医学分子生物学 DNA的损伤和修复
DNA损伤检测和修复的分子生物学机制
DNA损伤检测和修复的分子生物学机制DNA是我们身体内最重要的生物大分子之一，它携带着我们的遗传信息，控制着身体的生长和发育。
然而，DNA分子可以受到各种外界因素的损伤，包括紫外线、化学污染、放射性物质等等。
一旦DNA受到损伤，就可能引发突变、基因失活以及肿瘤的发生。
因此，及时检测和修复DNA损伤是维持人体健康的重要过程。
在这篇文章中，我们将讨论DNA损伤检测和修复的分子生物学机制。
DNA损伤检测我们的细胞可以通过一系列分子信号来检测DNA损伤。
在DNA分子发生突变或者受到损伤的时候，会激活一些细胞内的信号传导通路，从而产生一系列生物学响应。
其中最重要的信号通路之一便是ATM/ATR通路。
在这个通路中，ATM 和ATR是两个重要的检测分子，它们可以在DNA损伤发生后，通过检测DNA损伤信号的强度和类型，来调节DNA损伤的修复过程。
ATM/ATR通路的检测过程包含了多个重要的分子。
首先，是ATM和ATR两种蛋白激酶，它们会在DNA受损后被激活。
其次，便是Chk1和Chk2两种蛋白激酶。
这两种酶分别是由ATM和ATR激活的，在细胞中起到了重要的调节作用。
最后，还有p53蛋白，它是受到ATM/ATR通路调节的另一个主要靶标。
当DNA 损伤信号被检测到时，p53蛋白会被激活，并且会通过调节细胞周期进程和细胞凋亡，来控制细胞的增殖和生长。
DNA损伤修复一旦DNA损伤信号被检测到，细胞会启动DNA修复机制，去修复受损的DNA分子，从而保证DNA信息的完整性。
DNA损伤修复包含了多个不同的过程和机制，其中最为重要的是以下几种：1.同源重组修复同源重组修复是一种非常常见的DNA修复方式。
这种方式依赖于细胞内的同源性染色体，在DNA损伤修复时会使用同源染色体的相同部分来修复受损的DNA分子。
这样，细胞可以快速而准确地修复受损的DNA分子，避免产生突变和基因缺失。
2.核切修复核切修复是一种精细的DNA修复方式。
这种修复方式依靠细胞内的多个酶类，来扫描和修复受损的DNA分子。
医学DNA损伤和损伤修复专题课件
错配修复包括复制后错配修复和复制前错配修复两种途径。
复制前错配修复是指细胞内另一种酶在DNA复制开始前，对出现的错配进行纠正。
DNA损伤修复的生物学意义
03
防止基因组发生大规模突变
DNA损伤修复机制可以及时发现并修复DNA链上的损伤，防止因基因组发生大规模突变而导致细胞功能异常甚至癌变。
保持基因组的完整性
展望与未来研究方向
06
肿瘤的预防
通过研究DNA损伤和修复机制，可以更深入地了解肿瘤的发生和发展过程，从而制定出更加有效的预防措施。
肿瘤的治疗
通过研究DNA损伤和修复机制，可以发现新的治疗靶点，从而开发出更加有效的抗肿瘤药物和治疗方案。
在肿瘤的预防和治疗中的应用前景
通过研究DNA损伤和修复机制，可以深入了解某些遗传性疾病的发病机制，从而为这些疾病的治疗提供新的思路和方法。
Hale Waihona Puke 卵巢癌DNA损伤修复与抗肿瘤药物的研发
05
针对DNA聚合酶的药物研发
这类药物主要针对DNA聚合酶的活性中心，抑制其活性，从而抑制肿瘤细胞的DNA复制和损伤修复。
针对DNA连接酶的药物研发
这类药物主要针对DNA连接酶的活性中心，抑制其活性，从而影响肿瘤细胞的DNA损伤修复能力。
针对DNA损伤修复酶的药物研发
总结词
多个DNA修复基因突变与乳腺癌的发生有关，这些突变导致细胞对DNA损伤的修复能力下降，从而增加癌变的风险。
详细描述
乳腺癌
总结词
卵巢癌的发生与DNA损伤修复基因突变有关。
详细描述
BRCA1和BRCA2等DNA修复基因的突变与卵巢癌的发生密切相关。这些突变导致细胞对DNA双链断裂的修复能力下降，从而增加癌变的风险。
DNA损伤与修复
与DNA修复有关的人类遗传疾病：
• 着色性干皮病(Xeroderma pigmentosum) • 布伦氏症候群(Bloom’s syndrome) • 遗传性大肠癌(Hereditary nonpolyposis colon
cancer；HNPCC)
着色性干皮病
(Xeroderma pigmentosum)
重组修复
☆ DNA于复制时会越过受损区域进行复制
☆ 经重组修复，受损的DNA仍然存在于子代的 一个细胞中。
☆ 重组修复不会浪费时间， 重组修复可让负 伤的DNA在细胞中仍可照常进行分裂。
重组修复
根据 DNA 末端连接需要的同源性，分为
• 非同源末端连接：DNA分子之间不需要广泛的同 源性，主要是在免疫球蛋白重组时对DNA双链进 行连接，在细胞有丝分裂G1/G0期起主要作用。
第六章 DNA损伤与修复 DNA damage and repair
分子生物学研究中心
第一节 DNA损伤的原因及后果
电离辐射 烷化剂
可 见 光
复制错误
核苷类似物
H+
mC
P/
8-oxoG
U
P
DNA 损伤类型
• 碱基脱落 • 碱基修饰 & 去氨基化
• 化学修饰 • 光损伤
• 链内交联 • DNA-蛋白质 交联 • DNA链断裂
二、切除修复相关的酶和基因 •尿嘧啶糖基化酶为主要的始动因素，可作 为DNA损伤的生物标记物。
•大肠杆菌Uvr基因家族、人ecrr基因和切除 修复基因等
三、错配修复相关基因 •MSH2、MLH1等蛋白参与错配修复，而错
配修复的缺陷往往是癌变的第一步。
•错配修复基因：Muthls系统、人类的hmsh2/3、
DNA的损伤与修复ppt课件
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5.1.3.2 碱基的修饰剂
❖ 某些化学物质通过对DNA分子上碱基的修饰 （base modification），改变其配对性质。例如， 亚硝酸能脱去连接在碱基环上的氨基，使腺嘌呤 脱氨基形成次黄嘌呤（I），后者与胞嘧啶配对， 而不与胸腺嘧啶配对。胞嘧啶脱氨基后成为尿嘧 啶，与腺嘌呤配对。
DNA的自发性损伤可以发生在复制 过程中，也可以由细胞自身产生的活 性氧或代谢产物造成。根据DNA损伤 的状况，和引起DNA损伤的原因，可 以将DNA的自发性损伤分作6种类型。
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5.1.1.1 互变异构移位
互变异构移位（tautomeric shift）是碱基发生了烯醇 式-酮式结构互变，造成碱基配对发生改变，使复制后的 子链上出现错误。生理条件下，碱基上的基团主要以酮式 和氨基的形式存在，但也可能发生瞬间的互变异构，造成 碱基错配。如图所示，若 A以稀有的亚氨基形式出现，即 可与C配对，经过DNA的两轮复制，在1/4的子代分子中， A-T对变成了G-C对。因此在DNA复制时，若模板上出现 烯醇式或亚氨基异构体时，子链上就可能产生错配的碱基 对。
❖ 研究DNA损伤与修复的机制，有两个方面的实际意义。 其一，防止DNA的损伤，是预防不少疾病的有效途径。
❖ 其二，在育种工作中，常常要诱发突变再筛选有优良性 状的植株或微生物株系。
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❖§ 5.1 DNA损伤的产生
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DNA损伤指在内外因素的影响下，体内DNA双 螺旋结构发生的任何改变。
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5.1.1.3 DNA复制的打滑
在DNA复制时，有时会出现模板链或新生链 碱基的环出（looping out）现象，被称作 DNA聚 合酶的“打滑”（slippage）。如图所示，第一次 复制时新生链一个或数个碱基的环出，在第二次 复制时，可引起同样数量碱基的插入。第一次复 制时模板链一个或数个碱基的环出，在第二次复 制时，可引起同样数量碱基的缺失。这种错误易 发生在模板上有碱基串联重复的部位，这些部位 即使发生碱基的环出，后面的碱甚配对仍然是正 确的。
DNA损伤和修复的分子机制和应用
DNA损伤和修复的分子机制和应用DNA是人类细胞中最重要的分子之一，它携带了我们身体所有的遗传信息。
然而，在我们的日常生活中，DNA容易受到各种化学物质、环境因素和紫外线辐射等的损害，这种损伤可能导致细胞死亡、突变和癌症等严重后果。
在这种情况下，细胞必须依靠自身的机制，对受损的DNA进行修复。
DNA损伤的机制DNA损伤可以由内部或外部因素引起。
内部因素包括代谢过程中的氧化应激、DNA复制错误等；外部因素包括紫外线辐射、X 射线、化学物质等。
这些因素都可以导致DNA上出现各种DNA 损伤修复基本是个化学反应过程，DNA损伤物被修复因子酶进行修复。
DNA修复的机制1. 直接恢复：直接恢复是指通过生物体自身代谢活动中的某些组件来恢复损伤的DNA分子。
2. 短片修复：短片修复包括奇异碱基和直接反应酶。
通过修复酶将DNA上被误导的碱基修复掉。
3. 核苷酸切除修复：核苷酸切除修复是在损伤的DNA上的某一部分被切除，然后对被切除部分进行再生。
其中有一种不同类型的核苷酸切除修复机制是激活的，称为NER。
4. 重组修复：这种修复形式是受伤DNA的信息另一个同源性DNA之间通过相互交叉进行交换。
这种修复是自然的复制过程的一部分，以确保核酸的完整性。
5. 连接修复：连接（非同源性）结合的适用于两者的不同DNA间发生损坏情况的局面。
在这个机制中，两个DNA中域之间的链接和粘合是将破碎的细胞重组所必需的必要过程。
DNA修复的应用根据对DNA损伤和修复机制的研究，可以发展出一系列针对DNA损伤修复的临床治疗方法。
例如，利用DNA损伤引发肿瘤细胞死亡的药物，如环磷酰胺和氮芥；利用DNA损伤修复的抑制剂，如依托泊甙，来增强化疗的疗效。
此外，还可以利用基因编辑技术，如CRISPR-Cas9系统，针对疾病相关的基因进行修复。
结论DNA损伤和修复是一个复杂而关键的生物学过程。
在不断深入地了解这些机制的基础上，我们可以开发出更加有效和精确的治疗方法，预防和治愈与DNA损伤和修复相关的疾病。
分子生物学--第15章 DNA损伤与修复
2017年3月科学杂志论文：癌症发生的原因中运气不 好占66.1%。
目录
DNA复制错误： 1. 碱基错配 互变异构移位（tautomeric shift）: 碱基发生了酮式-烯 醇式或氨基-亚氨基异构体互变，造成碱基配对发生改 变，使复制后的子链上出现错误。
目录
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2.复制打滑
目录
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DNA损伤的后果
DNA 修复机制 短期效应 生理功能紊乱 细胞死亡
基因组不稳定 信号传导异常
异常增生和代谢
基因表达异常
长期效应
衰老 肿瘤 疾病
目录
第二节 DNA损伤的修复
The repair of DNA damage
目录
托 马 斯 ·林 达 尔 （ TomasRobertLindahl ） 1938 年 1 月 28 日出生，瑞 典医学家，专门从事癌症 研究，挪威科学和文学研 究院的成员。发现碱基切 除修复。
目录
（一）突变是进化的分子基础 （二）只有基因型改变的突变 （三）突变是某些疾病的发病基础 （四）突变导致死亡
目录
二、DNA损伤修复障碍与肿瘤等 多种疾病相关
DNA损伤与肿瘤、衰老以及免疫性疾病 等多种疾病的发生有着密切的关联
目录
思考题：
试说明DNA损伤的几种类型及修 复合成主要方式的名称。 试述核苷酸切除修复的过程。
根据DNA结构的改变分为：
碱基脱落 碱基结构破坏 嘧啶二聚体形成
DNA单链或双链断裂
DNA交联
目录
碱基脱落
目录
碱基结构破坏导致碱基之间发生错配
EMS(甲基磺酸乙酯)
目录
DNA损伤和修复的生物学意义
DNA损伤和修复的生物学意义DNA是构成生命的基础，它的完整性对生物的遗传信息传递和稳定性起着至关重要的作用。
然而，由于一些自然因素、环境因素和人为因素的影响，DNA会受到各种不同程度的损伤，这个过程会威胁到生物的健康和生存。
为了保护DNA 的完整性，在生物体内，DNA损伤和修复是一种必不可少的生物学过程。
本文将从以下三个方面来探讨DNA损伤和修复的生物学意义：一、DNA损伤的类型和影响DNA损伤主要表现为遗传物质分子链的断裂、突变和化学修饰等。
常见的DNA损伤类型包括辐射、化学物质、氧化等。
DNA的损伤对生物体产生的影响是多方面的，包括基因突变、癌症、衰老、畸变等，这些都会导致生物体的健康和发育受到影响。
因此，减少DNA的损伤和及时有效的修复有助于维护生物体的稳定和健康。
二、 DNA修复的机制和方式在固体物理学研究的启示下，科学家们逐渐揭示了DNA损伤的修复机制与方式。
目前已知的DNA修复机制包括直接重构、交错重组和非同等重组等，其中直接重构对轻微损伤的修复非常有效，而对于严重的化学或物理性损伤，需要以重新组合的方式进行修复。
比如，双链断裂可以通过同源重组或非同源性重组来修复，这需要依赖于一系列DNA修复酶的参与完成。
在DNA修复过程中相关的DNA修复酶，如 Topbp1 / RPA / ATR / Rad17 / CHK1 / FANCD2 ，等等，都发挥了不可替代的作用。
三、 DNA修复的意义DNA修复不仅在维护生物体的遗传稳定性等方面发挥重要作用，还在重要生物学进程，如DNA复制、基因转录、免疫反应等过程中起着非常重要的作用。
在复制和转录时，能够及时有效的修复DNA，有助于确保DNA在传递过程中的有效性和可靠性，从而避免了传递过程中的信息丢失和改变。
在免疫反应和免疫应答过程中，DNA损伤和修复也发挥了重要的作用。
比如，在身体免疫反应过程中，损伤的DNA链可以激活DNA修复酶，从而产生免疫反应物，并引起个体的相关免疫反应。
分子生物学第六章：DNA损伤与修复
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4．直接插入嘌呤
DNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能被
DNA嘌呤插入酶(insertase)识别结合，并在K＋
存在下催化游离的嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA无
嘌呤部位形成糖苷键。且催化插入的碱基有高
度专一性、与另一条链上的碱基严格配对，使
DNA完全恢复。
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三、碱基切除修复（Base
Excision Repair，BER）
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第二节
错配修复
DNA修复
DNA的修复主要类型:
直接修复
切除修复 重组修复 跨损伤修复 (SOS修复)
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一、错配修复
在DNA复制过程中, DNA聚合酶能够利用
其3ˊ一5ˊ外切核酸酶活性去除错配核苷酸，但
是这种校正作用并不十分可靠, 某些错配核苷酸
可能逃避检测, 出现于新合成的DNA链中。 错
胞嘧啶
O6-乙基鸟嘌呤 胸腺嘧啶
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(一)烷化剂对DNA的损伤 2.碱基脱落 烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱 落形成DNA上的无碱基位点，复制时可以 插入任何核苷酸，造成序列的改变。
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(一)烷化剂对DNA的损伤
3．断链
DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被 烷基化，结果形成不稳定的磷酸三酯键， 易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断裂。
不识别任何特殊的碱基损失，而是识 别双螺旋形状的改变；修复时切除含有损 伤碱基的那一段 DNA。
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核苷酸切除修复 (大肠杆菌)
紫外线诱导uvrA、 uvrB、uvrC和uvrD 四种基因表达
UvrA:识别损伤 部位 UvrB:解旋双链
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UvrC:
5ˊ末端内切
分子生物学基础第二章DNA的结构、复制和修复第五节 DNA的损伤与修复
第五节 DNA的损伤与修复
图2-13 DNA分子上的胸腺嘧啶二聚体结构
第五节 DNA的损伤与修复
图2-11 甲基介导的错配修复模 型
第五节 DNA的损伤与修复
3．核苷酸切除修复 核苷酸切除修复系统几乎能够修复紫外线照射引起的 各种损伤。包括环丁烷二聚体、6–4损伤、碱基-糖基交联 等引起DNA双螺旋大扭曲(major distortion)，而不能修 复由于碱基错配、O6–甲基鸟嘌呤、O4–甲基胸腺嘧啶、8– oxoG或碱基类似物引力是非常重要的。
第五节 DNA的损伤与修复
二、DNA的修复 1．错配修复 E.coli避免突变的主要途径之一就是甲基指导的错配修复系统。 这个系统是非特异性的，它能修复引起DNA双螺旋轻微扭曲的任何扭 伤，包括错配、移码、碱基类似物的掺人和某些类型微小扭曲的烷基 化损伤。 2．碱基切除修复 是一种在细胞中存在较普遍的修复过程。在细胞中都有不同类型、 能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能特意性切除受损核苷酸上的 N—β-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点（AP位点）。DNA 分子中一旦产生了AP位点，核酸内切酶就会把受损核酸的糖苷-磷酸 键切开，并移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA，由DNA聚合酶I 合成新的片段，最终由DNA连接酶把两者连成新的被修复的DNA链。
DNA损伤和修复的生物学机制
DNA损伤和修复的生物学机制DNA是生物体内最重要的分子之一，是细胞遗传信息的携带者。
然而，DNA受到各种内外因素的损害，如辐射、化学物质、自由基、氧化应激、紫外线等，这些损伤如果不及时修复，可能导致基因突变、细胞凋亡、癌症等疾病的发生。
因此，DNA损伤和修复的生物学机制是广泛关注的研究领域。
一、DNA损伤的类型与来源DNA损伤可以分为两类：突变型和结构型。
突变型主要是指基因突变，出现在DNA的特定位置上，如单核苷酸替换、插入、缺失和倒位等。
结构型变异包括断链和交叉连锁，主要影响DNA分子的结构。
这些变异类型的发生对于生物体内的DNA有不同的影响，对个体的遗传性状及其健康状况产生不同程度的影响。
DNA损伤的来源多种多样，包括内源性和外源性。
内源性源自细胞内自然发生的生化反应，如异构酶活性、电子传递物质的自由基产生、伸缩畸变等；外源因素包括紫外线、放射线、化学物质、病毒等。
二、DNA修复的机制DNA损伤的修复是一套复杂的生物学过程，目的是恢复受损DNA的完整性。
修复机制可以分为直接修复、基础切割修复和核苷酸切除修复三类。
1. 直接修复：直接修复是最简单的DNA修复机制之一，它的主要目的是去除损坏的核苷酸，通过恢复碱基结构来修复DNA损伤。
直接修复适用于一些比较简单的DNA损伤，如阴离子撞击、甲基化、乙烷基化等。
其通常在胞内代谢水平或基因组防御响应中发生，可以恢复DNA的原始序列。
2. 基础切割修复：基础切割修复是通过断开一小段双链DNA 来修复一个双链断裂损伤，这个断裂只存在于一个链上，另一条链则被称为“转录链”，这个机制通常称为“修复参考”机制。
基础切割修复机制可以通过不同的酶系统完成，如BCR重排、DNA 联蛋白、PSF、ATRX、ERCC1等，在维持基因组完整性中具有重要作用。
3. 核苷酸切除修复：核苷酸切除修复分为两种类型： BER修复和NER修复。
BER修复主要是处理小范围别嘌呤化学痕迹的修复过程，实现机制主要涉及DNA糖基酶、多嘌呤硼酸等这些相关成分。
分子生物学：DNA的损伤、修复和基因突变
500 8 3 0.2
3200 50 20 1.3
E.colik12
存活率为对照37%的U.V.计量
● 存在与重组有关的暗修复机制
● 与Rec-A基因引起的strand transfer有关
● TTdimer未被修复，仅表现在后代群体中TT dimer 浓度的稀释
● 链的非准确转移，导致突变机率的增加
重组修复
DNA损 伤部位
RecA
切下正常母链的 DNA片段并插入 因损伤而未被复 制的子链缺口上； 正常母链带缺口
pol I
重组后，一 个 子 代 DNA 双链中，母 链仍有缺陷， 但子链正常； 而另一个正 常子链复制 复原
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5.2.4 SOS修复 (SOS repair)
SOS是国际海难信号，在此用以表示应急性的复制方式。
原核生物参与 切除修复的酶
及蛋白质
UvrA 、UvrB(辨认和结合DNA损伤部位) UvrC(去除损伤链) polⅠ(填补空隙) DNA连接酶(连接缺口)
真核生物除去损伤链：XP蛋白
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切除修复过程（E.coli）：
② ①③
5’5 3’3
④⑤
5 3
UvrA、UvrB 辨U认vrC及U置v结rC合切除 D换NUAv损r损A伤伤部部位位 UUvvrrAC
RecA的三种功能
a、 DNA 重组活性 b、 与单链 DNA结合活性 c、 少数蛋白的proteinase活性
当DNA正常复制时 （无复制受阻，无DNA损伤， 无TT dimer） RecA不表现proteinase活性
大肠杆菌的SOS反应
SOS 反 应 涉 及 到 近 20 个 “sos”基因的
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P71
dna损伤和损伤修复的区别
DNA损伤和损伤修复是细胞内发生的两个相关但不同的过程。
DNA 损伤指的是DNA分子上的结构或序列发生改变，可以由内外源因素引起，如化学物质、辐射、代谢产物等。
而DNA损伤修复则是细胞为了保持基因组的完整性和稳定性，而采取的一系列机制和途径来修复DNA损伤。
DNA损伤可以分为多种类型，包括碱基损伤、单链断裂、双链断裂等。
这些损伤会导致DNA分子的结构和相邻碱基之间的连接发生破坏，进而影响到DNA的正常功能。
DNA损伤的形成可能会导致细胞突变、凋亡甚至癌症等严重后果。
因此，细胞需要及时进行修复来保证DNA 的完整性和稳定性。
DNA损伤修复是一种高度保守的细胞机制，通过一系列复杂的过程来修复DNA损伤。
主要的修复机制包括：直接修复、错配修复、碱基切除修复和双链断裂修复等。
在直接修复中，细胞会利用酶类或其他分子直接还原、拆除或修复损坏的DNA结构。
错配修复主要用于修复碱基配对错误所导致的损伤，通过一系列酶的协同作用来修复错误的碱基配对。
碱基切除修复则是通过酶的作用将损伤的碱基切除，并由DNA合成酶填充新的碱基。
双链断裂修复是最复杂的修复机制，当DNA发生严重的双链断裂时，细胞会启动多个途径来修复断裂的DNA链。
DNA损伤修复的过程通常包括四个关键步骤：捕捉、识别、去除和替换。
首先，细胞会通过一些特定的蛋白质来捕捉和识别DNA上的损伤部位。
然后，这些蛋白质会协同作用，将受损的DNA部分切除或修复。
最后，DNA合成酶会填充缺失的碱基或连接两条断裂的DNA 链，以恢复DNA的完整性。
DNA损伤修复在维护基因组的稳定性和完整性方面起着重要的作用。
如果DNA损伤不能及时修复，可能会导致细胞周期停滞、突变的积累甚至细胞死亡。
此外，DNA修复缺陷也与许多遗传性疾病和癌症的发生相关。
总结起来，DNA损伤和损伤修复是细胞内密切相关的两个过程。
DNA 损伤指的是DNA分子上的结构或序列发生改变，而DNA损伤修复是细胞为维持基因组完整性而采取的一系列机制和途径。
DNA损伤和修复机制的分子生物学研究
DNA损伤和修复机制的分子生物学研究DNA是所有生命体的遗传物质，也是生物体内最重要的分子之一。
然而，DNA在生物体内难以避免地会受到各种损伤，如化学性质变化、放射性损害、缺少或错误的复制，以及各种物理性质的损害等等。
这些损伤会对DNA结构产生不同程度的影响，而当它们超过了人体细胞自身的修复能力时，就会引起一系列恶性病变的发生。
因此，人类长期以来一直在探索DNA损伤和修复机制的分子生物学研究，以期能够更好地理解DNA分子和其在生物体内的功能，从而提高人类医学的治疗和防治效果。
DNA损伤的种类和来源DNA损伤的种类繁多，主要包括：碱基失配、氧化损伤、单链断裂、双链断裂、化学损伤和放射性损伤等等。
这些损伤可能来自于生物的内部代谢过程，也可能来自于外部环境。
例如，紫外线、X射线、氧化压力、化学物质、烟草等都可以导致DNA分子的不同形式的损伤。
其中最常见的大概是碱基失配了，它是指一个DNA链的碱基顺序错误地被插入到了DNA链中。
DNA修复机制的分类在这些众多的DNA损伤中，人类细胞已经发展出了各种不同的DNA修复机制，以应对不同的损伤类型。
DNA修复分为5类：错配修复、碱基切除修复、直接修复、双链断裂修复和非同源修复。
每个类别的修复分为不同的路径，以应对不同程度的DNA损伤。
错误配对修复错配对修复（MMR）是一种在DNA双链中修复错误的碱基配对的过程。
MMR是在常规DNA复制中起作用的，在DNA合成时使错误的DNA配对被纠正。
MMR需要一些特殊的蛋白，它们可以检测错误的碱基匹配并将错配的碱基删除。
碱基切除修复碱基切除修复（BER）是一种修复单个损坏碱基的机制，它可以修复氧化、甲基化和甲基基化之类的DNA损伤。
BER需要利用DNA聚合酶，将一个翻译后面的碱基切除。
这些崩坏碱基之后，DNA聚合酶可以将氧化的碱基切除，然后该处遗失的碱基会被一个基碧替换，修复DNA链。
直接修复直接修复，顾名思义，是直接修复DNA链上出现的损伤，而不是切除损伤。
DNA损伤与修复
DNA损伤与修复DNA是构成细胞的遗传基因物质，它承载了生物体的全部遗传信息。
然而，由于各种内外因素的影响，DNA分子可能会遭受到损伤。
DNA损伤的修复机制起到了维持遗传稳定性的关键作用。
本文将从不同类型的DNA损伤入手，探讨DNA损伤的成因以及多种修复机制。
一、DNA损伤的成因DNA损伤可以分为内源性和外源性两大类。
内源性DNA损伤主要源自细胞内部的生化过程，而外源性DNA损伤则来自于环境因素。
1. 内源性DNA损伤内源性导致DNA损伤的主要原因是细胞内氧化应激。
氧化应激会产生大量自由基，它们具有极强的活性，可以直接攻击DNA分子，导致碱基氧化、链断裂等损伤。
此外，DNA自身也存在一定几率的自发性损伤，如碱基脱氨、链断裂等。
这些内源性的DNA损伤相对较少，但积累起来也会对遗传稳定性造成威胁。
2. 外源性DNA损伤外源性导致DNA损伤的因素多种多样，其中包括紫外线辐射、化学物质、放射线等。
紫外线辐射会使DNA分子中的两个邻近嘌呤结合形成嘌呤二聚体或嘌呤四聚体，造成DNA链的交联；化学物质如烟草中的多环芳烃会与DNA发生共价结合，引发DNA突变；而离子辐射（如X射线）会直接导致DNA链断裂。
二、DNA损伤修复机制DNA损伤修复是细胞内的一项重要保护机制，它可以分为直接修复、碱基修复、核苷酸修复和错配修复等多个方面。
1. 直接修复直接修复是指修复损伤的DNA分子而不更换受损碱基。
主要的直接修复机制包括光解修复和甲基化修复。
光解修复是一种专门修复嘌呤二聚体和嘌呤四聚体的机制。
在该过程中，特定的酶能够通过光激活自己，并将损坏的DNA分子还原为原始状态。
甲基化修复主要用于修复一些特殊的DNA损伤，例如对环氧烷基和甲基损伤的修复。
通过甲基转移酶和脱甲酶的协同作用，可以将甲基基团从DNA分子中移除，实现修复的目的。
2. 碱基修复碱基修复是指将受损的碱基替换为原始的碱基。
常见的碱基修复机制包括碱基切除修复、碱基上皮修复和碱基引导修复。
DNA损伤和修复的分子机制和生物学功能研究
DNA损伤和修复的分子机制和生物学功能研究DNA是构成生命的基本物质，在细胞内掌控着生命的活动。
然而，由于环境因素、代谢过程及细胞自身的复制等原因，DNA容易遭受外界损伤，对细胞、组织和器官的正常化功能产生影响。
因此，维持DNA的完整性对保持细胞和生物体的正常生命活动至关重要。
DNA损伤与修复的分子机制和生物学功能一直是科学家研究的热门领域。
DNA损伤的种类及产生原因DNA损伤的种类繁多，包括单链断裂、双链断裂、补体交叉连接、碱基缺失、碱基修饰、核苷酸诱变等。
它们的产生原因也有很多，如环境因素（紫外线、辐射、污染物等）、热应激、代谢产物（如羟自由基等）和细胞内自身复制产生的错误等。
DNA损伤与人类疾病损伤的DNA会导致细胞分裂失控和突变等重要的生物学变化，可能引起多种疾病，如肿瘤、衰老、神经退行性疾病等。
因此，研究DNA损伤和修复机制对于预防和治疗诸如癌症等疾病具有重要意义。
DNA损伤的修复机制DNA损伤后怎样修复？人体的细胞拥有许多复杂但精细的DNA修复机制，主要包括：直接反式修复、单切修复、碱基切除修复、重联修复和错配修复等。
每种修复途径在细胞内有着不同的作用，能对各种类型的DNA损伤采取特异性的修复策略。
不同的DNA修复机制相互配合，构成了一个复杂的修复网络，有效保障了细胞DNA的完整性。
DNA修复的生物学功能DNA损伤和修复机制一直是分子生物学、生物化学、毒理学、生理学和生物医学等领域的研究热点，也在许多前沿学科和交叉学科中得到广泛应用。
1. 对于基本理论的推进具有重要意义研究DNA损伤和修复机制能推进DNA修复生物学的基本理论，并揭示DNA 损伤和修复机制与细胞周期调控、基因表达和染色质结构等方面的联系，进而拓展了生物学的全局认识。
2. 在工业污染物、辐射、致癌物等危害物质的防护方案中有重要应用DNA损伤与修复机制也在日常保健和职业安全中有重要的应用价值。
通过对各种污染物如辐射、化学物质等产生的影响进行研究，制定出一系列的防护方案，有效保证了人们的生命健康。
分子生物学： DNA损伤与修复
不改变碱基配 对，一般无害
碱基的烷基化修饰引起的DNA损伤
乙基甲烷磺酸
环境中有许多致癌物质都是亲电试剂，能够使DNA发生烷基化修饰。 一些修饰会导致突变发生，如果控制或影响细胞分裂的基因发生突
变，就会使细胞转变为癌细胞。
（三）化学因素引起的DNA损伤
3. DNA插入剂:
原黄素
吖啶橙
DNA插入剂能插在模板链或新合成两个相邻 碱基中，从而造成碱基的增加或减少。
醇式与酮式碱基间的互变。
这种变化就会使碱基配对间的氢键
改变，可使碱基配对异常。
移码（frameshift）
脱嘌呤
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10,000个；估 计一个长寿命不复制繁殖的 哺乳类细胞（如神经细胞）
在整个生活期间自发脱嘌呤
非同源末端连接模型
结合Ku
结合DNA-PKcs
联合
染色体联会
侧翼片段分解，连接
错配修复
未修复DNA损伤的处理 ——旁路修复机制
重组修复
易错旁路（SOS修复）
作业
人类遗传性疾病已发现4000多种，其中不少与DNA修复缺陷有关，
这些DNA修复缺陷的细胞表现出对辐射和致癌剂的敏感性增加。 例如着色性干皮病（xeroderma pigmentosum，XP）就是第一个 发现的DNA修复缺陷性遗传病，患者皮肤和眼睛对太阳光特别是
包括：
碱基切除修复（base excision repair, BER):主要针对碱 基改变轻微的DNA损伤，如细胞试剂引起的化学修饰。 核苷酸切除修复（nucleotide excision repair, NER)：主 要修复碱基发生重大变化的 DNA 损伤，如细胞外的诱变
分子生物学 第4章 DNA损伤与修复
•F1 Mutaagenesis
OH
H
O
Br
AGCTTCCTA TCGAAGGAT
:G
1. Base analog incorporation
AGCTBCCTA TCGAAGGAT
烯醇式
2. 1st round of replication
Br
H
O
AGCTTCCTA TCGAAGGAT
AGCTBCCTA TCGAGGGAT
•Molecular Biology Course
第四章
DNA的损伤、修复和重组
教学要求
熟悉突变的种类和产生的因素 熟悉DNA损伤的原因、类型 理解DNA复制忠实性的机制 掌握DNA修复的机制 理解DNA重组的方式及原理
主要内容
第一节 DNA damage (损伤)
第二节 DNA repair(修复) 第三节 Gene mutation (突变） 第四节 Recombination (重组)
•DNA lessions
d.碱基修饰与链断裂
• 细胞呼吸的副产物O2、H2O2等会造成DNA损伤， 能产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基 修饰物，还可能引起DNA单链断裂等损伤。
• 每个哺乳类细胞每天DNA单链断裂发生的频率 约为5万次。
•DNA damage
发生在需氧 细胞中。 电离辐射会加剧这种损伤。
•DNA lessions
2. DNA的自发性化学变化
• 生物体内DNA分子可以由于各种原因发生变化， 至少有以下类型：
–a.碱基的异构互变
–b.碱基的脱氨基作用
–c.脱嘌呤与脱嘧啶
–d.碱基修饰与链断裂
•DNA lessions
DNA的损伤和修复
请老师及各位同学批评指正！ 谢谢！
修复。
切除修复是一种.外切酶除去两个切口之间的核苷酸 3).DNA合成
4).连接酶连接接口
着色性干皮病（xeroderma pigmentosis，XP）
是一种切除修复有缺陷的遗传性疾病。 XP病人是由于XP基因有缺陷，缺乏核酸内切酶，不能修复 紫外线照射引起的DNA损伤，易发生皮肤癌。 暴露皮肤暗棕色斑、干燥、萎缩、角化及癌变
DNA的损伤的修复
一·DNA损伤的概念
DNA损伤 (DNA damage) ： DNA分子结构的改变。
从分子水平看，DNA损伤指DNA分子上碱基的改变。
DNA损伤又称基因突变（gene mutation），由于DNA分子中
发生碱基对的替换、插入和缺失等,从而引起基因结构上发生
碱基对组成或排列顺序的改变。
(1)复制：损伤母链复制时，越过损伤部位，子链对应位
点留下缺口；无损母链复制成完整双链。
(2)重组：有缺子链与无损母链重组，缺口转移到无损母
链，使损伤单链的互补链完整，损伤母链仍然保留。
(3)再合成：转移后的母链缺口以新的互补链为模板聚合补齐。
重组修复： DNA链的损伤并未除去，随着复制的继续，
损伤ＤＮＡ链将在群体中逐步“稀释”。
③光复活酶从DNA链解离。
(二)切除修复 (excission repairing)
在DNA内切酶、外切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等共同
作用下，将DNA受损部位部分切除，并以其中一条链为模
板，合成修复。
消除由UV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。
切除片段可由几十到上万bp，分别称短补丁修复、长补丁
医学DNA损伤和损伤修复专题课件
针对这些疾病，早期发现和积极治疗是关键，同时可采用遗传学筛查和预防措施降低患病风险。
05
dna损伤修复的未来研究方向
尚待解决的科学问题
还需要进一步探究DNA损伤修复的分子机制和调 控网络。
有关DNA损伤修复的表观遗传学修饰和调控机制 的研究还有待深入探讨。
对于不同类型的DNA损伤修复途径和交叉对话， 需要深入研究其作用和相互作用。
损伤的DNA修复为原始状态 。
碱基切除修复
细胞通过切除损伤的碱基，再通 过DNA聚合酶的作用，合成新的 DNA片段来填补缺口。
错配修复
细胞在DNA复制过程中，对出现 的碱基错配进行纠正，以确保基因 组的准确性。
dna损伤修复的机制
DNA损伤修复的机制是细胞通过多种酶的作用，识别并定 位损伤的DNA，然后通过一系列复杂的生物化学反应，准 确地修复损伤的DNA。
在DNA损伤修复过程中，细胞需要严格控制修复过程，以 确保最终生成的DNA序列的准确性和完整性。
03
dna损伤修复的生物学意义
细胞周期与dna损伤修复
细胞周期概述
细胞周期是细胞生长和分裂的周期过程，它包括DNA复制阶段和细胞分裂阶 段。
dna损伤修复与细胞周期的关系
DNA损伤修复主要发生在DNA复制阶段，因为这是DNA双链打开易于受到损 伤的时期。
XP的突变基因主要包括DNA修 复基因XPA、XPC等，这些基因 的缺陷导致DNA损伤修复能力下 降。
其他与dna损伤修复缺陷相关的疾病
概述
除HNPCC和XP外，还有许多其他与DNA损伤修复缺陷相关的疾病，如乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌等恶性肿瘤。
遗传特点
这些疾病的突变基因主要包括BRCA1、BRCA2、ATM等DNA修复相关基因，这些基因的缺陷导致DNA损伤修复能力下降 ，增加肿瘤发生的风险。
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42
43
（四）、错配修复
错配修复碱基来源：校正活性所漏校的碱基
使复制的保真性提高102～103倍
错配修复 系统(MRS Mismatch Repair System)
+ ----- A----- ------C--DNA mismatch
DNApol (ξ = 10-8) 经第二次校正ξ = 10-11 44
CTC GAG
镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) β亚基 肽链 N-val · ·leu · · · · his thr pro val glu ······ C 基因
CAC GTG
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（三） DNA链断裂
磷酸二酯键的断裂和脱氧戊糖的破坏是引起DNA链断
裂的直接原因。
碱基的破坏和脱落在DNA链上形成的不稳定位点是
5
紫外线的致损伤作用 ∧ ---嘧啶二聚体 (TT dimer )
…C T T A…
U.V.
6
（二）自由基致DNA损伤
自由基：指能够独立存在，核外带有未配对电子的
原子和分子。
自由基的产生可以是外界因素与体内物质共同作用
的结果。
自由基可导致碱基、核糖、磷酸基的损伤，引起DNA
的结构和功能异常。
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后复制修复、E.coli的挽回系统
E.coli 存活%
w.t. UvrA+ RecA+
uvr arec aU.V 计量
该 系 统 存 在 的 实 验 证 据
38
★ Rec-A. gene 以某种方式参与DNA损伤修复
♦ Rec修复系统比切除修复系统更有效 ♫ Uvr系统负责切除二聚体 ♫ Rec系统负责消除没有被切除的二聚体 可能造成的后果
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第二节 DNA损伤的修复
DNA损伤的修复：指纠正错配的碱基，清除DNA链上
的损伤，恢复DNA正常结构的过程。
常见的DNA修复方式：回复修复、切除修复、错配修
复和重组修复
21
广义的修复系统：
♦ DNA聚合酶的校对功能(复制的范畴)
♦ 尿嘧啶-N-糖苷酶修复系统
（复制时U的渗入、C脱氨氧化成U）
●
TT dimer未被修复，仅表现在后代群体中TT dimer
浓度的稀释
●
链的非准确转移，导致突变机率的增加
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重组修复
(链转移修复)
• 复制后修复 • 容易出错 • RecA, DNApolymerae • ligase 重组修复后的损伤位点可 由其它机制进一步修复 RecA 二聚体后起始
聚合酶、连接酶
酮式Keto 5-BrU
A· TG· 转变 C
烯醇式渗入为
G· CA· 转变 T
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2、 碱基的化学修饰剂
又称化学突变剂：指对DNA链中的碱基的修饰，改变其 配对性质，从而改变DNA结构的化合物. 亚硝酸（nitrous acid HNO2） 羟氨（hydroxylamine HA） 甲磺酸乙酯（ethyl mathanesulfonate EMS） N-甲基-N’-硝基-N-亚硝基胍 （N-mathyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidion NNG）
识别新生链中非 m6A 的GATC序列
扫描新生链中错配碱基 酶切含错配碱基的新生DNA区段
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★
DNA合成过程中的甲基化变化 DNA中的GATC(palindromic seq.)
为m6A甲基化敏感位点
平均每2kb左右有一GATC seq. 错配修复系统受甲基化的引导
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（2） 修复过程 a、MutH/MutS 扫描识别错配 碱基和邻近的GATC序列 切点－－甲基化GATC中 G的5’侧 甲基化程度的差异
使受损的碱基脱落
31
1
2
3
4
32
2）. 核苷酸切除
E．coli的核苷酸切除修复机理
在E．coli中，UvrA，UvrB，UvrC三种蛋白是必需的。而且必须同时存在 才能发挥作用，所以也叫UvrABC切除核酸酶。
UvrA是一种腺苷三磷酸酶，是损伤识别蛋白。它与UvrB 结合成A2B1复合物， 结合在损伤区，使DNA解旋、扭曲，并引起UvrB构象改变，与损伤部位形 成紧密的结合。 然后UvrA与UvrB—DNA复合物解离，后者成为UvrC特异结合靶。 UvrB 在损伤的3’侧作一内切，随而复合物构象改变， UvrC 得以在5’侧作第二 个切口。解旋酶 Ⅱ(UvrD)使寡聚核苷酸片段及UvrC从DNA链上释放，然后 DNA聚合酶Ⅰ取代UvrB。修补缺损区；最后由连接酶连接补片。
稳定位点，最终可导致DNA链的断裂。
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（二）错配
DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。
1. 转换 发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一
嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。
2. 颠换 发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶
或嘧啶变嘌呤。
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正常成人Hb (HbA)β亚基
肽链 N-val · ·leu · · · · his thr pro glu glu ······ C 基因
----TT-------AA---24
2）嘌呤的直接插入
嘌呤插入酶 受损嘌呤→APS →插入嘌呤（糖苷键）
K+ 糖基化酶 嘌呤插入酶
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3）DNA单链断裂重接
DNA单链断裂中有一部分是通过简单的重接
而修复的，只需要一种酶——DNA连接酶
(ligase)参加，因此也属于直接回复。
DNA连接酶能催化DNA双螺旋结构中一条链
♦ 错配修复系统
♦ 损伤修复系统(光复活、重组修复、SOS修复等) ★ 限制修饰系统-----对付外源DNA的入侵
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(一）回复修复
细胞对DNA的某些损伤可以用很简单的方式加以修复 在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成。 这种修复方式叫回复修复。
包括：酶光学复活、嘌呤的直接插入、O6－甲基鸟嘌 呤－DNA甲基转移、单链断裂重接等。
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NH2OH (Hydroxylamine HA 羟胺) HNH H HA O H H H H N O HNH H H H N H O HN
H
N
C(a)
HO
HO C(i) A(a)
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3、嵌入染料对DNA的损伤作用
吖啶橙 (Acridine Orange AO) 溴化乙锭 (Ethidium Bromide EB ) 分子插入 -ATTTTTCG - AO -TAAAAAGCEB TAO T -A TTTCG -T AAAGC-AT EB TTTTCG-TA X AAAAGC -ATTTCG -TAAAGC-ATX’TTTTCG-TAX AAAAGC-
错配修复系统（Mismatch repair system）
（1）组成 DNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶) DNA polymerase Helicase SSB 外切核酸酶 (Ⅰ和Ⅶ) 连接酶 dam gene
MCE (mismatch correct enzyme) 3 subunits mutH, L, S
DNA的损伤和修复
南华大学心血管疾病研究所 王 佐
1
DNA 的损伤和修复
Mutagen (诱变剂）
碱基的化学反应
DNA 损伤
损伤的修复 完全修复
回复正常
不完全修复
畸变
不能有效修复 凋亡
2
第一节 DNA损伤
诱发DNA损伤的因素：
环境因素：辐射、化学毒物、药物、病毒感染、植
物和微生物代谢产物等。
生理因素：机体代谢过程中产生的有毒物质、DNA
复制错配、DNA本身的热不稳定性。
3
一、DNA损伤的因素及其机制
引起损伤的因素: ♦ 自发性损伤(复制中的损伤、碱基的自发性化 学改变、自发脱碱基、 细胞的代谢产物对 DNA的损伤)
♦
♦
物理因素引起的损伤(电离辐射、紫外线)
化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物）
缺口处的5’磷酸根与相邻的一个3’羟基形成磷
酸二酯健。连接所需的能量ATP(如动物细胞)。
Hale Waihona Puke 2627(二)、切除修复
将损伤的部位（或连同其附近的一定部位）切 除，然后用正确配对的、完好的碱基替代修复。 有多种酶和基因参与。 过程：识别（损伤位点）→切除→修复（补） →连接 酶和蛋白质 DNA聚合酶
4
（一）辐射致DNA损伤
根据作用原理的不同
电离辐射（α 粒子，β 粒子，γ 射线，Χ 射线等）
直接作用：能量直接传递给大分子而引起结构的破坏 间接作用：辐射先作用于溶剂分子而产生活性物质从而导致细胞损伤
非电离辐射（紫外线以及能量低于紫外线的电磁辐射）
辐射引起的DNA损伤常见的有碱基的脱落、碱基破坏、 嘧啶二聚体形成、单链和双链断裂、DNA交联等。
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1）、酶学光复活（photo reactivation ） • 复制前、不容易出错 • 400 nm 蓝光、PR 酶 ----TT-------AA-------TT-------AA---可见光激活
(photo-reactivation enzyme)
光敏裂合酶（photolyase）
----TT-------AA---PR
扁平染料分子
结果产生－－－移框突变
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二、DNA损伤的类型
DNA分子中的碱基、核糖和磷酸二酯键等均是
DNA损伤作用的靶点。 常见的损伤有：碱基脱落、碱基破坏、嘧啶二聚体形成、
单链和双链DNA断裂、DNA交联、DNA蛋白质交联等。