DNA的損傷與修復

第二章DNA損傷與修復第二節(jié)DNA損傷一、DNA損傷因素（一）內(nèi)源性損傷(體內(nèi)因素)1、DNA復制錯誤：堿基配對從A-T轉換成G-C。2、堿基自身互變異構體：C的異構體與A錯誤配對。3、自發(fā)的化學變化4、氧化損傷（二）外源性損傷（體外因素）1、物理因素2、化學因素（化學試劑）二、多種化學或物理因素可誘發(fā)突變1、大量的突變屬于自發(fā)突變，發(fā)生頻率只不過在10-9左右。但由于生物基因組龐大，細胞繁殖速度快，因此它的作用是不可低估的。2、實驗室用來誘發(fā)突變，也是生活環(huán)境中導致突變的因素，主要有物理和化學因素。

物理因素：紫外線(ultraviolet,UV)、各種輻射

UV化學因素：三、突變在生物界普遍存在（一）突變是進化、分化的分子基礎1、DNA突變具體指個別dNMP殘基以至片段DNA在構成、復制或表型功能的異常變化，也稱為DNA損傷(DNAdamage)。2、從分子水平來看，突變就是DNA分子上堿基的改變。3、從長遠的生物史看，進化過程是突變的不斷發(fā)生所造成的。4、大量的突變都是屬于這種類型，只是目前還未能認識其發(fā)生的真正原因，因而名為自發(fā)突變或自然突變(spontaneousmutation)。（二）只有基因型改變的突變形成DNA的多態(tài)性1、這種突變沒有可察覺的表型改變，例如在簡并密碼子上第三位堿基的改變，蛋白質非功能區(qū)段上編碼序列的改變等。這些現(xiàn)象也相當普遍。2、多態(tài)性(polymorphism)一詞用來描述個體之間的基因型差別現(xiàn)象。

（三）致死性的突變可導致個體、細胞的死亡

（四）突變是某些疾病的發(fā)病基礎四、引起突變的分子改變類型有多種錯配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement)

框移(frame-shift)

DNA分子上的堿基錯配稱點突變(pointmutation)。自發(fā)突變和不少化學誘變都能引起DNA上某一堿基的置換。點突變發(fā)生在基因的編碼區(qū)，可導致氨基酸改變。

（一）錯配可導致編碼氨基酸的改變鐮形紅細胞貧血病人Hb(HbS)β亞基N-val

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C肽鏈CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亞基N-val

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C肽鏈CTCGAG基因鐮形紅細胞貧血病人（二）缺失、插入和框移突變造成蛋白質氨基酸排列順序發(fā)生改變1、缺失：一個堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失。2、插入：原來沒有的一個堿基或一段核苷酸鏈插入到DNA大分子中間。缺失或插入都可導致框移突變。3、框移突變是指三聯(lián)體密碼的閱讀方式改變，造成蛋白質氨基酸排列順序發(fā)生改變。谷酪蛋絲5’……GCA

GUA

CAU

GUC……丙纈組纈正常5’……GAG

UAC

AUG

UC……缺失C缺失引起框移突變：（三）重組或重排常可引起遺傳、腫瘤等疾病1、DNA分子內(nèi)較大片段的交換，稱為重組或重排。2、移位的DNA可以在新位點上顛倒方向反置（倒位），也可以在染色體之間發(fā)生交換重組。DNA損傷（突變）可能造成兩種結果：其一是導致復制或轉錄障礙（如胸腺嘧啶二聚體，DNA骨架中產(chǎn)生切口或斷裂）；其二是導致復制后基因突變（如胞嘧啶自發(fā)脫氨基轉變?yōu)槟蜞奏ぃ笵NA序列發(fā)生永久性改變。所以，必須通過進化使細胞擁有靈敏的機制，以識別和修復這些損傷，否則細胞無法維持正常代謝。

第三節(jié)DNA損傷修復

DNA損傷修復(repair)：是對已發(fā)生分子改變的補償措施，使其盡可能回復為原有的天然狀態(tài)。修復的意義：保證DNA攜帶的遺傳信息能完全地忠實轉給子代、維持生物特征的穩(wěn)定性和完整性。一、DNA損傷的修復有多種類型錯配修復(mismatchrepair)直接修復(directrepair)光修復(lightrepairing)切除修復(excisionrepairing)重組修復(recombinationrepairing)SOS修復

1、嘧啶二聚體的直接修復（lightrepair）這是一種廣泛存在的修復作用，能夠修復任何嘧啶二聚體的損傷。修復過程由光修復酶(photolyase)催化完成。一、有些DNA損傷可以直接修復（一）直接修復系統(tǒng)利用酶簡單地逆轉DNA損傷光修復酶(photolyase)

UV修復過程：⑴修復酶(photolyase)識別嘧啶二聚體并與之結合形成復合物；⑵在300～600nm可見光照射下，酶獲得能量，將嘧啶二聚體的丁酰環(huán)打開；⑶光修復酶從DNA上解離。二、切除修復是最普遍的DNA損傷修復方式1、堿基切除修復2、核苷酸切除修復3、堿基錯配修復

堿基切除修復依賴于生物體內(nèi)存在的一類特異的DNA糖基化酶。切除修復過程：（1）識別水解（2）切除（3）合成（4）連接1、堿基切除修復（baseexcisionrepair）（二）核苷酸切除修復系統(tǒng)識別DNA雙螺旋變形這是細胞內(nèi)最重要和有效的修復方式。其過程包括去除損傷的DNA，填補空隙和連接。主要由DNA-polⅠ和連接酶完成。這也是一種廣泛存在的修復機制，可適用于多種DNA損傷的修復。切除修復機制的基本過程是將受損的DNA片段切除，然后再以對側鏈為模板，重新合成新鏈進行修復。由核苷酸切除修復系統(tǒng)負責進行修復。切除修復系統(tǒng)步驟⑴核酸內(nèi)切酶UvrA、UvrB和UvrC蛋白識別損傷部位⑵UvrC將受損片段切除⑶DNApolⅠ填補缺口⑷連接酶封口UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHPDNA連接酶ATP堿基丟失堿基缺陷或錯配結構缺陷切開核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA連接酶AP核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切開切除修復連接糖苷酶插入酶堿基取代

核苷酸切除修復不僅能夠修復整個基因組中的損傷，而且能拯救因轉錄模板鏈損傷而暫停轉錄的RNA聚合酶，即參與轉錄偶聯(lián)修復(transcription-coupledrepair)。轉錄偶聯(lián)修復的意義在于，將修復酶集中于正在轉錄的DNA，使該區(qū)域的損傷盡快得以修復。錯配修復對DNA復制忠實性的貢獻力達102-103，DNA子鏈中的錯配幾乎完全都被修正，充分反映了母鏈的重要性。錯誤的堿基配對可以通過母鏈中識別標記區(qū)分；標記是GATC（回文結構）中A甲基化，E.coli中的3個蛋白質（MutS、MutH和MutL）校正。該修復系統(tǒng)只校正新合成的DNA，因為新合成DNA鏈的GATC序列中的A（腺苷酸殘基）開始未被甲基化。GATC中A甲基化與否常用來區(qū)別新合成的鏈（未甲基化）和模板鏈（甲基化）。3、堿基錯配修復錯配修復系統(tǒng)作用機制：⑴MutS蛋白識別錯配的堿基；并吸引MutL蛋白到這個位置，新生鏈的GATC序列未甲基化；⑵MutL蛋白激活MutH蛋白，在新鏈的未甲基化的GATC打開缺口；⑶外切核酸酶切除3’到5’方向錯配堿基與GATC序列之間的間隔的DNA序列，聚合酶填補空缺；⑷DNA連接酶封閉缺口，甲基化酶在新鏈甲基化。新復制DNA的新舊鏈區(qū)別E.Coli錯配修復系統(tǒng)作用機制重組修復(recombinationrepair)這是DNA的復制過程中所采用的一種有差錯的修復方式。修復時，利用重組蛋白RecA的核酸酶活性，將另一股健康親鏈與損傷缺口相互交換。某些DNA修復發(fā)生在跨越損傷DNA的復制事件之后（了解）重組修復步驟：⑴將正常母鏈上一段與損傷子鏈缺口同源片段轉移進行重組，使母鏈上帶有缺口；⑵DNA聚合酶填補母鏈上的缺口；⑶DNA連接酶封口。損傷的DNA經(jīng)過數(shù)代復制可得到稀釋，從而對細胞的影響減至最小。重組修復SOS修復1、當DNA損傷廣泛難以繼續(xù)復制時，由此而誘發(fā)出一系列復雜的反應。2、在E.coli，各種與修復有關的基因，組成一個稱為調(diào)節(jié)子(regulon)的網(wǎng)絡式調(diào)控系統(tǒng)。3、這種修復特異性低，對堿基識別、選擇能力差。通過SOS修復，復制如能繼續(xù)，細胞是可存活的。但DNA保留的錯誤較多，導致較廣泛、長