分子生物学第六章：DNA损伤与修复

48
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。
49
三、碱基切除修复（Base
Excision Repair，BER）
35
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)
36
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
25
(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。
26
(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。
54
55
56
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
57
UvrC:
5ˊ末端内切
UvrB: 3ˊ末端内切
27
(一)烷化剂对DNA的损伤
4. 交联 烷化剂有两类， 一类是单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能 另一类是双功能基烷化剂，如化学武器氮芥、硫
使一个位点烷基化； 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，其 两个功能基可同时使两个位点烷基化。
Production of thymine dimer by ultraviolet light irradiation.
17
皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率
可达每小时5×104／细胞，紫外线不能穿透皮
肤，因此损伤只局限在皮肤中。此外，紫外线 照射还能引起DNA链断裂等损伤。
18
(二) 电离辐射引起的DNA损伤
75
常见的DNA损伤及其修复机制
DNA损伤因素
X射线、氧自由基 、烷化剂 自发脱碱基
DNA损伤类型
修复机制
单链断裂、无碱基位点、氧化性 碱基切除修 碱基（如8-氧鸟嘌呤）尿嘧啶 复
紫外线和多环芳烃 环丁烷嘧啶二聚体等大的紫外线 核苷酸切除 光产物和稳定的多环芳烃化合物 修复 等大分子DNA加合物
抗癌药（如顺铂和 双链断裂和链间交联 丝裂霉素）
mut S 扫描新生链中错配碱基 mut L 激活内切核酸酶mutH mut H 识别非甲基化DNA链; 酶切含错配碱
基的DNA区段
38
错配修复
39
Mis-paired bases
错配修复
(大肠杆菌)
40
错配修复(大肠杆菌)
41
2. 真核细胞错配修复机制
42
43
44
错配修复 (人)
45
58
UvrD:解 旋酶
59
60
核苷酸切除修复 (基因组修复–人)
61
核苷酸切除修复 (转录偶联修复 -人类)
62
GGR 和TCR的共同修复通路
63
64
五、重组修复
大肠杆菌重组修复
65
五、重组修复
根据 DNA 末端连接需要的同源性分为: 同源重组：需要多种蛋白参与,在减数分裂、细胞
有丝分裂后期S/G2期起主要作用。
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。
66
同源重组修复DNA双链断裂（人）
67
非同源末端连接修复DSB
68
六、 SOS修复
正在复制的DNA聚合酶可能遇到尚未修复的 DNA损伤，例如胸腺嘧啶二聚体或无嘌呤位 点，复制体必须设法跨越损伤进行复制，或 者被迫暂停复制。即使细胞不能修复这些损 伤，自动防故障系统能够使复制体绕过损伤 部位，这一机制就是跨损伤DNA合成。
第六章
DNA损伤与修复
DNA damage and repair
汤 立 军 中南大学生物科学与技术学院 分子生物学研究中心
1
哺乳动物细胞DNA损伤的发生频率
2
3
4
第一节 DNA损伤的原因及后果
烷化剂 复制错误 紫外线 碱基类似物 碱基脱落或部分脱落 电离辐射 修饰剂 活性氧族 物 化 自 理 学 发 因 因 性 素 素
环(cyclobutane ring)连成二聚体，其中最容易形成
的是T-T二聚体。二聚体导致复制不能进行。
15
16
O
H N CH3 H N
O
CH3
UV
H N
O
CH3 CH3
O
H N
O
N
Thymine
H
O
N
Thymine
H
O
N O
4 5 5 6 6
H O
4
H
dimer
N
O
Thymine
3 2 1
Fig. 21-
32
பைடு நூலகம்
3. 插入(insertion)指一个或一段核苷酸插入DNA链。 4. 倒位或转位(transposition) 指DNA链重组使其中 一段核苷酸链方向倒臵、或从一处迁移到另一处。
5. DNA断裂
33
34
突变或诱变对生物可能产生4种后果： ①致死性; ②丧失某些功能; ③改变基因型(genotype)而不改变表现型 (phenotype); ④发生有利于物种生存的结果,使生物进化。
黄曲霉素B （攻击碱基）
30
DNA 损伤类型
碱基脱落 碱基修饰 & 去氨基化 链内交联 DNA-蛋白质 交联 DNA链断裂
DNA 重组
31
四、DNA损伤的后果
DNA损伤后分子最终改变，有以下几种类型：
1. 点突变(point mutation) DNA链上单一碱基的
变异。嘌呤替代嘌呤(A与G之间的相互替代)、嘧啶 替代嘧啶(C与T之间的替代)称为转换(transition) ；嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤则称为颠换 (transvertion)。 2. 缺失(deletion) DNA链上一个或一段核苷酸消失。
配修复系统能够发现和修复这些错配核苷酸。
37
1. E.coli错配修复机制
错配修复系统组成（Mismatch repair system）
DNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶) 解旋酶 Helicase 、SSB、外切核酸酶 (Ⅰ、Ⅶ、X和 RecJ)、DNA polymerase Ⅲ、连接酶
MCE (mismatch correct enzyme)
双链断裂修 复（同源重 组修复和末 端连接）
错配修复 76
复制错误和烷化剂 碱基错配和缺失（插入）
The End
77
着色性干皮病患儿脸部特征
78
着色性干皮病背部
着色性干皮病组织切片
二、直接修复
1. DNA断裂口直接修复 在 DNA 5ˊ -P 端和 3ˊ -OH端未受损伤的 情况下，连接酶能够直接修复DNA的断裂口。
46
2. 光复合酶直接修复二聚体
47
3. 直接修复烷基化碱基 O6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶。 甲基从DNA转移至烷基转移酶上,已经甲基化 的酶不能再转变为非甲基化酶,因此,此种修复又 称为该酶的自杀性修复。
（apurine,
apyrimidine site,
AP）。
11
复制时可以插入任何核苷酸。 脱落碱基后的脱氧核糖3ˊ端的磷酸二酯 键易被水解，造成DNA链断裂。 在哺乳动物细胞基因组中，每天每个细 胞因N-糖苷键自发水解约丢失10 000个 嘌呤碱基和200个嘧啶碱基。
12
4．碱基修饰与链断裂
28
(二)
碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤
人工合成的碱基类似物如5-溴尿嘧啶、5-氟尿嘧
啶、2-氨基腺嘌呤等，其结构与正常碱基相似，进入
细胞能替代正常碱基掺入到DNA链中而干扰DNA复制。
例如5-溴尿嘧啶的结构与胸腺嘧啶十分相近。
29
碱基类似物、修饰剂对DNA的改变
5-BrdU （ 5-BrdU-A； 5-BrdU-G） 酮式 烯醇式 亚硝酸盐能使C脱氨基变成U （C→U） 羟胺能使T脱甲基变成C （T→C）
指切除和替换由内源性化学物作用产生的 DNA碱基损伤, 是切除修复的一种。 受损碱基移除是由多个酶来完成的。 主要针对DNA单链断裂和小的碱基改变 及氧化性损伤。
50
51
52
碱基切除修复（人）
53
四、核苷酸切除修复
（nucleotide excision repair）
体内识别 DNA 损伤最多的修复通路。
MCI假说(mobile charge interaction) 直接与DNA分子链发生作用，作用的靶 点是DNA分子中移动的电子。
21
电离辐射引起DNA损伤的类型
产生－OH自由基，导致碱基变化 脱氧核糖分解
DNA链断裂 交联 包括DNA链交联和DNA-蛋白质交联