DNA損傷和修復(fù)甲

1、DNA損傷和修復(fù)甲DNA損傷與修復(fù)損傷與修復(fù)DNA Damage and Repair第十五章第十五章 各種體內(nèi)外因素所導(dǎo)致的各種體內(nèi)外因素所導(dǎo)致的DNA組成與結(jié)構(gòu)的組成與結(jié)構(gòu)的變化稱為變化稱為DNA損傷（損傷（DNA damage） 其一，其一，DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變，即的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變，即突變突變其二，其二，導(dǎo)致導(dǎo)致DNA失去作為復(fù)制和失去作為復(fù)制和/或轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄的模板的功能的模板的功能 DNA損傷的后果損傷的后果:生物多樣性依賴于：生物多樣性依賴于：DNADNA突變突變DNADNA修復(fù)修復(fù)平衡平衡一、多種因素通過不同機制導(dǎo)致一、多種因素通過不同機制導(dǎo)致DNA損傷損傷（一）體內(nèi)因素

2、（一）體內(nèi)因素 1. DNA復(fù)制錯誤復(fù)制錯誤 2. DNA自身的不穩(wěn)定性自身的不穩(wěn)定性 3. 機體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧機體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧第一節(jié)第一節(jié) DNA損傷損傷DNA Damagen1. DNA復(fù)制錯誤：復(fù)制錯誤：n在在DNADNA復(fù)制過程中，堿基的異構(gòu)互變、復(fù)制過程中，堿基的異構(gòu)互變、4 4種種dNTPdNTP之間濃度之間濃度的不平衡等均可能引起堿基的錯配的不平衡等均可能引起堿基的錯配nDNADNA復(fù)制的錯配率約復(fù)制的錯配率約1/101/101010n復(fù)制錯誤還表現(xiàn)為片段的缺失或插入。特別是復(fù)制錯誤還表現(xiàn)為片段的缺失或插入。特別是DNADNA上的上的短片段重復(fù)序列，在真核細(xì)胞染

3、色體上廣泛分布，導(dǎo)致短片段重復(fù)序列，在真核細(xì)胞染色體上廣泛分布，導(dǎo)致DNADNA復(fù)制系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)復(fù)制系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)“打滑打滑”現(xiàn)象，使得新生現(xiàn)象，使得新生成的成的DNADNA上的重復(fù)序列拷貝數(shù)發(fā)生變化。上的重復(fù)序列拷貝數(shù)發(fā)生變化。 n1. DNA復(fù)制錯誤：復(fù)制錯誤：n2. DNA自身的不穩(wěn)定性自身的不穩(wěn)定性 ：nDNADNA結(jié)構(gòu)自身的不穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)自身的不穩(wěn)定性是DNADNA自發(fā)性損傷中最頻繁和最自發(fā)性損傷中最頻繁和最重要的因素。重要的因素。n當(dāng)當(dāng)DNADNA受熱或所處環(huán)境的受熱或所處環(huán)境的pHpH值發(fā)生改變時，值發(fā)生改變時， DNA DNA分子上連分子上連接堿基和核糖之間的糖苷鍵可

4、自發(fā)發(fā)生水解，導(dǎo)致堿基的丟接堿基和核糖之間的糖苷鍵可自發(fā)發(fā)生水解，導(dǎo)致堿基的丟失或脫落，其中以脫嘌呤最為普遍。失或脫落，其中以脫嘌呤最為普遍。n含有氨基的堿基還可能自發(fā)脫氨基反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N堿基，含有氨基的堿基還可能自發(fā)脫氨基反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N堿基，即堿基的轉(zhuǎn)變，如即堿基的轉(zhuǎn)變，如C C轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)閁 U，A A轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镮 I（次黃嘌呤）等。（次黃嘌呤）等。IMPAMPn3. 體內(nèi)代謝過程產(chǎn)生的活性氧：體內(nèi)代謝過程產(chǎn)生的活性氧： 活性氧指反應(yīng)活性很高活性氧指反應(yīng)活性很高的含氧自由基和的含氧自由基和H H2 2O O2 2，不，不少含氧自由基可在細(xì)胞正少含氧自由基可在細(xì)胞正常代謝過程中生成

5、。含氧常代謝過程中生成。含氧自由基可造成堿基的氧化，自由基可造成堿基的氧化，如如7, 8-7, 8-二氫二氫-8-8-氧鳥嘌呤氧鳥嘌呤（7, 8-oxoG, GO7, 8-oxoG, GO）就是一）就是一種氧化堿基，可與種氧化堿基，可與C C或或A A配對，造成配對，造成G-C T-AG-C T-A的的顛換，顛換，DNA pol IDNA pol I和和DNA DNA pol IIpol II的校正活性不能校正的校正活性不能校正其錯配，故這種損傷可以其錯配，故這種損傷可以積累。積累。（二）體外因素（二）體外因素 1. 物理因素物理因素 2. 化學(xué)因素化學(xué)因素 3. 生物因素生物因素n1. 物理

6、因素：非電離輻射物理因素：非電離輻射-紫外線紫外線(ultra violet, UV)n DNA DNA分子容易吸收波分子容易吸收波長在長在260nm260nm左右的紫外左右的紫外線（線（UVUV），大劑量的），大劑量的UVUV照射，可以使照射，可以使DNADNA分子一條鏈上相鄰的兩分子一條鏈上相鄰的兩個嘧啶共價結(jié)合，形成個嘧啶共價結(jié)合，形成環(huán)丁烷嘧啶二聚體。相環(huán)丁烷嘧啶二聚體。相鄰的兩個鄰的兩個T T或兩個或兩個C C，以及以及C C和和T T之間均可形之間均可形成嘧啶二聚體，但最易成嘧啶二聚體，但最易形成的是形成的是T-TT-T二聚體和二聚體和6-46-4光產(chǎn)物。光產(chǎn)物。n1. 物理因素：

7、電離輻射物理因素：電離輻射-各種射線各種射線 電離輻射如電離輻射如X X射線和射線和 射射線等，可以引起線等，可以引起DNADNA的的直接損傷和間接損傷。直接損傷和間接損傷。 DNADNA鏈的斷裂會隨著鏈的斷裂會隨著照射劑量的增大而加劇。照射劑量的增大而加劇。若若DNADNA雙鏈中只有一條雙鏈中只有一條鏈斷裂，稱為單鏈斷裂，鏈斷裂，稱為單鏈斷裂，若兩條鏈在同一處或緊若兩條鏈在同一處或緊密相鄰處同時斷裂，則密相鄰處同時斷裂，則為雙鏈斷裂。為雙鏈斷裂。切爾諾貝利核電站切爾諾貝利核電站日本福島核電站日本福島核電站n2. 化學(xué)因素：化學(xué)因素：常見的化學(xué)誘變劑常見的化學(xué)誘變劑化合物類別化合物類別作作 用

8、用 點點分子改變分子改變堿基類似物堿基類似物如：如：5-BUA 5-BU G- A - T - G - C -羥胺類（羥胺類（NH2OH）T C- T - A - C - G -亞硝酸鹽（亞硝酸鹽（NO2）C U- G - C - A - T -烷化劑烷化劑如：氮芥類，如：氮芥類，NitrominsG mGG mGDNA缺失缺失G自由基導(dǎo)致的自由基導(dǎo)致的DNADNA損傷損傷堿基類似物導(dǎo)致的堿基類似物導(dǎo)致的DNADNA損傷損傷堿基修飾劑、烷化劑導(dǎo)致的堿基修飾劑、烷化劑導(dǎo)致的DNADNA損傷損傷 n2. 化學(xué)因素：化學(xué)因素：嵌入性染料如溴化乙錠、嵌入性染料如溴化乙錠、GoldView GoldVi

9、ew 等可插入到等可插入到DNADNA分子堿基對之間，分子堿基對之間，故稱為嵌入染料故稱為嵌入染料（intercalated dyeintercalated dye）。）。這些扁平分子插入這些扁平分子插入DNADNA后正好占據(jù)了一后正好占據(jù)了一個堿基的位置，將堿基個堿基的位置，將堿基對間的距離加大約對間的距離加大約1 1倍，倍，可造成可造成DNADNA兩條鏈的兩條鏈的錯位。錯位。 n2. 化學(xué)因素：化學(xué)因素：n3. 生物因素：病毒、真菌等以及它們產(chǎn)生的此生代生物因素：病毒、真菌等以及它們產(chǎn)生的此生代謝物，如黃曲霉素等謝物，如黃曲霉素等二、二、DNA損傷有多種類型損傷有多種類型堿基脫落堿基脫落堿

10、基結(jié)構(gòu)破壞堿基結(jié)構(gòu)破壞嘧啶二聚體形成嘧啶二聚體形成DNA單鏈或雙鏈斷裂單鏈或雙鏈斷裂DNA交聯(lián)交聯(lián)DNA損傷損傷n堿基損傷與糖基破壞：堿基損傷與糖基破壞：化學(xué)毒物可通過對堿基的某些基團進(jìn)行修飾而化學(xué)毒物可通過對堿基的某些基團進(jìn)行修飾而改變堿基的性質(zhì)。改變堿基的性質(zhì)。由于堿基損傷或糖基破壞，在由于堿基損傷或糖基破壞，在DNADNA鏈上可能形鏈上可能形成一些不穩(wěn)定點，最終可導(dǎo)致成一些不穩(wěn)定點，最終可導(dǎo)致DNADNA鏈的斷裂。鏈的斷裂。n堿基之間發(fā)生錯配堿基之間發(fā)生錯配 ：堿基類似物的摻入、堿基修飾劑的作用可改變堿基類似物的摻入、堿基修飾劑的作用可改變堿基的性質(zhì)，導(dǎo)致堿基的性質(zhì)，導(dǎo)致DNADNA序列

11、中的錯誤配對。序列中的錯誤配對。在正常的在正常的DNADNA復(fù)制過程中，存在著一定比例的復(fù)制過程中，存在著一定比例的自發(fā)堿基錯配。自發(fā)堿基錯配。最常見的是組成最常見的是組成RNARNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶摻的尿嘧啶替代胸腺嘧啶摻入到入到DNADNA分子中。分子中。nDNA鏈發(fā)生斷裂：鏈發(fā)生斷裂：n電離輻射、化學(xué)毒劑、磷酸二酯鍵的斷裂、脫氧戊糖電離輻射、化學(xué)毒劑、磷酸二酯鍵的斷裂、脫氧戊糖的破壞、堿基的損傷和脫落都是引起的破壞、堿基的損傷和脫落都是引起DNADNA斷裂的原因。斷裂的原因。n堿基損傷或糖基破壞可引起堿基損傷或糖基破壞可引起DNADNA雙螺旋局部變性，形雙螺旋局部變性，形成酶敏感性位

12、點，特異的核酸內(nèi)切酶能識別并切割這成酶敏感性位點，特異的核酸內(nèi)切酶能識別并切割這樣的部位，造成鏈斷裂。樣的部位，造成鏈斷裂。nDNADNA鏈上被損傷的堿基也可以被另一種特異的鏈上被損傷的堿基也可以被另一種特異的DNA-DNA-糖基化酶除去，形成無嘌呤嘧啶位點（糖基化酶除去，形成無嘌呤嘧啶位點（apurinic-apurinic-apyrimidinic site, AP siteapyrimidinic site, AP site），或稱無堿基位點（），或稱無堿基位點（abasic abasic sitesite），這些位點在內(nèi)切酶等的作用下可形成鏈斷裂。），這些位點在內(nèi)切酶等的作用下可形成鏈

13、斷裂。nDNA 的共價交聯(lián)：的共價交聯(lián)：pDNADNA雙螺旋鏈中的一條鏈上的堿基與另一條鏈上的堿雙螺旋鏈中的一條鏈上的堿基與另一條鏈上的堿基以共價鍵結(jié)合，稱為基以共價鍵結(jié)合，稱為DNADNA鏈間交聯(lián)（鏈間交聯(lián)（DNA DNA interstrand cross-linkinginterstrand cross-linking）。）。pDNADNA分子中同一條鏈中的兩個堿基以共價鍵結(jié)合，稱分子中同一條鏈中的兩個堿基以共價鍵結(jié)合，稱為為DNADNA鏈內(nèi)交聯(lián)（鏈內(nèi)交聯(lián)（DNA intrastrand cross-linkingDNA intrastrand cross-linking）。）。pDNA

14、DNA分子還可與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合，稱為分子還可與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合，稱為DNA-DNA-蛋蛋白質(zhì)交聯(lián)（白質(zhì)交聯(lián)（DNA protein cross-linkingDNA protein cross-linking）。）。DNA損傷可導(dǎo)致?lián)p傷可導(dǎo)致堿基置換堿基置換缺失缺失 插入插入 鏈的斷裂鏈的斷裂 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換顛換顛換：如嘌呤取代嘌呤：如嘌呤取代嘌呤堿基堿基錯配錯配移碼移碼突變突變：如嘌呤取代嘧啶：如嘌呤取代嘧啶 DNADNA修復(fù)（修復(fù)（DNA repairDNA repair）是指糾正）是指糾正DNADNA兩條單鏈兩條單鏈間錯配的堿基、清除間錯配的堿基、清除DNADNA鏈上受損的堿基或糖基鏈上

15、受損的堿基或糖基、恢復(fù)、恢復(fù)DNADNA的正常結(jié)構(gòu)的過程。的正常結(jié)構(gòu)的過程。 DNADNA修復(fù)是機體維持修復(fù)是機體維持DNADNA結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)定性，保證生命延續(xù)和物種穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。性，保證生命延續(xù)和物種穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。第二節(jié)第二節(jié) DNA損傷的修復(fù)損傷的修復(fù)The repair of DNA damage常見的常見的DNA損傷修復(fù)途徑損傷修復(fù)途徑 一、有些一、有些DNA損傷可以直接修復(fù)損傷可以直接修復(fù) 1. 1. 嘧啶二聚體的直接修復(fù)嘧啶二聚體的直接修復(fù) 2. 2. 烷基化堿基的直接修復(fù)烷基化堿基的直接修復(fù) 3. 3. 無嘌呤位點的直接修復(fù)無嘌呤位點的直接修復(fù) 4. 4

16、. 單鏈斷裂的直接修復(fù)單鏈斷裂的直接修復(fù)n1. 嘧啶二聚體的直接修復(fù)：低等生物主要方式嘧啶二聚體的直接修復(fù)：低等生物主要方式n2. 烷基化堿基的直接修復(fù)烷基化堿基的直接修復(fù)n3. 無嘌呤位點的直接修復(fù)無嘌呤位點的直接修復(fù)-針對受損的嘌呤堿基針對受損的嘌呤堿基pDNADNA嘌呤插入酶能催化游離嘌呤堿基或脫氧核苷與嘌呤插入酶能催化游離嘌呤堿基或脫氧核苷與DNADNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共價鍵，導(dǎo)致嘌呤堿嘌呤缺如部位重新生成糖苷共價鍵，導(dǎo)致嘌呤堿基的直接插入。具有很強的專一性?；闹苯硬迦?。具有很強的專一性。n4. 單鏈斷裂的直接修復(fù)單鏈斷裂的直接修復(fù)pDNADNA連接酶能夠催化連接酶能夠催化D

17、NADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條鏈上缺口雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條鏈上缺口處的處的5 5 - -磷酸基團與相鄰片段的磷酸基團與相鄰片段的3 3 - -羥基之間形成磷酸二羥基之間形成磷酸二酯鍵，從而直接參與部分酯鍵，從而直接參與部分DNADNA單鏈斷裂的修復(fù)，如電單鏈斷裂的修復(fù)，如電離輻射所造成的切口。離輻射所造成的切口。n1. 堿基切除修復(fù)（堿基切除修復(fù)（base excision repair） 識別水解：識別水解：DNADNA糖基化酶特異性識別糖基化酶特異性識別DNADNA鏈中已受鏈中已受損的堿基并將其水解去除，產(chǎn)生一個無堿基位點；損的堿基并將其水解去除，產(chǎn)生一個無堿基位點； 切除：在此位點的切除：在此位

18、點的5 5 端，無堿基位點核酸內(nèi)切酶將端，無堿基位點核酸內(nèi)切酶將DNADNA鏈的磷酸二酯鍵切開，去除剩余的磷酸核糖部鏈的磷酸二酯鍵切開，去除剩余的磷酸核糖部分；分； 合成：合成：DNADNA聚合酶在缺口處以另一條鏈為模板修補合聚合酶在缺口處以另一條鏈為模板修補合成互補序列；成互補序列； 連接：由連接：由DNADNA連接酶將切口重新連接，使連接酶將切口重新連接，使DNADNA恢復(fù)恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)正常結(jié)構(gòu)二、切除修復(fù)是最普遍的二、切除修復(fù)是最普遍的DNA損傷修復(fù)方式損傷修復(fù)方式n2. 核苷酸切除修復(fù)（核苷酸切除修復(fù)（nucleotide excision repair） 首先，由一個酶系統(tǒng)識別首先，由

19、一個酶系統(tǒng)識別DNADNA損傷部位；損傷部位； 其次，在損傷兩側(cè)切開其次，在損傷兩側(cè)切開DNADNA鏈，去除兩個切口之間的鏈，去除兩個切口之間的一段受損的寡核苷酸；一段受損的寡核苷酸； 再次，在再次，在DNADNA聚合酶作用下，以另一條鏈為模板，合聚合酶作用下，以另一條鏈為模板，合成一段新的成一段新的DNADNA，填補缺損區(qū)；，填補缺損區(qū)； 最后由連接酶連接，完成損傷修復(fù)。最后由連接酶連接，完成損傷修復(fù)。E.coli的的NER主要由主要由4種種蛋白質(zhì)組成：蛋白質(zhì)組成：UvrAUvrBUvrCUvrD 著色性干皮?。ㄖ愿善げ。╔P）發(fā)病機制與DNA修復(fù)有缺陷有關(guān)。 n人類的人類的DNA損傷核

20、苷酸切除修復(fù)損傷核苷酸切除修復(fù)n人類的人類的DNA損傷核苷酸切除修復(fù)損傷核苷酸切除修復(fù) 首先由損傷部位識別蛋白首先由損傷部位識別蛋白XPCXPC和和XPAXPA等，再加上等，再加上DNADNA復(fù)制所需的復(fù)制所需的SSBSSB，結(jié)合在損傷，結(jié)合在損傷DNADNA的部位；的部位； XPB XPB、XPDXPD發(fā)揮解旋酶的活性，與上述物質(zhì)共同作用在發(fā)揮解旋酶的活性，與上述物質(zhì)共同作用在受損受損DNADNA周圍形成一個凸起；周圍形成一個凸起； XPG XPG與與XPFXPF發(fā)生構(gòu)象改變，分別在凸起的發(fā)生構(gòu)象改變，分別在凸起的3-3-端和端和5-5-端發(fā)揮核酸內(nèi)切酶活性端發(fā)揮核酸內(nèi)切酶活性, , 在增殖

21、細(xì)胞核抗原（在增殖細(xì)胞核抗原（PCNAPCNA）的幫助下，切除并釋放受損的寡核苷酸；的幫助下，切除并釋放受損的寡核苷酸； 遺留的缺損區(qū)由聚合酶遺留的缺損區(qū)由聚合酶 或或 進(jìn)行修補合成；進(jìn)行修補合成； 最后，由連接酶完成連接。最后，由連接酶完成連接。NER不僅能夠修復(fù)整個基因組中的損傷，而不僅能夠修復(fù)整個基因組中的損傷，而且能拯救因轉(zhuǎn)錄模板鏈損傷而暫停轉(zhuǎn)錄的且能拯救因轉(zhuǎn)錄模板鏈損傷而暫停轉(zhuǎn)錄的RNA聚合聚合酶，即參與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)（酶，即參與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)（transcription-coupled repair）。）。作用方式：作用方式：NER蛋白質(zhì)被募集于暫停的蛋白質(zhì)被募集于暫停的RNA聚合酶。聚合酶。轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)的意義：將修復(fù)酶集中于正在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)的意義：將修復(fù)酶集中于正在轉(zhuǎn)錄錄DNA，使該區(qū)域的損傷盡快得以修復(fù)。，使該區(qū)域的損傷盡快得以修復(fù)。n3. 堿基錯配修復(fù)（堿基錯配修復(fù)（ mismatch repair）錯配是指非錯配是指非Watson-CrickWatson-Crick堿基配對。堿基配對。堿基錯配修復(fù)也可被看作是堿基切除修復(fù)的一堿基錯配修復(fù)也可被看作是堿基切除修復(fù)的一種特殊形式，主要負(fù)責(zé)糾正：種特殊形式，主要