第九章 DNA損傷與修復(fù)

第九章DNA損傷與修復(fù)DNA損傷是指DNA正常的化學(xué)或物理結(jié)構(gòu)的改變，包括在生命過(guò)程中DNA雙螺旋的任何改變。損傷形式可以分為兩類：即堿基改變和結(jié)構(gòu)扭曲。

第一節(jié)DNA損傷一、DNA損傷的概念DNA損傷的遺傳效應(yīng)：堿基改變會(huì)影響DNA序列，不影響整體結(jié)構(gòu)，不影響轉(zhuǎn)錄和復(fù)制，而是通過(guò)序列改變作用于子代，改變子代的遺傳信息，如果這種改變被保留和固定下來(lái)，則造成突變。結(jié)構(gòu)扭曲對(duì)復(fù)制和轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生物理性損害，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因此，DNA損傷可以導(dǎo)致突變或致死。突變：DNA序列水平上永久性的、可遺傳的改變。二、自發(fā)性損傷復(fù)制過(guò)程引起的損傷：復(fù)制過(guò)程中，堿基配對(duì)存在一定概率的錯(cuò)配，經(jīng)過(guò)DNA聚合酶校讀和單鏈結(jié)合蛋白等綜合因子作用之后，仍然會(huì)存在DNA損傷。例如：大腸桿菌DNA復(fù)制時(shí)誤配率為10-1-10-2，經(jīng)過(guò)DNA聚合酶校正后誤配率為10-5-10-6，在DNA結(jié)合蛋白和其他因子作用之后錯(cuò)配率為10-10。DNA聚合酶本身的功能、二價(jià)陽(yáng)離子的改變等都可能增加誤配概率。DNA損傷可以是自發(fā)性的，也可能是物理或化學(xué)因素誘發(fā)的。自發(fā)性損傷的成因：堿基的自發(fā)性化學(xué)改變：堿基雜環(huán)上的一些N和C原子及一些環(huán)外功能團(tuán)是具有較強(qiáng)的化學(xué)活性的。細(xì)胞中的某些代謝產(chǎn)物和外界因素能夠引起這些位點(diǎn)的改變，從而造成損傷。堿基的自發(fā)性化學(xué)改變包括：（1）互變異構(gòu)：DNA分子上的4種堿基自發(fā)的使氫原子位置改變，產(chǎn)生互變異構(gòu)體，進(jìn)一步使堿基配對(duì)形式發(fā)生改變，在復(fù)制后的子鏈上就可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，因而造成損傷。如A的互變異構(gòu)體A’可以和C配對(duì)，T的互變異構(gòu)體可與G配對(duì)。（2）脫氨基作用：C、A、G分子中含有環(huán)外氨基，有時(shí)會(huì)自發(fā)脫落，結(jié)果C→U，A→Hx，G→X，這些堿基衍生物的配對(duì)特性與原來(lái)的堿基不同，U:A，Hx:C，X:C。（3）脫嘌呤作用：在生理?xiàng)l件下，DNA可以通過(guò)自發(fā)水解使嘌呤堿和嘧啶堿從脫氧核糖骨架上脫落。脫嘌呤位點(diǎn)呈現(xiàn)“非編碼損傷”，該位點(diǎn)的遺傳信息丟失。據(jù)估計(jì)，一個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞每小時(shí)脫去的嘌呤堿和嘧啶堿平均分別為580個(gè)和29個(gè)。（4）氧化損傷：在所有需氧細(xì)胞中，由于超氧化物、氫過(guò)氧化物，尤其是羥基自由基等活性氧（ROS）的存在，會(huì)在正常生理?xiàng)l件下發(fā)生氧化損傷，產(chǎn)生一系列特性改變的氧化產(chǎn)物。如胸腺嘧啶乙二醇、8-氧化鳥嘌呤、2-氧化腺嘌呤、5-羥甲基尿嘧啶等。正常堿基結(jié)構(gòu)活性氧作用造成DNA上堿基氧化的例子三、物理因素引起的損傷紫外線：環(huán)丁烷嘧啶二聚體：在UV作用下，同一條鏈上相鄰嘧啶核苷酸以共價(jià)鍵結(jié)合，形成二聚體。人皮膚中，每小時(shí)由于UV而產(chǎn)生嘧啶二聚體的頻率為5×104/細(xì)胞。電離輻射：堿基破壞、脫落，脫氧核糖分解：電離輻射能量直接作用于DNA分子或通過(guò)水分子的解離產(chǎn)生自由基，引起堿基破壞、脫落或脫氧核糖的分解。鏈斷裂：包括雙鏈斷裂和單鏈斷裂。堿基破壞和脫落也間接引起鏈斷裂。DNA交聯(lián)：包括DNA鏈間交聯(lián)和DNA蛋白質(zhì)交聯(lián)。四、化學(xué)因素引起的損傷烷化劑：是一類親電子化合物，很容易與生物大分子的親核位點(diǎn)起反應(yīng)。典型的例子如：7-甲基鳥嘌呤，3-甲基腺嘌呤，3-甲基鳥嘌呤，O6-甲基鳥嘌呤等：損傷干擾DNA解旋，因此可能是致死的。鳥嘌呤對(duì)磺酸乙基甲烷（EMS）等特別敏感，烷基化的鳥嘌呤配對(duì)特性發(fā)生改變，GC對(duì)轉(zhuǎn)換為GT配對(duì)。因而造成損傷。磷酸二酯鍵的烷基化則形成不穩(wěn)定的磷酸三酯鍵，導(dǎo)致DNA鏈斷裂。烷化劑舉例：烷化堿基舉例：堿基類似物：如5-溴尿嘧啶，與U結(jié)構(gòu)相似，有酮式和烯醇式兩種狀態(tài)，以烯醇式存在時(shí)可與G配對(duì)，而造成損傷。5-溴尿嘧啶以烯醇式與鳥嘌呤配對(duì)5-溴尿嘧啶（B）引發(fā)的損傷：i.T的類似堿基B摻入T的位置；ii.一次復(fù)制后，G被引入到B的對(duì)應(yīng)位置；iii.二次復(fù)制后C被引入到G的對(duì)應(yīng)位置。致癌物：如煤焦油中的苯并芘，可與鳥嘌呤殘基共價(jià)結(jié)合，形成加合物。芳香族烷化劑、黃曲霉素B1也與DNA形成共價(jià)加合物。植物毒素：許多損傷機(jī)理尚不清楚。第二節(jié)DNA修復(fù)一、切除修復(fù)是一種普遍存在的修復(fù)機(jī)制，可在多種損傷中起作用，并且是無(wú)差錯(cuò)的。切除修復(fù)有兩種形式：堿基切除修復(fù)（BER）和核苷酸切除修復(fù)（NER）。NER：大腸桿菌中，uvrA、uvrB、uvrC三個(gè)基因編碼的多肽組成的酶是NER的關(guān)鍵酶，叫做ABC內(nèi)切核酸酶，該酶在損傷部位兩邊各切除精確數(shù)目的堿基，然后包含損傷的寡聚核苷酸被切除并留下一個(gè)缺口。

BER：專一的DNA糖苷酶識(shí)別修飾堿基，切除修飾堿基與糖基之間的N-糖苷鍵，留下脫嘌呤或脫嘧啶位點(diǎn)（AP位點(diǎn)），AP內(nèi)切核酸酶在該位點(diǎn)切開(kāi)DNA，其外切酶活性可繼續(xù)切出1個(gè)缺口。NER中產(chǎn)生的缺口更大一些，而在BER中可小至1個(gè)核苷酸。在E.coli中缺口可由DNA聚合酶I填補(bǔ)，最后的磷酸二酯鍵由DNA連接酶完成。在真核生物中，BER中缺口主要由DNA聚合酶β填補(bǔ)，而NER中較長(zhǎng)