DNA的损伤、修复和突变
第5章 DNA损伤修复和突变
切除修复的种类
① 碱基切除修复
Base excision repair，BER：修复异常的碱基（uracil, hypoxanthine, alkylated bases）
② 核苷酸切除修复
Nucleotide excision repair，NER：修复大的结构变化 和双螺旋结构的异常（pyrimidine dimers, bulky base adducts）
Xeroderma pigmentosum (XP) 着色性干皮病
遗传性疾病: u 对阳光极端敏感 (by ~age 2), u 更容易得皮肤癌（风险高1000倍以上）
(by ~age 8) u UV损伤修复缺陷；
u 至少与8种不同基因缺陷有关； u 其中7种基因与切除修复有关，
这7种基因被命名伤可以被修复； 而其它生物大分子损伤后则被降解；
Ø 原因： 一方面，细胞内DNA分子的拷贝数少：必须修复
另一方面，DNA的结构决定其容易修复：可以修复
第二节 DNA损伤的类型
一、造成DNA损伤的因素 二、DNA损伤的类型
一、造成DNA损伤的因素
内在因素： DNA结构本身的不稳定； DNA复制中的碱基错配； 氧自由基(reactive oxygen species, ROS)；
u 这些二聚体可以阻断DNA复制、或者导致突变。 u 这是阳光可能引发皮肤癌的原因。
⑤ 碱基错配：
在DNA复制过程中产生、而且没有被校对作用 “纠正”的错配碱基；
DNA链的损伤
① 链的断裂：Gamma rays and x-rays
u Gamma rays、x-rays比UV能量 更高，使DNA周围的分子，特别是 水分子离子化，形成自由基，进攻 DNA，损伤碱基或者造成链的断裂。
基因突变与DNA损伤修复
烷基化和自然脱氧核糖核 苷酸降解等原因可能引起 复制错误，导致基因突变。
现代分子生物学技术可以 快速准确地检测出基因突 变和DNA结构机制等问题。
DNA损伤的原因
紫外线
紫外线是引起DNA损伤最常见的因素之一，可 导致单链断裂和交联。
氧化应激
氧化应激会造成氧自由基产生过多，从而导致 DNA碱基的氧化损伤。
结论与展望
DNA损伤与基因突变不可避免，但保护机制和修复工具应用的全面提高，为基因突变导致的病症的治疗与 预防带来新的可能。
• 因修复机制本身出错 • 特定 DNA 片段受到修复机制的攻击而发生突变
DNA修复与肿瘤治疗
1 DNA损伤修复与放疗 2 DNA修复抑制剂的应 3 单倍型复制机制治疗
敏感性
用
单倍型复制技术是现代医
癌细胞在放疗过程中的
利用药物抑制癌细胞的
学常用的生物基因治疗方
ห้องสมุดไป่ตู้
DNA 损伤和修复不如正常
DNA 修复机制，达到治疗
法之一，也具有巨大的发
细胞，临床上也用此方法
的目的。
展前景。
达到治疗肿瘤的目的。
DNA修复的临床应用
1
抗肿瘤药物筛选
根据药物抑制细胞生长的机制和细胞的 DNA 修复状况来优化方案。
2
个体化肿瘤治疗
根据患者的 DNA 修复能力和药敏信息量身定制治疗方案，提高治疗效果。
3
预防癌症
结合家族遗传病史和部分癌症与 DNA 修复相关的报道，开展“DNA九项检测”等预防性检测。
基因突变与DNA损伤修复
基因突变与DNA损伤修复是生物学研究的重要领域。本次演讲将从DNA结构、 损伤原因、修复机制、与基因突变关系和肿瘤治疗等多个方面为大家深入阐 述。
基因突变与DNA损伤修复机制的关系
基因突变与DNA损伤修复机制的关系人们常说，基因决定我们的一切。
基因是人类遗传信息的媒介，它决定了我们的生命基因，我们的体质和性格，部分决定了我们的疾病易感性。
每个人都有基因突变的可能，多数情况下，人体有自己的DNA损伤修复机制来纠正基因突变。
然而，一旦出现对修复机制来说复杂或无法处理的严重损伤，可能会增加基因突变的风险。
基因突变和DNA损伤修复机制之间的关系是怎样的呢？一、基因突变的形成基因突变是指DNA序列发生了一些突变，引起蛋白质合成发生变化。
虽然基因突变本身不一定造成问题，但某些基因突变可能导致疾病。
基因突变可以分为两类，一是基因点突变，二是基因大片段突变。
基因点突变是指一种或多种碱基发生变化，例如碱基替换（由一种碱基替换为另一种碱基）和插入或删除碱基。
基因大片段突变是指一段基因长度发生了变化，通常是由一些插入或删除事件引起。
基因突变的发生主要有两个原因。
第一个原因是自然突变，自然有一定比例的错误率。
在DNA复制过程中，DNA聚合酶（polymerase）会偶尔插入错误的碱基或产生插入或缺失。
这种错误可能最终导致基因突变。
第二个原因是暴露于致突变性物质中，例如化学物质，辐射和病毒等。
二、DNA损伤修复机制在人体内，DNA损伤是难以避免的。
DNA受到大量的化学，物理，生物诱导因素的侵害，包括氧自由基，辐射和其他环境因素。
我们的机体内包含了各种各样的DNA损伤修复机制，可以帮助我们纠正DNA损伤。
DNA损伤修复机制包括直接修复，错配修复和核苷酸切除修复等。
直接修复基本上不改变DNA碱基序列，而是对损伤进行修复。
错配修复修复碱基的错误配对。
核苷酸切除修复首先切除一个带有损伤的DNA碱基，并用新碱基代替它。
三、基因突变和DNA损伤修复机制之间的关系虽然DNA损伤修复机制可以极大地减少基因突变的发生概率，但有时错误的修复机制可能会导致基因突变或DNA损伤。
例如，一个DNA双链断裂可能被误修复成一个包括不完整的碱基配对的单链。
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。
DNA损伤和基因突变的机制和修复机制
DNA损伤和基因突变的机制和修复机制DNA是组成我们的生命的关键分子，它有着一套非常复杂的结构和功能。
然而，在生物体内，DNA受到了大量的损伤，例如来自辐射、化学品或其他环境压力的损伤等。
这种损伤可能导致基因突变，从而损害DNA的完整性和稳定性，进而损害人体健康甚至导致致命的疾病。
因此，研究DNA损伤和基因突变的机制和修复机制是极为重要的。
1. DNA损伤的机制DNA损伤主要包括单链损伤和双链损伤两种类型。
单链损伤包括碱基损伤、骨架损伤和交叉链接等，这些损伤的产生与环境的压力有关。
双链损伤则是由于DNA复制过程中出现的错误、放射线等原因造成的。
碱基损伤是最常见的DNA单链损伤类型，例如氧化损伤、烷基化、烯烃化、烷基化和糖基化等。
这些损伤可能导致DNA序列改变、细胞周期失控、细胞凋亡或肿瘤等疾病的发生。
双链损伤是DNA分子的最严重的损伤之一，其中包括直接断裂、间接断裂和复合损伤等。
直接断裂是由于辐射或某些化学物质直接作用于DNA分子而造成的损伤；间接断裂则是由于环境压力作用于DNA中的水分子而产生活性自由基，进而造成DNA双链断裂；而复合损伤则是DNA的单链损伤同时发生导致的复合损伤。
DNA的双链损伤会导致基因突变、染色体异常、细胞凋亡和肿瘤等疾病的发生。
2. 基因突变的机制基因突变是指DNA序列的改变，这些改变可能来源于环境引起的DNA损伤，或是由于某些遗传因素引起的错误。
基因突变主要有三种类型，即点突变、插入突变和缺失突变。
点突变是DNA中单个碱基的改变，它可能导致错配、替换或插入/缺失。
插入突变是指在DNA序列中插入了额外的碱基，而这些碱基可能来自外部环境或是由遗传转移得到。
缺失突变则是指DNA序列中发生了缺失或漏洞。
基因突变可能导致功能失调、信号传递失控和癌症等严重健康问题的发生。
有时，基因突变甚至可能发生在人类胚胎中，并会遗传给下一代。
3. DNA损伤和基因突变的修复机制为了避免DNA损伤和基因突变对健康的破坏，生物体进化出了一套非常复杂的DNA修复机制。
DNA的损伤修复及突变
紫外线引起的DNA损伤 －－最易形成胸腺嘧啶二聚体（TT）
19
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。
48
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。
30
体外培养的肝癌细胞吖啶橙荧光染色
荧光显微镜下（选用蓝色激发滤片），可见含DNA的细 胞核显示黄绿色荧光，含RNA的细胞质及核仁显示橘红 色荧光。
31
第二节 DNA的突变
32
如果DNA的损伤得不到有效的修复，就会造 成DNA分子上可遗传的永久性结构变化，称为 突变（mutation）。少数突变甚至有可能对细胞 是有利的。有利突变的累积可以使生物进化，使 其能更好地适合于其生存的环境。但绝大部分突 变是有害的，对于单细胞生物，不少有害突变是 致死的，对于多细胞的高等生物，有害突变会造 成病变，如代谢病和肿瘤。
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。26
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。
DNA损伤和修复机制研究及其在癌症治疗中的应用
DNA损伤和修复机制研究及其在癌症治疗中的应用DNA是生物体中最重要的物质之一，它是遗传信息的载体。
然而，DNA的完整性容易受到环境因素的影响而受损。
DNA损伤和修复机制的研究可以为癌症治疗提供帮助。
一、DNA的损伤和修复DNA损伤是指DNA结构和序列发生改变，包括单链断裂、双链断裂、碱基损伤等。
这些损伤会导致DNA的复制和转录受阻，进而导致细胞死亡或发生突变。
为了维持DNA的完整性，细胞拥有一系列复杂的DNA修复机制。
目前已知的DNA修复机制主要包括以下几种：1. 直接修复：包括光反应、甲基转移、互补修复等，主要用于修复特定类型的DNA损伤。
2. 校正修复：包括错配修复和同源重组，用于处理发生在DNA复制过程中的错配和丢失。
3. 损伤切除修复：包括碱基切除修复和核苷酸切除修复，用于处理DNA损伤如碱基损伤和单双链断裂等。
不同的DNA损伤对应不同的修复机制，不同类型的细胞拥有不同的DNA修复机制，这些修复机制的功能和协调相互作用，维持DNA的完整性和稳定性。
二、DNA损伤和修复与癌症的关系DNA损伤和修复机制与癌症的关系密切。
癌症的发生主要与基因突变相关，DNA损伤是基因突变的主要原因。
癌症细胞的DNA损伤和修复机制通常失控或异常，导致DNA的复制和转录失去控制。
因此，研究DNA损伤和修复机制在癌症中的作用，对于癌症的诊断和治疗有着重要的意义。
以肿瘤细胞为例，肿瘤细胞的DNA损伤和修复机制通常比正常细胞更容易受损。
另外，要知道，肿瘤细胞的DNA可以暴露一些新的抗原，这些抗原可以激活免疫系统，从而产生针对癌细胞的免疫反应。
因此，DNA损伤和修复机制的研究可以为肿瘤的免疫治疗提供有力的支持。
三、DNA修复机制在癌症治疗中的应用基于DNA损伤和修复机制的原理，已经开发了许多治疗癌症的药物。
这些药物的机制可以分为两大类：一类是通过干扰DNA损伤和修复机制来诱导癌细胞死亡；另一类是通过增加DNA损伤来加速肿瘤细胞死亡。
DNA损伤修复与基因突变的发生
DNA损伤修复与基因突变的发生DNA是构成生命体的基础，是生命的重要组成部分。
但是在生命的过程中，DNA受到了各种外界环境因素的干扰，如放射线、紫外线、化学物质等，这些因素会导致DNA受损和突变。
然而，出现了DNA损伤，如何修复和维护DNA的稳定性成为了一个重要的问题。
本文将从DNA损伤与修复的关系、基因突变的发生机制以及DNA修复和突变应用方面对这一问题进行讨论。
DNA损伤与修复的关系DNA在生物体内为避免损伤的发生，具有详细的修复系统和机制，以保持DNA的完整性和稳定性。
DNA损伤主要分为两类：基因突变和染色体畸变。
前者是DNA的单个碱基或小片段发生突变，如：DNA碱基损伤（如硝基化、脱氨基、酸化等）和DNA单链断裂；后者是染色体片段的变异、插入、缺失等。
多种机制负责DNA修复，包括基础修复、核苷酸切换修复、异源结束修复、同源重组修复以及DNA电子传输修复等多个层面和路径。
每个机制都具有独特的异同，各自适用于不同类型、不同程度的DNA损伤。
基础修复机制又称为直接修复，适用于对DNA双链断裂具有良好修复能力，重要的是它可以修复简单而单一的损伤。
对于单个碱基损伤，真核生物细胞通常通过两个酶进行修复：O6-甲基-鸟嘌呤-DNA甲基转移酶和构成II的酶。
O6-甲基-鸟嘌呤-DNA甲基转移酶负责从DNA中将甲基基团转移到基团中，而构成II的酶，则负责恢复鸟嘌呤的结构。
因此，基础修复机制对DNA的双链断裂修复很有帮助。
核苷酸切换修复机制是针对DNA中插入的碱基和缺失的碱基进行修复。
这种机制通过分解未成对碱基，在一个互补核苷酸插入到未成对的位点上，在DNA聚合酶的作用下修复了某一段DNA序列的完整性。
此机制对大量、复杂碱基损伤有良好作用。
异源结束修复机制主要利用两条不同的染色体，通过交换DNA中的部分，来维持信号序列的完整性。
正确地，它主要用于DNA双链断裂、复制错误等比较复杂情况下DNA的修复。
同源重组修复机制则是一种在DNA双链断裂情况下的修复机制，主要通过病变染色体找到另一个同源的染色体，以其作为模板，在染色体的可替代区域引进修复甚至重组事件。
DNA的突变及损伤修复
DNA的重组修复
胸腺嘧啶 二聚体
复制
重组 核酸酶及 重组蛋白
修复复制 DNA聚合酶 DNA连接酶
1.2 突变产生的原因
自发突变（spontaneous mutation)：由于正 常的细胞活动，或细胞与环境的随机相互作 用，这些过程所引起的生物DNA序列的改变。 诱发突变（induced mutation): 特定的化学或 物理因素引起的DNA序列改变。 Note: 所有突变都包含DNA序列的改变；
碱基丢失
糖苷酶
碱基缺陷或错配
结构缺陷
切开 AP核酸内切酶
切开 核酸内切酶
切除
核酸外切酶
切除 核酸外切酶
修复 DNA聚合酶
连接 DNA连接酶
2. 3 DNA直接修复 （direct repair）
生物体内存在多种DNA损伤以后而并 不需要切除碱基或核苷酸的机制，把损 伤的碱基回复到原来状态的一种修复方 式称为DNA的直接修复。
DNA突变 的类型
碱基对的置换 (substitution)
野生型基因
-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-
移码突变 (framesshift mutation)
转换
-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-
2.2.2 核苷酸切除修复 （nucleotide-excision repair）
当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致 双链之间无法形成氢键，在一系列酶的作用下， 将DNA分子中受损伤部分切除掉，并以完整的那 一条链为模板，合成出切去的部分，然后使DNA 恢复正常结构的过程。
DNA的损伤和切除修复
第五章 DNA损伤修复和基因突变基因突变
•
•
3 基因突变
• 一个正常的生物体叫作野生型（wild type, WT） • 如果DNA发生改变，就会使生物体的某 些性状有所改变，这种改变了性状的生 物体相对于正常的生物体来说，就成为 突变体（mutant）。
• 所有的组织都有可能随机地与环境反应产生 突变，这种突变叫做自发突变（spontaneous mutagenesis）。 • 自发突变的发生率对每个组织来说都是特征 性的，这种特征是背景水平（background lever）的突变。 • 使用了诱变剂的突变叫诱发突变（induced mutagenesis）。
•
¾2.1.2错配修复系统
• 错配修复(mismatch repair）对DNA复制忠 实性的贡献率达10-2-10-3 ，DNA子链中的错 配几乎完全被修正，这充分反映了母链的 重要性。 • 该系统识别母链的根据来自Dam甲基化酶， 它能使位于5‘GATC序列中腺苷酸的6N位甲基 化。
• 一旦复制叉通过复制起始位点，母链就会 在开始DNA合成前的几秒至几分钟内被甲 基化。 • 只要两条DNA链上碱基配对出现错误，错 配修复系统就会根据“保存母链，修正子 链”的原则，找出错误碱基所在的DNA链， 并在对应于母链甲基化腺苷酸上游鸟苷酸 的5’位置切开子链，再根据错配碱基相对 于DNA切口的方位修复路径，合成新的子 链片段。
次黄嘌呤
Lac I，复制平均错误率10-9 DNA复制中的错误水平10-7—10-11 研究发现有一些基因的突变可以大 大提高整个基因组其它基因的突变率，这些 基因被称为增变基因(mutator genes)。
多个碱基改变造成的突变
转座子插入、重组错误
•
突变如何对表型产生影响
同义突变（synonymous mutation）指没有改变 产物氨基酸序列的密码子变化，与密码子的简 并性有关。 错义突变 （ missense mutation ）指碱基序列的 改变引起了产物氨基酸序列的改变。 无义突变（nonsense mutation或null mutation)指 某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变 为蛋白质合成的终止密码子，导致肽链合成过 早终止。
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图5-6 烷基化碱基的直接修复
5.1.2.2 切除修复
先切除受损的碱基或核苷酸，重新合成正常的核苷酸， 再经连接酶重新连接，前后经历识别、切除、重新合成和重 新连接四步。 由于这些酶的作用不需可见光激活，也叫暗修复。切除 修复不仅能消除由紫外线引起的损伤，也能消除由电离辐射 和化学诱变剂引起的其他损伤。切除修复一般发生在下一轮 DNA复制之前，又称复制前修复。 切 除 修 复 分 为 碱 基 切 除 修 复 (BER) 和 核 苷 酸 切 除 修 复 (NER)。BER直接识别具体的受损碱基，识别的标记是受损碱 基的化学变化，而NER识别损伤对DNA双螺旋结构造成的扭 曲。BER中还有一类专门修复DNA复制中产生错配碱基对的 机制，称为错配修复(MMR)。
相同的DNA也只有一对，如果DNA的损伤或遗传信息的改变 不能更正，对体细胞就可能影响其功能或生存，对生殖细胞
则可能影响到后代。
DNA损伤的后果
DNA 修复机制
短期效应
生理功能紊乱 细胞死亡 异常增生和代谢
基因表达异常 细胞增殖减少 基因组不稳定
信号传导异常
长期效应
老化 肿瘤 疾病
所以在进化过程中生物细胞所获得的修复DNA损伤 的能力就显得十分重要，也是生物能保持遗传稳定性之 奥秘所在。 在细胞中能进行修复的生物大分子也就只有DNA， 反映了DNA对生命的重要性。 另一方面，在生物进化中突变又是与遗传相对立统 一而普遍存在的现象，DNA分子的变化并不是全部都能 被修复成原样的，正因为如此生物才会有变异、有进化。
③去除损伤。2个切口之间的带有损伤的DNA片段被去
除。 ④填补缺口。由DNA聚合酶完成。
⑤缝合切口。由DNA连接酶完成。
核苷酸切除修复(NER)主要用来修复导致DNA结
构发生扭曲并影响到DNA复制的损伤。 NER可分为全局性基因组NER(GGR)和转录偶联
性NER(TCR)。
GGR负责修复整个基因组的损伤，速度慢，效 率低；TCR专门修复那些正在转录的基因在模板链上
在可见光的存在下，DNA光解酶(photolyase，光复活酶)
可将 环丁烷二聚体再分解为单体。
这些酶含有可吸收蓝光并将能量转移到待切环丁烷环中 的辅基 。E. coli 的光解酶含有2个色素分子，N5，N10-次
甲基四氢叶酸和还原性的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。
光复活对嘧啶二聚体是专一性的。是损伤被“直接修复” 的一种例子，是无差错的。
非甲基化GATC的5’-端
UvrD: 解链酶，催化被切开的含有 错配碱基的子链与母链的分离
图5-15 E. coli错配修复的详细过程
5.1.2.3 DSBR(Double-stranded break repair)
DNA断裂特别是双链断裂是一种极严重的损伤。这种损 伤难以彻底修复，因为双链断裂修复难以找到互补链来提供 修复断裂的遗传信息。 细胞主要用两种机制来修复DNA双链断裂：第一种是同 源重组，通过同源重组从同源染色体那里获得合适的修复断 裂的信息，精确度较高；第二种称为非同源末端连接(NHEJ)，
的损伤，速度快，效率高。
UvrA:损伤识别，充 当分子接头 UvrB: 损伤识别，具 有ATP酶和核酸内切 酶活性 UvrC: 具有内切核酸 酶活性 UvrD: II型解链酶 DNA 聚 合 酶 I/II ： 填
补空缺
DNA 连 接 酶 ： 缝 合 切口
图5-12 E. coli核苷酸切除修复的详细过程
切除修复是修复DNA损伤最为普遍的方式。对多种DNA损伤 包括碱基脱落形成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、 单链断裂等都能起修复作用。 这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中，也是人体细胞主
要的DNA修复机制。
修复过程需要多种酶的一系列作用。
DNA的损伤和切除修复
碱基丢失
糖苷酶
碱基缺陷或错配
结构缺陷
上的无损伤的互补序列。
图5-8 尿嘧啶的切除修复
图5-10 真核细胞的碱基切除修复
5.1.2.2.2 NER
NER主要用来修复导致DNA结构发生扭曲并影响到DNA复制 的损伤，如可造成DNA发生大约30度弯曲的嘧啶二聚体，此外，大
约20%由ROS造成的碱基氧化性损伤也由它修复。
NER识别损伤并不针对损伤本身，而是针对损伤对DNA双螺 旋结构造成的扭曲，故许多不同的损伤能被相同的机制和几乎同一 套修复蛋白修复。
环境因素：
化学因素——化学诱变剂； 物理因素——紫外辐射、离子辐射。
DNA损伤可分为碱基损伤和DNA链的损伤。
图5-1 DNA分子上可能遭遇到的各种损伤
碱基损伤有5个亚类 (1 嘌呤最为普遍。黄曲霉毒素B1能加剧此反应，导致癌症。
在无序列同源的情况下，让断裂的末端重新连接起来，精确
性低，是人类修复双链断裂的主要方式。
环丁烷嘧啶二聚体或6-4光产物。
(5) 碱基错配
引起错配的原因有DNA复制过程中4种脱氧核苷三磷酸浓度的失 调、碱基的互变异构或碱基之间的差别不足以让聚合酶正确区分。 尽管聚合酶可纠正大部分错配的碱基，但仍有“漏网之鱼”。
DNA链的损伤又分为3个亚类： (1) 链的断裂
单链断裂和双链断裂，由离子辐射(X射线、 射线)和某些化学试 剂的作用，如博来霉素。链断裂是极严重的损伤，当DNA出现太 多的裂口(特别是双链裂口)时，往往难以修复，导致细胞死亡。 癌症放疗的原理就在于此。
5.1 DNA损伤及其修复
DNA与其他生物大分子一样会遇到各种因素造成的 损伤。DNA损伤如果不修复，不仅会影响到DNA的复制
和转录，还可能导致细胞的癌变或早衰甚至死亡。
为避免DNA损伤的不良后果，细胞往往会尽量修复 DNA损伤，而不是简单地将其水解，因为一个细胞内的
同一种DNA分子不像蛋白质和RNA那样有多个拷贝，如
(2) DNA链的交联
一些双功能试剂导致DNA发生链间交联，如顺铂和丝裂霉素。
(3) DNA与蛋白质之间的交联
紫外线可诱导DNA与结合在其上的蛋白质之间形成共价交联。
图5-4 离子辐射引起的DNA链断裂
5.1.2 DNA的修复机制
尽管DNA损伤的形式很多，但细胞内存在十分完善的修 复系统。基本上每一种损伤在细胞内都有相应的修复系统(有 时不止一种)。 细胞内的绝大多数修复系统将损伤的核苷酸与周围的正 常核苷酸一起切除，以另一条互补链上正常的核苷酸序列为 模板，重新合成核苷酸，取代原来异常的核苷酸。
图5-14 哺乳动物细胞的GGR和TCR
MMR(mismatch repair)
错配修复是在含有错配碱基的DNA分子中，使正常核苷 酸序列恢复的修复方式；主要用来纠正DNA双螺旋上错配的 碱基对，还能修复一些因复制打滑而产生的小于4nt的核苷酸 插入或缺失。 现已在大肠杆菌、酵母和哺乳动物中发现了这一系统。 MMR的过程需要区分母链和子链，做到只切除子链上错
果将其水解，细胞也就失去了存在的基础；此外，DNA 的互补双螺旋结构使受损伤的DNA分子很容易修复。
5.1.1 导致DNA损伤的因素及损伤类型
导致DNA损伤的因素包括细胞内的和环境中的因素。 细胞内的因素：
DNA结构本身的不稳定；
DNA复制过程中自然发生的错误，主要是碱基错配； 细胞内活性氧(ROS)带来的破坏作用。
误的核苷酸，而不会切除母链上本来就正常的核苷酸。修复
的过程是：识别出正确的链，切除掉不正确的部分，然后通 过DNA聚合酶III和DNA连接酶的作用，合成正确配对的双链
DNA。
修复时首先要区别模板链和新合成的DNA链，这是通
过碱基的甲基化来实现的。半甲基化DNA成为识别模板链 和新合成链的基础。 错配修复发生在GATC的邻近处，故这种修复也称为 甲基指导的错配修复。
而后PR酶就从DNA上解离下来。
图5-5 嘧啶二聚体的直接修复
5.1.2.1.2 烷基化碱基的直接修复
烷基转移酶参与烷基化碱基的修复。 大肠杆菌中，6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶(Ada酶)直接修复 6-甲基鸟嘌呤、4-烷基胸腺嘧啶和甲基化的磷酸二酯键。Ada
酶以活性中心的1个Cys残基作为甲基受体，一旦得到甲基就
切开 AP核酸内切酶
切开 核酸内切酶
切除
核酸外切酶
切除 核酸外切酶
修复 DNA聚合酶
连接 DNA连接酶
5.1.2.2.1 BER
DNA糖苷酶切除受损的 碱基，产生无嘌呤或无嘧啶 位点(AP site)。AP内切酶在 此AP site上游切开DNA链，
随后在DNA聚合酶催化下，
切口的 3’-OH端进行DNA的 修复合成，模板是另一条链
光复活是针对紫外线引起DNA损伤而形成的胸腺嘧啶
二聚体，在损伤部位进行修复的修复途径。光复活作用在可 见光的活化下，由光复活酶(PR酶, 又称光解酶)，催化胸腺 嘧啶二聚体分解成为单体。
PR酶先与DNA链上的胸腺嘧啶二聚体结合成复合物；
复合物以某种方式吸收可见光，并利用光能切断二聚体之间 的两个C-C键，使胸腺嘧啶二聚体变为两个单体，恢复正常，
失活，因此是一种自杀酶。 MGMT-II是另一种烷基转移酶。
5.1.2.1.3 DNA链断裂的直接修复
这种修复由DNA连接酶催化，但裂口必须正好是DNA连 接酶的底物，即相邻的5’-P和3’-OH。
无差错直接修复
烷基转移酶
• 损伤：烷化剂使鸟嘌呤或 O6位甲基化，改变它的配对性质。 • 修复：烷基转移酶特异性地转移O6 –甲基鸟嘌呤或 O6 –乙基鸟嘌呤 上的甲基或乙基基团到酶分子的半胱氨酸上，从而修复DNA损伤。
错配修复是一个低效率、高耗能的过程。所有错配都
可由这一系统修复，但其中以G－T错配修复更为有效，C －C错配的修复为弱。
如何识别新链和旧链？
Methyl group
G T
GATC CTAG