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第六章,DNA的损伤与修复 The damage and repair of DNA,DNA双螺旋结构发生的任何改变 主要分为两种：,,单个碱基的改变 双螺旋结构的异常扭曲,DNA损伤的概念：,DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，维护DNA分子的完整性对细胞至关紧要；,,修复DNA损伤的能力是生物能保持遗传稳定性所在； DNA分子的变化并不是全部都能被修复成原样的，因此生物才会有变异、有进化DNA损伤修复的重要性,5.1 DNA损伤的原因,5.1.1 DNA分子自发性损伤,1. DNA复制中的错误,碱基配对的错误概率约为10-1_10-2；在DNA聚合酶的校对作用下，错配概率降到10-5_10-6 ； 再经过DNA结合蛋白和其他因素作用下，错配率仍在10-101）碱基的异构互变,DNA每种碱基有几种形式，称互变异构体，异构体中原子的位置及原子之间的键有所不同 碱基各自的异构体间可以自发发生变化（烯醇式与酮基间互变）; A=C T=G 上述配对发生在DNA复制时，会造成子代DNA序列与亲代DNA不同的错误损伤.,同型异构体转换,= O -OH,,同型异构体转换,-NH2 -NH,,,,异构互变造成的复制损伤,（2）碱基的脱氨基作用,碱基的环外氨基自发脱落，C变为U，A变为次黄嘌呤（H ），G变为黄嘌呤（X） 。

复制时，U与A配对、H和X都与C配对会导致子代DNA序列的错误变化3） 脱嘌呤与脱嘧啶 (碱基丢失),自发水解使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落 哺乳类动物细胞，在30C下，20h内DNA链自发脱落嘌呤约1000个，嘧啶约500个4）活性氧引起的碱基修饰与链断裂,细胞呼吸的副产物O2-, H2O2造成DNA损伤，产生一些碱基修饰物（胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等），还可引起DNA单链断裂等损伤; 这些损失的积累可导致老化2. 物理因素引起的DNA损伤,（1）紫外线（UV）引起的DNA损伤,DNA受到大剂量紫外线（260nm）照射时，同一条链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体；TT, CC, CT之间都可形成二聚体复制时，此处产生空耗过程，DNA不能复制，细胞不能分裂，导致凋亡紫外线引起的DNA损伤 最易形成胸腺嘧啶二聚体（TT）,,,（2）电辐射引起的DNA损伤,碱基变化 细胞中的水经辐射解离后产生大量OH-自由基，使DNA链上的碱基氧化修饰、形成过氧化物的、导致碱基环的破坏和脱落等脱氧核糖变化,脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与OH-反应，导致脱氧核糖分解，最后会引起DNA链断裂。

DNA链断裂,脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而导致DNA链断裂 一条链断裂称单链断裂（single strand broken）； DNA双链在同一处或相近处断裂称为双链断裂（double strand broken ）,胶联（binding）,,,同一条DNA链上或两条DNA链上的碱基间以共价键结合；DNA与蛋白质之间也以共价键相连；组蛋白、染色质中的非组蛋白、调控蛋白、与复制和转录有关的酶都会与DNA以共价键连接胶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，会影响细胞的功能和DNA复制辐射引起DNA分子结构的多种变化,（2）烷基剂对DNA的损伤,（1）碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤,（3）嵌合剂对DNA的损伤3. 化学因素引起的DNA损伤,(1) 碱基类似物对DNA的损伤 某些化学物质和正常的碱基在结构上类似，有时会替代正常碱基而掺入DNA分子，一旦这些碱基类似物进人DNA后，由于它们的配对能力不同于正常碱基，便引起DNA复制过程中其对应位置上插入不正确碱基例如 5-溴尿嘧啶（BU）和 5-溴脱氧尿嘧啶（BrdU）是T结构类似物细菌在含BU的培养基中培养时，部分DNA中的T被BU取代，BU有两种互变异构体，一种是酮式结构（第6位上有一个酮基），它可以代替T而掺入DNA，并与A配对；当BU发生互变异构成为烯醇式（第6位上是一个羟基）后，就容易和G配对。

通常以酮式存在，有时也以烯醇式存在当BU先以酮式掺入DNA，继而又变成烯醇式时，进一步复制使DNA中 A- T对变成 G- C对同样道理也引起 G- C向 A- T的转换，BU可以使细菌的突变率提高近万倍除BU外，还有5-溴脱氧尿苷、5-氟尿嘧啶、5-氯尿嘧啶及它们的脱氧核苷 另一种被广泛应用的碱基类似物是2-氨基嘌呤（2-AP），是一种腺嘌呤A类似物，可和胸腺嘧啶T配对可再和胞嘧啶C 配对，产生A-T 、G-C的转换，或2-AP以和胞嘧啶C 配对形式进入DNA后再和胸腺嘧啶T 配对后产生G-C、A-T的转换2) 烷化剂引起的DNA损伤（特异性错配） 某些诱变剂不掺入DNA，而通过改变碱基的结构从而引起特异性错配，如烷化剂（是一类亲电子的化合物，具有一个或多个活性烷基）它们的诱变作用是使DNA中的碱基烷化 活性烷基不稳定，能转移到其他分子的电子密度较高的位置上，并置换其中的氢原子，使其成为不稳定的物质 烷化剂的种类很多，常见的有甲磺酸乙酯（EMS）、亚硝基胍（NG）和芥子气等EMS能使鸟嘌呤的 N位置上有乙基，成为7一乙基鸟嘌呤与胸腺嘧啶配对，故能使G-C转换成A-T。

烷化剂的另一作用是脱嘌呤例如烷基在鸟嘌呤N位上活化糖苷键引起断裂，使嘌呤从DNA链上脱掉，产生缺口复制时，与缺口对应的位点上可能配上任一碱基，从而引起转换或颠换；而且去嘌呤后的DNA容易发生断裂，引起缺失或其他突变3) 嵌合剂的致突变作用 嵌合染料是另一类重要的DNA修饰剂包括丫啶橙（acridine orange）、原黄素（proflavin）、叮黄素（acriflavine）等染料 这些试剂为平面分子，其分子大小与碱基对大小差不多，可以嵌入到DNA双链碱基对之间，在嵌入位置上引起单个碱基对的插入或缺失突变嵌合染料也能嵌入单链DNA的碱基之间，这些突变都会引起阅读框的改变，造成移码突变概念： 由各种诱变剂诱发的DNA的突变每一种诱变剂有其对应的特异性（如对G-C，A-T转换）和对特定的突变位点的偏好，例如：甲磺酸乙酯（EMS）和紫外线（UV）“偏好” G-C， A-T转换，黄曲霉素B1（AFB1）则偏好于C-G，A-T颠换 诱变机制： 诱变剂通过3种机制诱发突变：取代DNA中的一个碱基；改变一个碱基使之发生错配；破坏一个碱基使之在正常情况下无法配对4. 诱发突变,诱发突变与人类的癌症 黄曲霉素（AFB）引起肝癌，紫外线（UV）照射会导致皮肤癌。

肿瘤抑制基因是一种编码抑制肿瘤形成的蛋白质基因如果发生突变则会致癌对南非和东亚肝癌病人的P53基因的分析发现，AFB特异性诱导GT颠换，引起P53发生突变，而在同一地区的肺癌、肠癌和乳腺癌的病人中未发现此现象黄曲霉素B1（aflatoxin B1，AFB1） 一种很强的致癌剂 在鸟嘌呤 N7位置上形成一加成复合物后产生无嘌呤位点修复要求SOS系统参与SOS越过无嘌呤位点并在这些位点对应处选择性插入腺嘌呤，使鸟嘌呤残基脱嘌呤的试剂偏向于产生G-C T-A颠换现代生活环境使人可能接触各种各样药品、化妆品、食物防腐剂、杀虫剂、工业用试剂、污染物等，其中很多化合物已被证明具有致癌性质 研究表明在175种已知的致癌剂中，有157种是诱变剂这些物质是通过诱导体细胞突变而致癌的例如食物防腐剂AF-2食物熏蒸剂二溴乙烯、抗血吸虫药物、多种染发添加剂以及工业化合物氯乙烯等都具致癌性 因而要靠科学治理环境，保护环境就是保护人类自身5.1.2 DNA损伤的后果,导致DNA分子结构变化（亦即发生突变） 生物体在表型上突变,1. 突变类型,(1) 点突变（point mutation）,DNA单一碱基的变异,转换（transition）：嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶之间替换,颠换（transvertion）：嘌呤与嘧啶之间的替代,,,,野生型等位基因：将自然界中普遍出现或指定实验用的某一品系的性状作为“野生型”或“正常”的性状，与这种性状相关的等位基因称为野生型等位基因。

突变型等位基因：任何不同于野生型等位基因的相同座位的基因称为突变型等位基因 正向突变：从野生型等位基因变为突变型等位基因 恢复突变：从突变型等位基因变为野生型等位基因突变的多方向性和复等位基因 一个基因内有很多突变位点，所以，一个基因的突变也有多方向性，从而导致一个基因可以有两个以上的等位形式复等位基因2) 缺失（deletion）/ 插入（insertion）,DNA链上一个或一段核苷酸的消失或加入移码突变（frame-shift mutation）：,例如在 E.coli的lacl基因中发现一种 4个碱基序列(CTGG)在野生型中连续重复了 3次J. Miller等人研究了这个基因突变热点（hot Spots）产生的原因发现某些热点是由重复序列引起的所谓热点即一个基因中比其他位点更容易发生突变的位点由于插入或缺失突变引起DNA的阅读框（ORF）发生改变，从而产生不同蛋白质的过程3) 倒位 (inversion) 或转位（translocation）,DNA重组使其中一段核苷酸倒置，或从一处迁移到另一处4) 双链断裂,2. 突变后果,（1）致死性: 突变发生在对生命至关重要的基因上，可导致个体或细胞的死亡。

致死突变：严重影响生物体生活力，导致个体死亡的突变 可分为显性致死突变（杂合态即可致死）和隐性致死突变（纯合态才致死）2）基因功能的改变,突变是某些疾病的发病基础 包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的病 有些已知其遗传缺陷所在 但大多数尚在研究中突变影响生物的代谢过程，导致一个特定生化功能的改变或丧失如微生物的营养缺陷型突变导致生物体外观上可见的形态结构的改变例如果蝇的红眼白眼突变：,例: UVB 所致的基因突变 UVB: 290-320nm,由于修复系统的缺陷或偶发的错误修复，则会导致某些基因突变，使得角质形成细胞的细胞周期的调控出现异常，进一步发生克隆性增生和永生化生长而导致皮肤癌的发生管理基因( caretaker genes) : 执行DNA的损伤修复，维持基因组的完整性如着色性干皮病的修复基因XPAXPF 看门基因( gatekeeper genes) : 控制细胞信号传导，调控细胞的增殖、分化和凋亡如p53、patched基因和ras等皮肤癌的发生与看门基因突变关系密切着色性干皮病（xeroderma pigmentosis，XP） 是一种切除修复有缺陷的遗传性疾病 在研究其发病机制时，发现一些相关的基 因，称为XPA、XPB、XPC等。

这些基因的表达产物起辨认和切除损伤DNA作用的 XP病人是由于XP基因有缺陷，不能修复紫外线照射引起的DNA损伤，因此易发生皮肤癌p53 当UVB损伤DNA造成p53突变后，突变型p53因失去了对细胞周期的正常调控，使得损伤的DNA继续复制，从而提高了染色体畸变的偶发率和遗传的不稳定性，角质形成细胞极易发生克隆增生和恶性转化有害物质富集 例: DDT在水环境中存在量仅为310-6ppm(mg/L)的时候，当它进入浮游动物体内就被富集为0.04ppm； 浮游动物被小鱼吃了，小鱼体内DDT富集量就变为0.5ppm； 当小鱼被大鱼吃了，大鱼体内DDT富集量就升高为2ppm； 当大鱼被鹰吃了，鹰体内DDT富集量就变为25ppm， DDT浓度整整富集了1000万倍 如果人吃了鱼或鹰，那么人体内DDT富集量更是高得可怕会引起突变 “低剂量、长期暴露的蓄积作用”,（3）突变导致基因型改变: 这种突变只有基因型的改变，而没有可察觉的表型改变 多态性 (polymorph。