DNA的损伤和修复讲解
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DNA的损伤和修复讲述
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（三） DNA链断裂
磷酸二酯键的断裂和脱氧戊糖的破坏是引起DNA链断裂的直 接原因。
碱基的破坏和脱落在DNA链上形成的不稳定位点是DNA链断裂 的间接原因。 单链断裂（SSB）：一条链断裂的DNA双股螺旋 双链断裂（DSB）：两条链于同一处或紧密相邻处同时断裂。
19
（四）DNA交联
41
（五）. 易错修复（SOS修复
SOS repair）
“SOS”是国际上通用的紧急呼救信号。SOS修复是指DNA受到严重 损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果 只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误 较多，故又称为错误倾向修复(error prone repair)，使细胞有 较高的突变率。 此系统由十几个修复蛋白组成。调控蛋白LexA参与此 系统的启动。
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正常成人Hb (HbA)β亚基
肽链 N-val ·his · leu ·thr ·pro ·glu ·glu · · · · · · C CTC 基因 GAG 镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) β亚基 肽链 N-val ·his · leu ·thr ·pro ·val ·glu · · · · · · C CAC 基因 GTG
A· TG· C 转变
烯醇式渗入为
G· CA· T 转变 10
2、 碱基的化学修饰剂
又称化学突变剂：指对DNA链中的碱基的修饰,改变其配对 性质,进而改变DNA结构的化合物. 亚硝酸（nitrous acid HNO2） HA） EMS）
羟氨（hydroxylamine 甲磺酸乙酯（ethyl
DNA的损伤和修复
南华大学心血管疾病研究所 动脉硬化学湖南省重点实验室
（三） DNA链断裂
磷酸二酯键的断裂和脱氧戊糖的破坏是引起DNA链断裂的直 接原因。
碱基的破坏和脱落在DNA链上形成的不稳定位点是DNA链断裂 的间接原因。 单链断裂（SSB）：一条链断裂的DNA双股螺旋 双链断裂（DSB）：两条链于同一处或紧密相邻处同时断裂。
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（四）DNA交联
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（五）. 易错修复（SOS修复
SOS repair）
“SOS”是国际上通用的紧急呼救信号。SOS修复是指DNA受到严重 损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果 只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误 较多，故又称为错误倾向修复(error prone repair)，使细胞有 较高的突变率。 此系统由十几个修复蛋白组成。调控蛋白LexA参与此 系统的启动。
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正常成人Hb (HbA)β亚基
肽链 N-val ·his · leu ·thr ·pro ·glu ·glu · · · · · · C CTC 基因 GAG 镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) β亚基 肽链 N-val ·his · leu ·thr ·pro ·val ·glu · · · · · · C CAC 基因 GTG
A· TG· C 转变
烯醇式渗入为
G· CA· T 转变 10
2、 碱基的化学修饰剂
又称化学突变剂：指对DNA链中的碱基的修饰,改变其配对 性质,进而改变DNA结构的化合物. 亚硝酸（nitrous acid HNO2） HA） EMS）
羟氨（hydroxylamine 甲磺酸乙酯（ethyl
DNA的损伤和修复
南华大学心血管疾病研究所 动脉硬化学湖南省重点实验室
DNA的损伤与修复
碱基切除修复依赖于生物体内存在的 一类特异的DNA糖基化酶。 切除修复过程： （1）识别水解 （2）切除 （3）合成 （4）连接
（二）核苷酸切除修复系统识别DNA双螺旋变形
这是细胞内最重要和有效的修复方式。
其过程包括去除损伤的DNA，填补空隙和连接。
主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。
错配 (mismatch)
缺失 (deletion) 插入 (insertion)
框移 (frame-shift)
重排 (rearrangement)
（一）错配可导致编码氨基酸的改变
DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。 自发突变和不少化学诱变都能引起DNA上某一碱基的 置换。 点突变发生在基因的编码区，可导致氨基酸改变。
正常
5’ ……G C A G U A C A U G U C …… 丙 缬 组 缬 5’ ……G A G U A C A U G U C …… 谷 酪 蛋 丝
缺失C
（三）重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病
1、DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。 2、移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位
（二）缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸 排列顺序发生改变
1、缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上
消失。
2、插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插
入到DNA大分子中间。
缺失或插入都可导致框移突变 。 3、框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造 成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。
缺失引起框移突变：
嘧啶二聚体并与之结合形 成复合物；
⑵ 在 300 ～ 600nm 可见光照射
下，酶获得能量，将嘧啶 二聚体的丁酰环打开；
遗传毒理学DNA损伤与修复.pptx
① 同义突变（synonymous mutation）:由于密码子 具有兼并性，单个碱基置换后密码子所编码的是同 一种氨基酸，表型不改变。
正常
AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG … DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro
同义突变
• 转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因
组内跃迁，所以转座子又称跳跃基因（jumping
gene）。
第17页/共55页
第18页/共55页
转座子特点 • 转座以很低的频率发生，而且转座子的插入是随机的。 • 转座子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内，引
起基因表达的改变。 • 转座子也可以引起基因组序列的重排，它们的移动也和
疟疾。 4. 产生遗传易感性；如：肿瘤易感性。 5. 引起遗传病。每个健康人均由5-6个有害突变。
第27页/共55页
第二节 DNA损伤的修复机制
• 为了保证遗传信息的高度稳定性，生物细胞在进化过 程中形成了一系列多步骤的修复机制。 • 目前对DNA损伤和修复的研究还不多，仅限于辐射－ 生物反应方面。
随着世代传递长度增加，发病年龄提前，病情加重。
第13页/共55页
1.3 突变的原因
两个概念：
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
半胱 丝氨 谷氨 缬氨
改半变胱 精氨 赖氨 亮氨
读码框 DNA TGC TCG CAA GTT GA
dna损伤修复名词解释
dna损伤修复名词解释
DNA损伤修复是指生物体内存在的一种生物学过程，通过此
过程能够修复DNA分子所遭受的不同类型的损伤。
DNA是生物体遗传信息的载体，因此对其完整性的维护对于生物体的正常功能至关重要。
然而，DNA会遭受不同的损伤，包括化学
物质的作用、辐射、自然代谢产生的错误等。
DNA损伤修复
通过一系列复杂的修复机制，能够检测、识别和修复DNA中
的损伤。
常见的DNA损伤包括单链断裂、双链断裂、碱基损伤和交联等。
DNA损伤修复分为直接修复和间接修复两大类。
直接修
复主要通过特定的酶酶活性，例如光解酶和甲基转移酶，能够直接修复某些损伤，如嘧啶二聚体和甲基化。
间接修复则通过复杂的修复机制，包括核苷酸切除修复、同源重组修复和非同源末端连接等，能够修复更广泛的DNA损伤。
DNA损伤修复是维持基因组稳定性和遗传完整性的重要过程。
当DNA损伤修复机制受到破坏或不工作时，会导致细胞功能
失调、突变和肿瘤等疾病的发生。
因此，研究DNA损伤修复
机制对于理解疾病的发生和发展，以及开发相关的治疗方法具有重要的意义。
医学分子生物学 DNA的损伤和修复
42
43
（四）、错配修复
错配修复碱基来源：校正活性所漏校的碱基
使复制的保真性提高102～103倍
错配修复 系统(MRS Mismatch Repair System)
+ ----- A----- ------C--DNA mismatch
DNApol (ξ = 10-8) 经第二次校正ξ = 10-11 44
CTC GAG
镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) β亚基 肽链 N-val · ·leu · · · · his thr pro val glu ······ C 基因
CAC GTG
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（三） DNA链断裂
磷酸二酯键的断裂和脱氧戊糖的破坏是引起DNA链断
裂的直接原因。
碱基的破坏和脱落在DNA链上形成的不稳定位点是
5
紫外线的致损伤作用 ∧ ---嘧啶二聚体 (TT dimer )
…C T T A…
U.V.
6
（二）自由基致DNA损伤
自由基：指能够独立存在，核外带有未配对电子的
原子和分子。
自由基的产生可以是外界因素与体内物质共同作用
的结果。
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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后复制修复、E.coli的挽回系统
E.coli 存活%
w.t. UvrA+ RecA+
uvr arec aU.V 计量
该 系 统 存 在 的 实 验 证 据
38
★ Rec-A. gene 以某种方式参与DNA损伤修复
♦ Rec修复系统比切除修复系统更有效 ♫ Uvr系统负责切除二聚体 ♫ Rec系统负责消除没有被切除的二聚体 可能造成的后果
第15章DNA损伤与修复ppt课件
DNA突 变
平衡
DNA修 复
目录
第一节 DNA损伤
DNA Damage
目录
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
目录
n DNA复制错误：
n 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
目录
受损碱基位点
单核苷酸缺口
切除剩余磷酸核 糖，产生缺口
DNA糖 基 化 酶 识别并水解受 损碱基，产生 AP位点
AP 位 点
以对应链为模 板填补正常的 核苷酸并连接
n 核苷酸切除修复（nucleotide excision repair）
① 首先，由一个酶系统识别DNA损伤部位； ② 其次，在损伤两侧切开 DNA 链，去除两个切口之间的
n 单链断裂的直接修复
p DNA连接酶能够催化DNA双螺旋结构中一条链上缺口处 的5 -磷酸基团与相邻片段的3 -羟基之间形成磷酸二酯 键，从而直接参与部分DNA单链断裂的修复，如电离辐 射所造成的切口。
目录
二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式
➢碱基切除修复 ➢ 核苷酸切除修复
目录
n 碱基切除修复（base excision repair）
■ 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。
(二)体外因素
第三部分-DNA损伤和修复
DNA损伤和修复目录Ⅰ、DNA损伤Ⅱ、DNA损伤应答Ⅲ、DNA修复1、直接修复2、碱基切除修复（BER）3、核苷酸切除修复（NER）4、跨损伤修复5、错配修复（MMR）6、双链断裂修复重组修复（HR）非同源末端连接（NHEJ）7、链间交联修复一、主要的DNA损伤（1）DNA损伤类型图1 主要的DNA损伤类型（1）复制叉停顿（2）甲基化/烷基化——如 O6MeGua 使正常 DNA pol 不能识别，随机插入核苷酸而产生突变（3）紫外光照射——T-T 二聚化（4）Nick（单链切口）（5）Gap（单链缺口）（6）DSB（双链断裂）（7）交联（cross-link）DNA结构损伤引出DNA修复反应。
上图展示出了一些DNA基本骨架的损伤和非经典的DNA结构损伤。
O 6MeGua代表甲基托养鸟嘌呤核苷酸，T<>T代表环丁烷胸腺嘧啶二聚体，cross-link代表顺铂G-G链交叉。
（2）内源性DNA损伤1、胞嘧啶到尿嘧啶的脱氨基作用能自发的产生引起U—G错配；2、DNA一个碱基的脱嘌呤阻止了复制和转录；3、DNA非正常代谢产生的错配。
二、DNA损伤应答（1）DNA损伤的细胞反应当下的关于DNA损伤应答反应单信号通路的一般概述。
箭头代表激活事件，其垂涎代表抑制事件。
Stop标识代表细胞周期，墓碑标识代表细胞凋亡。
有箭头的DNA双螺旋代表者损伤诱导的转录，带有许多椭圆形子单元的DNA双螺旋代表着损伤诱导修复。
简便起见，相互作用的通路网络被描绘成了线性通路，其中包括信号、感受器、传感器和效应器。
（即主要有细胞周期阻滞、凋亡、诱导转录、DNA损伤修复等方面的细胞反应）图2 DNA损伤的细胞反应（2）E.coli中的SOS反应1、SOS反应：当DNA分子损伤范围较大且复制受到抑制时出现的一种修复作用。
是一种旁路修复系统，正常情况下关闭。
2、主要观点：DNA损伤导致LexA触发SOS反应，包括对许多修复酶的基因编码。
DNA的损伤修复及突变PPT课件
•47
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。
•19
➢ 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 ）。
•20
➢交联（binding） 同一条DNA链上或两条DNA链上的碱基间以共价
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。
•27
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。
•46
• 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。
移码突变： 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。
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。
•19
➢ 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 ）。
•20
➢交联（binding） 同一条DNA链上或两条DNA链上的碱基间以共价
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。
•27
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。
•46
• 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。
移码突变： 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。
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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. 5-溴尿嘧啶 5-Bromine Uracil O Br NH2 2-氨基嘌呤
2-Amino purine
O
9
OH
H
O
Br
AGCTTCCTA TCGAAGGAT
链间交联：DNA双螺旋链上一条链上的碱基和另一条链上的 碱基以共价键结合
链内交联：DNA分子中同一条链内的两个碱基以共价键结合 DNA－蛋白质交联：DNA和蛋白质以共价键结合
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第二节 DNA损伤的修复
DNA损伤的修复：指纠正错配的碱基，清除DNA链上的损伤， 恢复DNA正常结构的过程。
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。
A· TG· C 转变
烯醇式渗入为
G· CA· T 转变 10
2、 碱基的化学修饰剂
又称化学突变剂：指对DNA链中的碱基的修饰,改变其配对 性质,进而改变DNA结构的化合物. 亚硝酸（nitrous acid HNO2） HA） EMS）
羟氨（hydroxylamine 甲磺酸乙酯（ethyl
mathanesulfonate
N-甲基-N’-硝基-N-亚硝基胍 （N-mathyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidion NNG）
11
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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 ) 分子插入 TAO T -A TTTCG -T AAAGC-ATTTTTCG - AO -TAAAAAGCEB -AT EB TTTTCG-TA X AAAAGC 结果产生－－－移框突变
正常成人Hb (HbA)β亚基
肽链 N-val ·his ·leu ·thr ·pro ·glu ·glu ······ C CTC 基因 GAG 镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) β亚基 肽链 N-val ·his ·leu ·thr ·pro ·val ·glu ······ C CAC 基因 GTG
K+ 嘌呤插入酶
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3）DNA单链断裂重接
DNA单链断裂中有一部分是通过简单的重接而修复
的，只需要一种酶——DNA连接酶(ligase)参加，因此 也属于直接修复。 DNA连接酶能催化DNA双螺旋结构中一条链缺口处
的5’磷酸根与相邻的一个3’羟基形成磷酸二酯健。 连接所需的能量ATP(如动物细胞)。
:G
酮式5-BrU的渗入
AGCTBCCTA TCGAAGGAT
烯醇式enol
第一轮复制
AGCTTCCTA TCGAAGGAT
酮式到稀醇 式的转变
AGCTBCCTA TCGAGGGAT
H
O
Br
:A
第二轮复制
AGCTBCCTA TCGAAGGAT AGCTCCCTA TCGAGGGAT
酮式Keto 5-BrU
扁平染料分子
-ATTTCG -TAAAGC-ATX’TTTTCG-TAX AAAAGC-
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二、DNA损伤的类型
DNA分子中的碱基、核糖和磷酸二酯键等均是DNA损伤作用的靶点。
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
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•
紫外线的致损伤作用
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（二）自由基致DNA损伤
自由基：指能够独立存在，核外带有未配对电子的原子和分子。
自由基的产生可以是外界因素与体内物质共同作用的结果。 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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（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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1）、酶学光复活（photo reactivation ）
识别
----TT-------AA----
----TT-------AA---PR
----TT-------AA---PR
可见光激活
----TT-------AA---释放
23
烷基化碱基可以直接修复
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2）嘌呤的直接插入
嘌呤插入酶 受损嘌呤→APS →插入嘌呤（糖苷键）
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。
15
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（二）错配
DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。
1. 转换
发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤， 或嘧啶代替另一嘧啶。
2. 颠换
发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶 变嘌呤。
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物和微生物代谢产物等。
生理因素：机体代谢过程中产生的有毒物质、DNA
复制错配、DNA本身的热不稳定性。
3
一、DNA损伤的因素及其机制
（一）辐射致DNA损伤
根据作用原理的不同： 电离辐射（α粒子，β粒子，γ射线，Χ射线等） 直接作用：能量直接传递给大分子而引起结构的破坏 间接作用：辐射先作用于溶剂分子而产生活性物质从 而导致细胞损伤 非电离辐射（紫外线以及能量低于紫外线的电磁辐射）
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（三） DNA链断裂
磷酸二酯键的断裂和脱氧戊糖的破坏是引起DNA链断裂的直 接原因。
碱基的破坏和脱落在D链断裂的DNA双股螺旋 双链断裂（DSB）：两条链于同一处或紧密相邻处同时断裂。
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（四）DNA交联
DNA的损伤和修复
南华大学心血管疾病研究所 动脉硬化学湖南省重点实验室
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DNA 的损伤和修复
Mutagen (诱变剂）
碱基的化学反应
DNA 损伤
损伤的修复 完全修复
回复正常
不完全修复
畸变
不能有效修复 凋亡
2
第一节 多种因素可引起DNA损伤并 具有各自的机制
诱发DNA损伤的因素：
环境因素：辐射、化学毒物、药物、病毒感染、植