生物化學15 章DNA損傷及修復

1、有害物質富集有害物質富集例例: DDT在水環(huán)境中存在量僅為在水環(huán)境中存在量僅為310-6ppm(mg/L)的時候，當?shù)臅r候，當它進入浮游動物體內(nèi)就被富集為它進入浮游動物體內(nèi)就被富集為0.04ppm；浮游動物被小魚吃了，小魚體內(nèi)浮游動物被小魚吃了，小魚體內(nèi)DDT富集量就變?yōu)楦患烤妥優(yōu)?.5ppm；當小魚被大魚吃了，大魚體內(nèi)當小魚被大魚吃了，大魚體內(nèi)DDT富集量就升高為富集量就升高為2ppm；當大魚被鷹吃了，鷹體內(nèi)當大魚被鷹吃了，鷹體內(nèi)DDT富集量就變?yōu)楦患烤妥優(yōu)?5ppm， DDT濃濃度整整富集了度整整富集了1000萬倍。萬倍。如果人吃了魚或鷹，那么人體內(nèi)如果人吃了魚或鷹，那么人體內(nèi)DDT富

2、集量更是高得可怕。富集量更是高得可怕。會會引起突變引起突變“低劑量、長期暴露的蓄積作用低劑量、長期暴露的蓄積作用”DNA損傷與修復損傷與修復 DNA Damage and Repair第十五章第十五章 各種體各種體內(nèi)外因素所導致內(nèi)外因素所導致的的DNA組成組成與與結構結構的的變化稱為變化稱為DNA損傷損傷（DNA damage） 其一，其一，DNA的結構發(fā)生永久性改變，即的結構發(fā)生永久性改變，即突變突變其二，其二，導致導致DNA失去失去作為復制和作為復制和/或轉錄或轉錄的的模板的功能模板的功能 DNA損傷的后果損傷的后果:大綱要求n掌握DNA損傷的概念和類型。n掌握DNA損傷的修復。n熟悉DN

3、A損傷和修復的意義。生物多樣性依賴于：生物多樣性依賴于：DNADNA突變突變DNADNA修復修復平衡平衡DNA損傷損傷DNA Damage第一節(jié)第一節(jié)一、多種因素通過不同機制一、多種因素通過不同機制導致導致DNA損傷損傷（一）體內(nèi)因素（一）體內(nèi)因素 DNA復制錯誤復制錯誤 DNA自身的不穩(wěn)定性自身的不穩(wěn)定性 機體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧機體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧nDNA復制錯誤：復制錯誤：n在在DNADNA復制過程中，堿基的復制過程中，堿基的異構互變異構互變、4 4種種dNTPdNTP之間濃度之間濃度的不平衡的不平衡等均可能引起堿基的錯配等均可能引起堿基的錯配nDNADNA復制的復制的錯配率約錯

4、配率約1/101/101010n復制錯誤還表現(xiàn)為片段的復制錯誤還表現(xiàn)為片段的缺失缺失或或插入插入。n特別是特別是DNADNA上的上的短片段重復序列短片段重復序列，在真核細胞染色體上廣，在真核細胞染色體上廣泛分布，導致泛分布，導致DNADNA復制復制系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)“打滑打滑”現(xiàn)象，現(xiàn)象，使得新生成的使得新生成的DNADNA上的重復序列拷貝數(shù)發(fā)生變化。上的重復序列拷貝數(shù)發(fā)生變化。 DNA自身的不穩(wěn)定性自身的不穩(wěn)定性 ：nDNADNA結構自身的不穩(wěn)定性是結構自身的不穩(wěn)定性是DNADNA自發(fā)性損傷中最自發(fā)性損傷中最頻繁和最重要的因素頻繁和最重要的因素。n當當DNADNA受熱受熱或

5、或所處環(huán)境的所處環(huán)境的pHpH值值發(fā)生改變時，發(fā)生改變時， DNADNA分子上連接堿基和核糖之間的分子上連接堿基和核糖之間的糖苷鍵糖苷鍵可自發(fā)可自發(fā)發(fā)生發(fā)生水解水解，導致，導致堿基的丟失堿基的丟失或或脫落脫落，其中以，其中以脫嘌脫嘌呤呤最為普遍。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)脫氨基反應自發(fā)脫氨基反應，轉變?yōu)?，轉變?yōu)榱硪环N堿基，即另一種堿基，即堿基的轉變堿基的轉變，如，如C C轉變?yōu)檗D變?yōu)閁 U，A A轉轉變?yōu)樽優(yōu)镮 I（次黃嘌呤）等。（次黃嘌呤）等。堿基的脫氨基作用堿基的脫氨基作用 堿基的環(huán)外氨基自發(fā)脫落，堿基的環(huán)外氨基自發(fā)脫落，C變變?yōu)闉閁，A變?yōu)榇吸S嘌呤（變?yōu)榇吸S

6、嘌呤（H ），），G變變?yōu)辄S嘌呤（為黃嘌呤（X）。 復制時，復制時，U與與A配對、配對、H和和X都與都與C配對會導致子代配對會導致子代DNA序列的錯誤序列的錯誤變化。變化。活性氧引起的堿基修飾與鏈斷裂活性氧引起的堿基修飾與鏈斷裂 細胞呼吸的副產(chǎn)物細胞呼吸的副產(chǎn)物O2-, H2O2造成造成DNA損傷，產(chǎn)損傷，產(chǎn)生一些堿基修飾物（胸腺嘧啶乙二醇、羥甲基尿嘧生一些堿基修飾物（胸腺嘧啶乙二醇、羥甲基尿嘧啶等），還可引起啶等），還可引起DNA單鏈斷裂等損傷單鏈斷裂等損傷; 這些損失這些損失的積累可導致老化。的積累可導致老化。（二）體外因素（二）體外因素 物理因素物理因素 化學因素化學因素 生物因素生物因

7、素n物理因素：物理因素：電離輻射、紫外線電離輻射、紫外線(ultra violet, UV)n化學因素：化學因素：自由基自由基導致的導致的DNADNA損傷損傷堿基類似物堿基類似物導致的導致的DNADNA損傷損傷 堿基修飾劑堿基修飾劑、烷化劑導致的、烷化劑導致的DNADNA損傷損傷 嵌入性染料嵌入性染料導致的導致的DNADNA損傷損傷 二、二、DNA損傷有多種類型損傷有多種類型堿基脫落堿基脫落堿基結構破壞堿基結構破壞嘧啶二聚體形成嘧啶二聚體形成DNA單鏈或雙鏈斷裂單鏈或雙鏈斷裂DNA的共價交聯(lián)的共價交聯(lián)DNA損傷損傷n堿基損傷與糖基破壞：堿基損傷與糖基破壞：化學毒物可通過對堿基的某些基團進行修飾

8、而化學毒物可通過對堿基的某些基團進行修飾而改變堿基的性質。改變堿基的性質。 如亞硝酸鹽，如亞硝酸鹽，由于堿基損傷或糖基破壞，在由于堿基損傷或糖基破壞，在DNADNA鏈上可能形鏈上可能形成一些不穩(wěn)定點，最終可導致成一些不穩(wěn)定點，最終可導致DNADNA鏈的斷裂。鏈的斷裂。nDNA鏈發(fā)生斷裂：鏈發(fā)生斷裂：n電離輻射電離輻射、化學毒劑化學毒劑、磷酸二酯鍵的斷裂磷酸二酯鍵的斷裂、脫氧戊糖脫氧戊糖的破壞的破壞、堿基的損傷和脫落堿基的損傷和脫落都是引起都是引起DNADNA斷裂的原因。斷裂的原因。n堿基損傷或糖基破壞可引起堿基損傷或糖基破壞可引起DNADNA雙螺旋局部變性，形雙螺旋局部變性，形成酶敏感性位點，

9、特異的核酸內(nèi)切酶能識別并切割這成酶敏感性位點，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。樣的部位，造成鏈斷裂。nDNADNA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-DNA-糖糖基化酶除去，形成基化酶除去，形成無嘌呤嘧啶位點無嘌呤嘧啶位點（apurinic-apurinic-apyrimidinic site, apyrimidinic site, AP siteAP site），或稱無堿基位點（），或稱無堿基位點（abasic abasic sitesite），這些位點在內(nèi)切酶等的作用下可形成鏈斷裂。），這些位點在內(nèi)切酶等的作用下可形成鏈斷裂。

10、nDNA 的共價交聯(lián)：的共價交聯(lián)：pDNADNA雙螺旋鏈中的一條鏈上的堿基與另一條鏈上的堿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合，稱為基以共價鍵結合，稱為DNADNA鏈間交聯(lián)鏈間交聯(lián)（DNA DNA interstrand cross-linkinginterstrand cross-linking）。）。pDNADNA分子中同一條鏈中的兩個堿基以共價鍵結合，稱分子中同一條鏈中的兩個堿基以共價鍵結合，稱為為DNADNA鏈內(nèi)交聯(lián)鏈內(nèi)交聯(lián)（DNA intrastrand cross-linkingDNA intrastrand cross-linking）。）。pDNADNA分子

11、還可與蛋白質以共價鍵結合，稱為分子還可與蛋白質以共價鍵結合，稱為DNA-DNA-蛋白蛋白質交聯(lián)質交聯(lián)（DNA protein cross-linkingDNA protein cross-linking）。）。DNA損傷可導致?lián)p傷可導致堿基置換堿基置換缺失缺失 插入插入 鏈的斷裂鏈的斷裂 轉換轉換顛換顛換DNA損傷的修復損傷的修復The repair of DNA damage第二節(jié)第二節(jié) DNADNA修復修復（DNA repairDNA repair）是指）是指糾正糾正DNADNA兩條單兩條單鏈間鏈間錯配的堿基錯配的堿基、清除清除DNADNA鏈上鏈上受損的堿基或受損的堿基或糖基糖基、恢復恢復

12、DNADNA的的正常結構正常結構的過程。的過程。 DNADNA修復是機體維持修復是機體維持DNADNA結構的完整性與穩(wěn)結構的完整性與穩(wěn)定性，保證定性，保證生命延續(xù)和物種穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)生命延續(xù)和物種穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。（生理意義（生理意義常見的常見的DNA損傷修復途徑損傷修復途徑 修復途徑修復途徑 修復對象修復對象 參與修復的酶或蛋白參與修復的酶或蛋白光復活修復光復活修復 嘧啶二聚體嘧啶二聚體 光復活酶光復活酶堿基切除修復堿基切除修復 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復 嘧啶二聚體、嘧啶二聚體、DNADNA螺螺旋

13、結構的改變旋結構的改變 大腸桿菌中大腸桿菌中UvrAUvrA、UvrBUvrB、UvrCUvrC和和UvrDUvrD，人人XPXP系列蛋白系列蛋白XPAXPA、XPBXPB、XPCXPGXPCXPG等等錯配修復錯配修復 復制或重組中的堿基復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，人的的MLH1MLH1、MSH2MSH2、MSH3MSH3、MSH6MSH6等等重組修復重組修復 雙鏈斷裂雙鏈斷裂 RecARecA蛋白、蛋白、KuKu蛋白、蛋白、DNA-PKcsDNA-PKcs、XRCC4XRCC4損傷跨越修復損傷跨越修復

14、大范圍的損傷或復制大范圍的損傷或復制中來不及修復的損傷中來不及修復的損傷 RecARecA蛋白、蛋白、LexALexA蛋白、其他類型蛋白、其他類型DNADNA聚合酶聚合酶一、一、有些有些DNA損傷可以損傷可以直接修復直接修復 嘧啶二聚體的直接修復嘧啶二聚體的直接修復 烷基化堿基的直接修復烷基化堿基的直接修復 無嘌呤位點的直接修復無嘌呤位點的直接修復 單鏈斷裂的直接修復單鏈斷裂的直接修復n嘧啶二聚體的直接修復嘧啶二聚體的直接修復n烷基化堿基的直接修復烷基化堿基的直接修復n無嘌呤位點的直接修復無嘌呤位點的直接修復pDNADNA嘌呤插入酶嘌呤插入酶能催化游離嘌呤堿基或脫氧核苷與能催化游離嘌呤堿基或脫

15、氧核苷與DNADNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共價鍵，導致嘌呤堿嘌呤缺如部位重新生成糖苷共價鍵，導致嘌呤堿基的直接插入。具有很強的基的直接插入。具有很強的專一性專一性。n單鏈斷裂的直接修復單鏈斷裂的直接修復pDNADNA連接酶連接酶能夠催化能夠催化DNADNA雙螺旋結構中一條鏈上缺口雙螺旋結構中一條鏈上缺口處的處的5 5 - -磷酸基團與相鄰片段的磷酸基團與相鄰片段的3 3 - -羥基之間形成磷酸二羥基之間形成磷酸二酯鍵，從而直接參與部分酯鍵，從而直接參與部分DNADNA單鏈斷裂的修復，如電單鏈斷裂的修復，如電離輻射所造成的切口。離輻射所造成的切口。二、切除修復是二、切除修復是最普遍最普遍的的D

16、NA損傷修復方式損傷修復方式 堿基切除修復堿基切除修復 核苷酸切除修復核苷酸切除修復n堿基切除修復堿基切除修復（base excision repair） 識別水解識別水解：DNADNA糖基化酶糖基化酶特異性識別特異性識別DNADNA鏈中鏈中已受已受損的堿基損的堿基并將其水解去除，產(chǎn)生一個無堿基位點；并將其水解去除，產(chǎn)生一個無堿基位點； 切除切除：在此位點的：在此位點的5 5 端，無堿基位點核酸內(nèi)切酶將端，無堿基位點核酸內(nèi)切酶將DNADNA鏈的磷酸二酯鍵切開，去除剩余的磷酸核糖部鏈的磷酸二酯鍵切開，去除剩余的磷酸核糖部分；分； 合成合成：DNADNA聚合酶在缺口處以另一條鏈為模板修補合聚合酶在

17、缺口處以另一條鏈為模板修補合成互補序列；成互補序列； 連接連接：由：由DNADNA連接酶將切口重新連接，使連接酶將切口重新連接，使DNADNA恢復恢復正常結構正常結構n核苷酸切除修復核苷酸切除修復（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DNADNA損傷部位；損傷部位； 其次，在損傷兩側切開其次，在損傷兩側切開DNADNA鏈，去除兩個切口之間的鏈，去除兩個切口之間的一段受損的寡核苷酸；一段受損的寡核苷酸； 再次，在再次，在DNADNA聚合酶作用下，以另一條鏈為模板，合聚合酶作用下，以另一條鏈為模板，合成一段新的成一段新的DNADNA，

18、填補缺損區(qū)；，填補缺損區(qū)； 最后由連接酶連接，完成損傷修復。最后由連接酶連接，完成損傷修復。*受到受到ATP水解的驅動，水解的驅動，2個個UvrA與與1個個UvrB形成形成三聚體復合物三聚體復合物 （UvrA2UvrB1）；）；*該復合物與該復合物與DNA隨機結隨機結合后，沿著合后，沿著DNA鏈移動鏈移動，以探測損傷的位置。，以探測損傷的位置。*識別損傷的過程比較緩慢識別損傷的過程比較緩慢，為限速步驟。，為限速步驟。*當遇到嘧啶二聚體時，通當遇到嘧啶二聚體時，通過水解過水解ATP，造成損傷部，造成損傷部位的位的DNA雙螺旋發(fā)生局雙螺旋發(fā)生局部解鏈和進一步彎曲，致部解鏈和進一步彎曲，致使使Uvr

19、B與損傷部位形成與損傷部位形成更緊密的接觸；更緊密的接觸；*UvrA在在ATP水解后離開水解后離開復合物，留下復合物，留下UvrB橫跨橫跨損傷部位；損傷部位；大腸桿菌的核苷酸切除修復大腸桿菌的核苷酸切除修復*UvrC被被UvrB招募到損傷招募到損傷部位后激活部位后激活UvrB的核酸的核酸內(nèi)切酶活性，內(nèi)切酶活性，UvrB在距在距離嘧啶二聚體的下游離嘧啶二聚體的下游4nt的位置切開的位置切開DNA鏈；鏈；*與此同時，與此同時，UvrC的核酸的核酸內(nèi)切酶活性被內(nèi)切酶活性被UvrB激活激活，在距離嘧啶二聚體的上，在距離嘧啶二聚體的上游游7nt的位置切開的位置切開DNA鏈鏈；*于是，產(chǎn)生一個長達于是，產(chǎn)

20、生一個長達13nt的含有嘧啶二聚體的寡聚的含有嘧啶二聚體的寡聚核苷酸片段。核苷酸片段。大腸桿菌的核苷酸切除修復大腸桿菌的核苷酸切除修復*在解鏈酶在解鏈酶UvrD的的作用下，作用下，ATP被水被水解，包含嘧啶二聚解，包含嘧啶二聚體的體的DNA片段發(fā)生片段發(fā)生解鏈而離開雙螺旋解鏈而離開雙螺旋，UvrC也隨之而也隨之而去；去；*最后，最后，DNA聚合酶聚合酶I或或II填補空缺；填補空缺；*DNA連接酶則縫合連接酶則縫合切口。切口。大腸桿菌的核苷酸切除修復大腸桿菌的核苷酸切除修復n堿基錯配修復堿基錯配修復（ mismatch repair）錯配錯配是指是指非非Watson-CrickWatson-Cr

21、ick堿基配對堿基配對。堿基錯配修復也可被看作是堿基切除修復的一堿基錯配修復也可被看作是堿基切除修復的一種特殊形式，主要負責糾正：種特殊形式，主要負責糾正： 復制與重組中出現(xiàn)的堿基配對錯誤；復制與重組中出現(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.coliE.coli錯配修復系統(tǒng)修復復制差錯錯配修復系統(tǒng)修復復制差錯Dam甲基化酶（甲基化酶（methylase）使）使E.coli處處于暫時的于暫時的半甲基化狀態(tài)半甲基化狀態(tài)，標記母鏈和新合成，標記母鏈和新合成的的DNA鏈，幫助鏈，幫助新合成的新合成的DNA鏈鏈被

22、錯配修復被錯配修復系統(tǒng)識別并修復。系統(tǒng)識別并修復。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 側側，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側側，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聚合酶聚合酶填補所產(chǎn)生單鏈填補所產(chǎn)生單鏈DNA缺口。缺口。三、三、DNA嚴重損傷時需要重組修復嚴重損傷時需要重組修復 同源重組修復同源重組修復 非同源末端連接的重組修復非同源末端連接的重組修復同源重組修復同源重組修

23、復利用細胞內(nèi)一些促進同源重利用細胞內(nèi)一些促進同源重組的蛋白質來從姊妹染色體或同源染色體那里組的蛋白質來從姊妹染色體或同源染色體那里獲得合適的修復斷裂的信息，這一種方式的精獲得合適的修復斷裂的信息，這一種方式的精確性較高；確性較高；非同源末端連接（非同源末端連接（NHEJ）修復）修復在無序列在無序列同源的情況下，讓斷裂的末端重新連接起來，同源的情況下，讓斷裂的末端重新連接起來，這種方式容易發(fā)生錯誤，是人類修復雙鏈斷裂這種方式容易發(fā)生錯誤，是人類修復雙鏈斷裂的主要方式。的主要方式。DNA雙鏈斷裂的重組修復雙鏈斷裂的重組修復 哺乳動物細胞哺乳動物細胞DNA雙鏈斷裂的非同源末端連接雙鏈斷裂的非同源末端連接 損傷跨越損傷跨越 重組跨越使用同源重組的方法將重