DNA损伤突变和修复

会计学1DNA损伤突变和修复2

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（DNAdamage）(1)DNA的结构发生永久性改变，即突变

(2)导致DNA失去作为复制和/或转录的模板的功能，

使细胞的功能出现障碍，重则死亡。

DNA损伤的后果:第1页/共75页3生物多样性依赖于：DNA突变DNA修复平衡

受损细胞的转归，很大程度上取决于DNA的修复效果：（1）正确有效的修复（2）损伤严重，不能被有效修复（3）不完全修复第2页/共75页4突变的意义（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DNA的多态性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列的改变等。多态性用于描述个体之间的基因型差别现象。（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）。

（四）突变是某些疾病的发病基础。P69第3页/共75页5第一节

多种因素可引起DNA损伤并具有各自的机制第4页/共75页6一、引起DNA损伤的因素*紫外线照射*电离辐射自发突变：

频率：10-9*5-溴尿嘧啶(5-BU)*羟胺*亚硝酸盐*氮芥类物理生物化学诱变因素病毒等P70第5页/共75页7（一）DNA的自发性损伤P701、DNA的复制错误2、DNA的修复合成

修复系统将DNA损伤部位的一段DNA切除，再以互补链为模板重新合成DNA，又称DNA非程序合成。3、碱基的自发突变脱氨基:A、G、C环外氨基丢失碱基丢失:无碱基位点(AP部位)4、正常代谢产物对DNA的损伤氧自由基造成DNA链断裂第6页/共75页8嘌呤碱(purinebases)CNCCCNNNCHHH123456789HCNCHCCCNNHCHNH26O鸟嘌呤(2-氨基，6-氧嘌呤)腺嘌呤Adenine（6-氨基嘌呤）2CNCCCCNNHCHH2N6GuanineH第7页/共75页9O嘧啶碱（pyrimidinebases）HCNHCCHCHN123456OONCHNCHCCHH尿嘧啶（U）OCHNCCCHNHCH3胸腺嘧啶（T）NH2OCCNCHCHNH胞嘧啶（C）（2-氧,4-氨基嘧啶）（2,4-二氧嘧啶）（5-甲基尿嘧啶）第8页/共75页10CNCHCCCNNHCH6HO次黄嘌呤CNCCCCNNHCH6HOHO黄嘌呤脱氨基Guanine2CNCCCCNNHCHH2N6HOCNCHCCCNNHCHNH26Adenine第9页/共75页11OONCHNCHCCHH尿嘧啶（U）NH2OCCNCHCHNH胞嘧啶（C）脱氨基第10页/共75页12（二）环境造成的DNA损伤P701、紫外线引起的DNA损伤

UVTGAACCACTTGG胸腺嘧啶二聚体DNA之间交联DNA与蛋白质交联DNA链断裂第11页/共75页132、电离辐射引起DNA损伤（1）导致碱基变化

主要由·OH自由基引起，包括DNA链上碱基氧化修饰、过氧化物形成、碱基环的破坏和脱落等。（2）导致脱氧核糖变化

脱氧核糖上每个碳原子和羟基上氢都能与·OH反应,导致脱氧核糖分解，最终引起DNA链断裂（3）导致DNA链断裂

可使脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而导致DNA链断裂。有单链断裂、双链断裂等不同形式。（4）引起DNA链交联DNA-DNA交联、DNA-蛋白质交联。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第12页/共75页143、烷化剂引起DNA损伤（1）导致碱基烷基化G的N7和A的N3最容易烷基化，G的N7被烷基化后改与T配对，G-C→A-T（2）导致碱基脱落G烷基化后的糖苷键不稳定，易脱落形成DNA上无碱基位点，复制时可插入任何核苷酸，使序列改变。（3）导致DNA链断裂

磷酸二酯键上的O易烷基化，形成不稳定的磷酸三酯键，糖与磷酸间发生水解，DNA链断裂。（4）引起DNA链交联单功能基烷化剂：甲基甲烷碘酸双功能基烷化剂：DNA链内、链间、以及与蛋白质的交联氮芥、硫芥；环磷酰胺；二乙基亚硝酸第13页/共75页15R|+R|+-烷基化鸟嘌呤m7G鸟嘌呤G鸟嘌呤*G*（1）电荷平衡

N1脱氢123456789烷基化例：当“G”的N7-位烷基化→N+7-R，会出现两种情况：（1）电荷平衡，N1脱氢；第14页/共75页16G*

少了一个氢键条件，

G*不能与C配对，改为与T配对。导致基因转换型突变。……G*…………T……5´……G……3´……C……G烷基化N1脱氢第15页/共75页17（2）G烷基化后，糖苷键断裂出现脱嘌呤现象。插入碱基修复时，有1/4的可能性恢复正常，有3/4的可能性变异。1.GG正常2.

G

A3.GT4.

G

C——变异了R第16页/共75页18损伤交连

这种“X”型的交连，导致染色体畸变，细胞容易死亡。两条双链DNA第17页/共75页194、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5-氟尿嘧啶（5-FU）、5-溴尿嘧啶（5-BU）、2-氨基腺嘌呤（2-AP）。（2）某些化学物质能专一修饰DNA链上碱基亚硝酸盐：使C脱氨变成U，经复制使G-C→A-TA脱氨基变成I，I与C配对，结果A-T→G-C黄曲霉素B：专一攻击DNA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第18页/共75页20黄曲霉素是致肝癌的重要危险因子——黄曲霉素B1经CYP作用生成的黄曲霉素2,3-环氧化物可与DNA分子中鸟嘌呤结合，引起DNA突变。

黄曲霉素B12,3-环氧黄曲霉素DNA-鸟嘌呤环曲霉素与DNA的结合产物谷胱甘肽结合产物第19页/共75页21二、DNA损伤的类型单点突变、多点突变转换、颠换链内共价交联链间共价交联电离辐射、某些化学试剂使链内磷酸二酯键断裂DNA重组DNA损伤碱基突变DNA链断裂DNA链交联插入或缺失单个碱基、多个碱基、一段序列的插入或缺失DNA分子内发生较大片段的交换。P69第20页/共75页22

一个碱基的变异。有转换同型碱基和颠换异型碱基。

转换:一种嘌呤换成另一种嘌呤或一种嘧啶换成另一种嘧啶。颠换:嘌呤换成嘧啶或嘧啶换成嘌呤。点突变点突变pointmutation（错配mismatch

）P69第21页/共75页23GTG镰刀形红细胞性贫血HbS基因CAC

正常成人HbA

基因GAGCTC

HbA肽链N-val·his·leu·thr·pro·

glu

·glu·············-C（146）

HbS肽链N-val·

his·leu·thr·pro·

val·glu·············-C（146）

镰刀形红细胞性贫血患者HbS与正常成人HbA比较第22页/共75页24HbS的红细胞正常人红细胞HbS与HbA红细胞形态第23页/共75页25插入：一个碱基或一段核苷酸插入到DNA大分子中缺失：一个碱基或一段核苷酸从DNA上消失框移突变：由于缺失和插入，使三联体密码的阅读方式改变。但3个或3n个核苷酸插入或缺失

不一定引起框移突变(frame-shiftmutation)。5′….UCACGACAUAUG….3′丝精组蛋5′….UCAGACAUAUG….3′丝天冬异亮缺失mRNA插入(insertion)、缺失(deletion)和框移突变P69第24页/共75页26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。重排（rearrangement）P69第25页/共75页27由基因重排引起的两种地中海贫血基因型第26页/共75页28第二节

DNA损伤修复机制是遗传保守性的重要保障第27页/共75页29DNA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。

第28页/共75页30正常修复功能修复功能缺陷第29页/共75页31DNA修复的特定通路DNA断裂

重组（HR）和非重组修复（NHEJ）氧化损伤单碱基剪切修复DNA加成物多碱基剪切修复铰链物NER,HR&NHEJ的综合修复第30页/共75页32人类DNA修复通路

修复类型基因种类 损伤种类

单碱基剪切修复

DNAligase(LIG3), 单碱基损伤

DNAglycosylase(MBD4,MPG, MYH,NTH1,OGG1,SMUG1, TDG,UNG),APE1,APE2,XRCC1, ADPRT,ADPRTL2,ADPRTL3...

多碱基剪切修复

XPA,XPC,XPE,XPF/ERCC4,

多碱基损伤

XPG/ERCC5,ERCC1,LIG1, （紫外线、吸烟）

CSB/ERCC6,CSA/CKN1,XAB2, TFIIH(XPB/ERCC3XPD/ERCC2, GTF2H1,GTF2H2\1,GTF2H3,

GTF2H4,CDK7,CCNH,MNAT), DDB1,DDB2,MMS19,CENN2,AD23A,

RAD23B,RPA1,RPA2,RPA3...

碱基错配修复

MSH2,MHS3,MSH6,MSH4, 碱基错配

MSH5,MLH1,MLH3,PMS1, PMS2,PMS2L3,PMS2L4...Woodetal,Science,2001重组修复

RAD50,

RAD51,RAD51B,RAD51C, DNA双链断裂

RAD51D,RAD54L,RAD54B, V(D)J重组

RAD52,DMC1,MRE11A,NBS1,

ERCC1,XPF/ERCC4,XRCC2

XRCC3,XRCC4,XRCC5,XRCC6

XRCC7,XRCC8,BRCA1,BRCA2...第31页/共75页33DNA损伤修复：对已发生分子改变的DNA进行补偿措施，使其回复为原有的天然状态。DNA损伤修复的主要机制（一）光修复（二）切除修复（三）重组修复（四）SOS修复第32页/共75页34一、某些DNA损伤可以直接修复1、二聚体可被光复活酶直接修复（光修复）

UV紫外线照射可引起核酸链上相邻的两个胸腺嘧啶形成二聚体TT。光修复过程是通过光复活酶催化而完成的，需300~600nm波长照射激活。嘧啶二聚体的形成与解聚光修复酶P71第33页/共75页352、DNA断裂口可以直接修复

在5´-P端和3´-OH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DNA断裂口。3、烷基化碱基可以直接修复

大肠杆菌中有一种Ada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键，同时其自身失活

。第34页/共75页36二、切除修复(excisionrepair)是常见的修复方式定义在有关酶和蛋白质的作用下，去除DNA链的损伤部分，用执行修复功能的DNA聚合酶催化dNTP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。是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。过程①识别、②切除、③合成、④连接P71第35页/共75页371、单个核苷酸的切除修复

特定的DNA糖苷酶识别并切除受损碱基

AP核酸内切酶识别裸露脱氧核糖上的AP位点（apurinicandapyrimidinicsites,无嘌呤和无嘧啶位点）,在该位点5´端切开，核酸外切酶从5´→3´方向切除脱氧核糖残基。由DNA聚合酶和连接酶修复缺口第36页/共75页382、核苷酸片段切除修复原核生物参与切除修复的酶及蛋白质

UvrA、UvrB(辨认和结合DNA损伤部位)UvrC(去除损伤链)polⅠ(填补空隙)DNA连接酶(连接缺口)真核生物除去损伤链：XP蛋白第37页/共75页395’5’3’3’

①UvrA、UvrB辨认及结合DNA损伤部位UvrBUvrAUvrC置换UvrA

②UvrC5533UvrC切除损伤部位③POH切除修复过程（E.coli）

DNA-polⅠ填补空隙dNTP④5533POHOHDNAligase

连接缺口ATP⑤ADP第38页/共75页40三、重组修复(recombinationrepairing)当DNA分子的损伤面较大时，来不及修复完善就进行复制，损伤部位因无模板指引，复制的新子链会出现缺口。重组蛋白RecA将另一股健康的母链与缺口部分进行交换，以填补缺口。健康的母链产生的缺口由polI和连接酶复原。原有的损伤仍存在，但随着多次复制，损伤的比例越占越少。P71第39页/共75页41切下正常母链的DNA片段并插入因损伤而未被复制的子链缺口上；正常母链带缺口RecA重组后，一个子代DNA双链中，母链仍有缺陷，但子链正常；而另一个正常子链复制复原polIDNA损伤部位重组修复第40页/共75页42四、SOS修复SOS是国际海难信号，在此用以表示应急性的复制方式。除了需要复制、修复的酶系统外，还需重组蛋白RecA及调控蛋白LexA（抑制与SOS修复有关的基因表达）。机制：DNA严重受损时，RecA作为蛋白水解酶使LexA蛋白水解，从而解除与SOS修复有关的基因的抑制，修复酶系大量表达。P71第41页/共75页43SOS修复系统对碱基的识别、选择能力差，是以牺牲复制的准确性而换取细胞的生存，使DNA保留的错误会较多，从而引起广泛、长期的突变。这是SOS修复的主要特点。人类细胞中尚未发现这种修复系统。P71第42页/共75页44SOS修复机制SOS修复－－无模板指导的DNA复制

大剂量的紫外线照射，大量的二聚体产生SOS系统诱导，错误潜伏的复制超越二聚体而进行错误碱基第43页/共75页45RecA-P三种功能（1）DNA重组活性（2）与S.S.DNA结合活性（3）少数蛋白的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proteinase活性第44页/共75页46当DNA复制受阻/DNAdamaged细胞内原少量表达的RecA-p与S.S,DNA结合激活RecA-p的proteinase活性修复损伤LexA-p降解RecA-p高效表达SOSopen第45页/共75页47SOS修复只是SOS反应的一部分RecA在SOS反应中起核心作用RecA与LexA组成调控环路DNA损伤SOSRecA受LexA的部分抑制第46页/共75页48当DNA复制度过难关后SOSrepair是一种错误倾向性极强的修复机制是进化中形成的“竭尽全力，治病救人”的措施（正常状态下，SOS是关闭的）RecA-p很快消失LexAgeneonSOSoff第47页/共75页49五、细胞周期检查点控制是真核生物

诱导修复的主要机制

真核细胞有复杂的控制体系，DNA受损时，往往无法依靠单纯的修复机制进行修复，需要通过细胞周期检查点控制(checkpointcontrol,又称关卡控制）来对DNA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第48页/共75页50

当DNA损伤发生在复制期（S）和有丝分裂期（M）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，防止损伤DNA继续复制，如无法复制，则可以诱导细胞进入凋亡。真核生物通过细胞周期检查点控制机制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，或诱导细胞凋亡。第49页/共75页51（一）酵母细胞的细胞周期检查点控制机制野生型酿酒酵母放射线细胞周期暂时阻断于G2期

rad9突变的酿酒酵母放射线死亡

损伤发生在G1、G2期，细胞周期检查点控制的四种相关基因是：rad9、rad17、rad24、mec3。它们接受DNA损伤信号，下传给mec1和rad53。

mec1和rad53蛋白激酶基因，是信号传导中的两个关键基因。RAD53位于MEC1下游，可能直接阻断细胞周期于G1、S。第50页/共75页52DNA损伤发生在S期时，细胞周期检查点控制的相关基因是另外三种：pol2、rfc5、dpb11。pol2编码DNA聚合酶ε，RFC5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因子。第51页/共75页53

在DNA损伤应答过程中，rad53表达产物被磷酸化激活的过程有赖于POL2、RAD9和MEC1。若损伤发生在S期，主要依靠POL2方式应答。若损伤发生在G1、G2期，则主要依靠RAD9、RAD17、RAD24和MEC3方式应答。细胞通过上述机制对DNA损伤产生选择性反应和阻断DNA复制。第52页/共75页54DNAdamageinG1andG2phageDNAdamageinSphageRAD9RAD17RAD24MEC3POL2RFC5DPB11MEC1,TEL1RAD53G1SG2M第53页/共75页55（二）哺乳类动物的细胞周期检查点控制机制

哺乳动物的相关控制基因是：p53、p21和atm（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关基因的表达，在DNA损伤应答中起关键作用。紫外线照射后，野生型细胞（p53+/+）的细胞周期阻断在G1期，而缺失p53的细胞（p53-/-）无此现象。研究发现，p53的应答作用是通过其下游效应基因实现的。第54页/共75页56DNAdamagep53P21BaxGadd45CDK/cyclinblockingcellcycleG1cellapoptosisGadd45-PCNAexcisionrepairing第55页/共75页57P21通过与CDK/cyclin结合抑制CDK2和CDK4的活性，后两者是细胞周期从G1转入S期所必需的周期蛋白依赖性蛋白激酶，从而P53通过调节P21/CDk/Cdk可诱导细胞周期阻滞于G1期。P53还可以通过调节Bax的表达来诱导细胞凋亡，Bax为细胞凋亡基因。

p53能够调控gadd45基因表达，Gadd45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（PCNA）的相互作用阻断细胞复制，阻断细胞周期。PCNA参与DNA复制和DNA损伤的切除修复，它既是DNA聚合酶δ和ε的辅助因子，又是DNA复制复合物的成员。众多相关基因协同表达，可调节DNA复制、阻断细胞周期或引起细胞凋亡。第56页/共75页58第三节

生物标记物可作为DNA损伤和修复的参考标志P72第57页/共75页59一、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

烷化剂使G甲基化变成O6-甲基鸟嘌呤，可以与T配对，造成碱基错配。重要的修复酶：

O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（MGMT）MGMT基因高度保守，其调节序列的突变是导致MGMT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。MGMT突变可作为甲基化损伤的基因型标记物。第58页/共75页60二、切除修复相关的酶和基因可

作为切除修复的生物标记物碱基切除修复：尿嘧啶糖基化酶为主要始动因素核苷酸切除修复：着色性干皮病A蛋白始动切除修复基因：

①大肠杆菌Uvr基因家族：rad1、rad2、rad3、rad4、rad7

rad10、rad14、rad16、rad23、rad24、rad25、mmsl9②人ecrr基因：ecrr1-6等6个基因切除修复基因：xpa-h等8个基因

③放射线敏感基因：atm、bcra2、p53等

均可作为切除修复的生物标记物第59页/共75页61三、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hmsh2、hmsh3、gtbp(msh6)、hmlh1、hpms1、hpms2、Mutsa错配修复基因细菌人类Muthls系统错配修复基因突变自身序列的改变微卫星序列的不稳定性（microsatelliteinstability,MI）第60页/共75页62遗传性非息肉型结肠癌（HNPCC,多发性家族性结肠癌）HNPCC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MLH1、MSH2的MI（微卫星序列的不稳定性）在肿瘤及癌前病变的病人中明显升高，表明MI对HNPCC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。P72第61页/共75页63四、DNA聚合酶β突变可作为碱基切除

修复功能缺陷的标记物

DNA聚合酶β不参与染色体DNA复制，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，该酶的突变导致碱基切除修复功能的缺陷。第62页/共75页64五、Ku蛋白和Rad52蛋白缺陷可作为

重组修复缺陷的标记物

重组修复是大片段DNA损伤后的重要修复方式，虽然准确性较差，但可以避免损伤导致的细胞立即死亡。Ku蛋白是双链断裂平端修复的必需蛋白，Rad52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癌变的可能性增加。核内核酸外切酶也参与重组修复。第63页/共75页65第四节

DNA损伤、修复

与人类疾病P72第64页/共75页66一、核苷酸切除修复与着色性干皮病P72着色性干皮病（xerodermapigmentosum，XP）无法修复紫外线造成的损伤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XP病。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，甚至可以使核苷酸切除修复能力恢复正常。第65页/共75页67XP病人和正常人中皮肤癌发生的年龄分布Kraemer,PNAS,1997SkincancersinnormalpopulationSkincancersinXPpopulationXP=xerodermapigmentosum第66页/共75页68二、错配修复与遗传性非息肉型结肠癌P72HNPCC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微卫星DNA的不稳定性，长度较正常细胞或长或短。微卫星DNA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。

HNPCC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、抑癌基因关键部位的突变，有利于细胞恶性生长。第67