DNA損傷與修復

DNADamageandRepair

各種體內(nèi)外因素所導致的DNA組成與結(jié)構(gòu)的變化稱為DNA損傷（DNAdamage）其一，DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變，即突變

其二，導致DNA失去作為復制和/或轉(zhuǎn)錄的模板的功能DNA損傷的后果:生物多樣性依賴于：DNA突變DNA修復平衡DNA損傷DNADamage第一節(jié)一、多種因素通過不同機制導致DNA損傷（一）體內(nèi)因素DNA復制錯誤

DNA自身的不穩(wěn)定性機體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧DNA復制錯誤：在DNA復制過程中，堿基的異構(gòu)互變、4種dNTP之間濃度的不平衡等均可能引起堿基的錯配DNA復制的錯配率約1/1010復制錯誤還表現(xiàn)為片段的缺失或插入。特別是DNA上的短片段重復序列，在真核細胞染色體上廣泛分布，導致DNA復制系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，使得新生成的DNA上的重復序列拷貝數(shù)發(fā)生變化。

DNA自身的不穩(wěn)定性

：DNA結(jié)構(gòu)自身的不穩(wěn)定性是DNA自發(fā)性損傷中最頻繁和最重要的因素。當DNA受熱或所處環(huán)境的pH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自發(fā)發(fā)生水解，導致堿基的丟失或脫落，其中以脫嘌呤最為普遍。含有氨基的堿基還可能自發(fā)脫氨基反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N堿基，即堿基的轉(zhuǎn)變，如C轉(zhuǎn)變?yōu)閁，A轉(zhuǎn)變?yōu)镮（次黃嘌呤）等。（二）體外因素物理因素化學因素生物因素物理因素：電離輻射、紫外線(ultraviolet,UV)電離輻射對DNA的直接和間接損傷化學因素：自由基導致的DNA損傷堿基類似物導致的DNA損傷堿基修飾劑、烷化劑導致的DNA損傷嵌入性染料導致的DNA損傷物理和化學因素對DNA的損傷二、DNA損傷有多種類型

堿基脫落堿基結(jié)構(gòu)破壞嘧啶二聚體形成DNA單鏈或雙鏈斷裂DNA交聯(lián)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而改變堿基的性質(zhì)。由于堿基損傷或糖基破壞，在DNA鏈上可能形成一些不穩(wěn)定點，最終可導致DNA鏈的斷裂。堿基之間發(fā)生錯配

：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)，導致DNA序列中的錯誤配對。在正常的DNA復制過程中，存在著一定比例的自發(fā)堿基錯配。最常見的是組成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶摻入到DNA分子中。DNA鏈發(fā)生斷裂：電離輻射、化學毒劑、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DNA斷裂的原因。堿基損傷或糖基破壞可引起DNA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DNA-糖基化酶除去，形成無嘌呤嘧啶位點（apurinic-apyrimidinicsite,APsite），或稱無堿基位點（abasicsite），這些位點在內(nèi)切酶等的作用下可形成鏈斷裂。DNA

的共價交聯(lián)：DNA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DNA鏈間交聯(lián)（DNAinterstrandcross-linking）。DNA分子中同一條鏈中的兩個堿基以共價鍵結(jié)合，稱為DNA鏈內(nèi)交聯(lián)（DNAintrastrandcross-linking）。DNA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)（DNAproteincross-linking）。DNA

的交聯(lián)示意圖DNA損傷可導致堿基置換缺失插入鏈的斷裂

轉(zhuǎn)換顛換DNA損傷的修復TherepairofDNAdamage第二節(jié)DNA修復（DNArepair）是指糾正DNA兩條單鏈間錯配的堿基、清除DNA鏈上受損的堿基或糖基、恢復DNA的正常結(jié)構(gòu)的過程。DNA修復是機體維持DNA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)。

常見的DNA損傷修復途徑修復途徑修復對象參與修復的酶或蛋白

光復活修復嘧啶二聚體光復活酶

堿基切除修復受損的堿基DNA糖基化酶、無嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶

核苷酸切除修復嘧啶二聚體、DNA螺旋結(jié)構(gòu)的改變大腸桿菌中UvrA、UvrB、UvrC和UvrD，人XP系列蛋白XPA、XPB、XPC……XPG等

錯配修復復制或重組中的堿基配對錯誤大腸桿菌中的MutH、MutL、MutS，人的MLH1、MSH2、MSH3、MSH6等

重組修復雙鏈斷裂RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、XRCC4

損傷跨越修復大范圍的損傷或復制中來不及修復的損傷RecA蛋白、LexA蛋白、其他類型DNA聚合酶

一、有些DNA損傷可以直接修復

嘧啶二聚體的直接修復

烷基化堿基的直接修復

無嘌呤位點的直接修復

單鏈斷裂的直接修復

嘧啶二聚體的直接修復烷基化堿基的直接修復無嘌呤位點的直接修復

DNA嘌呤插入酶能催化游離嘌呤堿基或脫氧核苷與DNA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。具有很強的專一性。單鏈斷裂的直接修復

DNA連接酶能夠催化DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條鏈上缺口處的5

-磷酸基團與相鄰片段的3

-羥基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，如電離輻射所造成的切口。二、切除修復是最普遍的DNA損傷修復方式

堿基切除修復

核苷酸切除修復

堿基切除修復（baseexcisionrepair）

①識別水解：DNA糖基化酶特異性識別DNA鏈中已受損的堿基并將其水解去除，產(chǎn)生一個無堿基位點；②切除：在此位點的5

端，無堿基位點核酸內(nèi)切酶將DNA鏈的磷酸二酯鍵切開，去除剩余的磷酸核糖部分；③合成：DNA聚合酶在缺口處以另一條鏈為模板修補合成互補序列；④連接：由DNA連接酶將切口重新連接，使DNA恢復正常結(jié)構(gòu)核苷酸切除修復（nucleotideexcisionrepair）

①首先，由一個酶系統(tǒng)識別DNA損傷部位；②其次，在損傷兩側(cè)切開DNA鏈，去除兩個切口之間的一段受損的寡核苷酸；③再次，在DNA聚合酶作用下，以另一條鏈為模板，合成一段新的DNA，填補缺損區(qū)；④最后由連接酶連接，完成損傷修復。E.coli的NER主要由4種蛋白質(zhì)組成：UvrAUvrBUvrCUvrD

人類的DNA損傷核苷酸切除修復①首先由損傷部位識別蛋白XPC和XPA等，再加上DNA復制所需的SSB，結(jié)合在損傷DNA的部位；②XPB、XPD發(fā)揮解旋酶的活性，與上述物質(zhì)共同作用在受損DNA周圍形成一個凸起；③XPG與XPF發(fā)生構(gòu)象改變，分別在凸起的3′-端和5′-端發(fā)揮核酸內(nèi)切酶活性,在增殖細胞核抗原（PCNA）的幫助下，切除并釋放受損的寡核苷酸；④遺留的缺損區(qū)由聚合酶δ或ε進行修補合成；⑤最后，由連接酶完成連接。

NER不僅能夠修復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RNA聚合酶，即參與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復（transcription-coupledrepair）。作用方式：NER蛋白質(zhì)被募集于暫停的RNA聚合酶。轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復的意義：將修復酶集中于正在轉(zhuǎn)錄DNA，使該區(qū)域的損傷盡快得以修復。堿基錯配修復（mismatchrepair）錯配是指非Watson-Crick堿基配對。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：①復制與重組中出現(xiàn)的堿基配對錯誤；②因堿基損傷所致的堿基配對錯誤；③堿基插入；④堿基缺失。E.coli錯配修復系統(tǒng)修復復制差錯Dam甲基化酶（methylase）使E.coli處于暫時的半甲基化狀態(tài)，標記母鏈和新合成的DNA鏈，幫助新合成的DNA鏈被錯配修復系統(tǒng)識別并修復。模板鏈的GATC序列甲基化MutH僅切割新合成的DNA鏈MutH的切口位于錯配核苷酸的5

側(cè)，使用外切酶Ⅶ或RecJ，按5

3

方向降解DNA；切口位于錯配的3’側(cè)，則使用外切酶Ⅰ，按3

5

方向降解DNA。DNA聚合酶Ⅲ填補所產(chǎn)生單鏈DNA缺口。MSH（MutShomologs）蛋白與MutL同源的MLH和PMS蛋白真核細胞錯配修復系統(tǒng)無MutH，也無半甲基化標記母鏈。錯配修復系統(tǒng)利用岡崎片段連接前的DNA缺口辨別錯配堿基所在的DNA鏈。真核細胞核苷酸修復錯配系統(tǒng)：三、DNA嚴重損傷時需要重組修復

同源重組修復

非同源末端連接的重組修復

同源重組修復非同源末端連接的重組修復四、某些修復發(fā)生在跨越損傷DNA的復制事件之后

重組跨越損傷修復

合成跨越損傷修復

SOS修復中LexA-RecA操縱子的作用機制DNA損傷和修復的意義ThesignificanceofDNAdamageandrepair第三節(jié)一、DNA損傷具有雙重效應(yīng)

一是給DNA帶來永久性的改變即突變，可能改變基因的編碼序列或者基因的調(diào)控序列；二是DNA的這些改變使得DNA不能用作復制和轉(zhuǎn)錄的模板，使細胞的功能出現(xiàn)障礙，重則死亡。DNA損傷通常有兩個生物學后果二、DNA損傷修復障礙與腫瘤等多種疾病相關(guān)

DNA損傷產(chǎn)生腫瘤的原因DNA損傷可導致原癌基因的激活和抑癌基因的失活，導致細胞惡變典型的腫瘤

人類遺傳性非息肉性結(jié)腸癌

家族遺傳性乳腺癌和卵巢癌DNA修復缺陷導致的人類遺傳疾病

著色性干皮?。╔P）--DNA損傷修復缺陷造成的一種遺傳病，對該病研究發(fā)現(xiàn)一些與切除損傷部位有關(guān)的XP蛋白缺失細胞對DNA損傷應(yīng)答缺陷

共濟失調(diào)-毛細血管擴張癥–一種常染色體隱性遺傳病，主要影響機體的免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和皮膚

DNA損傷修復的不同層面DNA復制時校對功能將損傷幾率降至極低單堿基損傷、單鏈斷裂時靠直接修復、切除修復、錯配修復等機制修復復雜損傷靠重組修復、SOS修復完成，但此為不精確修復易產(chǎn)生突變

損傷程度到了無法修