1、DNA損傷與修復(fù)損傷與修復(fù) DNA Damage and Repair第十五章第十五章 各種體內(nèi)外因素所導(dǎo)致的各種體內(nèi)外因素所導(dǎo)致的DNA組成與結(jié)構(gòu)的組成與結(jié)構(gòu)的變化稱為變化稱為DNA損傷（損傷（DNA damage） 其一，其一，DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變，即的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變，即突變突變其二，其二，導(dǎo)致導(dǎo)致DNA失去作為復(fù)制和失去作為復(fù)制和/或轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄的模板的功能的模板的功能 DNA損傷的后果損傷的后果:生物多樣性依賴于：生物多樣性依賴于：DNADNA突變突變DNADNA修復(fù)修復(fù)平衡平衡DNA損傷損傷DNA Damage第一節(jié)第一節(jié)一、多種因素通過不同機(jī)制一、多種因素通過不同機(jī)制導(dǎo)致導(dǎo)

2、致DNA損傷損傷（一）體內(nèi)因素（一）體內(nèi)因素 DNA復(fù)制錯誤復(fù)制錯誤 DNA自身的不穩(wěn)定性自身的不穩(wěn)定性 機(jī)體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧機(jī)體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧nDNA復(fù)制錯誤：復(fù)制錯誤：n在在DNADNA復(fù)制過程中，堿基的異構(gòu)互變、復(fù)制過程中，堿基的異構(gòu)互變、4 4種種dNTPdNTP之間濃度之間濃度的不平衡等均可能引起堿基的錯配的不平衡等均可能引起堿基的錯配nDNADNA復(fù)制的錯配率約復(fù)制的錯配率約1/101/101010n復(fù)制錯誤還表現(xiàn)為片段的缺失或插入。復(fù)制錯誤還表現(xiàn)為片段的缺失或插入。n特別是特別是DNADNA上的短片段重復(fù)序列，在真核細(xì)胞染色體上廣上的短片段重復(fù)序列，在真核細(xì)胞染色體

3、上廣泛分布，導(dǎo)致泛分布，導(dǎo)致DNADNA復(fù)制系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)復(fù)制系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)“打滑打滑”現(xiàn)象，現(xiàn)象，使得新生成的使得新生成的DNADNA上的重復(fù)序列拷貝數(shù)發(fā)生變化。上的重復(fù)序列拷貝數(shù)發(fā)生變化。 nDNA自身的不穩(wěn)定性自身的不穩(wěn)定性 ：nDNADNA結(jié)構(gòu)自身的不穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)自身的不穩(wěn)定性是DNADNA自發(fā)性損傷中最頻繁和自發(fā)性損傷中最頻繁和最重要的因素。最重要的因素。n當(dāng)當(dāng)DNADNA受熱或所處環(huán)境的受熱或所處環(huán)境的pHpH值發(fā)生改變時，值發(fā)生改變時， DNADNA分子上分子上連接堿基和核糖之間的糖苷鍵可自發(fā)發(fā)生水解，導(dǎo)致堿基連接堿基和核糖之間的糖苷鍵可自發(fā)發(fā)生水解，導(dǎo)致堿基的的丟失丟失

4、或或脫落脫落，其中以，其中以脫嘌呤脫嘌呤最為普遍。最為普遍。n含有氨基的堿基還可能含有氨基的堿基還可能自發(fā)脫氨基反應(yīng)自發(fā)脫氨基反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N堿，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N堿基，即基，即堿基的轉(zhuǎn)變堿基的轉(zhuǎn)變，如，如C C轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)閁 U，A A轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镮 I（次黃嘌呤）（次黃嘌呤）等。等。（二）體外因素（二）體外因素 物理因素物理因素 化學(xué)因素化學(xué)因素 生物因素生物因素n物理因素：物理因素：電離輻射、紫外線電離輻射、紫外線(ultra violet, UV)n化學(xué)因素：化學(xué)因素：自由基導(dǎo)致的自由基導(dǎo)致的DNADNA損傷損傷堿基類似物導(dǎo)致的堿基類似物導(dǎo)致的DNADNA損傷損傷 堿基修飾劑、烷化劑導(dǎo)致的

5、堿基修飾劑、烷化劑導(dǎo)致的DNADNA損傷損傷 嵌入性染料導(dǎo)致的嵌入性染料導(dǎo)致的DNADNA損傷損傷 二、二、DNA損傷有多種類型損傷有多種類型堿基脫落堿基脫落堿基結(jié)構(gòu)破壞堿基結(jié)構(gòu)破壞嘧啶二聚體形成嘧啶二聚體形成DNA單鏈或雙鏈斷裂單鏈或雙鏈斷裂DNA交聯(lián)交聯(lián)n堿基損傷與糖基破壞：堿基損傷與糖基破壞：化學(xué)毒物可通過對堿基的某些基團(tuán)進(jìn)行修飾而化學(xué)毒物可通過對堿基的某些基團(tuán)進(jìn)行修飾而改變堿基的性質(zhì)。改變堿基的性質(zhì)。由于堿基損傷或糖基破壞，在由于堿基損傷或糖基破壞，在DNADNA鏈上可能形鏈上可能形成一些不穩(wěn)定點(diǎn)，最終可導(dǎo)致成一些不穩(wěn)定點(diǎn)，最終可導(dǎo)致DNADNA鏈的斷裂。鏈的斷裂。n堿基之間發(fā)生錯配堿

6、基之間發(fā)生錯配 ：堿基類似物的摻入、堿基修飾劑的作用可改變堿基類似物的摻入、堿基修飾劑的作用可改變堿基的性質(zhì)，導(dǎo)致堿基的性質(zhì)，導(dǎo)致DNADNA序列中的錯誤配對。序列中的錯誤配對。在正常的在正常的DNADNA復(fù)制過程中，存在著一定比例的復(fù)制過程中，存在著一定比例的自發(fā)堿基錯配。自發(fā)堿基錯配。最常見的是組成最常見的是組成RNARNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶摻的尿嘧啶替代胸腺嘧啶摻入到入到DNADNA分子中。分子中。nDNA鏈發(fā)生斷裂：鏈發(fā)生斷裂：n電離輻射電離輻射、化學(xué)毒劑化學(xué)毒劑、磷酸二酯鍵的斷裂磷酸二酯鍵的斷裂、脫氧戊糖脫氧戊糖的破壞的破壞、堿基的損傷和脫落堿基的損傷和脫落都是引起都是引起DNAD

7、NA斷裂的原因。斷裂的原因。n堿基損傷或糖基破壞可引起堿基損傷或糖基破壞可引起DNADNA雙螺旋局部變性，形雙螺旋局部變性，形成酶敏感性位點(diǎn)，特異的核酸內(nèi)切酶能識別并切割這成酶敏感性位點(diǎn)，特異的核酸內(nèi)切酶能識別并切割這樣的部位，造成鏈斷裂。樣的部位，造成鏈斷裂。nDNADNA鏈上被損傷的堿基也可以被另一種特異的鏈上被損傷的堿基也可以被另一種特異的DNA-DNA-糖糖基化酶除去，形成基化酶除去，形成無嘌呤嘧啶位點(diǎn)無嘌呤嘧啶位點(diǎn)（apurinic-apurinic-apyrimidinic site, apyrimidinic site, AP siteAP site），或稱無堿基位點(diǎn)（），或稱無

8、堿基位點(diǎn)（abasic abasic sitesite），這些位點(diǎn)在內(nèi)切酶等的作用下可形成鏈斷裂。），這些位點(diǎn)在內(nèi)切酶等的作用下可形成鏈斷裂。nDNA 的共價交聯(lián)：的共價交聯(lián)：pDNADNA雙螺旋鏈中的一條鏈上的堿基與另一條鏈上的堿雙螺旋鏈中的一條鏈上的堿基與另一條鏈上的堿基以共價鍵結(jié)合，稱為基以共價鍵結(jié)合，稱為DNADNA鏈間交聯(lián)鏈間交聯(lián)（DNA DNA interstrand cross-linkinginterstrand cross-linking）。）。pDNADNA分子中同一條鏈中的兩個堿基以共價鍵結(jié)合，稱分子中同一條鏈中的兩個堿基以共價鍵結(jié)合，稱為為DNADNA鏈內(nèi)交聯(lián)鏈內(nèi)交聯(lián)（

9、DNA intrastrand cross-linkingDNA intrastrand cross-linking）。）。pDNADNA分子還可與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合，稱為分子還可與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合，稱為DNA-DNA-蛋白蛋白質(zhì)交聯(lián)質(zhì)交聯(lián)（DNA protein cross-linkingDNA protein cross-linking）。）。DNA損傷可導(dǎo)致?lián)p傷可導(dǎo)致堿基置換堿基置換缺失缺失 插入插入 鏈的斷裂鏈的斷裂 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換顛換顛換DNA損傷的修復(fù)損傷的修復(fù)The repair of DNA damage第二節(jié)第二節(jié) DNADNA修復(fù)（修復(fù)（DNA repairDNA repair

10、）是指糾正）是指糾正DNADNA兩條單兩條單鏈間錯配的堿基、清除鏈間錯配的堿基、清除DNADNA鏈上受損的堿基或鏈上受損的堿基或糖基、恢復(fù)糖基、恢復(fù)DNADNA的正常結(jié)構(gòu)的過程。的正常結(jié)構(gòu)的過程。 DNADNA修復(fù)是機(jī)體維持修復(fù)是機(jī)體維持DNADNA結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)定性，保證生命延續(xù)和物種穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。定性，保證生命延續(xù)和物種穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。常見的常見的DNA損傷修復(fù)途徑損傷修復(fù)途徑 修復(fù)途徑修復(fù)途徑 修復(fù)對象修復(fù)對象 參與修復(fù)的酶或蛋白參與修復(fù)的酶或蛋白光復(fù)活修復(fù)光復(fù)活修復(fù) 嘧啶二聚體嘧啶二聚體 光復(fù)活酶光復(fù)活酶堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù) 受損的堿基受損的堿基 DNADNA糖

11、基化酶、無嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶糖基化酶、無嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶核苷酸切除修核苷酸切除修復(fù)復(fù) 嘧啶二聚體、嘧啶二聚體、DNADNA螺螺旋結(jié)構(gòu)的改變旋結(jié)構(gòu)的改變 大腸桿菌中大腸桿菌中UvrAUvrA、UvrBUvrB、UvrCUvrC和和UvrDUvrD，人人XPXP系列蛋白系列蛋白XPAXPA、XPBXPB、XPCXPGXPCXPG等等錯配修復(fù)錯配修復(fù) 復(fù)制或重組中的堿基復(fù)制或重組中的堿基配對錯誤配對錯誤 大腸桿菌中的大腸桿菌中的MutHMutH、MutLMutL、MutSMutS，人，人的的MLH1MLH1、MSH2MSH2、MSH3MSH3、MSH6MSH6等等重組修復(fù)重組修復(fù) 雙鏈斷裂雙鏈斷裂

12、 RecARecA蛋白、蛋白、KuKu蛋白、蛋白、DNA-PKcsDNA-PKcs、XRCC4XRCC4損傷跨越修復(fù)損傷跨越修復(fù) 大范圍的損傷或復(fù)制大范圍的損傷或復(fù)制中來不及修復(fù)的損傷中來不及修復(fù)的損傷 RecARecA蛋白、蛋白、LexALexA蛋白、其他類型蛋白、其他類型DNADNA聚合酶聚合酶一、有些一、有些DNA損傷可以直接修復(fù)損傷可以直接修復(fù) 嘧啶二聚體的直接修復(fù)嘧啶二聚體的直接修復(fù) 烷基化堿基的直接修復(fù)烷基化堿基的直接修復(fù) 無嘌呤位點(diǎn)的直接修復(fù)無嘌呤位點(diǎn)的直接修復(fù) 單鏈斷裂的直接修復(fù)單鏈斷裂的直接修復(fù)n嘧啶二聚體的直接修復(fù)嘧啶二聚體的直接修復(fù)n烷基化堿基的直接修復(fù)烷基化堿基的直接修

13、復(fù)n無嘌呤位點(diǎn)的直接修復(fù)無嘌呤位點(diǎn)的直接修復(fù)pDNADNA嘌呤插入酶嘌呤插入酶能催化游離嘌呤堿基或脫氧核苷與能催化游離嘌呤堿基或脫氧核苷與DNADNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共價鍵，導(dǎo)致嘌呤堿嘌呤缺如部位重新生成糖苷共價鍵，導(dǎo)致嘌呤堿基的直接插入。具有很強(qiáng)的基的直接插入。具有很強(qiáng)的專一性專一性。n單鏈斷裂的直接修復(fù)單鏈斷裂的直接修復(fù)pDNADNA連接酶連接酶能夠催化能夠催化DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條鏈上缺口雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條鏈上缺口處的處的5 5 - -磷酸基團(tuán)與相鄰片段的磷酸基團(tuán)與相鄰片段的3 3 - -羥基之間形成磷酸二羥基之間形成磷酸二酯鍵，從而直接參與部分酯鍵，從而直接參與部分DNAD

14、NA單鏈斷裂的修復(fù)，如電單鏈斷裂的修復(fù)，如電離輻射所造成的切口。離輻射所造成的切口。二、切除修復(fù)是最普遍的二、切除修復(fù)是最普遍的DNA損傷修復(fù)方式損傷修復(fù)方式 堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù) 核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)n堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù)（base excision repair） 識別水解識別水解：DNADNA糖基化酶特異性識別糖基化酶特異性識別DNADNA鏈中已受鏈中已受損的堿基并將其水解去除，產(chǎn)生一個無堿基位點(diǎn)；損的堿基并將其水解去除，產(chǎn)生一個無堿基位點(diǎn)； 切除切除：在此位點(diǎn)的：在此位點(diǎn)的5 5 端，無堿基位點(diǎn)核酸內(nèi)切酶將端，無堿基位點(diǎn)核酸內(nèi)切酶將DNADNA鏈的磷酸二酯鍵切開，去除剩

15、余的磷酸核糖部鏈的磷酸二酯鍵切開，去除剩余的磷酸核糖部分；分； 合成合成：DNADNA聚合酶在缺口處以另一條鏈為模板修補(bǔ)合聚合酶在缺口處以另一條鏈為模板修補(bǔ)合成互補(bǔ)序列；成互補(bǔ)序列； 連接連接：由：由DNADNA連接酶將切口重新連接，使連接酶將切口重新連接，使DNADNA恢復(fù)恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)正常結(jié)構(gòu)n核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)（nucleotide excision repair） 首先，由一個酶系統(tǒng)識別首先，由一個酶系統(tǒng)識別DNADNA損傷部位；損傷部位； 其次，在損傷兩側(cè)切開其次，在損傷兩側(cè)切開DNADNA鏈，去除兩個切口之間的鏈，去除兩個切口之間的一段受損的寡核苷酸；一段受損的寡核苷酸；

16、再次，在再次，在DNADNA聚合酶作用下，以另一條鏈為模板，合聚合酶作用下，以另一條鏈為模板，合成一段新的成一段新的DNADNA，填補(bǔ)缺損區(qū)；，填補(bǔ)缺損區(qū)； 最后由連接酶連接，完成損傷修復(fù)。最后由連接酶連接，完成損傷修復(fù)。E.coli的的NER主要由主要由4種種蛋白質(zhì)組成：蛋白質(zhì)組成：UvrAUvrBUvrCUvrD n人類的人類的DNA損傷核苷酸切除修復(fù)損傷核苷酸切除修復(fù) 首先由損傷部位識別蛋白首先由損傷部位識別蛋白XPCXPC和和XPAXPA等，再加上等，再加上DNADNA復(fù)制所需的復(fù)制所需的SSBSSB，結(jié)合在損傷，結(jié)合在損傷DNADNA的部位；的部位； XPBXPB、XPDXPD發(fā)揮解

17、旋酶的活性，與上述物質(zhì)共同作用發(fā)揮解旋酶的活性，與上述物質(zhì)共同作用在受損在受損DNADNA周圍形成一個凸起；周圍形成一個凸起； XPGXPG與與XPFXPF發(fā)生構(gòu)象改變，分別在凸起的發(fā)生構(gòu)象改變，分別在凸起的3-3-端和端和5-5-端發(fā)揮核酸內(nèi)切酶活性端發(fā)揮核酸內(nèi)切酶活性, , 在增殖細(xì)胞核抗原在增殖細(xì)胞核抗原（PCNAPCNA）的幫助下，切除并釋放受損的寡核苷酸；）的幫助下，切除并釋放受損的寡核苷酸； 遺留的缺損區(qū)由聚合酶遺留的缺損區(qū)由聚合酶 或或 進(jìn)行修補(bǔ)合成；進(jìn)行修補(bǔ)合成； 最后，由連接酶完成連接。最后，由連接酶完成連接。NER不僅能夠修復(fù)整個基因組中的損傷，而不僅能夠修復(fù)整個基因組中的

18、損傷，而且能拯救因轉(zhuǎn)錄模板鏈損傷而暫停轉(zhuǎn)錄的且能拯救因轉(zhuǎn)錄模板鏈損傷而暫停轉(zhuǎn)錄的RNA聚合聚合酶，即參與酶，即參與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)（轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)（transcription-coupled repair）。作用方式：作用方式：NER蛋白質(zhì)被募集于暫停的蛋白質(zhì)被募集于暫停的RNA聚合酶。聚合酶。轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)的意義：轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)的意義：將修復(fù)酶集中于正在轉(zhuǎn)將修復(fù)酶集中于正在轉(zhuǎn)錄錄DNA，使該區(qū)域的損傷盡快得以修復(fù)。，使該區(qū)域的損傷盡快得以修復(fù)。n堿基錯配修復(fù)堿基錯配修復(fù)（ mismatch repair）錯配是指非錯配是指非Watson-CrickWatson-Crick堿基配對。堿基配對。堿基錯配修

19、復(fù)也可被看作是堿基切除修復(fù)的一堿基錯配修復(fù)也可被看作是堿基切除修復(fù)的一種特殊形式，主要負(fù)責(zé)糾正：種特殊形式，主要負(fù)責(zé)糾正： 復(fù)制與重組中出現(xiàn)的堿基配對錯誤；復(fù)制與重組中出現(xiàn)的堿基配對錯誤； 因堿基損傷所致的堿基配對錯誤；因堿基損傷所致的堿基配對錯誤； 堿基插入；堿基插入； 堿基缺失。堿基缺失。 E.coliE.coli錯配修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)復(fù)制差錯錯配修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)復(fù)制差錯Dam甲基化酶（甲基化酶（methylase）使）使E.coli處處于暫時的于暫時的半甲基化狀態(tài)半甲基化狀態(tài)，標(biāo)記母鏈和新合成，標(biāo)記母鏈和新合成的的DNA鏈，幫助鏈，幫助新合成的新合成的DNA鏈鏈被錯配修復(fù)被錯配修復(fù)系統(tǒng)識別并修復(fù)。系統(tǒng)識別并修復(fù)。模板鏈模板鏈的的GATC序列甲基化序列甲基化 MutH僅切割僅切割新新合成的合成的DNA鏈鏈 MutH的切口位于錯配核苷酸的的切口位于錯配核苷酸的5 側(cè)側(cè)，使用外切酶，使用外切酶或或RecJ，按，按53 方向降解方向降解DNA；切口位于錯配的切口位于錯配的3側(cè)側(cè)，則使用外切酶，則使用外切酶，按，按3 5 方向降解方向降解DNA。DNA聚合酶聚合酶填補(bǔ)所產(chǎn)生單鏈填補(bǔ)所產(chǎn)生單鏈DNA缺口。缺口。MSH（MutS homologs）蛋白）蛋白與與MutL同源的同源的MLH和和PMS蛋白蛋白真核細(xì)胞錯配修復(fù)系統(tǒng)無真