第四章 DNA的突變損傷和修復

Chapter4.DNAdamage,repair，mutation第一節(jié)：突變〔mutation)一、突變的主要類型突變是DNA堿基序列水平上的永久的、可遺傳的改變。堿基序列的變化可以分為下面幾種類型：堿基替換〔basesubstitution〕，即DNA分子中一個堿基被另一個堿基替代；插入〔insertion〕，涉及一個或多個堿基插入到DNA序列中；缺失〔deletion〕，涉及DNA序列上一個或多個堿基的缺失；重復〔duplication〕，一段堿基序列發(fā)生一次重復；倒位〔inversion〕，一段堿基序列發(fā)生倒轉，但仍保存在原來的位置上；易位〔translocation〕，一段堿基序列從原來的位置移出，并插入到基因組的另一位置。1.堿基替換堿基替換又稱為點突變〔pointmutation〕，是一種最簡單的突變。堿基替換可以分為轉換〔transition〕和顛換〔transversion〕兩種類型。轉換是指嘌呤與嘌呤之間，或嘧啶與嘧啶之間的替換；顛換是指嘌呤與嘧啶之間的替換。轉換：嘌呤與嘌呤之間，嘧啶與嘧啶之間的互換

AG TC顛換：嘌呤與嘧啶之間發(fā)生互換

ATorCTAorG

GTorCCAorG

根據(jù)堿基替代對多肽鏈中氨基酸順序的影響，點突變又可以分為同義突變、錯義突變和無義突變三種類型。有時DNA的一個堿基對的改變并不會影響基因所編碼的蛋白質的氨基酸序列，這是因為改變后的密碼子和改變前的密碼子是簡并密碼子，它們編碼同一種氨基酸，這種基因突變稱為同義突變〔synonymousmutation)。由于堿基對的改變而使決定某一氨基酸的密碼子變?yōu)闆Q定另一種氨基酸的密碼子的基因突變叫錯義突變〔missensemutation〕?；蛲蛔冇锌赡苁顾幋a的蛋白質局部或完全失活，例如人血紅蛋白β鏈的基因如果將決定第6位氨基酸的密碼子由GAG〔谷氨酸〕變?yōu)镚TG(纈氨酸)，從而引起鐮刀形細胞貧血病。fig.11.2sicklecelldisease有一些錯義突變造成的氨基酸替代并不影響蛋白質的功能，我們就稱之為中性突變。例如密碼子AGG→AAG，導致了Lys取代了Arg，這兩種氨基酸都是堿性氨基酸，性質十分相似，所以蛋白的功能并不發(fā)生重大的改變。中性突變連同同義突變一起被稱為沉默突變〔silentmutation〕。由于某個堿基替代使決定某一氨基酸的密碼子變成一個終止密碼子的基因突變叫無義突變〔nonsensemutation〕。其中密碼子改變?yōu)閁AG的無義突變又叫琥珀突變，密碼子改變成UAA的無義突變又叫赭石突變。無義突變使多肽鏈的合成提前終止，產生截短的蛋白質，這樣的蛋白質常常是沒有活性的。突變也可以把終止密碼子轉變成編碼某一氨基酸的有義密碼子，造成終止信號的通讀〔readthrough〕，結果是多肽鏈的C末端添加了一段氨基酸序列。對于大多數(shù)蛋白質，C末端延伸一段短的氨基酸序列，并不影響它們的功能，但是過長的延伸會影響蛋白質的折疊，降低蛋白質的活性。2.

Deletions,InsertionsandFrameshiftmutations基因的編碼序列中插入或者缺失一個或兩個堿基，會使DNA的閱讀框架發(fā)生改變，導致插入或缺失部位之后的所有密碼子都跟著發(fā)生變化，結果產生一種截短的或異常的多肽鏈，這種突變稱為移碼突變〔frameshiftmutations〕。移碼突變常常完全破壞了編碼蛋白質的功能，除非移碼突變發(fā)生在靠近讀碼框的遠端的地方。Frameshiftmutation

5'AUGUGGGGACCCAAGGGUAGCCCC...3'(wild-type)mettrpglyprolysglyserpro...5'AUGUGGGGGACCCAAGGGUAGCCCC..3'(mutant)mettrpglythrglnglystopTwochangesinpolypeptidesarepossible:(1)everyaminoaciddownstreamofthemutationischanged,(2)atruncated(shortened)proteinisproduced.然而，一次插入或者缺失三個堿基會添加或者刪除一個完整的密碼子，閱讀框又得到恢復。這時，除了添加或缺失一個氨基酸殘基，蛋白質的其他局部并未發(fā)生變化。如果添加〔或缺失〕的氨基酸不在蛋白質的功能區(qū)，仍能產生功能蛋白。3.DNA重排DNA重排包括缺失、倒位、易位和重復?；蚪M中相似序列之間的配對，以及隨后發(fā)生的重組可以造成DNA的重排。如圖，同一DNA分子的兩個同向重復序列之間的配對和重組將使兩個重復序列之間的局部形成一個獨立的環(huán)，從原來的DNA分子上釋放出來。原來的DNA分子那么產生相應的缺失。圖表示同一DNA分子上的兩個反向重復序列發(fā)生配對形成的莖環(huán)結構。配對后的重組將導致反向重復序列之間的局部發(fā)生倒位。大腸桿菌染色體含有7個拷貝的rRNA基因。有一些大腸桿菌菌株，染色體上兩個rRNA操縱子之間的序列發(fā)生了倒位。這些菌株能夠存活，但生長速度比正常的菌株要慢一些。二、突變的產生

1．自發(fā)突變〔1〕復制過失可以引起自發(fā)突變〔spontaneousmutation〕DNA聚合酶在DNA復制過程中偶爾會出現(xiàn)過失，將錯誤的堿基插入到DNA分子中，引發(fā)突變。另外，堿基的互變異構有時也會導致突變的發(fā)生。DNA分子中的堿基都存在兩種互變異構體，它們處于動態(tài)平衡中，所以每一種堿基都可以從一種異構體轉變?yōu)榱硪环N異構體。DNA復制時，堿基配對的性質由于堿基互變異構化而發(fā)生的改變也能產生突變。圖表示偶爾在復制叉到達的關鍵時刻，模板上的G從酮式變?yōu)橄〈际?，致使堿基的配對性質發(fā)生了變化，與T而不是與C配對。DNA再復制一次產生的兩個子代雙螺旋中的一個將帶有突變，罕見的互變異構體會轉變成其常見形式，配對性質有恢復到正常。由于正常堿基形成異構體的幾率很低，所以自發(fā)突變的頻率也很低，一般為10－6～10－10。如果某一堿基類似物能以較高的頻率產生異構體，當摻入DNA分子后，就能提高突變率。TautomericshiftscanbeasourceofrarespontaneousmutationDuringthenextroundofDNAreplication,thetransitionmutationbecomes“fixed〞intheDNA.并非所有的復制錯誤都是點突變，異常的復制也可以造成插入或缺失突變。當復制叉遇到串聯(lián)重復序列時模板鏈與新生鏈之間有時會發(fā)生相對移動，導致局部模板鏈被重復復制或者被遺漏，其結果是新生鏈多了或少了一些重復單位。復制滑移〔strandslippage〕是微衛(wèi)星〔microsatellite〕產生的主要原因。(a)Normalreplication.

(b)Backwardslippage,resultingintheinsertionmutation.

(c)Forwardslippage,resultinginthedeletionmutation.

微衛(wèi)星是一種短串連重復DNA。典型的微衛(wèi)星是以1，2，3或4bp長的序列為單位，重復10～20次形成的。人類微衛(wèi)星中，最常見的類型是二核苷酸重復序列，在整個人類基因組中約140000拷貝。比方，人類基因組具有CA重復的微衛(wèi)星，CACACACACACACAC，占基因組0.25％，共8Mb。發(fā)生在短重復序列處的鏈的滑移也可能與人類的三核苷酸重復序列擴增疾病〔trinucleotiderepeatexpansiondisease〕的發(fā)生有關。例如，人類HD基因含有串聯(lián)重復6～35次的5’-CAG-3’，編碼蛋白質產物中的多聚谷胺酰胺。在亨廷頓氏病〔Huntington’disease〕中，這些重復序列擴增至36～121個拷貝，增加了多聚谷胺酰胺的長度，造成蛋白質功能障礙。一些與智力缺陷有關的疾病與基因前導區(qū)的三核苷酸擴增引起的染色體脆性位點〔fragilesite〕有關。(2)堿基的脫氨作用引起的自發(fā)突變在正常的生理條件下，腺嘌呤、鳥嘌呤、尤其是胞嘧啶可以自發(fā)地發(fā)生脫氨作用〔deamination〕，脫去嘌呤環(huán)或嘧啶環(huán)上的氨基。胞嘧啶脫氨產生尿嘧啶，因此復制時在新生鏈對應的位點上插入的是腺嘌呤而不是鳥嘌呤。腺嘌呤自發(fā)脫氨轉變成次黃嘌呤，次黃嘌呤優(yōu)先與胞嘧啶配對，而不是與胸腺嘧啶配對。因此，腺嘌呤和胞嘧啶的脫氨作用可以造成突變。鳥嘌呤脫氨后變成了黃嘌呤〔xanthine〕，由于黃嘌呤仍與胞嘧啶配對，只是它們之間只形成兩個氫鍵，因此鳥嘌呤的脫氨作用并不能引起突變。DeaminationofCyieldsUwhichbasepairswithAResultsinC-GtoT-AtransitionThisoccursspontaneouslyDeamination2.Mutationsareproducedbymutagens某些物理或化學因素可以提高突變率，這些能夠導致突變的物理或化學因素就稱為誘變劑〔mutagen〕。誘變劑會對DNA分子造成損傷。如果損傷在DNA復制之前還沒有被體內的修復系統(tǒng)所修復，在DNA復制過程中，當復制叉抵達損傷部位時，常常發(fā)生復制錯誤，從而引起誘變。不同的誘變劑以不同的方式對DNA分子產生損傷，因而誘導突變的方式可能也不同。對DNA造成損傷的因素并不一定都是誘變劑，比方造成DNA斷裂的斷裂劑。這種類型的損傷可阻遏復制，導致細胞死亡。(1)物理誘變劑

紫外線引起相鄰的嘧啶堿基產生嘧啶二聚體X-射線和γ-射線是電離輻射，它們作用于水分子以及其他的細胞內分子產生離子和自由基，尤其是羥自由基〔hydroxylradical〕。具有高度反響活性的自由基會對DNA分子產生廣泛的損傷。X-射線和γ-射線也可以直接作用于DNA，對DNA產生損傷。在分子生物學開展的早期，X－射線經(jīng)常被用來在實驗室產生突變。X－射線傾向于產生多種突變，并且常常造成DNA重排，例如缺失、倒轉和移位。加熱可以促進堿基和戊糖之間N-糖苷鍵的水解，結果導致DNA分子上出現(xiàn)AP〔apurinic/apyrimidinic,無嘌呤/無嘧啶〕位點，其中嘌呤更容易從DNA分子上脫落。AP位點處的糖－磷酸基團不穩(wěn)定，很快被降解，在雙鏈DNA分子上留下一個缺口。雙鏈DNA分子上的缺口一般沒有誘變作用，因為這種損傷可以被有效修復。事實上，在人的一個細胞中，每一天會形成10000個AP位點。但是，在某些情況下，缺口可以產生突變，比方大腸桿菌細胞中的SOS反響被激活時。(2)化學誘變劑

堿基類似物〔baseanalog〕指化學結構與核酸分子中的正常堿基類似的化合物，在DNA正常合成過程中，堿基類似物可以與模板上的堿基配對摻入到DNA分子中，而不被DNA聚合酶的3’→5’外切酶活性所切除。如果是單純的堿基替代并不引發(fā)突變，因為在下一輪DNA復制時又可以產生正常的DNA分子。然而，堿基類似物能以更高的頻率發(fā)生酮式和稀醇式的互變異構，或者形成兩種形式的氫鍵，這就使堿基類似物具有誘變作用〔mutagenic〕。

堿基類似物Base-analoguemutagens的誘變作用

最常被應用堿基類似物是5-溴尿嘧啶〔5－bromouracil,5-BU或BU〕和2-氨基嘌呤(2-aminopurine,2-AP)。通常情況下5-溴尿嘧啶以酮式結構存在，是胸腺嘧啶(T)的結構類似物，能與A配對。但它有時能以稀醇式結構存在，與G配對。在DNA復制時，BU以通常的酮式結構取代T與A配對摻入到DNA分子中。在下一輪復制中，酮式結構可以變成稀醇式結構，與G配對。再經(jīng)過一輪的復制，G與C配對，引起TA至CG的轉換。在DNA復制時BU也可以取代C與G配對，產生GC至AT的轉換，但這種能力較弱。不管哪種情況，BU摻入到DNA分子后，必須經(jīng)過兩輪復制才能產生穩(wěn)定的可遺傳的突變。AGCTTCCTATCGAAGGATAGCTBCCTATCGAAGGATBaseanalogincorporationAGCTBCCTATCGAGGGATAGCTTCCTATCGAAGGAT1stroundofreplicationAGCTBCCTATCGAAGGATAGCTCCCTATCGAGGGAT2ndroundofreplicationA·T

G·Ctransition2-氨基嘌呤是腺嘌呤的結構類似物，它能代替A進入DNA分子中與T配對有兩個氫鍵，結合的程度較牢固；它也能與C形成只有一個氫鍵的堿基對，結合得較弱。隨后經(jīng)DNA復制，C與G配對完成AT至GC的轉換，且這種轉換多是單方向的，因為2-氨基嘌呤較難代替G而與C配對。

脫氨劑(Deaminationagents〕的誘變作用許多化學誘變劑能以不同的方式修飾DNA分子的堿基，改變其配對性質而引起突變。脫氨劑〔deaminationagent〕可以除去堿基上的氨基，改變其配對性質，造成堿基轉換突變。脫氨作用也可以自發(fā)地發(fā)生，但是一些化學物質，例如亞硝酸〔nitrousacid〕，可以促進腺嘌呤、胞嘧啶和鳥嘌呤脫氨作用的發(fā)生。腺嘌呤脫氨后變成次黃嘌呤〔hypoxanthine〕，次黃嘌呤與C配對而不是與T配對，胞嘧啶脫氨后變成尿嘧啶與A配對而不是與C配對。因此，腺嘌呤和胞嘧啶的脫氨作用可以造成突變。烷化劑是一類能夠向堿基上添加烷基基團的誘變劑。烷化劑很容易將烷基加到DNA鏈中嘌呤或嘧啶的N或O上，其中鳥嘌呤的N7和腺嘌呤的N3最容易受攻擊。烷化劑(Alkylating〕的誘變作用嵌入劑〔intercalatingagents〕誘變作用吖啶橙〔acridineorange〕、原黃素(proflavine)和溴化乙啶〔ethidiumbromide〕等吖啶類染料有效的移碼突變誘變劑。吖啶類化合物是一種平面三環(huán)分子，其大小和形狀與一個嘌呤-嘧啶堿基對相似，因此能夠插入DNA分子中兩個相鄰的堿基對之間，使得原來相鄰的堿基對分開一定的距離，致使DNA在復制時增加或缺失一個堿基，造成移碼突變。活性氧分子氧〔O2〕對DNA分子不會造成損傷，但是活性氧會對DNA分子產生廣泛的損傷。活性氧包括超氧化物自由基〔Superoxide〕、羥自由基〔hydroxylradical〕、過氧化氫〔hydrogenperoxide〕等。與分子氧相比，活性氧攜帶了更多的電子。細胞內的活性氧既可以由細胞內的正常代謝途徑產生，也可以由環(huán)境因子誘導產生。這些自由基可在許多位點上攻擊DNA，產生一系列氧化產物。在眾多氧化損傷中，鳥嘌呤8位碳原子的氧化最為常見，其氧化產物8-羥基鳥嘌呤(8-hydroxy-guanine)較為穩(wěn)定，易于檢測，被視為DNA氧化損傷的標志物。8-羥基鳥嘌呤優(yōu)先與A配對，在DNA復制時產生G:C到T:A的顛換。

“O2-〞 hyperoxide“H2O2〞 Peroxide“OH?〞 hydroxyl三、正向突變、回復突變與突變的校正目前為止，我們所討論的突變屬于正向突變〔forwardmutation〕，也就是改變了野生型性狀的突變。相反的過程也可以發(fā)生，這種使突變型性狀恢復到野生型性狀的突變就稱為回復突變〔reversemutation〕?；貜屯蛔兛梢宰园l(fā)地發(fā)生，也可以用誘變劑處理增加其頻率。回復突變產生的機制十分復雜，最簡單的情形是第二次突變與第一次突變發(fā)生在同一位點，并且恢復了野生型序列這是真正的回復突變。然而，真正的回復突變很少發(fā)生，大多數(shù)回復突變都發(fā)生在另一位點。因此，這樣的第二次突變并未恢復野生型的堿基序列，只是其表型被抑制了。第二點突變可以發(fā)生在同一基因之中，也可以發(fā)生在不同的基因之中，前者稱為基因內抑制，后者稱為基因間抑制。在這一章，我們僅考察一下基因內抑制形成的機制。錯義突變所造成的表型性狀的改變可能是因為突變影響到了蛋白質空間結構，進而導致蛋白質活性的喪失。假設，一種蛋白質空間結構的形成完全取決于多肽鏈上兩個特定氨基酸殘基之間的靜電吸引作用。如果突變導致其中一個帶正電荷的氨基酸殘基被一帶負電荷的氨基酸殘基所取代，蛋白質蛋白質就不能正確折疊。但是，如果第二次突變使另一帶負電荷的氨基酸殘基又被一帶負電荷的氨基酸殘基取代，蛋白質就會形成正確的構象。1.基因內抑制

圖表示了另一種更為復雜的基因內抑制。在這里，蛋白質的結構由6個氨基酸殘基之間的疏水作用維持的。正向突變使其中一個側鏈較小的氨基酸殘基，被一個側鏈較大的氨基酸殘基所取代。而第二位點的回復突變使原來與丙氨酸相互作用的較大的氨基酸殘基變?yōu)檩^小的氨基酸殘基，恢復了疏水作用，因而恢復了蛋白質分子的功能。

對第2位點氨基酸取代的抑制效應進行分析有助于揭示蛋白質的空間結構。如果氨基酸A被X取代所產生的突變型效應被發(fā)生在另一位點的氨基酸取代〔比方氨基酸B被Y取代〕所抑制，A和B兩個氨基酸在蛋白質的空間結構中彼此接近，或者位于兩個蛋白質上兩個相互作用的區(qū)域。移碼突變的回復突變通常發(fā)生在同一基因的另一個位點上，并且回復突變位點靠近原初的突變位點，只有這樣兩個突變位點之間才會有很少的氨基酸發(fā)生改變。兩個突變位點之間的氨基酸序列發(fā)生改變不會對蛋白質的功能產生顯著影響。2．基因間抑制我們已經(jīng)知道，編碼一種氨基酸的密碼子變成終止密碼子稱為無義突變，無義突變產生一種截短的、通常無功能的蛋白質。無義突變可以被另一基因上的突變所抑制。無義突變的抑制突變通常是一個tRNA基因突變，導致其反密碼子發(fā)生改變，結果產生一種能夠識別終止密碼子的tRNA。在圖中，野生型基因中一個編碼酪氨酸的密碼子UAC突變成一個終止密碼子UAG。突變基因編碼一條無活性的蛋白質片段。細胞內無意突變的抑制突變發(fā)生在亮氨酰tRNA基因內，突變使tRNALeu的反密碼子由3’-AAC-5’轉變成3’-AUC-5’。突變的tRNA把終止密碼子UAG讀成亮氨酸的密碼子。

這種突變的tRNA稱為抑制子tRNA〔suppressortRNA〕。一般把終止密碼子UAG稱為琥珀型〔amber〕，UAA為赭石型(ochre)，UGA為乳白型(opal)。琥珀型抑制子為識別UAG的突變型tRNA。赭石型抑制子反密碼子為AUU，由于反密碼子和密碼子識別過程中的擺動原理，赭石型抑制tRNA可以識別UAA和UAG兩種反密碼子。乳白型反密碼子很少發(fā)現(xiàn)。抑制tRNA的產生并不會影響讀碼框中有義密碼子的識別。對于一種密碼子細胞往往有多個拷貝的tRNA基因，即使其中一個拷貝發(fā)生了突變，也不會影響到對密碼子的識別。所以，抑制突變至少在微生物中相當普遍，人們在細菌的谷胺酰胺、亮氨酸、絲氨酸、酪氨酸和色氨酸t(yī)RNA基因中發(fā)現(xiàn)了抑制突變。由抑制tRNA插入的氨基酸可能就是原來的氨基酸，這時蛋白質的功能得到了完全的恢復。或者，抑制tRNA在突變位點插入了另外一種氨基酸，使得突變基因產生了一個有局部活性的蛋白質。在蛋白質合成過程中，終止密碼子由釋放因子識別。這樣，抑制tRNA和釋放因子對終止密碼子的識別存在競爭。因此，抑制作用不是完全的，抑制效率通常是10％～40％。這樣的抑制效率可以為細胞足夠的功能蛋白。然而，抑制tRNA也能識別未突變基因的終止密碼子，造成通讀，產生延長的多肽鏈。攜帶抑制突變的細胞生長的速度比正常的細胞要慢也就缺乏為奇了。事實上，只有細菌和低等的真核生物〔例如，酵母，roundworms〕能夠容忍抑制突變。在昆蟲和哺乳動物中，抑制突變是致死的。四、突變的熱點突變可以發(fā)生在基因組中的任一位點。但是在基因組中，也存在一些位點，這些位點發(fā)生突變的幾率比隨機分布所估計的要高出許多，可能是預期的10倍或100倍，這些位點被稱為突變的熱點〔hotspot〕，發(fā)生在熱點上的突變常常是相同的。

大多數(shù)熱點是DNA分子中的5－甲基胞嘧啶位點。5－甲基胞嘧啶是DNA合成后，胞嘧啶被修飾后形成的，在DNA分子中與鳥嘌呤正確配對。然而，5－甲基胞嘧啶常常發(fā)生自發(fā)脫氨形成胸腺嘧啶，導致G-T對的產生，在雙鏈DNA分子中產生了一個錯配。當DNA復制時，在一個子代DNA分子中，A-T對就取代了G-C對，導致突變的發(fā)生。

突變熱點的形成還有其他原因。如前所述，短的串聯(lián)重復序列在DNA復制時會發(fā)生鏈的滑移，造成重復單位的插入與缺失。因此，短的串聯(lián)重復序列也是突變的熱點。例如，大腸桿菌lacI基因中有三個連續(xù)的CTGG序列，很容易產生一個CTGG序列的插入突變或缺失突變。一系列物理或化學因素可以對DNA造成化學損傷。這些因素包括化學誘變劑、輻射以及DNA分子自發(fā)的化學反響等。有些類型的DNA損傷，如胸腺嘧啶二聚體或DNA骨架的斷裂，使得DNA不能再作為復制和轉錄的模板。第二節(jié)DNA的損傷和修復另一些損傷產生了改變了的堿基，它們不會阻止復制和轉錄的進行，但是可引起錯配，在下一輪復制之后導致DNA序列的永久改變。例如，胞嘧啶通過脫氨作用轉化為尿嘧啶，產生U∶G錯配，在下一輪復制之后，一條子代DNA分子上的C∶

G被

T∶A所取代。細胞在進化過程中，形成了多種修復機制，以保證在損傷阻遏復制或者產生突變之前就識別并修復損傷。

一、光復活〔Photoreactivation〕在可見光存在的情況下，DNA光解酶〔DNAphotolyase〕把環(huán)丁烷嘧啶二聚體分解為單體。DNA光解酶,又稱光復活酶〔photoreactivatingenzyme〕。光解酶在暗中結合到環(huán)丁烷二聚體上，吸收300～350nm的光后被激活，裂解二聚體后與DNA分子脫離。由于這種修復作用只在可見光下才可發(fā)生，所以這種修復機制稱為光復活?！?－4〕光產物光解酶受光激活后，可以修復〔6－4〕損傷。光復活是一種廣為存在的DNA修復機制，在很多細菌和一些真核生物〔包括某些脊椎動物〕中都存在，但是在人類和有胎盤的哺乳動物中沒有這種修復機制。Fig14-21.Photoreactivationcleavespyrimidinedimers.NoDNAsynthesis350-500nmphotolyaseBindtodimerindarkbutlackenergytoremovecrosslink二、烷基的轉移

一些酶可將烷基從核苷酸轉移到自身的多肽鏈上，例如，在人類細胞中發(fā)現(xiàn)有一種O6-甲基鳥嘌呤甲基轉移酶，能直接將DNA鏈鳥嘌呤O6位上的甲基移到蛋白質的半胱氨酸殘基上而修復損傷的DNA。O6-methylguanineDNAmethyltransferaseNNNNH2NO-CH3RNNNNH2NORactiveEnz.Cys-SHinactiveEnz.Cys-S-CH3O6-methylguaninenucleotideguaninenucleotideHH大腸桿菌的Ada〔adaptationtoalkylation〕蛋白可以通過兩個活性中心去除DNA分子上的甲基基團。Ada蛋白的兩個活性中心分別位于多肽鏈的N-末端和C-末端。大腸桿菌的Ada〔adaptationtoalkylation〕蛋白可以通過兩個活性中心去除DNA分子上的甲基基團。Ada蛋白的兩個活性中心分別位于多肽鏈的N-末端和C-末端。DNA光解酶和烷基轉移酶直接作用于DNA的損傷部位，把受到損傷的核苷酸恢復到原初的狀態(tài)，因此上述兩種修復機制又稱直接修復〔directrepair〕。核苷酸切除修復(nucleotideexcisionrepair,NER)需要移去一段包括損傷在內的核苷酸序列，然后再通過DNA合成把余下的單鏈缺口填補上。它可以修復一系列損傷，包括環(huán)丁烷二聚體、6－4光產物和鏈間交聯(lián)等引起的DNA變形〔majordistortion〕。三、核苷酸切除修復當正在進行轉錄的RNA聚合酶遇到DNA損傷時，RNA聚合酶的移動受阻，RNA合成終止。這時，細胞的修復系統(tǒng)將優(yōu)先修復模板鏈上的損傷。在細菌細胞中，轉錄修復耦聯(lián)因子〔transcription-repaircouplingfactor,TRCF〕檢測到受阻的RNA聚合酶后，指導UvrAB與受阻位點結合，啟動切除修復。轉錄耦聯(lián)修復的意義在于它將修復酶集中于正在被活潑轉錄的基因上。在真核細胞中，轉錄耦聯(lián)修復尤其重要，因為真核生物基因組的編碼區(qū)相對稀少，距離較遠。真核細胞實現(xiàn)轉錄修復耦聯(lián)的關鍵組分是通用轉錄因子TFIIH。TFIIH具有解旋酶活性，在轉錄起始的時候解開DNA雙鏈。在轉錄的過程中，TFIIH能夠檢測到DNA分子由于化學損傷產生的變形。當TFIIH遇到DNA損傷時，會募集切除修復系統(tǒng)，切斷解鏈區(qū)，釋放出受到損傷的區(qū)段。DNA聚合酶修復單鏈缺口，轉錄得以重新開始。

四、堿基切除修復堿基切除修復是去除DNA分子中受損堿基的一種主要方法。DNA糖基化酶〔glycosylases〕能夠切斷脫氨堿基、甲基化堿基和氧化堿基等非正常堿基與脫氧核糖之間的糖苷鍵，在DNA上產生一個無嘌呤〔apurinic〕或無嘧啶〔apyrimidinic〕位點〔AP位點〕。細胞胞內的AP核酸內切酶，附著在AP位點上，并在AP位點的5’-端切斷磷酸二酯鍵，形成一個游離的3’－OH末端。DNA聚合酶I利用其5’-3’外切酶活性切去AP位點以及其下游的一段核苷酸序列，同時延伸3’-OH末端填補缺口。最后的切口由DNA連接酶封閉。不同的受損堿基由專一性的DNA糖基化酶負責切除。胞嘧啶脫氨產生的尿嘧啶由尿嘧啶-N-糖基化酶〔uracil-N-glycosylase〕從DNA分子上去除。Fig14-18.dealingwithoxidizedguanine.Preventincorporationofpreformed8-oxoGintoDNA.MutT,MutM,MutY五、錯配修復〔mismatchrepair〕DNA聚合酶的3’→5’外切酶活性可將錯誤摻入的核苷酸去除。聚合酶的這種校正功能將DNA復制的忠實度提高100倍。然而，DNA聚合酶的校正作用并非絕對平安，有些錯誤插入的核苷酸會逃脫檢測，并在新合成的鏈與模板鏈之間形成錯誤配對。在下一輪復制時錯誤插入的核苷酸將指導與其互補的核苷酸插入到新合成的鏈中，結果導致DNA序列中產生一個永久性改變。DNA的錯配修復系統(tǒng)〔mismatchrepair〕可以檢測到DNA復制時錯誤插入并漏過校正檢驗的任何堿基，并對之進行修復，將DNA合成的精確性又提高了2～3個數(shù)量級，對維護DNA復制的正確性十分重要。由于復制中出現(xiàn)的錯配堿基存在于子鏈中，因此該系統(tǒng)必須在復制叉通過之后有一種能夠識別親本鏈與子鏈的方法，以保證只從子鏈中糾正錯配的堿基。我們已經(jīng)知道大腸桿菌染色體DNA是被甲基化的。DNA腺嘌呤甲基化酶〔DNAadeninemethylase,Dam〕將GATC序列中的A修飾成6-甲基腺嘌呤。DNA胞嘧啶甲基化酶〔DNAcytosinemethylase,Dcm〕將CCAGG和CCTGG中的C修飾成5－甲基胞嘧啶。這三種序列都是回文序列，所以DNA分子兩條鏈的甲基化程度是相同的。這些甲基化的堿基并不干擾堿基間的正常配的，6-甲基腺嘌呤和5-甲基胞嘧啶仍與T和G形成正確的堿基配對。類似的情況是胸腺嘧啶〔即5-甲基尿嘧啶〕和尿嘧啶都與A配對。剛完成復制的DNA，舊鏈是甲基化的，但新鏈要在復制完成幾分鐘后才被甲基化。剛完成復制的DNA保持幾分鐘的半甲基化狀態(tài)為錯配修復系統(tǒng)提供了一個識別親本鏈和子鏈的根底。大腸桿菌主要的錯配修復系統(tǒng)，MutSHL通過判斷GATC序列是否發(fā)生甲基化來識別新生鏈和模板鏈。大腸桿菌中許多與DNA修復有關的基因用mut〔mutator〕表示，原因是這些基因發(fā)生突變會導致有機體的突變率增高。六、重組修復〔recombinationalrepair〕

在討論重組修復機制之前，有必要先分析一下胸腺嘧啶二聚體對DNA復制的影響。當聚合酶III遇到胸腺嘧啶二聚體時，會在二聚體位點停頓下來。這時，細胞會在二聚體的下游開始下一個岡崎片段的合成，新生鏈在二聚體對應的位置上出現(xiàn)一個缺口。通過重組過程可填補新生鏈上的缺口。缺口可用圖所示的DNA重組方式填補：①受損DNA復制時，一條子代DNA分子在損傷的對應部位出現(xiàn)缺口。②另一條子代DNA分子完整的母鏈與有缺口的子鏈DNA進行重組交換，母鏈DNA上相應的片段被用于填補子鏈上的缺口，而母鏈DNA出現(xiàn)又出現(xiàn)一個新的缺口。③母鏈上的缺口再以另一條子鏈DNA為模板，經(jīng)DNA聚合酶催化合成一新DNA片段進行填補，最后由DNA連接酶連接，完成修補。

一個雙鏈損傷變成兩個單鏈損傷重組修復并不能去除損傷，損傷仍然保存在原來的位置。但是重組修復能使細胞完成DNA復制，并且新合成的子鏈是完整的。經(jīng)屢次復制后，損傷就被“沖淡〞了，在子代細胞中只有一個細胞是帶有損傷DNA的。重組修復機制對于細胞處理不易被修復或者不能被修復的損傷有著特殊的意義。RecombinationalRepair5’5’3’3’3’5’Thymine

dimerThymine

dimerUndamagedparentalstrand‘recombines’intothegapoppositethedimer,leavingagapontheotherparentalstrand.5’5’3’3’3’5’Recombinationisdependent

RecAproteinRecombinationalRepairThegapintheundamagedparentalstrandisfilledbyDNApolIandligase.Thethyminedimercannowberepairedbyexcisionrepair5’5’3’3’3’5’Thymine

dimerThymine

dimer5’5’3’3’3’5’RecombinationalRepair(Post-ReplicationRepair)DNAreplicationStructuraldistortionExcisepatchfromintactstrandandinsertingapRepairgapExcisionrepair?(RecA)六、SOS反響〔SOSresponses〕1.SOS反響：當DNA受到嚴重損傷時，染色體的DNA復制被抑制，進而誘導細胞產生SOS反響：大約20個與DNA損傷修復和DNA復制功能恢復有關的基因的表達水平升高，細胞的DNA修復能力得到加強，甚至出現(xiàn)DNA的跨損傷〔translesionsynthesis〕合成。2.SOS反響的誘導當DNA受到嚴重損傷后，由于細胞內的切除修復和重組修復致使DNA單鏈局部在細胞中積累。RecA蛋白因與單鏈DNA結合而被活化，活化后的RecA蛋白再與LexA結合，引起LexA的自切，解除LexA對SOS基因的阻遏作用。3.SOS基因：在SOS反響中，SOS基因是按照一定的順序被誘導表達的。SOS基因的表達時間由LexA與基因的SOS框的親和力決定。按照在SOS反響中的表達時期，可以大致把SOS基因分為3組。首先被誘導的SOS基因是一些參與單鏈損傷修復的基因〔比方，uvrA，uvrB，uvrD〕或者與損傷耐受性有關的基因〔比方，polB〕。編碼LexA和DinI的基因也在這一時期被誘導表達。DinI的功能是延遲激活跨損傷的DNA合成。如果參與單鏈修復的基因不能幫助恢復正常的DNA合成速度，參與重組修復的基因便被誘導表達，它們包括recA和