1、分子生物學2013.9.分子生物學第5章 DNA的損傷、修復和突變 DNA存儲著生物體賴以生存和繁衍的遺傳信息，因此維護DNA分子的完整性對細胞至關重要。 外界環(huán)境和生物體內(nèi)部的因素都經(jīng)常會導致DNA分子的損傷或改變，而且與RNA及蛋白質(zhì)可以在胞內(nèi)大量合成不同，一般在一個原核細胞中只有一份DNA，在真核二倍體細胞中相同的DNA也只有一對，如果DNA的損傷或遺傳信息的改變不能更正，對體細胞就可能影響其功能或生存，對生殖細胞則可能影響到后代。第5章 DNA的損傷、修復和突變DNA損傷的后果信號傳導異常長期效應老化腫瘤疾病DNA 修復機制短期效應異常增生和代謝生理功能紊亂細胞死亡細胞增殖減少基因表達

2、異常基因組不穩(wěn)定DNA損傷的后果信號傳導異常長期效應老化腫瘤疾病DNA 修復 所以在進化過程中生物細胞所獲得的修復DNA損傷的能力就顯得十分重要，也是生物能保持遺傳穩(wěn)定性之奧秘所在。 在細胞中能進行修復的生物大分子也就只有DNA，反映了DNA對生命的重要性。 另一方面，在生物進化中突變又是與遺傳相對立統(tǒng)一而普遍存在的現(xiàn)象，DNA分子的變化并不是全部都能被修復成原樣的，正因為如此生物才會有變異、有進化。 所以在進化過程中生物細胞所獲得的修復D5.1 DNA損傷及其修復 DNA與其他生物大分子一樣會遇到各種因素造成的損傷。DNA損傷如果不修復，不僅會影響到DNA的復制和轉(zhuǎn)錄，還可能導致細胞的癌變或

3、早衰甚至死亡。 為避免DNA損傷的不良后果，細胞往往會盡量修復DNA損傷，而不是簡單地將其水解，因為一個細胞內(nèi)的同一種DNA分子不像蛋白質(zhì)和RNA那樣有多個拷貝，如果將其水解，細胞也就失去了存在的基礎；此外，DNA的互補雙螺旋結(jié)構(gòu)使受損傷的DNA分子很容易修復。5.1 DNA損傷及其修復5.1.1 導致DNA損傷的因素及損傷類型 導致DNA損傷的因素包括細胞內(nèi)的和環(huán)境中的因素。 細胞內(nèi)的因素： DNA結(jié)構(gòu)本身的不穩(wěn)定； DNA復制過程中自然發(fā)生的錯誤，主要是堿基錯配； 細胞內(nèi)活性氧(ROS)帶來的破壞作用。 環(huán)境因素： 化學因素化學誘變劑； 物理因素紫外輻射、離子輻射。 DNA損傷可分為堿基損

4、傷和DNA鏈的損傷。5.1.1 導致DNA損傷的因素及損傷類型圖5-1 DNA分子上可能遭遇到的各種損傷圖5-1 DNA分子上可能遭遇到的各種損傷堿基損傷有5個亞類堿基丟失 由水分子進攻DNA分子上連接堿基和核糖間的糖苷鍵引起，以脫嘌呤最為普遍。黃曲霉毒素B1能加劇此反應，導致癌癥。(2) 堿基轉(zhuǎn)換 含有氨基的堿基自發(fā)地或在某些化學試劑的作用下發(fā)生了脫氨基反應。(3) 堿基修飾 某些試劑直接作用堿基，如烷基化試劑修飾鳥嘌呤產(chǎn)生6-烷基鳥嘌呤，活性氧ROS修飾鳥嘌呤和胸腺嘧啶分別產(chǎn)生8-氧鳥嘌呤和胸腺嘧啶乙二醇。堿基損傷有5個亞類圖5-2 活性氧造成的堿基損傷 圖5-2 活性氧造成的堿基損傷 (

5、4) 堿基交聯(lián) 紫外線照射可導致DNA鏈上相鄰的嘧啶堿基，主要是T之間形成環(huán)丁烷嘧啶二聚體或6-4光產(chǎn)物。(4) 堿基交聯(lián)(5) 堿基錯配 引起錯配的原因有DNA復制過程中4種脫氧核苷三磷酸濃度的失調(diào)、堿基的互變異構(gòu)或堿基之間的差別不足以讓聚合酶正確區(qū)分。盡管聚合酶可糾正大部分錯配的堿基，但仍有“漏網(wǎng)之魚”。 (5) 堿基錯配DNA鏈的損傷又分為3個亞類：(1) 鏈的斷裂 單鏈斷裂和雙鏈斷裂，由離子輻射(X射線、 射線)和某些化學試劑的作用，如博來霉素。鏈斷裂是極嚴重的損傷，當DNA出現(xiàn)太多的裂口(特別是雙鏈裂口)時，往往難以修復，導致細胞死亡。癌癥放療的原理就在于此。(2) DNA鏈的交聯(lián)

6、一些雙功能試劑導致DNA發(fā)生鏈間交聯(lián)，如順鉑和絲裂霉素。(3) DNA與蛋白質(zhì)之間的交聯(lián) 紫外線可誘導DNA與結(jié)合在其上的蛋白質(zhì)之間形成共價交聯(lián)。 DNA鏈的損傷又分為3個亞類：圖5-4 離子輻射引起的DNA鏈斷裂 圖5-4 離子輻射引起的DNA鏈斷裂 5.1.2 DNA的修復機制 盡管DNA損傷的形式很多，但細胞內(nèi)存在十分完善的修復系統(tǒng)。基本上每一種損傷在細胞內(nèi)都有相應的修復系統(tǒng)(有時不止一種)。 細胞內(nèi)的絕大多數(shù)修復系統(tǒng)將損傷的核苷酸與周圍的正常核苷酸一起切除，以另一條互補鏈上正常的核苷酸序列為模板，重新合成核苷酸，取代原來異常的核苷酸。5.1.2 DNA的修復機制5.1.2.1 直接修復

7、 也稱損傷逆轉(zhuǎn)，不切除受損傷的堿基，而是直接將其逆轉(zhuǎn)為正常的堿基。5.1.2.1.1 嘧啶二聚體的直接修復 嘧啶二聚體是一種極常見的損傷，導致DNA雙螺旋發(fā)生扭曲，影響到DNA復制和轉(zhuǎn)錄。既可被直接修復，也可被切除修復。 參與直接修復的是DNA光復活酶(photoreactivating enzyme)或光裂解酶(photolyase)。5.1.2.1 直接修復在可見光的存在下，DNA光解酶(photolyase，光復活酶)可將 環(huán)丁烷二聚體再分解為單體。 這些酶含有可吸收藍光并將能量轉(zhuǎn)移到待切環(huán)丁烷環(huán)中的輔基 。E. coli 的光解酶含有2個色素分子，N5，N10-次甲基四氫葉酸和還原性的

8、黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。 光復活對嘧啶二聚體是專一性的。是損傷被“直接修復”的一種例子，是無差錯的。在可見光的存在下，DNA光解酶(photolyase，光復活 光復活是針對紫外線引起DNA損傷而形成的胸腺嘧啶二聚體，在損傷部位進行修復的修復途徑。光復活作用在可見光的活化下，由光復活酶(PR酶, 又稱光解酶)，催化胸腺嘧啶二聚體分解成為單體。 PR酶先與DNA鏈上的胸腺嘧啶二聚體結(jié)合成復合物；復合物以某種方式吸收可見光，并利用光能切斷二聚體之間的兩個C-C鍵，使胸腺嘧啶二聚體變?yōu)閮蓚€單體，恢復正常，而后PR酶就從DNA上解離下來。 光復活是針對紫外線引起DNA損傷而形成的胸腺圖5-5 嘧

9、啶二聚體的直接修復圖5-5 嘧啶二聚體的直接修復5.1.2.1.2 烷基化堿基的直接修復 烷基轉(zhuǎn)移酶參與烷基化堿基的修復。 大腸桿菌中，6-甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶(Ada酶)直接修復6-甲基鳥嘌呤、4-烷基胸腺嘧啶和甲基化的磷酸二酯鍵。Ada酶以活性中心的1個Cys殘基作為甲基受體，一旦得到甲基就失活，因此是一種自殺酶。 MGMT-II是另一種烷基轉(zhuǎn)移酶。5.1.2.1.3 DNA鏈斷裂的直接修復 這種修復由DNA連接酶催化，但裂口必須正好是DNA連接酶的底物，即相鄰的5-P和3-OH。5.1.2.1.2 烷基化堿基的直接修復烷基轉(zhuǎn)移酶無差錯直接修復損傷：烷化劑使鳥嘌呤或 O6位甲基化，改變它的

10、配對性質(zhì)。修復：烷基轉(zhuǎn)移酶特異性地轉(zhuǎn)移O6 甲基鳥嘌呤或 O6 乙基鳥嘌呤上的甲基或乙基基團到酶分子的半胱氨酸上，從而修復DNA損傷。烷基轉(zhuǎn)移酶無差錯直接修復損傷：烷化劑使鳥嘌呤或 O6位甲基化圖5-6 烷基化堿基的直接修復 圖5-6 烷基化堿基的直接修復 5.1.2.2 切除修復 先切除受損的堿基或核苷酸，重新合成正常的核苷酸，再經(jīng)連接酶重新連接，前后經(jīng)歷識別、切除、重新合成和重新連接四步。 由于這些酶的作用不需可見光激活，也叫暗修復。切除修復不僅能消除由紫外線引起的損傷，也能消除由電離輻射和化學誘變劑引起的其他損傷。切除修復一般發(fā)生在下一輪DNA復制之前，又稱復制前修復。 切除修復分為堿基

11、切除修復(BER)和核苷酸切除修復(NER)。BER直接識別具體的受損堿基，識別的標記是受損堿基的化學變化，而NER識別損傷對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)造成的扭曲。BER中還有一類專門修復DNA復制中產(chǎn)生錯配堿基對的機制，稱為錯配修復(MMR)。5.1.2.2 切除修復切除修復屬于Error-free repair無差錯修復Base excision repair (BER，堿基切除修復) Uracil-DNA N glycosylase system(糖苷酶系統(tǒng)) Nucleotide Excision Repair (NER，核苷酸切除修復) E. coli UvrABC endonuclease

12、系統(tǒng) 切除修復是修復DNA損傷最為普遍的方式。對多種DNA損傷包括堿基脫落形成的無堿基位點、嘧啶二聚體、堿基烷基化、單鏈斷裂等都能起修復作用。 這種修復方式普遍存在于各種生物細胞中，也是人體細胞主要的DNA修復機制。 修復過程需要多種酶的一系列作用。切除修復屬于Error-free repair無差錯修復DNA的損傷和切除修復堿基丟失堿基缺陷或錯配結(jié)構(gòu)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修復連接糖苷酶切除DNA的損傷和切除修復堿基丟失堿基缺陷或錯配結(jié)構(gòu)缺陷切開核酸圖5-8 尿嘧啶的切除修復 5.1.2.2.1 BER DNA糖苷酶切除受損的堿基，

13、產(chǎn)生無嘌呤或無嘧啶位點(AP site)。AP內(nèi)切酶在此AP site上游切開DNA鏈，隨后在DNA聚合酶催化下，切口的3-OH端進行DNA的修復合成，模板是另一條鏈上的無損傷的互補序列。圖5-8 尿嘧啶的切除修復 5.1.2.2.1 BER圖5-10 真核細胞的堿基切除修復 圖5-10 真核細胞的堿基切除修復 5.1.2.2.2 NER NER主要用來修復導致DNA結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲并影響到DNA復制的損傷，如可造成DNA發(fā)生大約30度彎曲的嘧啶二聚體，此外，大約20%由ROS造成的堿基氧化性損傷也由它修復。 NER識別損傷并不針對損傷本身，而是針對損傷對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)造成的扭曲，故許多不同的損

14、傷能被相同的機制和幾乎同一套修復蛋白修復。5.1.2.2.2 NER28 DNA聚合酶DNA連接酶DNA解旋酶human excinucleaseE.coli excinucleaseDNA損傷Nucleotide excision repair人類核酸切除酶28 DNA聚合酶DNA連接酶DNA解旋酶human exc探測損傷。由特殊的蛋白質(zhì)完成并由此引發(fā)一系列的蛋白質(zhì)與受損DNA的有序結(jié)合。 切開損傷鏈。特殊的內(nèi)切酶在損傷部位的兩側(cè)DNA鏈，損傷以寡聚核苷酸的形式被切除。去除損傷。2個切口之間的帶有損傷的DNA片段被去除。填補缺口。由DNA聚合酶完成?？p合切口。由DNA連接酶完成。探測損傷。

15、由特殊的蛋白質(zhì)完成并由此引發(fā)一系列的蛋白質(zhì)與受損 核苷酸切除修復(NER)主要用來修復導致DNA結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲并影響到DNA復制的損傷。 NER可分為全局性基因組NER(GGR)和轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)性NER(TCR)。 GGR負責修復整個基因組的損傷，速度慢，效率低；TCR專門修復那些正在轉(zhuǎn)錄的基因在模板鏈上的損傷，速度快，效率高。 核苷酸切除修復(NER)主要用來修圖5-12 E. coli核苷酸切除修復的詳細過程 UvrA:損傷識別，充當分子接頭UvrB: 損傷識別，具有ATP酶和核酸內(nèi)切酶活性UvrC: 具有內(nèi)切核酸酶活性UvrD: II型解鏈酶DNA聚合酶I/II：填補空缺DNA連接酶：縫合切口圖

16、5-12 E. coli核苷酸切除修復的詳細過程 Uv圖5-14 哺乳動物細胞的GGR和TCR 圖5-14 哺乳動物細胞的GGR和TCR MMR(mismatch repair) 錯配修復是在含有錯配堿基的DNA分子中，使正常核苷酸序列恢復的修復方式；主要用來糾正DNA雙螺旋上錯配的堿基對，還能修復一些因復制打滑而產(chǎn)生的小于4nt的核苷酸插入或缺失。 現(xiàn)已在大腸桿菌、酵母和哺乳動物中發(fā)現(xiàn)了這一系統(tǒng)。 MMR的過程需要區(qū)分母鏈和子鏈，做到只切除子鏈上錯誤的核苷酸，而不會切除母鏈上本來就正常的核苷酸。修復的過程是：識別出正確的鏈，切除掉不正確的部分，然后通過DNA聚合酶III和DNA連接酶的作用，

17、合成正確配對的雙鏈DNA。 MMR(mismatch repair) 修復時首先要區(qū)別模板鏈和新合成的DNA鏈，這是通過堿基的甲基化來實現(xiàn)的。半甲基化DNA成為識別模板鏈和新合成鏈的基礎。 錯配修復發(fā)生在GATC的鄰近處，故這種修復也稱為甲基指導的錯配修復。 錯配修復是一個低效率、高耗能的過程。所有錯配都可由這一系統(tǒng)修復，但其中以GT錯配修復更為有效，CC錯配的修復為弱。 修復時首先要區(qū)別模板鏈和新合成的DNA35 如何識別新鏈和舊鏈？Methyl group Not methylated yet Parent New G T GATC CTAG Hemi-methylation 35 如何識

18、別新鏈和舊鏈？Methyl group Not 圖5-15 E. coli錯配修復的詳細過程MutS: 識別錯配堿基，具有弱ATP酶活性MutL: 調(diào)節(jié)MutS和MutH之間的相互作用，與UvrD作用MutH: 結(jié)合半甲基化的GATC位點，序列和甲基化特異性內(nèi)切酶，剪切非甲基化GATC的5-端UvrD: 解鏈酶，催化被切開的含有錯配堿基的子鏈與母鏈的分離圖5-15 E. coli錯配修復的詳細過程MutS: 識5.1.2.3 DSBR(Double-stranded break repair) DNA斷裂特別是雙鏈斷裂是一種極嚴重的損傷。這種損傷難以徹底修復，因為雙鏈斷裂修復難以找到互補鏈來提

19、供修復斷裂的遺傳信息。 細胞主要用兩種機制來修復DNA雙鏈斷裂：第一種是同源重組，通過同源重組從同源染色體那里獲得合適的修復斷裂的信息，精確度較高；第二種稱為非同源末端連接(NHEJ)，在無序列同源的情況下，讓斷裂的末端重新連接起來，精確性低，是人類修復雙鏈斷裂的主要方式。5.1.2.3 DSBR(Double-stranded圖5-16 哺乳動物細胞DNA雙鏈斷裂的非同源末端連接圖5-16 哺乳動物細胞DNA雙鏈斷裂的非同源末端連接5.1.2.4 損傷跨越 當損傷無法修復(如復制叉已經(jīng)解開了母鏈，致使切除修復系統(tǒng)無法利用互補鏈作為修復合成的模板)，或者修復系統(tǒng)還沒有機會去修復，細胞利用兩套相

20、對獨立的損傷跨越修復系統(tǒng)重組跨越、跨越合成，先不管損傷，設法完成復制。 5.1.2.4 損傷跨越5.1.2.4.1 重組跨越 重組跨越又稱為重組修復，利用同源重組的方法將DNA模板進行交換以克服損傷對復制的障礙，而隨后的復制仍然使用細胞內(nèi)高保真的聚合酶。是一種無錯修復，因為忠實性未受到影響。 以大腸桿菌為例，一旦復制叉到達損傷位點，DNA聚合酶III即停止移動，隨后與模板鏈解離，在損傷點下游約1kb的地方重啟DNA復制，在子鏈上留下一段空缺。 在RecA蛋白的催化下，原DNA的一條母鏈(與新合成的子鏈序列一致)的同源片段被重組到子代DNA上，填補子鏈的空缺，但在母鏈上產(chǎn)生新的空缺。5.1.2.

21、4.1 重組跨越圖5-17 E. coli的重組跨越 圖5-17 E. coli的重組跨越 受損傷的DNA鏈復制時，產(chǎn)生的子代DNA在損傷的對應部位出現(xiàn)缺口。 完整的另一條母鏈DNA與有缺口的子鏈DNA進行重組交換，將母鏈DNA上相應的片段填補子鏈缺口處，而母鏈DNA出現(xiàn)缺口。 以另一條子鏈DNA為模板，經(jīng)DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填補母鏈DNA的缺口，最后由DNA連接酶連接，完成修補。 受損傷的DNA鏈復制時，產(chǎn)生的子代DNA在損 重組修復在DNA損傷未被切除或修復的情況下使細胞恢復DNA復制，等到復制完成后再通過其他機理修復殘留的損傷，這種修復方式稱為復制后修復。 重組修復不能完全

22、去除損傷，損傷的DNA段落仍然保留在親代DNA鏈上，只是重組修復后合成的DNA分子是不帶有損傷的，但經(jīng)多次復制后，損傷就被“稀釋”了，在子代細胞中只有一個細胞是帶有損傷DNA的。 重組修復在DNA損傷未被切除或修復的情 重組修復與切除修復的最大區(qū)別在于前者不須立即從親代的DNA分子中去除受損傷的部分,卻能保證DNA復制繼續(xù)進行。原母鏈中遺留的損傷部分,可以在下一個細胞周期中再以切除修復方式去完成修復。 重組修復與切除修復的最大區(qū)別在于前者不5.1.2.4.2 跨越合成 跨越合成又稱為跨損傷合成TLS，由特殊的DNA聚合酶取代停留在損傷位點上的催化復制的DNA聚合酶，在子鏈上(模板鏈上損傷堿基的

23、對面)隨機插入核苷酸(正確或錯誤的)，以實現(xiàn)對損傷位點無錯或易錯的修復。5.1.2.4.2 跨越合成(1) 大腸桿菌的跨越合成 大腸桿菌的TLS是其SOS反應的一部分，屬于一種可誘導的過程。SOS反應指細胞在受到潛在致死性壓力后，做出的有利于細胞生存、但以突變?yōu)榇鷥r的代謝預警反應，包括易錯的TLS、細胞絲狀化(細胞伸長，但不分裂)和切除修復系統(tǒng)的激活，其中涉及到近20個sos基因的表達，整個反應受到阻遏蛋白LexA和激活蛋白RecA的調(diào)節(jié)。 “SOS”是國際上通用的緊急呼救信號。 SOS系統(tǒng)只在細胞受到嚴重損傷或復制系統(tǒng)受到抑制時才出現(xiàn)，代價是保真度降低 “好死不如賴活著”。(1) 大腸桿菌的

24、跨越合成 大腸桿菌在正常的生長條件下，LexA蛋白與20個sos基因的上游的一段被稱為SOS盒子的操縱基因結(jié)合，阻止這些基因的表達；當細胞面臨致死性壓力，其DNA遭遇到嚴重損傷而出現(xiàn)單鏈缺口的情況下，RecA蛋白被單鏈DNA激活后作用于LexA蛋白，使LexA蛋白發(fā)生自我切割，失去與sos基因的操縱基因結(jié)合的活性，解除其對sos基因表達的抑制。 大腸桿菌在正常的生長條件下，LexA蛋 SOS 修復無模板指導的DNA復制 大劑量的紫外線照射，大量的二聚體產(chǎn)生 SOS系統(tǒng)誘導，錯誤潛伏的復制超越二聚體而進行錯誤堿基 SOS 修復無模板指導的DNA復制 大劑量的紫外線照射RecA-P; 三種功能a、

25、 DNA 重組活性b、 與S.S. DNA結(jié)合活性c、 少數(shù)蛋白的proteinase活性當DNA正常復制時(無復制受阻，無DNA損傷， 無TT dimer) RecA-p不表現(xiàn)proteinase活性SOS修復酶只有在細胞受到損傷時才存在(正常細胞中不存在)機制a、SOS系統(tǒng)以某種方式對pol進行修飾(改變校對亞基功能) b、由pol負責超越創(chuàng)傷復制結(jié)果大量的沒有被錯配修復系統(tǒng)和切除修復系統(tǒng)糾正的錯誤堿基導致突變錯誤傾向性存活下來總比死亡好RecA-P; 三種功能a、 DNA 重組活性b、 與S當DNA復制度過難關后SOS repair 是一種錯誤傾向性極強的修復機制是進化中形成的“ 竭盡全

26、力，治病救人” 的措施(正常狀態(tài)下，SOS是關閉的)RecA-p很快消失LexA gene onSOS off當DNA復制度過難關后SOS repair 是一種錯誤傾向性 SOS修復是一種旁路系統(tǒng)，它允許新生的DNA鏈越過胸腺嘧啶二聚體而生長，其代價是保真度的極大降低，這是一種易錯修復系統(tǒng)。 SOS修復是SOS反應的一種功能。 SOS反應是DNA受到損傷或脫氧核糖核酸的復制受阻時的一種誘導反應。 SOS反應機制：在潛在的致死壓力下，細胞的新陳代謝系統(tǒng)幫助細胞存活。 SOS修復是一種旁路系統(tǒng)，它允許新生的SOS反應的機制未誘導的細胞靶基因lexA基因被LexA 蛋白質(zhì)部分阻遏recA基因被Lex

27、A 蛋白質(zhì)部分阻遏（40個不同的位點被阻遏）LexA(阻遏物) RecA(輔蛋白酶)靶基因表達lexA靶基因表達 但產(chǎn)物被分解recA大量表達RecA促使分解LexA誘導的細胞單鏈DNAATPSOS反應的機制未誘導的細胞靶基因lexA基因被LexAre圖5-18 E. coli的SOS反應 圖5-18 E. coli的SOS反應 圖5-19 E. coli DNA損傷的跨越合成 圖5-19 E. coli DNA損傷的跨越合成 圖5-20 DNA polV參與的跨損傷合成的詳細步驟 圖5-20 DNA polV參與的跨損傷合成的詳細步驟 圖5-21 酵母細胞DNA的兩種跨損傷合成機制 真核生物

28、TLS的方式有兩種：一種無錯，另一種易錯。細胞選擇哪一種方式，取決于損傷的類型以及細胞內(nèi)各種參與TLS的聚合酶之間的相對活性。圖5-21 酵母細胞DNA的兩種跨損傷合成機制 5.1.2.5 DNA修復缺陷與癌癥的關系 DNA修復系統(tǒng)在維持DNA的完整性和穩(wěn)定性上具有非常重要的作用，當復制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，機體會產(chǎn)生各種遺傳性疾病或癌癥。 人類遺傳性疾病已發(fā)現(xiàn)4000多種，其中不少與DNA修復缺陷有關，這些DNA修復缺陷的細胞表現(xiàn)出對輻射和致癌劑的敏感性增加。 例: 紫外線所致的基因突變， 290-320nm 由于修復系統(tǒng)的缺陷或偶發(fā)的錯誤修復，會導致某些基因突變，使得角質(zhì)形成細胞的細胞周期的調(diào)控出

29、現(xiàn)異常，進一步發(fā)生克隆性增生和永生化生長而導致皮膚癌的發(fā)生。5.1.2.5 DNA修復缺陷與癌癥的關系管理基因( caretaker genes) : 執(zhí)行DNA的損傷修復，維持基因組的完整性。如著色性干皮病的修復基因XPAXPF?？撮T基因( gatekeeper genes) : 控制細胞信號傳導，調(diào)控細胞的增殖、分化和凋亡。如p53、patched基因和ras等。皮膚癌的發(fā)生與看門基因突變關系密切。管理基因( caretaker genes) : 執(zhí)行DNA著色性干皮病xerodermapigmentosis著色性干皮病xerodermapigmentosis 著色性干皮病(XP)是一種常

30、染色體隱性遺傳病。患者皮膚對日光過度敏感，暴露部位的皮膚易發(fā)生色素沉著、萎縮、角化過度和癌變等。其病因是患者DNA切除修復酶系統(tǒng)的功能缺陷或降低。 XP患者缺乏對包括由紫外線引起的大塊DNA損傷的核苷酸切除功能，至少有7種不同基因的缺陷可導致XP。 50以上的XP患者與De Sacchione綜合癥相關，此綜合癥包括：性發(fā)育不良，生長遲緩，伴智力障礙的神經(jīng)異常，小頭和感覺神經(jīng)性耳聾，神經(jīng)異常與尸體解剖中發(fā)現(xiàn)的中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)過早神經(jīng)原死亡有關。 著色性干皮病(XP)是一種常染色體隱性遺傳病。 主要特征是皮膚光敏和早發(fā)性肉瘤，初期表現(xiàn)為皮膚病癥狀，如光敏、雀斑、角化、毛細血管擴張、皮膚癌(黑素

31、瘤、鱗狀基底細胞瘤)。神經(jīng)系統(tǒng)癥狀包括精神發(fā)育遲滯、癡呆、周圍神經(jīng)病、共濟失調(diào)、舞蹈手足動癥、癲癇發(fā)作、痙攣性四肢癱、耳聾、頭及身材矮小和性腺發(fā)育不足等。皮膚損傷于嬰兒期出現(xiàn)，神經(jīng)系統(tǒng)癥狀在30歲以前逐步發(fā)展，患者在1120歲時可因轉(zhuǎn)移性腫瘤而死亡。病檢可見大腦、小腦、腦干神經(jīng)元變性缺失。病檢基因 XP分7個互補組(A-G)，6個已被克隆，即XPA、ERCC-3、XPC、ERCC-2、ERCC-4、ERCC-5。 主要特征是皮膚光敏和早發(fā)性肉瘤，初期表p53 當UVB損傷DNA造成p53突變后，突變型p53因失去了對細胞周期的正常調(diào)控，使得損傷的DNA繼續(xù)復制，從而提高了染色體畸變的偶發(fā)率和遺

32、傳的不穩(wěn)定性，角質(zhì)形成細胞極易發(fā)生克隆增生和惡性轉(zhuǎn)化。p535.2 DNA的突變 當DNA遭到損傷后，如果修復系統(tǒng)在下一次復制前未能將其修復，這些損傷將傳給子代。發(fā)生在DNA分子上可遺傳的永久性結(jié)構(gòu)變化通稱為突變(mutation)。發(fā)生突變的基因、基因組、細胞或個體稱為突變體(mutant)。 對于多細胞動物來說，只有影響到生殖細胞的突變才具有進化層次上的意義。對細菌、原生動物、植物和真菌而言，發(fā)生在體細胞的突變一樣可以傳給后代。5.2 DNA的突變 正常人約有1014個細胞，在人的整個一生中約進行1016次細胞分裂，人體的自發(fā)突變頻率約為1.410-10，實際上加上輻射和自然界普遍存在的致

33、突變劑的影響，突變頻率要遠高于這個數(shù)值。如果單個突變可以致癌，僅據(jù)自發(fā)突變率計算，人一生中大約有28細胞將癌變，那么癌癥將是日常事件。 正常人約有1014個細胞，在人的整個一5.2.1 突變的類型與后果 DNA突變可分為點突變(point mutation)和移碼突變(frameshift mutation)。 突變并不總是導致表現(xiàn)型的變化，因為一些突變位點沒有影響到基因的功能或表達，或者高一級的基因組功能(如DNA復制)。這樣的突變從進化的角度看屬于中性的(neutral)，因為它并沒有影響到個體的生存和適應能力。5.2.1 突變的類型與后果5.2.1.1 點突變 點突變也稱為簡單突變或單一

34、位點突變，最主要的形式為堿基對置換，包括轉(zhuǎn)換(transitions)和顛換(transversions)兩種形式。 轉(zhuǎn)換指一種嘧啶變成另一種嘧啶，或一種嘌呤變成另一種嘌呤，顛換指嘧啶和嘌呤之間的互變。5.2.1.1 點突變 如果點突變發(fā)生在基因組的垃圾DNA上，就可能不產(chǎn)生任何后果，因為其上的堿基序列缺乏編碼和調(diào)節(jié)基因表達的功能； 如果發(fā)生在一個基因的啟動子或其他調(diào)節(jié)基因表達的區(qū)域，則可能會影響到基因表達的效率； 如果發(fā)生在一個基因的內(nèi)部，則突變后果取決于該突變基因是RNA基因還是蛋白質(zhì)基因，如果是蛋白質(zhì)基因，又取決于是編碼區(qū)還是非編碼區(qū)。 如果點突變發(fā)生在基因組的垃圾DNA上，圖5-22

35、堿基突變的幾種方式 圖5-22 堿基突變的幾種方式 (1) 同義突變或沉默突變 突變的密碼子所編碼的氨基酸并沒改變，這種突變稱同義突變。DNA損傷修復變課件(2)、錯義突變 基因編碼序列中堿基的置換發(fā)生在密碼子的第1或第2位堿基，導致密碼子改變，并編碼另一種氨基酸，這種突變稱錯義突變。 如果錯誤的氨基酸與原來的氨基酸屬于同種性質(zhì)，則稱為中性突變。 如果突變的后果只在某種條件下顯現(xiàn)，則將此類突變體稱為條件突變體。(2)、錯義突變(3)、無義突變： 指基因編碼序列中堿基置換使氨基酸密碼子轉(zhuǎn)變?yōu)榻K止密碼子的突變稱為無義突變。 TAG琥珀型突變 TAA赫石型突變 TGA乳白型突變(3)、無義突變： 如

36、果終止密碼子突變成編碼氨基酸的密碼子，則會使突變的mRNA在翻譯時發(fā)生通讀，使肽鏈加長，因此稱為加長突變(elongation mutations)或通讀突變(read-through mutations)。 如TAG突變成CAG，原來應該翻譯終止的地方卻變成了Gln。加長突變可能會改變多肽的性質(zhì)，如影響其穩(wěn)定性。但多肽鏈一般不會加得很長，因為通常在原來的終止密碼子下游還存在其他天然的終止密碼子。 如果終止密碼子突變成編碼氨基酸的密碼子5.2.1.2 移碼突變 移碼突變或移框突變，指在一個蛋白質(zhì)基因的編碼區(qū)發(fā)生的一個或多個核苷酸(非3的整數(shù)倍)的缺失或插入。翻譯的閱讀框改變，致使插入點或缺失點

37、下游的氨基酸序列發(fā)生根本性的變化，但也可能會提前引入終止密碼子而使多肽鏈被截短。突變位置離起始密碼子越近，功能喪失的可能性就越大。5.2.1.2 移碼突變圖5-23 移碼突變 圖5-23 移碼突變 5.2.1.3 隱性突變和顯性突變 如果一條染色體中的DNA發(fā)生突變，表型不發(fā)生改變，只有在兩條染色體的DNA均發(fā)生突變時才會出現(xiàn)表型的變化，這樣的突變就是隱性突變。 如果一條染色體的DNA突變即可導致表型改變，這樣的突變就是顯性突變。5.2.1.3 隱性突變和顯性突變圖5-24 隱性突變和顯性突變 圖5-24 隱性突變和顯性突變 5.2.2 突變的原因 幾乎任何導致DNA損傷的因素都可能成為DNA

38、突變的誘因，前提是它們造成的損傷在DNA復制前還沒有被體內(nèi)的修復系統(tǒng)修復。因此，導致DNA損傷的因素都可同樣導致DNA突變。 由內(nèi)部因素引起的突變稱為自發(fā)突變，由外部因素引起的突變稱為誘發(fā)突變。 導致DNA突變的因素稱為突變原。5.2.2 突變的原因5.2.2.1 自發(fā)突變5.2.2.1.1 自發(fā)點突變 導致自發(fā)點突變的原因有 (1) DNA復制過程中的錯配 (2) 自發(fā)脫氨基 DNA分子中的胞嘧啶容易發(fā)生自發(fā)脫氨基反應，胞嘧啶脫氨基后變成尿嘧啶，細胞內(nèi)的BER系統(tǒng)很容易修復。真核細胞DNA中含有很多修飾的5-甲基胞嘧啶，可自發(fā)脫氨基則變成胸腺嘧啶，細胞無法糾正，在下一輪復制時，將導致C:G變

39、成T:A。 5.2.2.1 自發(fā)突變 (3) ROS的氧化 細胞正常代謝產(chǎn)生的ROS對堿基造成的損傷能改變堿基的配對性質(zhì)。如活性氧作用于鳥嘌呤的產(chǎn)物8-氧鳥嘌呤與A配對，導致G:C堿基對到T:A堿基對的顛換。 ROS由正常的細胞代謝產(chǎn)生，線粒體利用細胞85%的O2，是主要的ROS來源，導致DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)損傷。常見的形式：過氧化氫 (H2O2)、超氧化物自由基 (O2-)、一氧化氮 (NO)、羥基自由基 (HO)、過氧亞硝基陰離子 (O=NOO-)、烷過氧化物 (ROOH)、烷氧自由基 (RO)。 (4) 堿基的烷基化 細胞內(nèi)一些天然的烷基化試劑(如S-腺苷甲硫氨酸)引起的DNA上某些堿基

40、的甲基化，改變了堿基的配對性質(zhì)。 (3) ROS的氧化圖5-25 自發(fā)脫氨基和活性氧作用引起的堿基轉(zhuǎn)換 圖5-25 自發(fā)脫氨基和活性氧作用引起的堿基轉(zhuǎn)換 5.2.2.1.2 自發(fā)的移碼突變 (1) 復制打滑 當DNA聚合酶拷貝到一些具有短重復序列區(qū)域(如微衛(wèi)星序列)時，子鏈和母鏈之間容易發(fā)生錯配而形成突環(huán)結(jié)構(gòu)。如果突環(huán)出現(xiàn)在子鏈上，復制就會向后打滑，導致插入突變；如果突環(huán)出現(xiàn)在母鏈上，復制就會向前打滑，導致缺失突變。5.2.2.1.2 自發(fā)的移碼突變圖5-26 復制打滑引起的插入或缺失突變圖5-26 復制打滑引起的插入或缺失突變 如果這種突變發(fā)生在一個基因的編碼區(qū)，將可能產(chǎn)生異常的蛋白質(zhì)，導致

41、機體病變。 如亨廷頓氏病(Huntingtons disease)是CAG重復序列在HD基因的編碼區(qū)因復制打滑增多造成的。 正常人的HD基因在編碼區(qū)內(nèi)有1035個CAG重復序列，但亨廷頓氏病患者的HD基因內(nèi)的CAG重復序列高達3675個，甚至更多。 該突變蛋白質(zhì)的形狀發(fā)生改變，并在神經(jīng)元內(nèi)形成大的叢群。這將殺滅大腦紋狀體部位的這些細胞，從而導致特有的協(xié)調(diào)力喪失和癡呆癥。初期為輕度的認知障礙，隨后出現(xiàn)進行性加重的舞蹈樣動作，也可出現(xiàn)一些精神癥狀。 如果這種突變發(fā)生在一個基因的編碼區(qū)，將 (2) 轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座作用 轉(zhuǎn)座子是細胞內(nèi)可移動的DNA片段，很容易導致突變的發(fā)生。當一個基因內(nèi)部被轉(zhuǎn)座子插入后

42、，不僅會引起移碼突變，還可能導致基因的中斷和失活等其他變化。 (2) 轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座作用 5.2.2.2 誘發(fā)突變5.2.2.2.1 誘發(fā)點突變 能夠誘發(fā)點突變的突變原有以下幾類： (1) 堿基類似物 堿基類似物與天然的堿基在結(jié)構(gòu)上十分相似，如5-溴尿嘧啶與T相似，2-氨基嘌呤與A相似。它們在DNA復制過程以假亂真進入DNA鏈，導致堿基對變化。 5-BU是胸腺嘧啶(T)的結(jié)構(gòu)類似物，酮式結(jié)構(gòu)易與A配對；烯醇式結(jié)構(gòu)易與G配對。 2-氨基嘌呤可代替A進入DNA鏈中，它既可與T配對又可與C配對。5.2.2.2 誘發(fā)突變圖5-27 5-溴尿嘧啶誘發(fā)的點突變 圖5-27 5-溴尿嘧啶誘發(fā)的點突變 (2)

43、烷基化試劑 烷基化試劑(如氮芥和硫芥等)能夠通過修飾堿基而改變被修飾堿基的配對性質(zhì)，從而將堿基對的轉(zhuǎn)換引入DNA分子中。6-甲基鳥嘌呤可與T配對，導致G:C變成A:T。 (3) 脫氨基試劑 亞硝酸可促進C、A、G脫氨基，轉(zhuǎn)變成尿嘧啶、次黃嘌呤、黃嘌呤。黃嘌呤的配對性質(zhì)與G相同，尿嘧啶、次黃嘌呤的配對性質(zhì)發(fā)生變化，導致堿基對的轉(zhuǎn)換。 (4) 羥胺 羥胺在細胞內(nèi)能直接修飾堿基，改變其配對性質(zhì)，導致堿基對的轉(zhuǎn)換。例如，C經(jīng)羥胺的修飾變成能與A配對的羥胞嘧啶，最終導致C:G變成T:A。 (2) 烷基化試劑圖5-28 誘變劑誘發(fā)的點突變圖5-28 誘變劑誘發(fā)的點突變5.2.2.2.2 誘發(fā)移碼突變 DN

44、A嵌入試劑，如吖啶黃、原黃素、溴化乙錠等，都是扁平的多環(huán)分子，能與DNA分子中的堿基雜環(huán)相互作用，插入到堿基之間，拉長雙螺旋，并騙過DNA聚合酶，致使DNA在復制時發(fā)生移碼突變。 如果嵌入試劑插入到復制的模板鏈上，則會在子鏈上、嵌入試劑分子的對面隨機插入一個核苷酸，誘發(fā)插入突變；相反，如果嵌入試劑分子插入到一個正在延伸的子鏈上，那么在進行下一輪復制的時候，一旦嵌入分子脫落，將會導致缺失突變。5.2.2.2.2 誘發(fā)移碼突變圖5-29 嵌入試劑誘發(fā)的移框突變 圖5-29 嵌入試劑誘發(fā)的移框突變 圖5-30 各種化學誘變劑化學結(jié)構(gòu)圖5-30 各種化學誘變劑化學結(jié)構(gòu)馬兜鈴酸是現(xiàn)今已知最強的致癌物質(zhì)

45、2013年8月7日，美國、新加坡和臺灣多個醫(yī)學中心科學家發(fā)布了關于馬兜鈴酸的致癌性研究報告，并同步在線發(fā)表于科學 - 轉(zhuǎn)化醫(yī)學網(wǎng)站首頁顯著位置。尿道上皮細胞癌細胞基因突變率達每百萬個堿基對150個突變點，高于紫外線誘發(fā)黑色素細胞瘤的111個突變點，更顯著高于眾所周知的吸煙誘發(fā)肺癌的8個突變點。馬兜鈴酸是現(xiàn)今已知最強的致癌物質(zhì) 早在上世紀90年代，國際學術界就發(fā)現(xiàn)馬兜鈴酸可以導致不可逆性腎病以及尿道上皮細胞癌。1999年英國率先全面禁用所有含馬兜鈴酸的中草藥，2000年世界衛(wèi)生組織(WHO)發(fā)出警示并指明馬兜鈴酸是一種潛在的致癌物質(zhì)，隨后的2001年到2005年間歐美以及世界上許多國家、地區(qū)，包

46、括我國臺灣和香港，先后全面禁用所有含有馬兜鈴酸的中草藥。2009年，WHO將馬兜鈴酸列為 一級致癌物。 小劑量馬兜鈴酸即可引起腎臟不可逆損傷，大劑量則直接引起急性腎小管上皮細胞壞死，并進而發(fā)生腎間質(zhì)纖維化，導致腎衰竭。無論是腎病還是癌癥，目前均無有效的根治方法。因此，要避免攝入馬兜鈴酸。 早在上世紀90年代，國際學術界就發(fā) 馬兜鈴酸在我國也曾引起了轟動一時的所謂“龍膽瀉肝丸事件”，但是最終結(jié)果很遺憾，作為一個人口超過13億國家的食品藥品監(jiān)管機構(gòu)CFDA(即原SFDA)，不是基于保護民眾身體健康和用藥安全原則，而是為了保護和支持中醫(yī)藥事業(yè)，僅僅象征性地取消了關木通、廣防己、青木香這三種中藥材的用

47、藥標準，而更多的含有馬兜鈴酸的中藥材卻仍在廣泛使用。據(jù)不完全統(tǒng)計，明確或者可能含有馬兜鈴酸的、并仍在使用的中藥材有朱砂蓮、天仙藤、細辛、尋骨風、馬兜鈴、漢中防己、追風藤、淮通、三筒管、杜衡、管南香、南木香、藤香、背蛇生、假大薯、蝴蝶暗消、逼血雷、白金果欖、金耳環(huán)、烏金草、威靈仙等，多達數(shù)十種，而用這些中藥材制成的中成藥更是數(shù)以百計。 馬兜鈴酸在我國也曾引起了轟動一時的 部分含有馬兜鈴酸的中成藥：伊痛舒注射液、猴棗牛黃散、小兒咳喘沖劑/顆粒、兒童清肺丸、兒童清肺口服液、小兒保安丸、八寶鎮(zhèn)驚丸、驚風丸、鸕鶿涎丸、小兒肺閉寧片、九龍化風丸、解暑片、鎮(zhèn)驚散、參三七傷藥/散/片、小兒治哮靈片、羊癇瘋癲丸、珠貝定喘丸、京制咳嗽痰喘丸、感特靈膠囊、川芎茶調(diào)沖劑、復方半夏片、風濕安泰片、醒腦再造膠囊、傷痛寧片、追風透骨片、兩面針鎮(zhèn)痛片、跳骨片、六經(jīng)頭痛片、鎮(zhèn)腦寧膠囊、杜仲壯骨膠囊、寒濕痹顆粒/片/