第34章DNA的復(fù)制和修復(fù)(改)

1、 Replication Replication Repair of DNARepair of DNAChapter34 DNAChapter34 DNA的復(fù)制和修復(fù)的復(fù)制和修復(fù)王鏡言王鏡言生物化學(xué)生物化學(xué)（下冊）（下冊）問題問題1 1：復(fù)制子復(fù)制子（repliconreplicon）基因組能獨立進行復(fù)制的單位基因組能獨立進行復(fù)制的單位復(fù)制起點特征復(fù)制起點特征（復(fù)制原點，（復(fù)制原點，origin, origin, oriori）富含富含ATAT的區(qū)段？的區(qū)段？問題問題2 2：DNADNA復(fù)制需要的酶和蛋白質(zhì)復(fù)制需要的酶和蛋白質(zhì)問題問題3 3：DNADNA復(fù)制為什么需要引物？復(fù)制為什么需要引物？

2、問題問題4 4：DNADNA復(fù)制需要的條件？復(fù)制需要的條件？DNADNA復(fù)制引物復(fù)制引物切口（切口（nicknick）：）：DNADNA的某一條鏈失去一個磷酸二酯鍵的某一條鏈失去一個磷酸二酯鍵缺口（缺口（gapgap）：）：失去一段單鏈失去一段單鏈蛋白酶有限水解蛋白酶有限水解大片段大片段（KlenowKlenow片段）：片段）：聚合酶、聚合酶、3535核酸外切酶的活性核酸外切酶的活性合成時起校對功能，并負責(zé)切除引物合成時起校對功能，并負責(zé)切除引物DNA pol IDNA pol I小片段：小片段：5 3 5 3 核酸外切酶活性核酸外切酶活性參與參與DNADNA損傷修復(fù)損傷修復(fù)DNADNA聚合酶

3、聚合酶和和（polpol、 pol pol）：）：DNA polDNA pol：修復(fù)酶，沒有修復(fù)酶，沒有5353核酸外切酶活性核酸外切酶活性DNA polDNA pol：DNADNA的復(fù)制酶（的復(fù)制酶（replicasereplicase） 全酶全酶( (holoenzyme)holoenzyme)大約大約1010種亞基組成，含種亞基組成，含ZnZn2+2+ DNADNA聚合酶聚合酶（polpol）亞基組成）亞基組成核心酶核心酶 ：5 3DNA5 3DNA聚合聚合 ：3535外切酶外切酶, , 校對校對 ：組建核心酶組建核心酶復(fù)合物復(fù)合物（夾子裝配器）（夾子裝配器） ：核心酶二聚化核心酶二聚化

4、 ：倚賴倚賴DNADNA的的ATPATP酶酶 ：形成形成 復(fù)合物復(fù)合物 ：形成形成 復(fù)合物復(fù)合物 ：形成形成 復(fù)合物復(fù)合物 ：形成形成 復(fù)合物復(fù)合物 ：兩個兩個 形成活動夾子形成活動夾子 提高酶持續(xù)合成能力提高酶持續(xù)合成能力DNADNA聚合酶聚合酶IVIV和和V V 當(dāng)當(dāng)DNADNA受到嚴重損傷時，誘導(dǎo)產(chǎn)生這兩種酶受到嚴重損傷時，誘導(dǎo)產(chǎn)生這兩種酶 能跨越損傷部位，以克服復(fù)制障礙為目的，進行能跨越損傷部位，以克服復(fù)制障礙為目的，進行DNADNA的的錯誤錯誤傾向修復(fù)傾向修復(fù)（errorprone repairerrorprone repair）DNA DNA 連接酶連接酶（DNA ligaseDN

5、A ligase）：E.coli E.coli DNA ligaseDNA ligase：催化雙鏈催化雙鏈DNADNA中一條鏈切口處的中一條鏈切口處的5-5-P P與與3-3-OHOH連接形成磷酸二酯鍵。連接形成磷酸二酯鍵。能源：能源：動物動物ATPATP；細菌細菌NADNADT T4 4 DNA ligase DNA ligase：在模板鏈的基礎(chǔ)上連接在模板鏈的基礎(chǔ)上連接DNADNA和和DNADNA之間的切口之間的切口 連接平頭和粘性雙鏈連接平頭和粘性雙鏈DNADNA 連接連接DNA-RNADNA-RNA、RNA- DNARNA- DNA、RNARNA- -RNARNA之間的裂口之間的裂口拓

6、撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶（topoisomerasetopoisomerase）：引起拓撲異構(gòu)反應(yīng)的酶：引起拓撲異構(gòu)反應(yīng)的酶I I型：型：能使能使DNADNA一條鏈斷裂和再連接，無需能量，如：拓撲異構(gòu)酶一條鏈斷裂和再連接，無需能量，如：拓撲異構(gòu)酶I I（ 蛋白）蛋白），廣泛存在于原核和真核生物；主要集中于轉(zhuǎn)錄活性，廣泛存在于原核和真核生物；主要集中于轉(zhuǎn)錄活性區(qū)，與區(qū)，與轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄有關(guān)有關(guān)型：型：能使能使DNADNA雙鏈斷裂和再連接，引入超螺旋時需要雙鏈斷裂和再連接，引入超螺旋時需要ATPATP供能。供能。如：拓撲異構(gòu)酶如：拓撲異構(gòu)酶IIII（細菌（細菌DNADNA旋轉(zhuǎn)酶）；旋轉(zhuǎn)酶）；主要分布于染色質(zhì)骨

7、架主要分布于染色質(zhì)骨架蛋白及核的基質(zhì)部位，與蛋白及核的基質(zhì)部位，與復(fù)制復(fù)制有關(guān)有關(guān)DNADNA解螺旋酶解螺旋酶（helicasehelicase）功能功能：解開解開DNADNA雙鏈；通過水解雙鏈；通過水解ATPATP獲得能量，每解開一對堿基需獲得能量，每解開一對堿基需要水解兩個要水解兩個ATPATP。水解水解ATPATP活力需要單鏈活力需要單鏈DNADNA存在存在參與參與DNADNA復(fù)制復(fù)制的解螺旋酶的解螺旋酶：DnaBDnaB（ 55 33）參與參與DNADNA修復(fù)修復(fù)的解螺旋酶：的解螺旋酶：解螺旋酶解螺旋酶I I、IIII、IIIIII（ 5 35 3） rep rep 蛋白蛋白（3 53

8、 5）（六）（六） DNA DNA 的半不連續(xù)復(fù)制：的半不連續(xù)復(fù)制：岡崎（岡崎（19681968）1 1、概念：、概念：DNADNA、RNARNA合成方向合成方向5353DNADNA雙鏈沿復(fù)制叉移動時，子鏈合成方向相反雙鏈沿復(fù)制叉移動時，子鏈合成方向相反一條鏈合成方向與復(fù)制叉同向，連續(xù)復(fù)制（一條鏈合成方向與復(fù)制叉同向，連續(xù)復(fù)制（前導(dǎo)鏈前導(dǎo)鏈）另一條鏈合成方向與復(fù)制叉方向相反，不連續(xù)（另一條鏈合成方向與復(fù)制叉方向相反，不連續(xù)（滯后鏈滯后鏈、隨后鏈）、隨后鏈）33滯后鏈滯后鏈55前導(dǎo)鏈前導(dǎo)鏈1060Nt55335533復(fù)制叉移動方向復(fù)制叉移動方向 岡崎片段岡崎片段（Okazaki fragment

9、sOkazaki fragments）：DNADNA復(fù)制過程中出現(xiàn)不連續(xù)片段復(fù)制過程中出現(xiàn)不連續(xù)片段原核：原核：1000-2000 1000-2000 NtNt真核：真核：100-200 100-200 NtNt引物：引物： 10 10NtNt RNARNA短片段短片段( ( RNARNA引物合成酶引物合成酶) ) DNADNA復(fù)制的過程復(fù)制的過程復(fù)制體復(fù)制體（replisomereplisome）：DNADNA合成的復(fù)制叉上，各種與復(fù)制有關(guān)的酶和蛋白因子結(jié)合著形合成的復(fù)制叉上，各種與復(fù)制有關(guān)的酶和蛋白因子結(jié)合著形成一種離散的復(fù)合體。成一種離散的復(fù)合體。復(fù)制過程：復(fù)制過程：起始起始, , 延伸

10、和終止延伸和終止1 1、E. coliE. coli 中中DNADNA復(fù)制相關(guān)因子及其功能復(fù)制相關(guān)因子及其功能DnaADnaA：識別起點（識別起點（oriCoriC）序列，并打開）序列，并打開DNADNA雙鏈雙鏈HUHU：類組蛋白，與類組蛋白，與DNADNA結(jié)合并使其彎曲，解開富含結(jié)合并使其彎曲，解開富含ATAT區(qū)區(qū)DnaBDnaB：解螺旋酶，借助解螺旋酶，借助ATPATP水解能量，從水解能量，從5353解開解開DNADNA，活化，活化引物合成酶（引物合成酶（DnaGDnaG）DnaCDnaC：幫助幫助DnaBDnaB結(jié)合于起點結(jié)合于起點SSBSSB：單鏈單鏈DNADNA結(jié)合蛋白。與結(jié)合蛋白。

11、與DNADNA單鏈結(jié)合，防止雙鏈恢復(fù)，保護單鏈結(jié)合，防止雙鏈恢復(fù)，保護單鏈單鏈DNADNA不被水解。不被水解。DnaGDnaG：RNARNA引物合成酶引物合成酶RNARNA聚合酶：聚合酶：促進促進DnaADnaA活性；在線粒體、質(zhì)粒中合成引物活性；在線粒體、質(zhì)粒中合成引物DNADNA旋轉(zhuǎn)酶：旋轉(zhuǎn)酶：引進負超螺旋，消除解鏈產(chǎn)生的扭曲張力引進負超螺旋，消除解鏈產(chǎn)生的扭曲張力2 2、E. coli E. coli 中中DNADNA復(fù)制起始復(fù)制起始成串排列的三個成串排列的三個1313bpbp序列（開鏈區(qū)）序列（開鏈區(qū)） DnaADnaA蛋白結(jié)合位點蛋白結(jié)合位點四個四個9 9bpbp序列序列OriOri

12、 C C(245(245bp)bp)共有序列共有序列GATCTNTTNTTTTGATCTNTTNTTTT共有序列共有序列TTATCCCACATTATCCCACADnaADnaA各帶各帶一個一個ATPATPDnaBDnaB( (解螺旋酶解螺旋酶) )SSBSSB大腸桿菌大腸桿菌DNADNA復(fù)制起點在起始階段的結(jié)構(gòu)模型復(fù)制起點在起始階段的結(jié)構(gòu)模型HUHU蛋白蛋白DnaCDnaC起始復(fù)合物起始復(fù)合物(DnaA+(DnaA+orioriC)C)開鏈復(fù)合物開鏈復(fù)合物(+HU(+HU蛋白蛋白) )前引發(fā)復(fù)合物前引發(fā)復(fù)合物(+DnaB, C, T,(+DnaB, C, T,Pri A, B, C)Pri A

13、, B, C)DNADNA復(fù)制的延伸復(fù)制的延伸E. coli DNAE. coli DNA復(fù)制終止復(fù)制終止1 1）引物的消除和缺口的填補：）引物的消除和缺口的填補：在合成岡崎片段后，由在合成岡崎片段后，由DNADNA聚合酶聚合酶I I降解引物降解引物RNARNA，并填補缺口。，并填補缺口。最后由最后由DNADNA連接酶連成完整長鏈連接酶連成完整長鏈2 2）E. coliDNAE. coliDNA復(fù)制終止復(fù)制終止環(huán)狀環(huán)狀DNADNA兩個復(fù)制叉相遇于終止區(qū)并停止復(fù)制，復(fù)制體解體兩個復(fù)制叉相遇于終止區(qū)并停止復(fù)制，復(fù)制體解體殘余殘余50-10050-100bpbp未復(fù)制區(qū)，通過修復(fù)方式填補未復(fù)制區(qū)，通

14、過修復(fù)方式填補拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶IVIV（類型類型）作用下，解開連鎖體作用下，解開連鎖體復(fù)錯不要緊，復(fù)錯不要緊，只要校對真只要校對真，錯了我一個，錯了我一個，還有后來酶還有后來酶真核生物真核生物DNADNA的復(fù)制的復(fù)制1 1、核小體：、核小體： 核小體的核心（組蛋白八聚體）核小體的核心（組蛋白八聚體） DNADNA以左手螺旋繞組蛋白核心以左手螺旋繞組蛋白核心1.751.75圈，約圈，約146bp,146bp, 每形成一個核小體，相當(dāng)于引入每形成一個核小體，相當(dāng)于引入1.21.2個負超螺旋。個負超螺旋。 多復(fù)制起點，雙向延長多復(fù)制起點，雙向延長 組蛋白的復(fù)制是全保留，原組蛋白八聚體留在前導(dǎo)鏈上

15、；滯組蛋白的復(fù)制是全保留，原組蛋白八聚體留在前導(dǎo)鏈上；滯后鏈上的核小體由新合成組蛋白組裝后鏈上的核小體由新合成組蛋白組裝2 2、復(fù)制體組成差異：、復(fù)制體組成差異：真核生物復(fù)制體組成有較大差異，但復(fù)制方式類似真核生物復(fù)制體組成有較大差異，但復(fù)制方式類似細菌及真核生物復(fù)制體組成差異細菌及真核生物復(fù)制體組成差異3 3、真核生物、真核生物DNADNA的復(fù)制方式的差異的復(fù)制方式的差異DNADNA復(fù)制叉移動速度：復(fù)制叉移動速度：細菌復(fù)制叉移動速度為細菌復(fù)制叉移動速度為5050，000bp/min, 000bp/min, 大腸桿菌染色體完成復(fù)大腸桿菌染色體完成復(fù)制需要制需要2020- -40min40min

16、真核生物染色體真核生物染色體DNADNA的復(fù)制子長度的復(fù)制子長度100100- -200kb200kb，復(fù)制叉移動速度為，復(fù)制叉移動速度為1 1，000000- -3 3，000 bp/min000 bp/min，每一復(fù)制單位在，每一復(fù)制單位在3030- -60min60min內(nèi)復(fù)制完成，內(nèi)復(fù)制完成，染色體完成需要染色體完成需要6 6- -8h 8h 起始頻率：起始頻率：大腸桿菌復(fù)制速度取決于起始頻率，快速生長時一個染色體可以大腸桿菌復(fù)制速度取決于起始頻率，快速生長時一個染色體可以連續(xù)發(fā)動復(fù)制連續(xù)發(fā)動復(fù)制真核生物染色體復(fù)制完成之前起點不再重新開始復(fù)制真核生物染色體復(fù)制完成之前起點不再重新開始復(fù)

17、制多復(fù)制叉多復(fù)制叉染色體染色體4 4、端粒和端粒酶、端粒和端粒酶端粒端粒（telomeretelomere）：真核生物染色體兩個末端各有一個特殊結(jié)構(gòu)，）：真核生物染色體兩個末端各有一個特殊結(jié)構(gòu)，由成串的重復(fù)序列組成由成串的重復(fù)序列組成端粒功能：端粒功能：穩(wěn)定染色體末端結(jié)構(gòu)，防止末端粘連；穩(wěn)定染色體末端結(jié)構(gòu)，防止末端粘連； 補償復(fù)制鏈補償復(fù)制鏈5-5-末端的末端的RNARNA引物空缺引物空缺端粒酶端粒酶（telomerasetelomerase）：）：一種逆轉(zhuǎn)錄酶。以所含一種逆轉(zhuǎn)錄酶。以所含1515- -22Nt22Nt的的RNARNA為模板，合成因復(fù)制縮短為模板，合成因復(fù)制縮短的的DNA 5-

18、DNA 5-末端，維持端粒長度末端，維持端粒長度存在于性細胞以及癌細胞存在于性細胞以及癌細胞端粒合成的完成端粒合成的完成進一步加工進一步加工TTTTGGGG TTTTGGGG TTTTGGGGTTTT5 3 nAA3 TTTTGGGG TTTTGGGG TTTTGGGGT5 3 TTCCCCT nAA3 TTTTGGGG TTTTGGGG TTTTGGGGT5 3 TTAAAACCCC AAAACCCC AAAACCCCT n3 5 TTTTGGGGTTTTG5 3 AAAACCCCAAAACCCCCCAAA3 5 TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG5 3 AAAACCCCAAAACC

19、CCCCAAATTGGGTGGGT3 5 AATTTTG5 3 AAAACCCCAAAACCCCCCAGTTTTG 整合和整合和雜交雜交移位和移位和再雜交再雜交繼續(xù)繼續(xù)延伸延伸端粒：生命時鐘？端粒：生命時鐘？端粒合成的一種模型端粒合成的一種模型三、三、DNADNA的損傷與修復(fù)的損傷與修復(fù)DNADNA既穩(wěn)定，既穩(wěn)定，但也脆弱但也脆弱（一）（一）DNADNA的損傷的損傷 某些理化因子（紫外線、電離輻射和化學(xué)誘變劑等）作某些理化因子（紫外線、電離輻射和化學(xué)誘變劑等）作用于用于DNADNA，造成其結(jié)構(gòu)和功能的破壞，從而引起生物突變和，造成其結(jié)構(gòu)和功能的破壞，從而引起生物突變和致死的效應(yīng)致死的效應(yīng)常見常

20、見DNADNA損傷方式損傷方式嘧啶二聚體的形成嘧啶二聚體的形成1 1、DNADNA分子的分子的自發(fā)損傷：自發(fā)損傷：哪些因素能影響到哪些因素能影響到DNADNA的完整性？的完整性？ 細胞內(nèi)源因素細胞內(nèi)源因素 環(huán)境因素：化學(xué)試劑、污染物和環(huán)境因素：化學(xué)試劑、污染物和UVUV線線 疾病治療：離子輻射和化療疾病治療：離子輻射和化療1）細胞內(nèi)源因素：）細胞內(nèi)源因素： 堿基錯配堿基錯配 自發(fā)性化學(xué)變化：堿基異構(gòu)、堿基脫氨基、脫嘌呤、脫嘧啶、自發(fā)性化學(xué)變化：堿基異構(gòu)、堿基脫氨基、脫嘌呤、脫嘧啶、堿基修飾、鏈斷裂堿基修飾、鏈斷裂復(fù)制錯誤：復(fù)制錯誤：四種四種dNTPdNTP量的不平衡導(dǎo)致錯配量的不平衡導(dǎo)致錯配D

21、NADNA本身不穩(wěn)定：本身不穩(wěn)定：堿基自發(fā)脫氨基、脫嘌呤堿基自發(fā)脫氨基、脫嘌呤/ /脫嘧啶導(dǎo)致堿基脫落脫嘧啶導(dǎo)致堿基脫落活性氧的作用：活性氧的作用：DNA, DNA, 蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的氧化蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的氧化DNADNA分子自發(fā)脫嘌呤作用和自發(fā)脫氨基作用分子自發(fā)脫嘌呤作用和自發(fā)脫氨基作用2）環(huán)境）環(huán)境（外源）（外源）因素因素化學(xué)試劑化學(xué)試劑 天然化合物：黃曲霉素天然化合物：黃曲霉素 人造化合物：苯并芘人造化合物：苯并芘- -香煙、順鉑香煙、順鉑- -化療藥物化療藥物物理因素物理因素 UVUV 離子輻射：離子輻射：- -射線、射線、x-x-射線射線活性氧活性氧（ROSROS）正常細胞代謝產(chǎn)生正常細胞

22、代謝產(chǎn)生導(dǎo)致導(dǎo)致DNADNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)損傷、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)損傷常見形式常見形式：過氧化氫（過氧化氫（H H2 2O O2 2）超氧化物自由基（超氧化物自由基（O O2 2- -）一氧化氮（一氧化氮（NONO）羥基自由基（羥基自由基（HOHO）過氧亞硝基陰離子（過氧亞硝基陰離子（O=NOOO=NOO- -）烷過氧化物（烷過氧化物（ROOHROOH）烷氧自由基（烷氧自由基（RORO）1 1）堿基錯配）堿基錯配盡管盡管DNADNA聚合酶具有校對修復(fù)功能，仍存在極少量的錯配聚合酶具有校對修復(fù)功能，仍存在極少量的錯配（1010-10-10）2 2）自發(fā)性化學(xué)變化）自發(fā)性化學(xué)變化堿基異構(gòu)、堿基脫氨基、脫

23、嘌呤、脫嘧啶、堿基修飾、鏈斷裂堿基異構(gòu)、堿基脫氨基、脫嘌呤、脫嘧啶、堿基修飾、鏈斷裂3 3）物理因素）物理因素：紫外線、電離輻射、紫外線、電離輻射、DNADNA鏈斷裂、交聯(lián)鏈斷裂、交聯(lián)4 4）化學(xué)因素）化學(xué)因素：烷化劑對烷化劑對DNADNA的損傷的損傷：堿基烷基化、堿基脫落、斷鏈、交聯(lián)：堿基烷基化、堿基脫落、斷鏈、交聯(lián)堿基修飾劑、類似物對堿基修飾劑、類似物對DNADNA的損傷：的損傷： 人工促變劑、抗癌藥物、亞硝酸鹽、黃曲霉毒素等人工促變劑、抗癌藥物、亞硝酸鹽、黃曲霉毒素等2 2、DNADNA損傷的后果損傷的后果1 1）DNADNA分子的改變：分子的改變：點突變、缺失、插入、倒位、易位、鏈斷裂

24、點突變、缺失、插入、倒位、易位、鏈斷裂2 2）DNADNA損傷的結(jié)果：損傷的結(jié)果：（1 1）致死性）致死性（2 2）喪失某些功能）喪失某些功能（3 3）改變基因型而不改變表現(xiàn)型）改變基因型而不改變表現(xiàn)型（4 4）發(fā)生有利于物種生存的結(jié)果，生物進化）發(fā)生有利于物種生存的結(jié)果，生物進化DNADNA損傷類型損傷類型 堿基修飾堿基修飾 堿基丟失（無堿基位點）堿基丟失（無堿基位點） 復(fù)制錯誤復(fù)制錯誤 鏈斷裂鏈斷裂 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-DNA-DNA交聯(lián)交聯(lián) DNA-DNADNA-DNA交聯(lián)交聯(lián)DNADNA損傷的因素和損傷的主要類型損傷的因素和損傷的主要類型活性氧的堿基修飾作用活性氧的堿基修飾作用鳥嘌呤的甲基化

25、導(dǎo)致堿基錯配鳥嘌呤的甲基化導(dǎo)致堿基錯配 紫外線引起的堿基損傷紫外線引起的堿基損傷離子輻射引起的離子輻射引起的DNADNA鏈斷裂鏈斷裂 （二）（二）DNADNA的修復(fù)的修復(fù)生物在長期進化過程中獲得的一種能使生物在長期進化過程中獲得的一種能使DNADNA的損傷得到恢復(fù)的保的損傷得到恢復(fù)的保護功能護功能 DNA DNA是唯一一種在損傷后可以被完全修復(fù)的分子，其他生物大是唯一一種在損傷后可以被完全修復(fù)的分子，其他生物大分子損傷后或被降解，或被取代。并非所有損傷都能修復(fù)。如果分子損傷后或被降解，或被取代。并非所有損傷都能修復(fù)。如果損傷不能及時修復(fù)，可導(dǎo)致細胞的癌變、早衰損傷不能及時修復(fù)，可導(dǎo)致細胞的癌變

26、、早衰 DNA DNA損傷后，選擇處理方法是盡量將其修復(fù)而不是將其降解，損傷后，選擇處理方法是盡量將其修復(fù)而不是將其降解，1 1）作為遺傳物質(zhì)的）作為遺傳物質(zhì)的DNADNA分子在細胞內(nèi)只有一個拷貝，如果將其水分子在細胞內(nèi)只有一個拷貝，如果將其水解的話，細胞也就失去了存在的根基；解的話，細胞也就失去了存在的根基；2 2）DNADNA的互補雙螺旋結(jié)構(gòu)的互補雙螺旋結(jié)構(gòu)使得修復(fù)受損使得修復(fù)受損DNADNA分子變得很容易分子變得很容易DNADNA的修復(fù)機制的修復(fù)機制被科學(xué)雜志評為被科學(xué)雜志評為19941994年的年度分子年的年度分子直接修復(fù)直接修復(fù)切除修復(fù)切除修復(fù)錯配修復(fù)錯配修復(fù)雙鏈斷裂修復(fù)雙鏈斷裂修復(fù)

27、易錯修復(fù)易錯修復(fù)重組修復(fù)重組修復(fù)20052005年，年，122122卷卷第第5 5期期DNADNA錯配和修復(fù)（李國民）錯配和修復(fù)（李國民）理學(xué)學(xué)士：武漢大學(xué)生物系理學(xué)學(xué)士：武漢大學(xué)生物系理學(xué)博士：美，韋恩州立大學(xué)理學(xué)博士：美，韋恩州立大學(xué)美國肯塔基大學(xué)，副教授美國肯塔基大學(xué)，副教授 1 1、錯配修復(fù)、錯配修復(fù)（MMRMMR） 盡管出錯幾率十分微小盡管出錯幾率十分微小 生命這臺精密的儀器不允許任何差錯生命這臺精密的儀器不允許任何差錯 即使一個堿基的錯配也可能造成嚴重的疾病即使一個堿基的錯配也可能造成嚴重的疾病 錯配修復(fù)基因缺陷：錯配修復(fù)基因缺陷：癌癥癌癥（遺傳性非多發(fā)性息肉結(jié)腸癌）（遺傳性非多發(fā)

28、性息肉結(jié)腸癌）（hereditary nonpolyposis colorectal cancerhereditary nonpolyposis colorectal cancer） 堿基錯配、少量插入、缺失堿基錯配、少量插入、缺失機體校正機體校正 DNADNA聚合酶聚合酶3535的的校對校對功能功能 DNADNA聚合酶未發(fā)現(xiàn)錯配，聚合酶未發(fā)現(xiàn)錯配，錯配修復(fù)錯配修復(fù)（mismatch repair, MMRmismatch repair, MMR） DNADNA復(fù)制發(fā)生錯配時，錯配修復(fù)系統(tǒng)啟動，通過識別復(fù)制起點復(fù)制發(fā)生錯配時，錯配修復(fù)系統(tǒng)啟動，通過識別復(fù)制起點（ori Cori C）處處GAT

29、CGATC序列是否被甲基化而找出新鏈，將新鏈水解后序列是否被甲基化而找出新鏈，將新鏈水解后重新合成重新合成錯配修復(fù)系統(tǒng)必須保證只錯配修復(fù)系統(tǒng)必須保證只切除切除子鏈錯誤堿基子鏈錯誤堿基，不會不會切除切除母鏈母鏈正確正確的堿基的堿基大腸桿菌大腸桿菌MMRMMR系統(tǒng)利用系統(tǒng)利用甲基化甲基化區(qū)分子鏈、母鏈區(qū)分子鏈、母鏈甲基化導(dǎo)向的錯配修復(fù)甲基化導(dǎo)向的錯配修復(fù)其他細菌、真核細胞如何區(qū)分子鏈和母鏈的尚不清楚其他細菌、真核細胞如何區(qū)分子鏈和母鏈的尚不清楚大腸桿菌大腸桿菌的錯配修復(fù)的錯配修復(fù)錯配修復(fù)系統(tǒng)：錯配修復(fù)系統(tǒng)：酶：酶：錯配矯正酶錯配矯正酶（mismatch correction enzymemisma

30、tch correction enzyme） DNADNA聚合酶聚合酶 DNA DNA連接酶等連接酶等1111種蛋白種蛋白步驟：步驟：啟始、切除、修復(fù)啟始、切除、修復(fù)啟始：啟始：根據(jù)序列根據(jù)序列GATCGATC中腺嘌呤（中腺嘌呤（A A）的甲基化程）的甲基化程度不同，錯配矯正酶的度不同，錯配矯正酶的MutSMutS部分識別錯配部分識別錯配區(qū)域，區(qū)域，MutHMutH、MutLMutL識別未甲基化的識別未甲基化的GATCGATC序序列，將新合成單鏈切出缺口（列，將新合成單鏈切出缺口（nicknick）切除：切除：核酸外切酶將核酸外切酶將GATCGATC到錯配區(qū)域間的到錯配區(qū)域間的DNADNA鏈鏈

31、切除。為防止剩下的暴露單鏈降解，需單切除。為防止剩下的暴露單鏈降解，需單鏈結(jié)合蛋白（鏈結(jié)合蛋白（SSbSSb）保護）保護修復(fù)：修復(fù)：DNADNA聚合酶聚合酶合成，連接酶對缺口合成，連接酶對缺口進行連接進行連接 林氏綜合癥林氏綜合癥(Lynch Syndrome) (Lynch Syndrome) 卵巢癌綜合癥卵巢癌綜合癥 2 2、光修復(fù)、光修復(fù)（photoreactivationphotoreactivation） 直接修復(fù)直接修復(fù)嘧啶二聚體的直接修復(fù)：嘧啶二聚體的直接修復(fù)：由由DNADNA光裂合酶光裂合酶催化催化直接識別、結(jié)合嘧啶二聚體，利用輔基捕捉到的光能，打開嘧啶直接識別、結(jié)合嘧啶二聚體

32、，利用輔基捕捉到的光能，打開嘧啶二聚體，再與二聚體，再與DNADNA解離（胎盤類哺乳動物沒有這種酶）解離（胎盤類哺乳動物沒有這種酶）嘧啶二聚體的直接修復(fù)嘧啶二聚體的直接修復(fù)3 3、暗修復(fù)、暗修復(fù)（dark repairdark repair）1 1）切除修復(fù)）切除修復(fù)（復(fù)制前修復(fù)）（復(fù)制前修復(fù)）：概念：概念：在一系列酶作用下，在一系列酶作用下，DNADNA中損傷部分切除，并以完整鏈為中損傷部分切除，并以完整鏈為模板，合成切除部分的修復(fù)方式模板，合成切除部分的修復(fù)方式酶：酶：核酸內(nèi)切酶，核酸內(nèi)切酶，polpol，DNADNA連接酶連接酶修復(fù)過程修復(fù)過程：識別、切除、重新合成、重新連接：識別、切除

33、、重新合成、重新連接類別：類別：堿基切除修復(fù)（堿基切除修復(fù)（BERBER）、核苷酸切除修復(fù)（）、核苷酸切除修復(fù)（NERNER）主要差別：主要差別：識別損傷的機制識別損傷的機制前者直接識別具體受損傷的堿基前者直接識別具體受損傷的堿基后者并不識別具體損傷，識別損傷對后者并不識別具體損傷，識別損傷對DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)造成的扭曲雙螺旋結(jié)構(gòu)造成的扭曲堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)無堿基的無堿基的“AP”AP”位點位點2 2）重組修復(fù)）重組修復(fù)（復(fù)制后修復(fù)）（復(fù)制后修復(fù)）從同源從同源DNADNA母鏈上將相應(yīng)序母鏈上將相應(yīng)序列重組交換到子鏈的缺口列重組交換到子鏈的缺口處，再彌補母鏈

34、空缺的修處，再彌補母鏈空缺的修復(fù)方式復(fù)方式重組修復(fù)結(jié)果，損傷并未重組修復(fù)結(jié)果，損傷并未切除，隨傳代而切除，隨傳代而“稀釋稀釋”3 3）誘導(dǎo)修復(fù)和應(yīng)急反應(yīng)）誘導(dǎo)修復(fù)和應(yīng)急反應(yīng)（SOSSOS）應(yīng)急反應(yīng)應(yīng)急反應(yīng)（SOS responesSOS respones）：）：細胞細胞DNADNA受到損傷或復(fù)制系統(tǒng)受抑制的緊急情況下，為求得生存受到損傷或復(fù)制系統(tǒng)受抑制的緊急情況下，為求得生存而出現(xiàn)的包括誘導(dǎo)而出現(xiàn)的包括誘導(dǎo)DNADNA損傷修復(fù)、誘變效應(yīng)、細胞分裂抑制等多損傷修復(fù)、誘變效應(yīng)、細胞分裂抑制等多種反應(yīng)種反應(yīng)由由SOSSOS反應(yīng)誘導(dǎo)的反應(yīng)誘導(dǎo)的DNADNA損傷修復(fù)系統(tǒng)損傷修復(fù)系統(tǒng)（1 1）避免差錯系統(tǒng)

35、：）避免差錯系統(tǒng)：光復(fù)活、切除修復(fù)和重組修復(fù)等，修復(fù)時光復(fù)活、切除修復(fù)和重組修復(fù)等，修復(fù)時不引入差錯不引入差錯（2 2）錯誤傾向修復(fù)；）錯誤傾向修復(fù)；產(chǎn)生缺乏校對功能的產(chǎn)生缺乏校對功能的DNADNA；聚合酶；聚合酶IVIV和和V V （pol IVpol IV、pol Vpol V）N DNA DNA損傷嚴重，復(fù)制難以繼續(xù)損傷嚴重，復(fù)制難以繼續(xù)N 復(fù)制、修復(fù)的酶復(fù)制、修復(fù)的酶：重組蛋白：重組蛋白RecARecA，調(diào)控蛋白，調(diào)控蛋白LexALexA等等 組成龐大的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)組成龐大的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)N 特異性很低特異性很低N 著色性干皮病著色性干皮病：患者缺乏特異的核酸內(nèi)切酶：患者缺乏特異的核酸內(nèi)切酶 紫外光照射后易患皮膚癌紫外光照射后易患皮膚癌修復(fù)系統(tǒng)的不完善，為修復(fù)系統(tǒng)的不完善，為DNADNA突變打開方便之門，因為損傷如果在突變打開方便之門，因為損傷如果在下一輪下一輪DNADNA復(fù)制前還未被修復(fù)，可能直接傳給子代復(fù)制前還未被修復(fù)，可能直接傳給子代DNADNA突變突變（mutationmutation）：）：DNADNA分子結(jié)構(gòu)變異分子結(jié)構(gòu)變異四、四、DNADNA的突變的突變突變的意義突變的意義 進化、分化的分子基礎(chǔ)進化、分化的分子基礎(chǔ) 只有基因型改變的突變只有基因型改變的突變 致死性的突變致死性的突變 某些疾病的發(fā)病基礎(chǔ)某些疾病的發(fā)病基礎(chǔ)2