DNA损伤突变和修复

1基因突变（genemutation）:在生物进化过程中，由于生物体内外环境多种因素的影响，使遗传物质的结构改变而引起遗传信息的改变，均可称为突变。从分子水平来看，突变主要表现为DNA分子上碱基的改变。P682各种体内外因素所导致的DNA组成与结构的变化称为DNA损伤（DNAdamage）(1)DNA的结构发生永久性改变，即突变(2)导致DNA失去作为复制和/或转录的模板的功能，使细胞的功能出现障碍，重则死亡。DNA损伤的后果:3生物多样性依赖于：DNA突变DNA修复平衡受损细胞的转归，很大程度上取决于DNA的修复效果：（1）正确有效的修复（2）损伤严重，不能被有效修复（3）不完全修复4突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础。（二）只有基因型改变的突变形成DNA的多态性这种突变没有可察觉的表型改变，如兼并密码子第三位碱基的改变、蛋白质非功能区段上编码序列的改变等。多态性用于描述个体之间的基因型差别现象。（三）致死性的突变可导致个体、细胞的死亡（利用此特性消灭有害病原体）。（四）突变是某些疾病的发病基础。P695第一节多种因素可引起DNA损伤并具有各自的机制6一、引起DNA损伤的因素*紫外线照射*电离辐射自发突变：频率：10-9*5-溴尿嘧啶(5-BU)*羟胺*亚硝酸盐*氮芥类物理生物化学诱变因素病毒等P707（一）DNA的自发性损伤P701、DNA的复制错误2、DNA的修复合成修复系统将DNA损伤部位的一段DNA切除，再以互补链为模板重新合成DNA，又称DNA非程序合成。3、碱基的自发突变脱氨基:A、G、C环外氨基丢失碱基丢失:无碱基位点(AP部位)4、正常代谢产物对DNA的损伤氧自由基造成DNA链断裂8嘌呤碱(purinebases)CNCCCNNNCHHH123456789HCNCHCCCNNHCHNH26O鸟嘌呤(2-氨基，6-氧嘌呤)腺嘌呤Adenine（6-氨基嘌呤）2CNCCCCNNHCHH2N6GuanineH9O嘧啶碱（pyrimidinebases）HCNHCCHCHN123456OONCHNCHCCHH尿嘧啶（U）OCHNCCCHNHCH3胸腺嘧啶（T）NH2OCCNCHCHNH胞嘧啶（C）（2-氧,4-氨基嘧啶）（2,4-二氧嘧啶）（5-甲基尿嘧啶）10CNCHCCCNNHCH6HO次黄嘌呤CNCCCCNNHCH6HOHO黄嘌呤脱氨基Guanine2CNCCCCNNHCHH2N6HOCNCHCCCNNHCHNH26Adenine11OONCHNCHCCHH尿嘧啶（U）NH2OCCNCHCHNH胞嘧啶（C）脱氨基12（二）环境造成的DNA损伤P701、紫外线引起的DNA损伤UVTGAACCACTTGG胸腺嘧啶二聚体DNA之间交联DNA与蛋白质交联DNA链断裂132、电离辐射引起DNA损伤（1）导致碱基变化主要由·OH自由基引起，包括DNA链上碱基氧化修饰、过氧化物形成、碱基环的破坏和脱落等。（2）导致脱氧核糖变化脱氧核糖上每个碳原子和羟基上氢都能与·OH反应,导致脱氧核糖分解，最终引起DNA链断裂（3）导致DNA链断裂可使脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而导致DNA链断裂。有单链断裂、双链断裂等不同形式。（4）引起DNA链交联DNA-DNA交联、DNA-蛋白质交联。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143、烷化剂引起DNA损伤（1）导致碱基烷基化G的N7和A的N3最容易烷基化，G的N7被烷基化后改与T配对，G-C→A-T（2）导致碱基脱落G烷基化后的糖苷键不稳定，易脱落形成DNA上无碱基位点，复制时可插入任何核苷酸，使序列改变。（3）导致DNA链断裂磷酸二酯键上的O易烷基化，形成不稳定的磷酸三酯键，糖与磷酸间发生水解，DNA链断裂。（4）引起DNA链交联单功能基烷化剂：甲基甲烷碘酸双功能基烷化剂：DNA链内、链间、以及与蛋白质的交联氮芥、硫芥；环磷酰胺；二乙基亚硝酸15R|+R|+-烷基化鸟嘌呤m7G鸟嘌呤G鸟嘌呤*G*（1）电荷平衡N1脱氢123456789烷基化例：当“G”的N7-位烷基化→N+7-R，会出现两种情况：（1）电荷平衡，N1脱氢；16G*少了一个氢键条件，G*不能与C配对，改为与T配对。导致基因转换型突变。•……G*……•……T……•5´……G……•3´……C……G烷基化N1脱氢17（2）G烷基化后，糖苷键断裂出现脱嘌呤现象。插入碱基修复时，有1/4的可能性恢复正常，有3/4的可能性变异。1.GG正常2.GA3.GT4.GC——变异了R18损伤交连这种“X”型的交连，导致染色体畸变，细胞容易死亡。两条双链DNA194、碱基类似物、修饰剂引起碱基对的改变（1）碱基类似物用作促突变剂或抗癌药物5-氟尿嘧啶（5-FU）、5-溴尿嘧啶（5-BU）、2-氨基腺嘌呤（2-AP）。（2）某些化学物质能专一修饰DNA链上碱基亚硝酸盐：使C脱氨变成U，经复制使G-C→A-TA脱氨基变成I，I与C配对，结果A-T→G-C黄曲霉素B：专一攻击DNA上碱基，导致序列变化这些均为诱发突变的化学诱变剂或致癌剂20OCH3OOOOONADPH+H++O2OOCH3OOOOOH2NNHNNNO+OHOCH3OOOOOH2NNNHNNOP450黄曲霉素是致肝癌的重要危险因子——黄曲霉素B1经CYP作用生成的黄曲霉素2,3-环氧化物可与DNA分子中鸟嘌呤结合，引起DNA突变。黄曲霉素B12,3-环氧黄曲霉素DNA-鸟嘌呤环曲霉素与DNA的结合产物谷胱甘肽结合产物OOCH3OOOOO+GSHGSTOCH3OOOOOSGHO21二、DNA损伤的类型单点突变、多点突变转换、颠换链内共价交联链间共价交联电离辐射、某些化学试剂使链内磷酸二酯键断裂DNA重组DNA损伤碱基突变DNA链断裂DNA链交联插入或缺失单个碱基、多个碱基、一段序列的插入或缺失DNA分子内发生较大片段的交换。P6922一个碱基的变异。有转换同型碱基和颠换异型碱基。转换:一种嘌呤换成另一种嘌呤或一种嘧啶换成另一种嘧啶。颠换:嘌呤换成嘧啶或嘧啶换成嘌呤。点突变点突变pointmutation（错配mismatch）P6923GTG镰刀形红细胞性贫血HbS基因CAC正常成人HbA基因GAGCTCHbA肽链N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·············-C（146）HbS肽链N-val·his·leu·thr·pro·val·glu·············-C（146）镰刀形红细胞性贫血患者HbS与正常成人HbA比较24HbS的红细胞正常人红细胞HbS与HbA红细胞形态25•插入：一个碱基或一段核苷酸插入到DNA大分子中•缺失：一个碱基或一段核苷酸从DNA上消失•框移突变：由于缺失和插入，使三联体密码的阅读方式改变。但3个或3n个核苷酸插入或缺失不一定引起框移突变(frame-shiftmutation)。5′….UCACGACAUAUG….3′丝精组蛋5′….UCAGACAUAUG….3′丝天冬异亮缺失mRNA插入(insertion)、缺失(deletion)和框移突变P6926由基因重排引起的两种地中海贫血基因型DNA分子内发生较大片段的交换，也称为重组。重排（rearrangement）P6927由基因重排引起的两种地中海贫血基因型28第二节DNA损伤修复机制是遗传保守性的重要保障29DNA修复（DNArepair）是指纠正DNA两条单链间错配的碱基、清除DNA链上受损的碱基或糖基、恢复DNA的正常结构的过程。DNA修复是机体维持DNA结构的完整性与稳定性，保证生命延续和物种稳定的重要环节。30正常修复功能修复功能缺陷31DNA修复的特定通路DNA断裂重组（HR）和非重组修复（NHEJ）氧化损伤单碱基剪切修复DNA加成物多碱基剪切修复铰链物NER,HR&NHEJ的综合修复32人类DNA修复通路修复类型基因种类损伤种类单碱基剪切修复DNAligase(LIG3),单碱基损伤DNAglycosylase(MBD4,MPG,MYH,NTH1,OGG1,SMUG1,TDG,UNG),APE1,APE2,XRCC1,ADPRT,ADPRTL2,ADPRTL3...多碱基剪切修复XPA,XPC,XPE,XPF/ERCC4,多碱基损伤XPG/ERCC5,ERCC1,LIG1,（紫外线、吸烟）CSB/ERCC6,CSA/CKN1,XAB2,TFIIH(XPB/ERCC3XPD/ERCC2,GTF2H1,GTF2H2\1,GTF2H3,GTF2H4,CDK7,CCNH,MNAT),DDB1,DDB2,MMS19,CENN2,AD23A,RAD23B,RPA1,RPA2,RPA3...碱基错配修复MSH2,MHS3,MSH6,MSH4,碱基错配MSH5,MLH1,MLH3,PMS1,PMS2,PMS2L3,PMS2L4...Woodetal,Science,2001重组修复RAD50,RAD51,RAD51B,RAD51C,DNA双链断裂RAD51D,RAD54L,RAD54B,V(D)J重组RAD52,DMC1,MRE11A,NBS1,ERCC1,XPF/ERCC4,XRCC2XRCC3,XRCC4,XRCC5,XRCC6XRCC7,XRCC8,BRCA1,BRCA2...33•DNA损伤修复：对已发生分子改变的DNA进行补偿措施，使其回复为原有的天然状态。DNA损伤修复的主要机制（一）光修复（二）切除修复（三）重组修复（四）SOS修复34一、某些DNA损伤可以直接修复1、二聚体可被光复活酶直接修复（光修复）UV•紫外线照射可引起核酸链上相邻的两个胸腺嘧啶形成二聚体TT。•光修复过程是通过光复活酶催化而完成的，需300~600nm波长照射激活。嘧啶二聚体的形成与解聚光修复酶P71352、DNA断裂口可以直接修复在5´-P端和3´-OH端未受损伤情况下，连接酶能直接修复因电离辐射等因素造成的DNA断裂口。3、烷基化碱基可以直接修复大肠杆菌中有一种Ada酶，能将烷基不可逆地转移到自身，从而修复甲基化碱基和甲基化的磷酸二酯键，同时其自身失活。36二、切除修复(excisionrepair)是常见的修复方式定义在有关酶和蛋白质的作用下，去除DNA链的损伤部分，用执行修复功能的DNA聚合酶催化dNTP聚合而填补缺口，最后用连接酶将修复过的链与无损伤的链两端连接起来。是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。过程①识别、②切除、③合成、④连接P71371、单个核苷酸的切除修复①特定的DNA糖苷酶识别并切除受损碱基②AP核酸内切酶识别裸露脱氧核糖上的AP位点（apurinicandapyrimidinicsites,无嘌呤和无嘧啶位点）,在该位点5´端切开，核酸外切酶从5´→3´方向切除脱氧核糖残基。③由DNA聚合酶和连接酶修复缺口382、核苷酸片段切除修复原核生物参与切除修复的酶及蛋白质UvrA、UvrB(辨认和结合DNA损伤部位)UvrC(去除损伤链)polⅠ(填补空隙)DNA连接酶(连接缺口)真核生物除去损伤链：XP蛋白395’5’3’3’①UvrA、UvrB辨认及结合DNA损伤部位UvrBUvrAUvrC置换UvrA②UvrC5533UvrC切除损伤部位③POH切除修复过程（E.coli）DNA-polⅠ填补空隙dNTP④5533POHOHDNAligase连接缺口ATP⑤ADP40三、重组修复(recombinationrepairing)当DNA分子的损伤面较大时，来不及修复完善就进行复制，损伤部位因无模板指引，复制的新子链会出现缺口。重组蛋白RecA将另一股健康的母链与缺口部分进行交换，以填补缺口。健康的母链产生的缺口由polI和连接酶复原。原有的损伤仍存在，但随着多次复制，损伤的比例越占越少。P7141切下正常母链的DNA片段并插入因损伤而未被复制的子链缺口上；正常母链带缺口RecA重组后，一个子代DNA双链中，母链仍有缺陷，但子链正