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1、目录目录生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学杨杨 中中 汉汉 副副 教教 授授中山医学院生化教研室中山医学院生化教研室目录目录DNA损伤与修复损伤与修复 DNA Damage and Repair第十五章第十五章杨杨 中中 汉汉 副副 教教 授授中山医学院生化教研室中山医学院生化教研室目录目录目录目录各各种种体体内内外外因因素素所所导导致致的的DNA组组成成与与结结构构的的变化称为变化称为DNA损伤（损伤（DNA damage） 其一，其一，DNA的结构发生永久性改变，即的结构发生永久性改变，即突变突变 其二，其二，导致导致DNA失去作为复制和失去作为复制和/或转录或转录的模板的功能的模板
2、的功能 DNA损伤的后果损伤的后果:目录目录生物多样性依赖于：生物多样性依赖于：DNADNA突变突变DNADNA修复修复平衡平衡目录目录DNA损伤损伤DNA Damage第一节第一节目录目录一、多种因素通过不同机制一、多种因素通过不同机制导致导致DNA损伤损伤（一）体内因素（一）体内因素 DNA复制错误复制错误 DNA自身的不稳定性自身的不稳定性 机体代谢过程中产生的活性氧机体代谢过程中产生的活性氧目录目录nDNA复制错误：复制错误：n在在DNADNA复制过程中，碱基的异构互变、复制过程中，碱基的异构互变、4 4种种dNTPdNTP之间浓度的之间浓度的不平衡等均可能引起碱基的错配不平衡等均可能
3、引起碱基的错配nDNADNA复制的错配率约复制的错配率约1/101/101010n复制错误还表现为片段的缺失或插入。复制错误还表现为片段的缺失或插入。n特别是特别是DNADNA上的短片段重复序列，在真核细胞染色体上广上的短片段重复序列，在真核细胞染色体上广泛分布，导致泛分布，导致DNADNA复制系统工作时可能出现复制系统工作时可能出现“打滑打滑”现象，现象，使得新生成的使得新生成的DNADNA上的重复序列拷贝数发生变化。上的重复序列拷贝数发生变化。 目录目录nDNA自身的不稳定性自身的不稳定性 ：nDNADNA结构自身的不稳定性是结构自身的不稳定性是DNADNA自发性损伤中最频繁和最重自发性损
4、伤中最频繁和最重要的因素。要的因素。n当当DNADNA受热或所处环境的受热或所处环境的pHpH值发生改变时，值发生改变时， DNADNA分子上连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，导致碱基的丢失丢失或或脱落脱落，其中以，其中以脱嘌呤脱嘌呤最为普遍。最为普遍。n含有氨基的碱基还可能含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应自发脱氨基反应，转变为另一种碱，转变为另一种碱基，即基，即碱基的转变碱基的转变，如，如C C转变为转变为U U，A A转变为转变为I I（次黄嘌呤）（次黄嘌呤）等。等。嘧啶嘧啶(pyrimidine，Py)胞嘧啶胞嘧啶(cy
5、tosine, C)尿嘧啶尿嘧啶(uracil, U)胸腺嘧啶胸腺嘧啶(thymine, T)自发脱氨基反应自发脱氨基反应，转变为另一种碱基，即，转变为另一种碱基，即碱基的转变碱基的转变，如，如C C转变为转变为U U腺苷酸代琥珀酸合成酶腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脱氢酶脱氢酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶合成酶另一种自发脱氨基反应另一种自发脱氨基反应，如，如A A转变为转变为I I目录目录（二）体外因素（二）体外因素物理因素物理因素化学因素化学因素生物因素生物因素目录目录n物理因素：物理因素：电离辐射、紫外线电离辐射、紫外线(ultra violet, UV)目录目录
6、n化学因素：化学因素：自由基导致的自由基导致的DNADNA损伤损伤碱基类似物导致的碱基类似物导致的DNADNA损伤损伤 碱基修饰剂、烷化剂导致的碱基修饰剂、烷化剂导致的DNADNA损伤损伤 嵌入性染料导致的嵌入性染料导致的DNADNA损伤损伤 目录目录物理和化学因素对物理和化学因素对DNA的损伤的损伤 目录目录二、二、DNA损伤有多种类型损伤有多种类型 碱基脱落碱基脱落碱基结构破坏碱基结构破坏嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体形成DNA单链或双链断裂单链或双链断裂DNA交联交联目录目录n碱基损伤与糖基破坏：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化学毒物可通过对碱基的某些基团进行修饰
7、而改变碱基的性质。改变碱基的性质。由于碱基损伤或糖基破坏，在由于碱基损伤或糖基破坏，在DNADNA链上可能形链上可能形成一些不稳定点，最终可导致成一些不稳定点，最终可导致DNADNA链的断裂。链的断裂。目录目录n碱基之间发生错配碱基之间发生错配 ：碱基类似物的掺入、碱基修饰剂的作用可改变碱基类似物的掺入、碱基修饰剂的作用可改变碱基的性质，导致碱基的性质，导致DNADNA序列中的错误配对。序列中的错误配对。在正常的在正常的DNADNA复制过程中，存在着一定比例的复制过程中，存在着一定比例的自发碱基错配。自发碱基错配。最常见的是组成最常见的是组成RNARNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺的尿嘧啶替代胸腺嘧
8、啶掺入到入到DNADNA分子中。分子中。目录目录nDNA链发生断裂：链发生断裂：n电离辐射电离辐射、化学毒剂化学毒剂、磷酸二酯键的断裂磷酸二酯键的断裂、脱氧戊糖脱氧戊糖的破坏的破坏、碱基的损伤和脱落碱基的损伤和脱落都是引起都是引起DNADNA断裂的原因。断裂的原因。n碱基损伤或糖基破坏可引起碱基损伤或糖基破坏可引起DNADNA双螺旋局部变性，形成双螺旋局部变性，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。的部位，造成链断裂。nDNADNA链上被损伤的碱基也可以被另一种特异的链上被损伤的碱基也可以被另一种特异的DNA-DNA
9、-糖基糖基化酶除去，形成化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点无嘌呤嘧啶位点（apurinic-apurinic-apyrimidinic site, apyrimidinic site, AP siteAP site），或称无碱基位点），或称无碱基位点（abasic siteabasic site），这些位点在内切酶等的作用下可形），这些位点在内切酶等的作用下可形成链断裂。成链断裂。目录目录nDNA 的共价交联：的共价交联：pDNADNA双螺旋链中的一条链上的碱基与另一条链上的碱基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，称为以共价键结合，称为DNADNA链间交联链间交联（DNA in
10、terstrand DNA interstrand cross-linkingcross-linking）。）。pDNADNA分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称为分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称为DNADNA链内交联链内交联（DNA intrastrand cross-linkingDNA intrastrand cross-linking）。）。pDNADNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为分子还可与蛋白质以共价键结合，称为DNA-DNA-蛋白质蛋白质交联交联（DNA protein cross-linkingDNA protein cross-linking）。）。目录
11、目录DNA损伤可导致损伤可导致碱基置换碱基置换缺失缺失 插入插入 链的断裂链的断裂 转换转换颠换颠换目录目录DNA损伤的修复损伤的修复The repair of DNA damage第二节第二节目录目录DNADNA修修复复（DNA DNA repairrepair）是是指指纠纠正正DNADNA两两条条单单链链间间错错配配的的碱碱基基、清清除除DNADNA链链上上受受损损的的碱碱基基或或糖糖基、恢复基、恢复DNADNA的正常结构的过程。的正常结构的过程。DNADNA修修复复是是机机体体维维持持DNADNA结结构构的的完完整整性性与与稳稳定定性性，保证生命延续和物种稳定的重要环节。保证生命延续和物
12、种稳定的重要环节。 目录目录http:/www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2015/http:/www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2015/托马斯-林道尔碱基切除修复机制保罗-莫德里奇揭示DNA配对错误修复机制阿奇兹-桑卡查明紫外线DNA损伤的细胞修复机制目录目录常见的常见的DNA损伤修复途径损伤修复途径 修复途径修复途径 修复对象修复对象 参与修复的酶或蛋白参与修复的酶或蛋白 光复活修复光复活修复 嘧啶二聚体嘧啶二聚体 光复活酶光复活酶 碱基切除修复碱基
13、切除修复 受损的碱基受损的碱基 DNADNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶 核苷酸切除修核苷酸切除修复复 嘧啶二聚体、嘧啶二聚体、DNADNA螺螺旋结构的改变旋结构的改变 大肠杆菌中大肠杆菌中UvrAUvrA、UvrBUvrB、UvrCUvrC和和UvrDUvrD，人人XPXP系列蛋白系列蛋白XPAXPA、XPBXPB、XPCXPCXPGXPG等等 错配修复错配修复 复制或重组中的碱基复制或重组中的碱基配对错误配对错误 大肠杆菌中的大肠杆菌中的MutHMutH、MutLMutL、MutSMutS，人的，人的MLH1MLH1、MSH2MSH2、MSH3MSH3、MS
14、H6MSH6等等 重组修复重组修复 双链断裂双链断裂 RecARecA蛋白、蛋白、KuKu蛋白、蛋白、DNA-PKcsDNA-PKcs、XRCC4XRCC4 损伤跨越修复损伤跨越修复 大范围的损伤或复制大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤中来不及修复的损伤 RecARecA蛋白、蛋白、LexALexA蛋白、其他类型蛋白、其他类型DNADNA聚合聚合酶酶 目录目录一、有些一、有些DNA损伤可以直接修复损伤可以直接修复 嘧啶二聚体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烷基化碱基的直接修复 无嘌呤位点的直接修复无嘌呤位点的直接修复 单链断裂的直接修复单链断裂的直接修复 目录目录n嘧啶二
15、聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复目录目录n烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复目录目录n无嘌呤位点的直接修复无嘌呤位点的直接修复 pDNADNA嘌嘌呤呤插插入入酶酶能能催催化化游游离离嘌嘌呤呤碱碱基基或或脱脱氧氧核核苷苷与与DNADNA嘌嘌呤呤缺缺如如部部位位重重新新生生成成糖糖苷苷共共价价键键，导导致致嘌嘌呤呤碱碱基基的的直接插入。具有很强的直接插入。具有很强的专一性专一性。n单链断裂的直接修复单链断裂的直接修复 pDNADNA连连接接酶酶能能够够催催化化DNADNA双双螺螺旋旋结结构构中中一一条条链链上上缺缺口口处处的的5 5 - -磷磷酸酸基基团团与与相相邻邻片片段段的的3 3 -
16、 -羟羟基基之之间间形形成成磷磷酸酸二二酯酯键键，从从而而直直接接参参与与部部分分DNADNA单单链链断断裂裂的的修修复复，如如电电离离辐射所造成的切口。辐射所造成的切口。目录目录二、切除修复是最普遍的二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式损伤修复方式 碱基切除修复碱基切除修复 核苷酸切除修复核苷酸切除修复 目录目录n碱基切除修复碱基切除修复（base excision repair） 识识别别水水解解：DNADNA糖糖基基化化酶酶特特异异性性识识别别DNADNA链链中中已已受受损损的的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点；碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点； 切切除除：在在此此位位点
17、点的的5 5 端端，无无碱碱基基位位点点核核酸酸内内切切酶酶将将DNADNA链的磷酸二酯键切开，去除剩余的磷酸核糖部分；链的磷酸二酯键切开，去除剩余的磷酸核糖部分； 合合成成：DNADNA聚聚合合酶酶在在缺缺口口处处以以另另一一条条链链为为模模板板修修补补合合成互补序列；成互补序列； 连连接接：由由DNADNA连连接接酶酶将将切切口口重重新新连连接接，使使DNADNA恢恢复复正正常常结构结构 目录目录目录目录http:/www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2015/popular.htmlhttp:/www.nobelpriz
18、e.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2015/popular.html目录目录n核苷酸切除修复核苷酸切除修复（nucleotide excision repair） 首先，由一个酶系统识别首先，由一个酶系统识别DNADNA损伤部位；损伤部位； 其其次次，在在损损伤伤两两侧侧切切开开DNADNA链链，去去除除两两个个切切口口之之间间的的一段受损的寡核苷酸；一段受损的寡核苷酸； 再再次次，在在DNADNA聚聚合合酶酶作作用用下下，以以另另一一条条链链为为模模板板，合合成一段新的成一段新的DNADNA，填补缺损区；，填补缺损区； 最后由连接酶连接，完成损伤修
19、复。最后由连接酶连接，完成损伤修复。目录目录E.coli的的NER主要由主要由4种种蛋白质组成：蛋白质组成：UvrAUvrBUvrCUvrD 目录目录目录目录遗传性着色性干皮病 (Xeroderma Pigmentosum)简称XP病：一种基因突变的遗传病，由于DNA损伤核苷酸切除修复系统基因缺陷所致，发生的几率是几千万分之一。着色性干皮病是一种发生在暴露部位的色素变化，萎缩，角化及癌变的遗传性疾病，属常染色体隐性遗传病。目录目录n人类的人类的DNA损伤核苷酸切除修复损伤核苷酸切除修复 首首先先由由损损伤伤部部位位识识别别蛋蛋白白XPCXPC和和XPAXPA等等，再再加加上上DNADNA复复制
20、所需的制所需的SSBSSB，结合在损伤，结合在损伤DNADNA的部位；的部位； XPBXPB、XPDXPD发发挥挥解解旋旋酶酶的的活活性性，与与上上述述物物质质共共同同作作用用在在受损受损DNADNA周围形成一个凸起；周围形成一个凸起； XPGXPG与与XPFXPF发发生生构构象象改改变变，分分别别在在凸凸起起的的3-3-端端和和5-5-端端发发挥挥核核酸酸内内切切酶酶活活性性, , 在在增增殖殖细细胞胞核核抗抗原原（PCNAPCNA）的帮助下，切除并释放受损的寡核苷酸；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遗留的缺损区由聚合酶或或进行修补合成；进行修补合成； 最后，由连接
21、酶完成连接。最后，由连接酶完成连接。 目录目录NER不不仅仅能能够够修修复复整整个个基基因因组组中中的的损损伤伤，而而且且能能拯拯救救因因转转录录模模板板链链损损伤伤而而暂暂停停转转录录的的RNA聚聚合合酶酶，即即 参参 与与 转转 录录 偶偶 联联 修修 复复 （ transcription-coupled repair）。作作用用方方式式：NER蛋蛋白白质质被被募募集集于于暂暂停停的的RNA聚合酶。聚合酶。转转录录偶偶联联修修复复的的意意义义：将将修修复复酶酶集集中中于于正正在在转转录录DNA，使该区域的损伤尽快得以修复。，使该区域的损伤尽快得以修复。目录目录n碱基错配修复碱基错配修复（
22、mismatch repair）错配是指非错配是指非Watson-CrickWatson-Crick碱基配对。碱基配对。碱碱基基错错配配修修复复也也可可被被看看作作是是碱碱基基切切除除修修复复的的一一种特殊形式，主要负责纠正：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；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；因碱基损伤所致的碱基配对错误； 碱基插入；碱基插入； 碱基缺失。碱基缺失。 目录目录E.coliE.coli错配修复系统修复复制差错错配修复系统修复复制差错目录目录Dam甲甲基基化化酶酶（methylase）使使E.coli处处于于暂暂时时的的半半甲
23、甲基基化化状状态态，标标记记母母链链和和新新合合成成的的DNA链链，帮帮助助新新合合成成的的DNA链链被被错错配配修修复复系统识别并修复。系统识别并修复。目录目录模板链模板链的的GATC序列甲基化序列甲基化 MutH仅切割仅切割新新合成的合成的DNA链链 目录目录MutH的切口位于错配核苷酸的的切口位于错配核苷酸的5 侧侧，使用外切，使用外切酶酶或或RecJ，按，按53 方向降解方向降解DNA；切口位于错配的切口位于错配的3侧侧，则使用外切酶，则使用外切酶，按，按3 5 方向降解方向降解DNA。DNA聚合酶聚合酶填补所产生单链填补所产生单链DNA缺口。缺口。目录目录目录目录MSH（MutS h
24、omologs）蛋白）蛋白与与MutL同源的同源的MLH和和PMS蛋白蛋白真核细胞错配修复系统无真核细胞错配修复系统无MutH，也无半甲基化，也无半甲基化标记母链。标记母链。错配修复系统利用冈崎片段连接前的错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺口缺口辨别错配碱基所在的辨别错配碱基所在的DNA链。链。真核细胞核苷酸修复错配系统：真核细胞核苷酸修复错配系统：目录目录三、三、DNA严重损伤时需要重组修复严重损伤时需要重组修复 同源重组修复同源重组修复 非同源末端连接的重组修复非同源末端连接的重组修复 目录目录同源重组修复同源重组修复目录目录四、某些修复发生在跨越损伤四、某些修复发生在跨越损伤DNA
25、的复制事件之后的复制事件之后 重组跨越损伤修复重组跨越损伤修复 合成跨越损伤修复合成跨越损伤修复 目录目录SOS修复中修复中LexA-RecA操纵子的作用机制操纵子的作用机制 目录目录DNA损伤和修复的意义损伤和修复的意义The significance of DNA damage and repair第三节第三节目录目录一、一、DNA损伤具有双重效应损伤具有双重效应 一是给一是给DNADNA带来永久性的改变即带来永久性的改变即突变突变，可能，可能改变基因的编码序列或者基因的调控序列；改变基因的编码序列或者基因的调控序列；二是二是DNADNA的这些改变使得的这些改变使得DNADNA不能用作复制和不能用作复制和转录的模板，使细胞的功能出现障碍，重则转录的模板，使细胞的功能出现障碍，重则死亡死亡。nDNA损伤通常有两个生物学后果损伤通常有两个生物学后果目录目录二、二、DNA损伤修复障碍与肿瘤等损伤修复障碍与肿瘤等多种疾病相关多种疾病相关 DNADNA损伤与损伤与肿瘤肿瘤、衰老衰老以及以及免疫性疾病免疫性疾病等等多种疾病的发生有着密切的关联多种疾病的发生有着密切的关联
