第六章DNA的损伤与修复共89页
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DNA的损伤和修复
简称AP位点。
C 碱基的互变异构
由于碱基氢原子位置的可逆性变化，导致基因发生 酮式-烯醇式或氨式-亚氨式间的结构互变。 导致A-C错配或G-T错配。
3 自由基对DNA的氧化损伤
O2.，OH. ，H2O2等
如：造成DNA链上脱氧戊糖C-3或C-5磷脂键断裂。
自由基还可引起碱基损伤或脱落。
二、物理因素引起的DNA损伤
指DNA分子内发生较大片段的交换，也称为重组。
移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位）， 也可以在染色体之间发生交换重组。
二、突变的意义
1. 突变是进化、分化的分子基础
进化过程是突变的不断发生所造成的。
没有突变就没有今天的五彩缤纷的世界。 遗传学家认为：没有突变就不会有遗传学。
大量的突变都属于由遗传过程自然发生的，
叫自发突变或自然突变（spontaneous mutation）。
•
由于基因突变产生的新性状是生物 从未有过的性状，因此它是
• • •
产生新基因的途径， 生物变异的根本来源， 为生物进化提供了原始的材料。
2. 突变导致基因型改变
突变只改变基因型，而无可察觉的表型改变。
多态性 (polymophism)：是用来描述个体之间的基因 型差别现象。利用DNA多态性分析技术，可识别个体差
碱基对组成或排列顺序的改变。
时间：DNA复制时期，即细胞（有丝和减数）分裂间期。
基因的精确复制是相对的。一定的条件下基因结构发生变化变成一个新基因（突变基因）。 于是后代的表现型中也就出现祖先了从未有的新性状
基因突变
插入
┯┯┯┯ ＡＴＧＣ ＴＡＣＧ ┷┷┷┷
缺失 替换
┯┯┯┯┯ ＡＴＡＧＣ ＴＡＴＣＧ ┷┷┷┷┷ ┯┯┯ ＡＧＣ ＴＣＧ ┷┷┷ ┯┯┯┯ ＡＣＧＣ ＴＧＣＧ ┷┷┷┷
C 碱基的互变异构
由于碱基氢原子位置的可逆性变化，导致基因发生 酮式-烯醇式或氨式-亚氨式间的结构互变。 导致A-C错配或G-T错配。
3 自由基对DNA的氧化损伤
O2.，OH. ，H2O2等
如：造成DNA链上脱氧戊糖C-3或C-5磷脂键断裂。
自由基还可引起碱基损伤或脱落。
二、物理因素引起的DNA损伤
指DNA分子内发生较大片段的交换，也称为重组。
移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位）， 也可以在染色体之间发生交换重组。
二、突变的意义
1. 突变是进化、分化的分子基础
进化过程是突变的不断发生所造成的。
没有突变就没有今天的五彩缤纷的世界。 遗传学家认为：没有突变就不会有遗传学。
大量的突变都属于由遗传过程自然发生的，
叫自发突变或自然突变（spontaneous mutation）。
•
由于基因突变产生的新性状是生物 从未有过的性状，因此它是
• • •
产生新基因的途径， 生物变异的根本来源， 为生物进化提供了原始的材料。
2. 突变导致基因型改变
突变只改变基因型，而无可察觉的表型改变。
多态性 (polymophism)：是用来描述个体之间的基因 型差别现象。利用DNA多态性分析技术，可识别个体差
碱基对组成或排列顺序的改变。
时间：DNA复制时期，即细胞（有丝和减数）分裂间期。
基因的精确复制是相对的。一定的条件下基因结构发生变化变成一个新基因（突变基因）。 于是后代的表现型中也就出现祖先了从未有的新性状
基因突变
插入
┯┯┯┯ ＡＴＧＣ ＴＡＣＧ ┷┷┷┷
缺失 替换
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DNA的损伤和修复ppt课件
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（a）亚硝酸修饰G、C、A；（b）羟基修饰C；（c）甲基磺酸乙酯修饰T（引自Russell,1992）.
3、嵌入染料对DNA的损伤作用
吖啶橙 (Acridine Orange AO) 溴化乙锭 (Ethidium Bromide EB )
扁平染料分子
分子插入
TAO T
-A
TTTCG -
-ATTTTTCG - AO -T
❖ 自由基可导致碱基、核糖、磷酸基的损伤，引起DNA的结构和 功能异常。
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7
（三）化学毒物致DNA损伤
❖ 按其作用原理可分为： 碱基类似物 碱基修饰物 嵌入染料
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8
1、碱基类似物（Base analog）
是指与DNA正常碱基结构类似的化合物,在DNA复制时掺入并与 互补链上碱基配对,从而引起碱基对的置换.
❖ 常见的DNA修复方式：直接修复、切除修复、错配修复和重 组修复
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(一）直接修复
❖ 直接修复
❖
细胞对DNA的某些损伤可以用很简单的方式加以修复
在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成。这种修复
方式叫直接修复。
包括：酶光学复活、嘌呤的直接插入、O6－甲基鸟嘌呤－ DNA甲基转移、单链断裂重接等。
常见的损伤有:碱基脱落、碱基破坏、嘧啶二聚体形成、单链和 双链DNA断裂、DNA交联、DNA-蛋白质交联等。
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（一） 碱基和核糖的破坏
❖ 由于碱基或者核糖的损伤，在DNA链上形成不稳定位点，最 终可导致DNA链的断裂。
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16
（二）错配
《DNA的损伤和修复》PPT课件
1. 转换 (transition)：
同型碱基间的置换: 嘌呤代替另一嘌呤，嘧啶代替另一嘧啶
2. 颠换 (transversion)：
异型碱基间的置换：嘌呤变嘧啶，嘧啶变嘌呤
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6
点突变-镰刀型红细胞贫血
正常红细胞
镰刀型红细胞
整理ppt
7
血红蛋白HB基因发生碱基对置换，导致红细胞形状改变。
显性致死：杂合态即有致死效应。 隐性致死：纯合态时才有致死效应
4）条件致死突变：
在某些条件下致死，而在另些条件下成活的突变。
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24
（二）从对遗传信息的改变:
1）同义突变:
碱基置换后，原密码子变成了另一个密码子，但由于密码子
的兼并性，因而改变前、后密码子所编码的氨基酸不变，故
实际上不会发生突变效应。
DNA的损伤与修复
刘国红
整理ppt
1
第一节 DNA损伤的概念、类型、意义
整理ppt
2
一 DNA损伤的概念
DNA损伤 (DNA damage) ：
DNA复制过程中发生的DNA核苷酸序列的改变。 从分子水平看，指DNA分子碱基顺序或数目的改变。
DNA损伤又称基因突变（gene mutation）：
2-氨基嘌呤（2-AP）
整理ppt
47
5-BU是胸腺嘧啶(T)的结构类似物， 酮式结构易与A配对；烯醇式结构易与G配对。 两轮复制后,A-T替换为G-C.或G-C替换为A-T.
酮式
烯醇式
整理ppt
48
2-AP是腺嘌呤A的类似物， 既可与T配对，也可与C配对。 A.T→ 2-AP.T→2-AP.C→G.C
1945.8 日本广岛、长崎原子弹事件，当地居民受核辐射影响，肿瘤、 白血病的发病率明显增高。
同型碱基间的置换: 嘌呤代替另一嘌呤，嘧啶代替另一嘧啶
2. 颠换 (transversion)：
异型碱基间的置换：嘌呤变嘧啶，嘧啶变嘌呤
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6
点突变-镰刀型红细胞贫血
正常红细胞
镰刀型红细胞
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血红蛋白HB基因发生碱基对置换，导致红细胞形状改变。
显性致死：杂合态即有致死效应。 隐性致死：纯合态时才有致死效应
4）条件致死突变：
在某些条件下致死，而在另些条件下成活的突变。
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（二）从对遗传信息的改变:
1）同义突变:
碱基置换后，原密码子变成了另一个密码子，但由于密码子
的兼并性，因而改变前、后密码子所编码的氨基酸不变，故
实际上不会发生突变效应。
DNA的损伤与修复
刘国红
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1
第一节 DNA损伤的概念、类型、意义
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2
一 DNA损伤的概念
DNA损伤 (DNA damage) ：
DNA复制过程中发生的DNA核苷酸序列的改变。 从分子水平看，指DNA分子碱基顺序或数目的改变。
DNA损伤又称基因突变（gene mutation）：
2-氨基嘌呤（2-AP）
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47
5-BU是胸腺嘧啶(T)的结构类似物， 酮式结构易与A配对；烯醇式结构易与G配对。 两轮复制后,A-T替换为G-C.或G-C替换为A-T.
酮式
烯醇式
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48
2-AP是腺嘌呤A的类似物， 既可与T配对，也可与C配对。 A.T→ 2-AP.T→2-AP.C→G.C
1945.8 日本广岛、长崎原子弹事件，当地居民受核辐射影响，肿瘤、 白血病的发病率明显增高。
DNA损伤与修复ppt课件
生物多样性依赖于：
平衡 DNA突变
DNA修复
第一节
DNA损伤
DNA Damage
一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤
（一）体内因素
DNA复制错误 DNA自身的不稳定性 机体代谢过程中产生的活性氧
DNA复制错误：
在DNA复制过程中，碱基的异构互变、4种dNTP之间浓度 的不平衡等均可能引起碱基的错配 DNA复制的错配率约1/1010 复制错误还表现为片段的缺失或插入。 特别是DNA上的短片段重复序列，在真核细胞染色体上 广泛分布，导致DNA复制系统工作时可能出现“打滑” 现象，使得新生成的DNA上的重复序列拷贝数发生变化。 亨廷顿病、脆性X综合征、肌强直性营养不良等。
E.coli的NER主要由4种 蛋白质组成： UvrA UvrB UvrC UvrD
人类的DNA损伤核苷酸切除修复
① 首先由损伤部位识别蛋白XPC和XPA等，再加上DNA 复制所需的SSB，结合在损伤DNA的部位；
② XPB、XPD发挥解旋酶的活性，与上述物质共同作用 在受损DNA周围形成一个凸起；苷酸修复错配系统：
•MSH（MutS homologs）蛋白 •与MutL同源的MLH和PMS蛋白
•真核细胞错配修复系统即无MutH蛋白，也无半 甲基化标记母链。 •错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺口 辨别错配碱基所在的DNA链。
三、DNA严重损伤时需要重组修复
DNA自身的不稳定性 ：
DNA结构自身的不稳定性是DNA自发性损伤中最频繁和 最重要的因素。 当DNA受热或所处环境的pH值发生改变时， DNA分子上 连接碱基和核糖之间的糖苷键可自发发生水解，导致碱基 的丢失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍。 含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应，转变为另一种碱 基，即碱基的转变，如C转变为U，A转变为I（次黄嘌呤） 等。
DNA损伤与修复
与DNA修复有关的人类遗传疾病：
• 着色性干皮病(Xeroderma pigmentosum) • 布伦氏症候群(Bloom’s syndrome) • 遗传性大肠癌(Hereditary nonpolyposis colon
cancer；HNPCC)
着色性干皮病
(Xeroderma pigmentosum)
重组修复
☆ DNA于复制时会越过受损区域进行复制
☆ 经重组修复，受损的DNA仍然存在于子代的 一个细胞中。
☆ 重组修复不会浪费时间， 重组修复可让负 伤的DNA在细胞中仍可照常进行分裂。
重组修复
根据 DNA 末端连接需要的同源性，分为
• 非同源末端连接：DNA分子之间不需要广泛的同 源性，主要是在免疫球蛋白重组时对DNA双链进 行连接，在细胞有丝分裂G1/G0期起主要作用。
第六章 DNA损伤与修复 DNA damage and repair
分子生物学研究中心
第一节 DNA损伤的原因及后果
电离辐射 烷化剂
可 见 光
复制错误
核苷类似物
H+
mC
P/
8-oxoG
U
P
DNA 损伤类型
• 碱基脱落 • 碱基修饰 & 去氨基化
• 化学修饰 • 光损伤
• 链内交联 • DNA-蛋白质 交联 • DNA链断裂
二、切除修复相关的酶和基因 •尿嘧啶糖基化酶为主要的始动因素，可作 为DNA损伤的生物标记物。
•大肠杆菌Uvr基因家族、人ecrr基因和切除 修复基因等
三、错配修复相关基因 •MSH2、MLH1等蛋白参与错配修复，而错
配修复的缺陷往往是癌变的第一步。
•错配修复基因：Muthls系统、人类的hmsh2/3、
第六章 DNA的损伤与修复
(3) 嵌合剂的致突变作用。
嵌合染料是另一类重要的DNA修饰剂。包括丫啶橙 （acridine orange）、原黄素（proflavin）、叮黄素 （acriflavine）等染料。 这些试剂为平面分子，其分子大小与碱基对大小差不 多，可以嵌入到DNA双链碱基对之间，在嵌入位置上引起 单个碱基对的插入或缺失突变。嵌合染料也能嵌入单链 DNA的碱基之间，这些突变都会引起阅读框的改变，造成 移码突变。
p53 当UVB损伤DNA造成p53突变后，突变型p53因 失去了对细胞周期的正常调控，使得损伤的DNA 继续复制，从而提高了染色体畸变的偶发率和遗 传的不稳定性，角质形成细胞极易发生克隆增生 和恶性转化。
着色性干皮病（xeroderma pigmentosis，XP） 是一种切除修复有缺陷的遗传性疾病。在研 究其发病机制时，发现一些相关的基 因，称为 XPA、XPB、XPC等。这些基因的表达产物起辨 认和切除损伤DNA的作用。 XP病人是由于XP基因有缺陷，不能修复紫外 线照射引起的DNA损伤，因此易发生皮肤癌。
现象：U和A在复制中配对 C自发脱氨基氧化而生成U
修复机制：尿嘧啶－N－糖基酶系统 参与的酶：尿嘧啶－N－糖基酶
AP内切核酸酶 (AP endonucleases ) DNA聚合酶 II 脱嘌呤/ 嘧啶位点（AP 位点) DNA连接酶
修复机制： 尿嘧啶－N－糖基酶系统
2. 错配修复系统（mismatch repair system, MRS）
现代生活环境使人可能接触各种各样药品、化妆品、食物 防腐剂、杀虫剂、工业用试剂、污染物等，其中很多化合物已 被证明具有致癌性质。 研究表明在175种已知的致癌剂中，有157种是诱变剂。这 些物质是通过诱导体细胞突变而致癌的。例如食物防腐剂AF-2。 食物熏蒸剂二溴乙烯、抗血吸虫药物、多种染发添加剂以及工 业化合物氯乙烯等都具致癌性。 因而要靠科学治理环境，保护环境就是保护人类自身。
DNA的损伤、修复
在插入酶的催化下，以正确 插入酶的催化下， 的催化下 的碱基插入空位， 的碱基插入空位，修复 DNA
聚合酶的催化下 的催化下， 在 DNA 聚合酶的催化下，以 互补链为模板， 互补链为模板，合成新的单链 片段以填补缺口 片段以填补缺口
连接酶催化连接片段 催化连接片段， 由 DNA 连接酶催化连接片段， 封闭缺口
（一）引起DNA损伤的因素： 引起DNA损伤的因素： DNA损伤的因素 自发因素： 1．自发因素： 1)．脱嘌呤和脱嘧啶 DNA分子通过自发水解 经常发生脱嘧 分子通过自发水解经常 DNA 分子通过自发水解 经常 发生脱嘧 啶和脱嘌呤反应， 啶和脱嘌呤反应 ， 使嘌呤碱和嘧啶碱从 DNA分子的 脱氧核糖分子的脱氧核糖 DNA 分子的 脱氧核糖 - 磷酸骨架上脱落下 来。 例如，在腺嘌呤和鸟嘌呤的N 例如，在腺嘌呤和鸟嘌呤的N- 9及脱 氧核糖C 之间的N 糖苷键常发生自发 氧核糖C-1′之间的N-糖苷键常发生自发 水解反应而断裂， 从而失去嘌呤碱基， 水解反应而断裂 ， 从而失去嘌呤碱基 ， 使该嘌呤碱基所编码的遗传信息丢失。 使该嘌呤碱基所编码的遗传信息丢失。
特异性的核酸内切酶识别 特异性的核酸内切酶识别 DNA 核酸内切酶 的损伤部位， 的损伤部位，并在该部位的 5' 端作一切口
糖苷酶识别受损伤的 DNA 糖苷酶识别受损伤的 碱基， 碱基，并将该碱基切除
由核酸外切酶（或 DNA 聚合 核酸外切酶（ 5'→3'端逐一切除损 酶Ⅰ）从 5'→3&#碱基的脱氨基作用 碱基中的胞嘧啶（C）、腺嘌呤（A）和 鸟嘌呤（G）都含有环外氨基，氨基有时 会自发脱落，从而使胞嘧啶变为尿嘧啶 （U），腺嘌呤变为次黄嘌呤（I）, 鸟嘌 呤变为黄嘌呤（X）。 这些脱氨基产物的配对性质与原来的 碱基不同，即U与A配对，I和X均与C配对。 而且DNA复制时，它们将会在子链中产生 错误而导致DNA损伤。
分子生物学：第6章 DNA损伤与修复
DNA损伤的后果
点突变 缺失 插入 到位或转座 断裂
* 突变可以是进化上的需要。有意义，无意义。
DNA Repair
DNA repair
• Direct repair • Excision repair • Mismatch repair • Recombination repair • SOS system
• 紫外线 • DNA被小于260nm波长紫外线照射时，形
成嘧啶二聚体。也能产生DNA断裂。
TT， CC， TC 二聚体
AT互换
• 1.Ultraviolet irradiation
• A- T became T-T
电离辐射引起DNA损伤
电离辐射产生电离辐射的直接和间接作用，导 致碱基改变、互换，脱落或修饰、脱氧核糖变化、 DNA单双链断裂 或交联（DNA-DNA,DNA-蛋白 质）。
O
RN
P
O
RN
O
N
N
O
RN
O
UV
P N CH3
O Photolyase
RN
CH3
CH3 O
N
CH3
O
)
胸嘧啶二聚体 ( T T )
1) Remove damaged region
2) Resynthesis （再合成） DNA
3) Ligation（结扎）
BER
• Special enzymes replace just the defective（错误的） base
DNA复制误差
核苷酸错误掺入： 掺入率 为10-10 DNA聚合酶使用核酸外切酶活性
C
A
碱基错配
自主突变
碱基异构突变：核苷酸上碱基互换 脱氨基：环外氨基脱落C变成U，A变成H,G变成X。 脱嘌呤和脱嘧啶：嘌呤和嘧啶水解 碱基修饰与断链：自由基CH3、O2 和细胞代谢物
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改变一个碱基使之发生错配；破坏一个碱基使之在正常情况 下无法配对。
诱发突变与人类的癌症
黄曲霉素（AFB）引起肝癌，紫外线（UV）照射 会导致皮肤癌。
肿瘤抑制基因是一种编码抑制肿瘤形成的蛋白质 基因。如果发生突变则会致癌。对南非和东亚肝癌病 人的P53基因的分析发现，AFB特异性诱导G－T颠换， 引起P53发生突变，而在同一地区的肺癌、肠癌和乳 腺癌的病人中未发现此现象。
着色性干皮病（xeroderma pigmentosis，XP） 是一种切除修复有缺陷的遗传性疾病。
在研究其发病机制时，发现一些相关的基 因，称为 XPA、XPB、XPC等。这些基因的表达产物起辨认和切 除损伤DNA作用的。
XP病人是由于XP基因有缺陷，不能修复紫外线 照射引起的DNA损伤，因此易发生皮肤癌。
移码突变（frame-shift mutation）： 由于插入或缺失突变引起DNA的阅读框（ORF）发生改
变，从而产生不同蛋白质的过程。
(3) 倒位 (inversion) 或转位（translocation）
DNA重组使其中一段核苷酸倒置，或从一处迁移到另一处。
(4) 双链断裂
2. 突变后果
修复DNA损伤的能力是生物能保持遗传稳定性 所在；
DNA分子的变化并不是全部都能被修复成原样 的，因此生物才会有变异、有进化。
5.1 DNA损伤的原因
5.1.1 DNA分子自发性损伤
1. DNA复制中的错误
碱基配对的错误概率约为10-1_10-2；在DNA聚合酶 的校对作用下，错配概率降到10-5_10-6 ；
(3) 嵌合剂的致突变作用。
嵌合染料是另一类重要的DNA修饰剂。包括丫啶橙 （acridine orange）、原黄素（proflavin）、叮黄素 （acriflavine）等染料。
这些试剂为平面分子，其分子大小与碱基对大小差不 多，可以嵌入到DNA双链碱基对之间，在嵌入位置上引起 单个碱基对的插入或缺失突变。嵌合染料也能嵌入单链 DNA的碱基之间，这些突变都会引起阅读框的改变，造成 移码突变。
（1）致死性:
突变发生在对生命至关重要的基因上， 可导致个体或细胞的死亡。
致死突变：严重影响生物体生活力，导致个 体死亡的突变。
可分为显性致死突变（杂合态即可致死）和 隐性致死突变（纯合态才致死）。
（2）基因功能的改变
突变是某些疾病的发病基础 包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的病。 有些已知其遗传缺陷所在。 但大多数尚在研究中。
突变影响生物的代谢过程，导致一个特定生 化功能的改变或丧失。如微生物的营养缺陷型。
突变导致生物体外观上可见的形态结 构的改变。例如果蝇的红眼→白眼突变：
例: UVB 所致的基因突变 UVB: 290-320nm
由于修复系统的缺陷或偶发的错误修复，则会 导致某些基因突变，使得角质形成细胞的细胞 周期的调控出现异常，进一步发生克隆性增生 和永生化生长而导致皮肤癌的发生。
度整整富集了1000万倍。 如果人吃了鱼或鹰，那么人体内DDT富集量更是高得可怕。会
引起突变
“低剂量、长期暴露的蓄积作用”
（3）突变导致基因型改变:
这种突变只有基因型的改变，而没有可察觉的表 型改变。
多态性 (polymorphism)：
是用来描述个体之间的基因型差别现象。利用 DNA多态性分析技术，可识别个体差异和种、株间差 异。
1. 突变类型
(1) 点突变（point mutation）
DNA单一碱基的变异 转换（transition）：嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶之间替换 颠换（transvertion）：嘌呤与嘧啶之间的替代
野生型等位基因：将自然界中普遍出现或指定实验用的某一 品系的性状作为“野生型”或“正常”的性状，与这种性状 相关的等位基因称为野生型等位基因。
通常以酮式存在，有时也以烯醇式存在。当BU先以酮式掺 入DNA，继而又变成烯醇式时，进一步复制使DNA中 A- T对变成 G- C对。同样道理也引起 G- C向 A- T的转换，BU可以使细菌 的突变率提高近万倍。
除BU外，还有5-溴脱氧尿苷、5-氟尿嘧啶、5-氯尿嘧 啶及它们的脱氧核苷。
另一种被广泛应用的碱基类似物是2-氨基嘌呤（2AP），是一种腺嘌呤A类似物，可和胸腺嘧啶T配对。可 再和胞嘧啶C 配对，产生A-T 、G-C的转换，或2-AP以和 胞嘧啶C 配对形式进入DNA后再和胸腺嘧啶T 配对后产生 G-C、A-T的转换。
4. 诱发突变
概念：
由各种诱变剂诱发的DNA的突变。每一种诱变剂有其对 应的特异性（如对G-C，A-T转换）和对特定的突变位点的 偏好，例如：甲磺酸乙酯（EMS）和紫外线（UV）“偏好” G-C， A-T转换，黄曲霉素B1（AFB1）则偏好于C-G，AT颠换。
诱变机制： 诱变剂通过3种机制诱发突变：取代DNA中的一个碱基；
3. 化学因素引起的DNA损伤
（1）碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤 （2）烷基剂对DNA的损伤 （3）嵌合剂对DNA的损伤。
(1) 碱基类似物对DNA的损伤
某些化学物质和正常的碱基在结构上类似，有时会替代 正常碱基而掺入DNA分子，一旦这些碱基类似物进人DNA 后，由于它们的配对能力不同于正常碱基，便引起DNA复制 过程中其对应位置上插入不正确碱基。
黄曲霉素B1（aflatoxin B1，AFB1） 一种很强的致癌剂。 在鸟嘌呤 N－7位置上形成一加成复合物后产生无嘌呤位
点。修复要求SOS系统参与。SOS越过无嘌呤位点并在这些位 点对应处选择性插入腺嘌呤，使鸟嘌呤残基脱嘌呤的试剂偏向 于产生G-C T-A颠换。
现代生活环境使人可能接触各种各样药品、化妆品、食物 防腐剂、杀虫剂、工业用试剂、污染物等，其中很多化合物已 被证明具有致癌性质。
第六章
DNA的损伤与修复
The damage and repair of DNA
DNA损伤的概念：
DNA双螺旋结构发生的任何改变。
主要分为两种： 单个碱基的改变 双螺旋结构的异常扭曲
DNA损伤修复的重要性
DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，
维护DNA分子的完整性对细胞至关紧要；
再经过DNA结合蛋白和其他因素作用下，错配率仍 在10-10。
（1）碱基的异构互变
DNA每种碱基有几种形式，称互变异构体， 异构体中原子的位置及原子之间的键有所不同。
碱基各自的异构体间可以自发发生变化（烯 醇式与酮基间互变）;
A=C T=G 上述配对发生在DNA复制时，会造成子代 DNA序列与亲代DNA不同的错误损伤.
烷化剂的种类很多，常见的有甲磺酸乙酯（EMS）、亚硝 基胍（NG）和芥子气等。
EMS能使鸟嘌呤的 N位置上有乙基，成为7一乙基鸟嘌 呤。与胸腺嘧啶配对，故能使G-C转换成A-T。
烷化剂的另一作用是脱嘌呤。例如烷基在鸟嘌呤N位上 活化糖苷键引起断裂，使嘌呤从DNA链上脱掉，产生缺口。 复制时，与缺口对应的位点上可能配上任一碱基，从而引 起转换或颠换；而且去嘌呤后的DNA容易发生断裂，引起 缺失或其他突变。
研究表明在175种已知的致癌剂中，有157种是诱变剂。这 些物质是通过诱导体细胞突变而致癌的。例如食物防腐剂AF-2。 食物熏蒸剂二溴乙烯、抗血吸虫药物、多种染发添加剂以及工 业化合物氯乙烯等都具致癌性。
因而要靠科学治理环境，保护环境就是保护人类自身。
5.1.2 DNA损伤的后果
导致DNA分子结构变化（亦即发生突变） 生物体在表型上突变
例如 5-溴尿嘧啶（BU）和 5-溴脱氧尿嘧啶（BrdU）是T结 构类似物。细菌在含BU的培养基中培养时，部分DNA中的T被BU 取代，BU有两种互变异构体，一种是酮式结构（第6位上有一个 酮基），它可以代替T而掺入DNA，并与A配对；当BU发生互变异 构成为烯醇式（第6位上是一个羟基）后，就容易和G配对。
(2) 缺失（deletion）/ 插入（insertion）
DNA链上一个或一段核苷酸的消失或加入。
例如在 E.coli的lacl基因中发现一种 4个碱基序列(CTGG) 在野生型中连续重复了 3次。J. Miller等人研究了这个基因突 变热点（hot Spots）产生的原因。发现某些热点是由重复序列 引起的。所谓热点即一个基因中比其他位点更容易发生突变的 位点。
自发水解使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落。
哺乳类动物细胞，在30ºC下，20h内DNA链自发脱落嘌呤 约1000个，嘧啶约500个。
（4）活性氧引起的碱基修饰与链断裂
细胞呼吸的副产物O2-, H2O2造成DNA损伤，产 生一些碱基修饰物（胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧 啶等），还可引起DNA单链断裂等损伤; 这些损失 的积累可导致老化。
胶联（binding）
同一条DNA链上或两条DNA链上的碱基间以共价键 结合；DNA与蛋白质之间也以共价键相连；组蛋白、染 色质中的非组蛋白、调控蛋白、与复制和转录有关的酶 都会与DNA以共价键连接。
胶联是细胞受电离辐射后在显微镜下看到的染色体 畸变的分子基础，会影响细胞的功能和DNA复制。
辐射引起DNA分子结构的多种变化
2. 物理因素引起的DNA损伤
（1）紫外线（UV）引起的DNA损伤 DNA受到大剂量紫外线（260nm）照射时，同一条链
上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体；TT, CC, CT之间都 可形成二聚体。
复制时，此处产生 空耗过程，DNA不 能复制，细胞不能 分裂，导致凋亡。
紫外线引起的DNA损伤 －－最易形成胸腺嘧啶二聚体（TT）
p53
当UVB损伤DNA造成p53突变后，突变型p53因 失去了对细胞周期的正常调控，使得损伤的DNA 继续复制，从而提高了染色体畸变的偶发率和遗 传的不稳定性，角质形成细胞极易发生克隆增生 和恶性转化。
有害物质富集 例: DDT在水环境中存在量仅为3×10-6ppm(mg/L)的时候，当
诱发突变与人类的癌症
黄曲霉素（AFB）引起肝癌，紫外线（UV）照射 会导致皮肤癌。
肿瘤抑制基因是一种编码抑制肿瘤形成的蛋白质 基因。如果发生突变则会致癌。对南非和东亚肝癌病 人的P53基因的分析发现，AFB特异性诱导G－T颠换， 引起P53发生突变，而在同一地区的肺癌、肠癌和乳 腺癌的病人中未发现此现象。
着色性干皮病（xeroderma pigmentosis，XP） 是一种切除修复有缺陷的遗传性疾病。
在研究其发病机制时，发现一些相关的基 因，称为 XPA、XPB、XPC等。这些基因的表达产物起辨认和切 除损伤DNA作用的。
XP病人是由于XP基因有缺陷，不能修复紫外线 照射引起的DNA损伤，因此易发生皮肤癌。
移码突变（frame-shift mutation）： 由于插入或缺失突变引起DNA的阅读框（ORF）发生改
变，从而产生不同蛋白质的过程。
(3) 倒位 (inversion) 或转位（translocation）
DNA重组使其中一段核苷酸倒置，或从一处迁移到另一处。
(4) 双链断裂
2. 突变后果
修复DNA损伤的能力是生物能保持遗传稳定性 所在；
DNA分子的变化并不是全部都能被修复成原样 的，因此生物才会有变异、有进化。
5.1 DNA损伤的原因
5.1.1 DNA分子自发性损伤
1. DNA复制中的错误
碱基配对的错误概率约为10-1_10-2；在DNA聚合酶 的校对作用下，错配概率降到10-5_10-6 ；
(3) 嵌合剂的致突变作用。
嵌合染料是另一类重要的DNA修饰剂。包括丫啶橙 （acridine orange）、原黄素（proflavin）、叮黄素 （acriflavine）等染料。
这些试剂为平面分子，其分子大小与碱基对大小差不 多，可以嵌入到DNA双链碱基对之间，在嵌入位置上引起 单个碱基对的插入或缺失突变。嵌合染料也能嵌入单链 DNA的碱基之间，这些突变都会引起阅读框的改变，造成 移码突变。
（1）致死性:
突变发生在对生命至关重要的基因上， 可导致个体或细胞的死亡。
致死突变：严重影响生物体生活力，导致个 体死亡的突变。
可分为显性致死突变（杂合态即可致死）和 隐性致死突变（纯合态才致死）。
（2）基因功能的改变
突变是某些疾病的发病基础 包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的病。 有些已知其遗传缺陷所在。 但大多数尚在研究中。
突变影响生物的代谢过程，导致一个特定生 化功能的改变或丧失。如微生物的营养缺陷型。
突变导致生物体外观上可见的形态结 构的改变。例如果蝇的红眼→白眼突变：
例: UVB 所致的基因突变 UVB: 290-320nm
由于修复系统的缺陷或偶发的错误修复，则会 导致某些基因突变，使得角质形成细胞的细胞 周期的调控出现异常，进一步发生克隆性增生 和永生化生长而导致皮肤癌的发生。
度整整富集了1000万倍。 如果人吃了鱼或鹰，那么人体内DDT富集量更是高得可怕。会
引起突变
“低剂量、长期暴露的蓄积作用”
（3）突变导致基因型改变:
这种突变只有基因型的改变，而没有可察觉的表 型改变。
多态性 (polymorphism)：
是用来描述个体之间的基因型差别现象。利用 DNA多态性分析技术，可识别个体差异和种、株间差 异。
1. 突变类型
(1) 点突变（point mutation）
DNA单一碱基的变异 转换（transition）：嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶之间替换 颠换（transvertion）：嘌呤与嘧啶之间的替代
野生型等位基因：将自然界中普遍出现或指定实验用的某一 品系的性状作为“野生型”或“正常”的性状，与这种性状 相关的等位基因称为野生型等位基因。
通常以酮式存在，有时也以烯醇式存在。当BU先以酮式掺 入DNA，继而又变成烯醇式时，进一步复制使DNA中 A- T对变成 G- C对。同样道理也引起 G- C向 A- T的转换，BU可以使细菌 的突变率提高近万倍。
除BU外，还有5-溴脱氧尿苷、5-氟尿嘧啶、5-氯尿嘧 啶及它们的脱氧核苷。
另一种被广泛应用的碱基类似物是2-氨基嘌呤（2AP），是一种腺嘌呤A类似物，可和胸腺嘧啶T配对。可 再和胞嘧啶C 配对，产生A-T 、G-C的转换，或2-AP以和 胞嘧啶C 配对形式进入DNA后再和胸腺嘧啶T 配对后产生 G-C、A-T的转换。
4. 诱发突变
概念：
由各种诱变剂诱发的DNA的突变。每一种诱变剂有其对 应的特异性（如对G-C，A-T转换）和对特定的突变位点的 偏好，例如：甲磺酸乙酯（EMS）和紫外线（UV）“偏好” G-C， A-T转换，黄曲霉素B1（AFB1）则偏好于C-G，AT颠换。
诱变机制： 诱变剂通过3种机制诱发突变：取代DNA中的一个碱基；
3. 化学因素引起的DNA损伤
（1）碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤 （2）烷基剂对DNA的损伤 （3）嵌合剂对DNA的损伤。
(1) 碱基类似物对DNA的损伤
某些化学物质和正常的碱基在结构上类似，有时会替代 正常碱基而掺入DNA分子，一旦这些碱基类似物进人DNA 后，由于它们的配对能力不同于正常碱基，便引起DNA复制 过程中其对应位置上插入不正确碱基。
黄曲霉素B1（aflatoxin B1，AFB1） 一种很强的致癌剂。 在鸟嘌呤 N－7位置上形成一加成复合物后产生无嘌呤位
点。修复要求SOS系统参与。SOS越过无嘌呤位点并在这些位 点对应处选择性插入腺嘌呤，使鸟嘌呤残基脱嘌呤的试剂偏向 于产生G-C T-A颠换。
现代生活环境使人可能接触各种各样药品、化妆品、食物 防腐剂、杀虫剂、工业用试剂、污染物等，其中很多化合物已 被证明具有致癌性质。
第六章
DNA的损伤与修复
The damage and repair of DNA
DNA损伤的概念：
DNA双螺旋结构发生的任何改变。
主要分为两种： 单个碱基的改变 双螺旋结构的异常扭曲
DNA损伤修复的重要性
DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，
维护DNA分子的完整性对细胞至关紧要；
再经过DNA结合蛋白和其他因素作用下，错配率仍 在10-10。
（1）碱基的异构互变
DNA每种碱基有几种形式，称互变异构体， 异构体中原子的位置及原子之间的键有所不同。
碱基各自的异构体间可以自发发生变化（烯 醇式与酮基间互变）;
A=C T=G 上述配对发生在DNA复制时，会造成子代 DNA序列与亲代DNA不同的错误损伤.
烷化剂的种类很多，常见的有甲磺酸乙酯（EMS）、亚硝 基胍（NG）和芥子气等。
EMS能使鸟嘌呤的 N位置上有乙基，成为7一乙基鸟嘌 呤。与胸腺嘧啶配对，故能使G-C转换成A-T。
烷化剂的另一作用是脱嘌呤。例如烷基在鸟嘌呤N位上 活化糖苷键引起断裂，使嘌呤从DNA链上脱掉，产生缺口。 复制时，与缺口对应的位点上可能配上任一碱基，从而引 起转换或颠换；而且去嘌呤后的DNA容易发生断裂，引起 缺失或其他突变。
研究表明在175种已知的致癌剂中，有157种是诱变剂。这 些物质是通过诱导体细胞突变而致癌的。例如食物防腐剂AF-2。 食物熏蒸剂二溴乙烯、抗血吸虫药物、多种染发添加剂以及工 业化合物氯乙烯等都具致癌性。
因而要靠科学治理环境，保护环境就是保护人类自身。
5.1.2 DNA损伤的后果
导致DNA分子结构变化（亦即发生突变） 生物体在表型上突变
例如 5-溴尿嘧啶（BU）和 5-溴脱氧尿嘧啶（BrdU）是T结 构类似物。细菌在含BU的培养基中培养时，部分DNA中的T被BU 取代，BU有两种互变异构体，一种是酮式结构（第6位上有一个 酮基），它可以代替T而掺入DNA，并与A配对；当BU发生互变异 构成为烯醇式（第6位上是一个羟基）后，就容易和G配对。
(2) 缺失（deletion）/ 插入（insertion）
DNA链上一个或一段核苷酸的消失或加入。
例如在 E.coli的lacl基因中发现一种 4个碱基序列(CTGG) 在野生型中连续重复了 3次。J. Miller等人研究了这个基因突 变热点（hot Spots）产生的原因。发现某些热点是由重复序列 引起的。所谓热点即一个基因中比其他位点更容易发生突变的 位点。
自发水解使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落。
哺乳类动物细胞，在30ºC下，20h内DNA链自发脱落嘌呤 约1000个，嘧啶约500个。
（4）活性氧引起的碱基修饰与链断裂
细胞呼吸的副产物O2-, H2O2造成DNA损伤，产 生一些碱基修饰物（胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧 啶等），还可引起DNA单链断裂等损伤; 这些损失 的积累可导致老化。
胶联（binding）
同一条DNA链上或两条DNA链上的碱基间以共价键 结合；DNA与蛋白质之间也以共价键相连；组蛋白、染 色质中的非组蛋白、调控蛋白、与复制和转录有关的酶 都会与DNA以共价键连接。
胶联是细胞受电离辐射后在显微镜下看到的染色体 畸变的分子基础，会影响细胞的功能和DNA复制。
辐射引起DNA分子结构的多种变化
2. 物理因素引起的DNA损伤
（1）紫外线（UV）引起的DNA损伤 DNA受到大剂量紫外线（260nm）照射时，同一条链
上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体；TT, CC, CT之间都 可形成二聚体。
复制时，此处产生 空耗过程，DNA不 能复制，细胞不能 分裂，导致凋亡。
紫外线引起的DNA损伤 －－最易形成胸腺嘧啶二聚体（TT）
p53
当UVB损伤DNA造成p53突变后，突变型p53因 失去了对细胞周期的正常调控，使得损伤的DNA 继续复制，从而提高了染色体畸变的偶发率和遗 传的不稳定性，角质形成细胞极易发生克隆增生 和恶性转化。
有害物质富集 例: DDT在水环境中存在量仅为3×10-6ppm(mg/L)的时候，当