生物化學(xué)與分子生物學(xué)：第15章 DNA損傷修復(fù)

1、 第十五章第十五章 DNA損傷與修復(fù)損傷與修復(fù) DNA damage and repair 各種體內(nèi)外因素所導(dǎo)致的各種體內(nèi)外因素所導(dǎo)致的DNA組成與結(jié)構(gòu)的組成與結(jié)構(gòu)的 變化稱為變化稱為DNA損傷（損傷（DNA damage）。 其一，其一，DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變，的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變， 即突變；即突變； 其二，導(dǎo)致其二，導(dǎo)致DNA失去作為復(fù)制和失去作為復(fù)制和/或轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn) 錄的模板的功能。錄的模板的功能。 DNA損傷的后果損傷的后果: 生物多樣性依賴于：生物多樣性依賴于： DNA突變突變DNA修復(fù)修復(fù) 平衡平衡 一、多種因素通過不同機(jī)制導(dǎo)致一、多種因素通過不同機(jī)制導(dǎo)致DNA損傷損傷 （一）體內(nèi)

2、因素（一）體內(nèi)因素 DNA復(fù)制錯誤復(fù)制錯誤 DNA自身的不穩(wěn)定性自身的不穩(wěn)定性 機(jī)體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧機(jī)體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧 第一節(jié)第一節(jié) DNA損傷損傷 nDNA復(fù)制錯誤：復(fù)制錯誤： n在在DNA復(fù)制過程中，堿基的異構(gòu)互變、復(fù)制過程中，堿基的異構(gòu)互變、4種種dNTP 之間濃度的不平衡等均可能引起之間濃度的不平衡等均可能引起堿基的錯配堿基的錯配。 DNA復(fù)制的錯配率約復(fù)制的錯配率約1/1010。 n復(fù)制錯誤還表現(xiàn)為復(fù)制錯誤還表現(xiàn)為片段的缺失或插入片段的缺失或插入。 n特別是特別是DNA上的短片段重復(fù)序列，在真核細(xì)胞染上的短片段重復(fù)序列，在真核細(xì)胞染 色體上廣泛分布，導(dǎo)致色體上廣泛分布，

3、導(dǎo)致DNA復(fù)制系統(tǒng)工作時可能復(fù)制系統(tǒng)工作時可能 出現(xiàn)出現(xiàn)“打滑打滑”現(xiàn)象，使得新生成的現(xiàn)象，使得新生成的DNA上的上的重復(fù)重復(fù) 序列拷貝數(shù)發(fā)生變化序列拷貝數(shù)發(fā)生變化。 同型異構(gòu)體轉(zhuǎn)換同型異構(gòu)體轉(zhuǎn)換 = O -OH 同型異構(gòu)體轉(zhuǎn)換同型異構(gòu)體轉(zhuǎn)換 -NH2 -NH 異構(gòu)互變造成的復(fù)制損傷異構(gòu)互變造成的復(fù)制損傷 nDNA自身的不穩(wěn)定性自身的不穩(wěn)定性 ： nDNA自發(fā)性損傷中最頻繁和最重要的因素。自發(fā)性損傷中最頻繁和最重要的因素。 n當(dāng)當(dāng)DNA受熱或所處環(huán)境的受熱或所處環(huán)境的pH值發(fā)生改變時，值發(fā)生改變時， DNA分子上連接堿基和核糖之間的糖苷鍵可分子上連接堿基和核糖之間的糖苷鍵可 自發(fā)發(fā)生水解，導(dǎo)致

4、堿基的自發(fā)發(fā)生水解，導(dǎo)致堿基的丟失丟失或或脫落脫落，其，其 中以中以脫嘌呤脫嘌呤最為普遍。最為普遍。 n含有氨基的堿基還可能含有氨基的堿基還可能自發(fā)脫氨基反應(yīng)自發(fā)脫氨基反應(yīng)，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn) 變?yōu)榱硪环N堿基，即變?yōu)榱硪环N堿基，即堿基的轉(zhuǎn)變堿基的轉(zhuǎn)變，如，如C轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)?U，A轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镮（次黃嘌呤）等。（次黃嘌呤）等。 脫嘌呤與脫嘧啶脫嘌呤與脫嘧啶 (堿基丟失堿基丟失) 堿基的脫氨基作用堿基的脫氨基作用 （二）體外因素（二）體外因素 物理因素物理因素 化學(xué)因素化學(xué)因素 生物因素生物因素 1.物理因素物理因素:紫外線（紫外線（UV）引起的）引起的DNA損傷損傷 DNA受到大劑量紫外線（受到大劑量紫外線

5、（260nm）照射時，照射時， 同一條鏈上相鄰的嘧啶同一條鏈上相鄰的嘧啶以共價鍵連成二聚體以共價鍵連成二聚體； TT, CC, CT之間都可形成二聚體。之間都可形成二聚體。 復(fù)制時，此處產(chǎn)生復(fù)制時，此處產(chǎn)生 空耗過程，空耗過程，DNA 不能復(fù)制，細(xì)胞不不能復(fù)制，細(xì)胞不 能分裂，導(dǎo)致凋亡能分裂，導(dǎo)致凋亡。 紫外線引起的紫外線引起的DNA損傷損傷 最易形成胸腺嘧啶二聚體（最易形成胸腺嘧啶二聚體（TT） 1.物理因素物理因素: 電離輻射電離輻射 （2）烷基劑對）烷基劑對DNA的損傷的損傷 （1）堿基類似物、修飾劑對）堿基類似物、修飾劑對DNA的損傷的損傷 （3）嵌合劑對）嵌合劑對DNA的損傷。的損傷

6、。 2.化學(xué)因素引起的化學(xué)因素引起的DNA損傷損傷 黃曲霉素黃曲霉素B1（aflatoxin B1，AFB1） 一種很強(qiáng)的致癌劑。一種很強(qiáng)的致癌劑。 在鳥嘌呤在鳥嘌呤 N7位置上形成一加成復(fù)合物后位置上形成一加成復(fù)合物后 產(chǎn)生無嘌呤位點。修復(fù)要求產(chǎn)生無嘌呤位點。修復(fù)要求SOS系統(tǒng)參與。系統(tǒng)參與。SOS 越過無嘌呤位點并在這些位點對應(yīng)處選擇性插入越過無嘌呤位點并在這些位點對應(yīng)處選擇性插入 腺嘌呤，使鳥嘌呤殘基脫嘌呤的試劑偏向于產(chǎn)生腺嘌呤，使鳥嘌呤殘基脫嘌呤的試劑偏向于產(chǎn)生 G-CT-A顛換。顛換。 3.生物因素生物因素 病毒，如麻疹、風(fēng)疹、皰疹等。病毒，如麻疹、風(fēng)疹、皰疹等。 在宿主細(xì)胞內(nèi)通過整

7、合作用將其自身的遺傳物質(zhì)在宿主細(xì)胞內(nèi)通過整合作用將其自身的遺傳物質(zhì) 整合到宿主細(xì)胞染色體的整合到宿主細(xì)胞染色體的DNA上，改變宿主細(xì)胞上，改變宿主細(xì)胞 的的DNA結(jié)構(gòu)和序列。結(jié)構(gòu)和序列。 n堿基損傷與糖基破壞：堿基損傷與糖基破壞： 化學(xué)毒物可通過對堿基的某些基團(tuán)進(jìn)行修飾化學(xué)毒物可通過對堿基的某些基團(tuán)進(jìn)行修飾 而改變堿基的性質(zhì)。而改變堿基的性質(zhì)。 由于堿基損傷或糖基破壞，在由于堿基損傷或糖基破壞，在DNA鏈上可能鏈上可能 形成一些不穩(wěn)定點，最終可導(dǎo)致形成一些不穩(wěn)定點，最終可導(dǎo)致DNA鏈的斷鏈的斷 裂裂。 二、二、DNA損傷有多種類型損傷有多種類型 n堿基之間發(fā)生錯配堿基之間發(fā)生錯配 ： 堿基類似

8、物的摻入、堿基修飾劑的作用可改堿基類似物的摻入、堿基修飾劑的作用可改 變堿基的性質(zhì)，導(dǎo)致變堿基的性質(zhì)，導(dǎo)致DNA序列中的錯誤配對。序列中的錯誤配對。 在正常的在正常的DNA復(fù)制過程中，存在著一定比例復(fù)制過程中，存在著一定比例 的自發(fā)堿基錯配。的自發(fā)堿基錯配。 最常見的是組成最常見的是組成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶的尿嘧啶替代胸腺嘧啶 摻入到摻入到DNA分子分子中。中。 nDNA鏈發(fā)生斷裂：鏈發(fā)生斷裂： 電離輻射、化學(xué)毒劑、磷酸二酯鍵的斷裂、脫氧戊電離輻射、化學(xué)毒劑、磷酸二酯鍵的斷裂、脫氧戊 糖的破壞、堿基的損傷和脫落都是引起糖的破壞、堿基的損傷和脫落都是引起DNA斷裂的斷裂的 原因。原因。 堿

9、基損傷或糖基破壞可引起堿基損傷或糖基破壞可引起DNA雙螺旋局部變性，雙螺旋局部變性， 形成酶敏感性位點，特異的核酸內(nèi)切酶能識別并切形成酶敏感性位點，特異的核酸內(nèi)切酶能識別并切 割這樣的部位，造成鏈斷裂。割這樣的部位，造成鏈斷裂。 DNA鏈上被損傷的堿基也可以被另一種特異的鏈上被損傷的堿基也可以被另一種特異的DNA- 糖基化酶除去，形成糖基化酶除去，形成無嘌呤嘧啶位點無嘌呤嘧啶位點（apurinic- apyrimidinic site, AP site），或稱無堿基位點），或稱無堿基位點 （abasic site），這些位點在內(nèi)切酶等的作用下可形），這些位點在內(nèi)切酶等的作用下可形 成鏈斷裂。成

10、鏈斷裂。 nDNA 的共價交聯(lián)：的共價交聯(lián)： pDNA雙螺旋鏈中的一條鏈上的堿基與另一條鏈雙螺旋鏈中的一條鏈上的堿基與另一條鏈 上的堿基以共價鍵結(jié)合，稱為上的堿基以共價鍵結(jié)合，稱為DNA鏈間交聯(lián)鏈間交聯(lián) （DNA interstrand cross-linking）。）。 pDNA分子中同一條鏈中的兩個堿基以共價鍵結(jié)分子中同一條鏈中的兩個堿基以共價鍵結(jié) 合，稱為合，稱為DNA鏈內(nèi)交聯(lián)鏈內(nèi)交聯(lián)（DNA intrastrand cross-linking）。）。 pDNA分子還可與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合，稱為分子還可與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合，稱為 DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)蛋白質(zhì)交聯(lián)（DNA protein cr

11、oss- linking）。）。 DNA損傷可導(dǎo)致?lián)p傷可導(dǎo)致 u堿基置換堿基置換 轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換（transition）:嘌呤取代嘌呤，嘧啶取代嘧啶嘌呤取代嘌呤，嘧啶取代嘧啶 顛換（顛換（ transversion ）:嘌呤取代嘧啶嘌呤取代嘧啶 u缺失缺失 u插入插入 u鏈的斷裂鏈的斷裂 移碼突變移碼突變 The repair of DNA damage 第二節(jié)第二節(jié) DNA損傷的修復(fù)損傷的修復(fù) DNA修復(fù)（修復(fù)（DNA repair）是指糾正是指糾正DNA兩條兩條 單鏈間錯配的堿基、清除單鏈間錯配的堿基、清除DNA鏈上受損的堿基鏈上受損的堿基 或糖基、恢復(fù)或糖基、恢復(fù)DNA的正常結(jié)構(gòu)的過程。的正

12、常結(jié)構(gòu)的過程。 DNA修復(fù)是機(jī)體維持修復(fù)是機(jī)體維持DNA結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn) 定性，保證生命延續(xù)和物種穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。定性，保證生命延續(xù)和物種穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。 常見的常見的DNA損傷修復(fù)途徑損傷修復(fù)途徑 修復(fù)途徑修復(fù)途徑 修復(fù)對象修復(fù)對象 參與修復(fù)的酶或蛋白參與修復(fù)的酶或蛋白 光復(fù)活修復(fù)光復(fù)活修復(fù) 嘧啶二聚體嘧啶二聚體 光復(fù)活酶光復(fù)活酶 堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù) 受損的堿基受損的堿基 DNADNA糖基化酶、無嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶糖基化酶、無嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶 核苷酸切除修核苷酸切除修 復(fù)復(fù) 嘧啶二聚體、嘧啶二聚體、DNADNA螺螺 旋結(jié)構(gòu)的改變旋結(jié)構(gòu)的改變 大腸桿菌中大腸桿菌中Uvr

13、AUvrA、UvrBUvrB、UvrCUvrC和和UvrDUvrD， 人人XPXP系列蛋白系列蛋白XPAXPA、XPBXPB、XPCXPGXPCXPG等等 錯配修復(fù)錯配修復(fù) 復(fù)制或重組中的堿基復(fù)制或重組中的堿基 配對錯誤配對錯誤 大腸桿菌中的大腸桿菌中的MutHMutH、MutLMutL、MutSMutS，人的，人的 MLH1MLH1、MSH2MSH2、MSH3MSH3、MSH6MSH6等等 重組修復(fù)重組修復(fù) 雙鏈斷裂雙鏈斷裂 RecARecA蛋白、蛋白、KuKu蛋白、蛋白、DNA-DNA-PKcsPKcs、XRCC4XRCC4 損傷跨越修復(fù)損傷跨越修復(fù) 大范圍的損傷或復(fù)制大范圍的損傷或復(fù)制

14、中來不及修復(fù)的損傷中來不及修復(fù)的損傷 RecARecA蛋白、蛋白、LexALexA蛋白、其他類型蛋白、其他類型DNADNA聚聚 合酶合酶 一、有些一、有些DNA損傷可以直接修復(fù)損傷可以直接修復(fù) 嘧啶二聚體的直接修復(fù)嘧啶二聚體的直接修復(fù) 烷基化堿基的直接修復(fù)烷基化堿基的直接修復(fù) 無嘌呤位點的直接修復(fù)無嘌呤位點的直接修復(fù) 單鏈斷裂的直接修復(fù)單鏈斷裂的直接修復(fù) n嘧啶二聚體的直接修復(fù)嘧啶二聚體的直接修復(fù) n烷基化堿基的直接修復(fù)烷基化堿基的直接修復(fù) n無嘌呤位點的直接修復(fù)無嘌呤位點的直接修復(fù) pDNA嘌呤插入酶嘌呤插入酶能催化游離嘌呤堿基或脫氧能催化游離嘌呤堿基或脫氧 核苷與核苷與DNA嘌呤缺如部位重

15、新生成糖苷共價嘌呤缺如部位重新生成糖苷共價 鍵，導(dǎo)致嘌呤堿基的直接插入。具有很強(qiáng)的鍵，導(dǎo)致嘌呤堿基的直接插入。具有很強(qiáng)的 專一性專一性。 n單鏈斷裂的直接修復(fù)單鏈斷裂的直接修復(fù) pDNA連接酶連接酶能夠催化能夠催化DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條 鏈上缺口處的鏈上缺口處的5 -磷酸基團(tuán)與相鄰片段的磷酸基團(tuán)與相鄰片段的3 -羥基羥基 之間形成磷酸二酯鍵，從而直接參與部分之間形成磷酸二酯鍵，從而直接參與部分DNA 單鏈斷裂的修復(fù)，如電離輻射所造成的切口。單鏈斷裂的修復(fù)，如電離輻射所造成的切口。 二、切除修復(fù)是最普遍的二、切除修復(fù)是最普遍的DNA損傷修復(fù)方式損傷修復(fù)方式 1.堿基切除修復(fù)堿基切

16、除修復(fù)（base excision repair） 2.核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)（nucleotide excision repair） 首先，由一個酶系統(tǒng)識別首先，由一個酶系統(tǒng)識別DNA損傷部位；損傷部位； 其次，在損傷兩側(cè)切開其次，在損傷兩側(cè)切開DNA鏈，去除兩個切口之鏈，去除兩個切口之 間的一段受損的寡核苷酸；間的一段受損的寡核苷酸； 再次，在再次，在DNA聚合酶作用下，以另一條鏈為模板，聚合酶作用下，以另一條鏈為模板， 合成一段新的合成一段新的DNA，填補(bǔ)缺損區(qū)；，填補(bǔ)缺損區(qū)； 最后由連接酶連接，完成損傷修復(fù)。最后由連接酶連接，完成損傷修復(fù)。 E.Coli 的的NER主要由主要由4

17、 種蛋白質(zhì)組成：種蛋白質(zhì)組成： UvrA UvrB UvrC UvrD n人類的人類的DNA損傷核苷酸切除修復(fù)損傷核苷酸切除修復(fù) 首先由損傷部位識別蛋白首先由損傷部位識別蛋白XPC和和XPA等，再等，再 加上加上DNA復(fù)制所需的復(fù)制所需的SSB，結(jié)合在損傷，結(jié)合在損傷DNA 的部位；的部位； XPB、XPD發(fā)揮解旋酶的活性，與上述物質(zhì)發(fā)揮解旋酶的活性，與上述物質(zhì) 共同作用在受損共同作用在受損DNA周圍形成一個凸起；周圍形成一個凸起； XPG與與XPF發(fā)生構(gòu)象改變，分別在凸起的發(fā)生構(gòu)象改變，分別在凸起的3- 端和端和5-端發(fā)揮核酸內(nèi)切酶活性端發(fā)揮核酸內(nèi)切酶活性, 在增殖細(xì)胞在增殖細(xì)胞 核抗原（核

18、抗原（PCNA）的幫助下，切除并釋放受）的幫助下，切除并釋放受 損的寡核苷酸；損的寡核苷酸； 遺留的缺損區(qū)由聚合酶遺留的缺損區(qū)由聚合酶或或進(jìn)行修補(bǔ)合成；進(jìn)行修補(bǔ)合成； 最后，由連接酶完成連接。最后，由連接酶完成連接。 NER不僅能夠修復(fù)整個基因組中的損傷，而不僅能夠修復(fù)整個基因組中的損傷，而 且能拯救因轉(zhuǎn)錄模板鏈損傷而暫停轉(zhuǎn)錄的且能拯救因轉(zhuǎn)錄模板鏈損傷而暫停轉(zhuǎn)錄的RNA聚合聚合 酶，即參與酶，即參與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)（轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)（transcription-coupled repair）。 作用方式：作用方式：NER蛋白質(zhì)被募集于暫停的蛋白質(zhì)被募集于暫停的RNA 聚合酶。聚合酶。 轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)的意

19、義：轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)的意義：將修復(fù)酶集中于正在將修復(fù)酶集中于正在 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄DNA，使該區(qū)域的損傷盡快得以修復(fù)。，使該區(qū)域的損傷盡快得以修復(fù)。 3.堿基錯配修復(fù)堿基錯配修復(fù)（ mismatch repair） 錯配是指非錯配是指非Watson-Crick堿基配對。堿基配對。 堿基錯配修復(fù)也可被看作是堿基切除修復(fù)的一堿基錯配修復(fù)也可被看作是堿基切除修復(fù)的一 種特殊形式，主要負(fù)責(zé)糾正：種特殊形式，主要負(fù)責(zé)糾正： 復(fù)制與重組中出現(xiàn)的堿基配對錯誤；復(fù)制與重組中出現(xiàn)的堿基配對錯誤； 因堿基損傷所致的堿基配對錯誤；因堿基損傷所致的堿基配對錯誤； 堿基插入；堿基插入； 堿基缺失。堿基缺失。 E.coli錯配修復(fù)系

20、統(tǒng)修復(fù)復(fù)制差錯錯配修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)復(fù)制差錯 Dam甲基化酶（甲基化酶（methylase）使使E.coli處處 于暫時的半甲基化狀態(tài)，標(biāo)記母鏈和新合成于暫時的半甲基化狀態(tài)，標(biāo)記母鏈和新合成 的的DNA鏈，幫助新合成的鏈，幫助新合成的DNA鏈被錯配修復(fù)鏈被錯配修復(fù) 系統(tǒng)識別并修復(fù)。系統(tǒng)識別并修復(fù)。 模板鏈模板鏈的的GATC 序列甲基化序列甲基化 MutH僅切割僅切割新新 合成的合成的DNA鏈鏈 MutH的切口位于錯配核苷酸的的切口位于錯配核苷酸的5 側(cè)側(cè)，使用外切酶，使用外切酶 或或RecJ，按，按53 方向降解方向降解DNA； 切口位于錯配的切口位于錯配的3側(cè)側(cè)，則使用外切酶，則使用外切酶，按，按3 5 方向降解方向降解DNA。 DNA聚合酶聚合酶填補(bǔ)所產(chǎn)生單鏈填補(bǔ)所產(chǎn)生單鏈DNA缺口。缺口。 MSH（MutS homologs）蛋白）蛋白 與與MutL同源的同源的MLH和和PMS蛋白蛋白 真核細(xì)胞錯配修復(fù)系統(tǒng)無真核細(xì)胞錯配修復(fù)系統(tǒng)無MutH，也無半甲基化