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。
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）烷化剂对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。
管理基因( caretaker genes) : 执行DNA的损伤
修复，维持基因组的完整性。如着色性干皮病的修 复基因XPA→XPF。
看门基因( gatekeeper genes) : 控制细胞信号传
导，调控细胞的增殖、分化和凋亡。如p53、 patched基因和ras等。皮肤癌的发生与看门基因突 变关系密切。
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。 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。
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，如 p53，如使得角质形成细胞的细胞 周期调控出现异常，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。
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 ； 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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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.
（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。
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
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。 突变型等位基因：任何不同于野生型等位基因的相同座位的 基因称为突变型等位基因。 正向突变：从野生型等位基因变为突变型等位基因。 回复突变：从突变型等位基因变为野生型等位基因。
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。
突变是进化和分化的分子基础:
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）。
5.2 DNA突变修复机制
1. 尿嘧啶糖基酶系统（ung修复系统）
同型异构体转换 =O -OH
同型异构体转换 -NH2 -NH
异构互变造成的复制损伤
（2）碱基的脱氨基作用
碱基的环外氨基自发脱落，C变为U，A变为次黄 嘌呤（H ），G变为黄嘌呤（X） 。 复制时，U与A配对、H和X都与C配对会导致子代 DNA序列的错误变化。
（3） 脱嘌呤与脱嘧啶 (碱基丢失)
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。
（2）电辐射引起的DNA损伤
碱基变化 细胞中的水经辐射解离后产生大量OH-自由 基，使DNA链上的碱基氧化修饰、形成过氧化物 的、导致碱基环的破坏和脱落等。 脱氧核糖变化 脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与 OH-反应，导致脱氧核糖分解，最后会引起DNA链 断裂。
DNA链断裂
脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而导致DNA链断裂。 一条链断裂称单链断裂（single strand broken）； DNA双链在同一处或相近处断裂称为双链断裂（double strand broken ）
5.1.2 DNA损伤的后果
导致DNA分子结构变化（遗传突变） 生物体在表型上发生变化（表型突变）
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
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
突变的多方向性和复等位基因 一个基因内有很多突变位点，所以，一个基因的突变也有 多方向性，从而导致一个基因可以有两个以上的等位形式—— 复等位基因。
(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。
(2) 烷化剂引起的DNA损伤（特异性错配）
某些诱变剂不掺入DNA，而通过改变碱基的结构从而引 起特异性错配，如烷化剂（是一类亲电子的化合物，具有一个 或多个活性烷基）。它们的诱变作用是使DNA中的碱基烷化。 活性烷基不稳定，能转移到其他分子的电子密度较高的位 置上，并置换其中的氢原子，使其成为不稳定的物质。 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（Mustard）等。
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