第三章DNA的损伤、修复及突变
DNA的损伤和修复ppt课件
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（a）亚硝酸修饰G、C、A；（b）羟基修饰C；（c）甲基磺酸乙酯修饰T（引自Russell,1992）.
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 )
扁平染料分子
分子插入
TAO T
-A
TTTCG -
-ATTTTTCG - AO -T
❖ 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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（三）化学毒物致DNA损伤
❖ 按其作用原理可分为： 碱基类似物 碱基修饰物 嵌入染料
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1、碱基类似物（Base analog）
是指与DNA正常碱基结构类似的化合物,在DNA复制时掺入并与 互补链上碱基配对,从而引起碱基对的置换.
❖ 常见的DNA修复方式：直接修复、切除修复、错配修复和重 组修复
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(一）直接修复
❖ 直接修复
❖
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
方式叫直接修复。
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。
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。
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（一） 碱基和核糖的破坏
❖ 由于碱基或者核糖的损伤，在DNA链上形成不稳定位点，最 终可导致DNA链的断裂。
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（二）错配
环境毒理学简答题
环境毒理学简答题第一章1、试述环境毒理学的研究对象、任务及内容。
（1）环境毒理学的研究对象主要是对各种生物特别是对人体产生危害的各种环境污染物。
环境污染物主要是人类的生产和生活活动所产生的化学性污染物。
（2）环境毒理学的主要任务是研究环境污染物对人体的损害作用及其机理，探索环境污染物对人体健康的损害的早期检测指标和生物标志物，从而为制定环境卫生标准和有效防治环境污染对人体健康的危害提供理论依据；止匕外，根据环境污染物对其他生物（包括动物、植物、微生物等）个体、种群及生态系统的危害，甚至在特定环境中对整个生物社会的危害，研究其损害作用和机理、早期损害指标及防治理论和措施。
环境毒理学的最终任务是保护包括人类在内的各种生物的生存和持续健康的发展。
（3）环境毒理学的主要内容是研究环境污染物及其在环境中降解和转化产物对机体相互作用的一般规律，包括毒物在体内的吸收、分布和排泄等生物转运过程和代谢转化等生物转化过程，剂量与作用的关系，毒物化学结构和毒性以及影响毒作用的各种有关因素。
2、简述环境毒理学的主要研究方法及其发展进展。
环境毒理学的研究方法主要分体外试验和体内试验。
（1）体外试验：器官水平（包括器官灌流和组织培养，基本保持器官完整性，常用于毒物代谢研究）；细胞水平（应用的细胞包括已建株的细胞系（株）和原代细胞（可用不同的器官进行制备），可用于外来化合物的毒性和致癌性的各种过筛试验，也可用来研究化合物的代谢和中毒机理的探讨）；亚细胞水平：（研究中毒机理、毒物引起损伤的亚细胞定位以及化合物代谢）；分子水平（如研究毒物对生物体内酶的影响）。
体外试验的优点：简单、快速、经济、条件易于控制，缺点：缺乏神经一体液调节因素等的控制，不能全面反映整体状况下的生物学效应。
（2）体内试验：急性毒性实验（指一次染毒或24h内重复染毒的毒性实验研究）；亚急性毒性实验（或称为亚慢性毒性实验一般认为1〜3个月为宜，但具体实验期限随实验要求而异）慢性毒性实验（一般指六个月以上到终身染毒的毒性实验）。
DNA的损伤与修复
碱基切除修复依赖于生物体内存在的 一类特异的DNA糖基化酶。 切除修复过程： （1）识别水解 （2）切除 （3）合成 （4）连接
（二）核苷酸切除修复系统识别DNA双螺旋变形
这是细胞内最重要和有效的修复方式。
其过程包括去除损伤的DNA，填补空隙和连接。
主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。
错配 (mismatch)
缺失 (deletion) 插入 (insertion)
框移 (frame-shift)
重排 (rearrangement)
（一）错配可导致编码氨基酸的改变
DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。 自发突变和不少化学诱变都能引起DNA上某一碱基的 置换。 点突变发生在基因的编码区，可导致氨基酸改变。
正常
5’ ……G C A G U A C A U G U C …… 丙 缬 组 缬 5’ ……G A G U A C A U G U C …… 谷 酪 蛋 丝
缺失C
（三）重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病
1、DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。 2、移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位
（二）缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸 排列顺序发生改变
1、缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上
消失。
2、插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插
入到DNA大分子中间。
缺失或插入都可导致框移突变 。 3、框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造 成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。
缺失引起框移突变：
嘧啶二聚体并与之结合形 成复合物；
⑵ 在 300 ～ 600nm 可见光照射
下，酶获得能量，将嘧啶 二聚体的丁酰环打开；
医学分子生物学 DNA的损伤和修复
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。
37
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
DNA的损伤、修复
在插入酶的催化下，以正确 插入酶的催化下， 的催化下 的碱基插入空位， 的碱基插入空位，修复 DNA
聚合酶的催化下 的催化下， 在 DNA 聚合酶的催化下，以 互补链为模板， 互补链为模板，合成新的单链 片段以填补缺口 片段以填补缺口
连接酶催化连接片段 催化连接片段， 由 DNA 连接酶催化连接片段， 封闭缺口
（一）引起DNA损伤的因素： 引起DNA损伤的因素： DNA损伤的因素 自发因素： 1．自发因素： 1)．脱嘌呤和脱嘧啶 DNA分子通过自发水解 经常发生脱嘧 分子通过自发水解经常 DNA 分子通过自发水解 经常 发生脱嘧 啶和脱嘌呤反应， 啶和脱嘌呤反应 ， 使嘌呤碱和嘧啶碱从 DNA分子的 脱氧核糖分子的脱氧核糖 DNA 分子的 脱氧核糖 - 磷酸骨架上脱落下 来。 例如，在腺嘌呤和鸟嘌呤的N 例如，在腺嘌呤和鸟嘌呤的N- 9及脱 氧核糖C 之间的N 糖苷键常发生自发 氧核糖C-1′之间的N-糖苷键常发生自发 水解反应而断裂， 从而失去嘌呤碱基， 水解反应而断裂 ， 从而失去嘌呤碱基 ， 使该嘌呤碱基所编码的遗传信息丢失。 使该嘌呤碱基所编码的遗传信息丢失。
特异性的核酸内切酶识别 特异性的核酸内切酶识别 DNA 核酸内切酶 的损伤部位， 的损伤部位，并在该部位的 5' 端作一切口
糖苷酶识别受损伤的 DNA 糖苷酶识别受损伤的 碱基， 碱基，并将该碱基切除
由核酸外切酶（或 DNA 聚合 核酸外切酶（ 5'→3'端逐一切除损 酶Ⅰ）从 5'→3&#碱基的脱氨基作用 碱基中的胞嘧啶（C）、腺嘌呤（A）和 鸟嘌呤（G）都含有环外氨基，氨基有时 会自发脱落，从而使胞嘧啶变为尿嘧啶 （U），腺嘌呤变为次黄嘌呤（I）, 鸟嘌 呤变为黄嘌呤（X）。 这些脱氨基产物的配对性质与原来的 碱基不同，即U与A配对，I和X均与C配对。 而且DNA复制时，它们将会在子链中产生 错误而导致DNA损伤。
重点莫老师分子遗传复习题总结
前言：1.遗传、变异的含义及其相互关系；遗传使子代与亲代保持不变，保持亲本的性状，从而使每个物种具有相对的稳定性，能延续后代；变异使子代发生改变，表现与亲代不同；没有变异，物种将一成不变，没有变异就没有生物的进化和发展；遗传是相对的，变异是绝对的。
2.孟德尔的遗传观念及其在遗传学中发展的作用；孟德尔的遗传观念：基因的分离定律；基因的自由组合定律；两个定律体现了基因的颗粒性，为一基因一酶学说的提出奠定了基础也为现代分子遗传学奠定了分子机制基础。
第一章基因与DNA结构1.什么是基因，什么叫内含子；一个或几个DNA片段形成的一个功能性RNA分子或为一个RNA分子。
2.Topo1和Topo11的区别；1：催化瞬时的单链的断开和连接（单链切口）2：催化双链断开成一个缺口3.Gyrase是什么；DNA促旋酶是什么；促进DNA发生螺旋结构的旋转变化的酶4.正负螺旋的生物学意义正超：嗜热生物特有，解旋须要更多的能量，防止环境高温引起DNA变性负超：含自由能，有局部解旋倾向，可以为打开DNA双链供能。
5.链环数，扭转数，缠绕数；链环数：指cccDNA（共价闭合环DNA）中一条链绕另一条链的总数扭转数：双螺旋圈数缠绕数：超螺旋数目。
6.断裂基因（split gene）；限制性内切酶（restriction）；变性（deneturation）；复性（renaturotion）；退火（anneal）;southern /northern blotting;原位杂交；断裂基因：基因的编码序列在DNA上不连续，有一些不编码的序列隔开。
限制性内切酶：一组能特异性识别一段短的回文DNA序列并于此处切开DNA的酶。
变性：一定条件下，双链DNA双链键断开打开成单链复性：适当条件下，单链DNA互补恢复成天然双链DNA。
退火：单链DNA经过互补配对，重新形成双链DNA的过程Southern杂交：使用特定的探针对DNA进行杂交，以获得特定的DNA片段。
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
DNA修复
挽回系统（retrieval system）也称“复制后 修复”（post-replication repair）因为它们在 复制后起作用，也称为“重组修复” （recombination-repair）。此系统在处理复 制含有损伤碱基模板后产生的子代二倍体 的缺陷中起作用。
八、SOS系统
二、直接（回复）修复
直接修复即简单地把损伤的碱基回复到原来状 态的修复。可分为以下几种： 1. O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶直接修复 通过从O6-甲基鸟嘌呤上把甲基直接转移到酶 的半胱氨酸残基上来直接回复DNA的损伤。
2. 光解酶复活 酶学光复活过程是修复UV导致的环丁烷嘧 啶二聚体的直接机制，这种修复具有高度 的专一性。 3. 单链断裂修复 DNA单链断裂是损伤的一种常见形式，可 以通过DNA连接酶的重接而修复。
2. 碱基类似物对DNA的损伤
碱基类似物是一类结构与碱基相似的人工 合成的化合物，它们进入细胞以后，便能 替代正常的碱基而掺入到DNA链中，干扰 DNA的正常合成。最常见的碱基类似物是 5-溴尿嘧啶（5-BU）。
第二节 DNA修复
为了保证遗传信息的高度稳定性，生物细 胞在进化过程中形成了一系列多步骤的修 复机制。 目前对DNA损伤和修复的研究还不多，仅 限于辐射－生物反应方面。
一、切除修复
1. 碱基切除修复（base excise repair，BER）
BER可以去除因脱氨基或碱基丢失，无氧射线 辐射或内源性物质引起的环氮类的甲基化等 因素产生的DNA损伤。 BER是维持DNA稳定的重要修复方式，其步 骤是N-糖苷键水解，从而切除发生变化的碱 基。碱基释放过程是由DNA糖苷酶催化的。
许多损伤DNA或抑制大肠杆菌复制的手段 引起一系列综合的表现型改变，称为SOS反 应。这是由RecA蛋白和LexA抑制物相互作 用而引起的。 SOS反应表现为修复损伤DNA的能力增强, 这是通过诱导长补丁修复系统和RecA重组 修复系统有生物基因组中的DNA并不稳定，很容 易发生各种各样的、可以遗传的改变，即 基因突变（mutation）。 按突变的形式，可以将突变分为碱基替换 （base substitution）、缺失（deletion）和插 入（insertion）等。
DNA损伤与修复ppt课件
核苷酸切除修复（nucleotide excision repair ）
① 首先，由一个酶系统识别DNA损伤部位；
② 其次，在损伤两侧切开DNA链，去除两个切口之间的 一段受损的寡核苷酸；
③ 再次，在DNA聚合酶作用下，以另一条链为模板，合 成一段新的DNA，填补缺损区；
④ 最后由连接酶连接，完成损伤修复。
缺失或插入都可导致框移突变 。 框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造
成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。
缺失引起框移突变：
正常 5’ ……G C A G U A C A U G U C ……
丙 缬 组缬
缺失C 5’ ……G A G U A C A U G U C ……
谷酪蛋丝
（三）重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病
复制或重组中的碱基 大肠杆菌中的MutH、MutL、MutS，人
配对错误
的MLH1、MSH2、MSH3、MSH6等
双链断裂
RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、 XRCC4
大范围的损伤或复制 RecA蛋白、LexA蛋白、其他类型DNA聚 中来不及修复的损伤 合酶
第三节
DNA损伤和修复的意义
The significance of DNA damage and repair
基因
CTC GAG
镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) β亚基
肽链 N-val ·his ·leu ·thr ·pro ·val ·glu ······C
基因
CAC GTG
（二）缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸 排列顺序发生改变
缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子 上消失。
插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插 入到DNA大分子中间。
DNA的损伤修复及突变PPT课件
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。
在研究其发病机制时，发现一些相关的基 因，称为 XPA、XPB、XPC等。这些基因的表达产物起辨认 和切除损伤DNA作用的。
XP病人是由于XP基因有缺陷，不能修复紫外 线照射引起的DNA损伤，因此易发生皮肤癌。
•19
➢ DNA链断裂 脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而导致DNA链断裂。 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 ）。
•20
➢交联（binding） 同一条DNA链上或两条DNA链上的碱基间以共价
烷化剂的种类很多，常见的有甲磺酸乙酯（EMS）、 亚硝基胍（NG）和芥子气等。
•27
EMS能使鸟嘌呤的 N位置上有乙基，成为7一 乙基鸟嘌呤。与胸腺嘧啶配对，故能使G-C转换成 A-T。
烷化剂的另一作用是脱嘌呤。例如烷基在鸟嘌 呤N位上活化糖苷键引起断裂，使嘌呤从DNA链上 脱掉，产生缺口。复制时，与缺口对应的位点上可 能配上任一碱基，从而引起转换或颠换；而且去嘌 呤后的DNA容易发生断裂，引起缺失或其他突变。
•46
• 管理基因( caretaker genes) : 执行DNA的损伤修复， 维持基因组的完整性。如着色性干皮病的修复基因 XPA→XPF。
• 看门基因( gatekeeper genes) : 控制细胞信号传导， 调控细胞的增殖、分化和凋亡。如p53、patched基 因和ras等。皮肤癌的发生与看门基因突变关系密 切。
移码突变： 由于插入或缺失突变引起DNA的阅读框（ORF）
发生改变，从而产生不同蛋白质的过程。
DNA损伤修复
DNA damage and repair
一、DNA的损伤
DNA 的损伤也称突变，是指DNA分子上 碱基的改变。
突变可分为：
• 自发突变、人工诱变
• 突变的意义
• 突变是进化、分化的分子基础 • 只有基因型改变的突变 • 致死性的突变 • 突变是某些疾病的发病基础
• 二、引发突变的因素
• 三、突变分子改变的类型
• 错配 （点突变）
• 一个碱基改变
• 缺失、插入和框移突变
• 片段插入或缺失
• 重排• 较大片段重组或重排四、损伤的修复
• 损伤--复制过程中发生的DNA突变
• 光修复
• 切除修复
• 错配修复
• 重组修复
• SOS修复
• （一）光修复
• 紫外光照射可使相邻的两个T（嘧啶-嘧啶） 形成二 聚体，影响DNA的双螺旋结构，使其复制和转录功能均 受到阻碍。 • 光修复酶可使二聚体解聚为单体状态，DNA完全恢
诱变因素及突变类型
诱变因素
物理因素 化学因素
突变类型
生物因素
紫外线照射 形成胸腺嘧啶二聚体 离子辐射 打断 DNA 分子上的共价键 5-溴尿嘧啶(5-BU) 5-BU 取代 A，并异构成 G，结果是 A-T 配对变 为 G-T 配对，最后变为 C-G 配对 羟胺 转换 T 为 C，结果是 A-T 配对改为 C-G 配对 亚硝酸盐 使 C 脱氨成 U，原 G-C 配对变为 G-U 配对，最 后使 G-C 变为 A-T 氮芥类 使 G 的 N-7 烷化后除去，成为无鸟嘌呤的链 肿瘤病毒 插入宿主细胞基因组中，引起细胞癌变
错配修复
大肠杆菌参与错配修复的蛋白质至少有12种，其功能是区分两条链，或者是进 行修复过程。其中几个特有的蛋白由 mut 基因编码。 1、新合成的链在短期内未能甲基化，如果有错配碱基对，则需切除新合成链的错配 区。 2、Mut S二聚体识别并结合到错配碱基部位，Mut L二聚体与Mut S结合，使DNA形成 突环，复合体随ATP水解而移动，直至遇到GATC序列， 3、随后核酸内切酶Mut H结合到Mut SL上，将未甲基化链GATC位点G的5΄端切开，若切 开处位于错配碱基的3΄侧，则由核酸外切酶Ⅰ或核酸外切酶X沿3΄→ 5΄方向切除核酸 链。 4、若切开处位于错配碱基的5΄侧，则由核酸外切酶Ⅶ或Rec J沿5΄→ 3΄方向切除核酸 链,新的DNA链由DNA聚合酶Ⅲ和连接酶合成并连接。 5、在切除链的过程中，解螺旋酶Ⅱ和SSB帮助链的解开。 人类的hMSH2和hMLH1基因编码的蛋白质分别与大肠杆菌的Mut S和Mut L相对应， 错配修复的过程与大肠杆菌相似。
DNA损伤和基因突变的机制和修复机制
DNA损伤和基因突变的机制和修复机制DNA是组成我们的生命的关键分子，它有着一套非常复杂的结构和功能。
然而，在生物体内，DNA受到了大量的损伤，例如来自辐射、化学品或其他环境压力的损伤等。
这种损伤可能导致基因突变，从而损害DNA的完整性和稳定性，进而损害人体健康甚至导致致命的疾病。
因此，研究DNA损伤和基因突变的机制和修复机制是极为重要的。
1. DNA损伤的机制DNA损伤主要包括单链损伤和双链损伤两种类型。
单链损伤包括碱基损伤、骨架损伤和交叉链接等，这些损伤的产生与环境的压力有关。
双链损伤则是由于DNA复制过程中出现的错误、放射线等原因造成的。
碱基损伤是最常见的DNA单链损伤类型，例如氧化损伤、烷基化、烯烃化、烷基化和糖基化等。
这些损伤可能导致DNA序列改变、细胞周期失控、细胞凋亡或肿瘤等疾病的发生。
双链损伤是DNA分子的最严重的损伤之一，其中包括直接断裂、间接断裂和复合损伤等。
直接断裂是由于辐射或某些化学物质直接作用于DNA分子而造成的损伤；间接断裂则是由于环境压力作用于DNA中的水分子而产生活性自由基，进而造成DNA双链断裂；而复合损伤则是DNA的单链损伤同时发生导致的复合损伤。
DNA的双链损伤会导致基因突变、染色体异常、细胞凋亡和肿瘤等疾病的发生。
2. 基因突变的机制基因突变是指DNA序列的改变，这些改变可能来源于环境引起的DNA损伤，或是由于某些遗传因素引起的错误。
基因突变主要有三种类型，即点突变、插入突变和缺失突变。
点突变是DNA中单个碱基的改变，它可能导致错配、替换或插入/缺失。
插入突变是指在DNA序列中插入了额外的碱基，而这些碱基可能来自外部环境或是由遗传转移得到。
缺失突变则是指DNA序列中发生了缺失或漏洞。
基因突变可能导致功能失调、信号传递失控和癌症等严重健康问题的发生。
有时，基因突变甚至可能发生在人类胚胎中，并会遗传给下一代。
3. DNA损伤和基因突变的修复机制为了避免DNA损伤和基因突变对健康的破坏，生物体进化出了一套非常复杂的DNA修复机制。
生命科学中的DNA损伤和修复
生命科学中的DNA损伤和修复DNA是生命的基础，在细胞内起着至关重要的作用。
然而，它经常受到损伤，如紫外线、化学物质、辐射等。
如果未能及时修复则可能导致疾病甚至癌症。
今天我们将探讨生命科学中的DNA损伤和修复。
一、DNA的损伤类型DNA受到的损伤形式很多，如单链断裂、双链断裂、碱基损伤等。
其中，单链断裂是指DNA中所含的两股链中的一股断裂，而另一股仍保持完整；双链断裂则是两股链都发生了断裂。
碱基损伤则是指DNA中所含的碱基受到了各种各样的损伤。
二、DNA损伤的危害DNA损伤如果未能及时修复，会导致一系列的后果。
首先是基因突变，基因突变是指DNA序列的改变，如果发生在体细胞中则可能导致癌症等疾病，而在生殖细胞中则可能传递给下一代。
此外，DNA损伤还可能导致细胞自我毁灭，造成组织和器官的功能障碍或细胞死亡，比如神经细胞坏死可导致疾病如阿尔茨海默病。
三、DNA修复机制为了避免DNA损伤的危害，细胞需要拥有多种修复机制。
DNA修复机制包括：直接反应、碱基切割修复、核苷酸切割修复和重组修复等。
（1）直接反应直接反应是一种不需要酶辅助的修复机制，它包括：碱基漂移、钯磁场旋转、邻近值作用、光诱导电子转移和物理效应等。
直接反应通常只适用于少数特定类型的损伤，比如UV损伤等。
（2）碱基切割修复碱基切割修复是指损伤的DNA区域被切割，并进行修复。
核苷酸切割打破DNA链，第一步是DNA糖-磷酸链的切割。
这种切割在大多数引起DNA损伤的情况下都是必要的，它使损伤DNA从未损伤的DNA中被分离出来，并允许损害部位被清除。
然后核酸内切酶切割DNA链，在某些情况下，切割DNA链就足够修复损伤了。
在另一些情况下，取代碱基系统需要参与。
（3）核苷酸切割修复核苷酸切割修复可以修复一些单链损伤和大多数双链断裂。
核苷酸切割修复可分为两种类型：全切割修复和片段切割修复。
全切割修复在夜间进行，就是把受损的DNA拉出来，然后把它切成很多小块，每块都用基因片断替换掉它。
DNA损伤修复与基因突变的发生
DNA损伤修复与基因突变的发生DNA是构成生命体的基础，是生命的重要组成部分。
但是在生命的过程中，DNA受到了各种外界环境因素的干扰，如放射线、紫外线、化学物质等，这些因素会导致DNA受损和突变。
然而，出现了DNA损伤，如何修复和维护DNA的稳定性成为了一个重要的问题。
本文将从DNA损伤与修复的关系、基因突变的发生机制以及DNA修复和突变应用方面对这一问题进行讨论。
DNA损伤与修复的关系DNA在生物体内为避免损伤的发生，具有详细的修复系统和机制，以保持DNA的完整性和稳定性。
DNA损伤主要分为两类：基因突变和染色体畸变。
前者是DNA的单个碱基或小片段发生突变，如：DNA碱基损伤（如硝基化、脱氨基、酸化等）和DNA单链断裂；后者是染色体片段的变异、插入、缺失等。
多种机制负责DNA修复，包括基础修复、核苷酸切换修复、异源结束修复、同源重组修复以及DNA电子传输修复等多个层面和路径。
每个机制都具有独特的异同，各自适用于不同类型、不同程度的DNA损伤。
基础修复机制又称为直接修复，适用于对DNA双链断裂具有良好修复能力，重要的是它可以修复简单而单一的损伤。
对于单个碱基损伤，真核生物细胞通常通过两个酶进行修复：O6-甲基-鸟嘌呤-DNA甲基转移酶和构成II的酶。
O6-甲基-鸟嘌呤-DNA甲基转移酶负责从DNA中将甲基基团转移到基团中，而构成II的酶，则负责恢复鸟嘌呤的结构。
因此，基础修复机制对DNA的双链断裂修复很有帮助。
核苷酸切换修复机制是针对DNA中插入的碱基和缺失的碱基进行修复。
这种机制通过分解未成对碱基，在一个互补核苷酸插入到未成对的位点上，在DNA聚合酶的作用下修复了某一段DNA序列的完整性。
此机制对大量、复杂碱基损伤有良好作用。
异源结束修复机制主要利用两条不同的染色体，通过交换DNA中的部分，来维持信号序列的完整性。
正确地，它主要用于DNA双链断裂、复制错误等比较复杂情况下DNA的修复。
同源重组修复机制则是一种在DNA双链断裂情况下的修复机制，主要通过病变染色体找到另一个同源的染色体，以其作为模板，在染色体的可替代区域引进修复甚至重组事件。
DNA损伤与修复
DNA损伤与修复
突变 (mutation)：
是指遗传物质结构改变而引起 的遗传信息的改变，也称为DNA损伤 (DNA damage)。
从分子水平来看，突变就是DNA 分子上碱基的改变。
一、突变的意义
(一) 突变是进化、分化的分子基础
• 进化过程是突变的不断发生所造成的。没
有突变就没有今天的五彩缤纷的世界。遗传 学家认为：没有突变就不会有遗传学。
——DNA分子内发生较大片段的交换， 也称为重组。
移位的DNA可以在新位点上颠倒 方向反置（倒位），也可以在染色体 之间发生交换重组。
四、DNA的损伤和修复
修复 (repairing)：是指针对已发 生的缺陷而进行的补救机制。
(一)光修复 (light repairing)
O
RN
P
O
RN
N O
UV
• 大量的突变都属于由遗传过程自然发生的，
叫自发突变或自然突变（spontaneous mutation）。
(二) 突变导致基因型改变 • 这种突变只有基因型的改变，而没有可察
觉的表型改变。
• 多态性 (polymophism)：是用来描述个体
之间的基因型差别现象。利用DNA多态性 分析技术，可识别个体差异和种、株间差 异。
镰形红细胞贫血病人的Hb (HbS) 与正常成人的Hb (HbA)比较
基因模板链 mRNA
肽链第6位氨基酸
HbS CAC GUG Val
HbA CTC GAG Glu
(二)缺失(deletion)和插入(insertion)
1. 缺失：一个碱基或一段核苷酸链从
DNA大分子上消失
2. 插入： DNA大分子上多了一个碱
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4）．细胞正常代谢产物对DNA的损伤 在所有需氧细胞中，细胞呼吸作用产生 的副产物超氧阴离子（O2- ）和H2O2 非常活 跃，由于这些超氧化物、氢过氧化物及羟 基自由基（· OH）等活性氧的存在，导致 DNA在正常条件下发生氧化损伤。这些自由 基可在许多位点上攻击DNA，产生一系列特 性变化了的氧化产物， 8-氧化鸟嘌呤，2氧化腺嘌呤和5-羟甲基尿嘧啶。
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（五）．SOS修复： 这是一种在DNA分子受到较大范围损伤 并且使复制受到抑制时出现的修复机制， 以SOS借喻细胞处于危急状态。 DNA分子受到长片段高密度损伤，使DNA 复制过程在损伤部位受到抑制。 损伤诱导一种特异性较低的新的DNA聚 合酶，以及重组酶等的产生。 由这些特异性较低的酶继续催化损伤部 位DNA的复制，复制完成后，保留许多错 误的碱基，从而造成突变。
• 大肠杆菌通过对模板链的甲基化来区分新合成的DNA链。 • Dam甲基化酶对DNA模板链的5′- GATC序列中腺嘌呤的N6 位置进行甲基化;复制完成后，在短暂的时间内只有模板 链是甲基化的，而新合成的链是非甲基化的。 • 子代DNA链中的这种暂时半甲基化，可以作为一种链的识 别标志，以区别模板链和新合成的链，从而使存在于 GATC序列附近的复制错配将按亲代链为模板进行修复 • 新合成链也被甲基 化，从而成为全甲基化DNA。一旦两 条链都被甲基化，这种错配修复过程几乎不再发生。
2．物理因素：
• 由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。 其中，X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂， 而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT， TC，CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了 共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障 碍。
3．化学因素： (1)脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可 加速C脱氨基生成U，A脱氨基生成I。
根据点突变发生的性质和部位的不同，可进一步将 其化分为以下几种类型： 1）、同义突变（consense mutation）：也称沉寂或沉默突 变（silent mutation）。由于遗传密码具有简并性，即同一 氨基酸可由两种或两种以上密码子编码，而且同义密码间通 常只有第3位碱基不同。如果点突变发生在第3位碱基位置， 那么它就不会影响掺进蛋白质中的氨基酸 同义突变不会造成蛋白质一级结构的变化，但可形成基 因多态性。 如果突变发生在DNA的非编码区或非调节区，则该突变也 将是沉默突变
特异性的核酸内切酶识别 DNA 的损伤部位，并在该部位的 5' 端作一切口
DNA 糖苷酶识别受损伤的 碱基，并将该碱基切除
由核酸外切酶（或 DNA 聚合 酶Ⅰ）从 5'→3'端逐一切除损 伤的单链片段
在插入酶的催化下，以正确 的碱基插入空位，修复 DNA
在 DNA 聚合酶的催化下，以 互补链为模板，合成新的单链 片段以填补缺口
DNA的损伤、修复
基因突变与DNA的损伤与修复
• 作为一种能决定生命状态存在和延续的 生物大分子，DNA在遗传过程中必需保持 高度的精确性和完整性。 • 在DNA复制过程中，仍难免会存在少量未 被校正的差错。 • DNA还会受到各种物理和化学因素的损伤。
1. 生物体演化出能纠正复制错误的“校正” 系统，而且在细胞中形成了多种多样的 DNA修复系统，能对各种DNA的损伤进行 修复，恢复DNA正常的超螺旋结构，以 保持每个世代遗传信息的稳定性。 2. 极少数不能修复的DNA损伤将会导致基 因的突变，其中一部分突变将有利于物 种的进化，而另一部分突变将导致细胞 发生变异和死亡。
由于甲基化DNA成为识别模板链和新合成链的基 础，且错配修复发生在GATC的邻近处，故这种 修复也称为甲基指导的错配修复（methyldirected mismatch repair）。
（四）．重组修复 (recombination repairing)： • 这 是 DNA 的 复 制 过程中所采用的 一种有差错的修 复方式。
目前人们最了解和最常见的基因突变主要有以下两类：
1、碱基置换突变
• 指基因中一个或少数几个碱基被替代的突变。最简单 的碱基置换突变是点突变，即DNA序列上单个碱基的改 变。 • 点突变如果是嘌呤与嘌呤之间，嘧啶与嘧啶之间发生 互换，称之为转换（ transition ）； • 如果是嘌呤与嘧啶之间发生互换，称之为颠换 （ transversion） 。
• 一种广泛存在的修复作用。光复活 能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。 • 其修复过程为：光复活酶（photolyase)识别嘧啶二聚体并与之结合 形成复合物→在300～600nm可见光 照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚 体的丁酰环打开，使之完全修复→ 光复活酶从DNA上解离。
2．直接插入嘌呤
• 当DNA链上的嘌呤碱基受到损伤时，常会被糖 基化酶水解脱落生成无嘌呤位点（apurinic site, AP位点）。 • 一种酶能对这种损伤进行直接修复，这种酶被 称为DNA嘌呤插入酶。此酶首先与无嘌呤位点 相结合，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。 • 插入酶所插入的碱基具有高度的专一性，例如， 在双链DNA中与C相对应的AP位点上，插入酶只 催化G插入，而在与T相对应的AP位点上，插入 酶只催化A 插入。
（三）、突变的意义
基因突变的效应是多种多样的。人们一般容易 误认为突变对生命都具有危害作用。其实就其后果 而言，突变在生物界普遍存在是有其积极意义的。 1、突变是进化的分子基础 从生物进化史看，进化过程是突变不断发生所 造成的，突变为进化提供了最根本、最原始的材料， 没有突变就不可能有现今五彩缤纷的生物世界。 动植物及微生物中很多单位性状内的差别，都 来自该生物进化过程中的基因突变。
• 上述大部分发生在基因编码序列中的点 突变，可引起蛋白质结构改变，但一般 不影响基因的表达，少数情况下可伴有 基因表达水平的降低。 • 基因的非编码序列也可发生碱基置换突 变，如启动子、增强子、内含子等区域 内的突变，均可影响基因表达及表达调 控。
2、缺失和插入突变（deletion and insertion mutation） • 指在DNA编码区内丢失或增加3或3的倍数个核苷酸而 导致的基因突变。这类突变的效应是使基因翻译至 突变处时丢失或增加1个或数个氨基酸，而突变位点 后的氨基酸序列并无改变。 • 如果插入或缺失涉及的核苷酸数目不等于3的倍数， 将会造成突变点后全部密码子阅读框架移位，进而 翻译产生的氨基酸序列与正常蛋白质完全不同，或 者使肽链合成提前终止或延长，产生无正常功能的 异常蛋白质，这种基因突变称为移码突变。 • 移码突变的结果是所翻译出的蛋白质序列从突变点 起至C末端都完全被改变了，若此突变发生在有重要 功能的基因中，常可导致生物个体死亡。
(2)烷基化剂：这是一类带有活性烷基 的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起 碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近 碱基的交联。 (3)DNA加合剂：如苯并芘，在体内代谢 后生成四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起 损伤。 (4)碱基类似物：如5-FU，6-MP等，可 掺入到DNA分子中引起损伤或突变。 (5)断链剂：如过氧化物，含巯基化合 物等，可引起DNA链的断裂。
2）．碱基的脱氨基作用 碱基中的胞嘧啶（C）、腺嘌呤（A）和 鸟嘌呤（G）都含有环外氨基，氨基有时 会自发脱落，从而使胞嘧啶变为尿嘧啶 （U），腺嘌呤变为次黄嘌呤（I）, 鸟嘌 呤变为黄嘌呤（X）。 这些脱氨基产物的配对性质与原来的 碱基不同，即U与A配对，I和X均与C配对。 而且DNA复制时，它们将会在子链中产生 错误而导致DNA损伤。
3）、无义突变（nonsense mutation）：指基 因编码序列中碱基置换使氨基酸密码子转变为 终止密码子的突变。 这种突变可导致mRNA的转录及翻译过程提 前终止，产生比原肽链截短并缺失了C末端的 蛋白质产物。 无义突变常对编码蛋白质的活性有严重影 响，容易产生突变体表型。
4）、终止密码子突变（mutation of termination codon）：指基因的终止密码子发生碱基置换转变为 一种氨基酸密码子，致使转录和翻译过程不能正常 终止，结果形成一种比原肽链延长的异常蛋白质的 突变。 5）、起始密码子突变（mutation of initiation codon）：指基因中起始密码子被置换，导致不能正 常转录和翻译，无表达产物的突变。
2）、错义突变（missense mutation）：基因编码序列中碱 基的置换如果发生在密码子的第1或第2位碱基上，导致某密 码子改变，并编码另一种氨基酸，则是错义突变。 错义突变有可导致蛋白质结构与功能的变化，也可能仅 有蛋白质结构的变化，而对其功能影响甚微。因为大多数蛋 白质可以耐受其氨基酸序列中某些非活性必需氨基酸的改变. 如果蛋白质结构或功能活性的关键部位发生了氨基酸的 改变，则极有可能产生突变体或造成致死性后果。
一、DNA的损伤
• 由自发的或环境的因素引起DNA一级结构 的任何异常的改变称为DNA的损伤。 • 常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修 饰、交联，链的断裂，重组等。
（一）引起DNA损伤的因素： 1．自发因素： 1)．脱嘌呤和脱嘧啶 DNA分子通过自发水解经常发生脱嘧 啶和脱嘌呤反应，使嘌呤碱和嘧啶碱从 DNA分子的脱氧核糖-磷酸骨架上脱落下 来。 例如，在腺嘌呤和鸟嘌呤的N- 9及脱 氧核糖C-1′之间的N-糖苷键常发生自发 水解反应而断裂，从而失去嘌呤碱基， 使该嘌呤碱基所编码的遗传信息丢失。
3）．碱基的互变异构 DNA中的四个碱基都可能自发地使氢 原子改变位置而产生互变异构体，从而 使碱基的配对形式发生改变。如腺嘌呤 的稀有互变异构体与胞嘧啶配对，胸腺 嘧啶的稀有互变异构体与鸟嘌呤配对。 当DNA复制时，如果模板链上存在着 这样形式的互变异构体，在子链上就可 以产生错误，造成DNA损伤。
由 DNA 连接酶催化连接片段， 封缺口（三）、错配修复• DNA复制是一个高保真过程，但其正确性毕竟不 是绝对的，复制产物中仍会存在少数未被校出的 错配碱基。 • 错配中的错配碱基存在于新合成的子代链中，错 配修复是按模板的遗传信息来修复错配碱基的。 • 修复系统必须有一种能在复制叉通过之后识别模 板链与新合成 DNA链的机制，以保证只从新合成 的DNA链中去除错配碱基。