生物化學(xué)與分子生物學(xué)：第十五章 DNA損傷（突變）與修復(fù)

DNA損傷（突變）與修復(fù)DNADamage(Mutation)andRepair第十五章遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變而引起的遺傳信息改變，均可稱(chēng)為突變。在復(fù)制過(guò)程中發(fā)生的DNA突變稱(chēng)為DNA損傷(DNAdamage)。從分子水平來(lái)看，突變就是DNA分子上堿基的改變。

一、多種因素通過(guò)不同形式可引起DNA損傷

堿基開(kāi)環(huán)和糖苷鍵斷裂引起堿基丟失

輻射或氧化損傷等引起堿基改變

化學(xué)因素可引起核苷酸插入或缺失

輻射和化學(xué)損傷可引起DNA鏈斷裂物理和化學(xué)因素可引起DNA鏈間或鏈內(nèi)交聯(lián)

其一，導(dǎo)致復(fù)制或轉(zhuǎn)錄障礙其二，導(dǎo)致復(fù)制后產(chǎn)生基因突變DNA損傷的結(jié)果:

二、DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)有多種類(lèi)型DNA聚合酶（Y-家族），如E.coli：UmuC嘧啶二聚體、無(wú)嘌呤位點(diǎn)跨損傷DNA合成E.coli：RecA和RecBCD雙鏈斷裂重組修復(fù)E.coli：UvrA,UvrB,UvrC,UvrD人：XPC,XPA,XPD,ERCCI-XPF,XPG嘧啶二聚體，堿基烷基化核苷酸切除修復(fù)DNA糖苷酶（即DNA糖基水解酶）堿基損傷堿基切除修復(fù)嘧啶二聚體直接修復(fù)E.coli：MutS,MutL,MutH人：MSH,MLH,PMS復(fù)制差錯(cuò)錯(cuò)配修復(fù)酶損傷修復(fù)系統(tǒng)的類(lèi)型修復(fù)對(duì)象：將DNA中因紫外線(xiàn)照射而形成的嘧啶二聚體分解。機(jī)制：細(xì)胞內(nèi)光裂合酶（photolyases）分子中生色基團(tuán)次甲四氫葉酸吸收光子并將FADH2激活生成的激發(fā)型FADH2，再將電子轉(zhuǎn)移給嘧啶二聚體，使其還原。分布：分布廣泛，除哺乳動(dòng)物外均有之。（一）直接修復(fù)（directrepair）利用修復(fù)酶簡(jiǎn)單地逆轉(zhuǎn)DNA損傷光復(fù)活修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)對(duì)象：DNA中被甲基化修飾的鳥(niǎo)嘌呤（O6-甲基鳥(niǎo)嘌呤，與T配對(duì)）。機(jī)制：將甲基轉(zhuǎn)移到酶蛋白活性中心的Cys殘基側(cè)鏈上，使鳥(niǎo)嘌呤復(fù)原，避免發(fā)生突變。特點(diǎn)：DNA甲基轉(zhuǎn)移酶一旦接受甲基就不再具有催化活性，修復(fù)代價(jià)高昂。O6-甲基鳥(niǎo)嘌呤DNA甲基轉(zhuǎn)移酶修復(fù)糖苷酶（glycosylases）識(shí)別、切除受損堿基，產(chǎn)生AP位點(diǎn)（apurinicorapyrimidinicsite）。AP內(nèi)切酶在A(yíng)P位點(diǎn)的5’端切斷磷酸二酯鍵。AP外切酶再切割A(yù)P位點(diǎn)的3’端。DNA聚合酶填補(bǔ)產(chǎn)生的缺口。最后DNA連接酶連接。（二）堿基切除系統(tǒng)修復(fù)切除受損堿基堿基切除修復(fù)（baseexcisionrepair,BER）對(duì)象：受損的堿基修復(fù)系統(tǒng)：E.coli堿基切除修復(fù)系統(tǒng)切除胞嘧啶自發(fā)脫氨基產(chǎn)生的尿嘧啶胞嘧啶脫氨基產(chǎn)生的尿嘧啶；氧化的鳥(niǎo)嘌呤（oxoG）；脫氨基的腺嘌呤；開(kāi)環(huán)堿基；碳原子之間雙鍵變成單鍵的堿基等。

DNA糖苷酶識(shí)別的異常堿基包括：功能：利用DNA糖苷酶切除DNA復(fù)制前未去除的損傷堿基。自動(dòng)防故障（fail-safe）系統(tǒng)堿基切除修復(fù)系統(tǒng)切除鳥(niǎo)嘌呤氧化產(chǎn)物oxoGDNA聚合酶和連接酶以未損傷的DNA鏈為模板修補(bǔ)缺口。（三）核苷酸切除修復(fù)系統(tǒng)識(shí)別DNA雙螺旋變形核苷酸切除修復(fù)（nucleotideexcisionrepair,NER）系統(tǒng)識(shí)別DNA雙螺旋形狀的變形。E.coli的NER主要由4種蛋白質(zhì)組成：UvrAUvrBUvrCUvrD

UvrA識(shí)別DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)變形UvrB負(fù)責(zé)解鏈，募集核酸內(nèi)切酶UvrCUvrC在損傷部位的兩側(cè)切斷DNA鏈UvrD去除這兩個(gè)切點(diǎn)之間的DNA片段DNA聚合酶Ⅰ和連接酶填補(bǔ)缺口核苷酸切除修復(fù)系統(tǒng)XPC蛋白負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋中的變形XPA和XPD蛋白具有解旋酶活性核酸酶ERCC1-XPF切割損傷部位5’側(cè)，XPG切割3’側(cè)DNA聚合酶和連接酶負(fù)責(zé)填補(bǔ)產(chǎn)生的缺口高等真核生物的NER作用：NER不僅能夠修復(fù)整個(gè)基因組中的損傷，而且能拯救因轉(zhuǎn)錄模板鏈損傷而暫停轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶，即參與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)（transcription-coupledrepair）。作用方式：NER蛋白質(zhì)被募集于暫停的RNA聚合酶。轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)的意義：將修復(fù)酶集中于正在轉(zhuǎn)錄DNA，使該區(qū)域的損傷盡快得以修復(fù)。1.在核苷酸切除修復(fù)（包括轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)）時(shí)起DNA解旋酶的作用；2.在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中打開(kāi)DNA模板。真核轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)的核心是TFⅡH。TFⅡH分別參與兩個(gè)獨(dú)立過(guò)程：對(duì)于DNA雙鏈斷裂（double-strandbreak，DSB）損傷，細(xì)胞采用雙鏈斷裂修復(fù)，即重組修復(fù)（recombinationalrepair），通過(guò)與姐妹染色體正常拷貝的同源重組來(lái)恢復(fù)正確的遺傳信息。（四）重組修復(fù)系統(tǒng)能夠修復(fù)雙鏈斷裂損傷RecBCD酶復(fù)合物有解旋酶和核酸酶活性。RecB和RecD是兩種DNA解旋酶，RecB沿DNA鏈5’末端解旋，運(yùn)動(dòng)速度較慢；而RecD沿DNA鏈3’末端解旋，運(yùn)動(dòng)速度快，導(dǎo)致單鏈DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)逐漸積累。重組修復(fù)作用機(jī)制：E.coli的rec基因（recA、recB、recC和recD）編碼的幾種酶參與重組修復(fù)。RuvA蛋白識(shí)別Holliday結(jié)構(gòu)連接處。內(nèi)切酶RuvC特異識(shí)別Holliday結(jié)構(gòu)中的ATTG序列并切割DNA，使Holliday結(jié)構(gòu)分離，完成DNA重組。當(dāng)RecBCD遇到chi序列(5’GCTGGTGG3’)，就在其附近將單鏈DNA切斷，從而DNA重組成為可能。利用上述重組修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)斷裂染色體，細(xì)胞中必須存在姐妹染色體。在細(xì)胞周期早期，姐妹染色體還沒(méi)有產(chǎn)生，如果染色體發(fā)生斷裂，自動(dòng)防故障系統(tǒng)將通過(guò)通過(guò)非同源末端連接（nonhomologousendjoining，NHEJ）發(fā)揮作用。正在復(fù)制的DNA聚合酶可能遭遇尚未修復(fù)的DNA損傷，細(xì)胞自動(dòng)防故障系統(tǒng)能夠使復(fù)制體繞過(guò)損傷部位，這一機(jī)制就是跨損傷DNA合成。E.coli跨損傷DNA合成由UmuC-UmuD′復(fù)合物進(jìn)行。（五）跨損傷DNA聚合酶能夠跨越損傷部位合成DNAE.coli跨損傷DNA合成三、DNA損傷修復(fù)具有重要的生物學(xué)意義修復(fù)系統(tǒng)的存在保證了物種遺傳的穩(wěn)定性，對(duì)降低修復(fù)缺陷相關(guān)疾病的發(fā)病率有十分重要的意義。突變的因素及類(lèi)型物理因素紫外線(xiàn)(ultraviolet,UV)、各種輻射

UV化學(xué)因素目錄突變的類(lèi)型

點(diǎn)突變（pointmutation）缺失（deletion）插入（insertion）倒位（rearrangement）框移(frame-shift)

鐮形紅細(xì)胞貧血病人Hb(HbS)β亞基N-val

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C肽鏈CACGTG基因正常成人Hb(HbA)β亞基N-val

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glu

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C肽鏈CTCGAG基因（一）點(diǎn)突變：指DNA分子上一個(gè)堿基發(fā)生變異（二）缺失、插入和框移缺失：一個(gè)堿基或一段核苷酸鏈從DNA分子上消失。插入：原來(lái)沒(méi)有的一個(gè)堿基或一段核苷酸鏈插入到DNA分子中間。缺失或插入都可導(dǎo)致框移突變

。谷酪蛋絲5’……GCA

GUA

CAU

GUC……丙纈組纈正常5’……GAG

UAC

AUG

UC……缺失C缺失引起框移突變框移突變：指缺失或插入（核苷酸）的突變，引起三聯(lián)密碼子的閱讀方式改變，造成蛋白質(zhì)氨基酸排列順序發(fā)生改變，其后果是翻譯出一級(jí)結(jié)構(gòu)完全不同的另一種蛋白質(zhì)。由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型目錄DNA分子內(nèi)較大片段的交換。移位的DNA可以在新位點(diǎn)上顛倒方向反置（倒位），也可以在染色體之間發(fā)生交換重組。（三）重排地中海貧血是一種遺傳性疾病，癥狀主要表現(xiàn)為間接性貧血、眼距較寬、頭顱畸形等，如果不加以輸血和藥物治療，大多數(shù)患者活不過(guò)5年，最終死于肝臟纖維化和功能衰竭。DNA損傷的修復(fù)修復(fù)(repairing)

是對(duì)已發(fā)生分子改變的補(bǔ)償措施，使其回復(fù)為原有的天然狀態(tài)。直接修復(fù)/光修復(fù)(lightrepairing)切除修復(fù)(excisionrepairing)重組修復(fù)(recombinationrepairing)SOS修復(fù)

修復(fù)的主要類(lèi)型（一）光修復(fù)光修復(fù)酶(photolyase)

UVlightrepairExposuretoUVlightInducedthymine-thymine(pyrimidine)dimerPhotolyasePhotoreactivationofDNAPhotolyaseDoesnottakeplaceinhumansUvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHP

（二）切除修復(fù)是細(xì)胞內(nèi)最重要和有效的修復(fù)機(jī)制，主要由DNA-polⅠ和連接酶完成。DNA連接酶ATPE.coli的切除修復(fù)機(jī)制目錄核酸內(nèi)切酶“切-補(bǔ)-封”5’→3’polymerizingactivityNERinHumans

Xerodermapigmentosum(XP)

Geneticdisorderwithsymptoms:-extremesensitivitytosunlight(by~age2),and>1000Xhigherriskofskincancer(by~age8)DefectisinrepairofUVdamageGenemappingidentified7repairproteins(calledXPproteins)XP-CandXP-ArecognizepyrimidinedimersXP-BandXP-DhavehelicaseactivityXP-GandXP-Fhavenucleaseactivity重組修復(fù)：重組修復(fù)是先復(fù)制再修復(fù)。通過(guò)鏈間的交換，填補(bǔ)缺口。這種修復(fù)的不足之處在于原損傷部位仍然存在。（三）重組修復(fù)（四）SOS修復(fù)SOS修復(fù)是指DNA損傷嚴(yán)重，細(xì)胞處在危急狀態(tài)下的一種修復(fù)方式。這種修復(fù)反應(yīng)特異性較低，對(duì)DNA的堿基識(shí)別能力差。通過(guò)SOS修復(fù)，細(xì)胞可存活，但DNA保留的錯(cuò)誤較多，會(huì)引起長(zhǎng)期廣泛的突變，往往導(dǎo)致細(xì)胞惡變。DNA單鏈缺口很多，由此誘發(fā)出一系列極其復(fù)雜的反應(yīng)以增強(qiáng)其修補(bǔ)能力第十五章DNA損傷與修