1、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”,DDT ，又作“滴滴涕”，学名双对氯苯基三氯乙烷，曾经是最著名的合成农药和杀虫剂。后来人们发现DDT不易降解。,DNA损伤与修复 DNA Damage and Repair,
2、第十五章,各种体内外因素所导致的DNA组成与结构的变化称为DNA损伤（DNA damage）,其一，DNA的结构发生永久性改变，即突变 其二，导致DNA失去作为复制和/或转录的模板的功能,DNA损伤的后果:,大纲要求,掌握DNA损伤的概念和类型。掌握DNA损伤的修复。熟悉DNA损伤和修复的意义。,生物多样性依赖于：,DNA突变,DNA修复,平衡,DNA损伤DNA Damage,第一节,一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤,（一）体内因素,DNA复制错误 DNA自身的不稳定性 机体代谢过程中产生的活性氧,DNA复制错误：,在DNA复制过程中，碱基的异构互变、4种dNTP之间浓度的不平衡等均可能
3、引起碱基的错配DNA复制的错配率约1/1010复制错误还表现为片段的缺失或插入。特别是DNA上的短片段重复序列，在真核细胞染色体上广泛分布，导致DNA复制系统工作时可能出现“打滑”现象，使得新生成的DNA上的重复序列拷贝数发生变化。,DNA自身的不稳定性 ：,DNA结构自身的不稳定性是DNA自发性损伤中最频繁和最重要的因素。当DNA受热或所处环境的pH值发生改变时， DNA分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可自发发生水解，导致碱基的丢失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍。含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应，转变为另一种碱基，即碱基的转变，如C转变为U，A转变为I（次黄嘌呤）等。,碱基的脱氨基作用,碱基
4、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。,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。,（二）体外因素,物理因素化学因素生物因素,物理因素：电离辐射、紫外线(ultra violet, UV),化学因素：,自由基导致的DNA损伤碱基类似物导致的DNA损伤 碱基修饰剂、烷化剂导致的DNA损伤 嵌入性染料导致的DNA损伤,物理和化学因素对DNA的损伤
5、,二、DNA损伤有多种类型,碱基脱落碱基结构破坏嘧啶二聚体形成DNA单链或双链断裂DNA的共价交联,根据DNA分子结构改变不同，DNA损伤分为,碱基损伤与糖基破坏：,化学毒物可通过对碱基的某些基团进行修饰而改变碱基的性质。 如亚硝酸盐，由于碱基损伤或糖基破坏，在DNA链上可能形成一些不稳定点，最终可导致DNA链的断裂。,DNA链发生断裂：,电离辐射、化学毒剂、磷酸二酯键的断裂、脱氧戊糖的破坏、碱基的损伤和脱落都是引起DNA断裂的原因。碱基损伤或糖基破坏可引起DNA双螺旋局部变性，形成酶敏感性位点，特异的核酸内切酶能识别并切割这样的部位，造成链断裂。DNA链上被损伤的碱基也可以被另一种特异的DN
6、A-糖基化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点（apurinic-apyrimidinic site, AP site），或称无碱基位点（abasic site），这些位点在内切酶等的作用下可形成链断裂。,DNA 的共价交联：,DNA双螺旋链中的一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合，称为DNA链间交联（DNA interstrand cross-linking）。DNA分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称为DNA链内交联（DNA intrastrand cross-linking）。DNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交联（DNA protein cross-linkin
7、g）。,DNA损伤可导致,碱基置换缺失 插入 链的断裂,：如嘌呤取代嘌呤,碱基错配,DNA损伤的修复The repair of DNA damage,第二节,DNA修复（DNA repair）是指纠正DNA两条单链间错配的碱基、清除DNA链上受损的碱基或糖基、恢复DNA的正常结构的过程。DNA修复是机体维持DNA结构的完整性与稳定性，保证生命延续和物种稳定的重要环节。（生理意义 之一）,常见的DNA损伤修复途径,一、有些DNA损伤可以直接修复,嘧啶二聚体的直接修复 烷基化碱基的直接修复 无嘌呤位点的直接修复 单链断裂的直接修复,（酶直接作用于受伤位点）,嘧啶二聚体的直接修复,烷基化碱基的直接修
8、复,无嘌呤位点的直接修复,DNA嘌呤插入酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共价键，导致嘌呤碱基的直接插入。具有很强的专一性。,单链断裂的直接修复,DNA连接酶能够催化DNA双螺旋结构中一条链上缺口处的5-磷酸基团与相邻片段的3-羟基之间形成磷酸二酯键，从而直接参与部分DNA单链断裂的修复，如电离辐射所造成的切口。,二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式,碱基切除修复 核苷酸切除修复,碱基切除修复（base excision repair）, 识别水解：DNA糖基化酶特异性识别DNA链中已受损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点； 切除：在此位点的5端，无碱基位
9、点核酸内切酶将DNA链的磷酸二酯键切开，去除剩余的磷酸核糖部分； 合成：DNA聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列； 连接：由DNA连接酶将切口重新连接，使DNA恢复正常结构,核苷酸切除修复（nucleotide excision repair）, 首先，由一个酶系统识别DNA损伤部位； 其次，在损伤两侧切开DNA链，去除两个切口之间的一段受损的寡核苷酸； 再次，在DNA聚合酶作用下，以另一条链为模板，合成一段新的DNA，填补缺损区； 最后由连接酶连接，完成损伤修复。,受到ATP水解的驱动，2个UvrA与1个UvrB形成三聚体复合物 （UvrA2UvrB1）；该复合物与DNA随机结合
10、后，沿着DNA链移动，以探测损伤的位置。识别损伤的过程比较缓慢，为限速步骤。当遇到嘧啶二聚体时，通过水解ATP，造成损伤部位的DNA双螺旋发生局部解链和进一步弯曲，致使UvrB与损伤部位形成更紧密的接触；UvrA在ATP水解后离开复合物，留下UvrB横跨损伤部位；,大肠杆菌的核苷酸切除修复,UvrC被UvrB招募到损伤部位后激活UvrB的核酸内切酶活性，UvrB在距离嘧啶二聚体的下游4nt的位置切开DNA链；与此同时，UvrC的核酸内切酶活性被UvrB激活，在距离嘧啶二聚体的上游7nt的位置切开DNA链；于是，产生一个长达13nt的含有嘧啶二聚体的寡聚核苷酸片段。,大肠杆菌的核苷酸切除修复,在
11、解链酶UvrD的作用下，ATP被水解，包含嘧啶二聚体的DNA片段发生解链而离开双螺旋，UvrC也随之而去；最后，DNA聚合酶I或II填补空缺；DNA连接酶则缝合切口。,大肠杆菌的核苷酸切除修复,碱基错配修复（ mismatch repair）,错配是指非Watson-Crick碱基配对。碱基错配修复也可被看作是碱基切除修复的一种特殊形式，主要负责纠正： 复制与重组中出现的碱基配对错误； 因碱基损伤所致的碱基配对错误； 碱基插入； 碱基缺失。,E.coli错配修复系统修复复制差错,Dam甲基化酶（methylase）使E.coli处于暂时的半甲基化状态，标记母链和新合成的DNA链，帮助新合成的D
12、NA链被错配修复系统识别并修复。,模板链的GATC序列甲基化,MutH仅切割新合成的DNA链,MutH的切口位于错配核苷酸的5侧，使用外切酶或RecJ，按53方向降解DNA；切口位于错配的3侧，则使用外切酶，按3 5方向降解DNA。DNA聚合酶填补所产生单链DNA缺口。,三、DNA严重损伤时需要重组修复,同源重组修复 非同源末端连接的重组修复,双链断裂修复,同源重组修复利用细胞内一些促进同源重组的蛋白质来从姊妹染色体或同源染色体那里获得合适的修复断裂的信息，这一种方式的精确性较高；非同源末端连接（NHEJ）修复在无序列同源的情况下，让断裂的末端重新连接起来，这种方式容易发生错误，是人类修复双链
13、断裂的主要方式。,DNA双链断裂的重组修复,同源重组修复,哺乳动物细胞DNA双链断裂的非同源末端连接,非同源重组修复,损伤跨越,重组跨越使用同源重组的方法将DNA模板进行交换以避免损伤对复制的抑制，从而使复制能够继续下去，而随后的复制仍然使用细胞内高保真的聚合酶，因此忠实性并无下降，故此途径被视为一种无错的系统。跨越合成又称为（TLS）跨损伤合成，由专门的DNA聚合酶与停留在损伤位点上的原来催化复制的DNA聚合酶交换，在子链上（模板链上损伤碱基的对面）插入正确或错误的核苷酸，结果导致对损伤位点无错或易错的跨越。,大肠杆菌的重组跨越,DNA损伤和修复的意义The significance of DNA damage and repair,第三节,一、DNA损伤具有双重效应,一是给DNA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；二是DNA的这些改变使得DNA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。,DNA损伤通常有两个生物学后果,二、DNA损伤修复障碍与肿瘤等多种疾病相关,DNA损伤与肿瘤、衰老以及免疫性疾病等多种疾病的发生有着密切的关联,
