1、 各种体内外因素所导致的DNA组成和结构变化称为DNA损伤（DNA damage）。 DNA损伤有两种后果： （1）导致DNA失去作为复制和转录的模板的功能，导致细胞的死亡； （2）使DNA的结构发生永久性的改变，即突变。 DNA损伤的同时伴有DNA修复系统的启动，受损细胞的转归在很大程度上取决于DNA的修复效果。 生物多样性依赖于DNA突变与DNA修复之间的良好平衡。本本 章章 目目 录录123DNA损伤DNA损伤的修复DNA损伤和修复的意义 DNA复制错误复制错误（4种种dNTP不平衡、碱基异构互变、错误率约不平衡、碱基异构互变、错误率约10-10） DNA自身的不稳定性自身的不稳定性（受
2、热、（受热、pH） 机体代谢过程中产生的活性氧机体代谢过程中产生的活性氧（修饰鸟嘌呤产生（修饰鸟嘌呤产生8-羟基脱氧鸟羟基脱氧鸟嘌呤）嘌呤）1（一）生物个体内在因素（一）生物个体内在因素细胞呼吸的副产物细胞呼吸的副产物O2、H2O2等会造成等会造成DNA损伤，能产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲损伤，能产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等基尿嘧啶等碱基修饰物碱基修饰物，引起，引起DNA单链断裂单链断裂等损伤。等损伤。每个哺乳类细胞每天每个哺乳类细胞每天DNA单链断裂发生的频率约为单链断裂发生的频率约为5万次万次。DNA的甲基化的甲基化、结构的其他变化结构的其他变化等，这些损伤的积累可能导致老化。等，这些损
3、伤的积累可能导致老化。 物理因素物理因素（电离辐射电离辐射：粒子、粒子、粒子、粒子、X射线、射线、粒子；粒子；非电离辐非电离辐射射：紫外线和能量低于紫外线的所有电磁辐射）：紫外线和能量低于紫外线的所有电磁辐射）1（二）环境因素（二）环境因素NNOOCH3RPNNOOCH3RNNOOCH3RPNNORUVOCH3胸 嘧 啶 二 聚 体( T T ) 物理因素物理因素（电离辐射电离辐射：粒子、粒子、粒子、粒子、X射线、射线、粒子；粒子；非电离辐非电离辐射射：紫外线和能量低于紫外线的所有电磁辐射）：紫外线和能量低于紫外线的所有电磁辐射）电离辐射对机体的作用方式：电离辐射对机体的作用方式：直接直接指射
4、线将能量直接传递给生物大分子，使物质的原子或分子激发和电离，指射线将能量直接传递给生物大分子，使物质的原子或分子激发和电离，导致物质结构的破坏。导致物质结构的破坏。间接间接指辐射先作用与溶剂分子进而产生活性物导致细胞损伤。指辐射先作用与溶剂分子进而产生活性物导致细胞损伤。1（二）环境因素（二）环境因素电离辐射对DNA的直接和间接损伤 物理因素物理因素（电离辐射电离辐射：粒子、粒子、粒子、粒子、X射线、射线、粒子；粒子；非电离辐非电离辐射射：紫外线和能量低于紫外线的所有电磁辐射）：紫外线和能量低于紫外线的所有电磁辐射）辐射引起的辐射引起的DNA损伤类型：损伤类型：碱基脱落碱基脱落碱基破坏碱基破坏
5、嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体形成单链和双链断裂单链和双链断裂DNA交联等交联等1（二）环境因素（二）环境因素胸腺嘧啶形成二聚体胸腺嘧啶形成二聚体 化学因素化学因素（自由基、碱基类似物、碱基修饰物、嵌入性染料自由基、碱基类似物、碱基修饰物、嵌入性染料）1（二）环境因素（二）环境因素化合物类别化合物类别作作 用用 点点分子改变分子改变碱基类似物碱基类似物如：如：5-BUA 5-BU G- A - T - G - C -羟胺类（羟胺类（NH2OH）T C- T - A - C - G -亚硝酸盐（亚硝酸盐（NO2）C U- G - C - A - T -烷化剂烷化剂如：氮芥类，如：氮芥类， Nitrom
6、insG mGG mGDNA缺失缺失G1（二）环境因素（二）环境因素 化学因素化学因素（自由基、碱基类似物、碱基修饰物、嵌入性染料自由基、碱基类似物、碱基修饰物、嵌入性染料）（1）自由基导致）自由基导致DNA损伤：损伤：是指能够独立存在，核外带有未配对电子的原子或分子。是指能够独立存在，核外带有未配对电子的原子或分子。表示方式：表示方式：在原有原子或分子符号的左上角标记一个圆点在原有原子或分子符号的左上角标记一个圆点“”。电离辐射通过电离和激发产生；电离辐射通过电离和激发产生；代谢产生活性氧。代谢产生活性氧。自由基自由基的来源1（二）环境因素（二）环境因素 化学因素化学因素（自由基、碱基类似物
7、、碱基修饰物、嵌入性染料自由基、碱基类似物、碱基修饰物、嵌入性染料）（1）自由基导致）自由基导致DNA损伤：损伤：与与DNA之间发生化合反应、抽氢反应和加成反应等。之间发生化合反应、抽氢反应和加成反应等。损伤碱基、核糖、磷酸二酯键损伤碱基、核糖、磷酸二酯键自由基的作用机制自由基的危害1（二）环境因素（二）环境因素 化学因素化学因素（自由基、碱基类似物、碱基修饰物、嵌入性染料自由基、碱基类似物、碱基修饰物、嵌入性染料）（2）碱基类似物：）碱基类似物： 与正常碱基类似、导致碱基置换（如玉米素、别嘌呤醇等）与正常碱基类似、导致碱基置换（如玉米素、别嘌呤醇等）（3）碱基修饰物：）碱基修饰物： 修饰碱基
8、某些基团、改变配对性质或阻断配对修饰碱基某些基团、改变配对性质或阻断配对（4）嵌入染料：）嵌入染料：（如吖啶橙、（如吖啶橙、EB） 插入碱基对中，使插入碱基对中，使DNA两条链错位，发生缺失、移码、插入。两条链错位，发生缺失、移码、插入。 1、缺失：一个碱基或一段核苷酸链从、缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上大分子上消失。消失。 2、插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入、插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到到DNA大分子中间。大分子中间。 3、缺失或插入都可导致移框、缺失或插入都可导致移框 (frame-shift)突变。框突变。框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造
9、成蛋白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。质氨基酸排列顺序发生改变。 谷谷 酪酪 蛋蛋 丝丝5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬正常正常5 G A G U A C A U G U C 缺失缺失C缺失引起框移突变缺失引起框移突变 生物因素生物因素（主要指病毒）（主要指病毒） 如麻疹病毒、风疹病毒、疱疹病毒等，其产生的毒素和代谢产物如麻疹病毒、风疹病毒、疱疹病毒等，其产生的毒素和代谢产物（如黄曲霉素）等都有诱变作用。（如黄曲霉素）等都有诱变作用。1（二）环境因素（二）环境因素2 碱基和糖基的破坏碱基和糖基的破坏 碱基之间发生错
10、配碱基之间发生错配 DNA链发生断裂链发生断裂 DNA链的共价交联链的共价交联2物理化学因素对DNA的损伤2 损伤因素损伤因素 酸、热去嘌呤作用、碱基修饰剂、自由基、活性氧、紫外线酸、热去嘌呤作用、碱基修饰剂、自由基、活性氧、紫外线 损伤类型损伤类型 碱基丢失碱基丢失/插入、碱基置换、插入、碱基置换、DNA片段缺失片段缺失/插入插入（一）碱基和糖基的破坏（一）碱基和糖基的破坏2 概念概念 DNA分子上的碱基错配称点突变（分子上的碱基错配称点突变（point mutation）。）。 常见错配类型常见错配类型 UT 1. 转换：转换：发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另发生在同型
11、碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。一嘧啶。 2. 颠换：颠换：发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。（二）错配（二）错配 损伤因素损伤因素 碱基类似物、碱基修饰剂、自发脱氨基碱基类似物、碱基修饰剂、自发脱氨基镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链肽链CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb (HbA)亚基亚基N-val his leu thr pro glu glu C 肽链肽链CTC GAG基因基因2 损伤因素损伤因素 电离辐射、
12、化学物质诱导电离辐射、化学物质诱导 损伤类型损伤类型 单链断裂、双链断裂（最严重损伤，不能原位修复，易致畸）单链断裂、双链断裂（最严重损伤，不能原位修复，易致畸）（三）（三）DNA链断裂链断裂2 损伤因素损伤因素 化学物质诱导（如丝裂霉素）化学物质诱导（如丝裂霉素） 损伤类型损伤类型 链内交联链内交联：同一：同一DNA链上碱基共价结合链上碱基共价结合 嘧啶二聚体嘧啶二聚体DNA链上相邻的两个嘧啶碱基之间共价结链上相邻的两个嘧啶碱基之间共价结 合，形式有合，形式有TT、CT、CC 链间交联链间交联：不同：不同DNA链之间的碱基共价结合链之间的碱基共价结合 DNA-蛋白质交联蛋白质交联：DNA与蛋
13、白质以共价键结合与蛋白质以共价键结合（四）（四）DNA交联交联DNA交联示意图 一些一些DNA损伤可以直接修复损伤可以直接修复 切除修复是最普遍的切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式损伤修复方式 DNA严重损伤时需要进行重组修复严重损伤时需要进行重组修复 跨越跨越DNA损伤的复制后修复损伤的复制后修复1 光复活酶与光复活酶与DNA链上嘧啶二聚体部位结合链上嘧啶二聚体部位结合受波长为受波长为260-280 nm的近紫外线的近紫外线激活作用使二聚体解聚激活作用使二聚体解聚酶从酶从DNA链上解离，链上解离，DNA恢复正常结构恢复正常结构嘧啶二聚体光复活修复嘧啶二聚体光复活修复1 无嘌呤位点的直接修复
14、无嘌呤位点的直接修复 O6-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤-DNA的甲基转移的甲基转移 单链重接（单链断裂修复）单链重接（单链断裂修复）烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复2 在多种酶的作用下，先将损伤区域切除，然后利用互补链为模板，在多种酶的作用下，先将损伤区域切除，然后利用互补链为模板，合成一段正确配对的碱基顺序来修补。合成一段正确配对的碱基顺序来修补。定义定义 识别并切除识别并切除 修复合成并连接修复合成并连接切除过程切除过程 碱基切除修复、核苷酸切除修复碱基切除修复、核苷酸切除修复切除方式切除方式2 被切除的不是单个碱基，而是一段寡核苷酸。被切除的不是单个碱基，而是一段寡核苷酸。 是细胞内更
15、为重要的一种修复方式。是细胞内更为重要的一种修复方式。核苷酸切除核苷酸切除 是是DNA修复的一种普遍形式。修复的一种普遍形式。切除修复的特点切除修复的特点碱基切除修复碱基切除修复切除修复对多种切除修复对多种DNA损伤起修复作用：损伤起修复作用： 碱基脱落形成的无碱基位点碱基脱落形成的无碱基位点 嘧啶二聚体嘧啶二聚体 碱基烷基化碱基烷基化 单链断裂单链断裂 碱基错配碱基错配 庞大的化学附加物庞大的化学附加物 链间交联链间交联着色性干皮病着色性干皮病(xeroderma pigmentosis，XP) 是切除修复缺陷性的遗传病。是切除修复缺陷性的遗传病。 XP病人细胞对嘧啶二聚体和烷基化的病人细胞
16、对嘧啶二聚体和烷基化的清除能力降低，不能修复紫外线照射引起清除能力降低，不能修复紫外线照射引起的的DNA损伤，因此易发生皮肤癌。损伤，因此易发生皮肤癌。3 重组酶系将未受损伤的重组酶系将未受损伤的DNA片段移到损伤部位，提供正确的模板，片段移到损伤部位，提供正确的模板，进行修复。进行修复。定义定义v 同源性重组同源性重组 两段双链两段双链DNA同源性大于同源性大于200 bp，大肠杆菌及酵母中，大肠杆菌及酵母中Rec A蛋白、蛋白、人细胞中人细胞中Rad51是关键。是关键。v 非同源性重组非同源性重组 同源性低，同源性低，DNA双链断裂的主要修复方法，关键分子是双链断裂的主要修复方法，关键分子
17、是DNA-PK及及XRCC4，非精确修复。，非精确修复。分类分类同源重组修复重组修复重组修复( (复制后修复复制后修复) )动画动画重组修复重组修复4 DNA损伤部位失去了模板作用而中止复制时，细胞可以诱导一个损伤部位失去了模板作用而中止复制时，细胞可以诱导一个或多个应急途径，跨过损伤部位先进行复制，再设法修复。或多个应急途径，跨过损伤部位先进行复制，再设法修复。SOS修复修复定义定义4SOS修复中修复中LexA-RecA操纵操纵子的作用机制子的作用机制1 一是给一是给DNA带来永久性的改变即突变，可能改变基因带来永久性的改变即突变，可能改变基因的编码序列或者基因的调控序列；的编码序列或者基因
18、的调控序列； 二是二是DNA的某些化学改变使得的某些化学改变使得DNA不能用作复制和转不能用作复制和转录的模板，使细胞的功能出现障碍，重则死亡。录的模板，使细胞的功能出现障碍，重则死亡。DNA损伤的后果损伤的后果 进化、疾病进化、疾病DNA损伤的意义损伤的意义22DNA损伤修复的不同层面损伤修复的不同层面v DNA复制时校对功能将损伤几率降至极低复制时校对功能将损伤几率降至极低v 单碱基损伤、单链断裂时靠回复修复、切除修复单碱基损伤、单链断裂时靠回复修复、切除修复 错配修复等机制修复错配修复等机制修复v 复杂损伤靠重组修复、复杂损伤靠重组修复、SOS修复完成，但此时为修复完成，但此时为 不精确修复易产生突变不精确修复易产生突变v 损伤程度到了无法修复时，细胞发生凋亡损伤程度到了无法修复时，细胞发生凋亡1.相关概念：相关概念：光复活修复、切除修复、重组修复、错配光复活修复、切除修复、重组修复、错配修复、修复、SOS修复。修复。2.什么是什么是DNA的损伤？其危害有哪些？的损伤？其危害有哪些？3.化学因素引起的化学因素引起的DNA损伤主要有哪几种？损伤主要有哪几种？4.什么是什么是DNA的修复？的修复？SOS修复的概念？修复的概念？Thank you!
