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第五章：基因组维持

5.1 DNA损伤

损伤类型

DNA损伤

分为两大类：

自发性损伤： | 类型 | 机制 | 频率 | |——|——|——| | 脱嘌呤 | 糖苷键水解 | 10⁴/细胞/天 | | 脱氨基 | 胞嘧啶→尿嘧啶 | 100/细胞/天 | | 氧化损伤 | 活性氧（ROS） | 10³/细胞/天 |

诱发性损伤： | 诱变剂 | 损伤类型 | |——–|———| | UV | 嘧啶二聚体（CPD、6-4光产物） | | 电离辐射 | 双链断裂、碱基氧化 | | 烷化剂 | 碱基烷基化 | | 嵌入剂 | 碱基插入/缺失 |

常见DNA损伤

嘧啶二聚体：

• UV诱导，相邻嘧啶形成环丁烷环
• 阻碍DNA聚合酶前进
• 导致复制停滞

氧化损伤：

• 8-oxoG

  （8-氧鸟嘌呤）：G→T突变

• 胸腺嘧啶乙二醇
• 由活性氧（ROS）产生

5.2 DNA修复机制

直接修复

直接修复

：直接逆转损伤

类型	酶	机制
光修复	光裂合酶	光依赖，裂解嘧啶二聚体
O⁶-甲基鸟嘌呤修复	MGMT	转移甲基到自身
单链断裂修复	DNA连接酶	直接连接

切除修复

切除修复

：切除损伤片段，重新合成

碱基切除修复（BER）：

损伤碱基 → 糖基化酶切除 → AP内切酶切割 → DNA聚合酶填补 → DNA连接酶连接

• DNA糖基化酶

  ：识别并切除损伤碱基

• AP位点

  ：无碱基位点

• AP内切酶

  ：切割AP位点

核苷酸切除修复（NER）：

损伤识别 → 解旋 → 切割（两侧） → 切除寡核苷酸 → 填补 → 连接

• 修复大的螺旋扭曲损伤（如嘧啶二聚体）
• TFIIH

  复合物：解旋

• XPG

  、XPF-ERCC1：切割

全基因组NER vs 转录偶联NER：

• GG-NER

  ：全基因组扫描

• TC-NER

  ：优先修复活跃转录基因

错配修复

错配修复

（MMR）：

识别：

• MutS

  ：识别错配

• MutL

  ：介导

• MutH

  ：切割（原核）

过程：

• 识别新合成链（甲基化标记或缺口）
• 切除包含错配的片段
• 重新合成

临床意义：

• 林奇综合征

  （遗传性非息肉性结直肠癌）

• MMR基因突变导致微卫星不稳定

双链断裂修复

双链断裂修复

：最危险的DNA损伤

同源重组修复（HRR）：

• 需要同源模板（姐妹染色单体）
• 高保真修复
• 主要发生在S/G2期

关键蛋白：

• RAD51

  ：真核生物RecA同源物

• BRCA1

  /BRCA2：招募RAD51

非同源末端连接（NHEJ）：

• 直接连接断裂末端
• 不需要同源模板
• 可能产生突变（末端处理）
• 主要发生在G1期

关键蛋白：

• DNA-PKcs

  ：识别双链断裂

• Ku70

  /Ku80：结合DNA末端

• DNA连接酶IV

  ：连接

5.3 同源重组

重组机制

同源重组

：同源序列间的DNA交换

Holliday模型：

1. 双链断裂（或单链缺口）
2. 链侵入

   ：单链侵入同源双链

3. D-loop

   形成

4. Holliday连接体

   形成

5. 分支迁移
6. 拆分（切开方式决定产物）

重组的生物学功能

功能	说明
DNA修复	修复双链断裂
遗传多样性	减数分裂中交换
复制重启	复制叉崩溃后恢复
端粒维持	替代端粒延长（ALT）

减数分裂重组

过程：

• 联会

  ：同源染色体配对

• 联会复合体

  形成

• Spo11

  ：诱导双链断裂

• 重组：形成交叉（Chiasma）

结果：

• 遗传物质交换
• 确保染色体正确分离

5.4 转座子

转座子类型

转座子

（Transposon）：可移动的遗传元件

类型	机制	代表
DNA转座子	“剪切-粘贴”	P元件（果蝇）
逆转录转座子	“复制-粘贴”	LINE、SINE

逆转录转座子：

• LINE-1

  （L1）：长散在重复序列，占人类基因组17%

• Alu

  ：短散在重复序列，占人类基因组11%

转座机制

DNA转座子：

1. 转座酶识别末端反向重复（IR）
2. 切除转座子
3. 插入新位点
4. 靶位点重复（TSD）

逆转录转座子：

1. 转录为RNA
2. 逆转录为cDNA
3. 整合入基因组

转座子的影响

有害：

• 插入基因内部导致突变
• 引起染色体断裂

有益：

• 基因组进化动力
• 调控元件来源
• 遗传多样性

5.5 端粒与端粒酶

端粒结构

端粒

（Telomere）：染色体末端的保护结构

• 序列：人类为TTAGGG重复（5-15 kb）
• 结构：T环（T-loop），3’端回折
• 功能：防止染色体末端被识别为DNA损伤

端粒酶

端粒酶

（Telomerase）：

• 核糖核蛋白

  复合物

• RNA组分

  （TERC）：模板序列

• 蛋白质组分

  （TERT）：逆转录酶活性

机制：

端粒DNA 3'端 → 端粒酶结合 → 以RNA为模板延伸 → 移位 → 重复

端粒与衰老

端粒缩短：

• 正常体细胞：端粒酶活性低，端粒逐代缩短
• Hayflick极限

  ：细胞分裂约50-60次后衰老

端粒酶与癌症：

• 85-90%的癌细胞端粒酶重新激活
• 维持端粒长度，获得无限增殖能力
• 端粒酶抑制剂是潜在的抗癌药物靶点

本章小结

• DNA损伤分为自发性和诱发性，类型多样
• 修复机制包括直接修复、切除修复、错配修复、双链断裂修复
• 同源重组是修复双链断裂的高保真方式
• 转座子是可移动遗传元件，对基因组进化有重要意义
• 端粒保护染色体末端，端粒酶维持端粒长度

思考题

1. 为什么双链断裂是最危险的DNA损伤？细胞如何应对？
2. 同源重组和非同源末端连接各有什么优缺点？
3. 端粒酶在癌症治疗中有什么潜在应用？