物学 第十五章 DNA损伤与修复

DNA损伤与修复

DNADamageAndRepair

1第十五章第三篇——基因信息的传递第八版生物化学与分子生物学DNA损伤（DNAdamage）各种体内外因素所导致的DNA组成与结构的变化称为DNA损伤2其一，DNA的结构发生永久性改变，即突变

其二，导致DNA失去作为复制和/或转录的模板的功能DNA损伤的后果:3生物多样性依赖于：DNA突变DNA修复平衡DNA损伤

DNADamage

第一节4一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤（一）体内因素DNA复制错误DNA自身的不稳定性机体代谢过程中产生的活性氧（二）体外因素物理因素化学因素生物因素5DNA复制错误：在DNA复制过程中，碱基的异构互变、4种dNTP之间浓度的不平衡等均可能引起碱基的错配DNA复制的错配率约1/1010复制错误还表现为片段的缺失或插入。特别是DNA上的短片段重复序列，在真核细胞染色体上广泛分布，导致DNA复制系统工作时可能出现“打滑”现象，使得新生成的DNA上的重复序列拷贝数发生变化。

6DNA自身的不稳定性：DNA结构自身的不稳定性是DNA自发性损伤中最频繁和最重要的因素。当DNA受热或所处环境的pH值发生改变时，DNA分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可自发发生水解，导致碱基的丢失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍。含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应，转变为另一种碱基，即碱基的转变，如C转变为U，A转变为I（次黄嘌呤）等。7DNA结构自身的不稳定性是DNA自发性损伤中最频繁和最重要的因素。当DNA受热或所处环境的pH值发生改变时，DNA分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可自发发生水解，导致碱基的丢失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍。含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应，转变为另一种碱基，即碱基的转变，如C转变为U，A转变为I（次黄嘌呤）等。Hypoxanthine(I)机体代谢过程中产生的活性氧（ROS）ROS88-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）物理因素：电离辐射、紫外线(ultraviolet,UV)9化学因素：自由基导致的DNA损伤电离辐射：羟自由基（氧化性）、氢自由基（还原性）体内代谢：氧自由基碱基类似物导致的DNA损伤抗癌药物：氟尿嘧啶碱基修饰剂、烷化剂导致的DNA损伤亚硝酸：脱去碱基上的氨基（A-I，C-U）烷化剂：氮芥、硫芥、二乙基硝铵（使氮原子烷基化）嵌入性染料导致的DNA损伤溴化乙锭、吖啶橙（DNA荧光染料）10物理和化学因素对DNA的损伤11二、DNA损伤有多种类型碱基脱落碱基结构破坏嘧啶二聚体形成DNA单链或双链断裂DNA交联12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改变碱基的性质。亚硝酸羟自由基：活性氧（ROS）紫外线由于碱基损伤或糖基破坏，在DNA链上可能形成一些不稳定点，最终可导致DNA链的断裂。13碱基之间发生错配：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DNA序列中的错误配对。在正常的DNA复制过程中，存在着一定比例的自发碱基错配。最常见的是组成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺入到DNA分子中。14DNA链发生断裂：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DNA断裂的原因。碱基损伤或糖基破坏可引起DNA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DNA-糖基化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点（apurinic-apyrimidinicsite,APsite），或称无碱基位点（abasicsite），这些位点在内切酶等的作用下可形成链断裂。15DNA的共价交联：DNA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DNA链间交联（DNAinterstrandcross-linking）。DNA分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称为DNA链内交联（DNAintrastrandcross-linking）。DNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交联（DNAproteincross-linking）。16DNA损伤的后果碱基置换缺失插入链的断裂

转换（transition）嘌呤之间、嘧啶之间颠换（transversion）嘌呤与嘧啶互换突变的类型：错义突变无义突变同义突变（沉默突变）突变的表示：B-Raf的第600位的缬氨酸突变为谷氨酸：V600E,B-RafV600E17DNA损伤的修复

TheRepairOfDNADamage第二节18DNA修复（DNARepair）DNA修复（DNArepair）是指纠正DNA两条单链间错配的碱基、清除DNA链上受损的碱基或糖基、恢复DNA的正常结构的过程。DNA修复是机体维持DNA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。19常见的DNA损伤修复途径20修复途径修复对象参与修复的酶或蛋白

光复活修复嘧啶二聚体光复活酶

碱基切除修复受损的碱基DNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶

核苷酸切除修复嘧啶二聚体、DNA螺旋结构的改变大肠杆菌中UvrA、UvrB、UvrC和UvrD，人XP系列蛋白XPA、XPB、XPC……XPG等

错配修复复制或重组中的碱基配对错误大肠杆菌中的MutH、MutL、MutS，人的MLH1、MSH2、MSH3、MSH6等

重组修复双链断裂RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、XRCC4

损伤跨越修复大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤RecA蛋白、LexA蛋白、其他类型DNA聚合酶

21Lehninger's.Principles.of.Biochemistry.4th一、直接修复嘧啶二聚体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单链断裂的直接修复22嘧啶二聚体的直接修复23烷基化碱基的直接修复人类O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶，将甲基转移到自身的半胱氨酸残基上24无嘌呤位点的直接修复DNA嘌呤插入酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA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。具有很强的专一性。25单链断裂的直接修复DNA连接酶能够催化DNA双螺旋结构中一条链上缺口处的5’-磷酸基团与相邻片段的3’-羟基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。二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式碱基切除修复核苷酸切除修复26碱基切除修复（baseexcisionrepair）①识别水解：DNA糖基化酶特异性识别DNA链中已受损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点；②切除：在此位点的5’端，无碱基位点核酸内切酶将DNA链的磷酸二酯键切开，去除剩余的磷酸核糖部分；③合成：DNA聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列；④连接：由DNA连接酶将切口重新连接，使DNA恢复正常结构2728无碱基位点核酸内切酶DNA聚合酶+连接酶核苷酸切除修复

（nucleotideexcisionrepair）①由一个酶系统识别DNA损伤部位；②在损伤两侧切开DNA链，去除两个切口之间的一段受损的寡核苷酸；③在DNA聚合酶作用下，以另一条链为模板，合成一段新的DNA，填补缺损区；④最后由连接酶连接，完成损伤修复。29E.coli的核苷酸切除修复主要由4种蛋白质组成：UvrAUvrBUvrCUvrD

30人类的DNA损伤核苷酸切除修复①首先由损伤部位识别蛋白XPC和XPA等，再加上DNA复制所需的SSB，结合在损伤DNA的部位；②XPB、XPD发挥解旋酶的活性，与上述物质共同作用在受损DNA周围形成一个凸起；③XPG与XPF发生构象改变，分别在凸起的3′-端和5′-端发挥核酸内切酶活性,在增殖细胞核抗原（PCNA）的帮助下，切除并释放受损的寡核苷酸；④遗留的缺损区由聚合酶δ或ε进行修补合成；⑤最后，由连接酶完成连接。31转录偶联修复（transcription-coupledrepair）修复正在转录的基因模版上的损伤。RNA聚合酶：识别损伤部位作用方式：核苷酸切除修复蛋白质被募集于暂停的RNA聚合酶。转录偶联修复的意义：将修复酶集中于正在转录DNA，使该区域的损伤尽快得以修复。32碱基错配修复（MismatchRepair）错配是指非Watson-Crick碱基配对。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：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；碱基插入；碱基缺失。33E.coli错配修复系统修复复制差错34甲基化标记正确的链Dam甲基化酶（methylase）使E.coli处于暂时的半甲基化状态，标记母链和新合成的DNA链，帮助新合成的DNA链被错配修复系统识别并修复。35模板链的GATC序列甲基化MutH仅切割新合成的DNA链MutH的切口位于错配核苷酸的5侧，使用外切酶Ⅶ或RecJ，按53方向降解DNA；MutH的切口位于错配的3’侧，则使用外切酶Ⅰ，按35方向降解DNA。DNA聚合酶Ⅲ填补所产生单链DNA缺口。真核细胞核苷酸修复错配系统：MSH（MutShomologs）蛋白：MSH2、MSH6、MSH3与MutL同源的MLH和PMS蛋白无甲基化识别蛋白：真核细胞错配修复系统无MutH，也无半甲基化标记母链。错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺口辨别错配碱基所在的DNA链。36三、DNA严重损伤时需要重组修复双链断裂：同源重组修复非同源末端连接的重组修复37同源重组修复Holliday连接体（Hollidayintermediate），RobinHolliday1964年发现Holliday连接体一旦形成就能进行重排，从而改变链的彼此关系，形成不同的构象，构象决定了在Holliday连接体拆分时是否发生重组。Holliday连接体是所有重组模型的核心。38Reca右手螺旋的核蛋白细丝，6个围一圈重组酶39Lehninger's.Principles.of.Biochemistry.4thLehninger's.Principles.of.Biochemistry.4th同源重组修复40非同源末端连接的重组修复非同源末端连接（Non-homologousEndJoining-NHEJ)是真核生物细胞在不依赖DNA同源性的情况下，而为了避免DNA或染色体断裂（Breaks)的滞留，避免因此造成的DNA降解或对生命力的影响，强行将两个DNA断端彼此连接在一起的一种特殊的DNA双链断裂修复机制。与DNA双链断裂的同源重组修复机制相比，NHEJ不需要重组断端之间的具有严格的DNA之间的同源性，不是一种忠实的DNA双链断裂修复方式DNA-PK（DNA-dependentproteinkinase）DNA-PKcs(Prkdc),Ku86(XRCC5),Ku70(XRCC6)XRCC4(X-rayrepaircomplementingdefectiverepairinChinesehamstercells4)DNArepairprotein

XRCC4,X-rayr