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第五节DNA的损伤与修复 作为一种能决定生命状态存在和延续的生物大分子，DNA在遗传过程中必需保持高度的精确性和完整性，而且这种性能是细胞中任何一种分子都无法与之相比的。 尽管如此，在DNA复制过程中，仍难免会存在少量未被校正的差错。此外，DNA还会受到各种物理和化学因素的损伤。这些差错和损伤如果不被修复，将会产生严重的细胞学后果，因为DNA分子本身是无法替代的，一个细胞通常只有1-2套基因组DNA，而不像蛋白质和RNA分子那样，能利用DNA中的遗传信息不断产生新的分子来替代受损伤的分子。 一、DNA的损伤的来源 1、脱嘌呤和脱嘧啶 在生理条件下，DNA分子通过自发水解经常发生脱嘧啶和脱嘌呤反应，使嘌呤碱和嘧啶碱从DNA分子的脱氧核糖-磷酸骨架上脱落下来。例如，在腺嘌呤和鸟嘌呤的N- 9及脱氧核糖C-1′之间的N-糖苷键常发生自发水解反应而断裂，从而失去嘌呤碱基，使该嘌呤碱基所编码的遗传信息丢失。 由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。 紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC，CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。 电离辐射对DNA的损伤有直接效应和间接效应两种。 直接效应：自身聚集能量，改变理化性质。 间接效应：环境中其他成分沉积能量而改变。 DNA受到电离辐射后另一个严重的生物学后果是链断裂，包括双链断裂和单链断裂。 电离辐射还能引起DNA的交联（DNA的链间交联 和DNA-蛋白质的交联）。 DNA的链间交联： DNA分子中一条链上的碱基 与另一条链上的碱基以共价键结合。 DNA-蛋白质的交联：DNA与蛋白质以共价键合。 人工合成的且结构与碱基相似，如5-BU 5-溴尿嘧啶 ，2-AP 2-氨基嘌呤 等，可掺入到DNA分子中引起损伤或突变。 二、DNA损伤的修复 人们对DNA的修复机理进行了深入研究，发现在生物体内存在多种修复途径。DNA分子的双螺旋结构是其损伤修复的重要基础，因为DNA的互补双链可保证其一股链上的损伤被切除后，能从另一股链上获得修复所需要的信息。 修复类型 错配修复 碱基切除修复 核苷酸切除修复 DNA直接修复 1、错配修复 DNA复制是一个高保真过程，但其正确性毕竟不是绝对的，复制产物中仍会存在少数未被校出的错配碱基。通过对错配碱基的修复将使复制的精确性提高102-103倍。现已在大肠杆菌、酵母和哺乳动物中都发现了错配修复系统。 复制错配中的错配碱基存在于新合成的子代链中，错配修复是按模板的遗传信息来修复错配碱基的。因此，该修复系统必须有一种能在复制叉通过之后识别模板链与新合成 DNA链的机制，以保证只从新合成的DNA链中去除错配碱基。 在大肠杆菌中主要通过对模板链的甲基化来区分新合成的DNA链。大肠杆菌中存在一种Dam甲基化酶，它通常首先对DNA模板链的5,-GATC序列中腺嘌呤的N6位置进行甲基化，当复制完成后，在短暂的时间内（几秒或几分钟），只有模板链是甲基化的，而新合成的链是非甲基化的。正是子代DNA链中的这种暂时半甲基化，可以作为一种链的识别标志，以区别模板链和新合成的链，从而使存在于GATC序列附近的复制错配将按亲代链为模板进行修复。 几分钟后新合成链也将在Dam甲基化酶作用下被甲基?化，从而成为全甲基化DNA。一旦两条链都被甲基化，这种错配修复过程几乎不再发生。由于甲基化DNA成为识别模板链和新合成链的基础，且错配修复发生在GATC的邻近处，故这种修复也称为甲基指导的错配修复。 a.发现碱基错配。 b. 在水解ATP的作用下，MutS, MutL与碱基错配位点的DNA双链相结合。 c. MutS-MutL在DNA双链上移动，发现甲基化DNA后由MutH切开非甲基化的子链。 只要两条DNA链上碱基配对出问题，错配修复系统就会根据“保存母链，修正子链”的原则，找出错误碱基所在的DNA链，并在对应的位置切开子链，再启动特定的修复途径，合成新的子链片段。 2、碱基切除修复 所有细胞中都带有能识别受损核酸位点的不同的糖苷水解酶，能特异性切除受损核苷酸上的N-β糖苷键，形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。 主要修复小段DNA的损伤 DNA分子中一旦产生了AP位点，内切酶就会把受损核苷酸的糖苷-磷酸键切开，移去AP位点附近小片段DNA，并由DNA聚合酶I和DNA连接酶共同完成修复。 3、核苷酸切除修复 当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，则由核