DNA的损伤、修复和突变【PPT】

图5-16 哺乳动物细胞DNA双链断裂的非同源末端连接
损伤跨越 当损伤无法修复(如复制叉已经解开了母链，致
使切除修复系统无法利用互补链作为修复合成的模 板)，或者修复系统还没有时机去修复，细胞利用两 套相对独立的损伤跨越修复系统——重组跨越、跨 越合成，先不管损伤，设法完成复制。
重组跨越
重组跨越又称为重组修复，利用同源重组的方法将DNA 模板进行交换以克服损伤对复制的障碍，而随后的复制仍然 使用细胞内高保真的聚合酶。是一种无错修复，因为忠实性 未受到影响。
长期效应
老化
肿瘤
疾病
所以在进化过程中生物细胞所获得的修复DNA损伤 的能力就显得十分重要，也是生物能保持遗传稳定性之 奥秘所在。
在细胞中能进行修复的生物大分子也就只有DNA， 反映了DNA对生命的重要性。
另一方面，在生物进化中突变又是与遗传相对立统 一而普遍存在的现象，DNA分子的变化并不是全部都能
图5-2 活性氧造成的碱基损伤
(4) 碱基交联
紫外线照射可导致DNA链上相邻的嘧啶碱基，主要是T之间形成 环丁烷嘧啶二聚体或6-4光产物。
(5) 碱基错配 引起错配的原因有DNA复制过程中4种脱氧核苷三磷酸 浓度的失调、碱基的互变异构或碱基之间的差异缺乏 以让聚合酶正确区分。尽管聚合酶可纠正大局部错配 的碱基，但仍有“漏网之鱼〞。
光复活是针对紫外线引起DNA损伤而形成的胸腺嘧啶 二聚体，在损伤部位进行修复的修复途径。光复活作用在可 见光的活化下，由光复活酶(PR酶, 又称光解酶)，催化胸腺 嘧啶二聚体分解成为单体。
PR酶先与DNA链上的胸腺嘧啶二聚体结合成复合物； 复合物以某种方式吸收可见光，并利用光能切断二聚体之间 的两个C-C键，使胸腺嘧啶二聚体变为两个单体，恢复正常， 而后PR酶就从DNA上解离下来。
DNA链的损伤又分为3个亚类： (1) 链的断裂
单链断裂和双链断裂，由离子辐射(X射线、 射线)和某些化学试
剂的作用，如博来霉素。链断裂是极严重的损伤，当DNA出现太 多的裂口(特别是双链裂口)时，往往难以修复，导致细胞死亡。 癌症放疗的原理就在于此。
(2) DNA链的交联
一些双功能试剂导致DNA发生链间交联，如顺铂和丝裂霉素。
修复时首先要区别模板链和新合成的DNA链，这是通 过碱基的甲基化来实现的。半甲基化DNA成为识别模板链 和新合成链的根底。
错配修复发生在GATC的邻近处，故这种修复也称为 甲基指导的错配修复。
错配修复是一个低效率、高耗能的过程。所有错配都 可由这一系统修复，但其中以G－T错配修复更为有效，C －C错配的修复为弱。
MMR(mismatch repair) 错配修复是在含有错配碱基的DNA分子中，使
正常核苷酸序列恢复的修复方式；主要用来纠正 DNA双螺旋上错配的碱基对，还能修复一些因复制 打滑而产生的小于4nt的核苷酸插入或缺失。
现已在大肠杆菌、酵母和哺乳动物中发现了这 一系统。
MMR的过程需要区分母链和子链，做到只切 除子链上错误的核苷酸，而不会切除母链上本来就 正常的核苷酸。修复的过程是：识别出正确的链， 切除掉不正确的局部，然后通过DNA聚合酶III和 DNA连接酶的作用，合成正确配对的双链DNA。
导致DNA损伤的因素包括细胞内的和环境中的因素。 细胞内的因素：
DNA结构本身的不稳定； DNA复制过程中自然发生的错误，主要是碱基错配； 细胞内活性氧(ROS)带来的破坏作用。
环境因素：
化学因素——化学诱变剂； 物理因素——紫外辐射、离子辐射。
DNA损伤可分为碱基损伤和DNA链的损伤。
图5-1 DNA分子上可能遭遇到的各种损伤
切除修复属于Error-free repair无过失修复 Base excision repair (BER，碱基切除修复)
Uracil-DNA N glycosylase system(糖苷酶系 统) Nucleotide Excision Repair (NER，核苷酸切除 修复) E. coli UvrABC endonuclease 系统
图5-15 E. coli错配修复的详细过程
Double-stranded break repair) DNA断裂特别是双链断裂是一种极严重的损伤
。这种损伤难以彻底修复，因为双链断裂修复难以 找到互补链来提供修复断裂的遗传信息。
细胞主要用两种机制来修复DNA双链断裂：第 一种是同源重组，通过同源重组从同源染色体那里 获得适宜的修复断裂的信息，精确度较高；第二种 称为非同源末端连接(NHEJ)，在无序列同源的情况 下，让断裂的末端重新连接起来，精确性低，是人 类修复双链断裂的主要方式。
图5-5 嘧啶二聚体的直接修复
烷基化碱基的直接修复
烷基转移酶参与烷基化碱基的修复。 大肠杆菌中，6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶(Ada酶)直接修复 6-甲基鸟嘌呤、4-烷基胸腺嘧啶和甲基化的磷酸二酯键。Ada 酶以活性中心的1个Cys残基作为甲基受体，一旦得到甲基就 失活，因此是一种自杀酶。 MGMT-II是另一种烷基转移酶。
DNA糖苷酶切除受损的 碱基，产生无嘌呤或无嘧啶 位点(AP site)。AP内切酶在 此AP site上游切开DNA链， 随后在DNA聚合酶催化下， 切 口 的 3’-OH 端 进 行 DNA 的 修复合成，模板是另一条链 上的无损伤的互补序列。
图5损伤。2个切口之间的带有损伤的DNA片段被去 除。
④填补缺口。由DNA聚合酶完成。 ⑤缝合切口。由DNA连接酶完成。
核苷酸切除修复(NER)主要用来修复导致DNA结 构发生扭曲并影响到DNA复制的损伤。
NER可分为全局性基因组NER(GGR)和转录偶联 性NER(TCR)。
GGR负责修复整个基因组的损伤，速度慢，效 率低；TCR专门修复那些正在转录的基因在模板链上 的损伤，速度快，效率高。
UvrA:损伤识别，充 当分子接头 UvrB: 损伤识别，具 有ATP酶和核酸内切 酶活性 UvrC: 具有内切核酸 酶活性 UvrD: II型解链酶 DNA 聚 合 酶 I/II ： 填 补空缺 DNA 连 接 酶 ： 缝 合 切口
图5-12 E. coli核苷酸切除修复的详细过程
图5-14 哺乳动物细胞的GGR和TCR
如何识别新链和旧链？
Methyl group
G
GATC
Parent
T
CTAG
New
Hemi-methylation
Not methylated yet
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MutS: 识别错配碱基，具有弱ATP 酶活性 MutL: 调节MutS和MutH之间的相 互作用，与UvrD作用 MutH: 结合半甲基化的GATC位点 ，序列和甲基化特异性内切酶，剪 切非甲基化GATC的5’-端 UvrD: 解链酶，催化被切开的含有 错配碱基的子链与母链的别离
外界环境和生物体内部的因素都经常会导致dna分子的损伤或改变而且与rna及蛋白质可以在胞内大量合成不同一般在一个原核细胞中只有一份dna在真核二倍体细胞中相同的dna也只有一对如果dna的损伤或遗传信息的改变不能更正对体细胞就可能影响其功能或生存对生殖细胞则可能影响到后代
第5章 DNA的损伤、修复和突变
切 除 修 复 分 为 碱 基 切 除 修 复 (BER) 和 核 苷 酸 切 除 修 复 (NER)。BER直接识别具体的受损碱基，识别的标记是受损碱 基的化学变化，而NER识别损伤对DNA双螺旋结构造成的扭 曲。BER中还有一类专门修复DNA复制中产生错配碱基对的 机制，称为错配修复(MMR)。
在可见光的存在下，DNA光解酶(photolyase，光复活酶) 可将 环丁烷二聚体再分解为单体。
这些酶含有可吸收蓝光并将能量转移到待切环丁烷环中 的辅基 。E. coli 的光解酶含有2个色素分子，N5，N10次甲基四氢叶酸和复原性的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。
光复活对嘧啶二聚体是专一性的。是损伤被“直接修复 〞的一种例子，是无过失的。
DNA存储着生物体赖以生存和 繁衍的遗传信息，因此维护DNA分
子的完整性对细胞至关重要。 外界环境和生物体内部的因素都 经常会导致DNA分子的损伤或改变， 而且与RNA及蛋白质可以在胞内大 量合成不同，一般在一个原核细胞中
DNA损伤的后果
DNA 修复机制
生理功能紊乱
短期效应
细胞死亡
异常增生和代谢
细胞增殖减少 基因组不稳定 信号传导异常 基因表达异常
NER主要用来修复导致DNA结构发生扭曲并影响到DNA复制 的损伤，如可造成DNA发生大约30度弯曲的嘧啶二聚体，此外，大 约20%由ROS造成的碱基氧化性损伤也由它修复。
NER识别损伤并不针对损伤本身，而是针对损伤对DNA双螺 旋结构造成的扭曲，故许多不同的损伤能被相同的机制和几乎同一 套修复蛋白修复。
以大肠杆菌为例，一旦复制叉到达损伤位点，DNA聚合 酶III即停止移动，随后与模板链解离，在损伤点下游约1kb的 地方重启DNA复制，在子链上留下一段空缺。
在RecA蛋白的催化下，原DNA的一条母链(与新合成的 子链序列一致)的同源片段被重组到子代DNA上，填补子链的 空缺，但在母链上产生新的空缺。
(3) DNA与蛋白质之间的交联
紫外线可诱导DNA与结合在其上的蛋白质之间形成共价交联。
图5-4 离子辐射引起的DNA链断裂
的修复机制 尽管DNA损伤的形式很多，但细胞内
存在十分完善的修复系统。根本上每一种 损伤在细胞内都有相应的修复系统(有时不 止一种)。
细胞内的绝大多数修复系统将损伤的 核苷酸与周围的正常核苷酸一起切除，以 另一条互补链上正常的核苷酸序列为模板， 重新合成核苷酸，取代原来异常的核苷酸。
图5-6 烷基化碱基的直接修复
切除修复
先切除受损的碱基或核苷酸，重新合成正常的核苷酸， 再经连接酶重新连接，前后经历识别、切除、重新合成和重 新连接四步。
由于这些酶的作用不需可见光激活，也叫暗修复。切除 修复不仅能消除由紫外线引起的损伤，也能消除由电离辐射 和化学诱变剂引起的其他损伤。切除修复一般发生在下一轮 DNA复制之前，又称复制前修复。
链断裂的直接修复
这种修复由DNA连接酶催化，但裂口必须正好是DNA连 接酶的底物，即相邻的5’-P和3’-OH。
无过失直接修复
烷基转移酶
• 损伤：烷化剂使鸟嘌呤或 O6位甲基化，改变它的配对性质。 • 修复：烷基转移酶特异性地转移O6 –甲基鸟嘌呤或 O6 –乙基鸟嘌呤
上的甲基或乙基基团到酶分子的半胱氨酸上，从而修复DNA损伤。
直接修复
也称损伤逆转，不切除受损伤的碱基，而是直接将其逆 转为正常的碱基。
嘧啶二聚体的直接修复
嘧啶二聚体是一种极常见的损伤，导致DNA双螺旋发生 扭曲，影响到DNA复制和转录。既可被直接修复，也可被切 除修复。
参 与 直 接 修 复 的 是 DNA 光 复 活 酶 (photoreactivating enzyme)或光裂解酶(photolyase)。
被修复成原样的，正因为如此生物才会有变异、有进化。
5.1 DNA损伤及其修复 DNA与其他生物大分子一样会 遇到各种因素造成的损伤。DNA损伤 如果不修复，不仅会影响到DNA的复 制和转录，还可能导致细胞的癌变或
早衰甚至死亡。 为防止DNA损伤的不良后果， 细胞往往会尽量修复DNA损伤，而不
导致DNA损伤的因素及损伤类型
DNA损伤
E.coli excinuclease
Nucleotide excision repair
human excinuclease
人类核酸切除酶
DNA解旋酶
ε DNA聚合酶ε
DNA连接酶
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①探测损伤。由特殊的蛋白质完成并由此引发一系列 的蛋白质与受损DNA的有序结合。
②切开损伤链。特殊的内切酶在损伤部位的两侧DNA 链，损伤以寡聚核苷酸的形式被切除。
碱基损伤有5个亚类 碱基丧失
由水分子进攻DNA分子上连接碱基和核糖间的糖苷键 引起，以脱嘌呤最为普遍。黄曲霉毒素B1能加剧此反 响，导致癌症。 (2) 碱基转换 含有氨基的碱基自发地或在某些化学试剂的作用下发 生了脱氨基反响。 (3) 碱基修饰 某些试剂直接作用碱基，如烷基化试剂修饰鸟嘌呤产 生6-烷基鸟嘌呤，活性氧ROS修饰鸟嘌呤和胸腺嘧啶 分别产生8-氧鸟嘌呤和胸腺嘧啶乙二醇。
切除修复是修复DNA损伤最为普遍的方式。 对多种DNA损伤包括碱基脱落形成的无碱基 位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链断裂 等都能起修复作用。
这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中，
碱基丧失
DNA的损伤和切除修复
糖苷酶 碱基缺陷或错配
结构缺陷
切开 AP核酸内切酶
切开 核酸内切酶
切除 核酸外切酶
切除 核酸外切酶 修复 DNA聚合酶 连接 DNA连接酶