DNA的损伤、修复和突变

图5-6 烷基化碱基的直接修复
5.1.2.2 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。 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)。
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。
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 异常增生和代谢
基因表达异常 细胞增殖减少 基因组不稳定
信号传导异常
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 被修复成原样的，正因为如此生物才会有变异、有进化。
③去除损伤。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
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
甲基四氢叶酸和还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，是无差错的。
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分离
图5-15 E. coli错配修复的详细过程
5.1.2.3 DSBR(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合适的修复断 裂的信息，精确度较高；第二种称为非同源末端连接(NHEJ)，
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
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，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。
DNA的损伤和切除修复
碱基丢失
糖苷酶
碱基缺陷或错配
结构缺陷
上的无损伤的互补序列。
图5-8 尿嘧啶的切除修复
图5-10 真核细胞的碱基切除修复
5.1.2.2.2 NER
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。
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
碱基损伤有5个亚类 (1 嘌呤最为普遍。黄曲霉毒素B1能加剧此反应，导致癌症。
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。
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别不足以让聚合酶正确区分。 尽管聚合酶可纠正大部分错配的碱基，但仍有“漏网之鱼”。
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。
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。
为避免DNA损伤的不良后果，细胞往往会尽量修复 DNA损伤，而不是简单地将其水解，因为一个细胞内的
同一种DNA分子不像蛋白质和RNA那样有多个拷贝，如
(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。
(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
5.1.2 DNA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。基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5-14 哺乳动物细胞的GGR和TCR
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
果将其水解，细胞也就失去了存在的基础；此外，DNA 的互补双螺旋结构使受损伤的DNA分子很容易修复。
5.1.1 导致DNA损伤的因素及损伤类型
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。
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，切除掉不正确的部分，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。
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 和新合成链的基础。 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。
而后PR酶就从DNA上解离下来。
图5-5 嘧啶二聚体的直接修复
5.1.2.1.2 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
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
5.1.2.2.1 BER
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
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，
失活，因此是一种自杀酶。 MGMT-II是另一种烷基转移酶。
5.1.2.1.3 DNA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。
无差错直接修复
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。
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。
如何识别新链和旧链？
Methyl group
G T
GATC CTAG
Parent New Not methylated yet
Hemi-methylation
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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
切除修复属于Error-free repair无差错修复
– – 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
5.1.2.1 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。
5.1.2.1.1 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)。
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。
(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 反应。
(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。
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
分子生物学
玉林师范学院生命科学与技术学院 林谦 2013.9.
第5章 DNA的损伤、修复和突变
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只有一份DNA，在真核二倍体细胞中