04 第四章 DNA的损伤和修复

(3) 合成：DNA聚合酶以单链区为模板合成互补拷贝以 合成： 聚合酶以单链区为模板合成互补拷贝以 填补缺口，最后DNA连接酶将新合成的 连接酶将新合成的DNA片段和 填补缺口，最后 连接酶将新合成的 片段和 损伤部位连接起来。 损伤部位连接起来。
依据DNA损伤的类型，切除修复可以分为 损伤的类型， 依据 损伤的类型 以下三种方式： 以下三种方式：
二、DNA被烷化反应、氧化反应和辐射损伤 被烷化反应、 被烷化反应
1. 烷化反应： 烷化反应：
在烷化反应中， 在烷化反应中，甲基或乙基基团被转移到碱基的 反应位点以及DNA骨架的磷酸上。 骨架的磷酸上。 反应位点以及 骨架的磷酸上 烷化化合物包括亚硝胺、 烷化化合物包括亚硝胺、EMS和非常强烈的实验 和非常强烈的实验 室诱变剂N-甲基 甲基-N 硝基 亚硝基胍。 硝基-N-亚硝基胍 室诱变剂 甲基 1-硝基 亚硝基胍。 鸟嘌呤C 鸟嘌呤 6原子上的氧是最容易发生烷基化的位点 之一。其甲基化产物O 甲基 甲基-鸟嘌呤常常与胸腺 之一。其甲基化产物 6-甲基 鸟嘌呤常常与胸腺 嘧啶错配。 嘧啶错配。
DNA的损伤和修复 第四章 DNA的损伤和修复
DNA damage and repair
本章内容安排
第一节：DNA损伤的类型及原因 第一节： 损伤的类型及原因 第二节： 第二节：DNA损伤的修复机制 损伤的修复机制
DNA 复制的忠实性 第一轮控制：错误几率10-5 第一轮控制 1 细胞里的dUTPase dUTPase除去dUTP， dUTP， 细胞里的dUTPase dUTP 2 尿嘧啶尿嘧啶-N-糖苷酶 第二轮控制：错误几率10-5 第二轮控制： 3 错配修复 DNA 聚合酶I和III 4 引物切除和替换 总错误几率10 ， 实际错误率10 总错误几率 -10， 实际错误率 -10-10-11
a. 碱基切除修复（ 碱基切除修复（base excision repair, BER)， ， 多用于轻微损伤修复； 多用于轻微损伤修复； b. 核苷酸切除修复（nucleotide excision repair , NER） 核苷酸切除修复（ ） 用于严重损伤引起DNA链双螺旋变形，如嘧啶二聚体； 用于严重损伤引起 链双螺旋变形，如嘧啶二聚体； 链双螺旋变形 c. 碱基错配修复 碱基错配修复(mismatch repair)。 。
2. 点突变：由单一碱基的改变而产生的突变。可以是一 点突变：由单一碱基的改变而产生的突变。 个碱基的缺失、插入、碱基转换（嘧啶－嘧啶， 个碱基的缺失、插入、碱基转换（嘧啶－嘧啶，嘌呤 嘌呤）、碱基颠换（嘧啶－嘌呤，嘌呤－嘧啶） ）、碱基颠换 －嘌呤）、碱基颠换（嘧啶－嘌呤，嘌呤－嘧啶） 3. 沉默突变（silent mutation）：遗传密码的改变并未 沉默突变（ ）：遗传密码的改变并未 ）： 引起氨基酸的改变，或尽管氨基酸发生了改变， 引起氨基酸的改变，或尽管氨基酸发生了改变，但两 种氨基酸的性质和结构相近， 种氨基酸的性质和结构相近，产物的生物学特性无明 显改变，这种突变称为沉默突变。 显改变，这种突变称为沉默突变。 4. 致死突变（lethal mutation）：影响到关键性氨基酸 致死突变（ ）：影响到关键性氨基酸 ）： 且导致产物生物学功能丧失及生物体死亡的突变。 且导致产物生物学功能丧失及生物体死亡的突变。
Ethylmethane sulfonate(EMS): 甲基磺酸乙酯
2. 氧化反应： 氧化反应：
DNA易受到活性氧簇的攻击（如O2-、H2O2、OH·）。 易受到活性氧簇的攻击（ 易受到活性氧簇的攻击 ）。 鸟嘌呤氧化后产生氧代鸟嘌呤（ ），有强烈的诱 鸟嘌呤氧化后产生氧代鸟嘌呤（oxoG），有强烈的诱 ）， 变性，既能与腺嘌呤也能与胞嘧啶碱基配对。如果在 变性，既能与腺嘌呤也能与胞嘧啶碱基配对。 复制时与腺嘌呤配对，则产生G:C到T:A的突变，这是 的突变， 复制时与腺嘌呤配对，则产生 到 的突变 人类癌症中最普通的突变之一。 人类癌症中最普通的突变之一。
胸腺嘧啶的碱基类似物
2. 嵌入剂（intercalating agent）：能插入碱基 嵌入剂（ ）：能插入碱基 ）： 间的化合物
嵌入剂是含有几个多元环的扁平分子，能与 嵌入剂是含有几个多元环的扁平分子，能与DNA中同 中同 样扁平的嘌呤或者嘧啶碱基结合， 样扁平的嘌呤或者嘧啶碱基结合，能导致一个甚至几 个碱基对的缺失或插入。 个碱基对的缺失或插入。 常见的嵌入剂：原黄素、丫啶橙、溴化乙锭（ 常见的嵌入剂：原黄素、丫啶橙、溴化乙锭（EtBr） ）
胞嘧啶脱氨基形成尿嘧啶
2. 腺嘌呤和鸟嘌呤脱氨基： 腺嘌呤和鸟嘌呤脱氨基：
腺嘌呤和鸟嘌呤脱氨基变成次黄嘌呤和黄嘌呤。 腺嘌呤和鸟嘌呤脱氨基变成次黄嘌呤和黄嘌呤。次黄 嘌呤与胞嘧啶更容易形成氢键 与胞嘧啶更容易形成氢键。 嘌呤与胞嘧啶更容易形成氢键。
3. 去嘌呤化或去嘧啶化： 去嘌呤化或去嘧啶化：
甲基基团的去除 细菌和动物都有此途径，在大肠杆菌中，此酶受 烷基化诱导。 细菌和动物都有此途径，在大肠杆菌中，此酶受DNA烷基化诱导。 烷基化诱导
二、切除修复（常用方式） 切除修复（
切除修复主要步骤有三步： 切除修复主要步骤有三步： (1) 切开：特异的核酸内切酶识别损伤结构并切断其两 切开： 端的磷酸二酯键； 端的磷酸二酯键； (2) 切除：特异的酶或蛋白因子将损伤片段去除； 切除：特异的酶或蛋白因子将损伤片段去除；
鸟嘌呤的修饰
3. 辐射损伤： 辐射损伤：
紫外线， 左右波长的辐射被碱基强烈吸收， 紫外线，260nm左右波长的辐射被碱基强烈吸收，其 左右波长的辐射被碱基强烈吸收 后果之一是在同一条多核苷酸链相邻位置上的两个嘧 啶之间发生光化学融合产生二聚体。 啶之间发生光化学融合产生二聚体。这些连接的碱基 会使DNA复制中途停止。 复制中途停止。 会使 复制中途停止 γ辐射和 射线（断裂剂 辐射和X射线 断裂剂clastogen）: 能量较高，能 辐射和 射线（ ） 能量较高， 电离DNA 周围的分子形成高度活跃的自由基，使碱基 周围的分子形成高度活跃的自由基， 电离 改变或打断DNA链，这很难被修复。 改变或打断 链 这很难被修复。
4. 5’-甲基胞嘧啶脱氨基产生胸腺嘧啶： 甲基胞嘧啶脱氨基产生胸腺嘧啶： 甲基胞嘧啶脱氨基产生胸腺嘧啶
脊椎动物DNA由于甲基转移酶的作用经常在胞嘧啶的 由于甲基转移酶的作用经常在胞嘧啶的 脊椎动物 位置上含有一个5’-甲基胞嘧啶 甲基胞嘧啶， 位置上含有一个 甲基胞嘧啶，这个修饰后的碱基在 转录沉默中起作用。 转录沉默中起作用。 脊椎动物DNA中甲基化的胞嘧啶是自发突变的热点。 中甲基化的胞嘧啶是自发突变的热点。 脊椎动物 中甲基化的胞嘧啶是自发突变的热点
光复活作用
光裂合酶-DNA photolyase, 打断嘧啶二聚 光裂合酶 体（pyrimidine dimer），吸收UV-A-），吸收 ），吸收 蓝光（ 可见光） 蓝光（300-600nm可见光） 可见光
Albert Kelner and Renato Dulbecco 发 现细菌光复活/光修复现象 现细菌光复活 光修复现象 （photoreactivation, light repair）。 ）。
（一）碱基切除修复（BER）： 碱基切除修复（ ）：
1. DNA糖苷酶（glycosylases）特异识别 糖苷酶（ 糖苷酶 ）特异识别DNA中发生 中发生 改变的碱基，并通过水解将其去除； 改变的碱基，并通过水解将其去除； 2. AP核酸内切酶识别裸露的脱氧核糖位点，在其5’端切 核酸内切酶识别裸露的脱氧核糖位点，在其 端切 核酸内切酶识别裸露的脱氧核糖位点 骨架磷酸二酯键， 断DNA骨架磷酸二酯键，并由磷酸二酯酶切除脱氧核 骨架磷酸二酯键 糖磷酸残基； 糖磷酸残基； 3. 最后由 最后由DNA聚合酶和连接酶将缺口修复。 聚合酶和连接酶将缺口修复。 聚合酶和连接酶将缺口修复
7. 校正突变（suppressor mutation）：移码突变有时 校正突变（ ）：移码突变有时 ）： 可由同一基因内的另一碱基的缺失或插入所抵消， 可由同一基因内的另一碱基的缺失或插入所抵消，但 要求第二个移码突变发生在前一突变位点的下游。 要求第二个移码突变发生在前一突变位点的下游。这 样的第二个移码突变称为校正突变
环丁烷环
胸腺嘧啶二聚体
三、碱基类似物和嵌入剂引起的突变
1. 碱基类似物（base analog）：可替换正常 碱基类似物（ ）：可替换正常 ）： 碱基的化合物
最有诱变性的一个碱基类似物是5-溴尿嘧啶， 最有诱变性的一个碱基类似物是 溴尿嘧啶，为胸腺 溴尿嘧啶 嘧啶类似物。 嘧啶类似物。该类似物可通过烯醇互变异构体与鸟嘌 呤错配。 呤错配。
第二节
DNA损伤的修复机制 DNA损伤的修复机制
DNA损伤修复机制大致分为以下几类： 损伤修复机制大致分为以下几类： 损伤修复机制大致分为以下几类 1. 直接修复（direct repair） 直接修复（ ） 2. 3. 4. 切除修复（ 切除修复（excision repair） ） 重组修复（ 重组修复（recombinational repair） ） 移损DNA合成（translesion synthesis） 合成（ 移损 合成 ）
其中以切除修复最为普遍。 其中以切除修复最为普遍。
两种方式） 一、直接修复(两种方式） 直接修复 两种方式
1. 光复活修复
主要修复DNA中的嘧啶二聚体，DNA光裂合酶为关键 中的嘧啶二聚体， 主要修复 中的嘧啶二聚体 光裂合酶为关键 该酶在单细胞生物到鸟类细胞均有存在， 酶，该酶在单细胞生物到鸟类细胞均有存在，但哺乳 动物细胞缺乏这种酶。 动物细胞缺乏这种酶。
第一节 DNA损伤的类型及原因 损伤的类型及原因
一、DNA的水解和脱氨基作用自发产生损伤 的水解和脱氨基作用自发产生损伤
1. 胞嘧啶碱基的脱氨基：是最频繁和最重要类型的水解损伤。 胞嘧啶碱基的脱氨基：
在正常生理条件下， 在正常生理条件下，胞嘧啶可自发脱氨基产生非天然的 （在DNA中）碱基尿嘧啶。 中 碱基尿嘧啶。