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1、生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室DNA损伤损伤（突变）与修复（突变）与修复P681DNA损伤突变和修复基因突变基因突变（gene mutation）: 在生物进化过程中，由于生物体内外环境多在生物进化过程中，由于生物体内外环境多种因素的影响，使遗传物质的结构改变而引起遗种因素的影响，使遗传物质的结构改变而引起遗传信息的改变，均可称为突变。传信息的改变，均可称为突变。 从分子水平来看，突变主要表现为从分子水平来看，突变主要表现为DNA分子分子上碱基的改变。上碱基的改变。 在复制过程中发生的在复制过程中发生的DNA突变称为突变称为DNA损伤损伤（DNA damage）。）。P6
2、82DNA损伤突变和修复突变的意义突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础。（一）突变是进化、分化的分子基础。（二）只有基因型改变，而无可察觉表型改变的（二）只有基因型改变，而无可察觉表型改变的 突变（基因多态性：用于描述个体之间的突变（基因多态性：用于描述个体之间的 基因型差别现象）。基因型差别现象）。（三）致死性的突变（利用此特性消灭有害病原（三）致死性的突变（利用此特性消灭有害病原 体）。体）。（四）突变是某些疾病的发病基础。（四）突变是某些疾病的发病基础。P693DNA损伤突变和修复第一节第一节多种因素可引起多种因素可引起DNA损伤损伤并具有各自的机制并具有各自的机制4DNA损伤突变
3、和修复一、引起一、引起DNA 损伤的因素损伤的因素*紫外线照射紫外线照射*电离辐射电离辐射自发突变：自发突变： 频率：频率：10-9*5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)*羟胺羟胺*亚硝酸盐亚硝酸盐*氮芥类氮芥类物理物理生物生物化学化学诱变因素诱变因素病毒等病毒等P705DNA损伤突变和修复（一）（一）DNA 的自发性损伤的自发性损伤P701、DNA的复制错误的复制错误2、DNA的修复合成的修复合成 修修复复系系统统将将DNA损损伤伤部部位位的的一一段段DNA切切除除，再再以以互互补补链链为为模模板板重重新新合合成成DNA，又又称称DNA非程序合成非程序合成。3、碱基的自发突变、碱基的自发突变脱氨
4、基脱氨基:A、G、C环外氨基丢失环外氨基丢失碱基丢失碱基丢失:无碱基位点无碱基位点(AP部位部位)4、正常代谢产物对、正常代谢产物对DNA的损伤的损伤氧自由基氧自由基造成造成DNA链断裂链断裂6DNA损伤突变和修复（二）环境造成的（二）环境造成的DNA 损伤损伤P701、紫外线引起的、紫外线引起的DNA损伤损伤 UVT G A A C CA C T T G G胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体DNA之间交联之间交联DNA与蛋白质交联与蛋白质交联DNA链断裂链断裂7DNA损伤突变和修复2、电离辐射引起、电离辐射引起DNA损伤损伤（1）导致碱基变化）导致碱基变化 主主要要由由OH自自由由基基引引起起，包
5、包括括DNA链链上上碱碱基基氧氧化化修修饰饰、过过氧氧化化物物形形成、碱基环的破坏和脱落等。成、碱基环的破坏和脱落等。（2）导致脱氧核糖变化）导致脱氧核糖变化 脱脱氧氧核核糖糖上上每每个个碳碳原原子子和和羟羟基基上上氢氢都都能能与与OH反反应应,导导致致脱脱氧氧核糖分解，最终引起核糖分解，最终引起DNA链断裂链断裂（3）导致）导致DNA链断裂链断裂 可可使使脱脱氧氧核核糖糖破破坏坏或或磷磷酸酸二二酯酯键键断断开开而而导导致致DNA链链断断裂裂。有有单单链链断裂、双链断裂等不同形式。断裂、双链断裂等不同形式。（4）引起）引起DNA链交联链交联 DNA-DNA交交联联、DNA-蛋蛋白白质质交交联联
6、。是是细细胞胞受受电电离离辐辐射射后后在在显显微微镜下看到的染色体畸变的分子基础镜下看到的染色体畸变的分子基础8DNA损伤突变和修复3、烷化剂引起、烷化剂引起DNA损伤损伤（1）导致碱基烷基化）导致碱基烷基化 G的的N7和和A的的N3最最容容易易烷烷基基化化，G的的N7被烷基化后改与被烷基化后改与T配对，配对， G-CA-T （2）导致碱基脱落）导致碱基脱落 G烷烷基基化化后后的的糖糖苷苷键键不不稳稳定定，易易脱脱落落形形成成DNA上上无无碱碱基基位位点点，复复制制时时可插入任何核苷酸，使序列改变。可插入任何核苷酸，使序列改变。（3）导致）导致DNA链断裂链断裂 磷磷酸酸二二酯酯键键上上的的O
7、易易烷烷基基化化，形形成成不不稳稳定定的的磷磷酸酸三三酯酯键键，糖糖与与磷磷酸酸间间发生水解，发生水解，DNA链断裂。链断裂。（4）引起）引起DNA链交联链交联单功能基烷化剂：甲基甲烷碘酸单功能基烷化剂：甲基甲烷碘酸双功能基烷化剂：双功能基烷化剂：DNA链内、链间、链内、链间、 以及与蛋白质的交联以及与蛋白质的交联 氮氮芥芥、硫硫芥芥；环环磷磷酰酰胺胺；二二乙乙基基亚硝酸亚硝酸9DNA损伤突变和修复4、碱基类似物、修饰剂引起碱基对的改变、碱基类似物、修饰剂引起碱基对的改变（1）碱基类似物用作促突变剂或抗癌药物）碱基类似物用作促突变剂或抗癌药物 5-氟氟尿尿嘧嘧啶啶（5-FU）、5-溴溴尿尿嘧嘧
8、啶啶（5-BU）、2-氨基腺嘌呤（氨基腺嘌呤（2-AP）。）。（2）某些化学物质能专一修饰）某些化学物质能专一修饰DNA链上碱基链上碱基亚硝酸盐：使亚硝酸盐：使C脱氨变成脱氨变成U，经复制使，经复制使G-CA-T羟胺：使羟胺：使T脱甲基变成脱甲基变成C，结果，结果A-T G-C黄曲霉素黄曲霉素B：专一攻击：专一攻击DNA上碱基，导致序列变化上碱基，导致序列变化这些均为诱发突变的化学诱变剂或致癌剂这些均为诱发突变的化学诱变剂或致癌剂10DNA损伤突变和修复二、二、DNA 损伤的类型损伤的类型单点突变、多点突变单点突变、多点突变转换、颠换转换、颠换链内共价交联链内共价交联链间共价交联链间共价交联电
9、离辐射、某些化学试剂电离辐射、某些化学试剂使链内磷酸二酯键断裂使链内磷酸二酯键断裂DNA重组重组DNA损伤损伤碱基突变碱基突变DNA链断裂链断裂DNA链交联链交联插入或缺失插入或缺失单个碱基、多个碱基、单个碱基、多个碱基、一段序列的插入或缺失一段序列的插入或缺失DNA分子内发生较大片分子内发生较大片段的交换。段的交换。P6911DNA损伤突变和修复第二节第二节DNA损伤修复机制是遗传损伤修复机制是遗传保守性的重要保障保守性的重要保障12DNA损伤突变和修复DNA损伤修复：损伤修复：对已发生分子改变的对已发生分子改变的DNA进进行补偿措行补偿措 施，使其回复为原有的天然状态。施，使其回复为原有的
10、天然状态。 DNA损伤损伤修复的主要机制修复的主要机制（一）光修复（一）光修复（二）切除修复（二）切除修复（三）重组修复（三）重组修复（四）（四）SOS修复修复13DNA损伤突变和修复一、某些一、某些DNA 损伤可以直接修复损伤可以直接修复1、二聚体可被、二聚体可被光复活酶光复活酶直接修复（直接修复（光修复光修复） UV紫外线照射可引起核酸链上相邻的两个紫外线照射可引起核酸链上相邻的两个胸腺嘧胸腺嘧啶形成二聚体啶形成二聚体TT。光修复过程是通过光修复过程是通过光复活酶光复活酶催化而完成的，需催化而完成的，需 300 600 nm波长照射激活。波长照射激活。嘧啶二聚体的形成与解聚嘧啶二聚体的形成
11、与解聚光修复酶光修复酶P7114DNA损伤突变和修复2、DNA断裂口可以直接修复断裂口可以直接修复 在在5-P端端和和3-OH端端未未受受损损伤伤情情况况下下，连连接接酶酶能能直接修复因电离辐射等因素造成的直接修复因电离辐射等因素造成的DNA断裂口断裂口 。3、烷基化碱基可以直接修复、烷基化碱基可以直接修复 大大肠肠杆杆菌菌中中有有一一种种Ada酶酶，能能将将烷烷基基不不可可逆逆地地转转移移到到自自身身，从从而而修修复复甲甲基基化化碱碱基基和和甲甲基基化化的的磷磷酸酸二二酯酯键，同时其自身失活键，同时其自身失活 。15DNA损伤突变和修复二、切除修复二、切除修复(excision repair
12、)是常见的修复方是常见的修复方式式定定义义 在在有有关关酶酶和和蛋蛋白白质质的的作作用用下下，去去除除DNA链链的的损损伤伤部部分分，用用执执行行修修复复功功能能的的DNA聚聚合合酶酶催催化化dNTP聚聚合合而而填填补补缺缺口口，最最后后用用连连接接酶酶将将修修复复过过的的链链与与无无损损伤伤的的链链两两端端连连接接起起来来。是是细细胞胞内内最最重重要要和和有有效效的的修修复复机机制制，主主要要由由DNA-pol和和连连接酶完成。接酶完成。过程过程识别、识别、切除、切除、合成、合成、连接连接P7116DNA损伤突变和修复1、单个核苷酸的切除修复、单个核苷酸的切除修复 特定的特定的DNA糖苷酶识
13、别并切除受损碱基糖苷酶识别并切除受损碱基 AP核核酸酸内内切切酶酶识识别别裸裸露露脱脱氧氧核核糖糖上上的的AP位位点点（apurinic and apyrimidinic sites,无无嘌嘌呤呤和和无无嘧嘧啶啶位位点点）,在在该该位位点点5端端切切开开，核核酸酸外外切切酶酶从从5 3方方向向切切除除脱氧核糖残基。脱氧核糖残基。 由由DNA聚合酶和连接酶修复缺口聚合酶和连接酶修复缺口17DNA损伤突变和修复2、核苷酸片段切除修复、核苷酸片段切除修复原核生物参与原核生物参与切除修复的酶切除修复的酶及蛋白质及蛋白质 UvrA 、UvrB(辨认和结合辨认和结合DNA损伤部位损伤部位)UvrC(去除损
14、伤链去除损伤链)pol(填补空隙填补空隙)DNA连接酶连接酶(连接缺口连接缺口)真核生物除去损伤链：真核生物除去损伤链：XP蛋白蛋白18DNA损伤突变和修复5533 UvrA、UvrB辨认及结合辨认及结合DNA 损伤部位损伤部位 UvrBUvrAE.coli切除修复方式切除修复方式 UvrC置置换换UvrA UvrCUvrC5 5 3 3 UvrC切除切除损伤部位损伤部位POH切除修复过程（切除修复过程（E.coli）：）： DNA-pol填补空隙填补空隙 dNTP 5 5 3 3 POHOHDNA ligase 连接缺口连接缺口 ATP ADP 19DNA损伤突变和修复三、重组修复三、重组修
15、复(recombination repairing)当当DNA分子的损伤面较大分子的损伤面较大时，来不及修复完善就时，来不及修复完善就进行复制，损伤部位因无模板指引，复制的新子进行复制，损伤部位因无模板指引，复制的新子链会出现缺口。链会出现缺口。重组蛋白重组蛋白RecA将另一股健康的母链与缺口部分进将另一股健康的母链与缺口部分进行交换，以填补缺口。行交换，以填补缺口。健康的母链产生的缺口由健康的母链产生的缺口由pol I和连接酶复原。和连接酶复原。原有的损伤仍存在，但随着多次复制，损伤的比原有的损伤仍存在，但随着多次复制，损伤的比例越占越少。例越占越少。P7120DNA损伤突变和修复切切下下正
16、正常常母母链链的的DNA片片段段并并插插入入因因损损伤伤而而未未被被复复制制的的子子链链缺缺口口上上；正常母链带缺口正常母链带缺口 RecA重重组组后后，一一个个子子代代DNA双双链链中中，母母链链仍仍有有缺缺陷陷，但但子子链链正正常常；而而另另一一个个正正常常子子链链复复制制复原复原 pol IDNA损损伤部位伤部位重组修复重组修复21DNA损伤突变和修复四、四、SOS修复修复SOS是国际海难信号，在此用以表示应急性的复是国际海难信号，在此用以表示应急性的复制方式。制方式。除了需要复制、修复的酶系统外，还需重组蛋白除了需要复制、修复的酶系统外，还需重组蛋白RecA及调控蛋白及调控蛋白LexA
17、（抑制与（抑制与SOS修复有关的修复有关的基因表达）。基因表达）。机制：机制：DNA严重受损时，严重受损时，RecA作为蛋白水解酶作为蛋白水解酶使使LexA蛋白水解，从而解除与蛋白水解，从而解除与SOS修复有关的基修复有关的基因的抑制，修复酶系大量表达。因的抑制，修复酶系大量表达。P7122DNA损伤突变和修复 SOS修修复复系系统统对对碱碱基基的的识识别别、选选择择能能力力差差，是是以以牺牺牲牲复复制制的的准准确确性性而而换换取取细细胞胞的的生生存存，使使DNA保保留留的的错错误误会会较较多多，从从而而引引起起广广泛泛、长长期期的的突突变变。这这是是SOS修修复复的的主主要要特特点点。人类细
18、胞中尚未发现这种修复系统。人类细胞中尚未发现这种修复系统。P7123DNA损伤突变和修复五、细胞周期检查点控制是真核生物五、细胞周期检查点控制是真核生物 诱导修复的主要机制诱导修复的主要机制 真真核核细细胞胞有有复复杂杂的的控控制制体体系系，DNA受受损损时时，往往往往无无法法依依靠靠单单纯纯的的修修复复机机制制进进行行修修复复，需需要要通通过过细细胞胞周周期期检检查查点点控控制制(checkpoint control,又又称称关关卡卡控控制制）来来对对DNA损伤作出应答。损伤作出应答。细胞周期检查点控制机制最早在酵母细胞中发现细胞周期检查点控制机制最早在酵母细胞中发现24DNA损伤突变和修复
19、第三节第三节DNA损伤、修复损伤、修复与人类疾病与人类疾病P7225DNA损伤突变和修复一、核苷酸切除修复与着色性干皮病一、核苷酸切除修复与着色性干皮病P72着色性干皮病（着色性干皮病（xeroderma pigmentosum，XP） 无法修复紫外线造成的损伤无法修复紫外线造成的损伤核苷酸切除修复相关基因：核苷酸切除修复相关基因： XPA、B、C、D、E、F、G 其中任何一个基因突变都可以引起其中任何一个基因突变都可以引起XP病。病。细胞融合实验发现：来自于不同患者的皮肤成纤细胞融合实验发现：来自于不同患者的皮肤成纤维细胞对紫外线损伤的修复有互补作用，甚至可维细胞对紫外线损伤的修复有互补作用
20、，甚至可以使核苷酸切除修复能力恢复正常。以使核苷酸切除修复能力恢复正常。26DNA损伤突变和修复二、错配修复与遗传性非息肉型结肠癌二、错配修复与遗传性非息肉型结肠癌P72 HNPCC是是最最常常见见的的遗遗传传性性肿肿瘤瘤之之一一，是是常常染染色色体体显显性性遗遗传传疾疾病病，其其癌癌瘤瘤细细胞胞常常表表现现出出微微卫卫星星DNA的不稳定性的不稳定性，长度较正常细胞或长或短。，长度较正常细胞或长或短。 微微卫卫星星DNA的的不不稳稳定定性性在在多多个个位位点点存存在在，可可以以作为错配修复功能缺陷的标志。作为错配修复功能缺陷的标志。 HNPCC家家族族中中表表型型正正常常者者，其其错错配配修修
21、复复基基因因只只有有一一个个拷拷贝贝失失活活，有有较较高高肿肿瘤瘤易易发发性性。当当基基因因的的第第二二个个拷拷贝贝失失活活时时，错错配配修修复复能能力力丧丧失失，导导致致高高突突变变表表型型出出现现。修修复复能能力力的的降降低低使使其其无无法法修修复复癌癌基基因因、抑癌基因关键部位的突变，有利于细胞恶性生长。抑癌基因关键部位的突变，有利于细胞恶性生长。27DNA损伤突变和修复三、转录偶联修复与三、转录偶联修复与Cockayne综合征（综合征（CS）P72转录偶联修复转录偶联修复（transcription-coupled repair,TCR） 1982年年提提出出。转转录录过过程程有有利利
22、于于DNA损损伤伤修修复复的的进进行行，基基本本转转录录因因子子(TFH)是是转转录录启启动动所所必必需需的的，也也是是参参加加核核苷苷酸酸切切除除修修复复不不可可缺缺少少的的蛋蛋白白质质因因子子。修修复复与与转转录录过过程程的的偶偶联联通通过过转转录录修修复复偶偶联联因因子子(transcription repair coupling factor,TRCF)来实现的。来实现的。 若若TRCF基基因因发发生生突突变变，损损伤伤的的DNA在在被被修修复复以后，不能继续进行转录，从而导致病变。以后，不能继续进行转录，从而导致病变。28DNA损伤突变和修复Cockayne综合征综合征（CS）P72
23、 常常染染色色体体隐隐性性遗遗传传疾疾，病病变变涉涉及及多多个个系系统统，但但皮肤癌易患率很低，有别于皮肤癌易患率很低，有别于XP。 CS由两组基因突变引起：由两组基因突变引起： CS-A,CS-B/ERCC6 基因突变，患者表现典型基因突变，患者表现典型CS症状症状 XPB，XPD或或XPG 基因突变，患者表现基因突变，患者表现XP-CS症状症状29DNA损伤突变和修复四、线粒体四、线粒体DNA修复与衰老修复与衰老P72线粒体：真核细胞重要的细胞器线粒体：真核细胞重要的细胞器 氧化磷酸化，氧化磷酸化，动力工厂动力工厂 产生氧自由基产生氧自由基 若不能及时清除，会损伤若不能及时清除，会损伤DNA 研研究究发发现现，35岁岁以以上上成成人人心心肌肌细细胞胞逐逐渐渐会会出出现现线线粒粒体体DNA片片段段丢丢失失现现象象，在在其其他他组组织织中中也也存存在在，随年龄增长更为明显。随年龄增长更为明显。30DNA损伤突变和修复31DNA损伤突变和修复
