第六章 DNA损伤与修复
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9
• 3．脱嘌呤与脱嘧啶 即碱基脱落，是指从DNA上 丢失了嘌呤或嘧啶，形成 无碱基位点，称为AP部位 （apurine,apyrimidine site, AP）。
10
• 复制时可以插入任何核苷酸。 • 脱落碱基后的脱氧核糖3’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-
7
碱基的互变异构效应
互变异构效应引起 不正常的碱基配对
稀有形式
8
常见形式
• 2. 碱基的脱氨基作用
碱基的环外氨基有时会 自发脱落，从而胞嘧啶(C) 变成尿嘧啶(U)，腺嘌呤 (A)变成次黄嘌呤(H)、鸟 嘌呤（G）变成黄嘌呤(X) 等。复制时,U与A配对、H 和X都与C配对就会导致子 代DNA序列的错误变化。
DNA链交联和DNA-蛋白质交联
19
电离辐射导致DNA链的断裂
Cห้องสมุดไป่ตู้
单链断裂： 双链断裂：
20
三、化学因素引起的DNA损伤
(一)烷化剂对DNA的损伤
烷化剂是一类亲电子的化合物，很容 易与生物大分子的亲核位点起反应，使 DNA发生各种类型的损伤： 1．碱基烷基化 2. 碱基脱落 3． 断链 4. 交联
插入
-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-
颠换
-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-
A 缺失
-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-
29
T
30
25
(二) 碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤
• 5-BrdU （ 5-BrdU-A； 5-BrdU-G）
酮式
烯醇式
• 亚硝酸盐能使胞嘧啶脱氨基变成尿嘧啶（C→U）
• 羟胺能使胸腺嘧啶脱甲基变成胞嘧啶（T→C） • 黄曲霉素B (G→T)
27
四、DNA损伤的后果
1. 点突变(point mutation) 2. 缺失(deletion) 3. 插入(insertion) 4. 倒位或转位(transposition) 5. DNA断裂(DNA break)
21
1．碱基烷基化
烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的N 或O上, 烷基化的碱基配对会发生变化.
鸟嘌呤
胞嘧啶
O6-乙基鸟嘌呤 胸腺嘧啶
22
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。
23
3．断链 DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易
糖苷键自发水解约丢失10 000个嘌呤碱基和 200个嘧啶碱基。
11
• 4．碱基修饰与链断裂
细胞在正常生理活动中产生的活性氧 会造成DNA损伤，产生胸腺嘧啶乙二醇、 羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，还可引起 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五万次。
12
二、物理因素引起的DNA损伤
(一)紫外线照射引起的DNA损伤 同一条DNA链相邻嘧啶以共价键连成二聚
体(T-T、C-T 、C-C)，导致复制不能进行。
14
胸腺嘧啶二聚体 胸腺嘧啶-胞嘧啶二聚15 体
(二)电离辐射引起的DNA损伤
直接效应：DNA直接吸收射线能量而 遭损伤；
间接效应：DNA周围其他分子(主要是 水分子)吸收射线能量而产 生具有很高反应活性的自由 基，进而损伤DNA。
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。
24
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，只能使一个位点烷基化；另 一类是双功能基烷化剂，如化学武器氮芥、硫 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，结果就能造成DNA链内、DNA链间或DNA与 蛋白质间的交联。
第二节 DNA修复
DNA的修复主要类型: 错配修复 直接修复 光裂合酶修复 切除修复 重组修复 跨损伤修复 (SOS修复)
31
一、错配修复
在DNA复制过程中，DNA聚合酶能够利用 其3’一5’外切核酸酶活性去除错配的核苷酸，但 是这种校正作用并不十分可靠，某些错配的核苷 酸可能逃避检测，出现于新合成的DNA链中。
5
（二）DNA的自发性化学变化
1. 碱基的异构互变 • DNA分子中的4种碱基各自的异构体间都
可以自发地相互变化（如酮式-烯醇式或 氨基-亚氨基之间的结构互变)，使配对 碱基间的氢键改变。
6
• 碱基T和G能够以酮式或烯醇式两 种互变异构的状态出现 • 碱基C和A能够以氨基式或亚氨基 式两种互变状态出现 • 一般生理条件下，碱基互变平衡 反应倾向于酮式或氨基式，故A:T和 CG碱基配对
28
DNA突变 的类型
野生型基因
-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-
碱基对的置换 (substitution)
转换
-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-
移码突变
(framesshift mutation)
第六章 DNA损伤与修复 DNA Damage and Repair
胡芳 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
DNA损伤类型 单链损伤 脱嘌呤 脱嘧啶 O6甲基鸟嘌呤 胞嘧啶脱氨基 胸腺嘧啶乙二醇 胸苷乙二醇
次·细胞- 1 ·天 – 1 55 000 10 000 200 3 100 200 270 70
2
第一节 DNA损伤的原因及后果
复制错误 电离辐射
紫外线
烷化剂 碱基类似物
3
一、DNA分子的自发性损伤
(一)DNA复制产生误差
模板
错配碱基
核酸外切酶活性 DNA聚合酶Ⅰ
4
如大肠杆菌 碱基配对的错误率为10-1-10-2 DNA聚合酶校正后错误率为10-5-10-6 复制后经校正系统校正，错配率为10-9左右
16
电离辐射引起DNA损伤的机理
17
电离辐射引起DNA损伤的机制
自由基损害
损伤DNA修复系统
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。
18
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
• 3．脱嘌呤与脱嘧啶 即碱基脱落，是指从DNA上 丢失了嘌呤或嘧啶，形成 无碱基位点，称为AP部位 （apurine,apyrimidine site, AP）。
10
• 复制时可以插入任何核苷酸。 • 脱落碱基后的脱氧核糖3’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-
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碱基的互变异构效应
互变异构效应引起 不正常的碱基配对
稀有形式
8
常见形式
• 2. 碱基的脱氨基作用
碱基的环外氨基有时会 自发脱落，从而胞嘧啶(C) 变成尿嘧啶(U)，腺嘌呤 (A)变成次黄嘌呤(H)、鸟 嘌呤（G）变成黄嘌呤(X) 等。复制时,U与A配对、H 和X都与C配对就会导致子 代DNA序列的错误变化。
DNA链交联和DNA-蛋白质交联
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电离辐射导致DNA链的断裂
Cห้องสมุดไป่ตู้
单链断裂： 双链断裂：
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三、化学因素引起的DNA损伤
(一)烷化剂对DNA的损伤
烷化剂是一类亲电子的化合物，很容 易与生物大分子的亲核位点起反应，使 DNA发生各种类型的损伤： 1．碱基烷基化 2. 碱基脱落 3． 断链 4. 交联
插入
-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-
颠换
-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-
A 缺失
-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-
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T
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(二) 碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤
• 5-BrdU （ 5-BrdU-A； 5-BrdU-G）
酮式
烯醇式
• 亚硝酸盐能使胞嘧啶脱氨基变成尿嘧啶（C→U）
• 羟胺能使胸腺嘧啶脱甲基变成胞嘧啶（T→C） • 黄曲霉素B (G→T)
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四、DNA损伤的后果
1. 点突变(point mutation) 2. 缺失(deletion) 3. 插入(insertion) 4. 倒位或转位(transposition) 5. DNA断裂(DNA break)
21
1．碱基烷基化
烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的N 或O上, 烷基化的碱基配对会发生变化.
鸟嘌呤
胞嘧啶
O6-乙基鸟嘌呤 胸腺嘧啶
22
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。
23
3．断链 DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易
糖苷键自发水解约丢失10 000个嘌呤碱基和 200个嘧啶碱基。
11
• 4．碱基修饰与链断裂
细胞在正常生理活动中产生的活性氧 会造成DNA损伤，产生胸腺嘧啶乙二醇、 羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，还可引起 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五万次。
12
二、物理因素引起的DNA损伤
(一)紫外线照射引起的DNA损伤 同一条DNA链相邻嘧啶以共价键连成二聚
体(T-T、C-T 、C-C)，导致复制不能进行。
14
胸腺嘧啶二聚体 胸腺嘧啶-胞嘧啶二聚15 体
(二)电离辐射引起的DNA损伤
直接效应：DNA直接吸收射线能量而 遭损伤；
间接效应：DNA周围其他分子(主要是 水分子)吸收射线能量而产 生具有很高反应活性的自由 基，进而损伤DNA。
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。
24
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，只能使一个位点烷基化；另 一类是双功能基烷化剂，如化学武器氮芥、硫 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，结果就能造成DNA链内、DNA链间或DNA与 蛋白质间的交联。
第二节 DNA修复
DNA的修复主要类型: 错配修复 直接修复 光裂合酶修复 切除修复 重组修复 跨损伤修复 (SOS修复)
31
一、错配修复
在DNA复制过程中，DNA聚合酶能够利用 其3’一5’外切核酸酶活性去除错配的核苷酸，但 是这种校正作用并不十分可靠，某些错配的核苷 酸可能逃避检测，出现于新合成的DNA链中。
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（二）DNA的自发性化学变化
1. 碱基的异构互变 • DNA分子中的4种碱基各自的异构体间都
可以自发地相互变化（如酮式-烯醇式或 氨基-亚氨基之间的结构互变)，使配对 碱基间的氢键改变。
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• 碱基T和G能够以酮式或烯醇式两 种互变异构的状态出现 • 碱基C和A能够以氨基式或亚氨基 式两种互变状态出现 • 一般生理条件下，碱基互变平衡 反应倾向于酮式或氨基式，故A:T和 CG碱基配对
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DNA突变 的类型
野生型基因
-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-
碱基对的置换 (substitution)
转换
-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G-
-A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-
移码突变
(framesshift mutation)
第六章 DNA损伤与修复 DNA Damage and Repair
胡芳 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
DNA损伤类型 单链损伤 脱嘌呤 脱嘧啶 O6甲基鸟嘌呤 胞嘧啶脱氨基 胸腺嘧啶乙二醇 胸苷乙二醇
次·细胞- 1 ·天 – 1 55 000 10 000 200 3 100 200 270 70
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第一节 DNA损伤的原因及后果
复制错误 电离辐射
紫外线
烷化剂 碱基类似物
3
一、DNA分子的自发性损伤
(一)DNA复制产生误差
模板
错配碱基
核酸外切酶活性 DNA聚合酶Ⅰ
4
如大肠杆菌 碱基配对的错误率为10-1-10-2 DNA聚合酶校正后错误率为10-5-10-6 复制后经校正系统校正，错配率为10-9左右
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电离辐射引起DNA损伤的机理
17
电离辐射引起DNA损伤的机制
自由基损害
损伤DNA修复系统
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。
18
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