分子生物学：第六章 DNA损伤与修复

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第六章DNA损伤与修复

DNAdamageandrepair2哺乳动物细胞DNA损伤的发生频率34自发性复制错误碱基脱落或部分脱落活性氧族物理因素紫外线电离辐射化学因素烷化剂碱基类似物修饰剂DNA第一节DNA损伤的原因及后果病原生物基因的整合5一、DNA分子的自发性损伤(一)DNA复制产生误差大肠杆菌碱基配对的错误率为10-1～10-2DNA聚合酶校正后错误率为10-5～10-6复制后经校正系统校正，错配率为10-9左右6（二）DNA的自发性化学变化1.碱基的异构互变DNA分子中的4种碱基各自的异构体间都可以自发地相互变化(例如酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变)，使配对碱基间的氢键改变。7碱基的互变异构效应

碱基T和G能够以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现碱基C和A能够以氨基式或亚氨基式两种互变状态出现一般生理条件下，碱基互变平衡反应倾向于酮式或氨基式，故AT和CG碱基配对

…‥8互变异构效应引起不正常的碱基配对碱基T以稀有的烯醇式形式，新合成链中T对应的不再是A，而是G

碱基C以稀有的亚氨基形式出现，在DNA复制到达这一位置的瞬间，则它对应的不是G，而是A9

2.碱基的脱氨基作用碱基的环外氨基有时会自发脱落，从而胞嘧啶(C)变成尿嘧啶(U)，腺嘌呤(A)变成次黄嘌呤(H)、鸟嘌呤（G）变成黄嘌呤(X)等。复制时U与A配对、H和X都与C配对就会导致子代DNA序列的错误变化。103．脱嘌呤与脱嘧啶即碱基脱落，是指从DNA上丢失了嘌呤或嘧啶，形成无碱基位点，称为AP部位（apurine,apyrimidinesite,AP）。11复制时可以插入任何核苷酸。脱落碱基后的脱氧核糖3ˊ端的磷酸二酯键易被水解，造成DNA链断裂。在哺乳动物细胞基因组中，每天每个细胞因N-糖苷键自发水解约丢失10000个嘌呤碱基和200个嘧啶碱基。12细胞在正常生理活动中产生的活性氧会造成DNA损伤，产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，还可引起DNA单链断裂等损伤。每个哺乳类细胞每天DNA单链断裂发生的频率约为五万次。4．碱基修饰与链断裂135.环出效应14二、物理因素引起的DNA损伤(一)紫外线照射引起的DNA损伤当DNA受到最易被其吸收波长(～260nm)的紫外线照射时，同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体，相邻的两个T、或两个C、或C与T间都可以环丁基环(cyclobutanering)连成二聚体，其中最容易形成的是T-T二聚体。二聚体导致复制不能进行。

151617皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每小时5×104／细胞，紫外线不能穿透皮肤，因此损伤只局限在皮肤中。此外，紫外线照射还能引起DNA链断裂等损伤。18电离辐射损伤DNA有直接和间接的效应，直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损伤；间接效应是指DNA周围其他分子(主要是水分子)吸收射线能量而产生具有很高反应活性的自由基，进而损伤DNA。(二)电离辐射引起的DNA损伤19电离辐射引起DNA损伤的机理20电离辐射引起DNA损伤的机制自由基损害损伤DNA修复系统

MCI假说(mobilechargeinteraction)直接与DNA分子链发生作用，作用的靶点是DNA分子中移动的电子。21电离辐射引起DNA损伤的类型产生－OH自由基，导致碱基变化

脱氧核糖分解

DNA链断裂

交联包括DNA链交联和DNA-蛋白质交联22电离辐射导致DNA链的断裂单链断裂：

双链断裂：23

三、化学因素引起的DNA损伤(一)烷化剂对DNA的损伤烷化剂是一类亲电子的化合物，很容易与生物大分子的亲核位点起反应，使DNA发生各种类型的损伤。1．碱基烷基化烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的N或O上,烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化。24鸟嘌呤胞嘧啶O6-乙基鸟嘌呤胸腺嘧啶碱基烷基化25(一)烷化剂对DNA的损伤2.碱基脱落

烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落形成DNA上的无碱基位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。26(一)烷化剂对DNA的损伤3．断链DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷基化，结果形成不稳定的磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断裂。27(一)烷化剂对DNA的损伤4.交联烷化剂有两类，一类是单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；另一类是双功能基烷化剂，如化学武器氮芥、硫芥等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂霉素等，某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此类，其两个功能基可同时使两个位点烷基化。28

(二)碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤

人工合成的碱基类似物如5-溴尿嘧啶、5-氟尿嘧啶、2-氨基腺嘌呤等，其结构与正常碱基相似，进入细胞后能替代正常碱基掺入到DNA链中而干扰DNA复制合成，例如5-溴尿嘧啶的结构与胸腺嘧啶十分相近，在酮式结构时与A配对，但更容易成为烯醇式结构而与G配对，在DNA复制时导致A-T转换为G-C。29

5-BrdU（5-BrdU-A；5-BrdU-G）酮式烯醇式碱基类似物、修饰剂对DNA的改变

亚硝酸盐能使C脱氨基变成U（C→U）

羟胺能使T脱甲基变成C（T→C）

黄曲霉素B（攻击碱基）30DNA损伤类型

碱基脱落碱基修饰&去氨基化链内交联

DNA-蛋白质交联

DNA链断裂

DNA重组31四、DNA损伤的后果DNA损伤后分子最终的改变，有以下几种类型：1.点突变(pointmutation)指DNA链上单一碱基的变异。嘌呤替代嘌呤(A与G之间的相互替代)、嘧啶替代嘧啶(C与T之间的替代)称为转换(transition)；嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤则称为颠换(transvertion)。2.缺失(deletion)指DNA链上一个或一段核苷酸消失。323.插入(insertion)指一个或一段核苷酸插入DNA链中。4.倒位或转位(transposition)指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处。5.DNA断裂33可修复的损伤激活存活反应网络损伤原因物理因素化学因素损伤程度不可逆的损伤细胞反应细胞后果激活凋亡途径细胞周期阻滞、修复突变、染色体畸变细胞存活细胞死亡细胞恶性转化自发性各种DNA损伤34第二节DNA修复DNA的修复主要类型:错配修复直接修复切除修复重组修复跨损伤修复(SOS修复)35一、错配修复在DNA复制过程中，DNA聚合酶能够利用其3ˊ一5ˊ外切核酸酶活性去除错配的核苷酸，但是这种校正作用并不十分可靠，某些错配的核苷酸可能逃避检测，出现于新合成的DNA链中。错配修复系统

能够发现和修复这些错配核苷酸。36

1.E.coli错配修复机制DNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)解旋酶Helicase、SSB、外切核酸酶(Ⅰ、Ⅶ、X和RecJ)、DNApolymeraseⅢ、连接酶MCE(mismatchcorrectenzyme)mutL激活内切核酸酶mutHmutS扫描新生链中错配碱基mutH识别非甲基化DNA链;酶切含错配碱基的DNA区段错配修复系统组成（Mismatchrepairsystem）37错配修复

38错配修复(大肠杆菌)Mis-pairedbases39错配修复(大肠杆菌)402.真核细胞错配修复机制4142遗传性非息肉型结肠癌（hereditarynon

polyposiscolorectalcancer，HNPCC）HNPCC的临床特征发病早(-45岁)肿瘤好发部位：结肠43HNPCC与DNA的错配修复基因突变有关

MSH2,MSH6,PMS1，MLH1,MSH3,PMS2.

44二、直接修复1.DNA断裂口直接修复在DNA5ˊ-P端和3ˊ-OH端未受损伤的情况下，连接酶能够直接修复DNA的断裂口。452.光复合酶直接修复二聚体463.直接修复烷基化碱基O6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶。甲基从DNA转移至烷基转移酶上,已经甲基化的酶不能再转变为非甲基化酶,因此,此种修复又称为该酶的自杀性修复。47

DNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能被DNA嘌呤插入酶(insertase)识别结合，并在K＋存在下催化游离的嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA无嘌呤部位形成糖苷键。且催化插入的碱基有高度专一性、与另一条链上的碱基严格配对，使DNA完全恢复。4．直接插入嘌呤48三、碱基切除修复（baseexcisionrepair，BER）指切除和替换由内源性化学物作用产生的DNA碱基损伤,是切除修复的一种。受损碱基移除是由多个酶来完成的。主要针对DNA单链断裂和小的碱基改变及氧化性损伤。495051碱基切除修复（人）52四、核苷酸切除修复（nucleotideexcisionrepair）

体内识别DNA损伤最多的修复通路。不识别任何特殊的碱基损失，而是识别双螺旋形状的改变；修复时切除含有损伤碱基的那一段DNA。535455核苷酸切除修复(大肠杆菌)UvrA:识别损伤部位UvrB:解旋双链紫外线诱导uvrA、uvrB、uvrC和uvrD四种基因表达56UvrC:5ˊ末端内切UvrB:

3ˊ末端内切57UvrD:解旋酶5859核苷酸切除修复(基因组修复–人)60核苷酸切除修复(转录偶联修复-人类)61GGR和TCR的共同修复通路6263五、重组修复大肠杆菌重组修复64五、重组修复根据DNA末端连接需要的同源性分为:同源重组：需要多种蛋白参与,在减数分裂、细胞有丝分裂后期S/G2期起主要作用。非同源末端连接：DNA分子之间不需要广泛的同源性，主要是在免疫球蛋白重组时对DNA双链进行连接，在细胞有丝分裂G1/G0期起主要作用。65同源重组修复DNA双链断裂（人）66非同源末端连接修复DSB67六、SOS修复

正在复制的DNA聚合酶可能遇到尚未修复的DNA损伤，例如胸腺嘧啶二聚体或无嘌呤位点，复制体必须设法跨越损伤进行复制，或者被迫暂停复制。即使细胞不能修复这些损伤，自动防故障系统能够使复制体绕过损伤部位，这一机制就是跨损伤DNA合成。SOS修复存在于大肠杆菌，不存在于人类。686970RecA-P的三种功能a、DNA重组活性b、与S.S.DNA结合活性c、proteinase活性当DNA正常复制时（无复制受阻，无DNA损伤，无TTdimer）

RecA-p不表现p