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1、DNA损伤与修复 DNA Damage and Repair,第十五章,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（DNA damage）,其一，DNA的组成和结构发生永久性改变，即突变 a. 基因型突变 b. 表型突变 其二，导致DNA失去作为复制和/或转录的模板的功能,DNA损伤的后果:,生物多样性依赖于：,DNA突变,DNA修复,平衡,DNA损伤 DNA Damage,第一节,一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤,（一）体内因素,DNA复制错误 DNA自身的不稳定性 机体代谢过程中产生的活性氧,DNA复制错误：,在DNA复制过程中，碱基的异构互变、4种dNTP之间浓度的
2、不平衡等均可能引起碱基的错配 DNA复制的错配率约1/1010 复制错误还表现为片段的缺失或插入。 特别是DNA上的短片段重复序列，在真核细胞染色体上广泛分布，导致DNA复制系统工作时可能出现“打滑”现象，使得新生成的DNA上的重复序列拷贝数发生变化。 亨廷顿病、脆性X综合征、肌强直性营养不良等。,DNA自身的不稳定性 ：,DNA结构自身的不稳定性是DNA自发性损伤中最频繁和最重要的因素。 当DNA受热或所处环境的pH值发生改变时， DNA分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可自发发生水解，导致碱基的丢失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍。 含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应，转变为另一种碱基，即碱基的
3、转变，如C转变为U，A转变为I（次黄嘌呤）等。,（二）体外因素,物理因素 化学因素 生物因素,物理因素：电离辐射、紫外线(ultra violet, UV),常见的二聚体：T-T, C-T, C-C,化学因素：,自由基导致的DNA损伤 碱基类似物导致的DNA损伤 碱基修饰剂、烷化剂导致的DNA损伤 嵌入性染料导致的DNA损伤,化学因素：,物理和化学因素对DNA的损伤,二、DNA损伤有多种类型,碱基脱落 碱基结构破坏 嘧啶二聚体形成 DNA单链或双链断裂 DNA交联,碱基损伤与糖基破坏：,化学毒物可通过对碱基的某些基团进行修饰而改变碱基的性质。 由于碱基损伤或糖基破坏，在DNA链上可能形成一些不
4、稳定点，最终可导致DNA链的断裂。,碱基之间发生错配 ：,碱基类似物的掺入、碱基修饰剂的作用可改变碱基的性质，导致DNA序列中的错误配对。 在正常的DNA复制过程中，存在着一定比例的自发碱基错配。 最常见的是组成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺入到DNA分子中。,DNA链发生断裂：,电离辐射、化学毒剂、磷酸二酯键的断裂、脱氧戊糖的破坏、碱基的损伤和脱落都是引起DNA断裂的原因。 碱基损伤或糖基破坏可引起DNA双螺旋局部变性，形成酶敏感性位点，特异的核酸内切酶能识别并切割这样的部位，造成链断裂。 DNA链上被损伤的碱基也可以被另一种特异的DNA-糖基化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点（apurinic-a
5、pyrimidinic site, AP site），或称无碱基位点（abasic site），这些位点在内切酶等的作用下可形成链断裂。,DNA 的共价交联：,DNA双螺旋链中的一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合，称为DNA链间交联（DNA interstrand cross-linking）。 DNA分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称为DNA链内交联（DNA intrastrand cross-linking）。 DNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交联（DNA protein cross-linking）。,DNA损伤可导致,碱基置换 缺失 插入 重排,
6、DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。 自发突变和不少化学诱变都能引起DNA上某一碱基的置换。 点突变发生在基因的编码区，可导致氨基酸改变。,（一）错配可导致编码氨基酸的改变,错配分类,镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基,正常成人Hb (HbA)亚基,镰形红细胞贫血病人,（二）缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变,缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。 插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。 缺失或插入都可导致框移突变 。 框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。,缺失引起框移突
7、变：,（三）重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病,DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。 移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位），也可以在染色体之间发生交换重组。,由基因重排引起的两种地中海贫血基因型：,DNA损伤（突变）可能造成两种结果：其一是导致复制或转录障碍（如胸腺嘧啶二聚体，DNA骨架中产生切口或断裂）；其二是导致复制后基因突变（如胞嘧啶自发脱氨基转变为尿嘧啶），使DNA 序列发生永久性改变。所以，必须通过进化使细胞拥有灵敏的机制，以识别和修复这些损伤，否则细胞无法维持正常代谢。,DNA损伤的修复 The repair of DNA damage,第二节,DNA修复（DNA
8、 repair）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。,一、有些DNA损伤可以直接修复,嘧啶二聚体的直接修复 烷基化碱基的直接修复 无嘌呤位点的直接修复 单链断裂的直接修复,嘧啶二聚体的直接修复,烷基化碱基的直接修复,无嘌呤位点的直接修复,DNA嘌呤插入酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共价键，导致嘌呤碱基的直接插入。具有很强的专一性。,单链断裂的直接修复,DNA连接酶能够催化DNA双螺旋结构中一条链上缺口处的5-磷酸基团与相
9、邻片段的3-羟基之间形成磷酸二酯键，从而直接参与部分DNA单链断裂的修复，如电离辐射所造成的切口。,二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式,碱基切除修复 核苷酸切除修复,碱基切除修复（base excision repair）, 识别水解：DNA糖基化酶特异性识别DNA链中已受损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点； 切除：在此位点的5端，无碱基位点核酸内切酶将DNA链的磷酸二酯键切开，去除剩余的磷酸核糖部分； 合成：DNA聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列； 连接：由DNA连接酶将切口重新连接，使DNA恢复正常结构,核苷酸切除修复（nucleotide excision r
10、epair）, 首先，由一个酶系统识别DNA损伤部位； 其次，在损伤两侧切开DNA链，去除两个切口之间的一段受损的寡核苷酸； 再次，在DNA聚合酶作用下，以另一条链为模板，合成一段新的DNA，填补缺损区； 最后由连接酶连接，完成损伤修复。,E.coli的NER主要由4种蛋白质组成： UvrA UvrB UvrC UvrD,人类的DNA损伤核苷酸切除修复, 首先由损伤部位识别蛋白XPC和XPA等，再加上DNA复制所需的SSB，结合在损伤DNA的部位； XPB、XPD发挥解旋酶的活性，与上述物质共同作用在受损DNA周围形成一个凸起； XPG与XPF发生构象改变，分别在凸起的3-端和5-端发挥核酸内
11、切酶活性, 在增殖细胞核抗原（PCNA）的帮助下，切除并释放受损的寡核苷酸； 遗留的缺损区由聚合酶或进行修补合成； 最后，由连接酶完成连接。,着色性干皮病（XP）是第一个与DNA损伤修复缺陷有关的人类疾病，可累及各种族人群。患者细胞存在UV照射后DNA损伤修复功能缺陷，患者的皮肤部位缺乏核酸内切酶，不能修复被紫外线损伤的皮肤的DNA，因此在日光照射后皮肤容易被紫外线损伤，先是出现皮肤炎症，继而可发生皮肤癌。,患者发生皮肤癌的可能性非常高。XP是常染色体隐性遗传病，具有遗传异质性。缺陷基因编码的蛋白都参与DNA的切除修复。XPA、XPB、XPC、XPD、XPE、XPF、XPG、XPH,NER不仅
12、能够修复整个基因组中的损伤，而且能拯救因转录模板链损伤而暂停转录的RNA聚合酶，即参与转录偶联修复（transcription-coupled repair）。 作用方式：NER蛋白质被募集于暂停的RNA聚合酶。 转录偶联修复的意义：将修复酶集中于正在转录DNA，使该区域的损伤尽快得以修复。,碱基错配修复（ mismatch repair）,错配是指非Watson-Crick碱基配对。 碱基错配修复也可被看作是碱基切除修复的一种特殊形式，主要负责纠正： 复制与重组中出现的碱基配对错误； 因碱基损伤所致的碱基配对错误； 碱基插入； 碱基缺失。,E.coli错配修复系统修复复制差错,Dam甲基化酶
13、（methylase）使E.coli处于暂时的半甲基化状态，标记母链和新合成的DNA链，帮助新合成的DNA链被错配修复系统识别并修复。,模板链的GATC序列甲基化,MutH仅切割新合成的DNA链,MSH（MutS homologs）蛋白 与MutL同源的MLH和PMS蛋白,真核细胞错配修复系统即无MutH蛋白，也无半甲基化标记母链。 错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺口辨别错配碱基所在的DNA链。,真核细胞核苷酸修复错配系统：,三、DNA严重损伤时需要重组修复,同源重组修复 ：参加重组的两段双链DNA在相当长的范围内序列相同（/=200bp），保证重组后生成的新区序列正确。 非同源末端连
14、接的重组修复 ：哺乳动物修复方式。,同源重组修复,四、某些修复发生在跨越损伤DNA的复制事件之后,重组跨越损伤修复 合成跨越损伤修复,重组跨越损伤修复,SOS修复中LexA-RecA操纵子的作用机制,常见的DNA损伤修复途径,DNA损伤和修复的意义 The significance of DNA damage and repair,第三节,一、DNA损伤具有双重效应,一是给DNA带来永久性的改变即突变，可能改变基因的编码序列或者基因的调控序列； 二是DNA的这些改变使得DNA不能用作复制和转录的模板，使细胞的功能出现障碍，重则死亡。,DNA损伤通常有两个生物学后果,二、DNA损伤修复障碍与肿瘤
15、等多种疾病相关,DNA损伤与肿瘤、衰老以及免疫性疾病等多种疾病的发生有着密切的关联,遗传性非息肉病性结直肠癌（HNPCC）,由错配修复(MMR)基因突变引起的对结直肠癌及某些其他癌症(如子宫内膜癌、胃癌)的遗传易感性。这些MMR基因突变以常染色体显性方式遗传,主要包括MLH1、MSH2（622位C/T转换，脯氨酸变成亮氨酸）、MSH6及PMS2基因突变,前二者较多见。,BRCA1基因 1990年，研究者发现了一种直接与遗传性乳腺癌有关的基因，命名为乳腺癌1号基因，英文简称BRCA1。1994年，又发现另外一种与乳腺癌有关的基因，称为BRCA2。,BRCA1/2是两种具有抑制恶性肿瘤发生的基因，在调节人体细胞的复制、遗传物质DNA损伤修复、细胞的正常生长方面有重要作用。拥有这个基因的家族倾向于具有高乳腺癌发生率，通常发生在较年轻时，病人的两侧乳房都确癌，且同时患有卵巢癌。 已癌变的细胞本身的DNA修复功能却显著升高，能修复化疗药物引起的DNA损伤。,共济失调性毛细血管扩张综合症(AT)是一种单基因突变引起的遗传性疾病,表现为高辐射敏感性、进行性神经退变、免疫缺陷、早衰及易患癌症等. AT致病基因（ATM),1995年被克隆。定位于人染色体11q22-23.全长150kb,编码序列12kb。,
