第五章 基因稳定性与DNA损伤修复

第五章 基因稳定性与DNA损伤修复的思维导图，分享了 基因稳定性与DNA的损伤、DNA修复的分子机制、DNA修复异常与疾病，一起来看。

第五章 基因稳定性与DNA损伤修复

• 基因稳定性与DNA的损伤
  • 概念
    • 基因稳定性：指某个物种中的全部基因组信息，包括染色体结构、染色体数目、表观遗传信息等准确地从一个母细胞传递给两个子代细胞
      • 稳定性强调的是过程不是状态
    • DNA损伤：是指在各种因素的作用下，体内DNA的组成或正常的双螺旋结构发生改变
    • DNA突变：是指DNA双螺旋中的碱基排列顺序发生改变，是DNA损伤后未被及时修复或修复不正确的结果
  • 诱发DNA损伤的因素
    • 分类
      • 体内因素
        • DNA结构的不稳定性
          • 导致DNA损伤最频繁也是最重要的因素
          • 脱嘌呤：当受热或pH值改变时， DNA分子上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
          • 脱氨基：含有氨基的碱基还可自发脱氨基，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）, G变为X （黄嘌呤）
          • 互变异构作用：受环境ph的影响，碱基的酮基可形成酮-烯醇式互变异构体，氨基可形成氨基-亚氨基互变异构体。使配对碱基间的氢键改变，造成碱基错配
        • DNA复制错误
          • 碱基错配
            • 原因：互变异构体的存在，4种dNTP之间浓度的不平衡导致
            • 校正：DNA pol 会用其“校读”功能切除错配核苷酸
          • 片段缺失和片段插入
            • 有时出现模板链或新生碱基的“环出”现象，称DNA聚合酶的“打滑”，这种错误发生在模板上有碱基串联重复的部位
              • PS：碱基串联重复的部位即使发生“环出”后面的碱基配对仍可保持正确
        • 活性氧
          • 引发DNA氧化损伤，如G可被氧化成8-氧鸟嘌呤，可与C或A配对，造成GC转化为AT
            • DNA pol Ⅰ和DNA pol Ⅱ的矫正活性不能矫正其错配
          • 可引起DNA单链断裂等损伤
        • 碱基修饰
          • 细胞内存在一些天然的烷基化试剂，如SAM，可使DNA分子中的某些碱基甲基化，造成碱基错配
      • 体外因素
        • 物理因素
          • 紫外线照射
            • UV-B（320~280nm）照射时，DNA分子中同一条链上相连的两个嘧啶最易形成T-T嘧啶二聚体。二聚体的形成可使DNA产生弯曲和扭接，影响DNA的双螺旋结构
          • 电离辐射
            • 发生多种形式的损伤，包括碱基和核糖核酸的变化，DNA链断裂和交联
        • 化学因素
          • 烷化剂
            • 能与DNA分子中含有丰富电子的氨基和羧基发生共价结合，改变碱基配对的性质
          • 碱基类似物
            • 能在DNA复制时取代正常的碱基与模板链的碱基配对从而掺入DNA的化合物
          • 碱基修饰剂
            • 改变碱基配对性质（通过对DNA分子上的碱基进行修饰）
          • 多环芳烃
            • 稳定的加合物：导致DNA复制错误
              • DNA加合物：多环芳烃被化学修饰酶转变成与DNA结合的中间代谢物，后者与DNA分子特异结合位点结合形成DNA加合物
            • 不稳定的加合物：导致脱嘌呤
          • 嵌入试剂
            • 导致DNA两条链的错配（一些扁平的稠环插入DNA后占据一个碱基的位置，拉大碱基对之间的距离）
        • 生物因素
          • 病毒、真菌等
  • DNA损伤的类型
    • 碱基脱落
      • 源于 N-糖苷键断裂 而使碱基脱落，形成无嘌呤位点或称无碱基位点
    • 碱基损伤
      • 包括
        • 碱基修饰
        • 碱基脱氨
        • 碱基氧化
        • 碱基环破裂
        • 碱基共价结合
      • 碱基损伤的后果：导致DNA链上形成一些不稳定位点，最终被特异的核酸内切酶识别并切割，导致DNA链断裂
    • 糖基破坏
      • 被核酸内切酶识别并切割，最终导致DNA链断裂
    • 碱基错配
      • 碱基类似物的掺入
      • 碱基烷化剂的作用
      • 碱基修饰剂的作用
      • DNA自身结构的不稳定
      • 改变碱基的配对性质
    • DNA链断裂
      • 电离辐射诱导的DNA损伤的主要形式，可形成单链断裂或双链断裂（可导致基因组重排，产生染色体畸变的可能性大）。
    • DNA链交联
      • 由电离辐射和烷化剂引起
      • 多种形式：链内交联，链间交联、DNA-蛋白质交联
  • DNA损伤的后果
    • 按细胞分
      • 非分裂细胞或缓慢分裂细胞：未被修复的DNA损伤随着时间的推移在细胞内积累，加速细胞衰老
      • 分裂旺盛的细胞：错误会传给子代细胞，产生突变
    • 按突变类型分
      • 点突变：一种核苷酸转变为另一种核苷酸，实质是碱基的置换
        • 点突变后对细胞功能的影响主要取决于其发生的位置
        • 转换：DNA链种一种嘌呤（嘧啶）变成另一种嘌呤（嘧啶）
        • 颠换：嘧啶取代嘌呤或嘌呤取代嘧啶。频率是上者的1/10
      • 插入和缺失
        • 插入：一个核苷酸或一段核苷酸插入到DNA链中
        • 缺失：DNA链上丢失一个或一段核苷酸
        • 产生的突变类型
          • 移码突变：在蛋白质编码序列中插入的核苷酸不是3或3的整数倍，突变点下游全部发生移码，编码的氨基酸序列全部发生改变，可在突变点下游提前或推迟出现终止密码
          • 框内突变：在蛋白质编码序列中插入的核苷酸是3或3的整数倍，编码的蛋白质增加或丢失了几个氨基酸，但是突变点后的氨基酸序列不变
      • DNA重排
        • 发生原因：由于基因转座、DNA双链断裂、连接等导致DNA片段在基因组中的位置发生改变
        • 重排类型
          • 易位
            • 染色体片段发生位置改变，常伴有基因位置的改变
            • 染色体内易位（移位）
              • 发生在一条染色体内的转位
            • 染色体间易位
              • 发生在两条染色体之间（可以是同源或非同源染色体）
              • 转位：一条染色体的某一片段转移到另一条染色体上，即单向易位
              • 相互易位：两条染色体间片段发生相互交换，一般来说更为常见，会产生融合基因
          • 倒位：位于同一条染色体上方向相反、序列相似的两段DNA发生不正常的同源重组，会导致中间的DNA序列发生倒位
          • 染色体上大片段的缺失或重复
  • DNA损伤的监控：多个蛋白质共同参与的过程，在细胞分裂周期的多个检测点发挥作用
    • 包括损伤感受子、信号传导子、调节子和效应子
• DNA修复的分子机制
  • 概念：DNA修复：细胞对DNA损伤后的一系列反应，可使DNA结构恢复，进而使细胞恢复原有功能。并非所有DNA损伤都能被修复，或者修复不完全正确，细胞能耐受这种DNA损伤继续生存
  • 类型
    • 直接修复：细胞在修复酶作用下直接作用于受损的DNA，使之恢复为原来的结构。不需要模板且特异性强。
      • 光复活酶（是单体酶，最早在细菌和真菌中发现）能识别并结合于DNA链上的嘧啶二聚体，在300-500nm波长可见光的激发下活化，直接将嘧啶二聚体解聚为嘧啶单体
      • PS：哺乳动物无单体酶，不能进行嘧啶二聚体的直接修复
    • 错配修复
      • 1、主要用来纠正DNA复制和重组过程中产生的DNA双螺旋上的错配碱基对 2、还能修复一些因复制打滑而产生的小于4个核苷酸的插入或缺失
      • 在含有错误碱基的DNA分子中，去掉错误的核苷酸从而使正常核苷酸序列恢复的修复方式
      • 机制：MutS二聚体沿DNA双链移动，识别并结合错配核苷酸。MutL参与形成MutL-MutS-DNA复合体，招募MutH结合在错配位点附近的GATC序列上，MutL水解ATP激活MutH核酸内切酶活性，切断错配核苷酸所在的DNA链，并在解旋酶和核酸外切酶的作用下去除一段包含错配核苷酸的DNA链，再在DNA聚合酶Ⅲ和DNA连接酶作用下完成修复。
      • 碱基错配仅发生在子链，原核生物在甲基化酶作用下，回文序列GATC中A全部甲基化，但是DNA复制过程中，子链要晚几分钟才可以完全甲基化，呈现半甲基化状态，MutH识别半甲基化的GATC序列，从而识别结合子链。
        • 如何识别错误链？
    • 碱基切除修复
      • 是人体细胞主要的DNA修复系统之一
      • 切除和替换受损碱基，从而使正常核苷酸得以恢复的修复方式。
      • 依赖于生物体内存在的一类特异的DNA糖苷酶
      • 机制：①DNA糖苷酶识别催化受损碱基所在的糖苷键，切除对应碱基产生无碱基位点（AP位点） ②AP核酸内切酶识别AP位点，切除磷酸戊糖骨架③DNA聚合酶以另一条链为模板合成互补序列④DNA连接酶连接切口。
    • 核苷酸切除修复
• DNA修复异常与疾病
  • 着色性干皮症，常染色体隐性遗传病，由于DNA损伤修复机制缺陷而使得紫外线照射引起的DNA损伤不能修复。