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3.4 DNA的修复
作者:生科院    文章来源:西北农林科技大学    点击数:4324    更新时间:2011/4/15
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DNA复制是严格而精确的事件,但也可能发生错误。虽然有碱基互补配对及DNA pol的校正作用,但错配率仍有10-10左右。

外界环境和生物体内部的因素常会导致DNA分子的损伤或改变,如果DNA的损伤或遗传信息的改变不能更正,就会影响到生物体的功能或生存或繁殖。

 

在进化过程中生物细胞所获得的修复DNA损伤的能力是生物能保持遗传稳定性的关键。细胞中能进行修复的生物大分子只有DNA,表明DNA对生命的重要性。

在生物进化中,突变与遗传相对立统一、普遍存在,DNA分子的变化并不是全部都可被修复的,因此生物才有变异和进化。

 

3.4.1 DNA损伤的来源

3.4.1.1 碱基脱落形成AP位点

热、酸和糖基化酶(Glycosylase)都可使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落,形成AP位点(Apurinic or Apyrimidinic site)。

 

烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定,容易脱落形成DNA上无碱基的位点。

 

3.4.1.2 碱基的改变

①物理因素

电离辐射可引起其它物质产生自由基,从而引起碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落等。

一般嘧啶比嘌呤更敏感。

 

②化学因素

a.烷化剂

硫酸二甲酯、甲烷磺酸甲酯(MMS)等烷化剂可将烷基加到嘌呤或嘧啶的N或O上使碱基烷基化。

鸟嘌呤的N7和腺嘌呤的N3最容易受攻击,形成m7G和m3A烷基化的嘌呤碱基,导致复制时碱基错配。

 

例如鸟嘌呤N7被烷化后与T配对,使G-C转变成A-T。

 

b.碱基类似物

5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-氟尿嘧啶(5-FU)、2-氨基腺嘌呤(2-AP)等。它们的结构与碱基相似,进入细胞能替代正常的碱基参入到DNA链中而干扰DNA复制合成。

 

如5-BU与T结构相似,在酮式结构时与A配对;它更易成为烯醇式结构与G配对,在DNA复制时导致A-T转换为G-C。

 

 

c.黄曲霉素

黄曲霉素B、1,2-乙酰-氨基芴、苯并芘、吖啶等可插入碱基序列,引起移码。

 

 

d.硝酸盐

亚硝酸盐能使C脱氨变成U,经过复制就可使DNA上的G-C变成A-T对。

 

③碱基的自发改变和损伤

a.碱基的异构互变

4种碱基各自的异构体间都可自发地互变(烯醇式与酮式间的互变),这会使碱基间发生错配,使A-C、T-G等。

 

b.碱基的脱氨基作用

碱基的环外-NH2有时会自发脱落,使C→U、A→次黄嘌呤(I)、G→黄嘌呤(X)等,DNA复制时,U-A、I-X、I-C配对,导致子代DNA序列错误。

 

5-甲基胞嘧啶脱氨基产生T(引起C-G→T-A),而C脱氨基产生U(它通常被移出或被C代替)。

 

④氧自由基伤害

细胞代谢副产物O2-、H2O2等会造成碱基损伤,产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物,引起碱基配对错误。

 

3.4.1.3 碱基插入或缺失

吖啶类分子带正电呈扁平状,易于嵌入DNA碱基平面间,导致在复制或重组过程中缺失或插入一个碱基。

DNA聚合酶在复制过程中发生滑动,尤其在连续几个相同碱基的区段产生1个或几个碱基的缺失或插入。聚合酶在模板链上滑动易于造成缺失,在生长链上滑动易于造成插入。

插入或缺失会导致读码框改变。

 

3.4.1.4 嘧啶二聚体

DNA受到紫外线照射时,使DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体。

相邻2个T;或2个C;或C与T间都可形成环丁基二聚体;相邻2个T间最易形成TT二聚体。

 

 

3.4.1.5 DNA链断裂

电离辐射可使DNA链断裂;射线的直接和间接作用都可能使脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而致DNA链断裂。

烷化剂也可使DNA链断裂;DNA链的磷酸二酯键上的氧易被烷化,结果形成不稳定的磷酸三酯键,在糖与磷酸间发生水解,使DNA链断裂。

对单倍体细胞一个双链断裂就是致死性事件。

 

3.4.2 DNA突变

DNA损伤的后果最终导致DNA分子结构的变化,这DNA分子水平上的突变(mutation)是整体遗传突变的基础。

 

3.4.2.1 点突变

点突变(point mutation)是DNA上单一碱基的变异。

转换(transition):嘌呤替代嘌呤(A与G间替代)、嘧啶替代嘧啶(C与T间替代)。

颠换(transvertion):Pu(Py)变Py(Pu)。

 

 

3.4.2.2 移码突变

在编码序列中如缺失及插入的核苷酸数不是3的整倍数,则发生读框移动(reading frame shift),使其后所译读的氨基酸序列全部混乱,称为移码突变(frame-shift mutaion)。

①缺失(deletion)

缺失是DNA链上一个或一段核苷酸的消失。

 

②插入(insertion)

插入是一个或一段核苷酸插入到DNA链中。

③倒位或转位(transposition)

倒位或转位是指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处。

 

3.4.2.3 校正突变

 

3.4.2.4 点突变的可能后果

①沉默突变:密码子的简并性;个别氨基酸改变,若氨基酸结构和性质相似则不影响表形。基因型(genotype)改变表现型(phenotye)不变。

②致死突变:关键氨基酸改变,如酶的活性中心。

 

③渗漏突变:某个氨基酸改变,但基因产物并无重大改变,如酶的Km和Vmax改变。可使生物适应环境或丧失某些功能。可产生新种。

④进化突变发生了有利于物种生存的结果,使生物进化。

 

3.4.3 DNA修复(DNA repairing)

DNA修复是细胞对DNA受损伤后的一种反应,它可能使DNA结构恢复原样,重新能执行它原来的功能。

但修复有时并非能完全消除DNA的损伤,只是使细胞能耐受DNA损伤继续生存;也许这未能完全修复而存留下来的损伤会在适合的条件下显示出来(如细胞的癌变等)。

 

在人类基因组中已经确认至少130个以上的基因参与DNA修复。

 

3.4.3.1 光修复

DNA光解酶(photolyase)能特异性识别紫外线造成的DNA链上相邻嘧啶结合的二聚体,并与其结合;

结合后酶可被300~600nm的光激活,将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体,然后酶从DNA链上释放,DNA恢复正常结构。

 

 

3.4.3.2 切除修复

切除修复(excision repair)对多种DNA损伤包括碱基脱落形成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链断裂等都能起修复作用。

 

 

修复过程:

①切割(Incision):一种内切核酸酶识别损伤结构并在损伤的两端切割DNA链。

②切除(Excision):一种5’→3’外切核酸酶除去一段损伤的链。

 

③合成(Synthesis):产生的单链作为一种DNA聚合酶的模板合成被切除序列的替代链。

④DNA连接酶把新链的3’端和旧链连接起来。

根据切除修复DNA片断长度不同分为:极短程修复(Very short patch repair, VSP)、短程修复(Short-patch repair)和长程修复(long-patch repair)。

VSP系统修复特定碱基之间的错配。后两种切除修复系统都涉及uvr基因。

 

切除修复的uvr系统包括uvrA,B,C基因,编码一个修复核酸内切酶的成分。

首先UvrAB组分识别损伤。然后UvrA解离(需要ATP),UvrC与UvrB结合。UvrBC在损伤5’端的7nt处和3’端的3~4nt处产生两处切口(也需ATP)。解旋酶UvrD能使DNA解旋以释放两个切口之间的单链。DNA polⅠ参与修复。

99%的切除修复事件属于切除<12个核苷酸,这属于短程修复。剩余的1%包括替代大约1500nt的DNA片段,甚者可以大于9000nt。这种方式也需要uvr基因和DNA polⅠ。这两种修复系统之间的区别是短程修复是细菌细胞的组成性功能,而长程修复肯定是由损伤诱导发生的。

 

3.4.3.3 重组修复(recombination repair)

在没有互补链可直接利用时,如在DNA复制进行时发生DNA损伤,此时DNA两条链已经分开,修复可用DNA重组方式。

①受损伤的DNA链复制时,产生的子代DNA在损伤的对应部位出现缺口。

 

②完整母链DNA与有缺口子链DNA进行重组交换,将母链上相应片段填补子链缺口处,而母链出现缺口。

③以另一条子链DNA为模板,经DNA pol合成一新DNA片段填补母链缺口,最后由DNA ligase连接完成修补。

 

重组修复不能完全去除损伤,损伤的DNA片段仍然保留在亲代DNA链上,只是重组修复后合成的DNA分子是不带有损伤的。

但经多次复制后,损伤就被“稀释”了,在子代细胞中只有一个细胞是带有损伤DNA的。

 

3.4.3.4 错配修复

错配修复是以模板链的信息来纠正新合成链错配碱基的一种修复方式。

错配修复能区分新链及模板链。

区分方式是用甲基化酶(Dam)在模板链GATC中的A(N-6)上甲基化修饰。

 

当两链发生错配时,新链的碱基会被纠正。

 

大肠杆菌的错配修复机制

①MutS蛋白与错配碱基结合,MutH与GATC结合,MutL使MutS和MutH连结成复合体,MutH的位点专一核酸内切酶活力在未甲基化链GATC序列中G的5’侧切割。

 

②核酸外切酶在Helicase及SSB协助下将无甲基化链从GATC位点至错配位点整段去除。

 

③若被切割的GATC位点在错配位点的3’端,由exoⅠ从3’→5’将核酸链降解。

④若被切割的GATC位点在错配位点的5’端,则由exoⅦ(3’→5’或5’→3’降解单链)或RecJ(5’→3’降解单链)从5’→3’降解核酸链。

 

⑤DNA polⅢ及ligase根据模板股的序列填补新链被切除部分,包括错配的碱基。

GATC位点与错配位点的距离可能长达1000nt以上。因此,为了修复一个错配碱基,有时需重新合成1000个以上的碱基。

 

3.4.3.5 SOS修复

SOS修复是DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式,修复结果只是能维持基因组的完整性,但留下的错误较多,又称为错误倾向修复(error-prone repair),使细胞有较高的突变率。

 

SOS修复是Radman1975年提出的,UV照射可能在E. coli中诱发出一种DNA修复系统,增强DNA损伤后的修复能力,同时促进突变。

若E. coli未经UV照射,则l生存率下降。

SOS修复分四个阶段:

①诱导前期cell正常生长。

②诱导因素作用于DNA,正常复制作用受抑制,产生诱变信号。

诱导物:UV、丝裂霉素C等,它们作用于DNA产生诱导信号。

诱导信号:缺口DNA,polyU等,是损伤因子第二信使。

 

③诱导过程

诱导信号(单链DNA和ATP在体外)可激活RecA蛋白,激活的RecA可使LexA潜在的蛋白酶活性被激活,导致LexA自切割,消除LexA对recA和SOS的阻遏。

 

RecA蛋白表达量的增加是重组修复所必需的。高水平的RecA可使LexA全部水解。

原来被LexA阻遏的基因活化,SOS修复进行。

 

④SOS终止

DNA修复后,诱导物浓度降低,诱导信号也随之消失,RecA回到不激活状态而导致LexA上升,LexA作为阻遏物又关闭SOS的操纵子,SOS终止。

 

SOS特点:易错的DNA修复;DNA pol校对功能降低;UV使E. coli产生多种突变体,是由于SOS修复;DNA polⅠ*参与修复,它的非互补渗入比DNA polⅠ高10倍。

意义:生物产生的大多数突变体最终致死,只有少数存活,是以大量细胞死亡和突变为代价的存活。但导致进化。

 

3.4.3.6真核DNA修复系统

目前对真核细胞的DNA修复的反应类型、参与修复的酶类和修复机制了解还不多,但DNA损伤修复与细胞突变、寿命、衰老、肿瘤发生、辐射效应、某些毒物的作用都有密切的关系。

 

某些人类遗传病为哺乳动物修复系统的存在提供了证据。其中研究比较透彻的是着色性干皮病(Xeroderma pigmentosum,XP),这是一种隐形疾病,其后果是对阳光,特别是紫外光过敏。这种缺陷引起一些皮肤病变。

这是由缺乏切除修复引起的。XP患者的成纤维细胞缺乏对胸腺嘧啶二聚体和其他巨大加合物的切除能力。

 

包含XP基因产物的蛋白复合物结合在损伤位点,在TFⅡH解旋酶活性的作用下使DNA链在损伤解旋~20bp,TFⅡH作为包含XP基因产物的蛋白复合物的组分。然后在损伤位点的任意一侧切割,单链延伸置换损伤链。

 

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。

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