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1、第6章 DNA的损伤、修复和基因突变 （Chapter 6 DNA Damage、Repair and Gene Mutation） 河南科技大学农学院 施江,第6章 DNA的损伤、修复和基因突变 6.1 DNA损伤的概念 6.2 DNA的修复 6.3 基因突变,6.1 DNA损伤的概念 DNA损伤(DNA damage)：是指在生物体生命过程中DNA双螺旋结构发生的任何改变。包括： （1）单个碱基的改变 通过复制过程改变子代的遗传信息。 （2）双螺旋结构的异常扭曲 对DNA复制或转录可产生生理性伤害。,引起DNA损伤的因素： （1）自发性损伤(复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、自发脱碱基、
2、细胞的代谢产物对DNA的损伤)； （2）物理因素引起的损伤(电离辐射、紫外线)； （3）化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物）。,6.1.1 DNA分子的自发性损伤 是指DNA在复制过程中碱基配对时产生的误差，经过DNA聚合酶“校正”和单链结合蛋白等综合校对因素作用下仍未被校正的DNA的损伤。包括： 1. 互变异构移位 2. 脱氨基作用 3. DNA复制中的错误 碱基错配 DNA聚合酶的“打滑” 4. 活性氧引起的诱变 5. 碱基丢失,1. 互变异构移位 DNA碱基上的酮基或氨基都位于杂环上N原子邻位，能形成氨基-亚氨基互变异构或酮式-烯醇式互变异构。,氨基-亚氨基互变异构,酮式-烯醇式互变
3、异构,碱基发生氨基-亚氨基互变异构时，发生A-C、G-T错配。 碱基发生酮式与烯醇式结构互变， 发生A-C、T-G错配。 每条新生DNA链上这种由碱基异构化所导致的突变率在10-810-9。,2. 脱氨基作用 碱基的环外NH2有时会自发脱落，使CU、A次黄嘌呤（H）、G黄嘌呤（X），DNA复制时，U-A、I-C、X-C配对，导致子代DNA序列错误。 胞嘧啶自发脱氨基的频率为每个细胞每天200个左右。,自发脱氨基作用引起的碱基转换,3. DNA聚合酶的“打滑” DNA聚合酶易在模板上有几个相同碱基串联（微卫星）的部位打滑，聚合酶在模板链上的滑移易于造成缺失，在生长链上的滑移易于造成插入。,4.
4、活性氧引起的诱变 细胞代谢副产物O2-、H2O2等会造成碱基损伤，产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，引起碱基配对错误。,活性氧造成的碱基损伤,5. 碱基丢失 自发的脱嘌呤和脱嘧啶：DNA分子在生理条件下可通过自发性水解，使嘌呤碱和嘧啶碱从磷酸脱氧核糖骨架上脱落下来。据统计，一个哺乳动物细胞在37，20小时内通过自发水解可从DNA 链上脱落约1000个嘌呤碱和500个嘧啶碱。在一个长寿命的哺乳动物细胞（如人神经细胞）的整个生活周期中自发性脱落嘌呤数约为108个嘌呤碱，占细胞DNA中总嘌呤数的30%。每个细胞每小时脱去的嘌呤碱和嘧啶碱数分别平均为580个和29个。 碱基脱落形成AP位点
5、。 热和酸等都可使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落，形成AP位点（Apurinic or Apyrimidinic site ）。,6.1.2 物理因素引起的DNA损伤 1、紫外线引起的DNA损伤 DNA分子损伤最早就是从研究紫外线(ultra violet, UV)的效应开始的。当DNA受到最易被其吸收波长（260 nm）的紫外线照射时，主要是使同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体，其中最容易形成的是TT二聚体。,人皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每小时5104个/细胞，但只局限在皮肤中，因为紫外线不能穿透皮肤。但微生物受紫外线照射后，就会影响其生存。,2、电离辐射引
6、起的DNA损伤 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）吸收射线能量产生具有很高反应活性的自由基进而损伤DNA。电离辐射可导致DNA分子的多种变化： 碱基变化 主要是由OH-自由基引起，包括DNA链上的碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。 脱氧核糖变化 脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与OH-反应，导致脱氧核糖分解，最后会引起DNA链断裂。, DNA链断裂 DNA双链中一条链断裂称单链断裂（single strand broken），DNA双链在同一处或相近处断裂称
7、为双链断裂（double strand broken）。虽然单断发生频率为双断的10-20倍，但还比较容易修复；对单倍体细胞（如细菌）一次双断就是致死事件。 交联 DNA分子中一条链上碱基与另一条链上的碱基以共价键结合时称DNA链间交联。DNA与蛋白质以共价键结合，称为DNA蛋白质交联。,6.1.3 化学因素引起的DNA损伤 1. 烷化剂对DNA的损伤 烷化剂有两类，一类是单功能烷化剂，只能使一个位点烷基化；另一类为双功能烷化剂，如氮芥，可同时使两处烷基化，如果这两个位点在同一条链上，则产生链内交联，如果两个受作用碱基位于两条核苷酸链上，则形成链间交联。 烷化剂的作用可使DNA发生各种类型的损
8、伤： 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，例如鸟嘌呤N7被烷化后就不再与胞嘧啶配对、而改与胸腺嘧啶配对，结果会使G-C转变成A-T。, 碱基脱落 烷化碱基的糖苷键不稳定，容易脱落形成DNA上无碱基的位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。 断链 DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷化，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。 交联 双功能基烷化剂化学武器如氮芥、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处烷基化，结果就能造成D
9、NA链内、DNA链间、以及DNA与蛋白质间的交联。,氮芥引起DNA分子两条链在鸟嘌呤上的交联 (a)交联附近的总图；(b)交联部分结构图,2. 碱基类似物对DNA的损伤 碱基类似物是一类结构与碱基相似的人工合成的化合物，由于其结构与正常的碱基相似，进入细胞后能替代正常的碱基参入到DNA链中而干扰DNA复制合成。,6.2 DNA的修复 修复是指在DNA损伤时，细胞对损伤的反应。 目前已知有五种DNA修复系统： 1、切除修复 2、直接修复 3、错配修复 4、重组修复 5、易错修复（SOS修复）,6.2.1 切除修复（excision repairing） 也叫复制前修复、暗修复，该修复过程发生在D
10、NA复制之前，在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤的部分切除后，以另一条完整的链为模板，合成出切除部分，从而恢复DNA正常结构的过程。 切除修复又包括： 1、碱基的切除修复（BER） 2、核苷酸的切除修复（NER）,1. 碱基切除修复(Base excision repair、BER) 主要修复单个碱基缺陷的损伤。 包括4步反应： 识别切除碱基： DNA糖苷酶识别切除改变的碱基，产生无碱基的位点； 酶切：AP内切核酸酶在损伤部位旁边切一个缺口； 修补：DNA聚合酶填补； 连接：DNA连接酶连接。,碱基切除修复（BER）途径中的重要糖苷酶： (1) 尿嘧啶-N-糖苷酶，从DNA中除去尿嘧啶碱
11、基； (2) 次黄嘌呤-N-糖苷酶，从DNA中除去腺嘌呤脱氨后形成的次黄嘌呤； (3) 3甲基腺嘌呤DNA糖苷酶，可修复烷化剂产生的损伤。,2. 核苷酸片段切除修复(Nucleotide excision repair，NER) DNA螺旋结构有较大损伤变形时，则以核苷酸切除修复方式进行修复。暗修复（dark repair）。 短-补丁修复（short-patch repair） 长-补丁修复（long-patch repair）,原核生物DNA损伤切除修复： 识别：UvrA，UvrB辨认及结合DNA损伤部位。 UvrA释放， UvrC结合上来。 切除： UvrB、UvrC在损伤部位的两侧切开
12、。 UvrD使被切开的部分解旋，释放被损伤的链。 修补和连接：DNA-pol和连接酶填补空隙和连接。,原核细胞NER系统蛋白质和酶的功能,着色性干皮病（Xeroderma pigmentosum）是一种切除修复酶的缺陷。患者对日光或紫外线特别敏感，对紫外线引起的DNA损伤不能修复，容易诱发皮肤癌。,6.2.2 错配修复(Mismatch repair，MMR) 负责修复DNA复制过程中由于错误掺入而产生的错配。是一种复制后修复。 (1) 识别错配的碱基对。 (2) 对错配的一对碱基要能准确区别哪一个是错的，哪一个是对的。错配修复能区分新链及模板链。区分方式是用Dam甲基化酶在模板链GATC中的
13、A（N-6）上甲基化修饰。因此错配修复也称甲基指导的错配修复。 (3) 切除错误的碱基，并进行修复合成。原则是保存母链，修正子链。, 扫描（区别）：在水解ATP的作用下， MutS、 MutL在DNA双链上移动，发现甲基化DNA，DNA由此形成突环。, 识别：MutS 二聚体识别并结合到DNA错配碱基部位；MutL 二聚体与MutS二聚体结合，形成四聚体。, 切除：MutH内切核酸酶结合到MutSL上，由MutH切开非甲基化的子链。DNA helicase II, SSB, exonuclease I去除包括错配碱基的1000个核苷酸片段。, 修补：DNA polymerase III和DNA
14、 ligase 填充缺口。,昂贵的代价用于保证DNA的准确性。,错配修复过程：,如果MutH的切点在错配碱基的5端，则由外切核酸酶VII 或核酸酶RecJ来降解含有错配碱基的片段。 如果MutH的切点在错配碱基的3端，将由外切核酸酶I或X从35方向水解含有错配碱基的片段。 最后由DNA pol III和连接酶分别填补缺口和连接切口。,6.2.3 直接修复（损伤逆转） 直接修复（direct repair）是把被损伤的碱基回复到原来状态的一种修复。有以下三种方式： （1）光复活作用 在可见光（400 nm）存在的条件下，在光复活酶作用下将UV引起嘧啶二聚体分解为单体的过程。光复活是原核生物中的一
15、种主要修复形式（单细胞生物到鸟类均有此酶，这种修复方式对植物体特别重要， 而哺乳动物无此酶）。,(2) O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶(MGMT)直接修复 以防止形成G T 配对。 MGMT能防止DNA链烷基化导致的死亡和突变效应。 MGMT存在于酵母和人类细胞中。,(3) 单链断裂修复 只需要DNA连接酶参与，属于直接修复。 DNA连接酶催化DNA双螺旋结构中双链之一的缺口处的5磷酸与相邻的3羟基形成磷酸二酯键。,6.2.4 重组修复(recombination repair) 也称复制后修复、链转移修复、同源重组修复 复制：受损伤的DNA链复制时，产生的子代DNA在损伤的对应部位出现缺
16、口。 重组：在RecA酶的作用下，完整母链DNA与有缺口子链DNA进行重组交换，将母链上相应片段填补子链缺口处，而母链出现缺口。 再合成：以另一条子链DNA为模板，经DNA pol合成一新DNA片段填补母链DNA缺口，最后由DNA ligase连接完成修补。,重组修复不能完全去除损伤，损伤的DNA片段仍然保留在亲代DNA链上，只是重组修复后合成的DNA分子是不带有损伤的。 但经多次复制后，损伤就被“稀释”了，在子代细胞中只有一个细胞是带有损伤DNA的。 重组修复机制的缺陷,有可能导致肿瘤发生。,6.2.5 易错修复和SOS反应,SOS反应( SOS response)是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急反应。SOS反应诱导的修复系统包括： 1、避免差错的修复（error free repair）：错配修复、直接修复、切除修复和重组修复。 2、易产生差错的修复（error prone repair）：易错
