分子生物学： DNA损伤与修复

非同源末端连接模型
结合Ku
结合DNA-PKcs
联合
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
染色体联会
侧翼片段分解，连接
错配修复
未修复DNA损伤的处理 ——旁路修复机制
重组修复
易错旁路（SOS修复）
作业
人类遗传性疾病已发现4000多种，其中不少与DNA修复缺陷有关，
这些DNA修复缺陷的细胞表现出对辐射和致癌剂的敏感性增加。 例如着色性干皮病（xeroderma pigmentosum，XP）就是第一个 发现的DNA修复缺陷性遗传病，患者皮肤和眼睛对太阳光特别是
第二章 染色体与DNA
遗传物质的分子结构和性质
基因组和染色体
DNA的复制
DNA损伤与修复 重组和转座
DNA损伤与基因突变
损伤 VS 突变

损伤：DNA简单的化学变化
G-C → mG-C 突变：DNA碱基对的改变 G-C →A-T

损伤 → 突变
DNA损伤
（一）DNA分子的自发性损伤
XPA识别变性DNA中的损伤位点，并募集其他
因子。
真核生物的双链断裂修复
是真核生物最严重的DNA损伤形式。 两种方式修复DNA的双链断裂（DSB）损伤：

同源重组：细胞分裂的S期和G2期起主要作用 非同源末端连接（nonhomologous end-joining,
NHEJ）：G1期的哺乳细胞
所有的生命有机体都存在该修复机制 O6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶是一种自杀性酶
在E.coli细胞中能被烷基化的DNA所诱导。
切除修复
是修复DNA损伤最为普遍的方式，对多种DNA损伤都能起修
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。
在体外pol III核心酶的出错率约为10-5，在体内 进行DNA复制时的出错率约为10-10~10-11。
造成错误的原因分为两类：
互变异构移位（tautomeric shifts）
移码（frameshift）
互变异构移位（tautomeric shifts）
碱基可以自发地相互变化，例如烯
数约为 108 ，这占细胞 DNA 中总嘌呤数约3%。
无嘌呤位点会随机的插入一
个碱基，从而导致突变。
脱氨基
C·G→ T· A
5mC·G→
T· A
氧化损伤
有活性的氧化剂，如过氧化物原子团（O2-）、过氧化
氢（ H2O2 ），羟基（ -OH ）等需氧代谢的副产物都是 有活性的氧化剂，它们可导致DNA的氧化损伤。
紫外线十分敏感，身体暴光部位的皮肤干燥脱屑、色素沉着、容
易发生溃疡、皮肤癌发病率高，常伴有神经系统障碍，智力低下 等，病人的细胞对嘧啶二聚体和烷基化的清除能力降低。
请查阅文献回答：
在大多数着色性干皮病患者体内，哪种DNA修复系统发生了缺陷？ 为什么XP患者对UV光线十分敏感？ XP患者修复损伤的主要替代 系统是什么？

转 录 偶 联 核 苷 酸 切 除 修 复 （ transcriptioncoupled NER或TC-NER）：只修复局限于转录 链上的基因组活性区损伤。
人类全基因组的核苷酸切除修复
24~32nt
转录偶联核苷酸切除修复
TC-NER 与 GG-NER 的机制十分相似，只是
由RNA 聚合酶发挥XPC的功能，检测损伤位 点并起始DNA的溶解。
DNA修复
DNA修复（DNA repairing）是细胞对DNA受损伤
后的一种反应，这种反应可能使 DNA 结构恢复原 样，重新能执行它原来的功能；但有时并非能完
全消除 DNA 的损伤，只是使细胞能够耐受这 DNA
的损伤而能继续生存。
两条基本修复途径

直接去除损伤 移去损伤的DNA片段，补上新的DNA
醇式与酮式碱基间的互变。
这种变化就会使碱基配对间的氢键
改变，可使碱基配对异常。
移码（frameshift）
脱嘌呤
一 个 哺 乳 类 细 胞 在 37℃ 条
件下， 20h 内DNA 链上自发
脱落的嘌呤约10,000个；估 计一个长寿命不复制繁殖的 哺乳类细胞（如神经细胞）
在整个生活期间自发脱嘌呤
2-氨基嘌呤（2-AP）：一种是正常状态，一种是稀有状态
（三）化学因素引起的DNA损伤
2. 碱基修饰物:亚硝酸,羟胺,烷化剂
黄嘌呤
次黄嘌呤
羟胺
碱基的烷基化修饰引起的DNA损伤
亲电试剂 负电中心 烷基化
产生非编码碱基：3-甲基 腺嘌呤（3mA），不能与 其他碱基配对，从而阻断 DNA复制，细胞致死。
自由基就是带有不成对电子的化学物质，特别是含氧的自由基具有很高的
活性，能快速与相邻分子发生作用。
当与DNA分子发生作用时，可引起碱基的改变，DNA单链或双链的断裂
GO可与A 配对，导致C·G→ T·A
（三）化学因素引起的DNA损伤
1. 碱基类似物：
5-溴尿嘧啶（5-BU）：与T相似，分酮式和烯醇式
不改变碱基配 对，一般无害
碱基的烷基化修饰引起的DNA损伤
乙基甲烷磺酸
环境中有许多致癌物质都是亲电试剂，能够使DNA发生烷基化修饰。 一些修饰会导致突变发生，如果控制或影响细胞分裂的基因发生突
变，就会使细胞转变为癌细胞。
（三）化学因素引起的DNA损伤
3. DNA插入剂:
原黄素
吖啶橙
DNA插入剂能插在模板链或新合成两个相邻 碱基中，从而造成碱基的增加或减少。
碱基切除修复 —— 8-氧代鸟嘌呤的修复（GO系统）
核苷酸切除修复—— E.coli
如果受到损伤的是一个碱
基（如烷基化修饰），切 除片段长12nt
如果是嘧啶二聚体损伤，
切除片段长13nt
核苷酸切除修复—— 真核生物
两种途径：

全基因组核苷酸切除修复 （全基因组 NER 或
GG-NER）：修复基因组内的所有损伤
碱基切除修复
——E.coli 的碱基切除修复
糖基化酶
5’端一侧切断DNA链
AP-脱氧核糖磷酸
碱基切除修复 ——人类的BER途径
糖基化酶
• 人类细胞中是APE1 • 真核生物的 BER 过程 没有磷酸二酯酶参与， 磷酸戊糖的切除由 DNA聚合酶 β 完成 , 并 填 补 空 隙 。 但 有 1/4000的错误概率。 • APE1 具 有 3’-5’ 外 切 酶活性，其可在 DNA 聚合酶 β 发生错 误填补核苷酸时提高 50~150倍。
包括：

碱基切除修复（base excision repair, BER):主要针对碱 基改变轻微的DNA损伤，如细胞试剂引起的化学修饰。 核苷酸切除修复（nucleotide excision repair, NER)：主 要修复碱基发生重大变化的 DNA 损伤，如细胞外的诱变

剂造成的损伤。
T氧化后产生T－乙二醇，
G 氧化后产生 8- 氧代鸟嘌呤 (8-oxodG) 或“ GO” ， GO 可和 A 错配，导致
G→T。
（二）物理因素引起的DNA损伤 （1）紫外线辐射引起的DNA损伤
环丁烷环
（二）物理因素引起的DNA损伤
（2）γ射线及X射线引起的DNA损伤
电离辐射作用于DNA分子的周围介质（主要是水）生成水射解自由基。
DNA损伤的直接修复
（一）通过DNA聚合酶校正修复
（二）光复活反应

Albert Kelner以链霉菌为研究对象，研究“温度 对DNA紫外损伤修复的影响”时发现：光复活 （或光修复）机制。

包括人类在内的胎盘哺乳动物没有光复活途径。
光复活作用模型
光裂合酶的结合
嘧啶二聚体断裂， 酶被释放
（三）O6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶的作用机制