DNA损伤与修复

第5章 DNA的损伤、修复和基因突变 主要内容
5.1 DNA损伤
5.2 DNA损伤的后果 5.3 DNA的修复 5.4 基因突变
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5.1 DNA损伤
DNA损伤指DNA双螺旋结构发生的任何改变。 DNA结构发生的变化主要分为2种： 单个碱基的改变 双螺旋结构的异常扭曲
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5.1.1 DNA分子的自发性损伤 1. DNA复制中的错误 以DNA为模板按碱基配对
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缺失突变：指一个或多个碱基从一段DNA序 列中被删除，或较长核苷酸序列丢失引起的突 变，这种突变难以被恢复。 渗漏突变：是突变基因的产物尚有部分活性的 错义突变，是表型介于野生型与完全突变型之 间的某种状态。 回复突变：从突变型又回复为原来的野生型表 现型的突变过程。
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人类核苷酸切除修复有关的基因: （XPA，XPB，XPC，XPD，XPF，XPG） 缺陷，引起人类着色性干皮病。 P106 Fig5-1
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5.3.2 错配修复(mismatch repair)
错配修复系统能够识别错配位点以及 “新”“旧”链，将错配新链切除并加以修复。
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Dam 甲基化酶可使DNA的GATC序列 中腺嘌呤N6位甲基化。复制后DNA在短期 内(数分钟)为半甲基化的GATC序列，一旦 发现错配碱基，即将未甲基化的链切除， 并以甲基化的链为模板进行修复。即DNA 的半甲基化可区别子链与母链，使子链中 的错配碱基被切除修复机制去除。
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大肠杆菌核苷酸切除修复有关的酶 1） UvrABC内切酶（切除酶）： 是uvrA，uvrB和uvrC三个基因表达产物的 复合物；在损伤位置两侧各作一缺口（UvrB在3’ 端，UvrC在5’端）。 2）解螺旋酶（UvrD编码）：去除UvrABC内切 酶产生的寡核苷酸； 3）DNA聚合酶(DNA pol) 4）DNA连接酶(DNA Ligase)
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A
G
T
C
转换 颠换
图 21-1 转换与颠换
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②缺失（deletion） 指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。 ③插入（insertion） 指一个或一段核苷酸插入到DNA链中。 为蛋白质编码的序列中如缺失及插入的 核苷酸数不是3的整倍数，则发生读框移动， 使其后所译的氨基酸序列全部混乱，称为移 码突变（frame-shift mutaion）。
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1 碱基的切除修复 是一种较普遍的修复过程，主要修复 单个碱基缺陷的损伤。 过程如下：
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1.DNA糖苷酶：识别DNA中的不正常碱基，将其水 解脱落。 尿嘧啶-N-糖苷酶 次黄嘌呤-N-糖苷酶 2.无嘌呤或无嘧啶位点称为AP-位点 AP核酸内切酶 3. 外切核酸酶 4. DNA聚合酶I
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2 核苷酸的切除修复 DNA双螺旋结构有较大损伤时。 ①首先由切除酶识别DNA的损伤位点，在损 伤部位的两侧切开磷酸二酯键。 ②在DNA聚合酶的催化下，以完整的互补链 为模板，按5’-3’方向DNA链，填补已切除的 空隙。 ③由DNA连接酶将新合成的DNA片段与原 来的DNA链连接起来。
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错义突变：是基因突变改变了所编码的氨基酸的种类 或位置的突变，能不同程度地影响蛋白质或酶的活性。 无义突变：当氨基酸密码子变为终止密码子(UAA、 UAG、UGA) 时，称为无义突变，它导致翻译提前结 束。 移码突变：是由于一个或多个非三整数倍的核苷酸对 插入或缺失，导致编码区该位点后的三联体密码子阅 读框架改变，从而使后面的氨基酸都发生错误，使该 基因产物完全失活，如出现终止密码子，也可使翻译 提前结束。
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④双链断裂
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5.3 DNA的修复 细胞对DNA损伤的修复系统主要有5种：
切除修复、错配修复、直接修复、重组修 复、易错修复。
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5.3.1 切除修复( excision repair)
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 等都能修复。这种修复方式普遍存在于各 种生物细胞中，也是人体细胞主要的DNA 修复机制。修复过程需要多种酶的一系列 作用。
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虽然单断发生频率为双断的10-20倍，但还 比较容易修复；对某些细胞（如细菌）一次双 断就是致死事件。
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④交联
包括DNA链交联和DNA-蛋白质交联。同一 条DNA链上或两条DNA链上的碱基间可以共价 键结合，DNA与蛋白质之间也会以共价键相连， 组蛋白、调控蛋白、与复制和转录有关的酶都会 与DNA共价键连接。这些交联会影响细胞的功 能和DNA复制。
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与修复相关基因：
Uvr A、B、C
recA lexA ssb umuDC(编码DNA聚合酶Ⅴ) dinB(编码DNA聚合酶Ⅳ)
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பைடு நூலகம்
SOS反应
Lex AA 阻遏蛋白 Lex 阻遏蛋白
SOS基因
DNA
操纵序列
基因 表达 激活 Rec A 与DNA 损伤修复有 关的酶和蛋白质
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紫外线
5.4 基因突变(mutation)
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单链结合蛋白：稳定单链模板。 DNA聚合酶Ⅲ：从3’-OH填补空缺。 DNA 连接酶：连接切口。
P108 Fig.5-2
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错配修复的意义 修复DNA复制过程中逃避了DNA聚合酶校 正作用的子链上的错配碱基。在子链合成后几分 钟之内，GATC尚未甲基化，故能被MutH蛋白 识别，结合并制造切口。
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(2)单链断裂的重接 DNA单链断裂是常见的损伤，其中一部分可 仅由DNA连接酶（ligase）参与而完全修复。此 酶在各类生物各种细胞中都普遍存在，修复反应 容易进行。但双链断裂几乎不能修复。
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(3) 烷基的转移 在细胞中发现有一种O6-甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶(MGMT)，能直接将甲基从 DNA链鸟嘌呤O6位上移到酶自身的半胱氨酸 残基上而修复损伤的DNA。这个酶的修复能 力并不很强，但在低剂量烷化剂作用下能诱 导出此酶的修复活性。
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5.3.3 直接修复 (1)光修复 这是最早发现的DNA修复方式。修复是由细菌 中的DNA光解酶（photolyase）完成。 酶特异性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共 价结合的二聚体，并与其结合，这步反应不需要光； 结合后如受300-600nm波长的光照射，则此酶 就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体； 酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构。
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A T
A' T'
C G
碱基的互变异构
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②碱基的脱氨基作用
脱氨基作用指碱基的环外氨基自发脱落.鸟嘌 呤会变成黄嘌呤（X） 、腺嘌呤会变成次黄嘌呤 (I)、胞嘧啶会变成尿嘧啶. G
A
X
I
C
C AT GC
C
U
A
GC
AT
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③脱嘌呤与脱嘧啶 生理条件下，自发的水解可使嘌呤和嘧 啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落下来。 例如，一个哺乳类细胞在37℃条件下，20h 内DNA链上自发脱落的嘌呤约1000个、嘧啶 约500个；估计一个长寿命的哺乳动物类细 胞（如神经细胞）在整个生活期间自发脱嘌 呤数约为108，这占细胞DNA中总嘌呤数约 30%。
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大肠杆菌错配修复系统： MutS蛋白：识别错配的碱基。
MutL蛋白：将MutH和MutS蛋白连接成复合体。
解螺旋酶：解开DNA双链。 MutH蛋白：内切酶，在子链未甲基化的GATC序列 靠近鸟嘌呤的5’-端造成一个切口，如果切开处位于 错配碱基的3 端，由外切核酸酶Ⅰ或者Ⅹ切除。如 果位于5端，由外切酶Ⅶ或Rec J 切除。使包括错 配碱基在内的数百个核苷酸得以切除。
转换（transition） 颠换（transversion mutation）
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同义突变(无声突变或中性突变)：是基因突变改变 了密码子的组成，但是由于密码子的简并性而未改 变所编码的氨基酸的突变。 例如，基因中的密码CTA突变为CTG,则所转录的 mRNA中将由GAU变为GAC,但是他们都是天冬氨 酸的密码子。因此同义突变步只改变基因的序列。
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2. 电离辐射引起的DNA损伤 电离辐射损伤DNA有直接和间接的效应， 直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损伤， 间接效应是指DNA周围其他分子（主要是水分 子）吸收射线能量产生具有很高反应活性的自 由基进而损伤DNA。电离辐射可导致DNA分子 的多种变化：
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①碱基变化 主要是由.OH自由基引起，包括DNA链上的 碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏 和脱落等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。 ②脱氧核糖变化 脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能 . 与 OH反应，导致脱氧核糖分解，最后会引起 DNA链断裂。
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5.1.3 化学因素引起的DNA损伤 1.烷化剂对DNA的损伤 ①单功能基烷化剂，只能使一个位点烷基化. 如甲基甲烷碘酸;
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②双功能基烷化剂，其两个功能基可同时 使两处烷基化，结果就能造成DNA链内、 DNA链间、DNA与蛋白质间的交联。
如氮芥、硫芥等、一些抗癌药物如环磷酰 胺、苯丁酸氮芥、丝裂霉素等、某些致癌 物如二乙基亚硝胺等均属此类.
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③DNA链断裂 这是电离辐射引起的严重损伤事件，断链数 随照射剂量而增加。射线的直接和间接作用都可 能使脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而致DNA链 断裂。
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DNA双链中一条链断裂称单链断裂 （single strand broken），DNA双 链在同一处或相近处断裂称为双链断 裂（double strand broken）。
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5.3.4 重组修复(recombination repair)
复制后修复
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重组蛋白-RecA: 交换DNA链的活性 RecBCD:多功能酶，具有解螺旋酶、 核酸酶及ATP酶活性，能在重组位点 产生3'单链，利于修复链的延伸。