生物细胞如何修复DNA复制错误

A. 试说明DNA损伤的类型及其修复机制

第五章 DNA损伤与修复
一、名词解释
1、错义突变 2、无义突变 3、同义突变 4、移码突变
5、DNA的体外重组 6、限制性核酸内切酶 7、C-值
8、基因家族 9、转座子
二、简答题
1.诱变剂的作用机制？
2、突变类型及其遗传效应？
3.典型的DNA重组实验通常包括哪些步骤？
4.为什么在DNA中通常只发现A—T和C—G碱基配对?
5.什么是增效与减效突变？
6.噬菌体整合到宿主基因组后4-6个宿主DNA的核苷酸被复制，这是为什么?这与转座子插入新位点有何相似之处?另外，两个核苷酸从5’U3的5’和3’被切除，这意味着遗传信息从反转录病毒中被丢失吗?
7.列出病毒和非病毒超家族反转录转座子之间的4种差异.
8.描述两种转座子引起基因组重排的方式。
9.IS元件整合到靶位点时会发生什么?
10.一个复合转座子和一个IS元件之间的关系是什么?。
11.列出一个转座子插入到一个新位点所要求的步骤.
12.当(1)DNA在两个定向重复之间(2)DNA在两个反向重复之间发生重组的效应各是什么?
13.在什么过程中会形成一个共整合体?它的结构是什么?
14.Tn10元件只有在自己的转座酶基因具有活性时发生转座(与利用基因组中Tn10元件表达的转座酶的情况正好相反)，这种偏爱的原因是什么?
15.跳跃复制的结果是什么?
16.重复序列并不是在选择压力下存在，因此能快速积累突变。这些特性表明重复序列相互间应存在很大的不同，但事实并不是这样的。请举例说明。
17.线检体DNA的突变率与细胞核DNA突变率有什么不同?为什么?
18.简述大肠杆菌的插入序列，并指出它们对自发突变的重要性。
19.分析比较细菌转座子的结构与特点。

三、分析题
1.表面抗原的变异和哺乳动物免疫多样性都是DNA重排的结果。锥虫通过DNA重 排选择表达所携带的一千多个不同的VSG基因中的一个。而哺乳动物细胞则通过 DNA重排产生成百上千个不同的抗体，包括与VSG蛋白反应的抗体，尽管抗体在数量上的优势，锥虫仍然能够成功地逃避宿主的免疫系统，为什么?

2.分析比较细菌转座子的结构与特点。

答案：
一、名词解释
1、错义突变：DNA分子中碱基对的取代，使得mRNA的某一密码子发生变化，由它所编码的氨基酸就变成另一种的氨基酸，使得多肽链中的氨基酸顺序也相应的发生改变的突变。
2、无义突变：由于碱基对的取代，使原来可以翻译某种氨基酸的密码子变成了终止密码子的突变。
3、同义突变：碱基对的取代并不都是引起错义突变和翻译终止，有时虽然有碱基被取代，但在蛋白质水平上没有引起变化，氨基酸没有被取代，这是因为突变后的密码子和原来的密码子代表同一个氨基酸的突变。
4、移码突变：在编码序列中，单个碱基、数个碱基的缺失或插入以及片段的缺失或插入等均可以使突变位点之后的三联体密码阅读框发生改变，不能编码原来的蛋白质的突变。
5、DNA的体外重组：DNA的体外重组是指含有特异目的基因的DNA片段与载体DNA在试管内连接的过程。常用的方法：1. 粘性末端连接法；2. 平末端连接法；3. 结尾法；4. 人工接头法（linker）。
6、限制性核酸内切酶（restriction endonuclease, 内切酶）：是一类特异性地水解双链（ds）的DNA的磷酸二酯酶。分Ι、II、 Ш 型。内切酶的用途： 1.制作DNA物理图谱； 2.DNA限制性片段长度多态性分析（RFLPS）。 3.基因克隆及亚克隆； 4.DNA杂交与序列分析； 5.基因组同源性研究； 6.基因突变和化学修饰的研究。
7、C-值：通常是指一种生物单倍体基因组DNA的总量。
8、基因家族：真核生物中许多相关的基因常按功能成套组合，被称为基因家族。
9、转座子：是存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。

二、简答题
1.诱变剂的作用机制？
答：1、碱基的类似物诱发突变2、改变DNA的化学结构3、结合到DNA分子上诱发移码突变4、紫外线及其他射线引起的DNA分子的变化
2、突变类型及其遗传效应？
答：1、突变类型：
A. 点突变NA大分子上一个碱基的变异。分为转换和颠换。
B. 缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。
C. 插入：一个原来没有的碱基或一段原来没有的核苷酸链插入到DNA大分子中间。
D. 倒位NA链内重组，使其中一段方向倒置。
2、突变的遗传效应：
A.遗传密码的改变：错义突变、无义突变、同义突变、移码突变
B.对mRNA剪接的影响：一是使原来的剪接位点消失；二是产生新的剪接位点。
C.蛋白质肽链中的片段缺失：
3.典型的DNA重组实验通常包括哪些步骤？
a、提取供体生物的目的基因（或称外源基因），酶接连接到另一DNA分子上（克隆载体），形成一个新的重组DNA分子。
b、将这个重组DNA分子转入受体细胞并在受体细胞中复制保存，这个过程称为转化。
c、对那些吸收了重组DNA的受体细胞进行筛选和鉴定。
d、对含有重组DNA的细胞进行大量培养，检测外援基因是否表达。
4.为什么在DNA中通常只发现A—T和C—G碱基配对?
答： (1)C—A配对过于庞大而不能存在于双螺旋中； G—T碱基对则太小，核苷酸间的空隙太大无法形成氢键。 (2)A和T通常有两个氢键，而C和G有三个。正常情况下，可形成两个氢键的碱基不能与可形成三个氢键的碱基配对。
5.什么是增效与减效突变？
答： 顺式作用的启动子等调控序列的突变不是阻碍相对应的转录单元转录所必需的。然而，转录启动的效率可能会因此而下降，相邻基因的转录会减弱，这样的突变称为减效突变。若改变启动子序列的突变能提高转录启动的效率，则这样的突变称为增效突变。
6.噬菌体整合到宿主基因组后4-6个宿主DNA的核苷酸被复制，这是为什么?这与转座子插入新位点有何相似之处?另外，两个核苷酸从5’U3的5’和3’被切除，这意味着遗传信息从反转录病毒中被丢失吗?
答： 由于反转录病毒整合酶(reboviral integase)在整合位点切开一个交错切口造成靶位点重复。插入之后，填补切口产生重复序列。转座酶在靶位点产生同向重复序列。病毒基因组每侧两个核苷酸的缺失并不会导致类似基因组另一端的序列的其他拷贝的丢失。
7.列出病毒和非病毒超家族反转录转座子之间的4种差异.
答： 病毒超家族成员含有长末端重复序列LTR、编码反转录酶或整合酶的可读框以及内含子，但非病毒反转录转座子并不含有这些序列。同样，病毒反转录转座子的整合会在靶位点产生一段4-6个核苷酸，的短重复序列，而非病毒反转录转座子则产生7-21个核苷酸重复序列。
8.描述两种转座子引起基因组重排的方式。
答： 转座子转座时能够导致宿主序列的缺失、重复或插入。另外，转座子通过宿主重组系统导致基因组重排。
9.IS元件整合到靶位点时会发生什么?
答： 由于在转座子插入之前已产生一个交错切口，而且这一交错切口在转座子插入后被填补，因此导致靶位点序列重复。
10.一个复合转座子和一个IS元件之间的关系是什么?。
答： 复合转座子在两个末端有IS序列
11.列出一个转座子插入到一个新位点所要求的步骤.
答： 首先，在靶位点处产生一个交错切口，切出转座子。接着，转座子与靶位点连接。最后，填补插入位点两侧的单链区。
12.当(1)DNA在两个定向重复之间(2)DNA在两个反向重复之间发生重组的效应各是什么?
答： 同向重复序列之间的重组会导致重复序列之间DNA序列发生缺失。反向重复序列之间的重组则会使重复序列之间的DNA序列发生倒位。
13.在什么过程中会形成一个共整合体?它的结构是什么?
答： 在复制转座中会形成共整合体(cointegrant)，其中含有两个方向相同的转座子拷贝，并由原有复制子隔开。
14.Tn10元件只有在自己的转座酶基因具有活性时发生转座(与利用基因组中Tn10元件表达的转座酶的情况正好相反)，这种偏爱的原因是什么?
答： 转座酶一旦合成就立即与DNA牢固结合，以免扩散到基因组的其他元件中。有假说认为游离的转座酶半衰期很短，但若与DNA结合后较为稳定。因为未结合状态是不稳定的，所以游离的转座酶不会扩散到其他位点。
15.跳跃复制的结果是什么?
答： 跳跃复制产生串联的DNA序列。比如说，小鼠27bp的重复序列跳跃复制产生54bp的重复序列，它由两个串联的27bp的重复序列所组成。
16.重复序列并不是在选择压力下存在，因此能快速积累突变。这些特性表明重复序列相互间应存在很大的不同，但事实并不是这样的。请举例说明。
答： 如卫星DNA的同源性是通过固定的交换来维持的，它通过不均等交换导致其中一个重复单元的增加和另一个的消失。
17.线检体DNA的突变率与细胞核DNA突变率有什么不同?为什么?
答： 在哺乳动物中，线粒体DNA的突变率比核DNA的突变率高。但在植物中，线粒体DNA的突变率比核DNA的突变率低。出现这种差异的可能原因是线粒体采用不同于细胞核的DNA聚合酶和DNA修复体系。
18.简述大肠杆菌的插入序列，并指出它们对自发突变的重要性。
答： 插入序列(IS)是可以转座的遗传元件，它们只插入自我复制的DNA。中，如细菌和噬菌体的染色体及质粒。大肠杆菌中，有几种不同的IS元件，长度都是0.7—1.5kb. 每种都有特定核苷酸序列，有的编码转座酶，负责启动特定IS的转座。一般来说，每个IS的两端都有一对短的反向重复，长约9-41bp(图A8.1)，转座酶似乎就是通过识别这些反向重复序列起始转座的;也就是说，特异的转座酶和反向重复序列对转座都很重要。转座的另一个性质是每个IS的两端都与宿主DNA的短正向重复序列(3—13bp)相连；这是宿主DNA上的靶位点，在转座过程中该位点被复制。转座时，IS向基因组中新的位置随机地移动。通常，它插入一个结构基因产生突变表型，有时是因为编码序列受到阻断，有时则因为IS元件含有多种转录或翻译的终止信号。另外,IS赐可插入操纵子的操纵基因-启动子区域，导致整个操纵子被关闭，但偶尔操纵子的表达也会变为组成型。当IS含有一个正确定向的启动子时，可以转录细菌操纵子.因为这个启动子不受调节细菌操纵子的正常调控蛋白调控，产生的效果类似于操纵基因组成型突变。所以，IS元件的转座是自发突变的一个重要来源。必须意识到这些突变不能被碱基类似物或移码突变诱变剂诱导和回复。大肠杆菌中有几种不同的IS元件，拷贝数在1—5。
19.分析比较细菌转座子的结构与特点。
答： 1974年，随着发现与抗生素抗性有关的基因可以在质粒与细菌的染色体之间转移，科学家发现了转座子。转座子比IS元件大很多(一般为2—20kb)，它们至少含有一个基因，给宿主带来可遗传的标记，一般是对一种或多种抗生素的抗性。这是一种非常有用的性质，因为每种质粒可以用一种转座子“标记”，这样通过对药物的抗性表型可以简单地检测质粒的存在和转移；同样，可以轻易地观察到转座。转座子Tn5(图A8.2)长5.7kb，是一种结构最简单的转座子;它由三个成分组装而成：一个长中心区(2—7kb)，含有卡那霉素的抗性基因，两端为一对IS元件，每个长1.5kb，方向相反。其他的转座．子两端为不同的IS元件，有时两个IS同向。这些转座子的转座类似IS元件，转座过程中宿主的一个序列或DNA靶位点被复制。发生转座首先是因为任意一个IS序列或两个IS序列同时起作用，编码一个转座酶(在某些元件中，如Tn5，一个IS只有部分功能，不能编码一个有活性的转座酶);其次，转座子两端通常有一对与IS特异相应的反向重复序列：无论IS元件是正向还是反向的，这些末端重复序列都存在。 还有一种可能性：任一对IS元件可以相互作用使它们之间的任意序列转座，这样任一个基因都可以在两端连上两个同样的IS元件成为转座子;这个性质已被用构建重组DNA分子。 Tn5因为其组件的组成被称为集成转座子。其他转座子，如复杂的转座子的结构是不同的；它们两端不是一对IS而是一对反向重复，编码转座所需蛋白的基因位于转座子的中心区。

三、分析题
1.表面抗原的变异和哺乳动物免疫多样性都是DNA重排的结果。锥虫通过DNA重 排选择表达所携带的一千多个不同的VSG基因中的一个。而哺乳动物细胞则通过 DNA重排产生成百上千个不同的抗体，包括与VSG蛋白反应的抗体，尽管抗体在数量上的优势，锥虫仍然能够成功地逃避宿主的免疫系统，为什么?
答： 锥虫因为细胞分裂周期短而取胜。当锥虫感染哺乳动物时，它在血流中以快速的倍增时间复制。在感染开始后不久，识别锥虫VSG的B细胞从休眠状态被激活并开始膨大，而哺乳动物细胞的分裂比锥虫慢得多。当B细胞膨大到足以杀死锥虫时，一些锥虫的VSG已经发生了改变，使B细胞不再能识别它。这样就起始了新一轮的感染，直到免疫系统能识别它时就已改变成能逃得过免疫系统的变体，于是又开始了新的循环。

2.分析比较细菌转座子的结构与特点。
答： 1974年，随着发现与抗生素抗性有关的基因可以在质粒与细菌的染色体之间转移，科学家发现了转座子。转座子比IS元件大很多(一般为2—20kb)，它们至少含有一个基因，给宿主带来可遗传的标记，一般是对一种或多种抗生素的抗性。 这是一种非常有用的性质，因为每种质粒可以用一种转座子“标记”，这样通过对药物的抗性表型可以简单地检测质粒的存在和转移；同样，可以轻易地观察到转座。转座子Tn5(图A8.2)长5.7kb，是一种结构最简单的转座子;它由三个成分组装而成：一个长中心区(2—7kb)，含有卡那霉素的抗性基因，两端为一对IS元件，每个长1.5kb，方向相反。其他的转座．子两端为不同的IS元件，有时两个IS同向。这些转座子的转座类似IS元件，转座过程中宿主的一个序列或DNA靶位点被复制。发生转座首先是因为任意一个IS序列或两个IS序列同时起作用，编码一个转座酶(在某些元件中，如Tn5，一个IS只有部分功能，不能编码一个有活性的转座酶);其次，转座子两端通常有一对与IS特异相应的反向重复序列：无论IS元件是正向还是反向的，这些末端重复序列都存在。 还有一种可能性：任一对IS元件可以相互作用使它们之间的任意序列转座，这样任一个基因都可以在两端连上两个同样的IS元件成为转座子;这个性质已被用构建重组DNA分子。 Tn5因为其组件的组成被称为集成转座子。其他转座子，如复杂的转座子的结构是不同的；它们两端不是一对IS而是一对反向重复，编码转座所需蛋白的基因位于转座子的中心区。

B. DNA 复制过程中错配修复的机制是什么

它的基本原理是MMR基因保证了DNA复制的高度保真,一旦MMR基因发生突变或启动子甲基化引起错配修复基因失活,导致机体错配修复功能的降低,进而导致整个基因组的不稳定,。

错配修复基因是在遗传性非息肉性大肠癌（HNPPC）中分离到的一组遗传易感基因，该系统任一基因突变，都会导致细胞错配修复功能缺陷，结果产生遗传不稳定，表现为复制错误或微卫星不稳定，因而容易发生肿瘤。

在现存细胞内的DNA修复机制中，由DNA损害断裂的程度可以分为两种类型，一种是单股损害，另一种则是DNA双股断裂。前者修复机制通常需要借助其对应的另一股当模版(template)，而后者在缺乏另一股序列当模版的情况下。

则是转而透过同源的染色体(homologous chromosome)序列或姊妹染色分体(sister chromatid)来寻求支持。(在高等生物中，有时候DNA双股断裂的修复有时候有可能无须任何序列当模版，而径行将断裂部分直接接合，然而这种DNA修复方式可能隐含错误的机率(error-prone)。

(2)生物细胞如何修复DNA复制错误扩展阅读

错配修复系统在复制的过程中，就开始矫正刚复制的DNA双链了。DNA复制过程中，模板链的GATC序列的A的N6位置发生甲基化，靠近复制叉处甲基化程度最小。所以新合成的DNA双链分子处于半甲基化状态，错配修复系统正利用这一原理，以模板链的碱基位模板，外切子链的错配核苷酸。

原核生物比如大肠杆菌的错配修复系统是由Mut基因编码的Mut S，Mut H和Mut L蛋白，其中Mut S和Mut L，每个蛋白重复一次，形成四聚体Mut SL，在DNA上滑动，如果遇到碱基对错配引起的隆起，就会停留，开始把两边的DNA双链拉扯，成环，直到识别到GATC序列，如果A的N6发生甲基化，说明是母链，不切除。

而如果GATC的A没有甲基化，说明是子链，Mut H就会结合在Mut SL上。Mut H有核酸内切酶活性，在GATC序列的5’端，再由DNase I发挥外切酶活性，把Mut SL四聚体拧出的环全部切除，再DNA POL III和DNA连接酶重新填补。

真核生物比如人类，与Mut gene对应的编码基因是hMSH2和hMLH1，对应Mut S和Mut L，其余过程也相同，详细基因编码产物见错配修复基因。

C. dna的损伤是怎样修复的其修复的生物学意义是什么

1. 直接修复 1949年已发现光复活现象，可见光（最有效400nm）可激活光复活酶，此酶能分解由于紫外线形成的嘧啶二聚体。高等哺乳动物没有此酶。

2. 2.切除修复 在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除，并以完整的那一条链为模板，合成出切去部分，DNA恢复正常结构。

3. 3.结构缺陷的修复： （1）核酸内切酶识别DNA损伤部位，在其附近将其切开。 （2）核酸外切酶切除损伤的DNA。 （3）DNA聚合酶修复。 （4）DNA连接酶连接。

4. 4.无嘌呤无嘧啶——碱基缺陷或错配——脱碱基（N-糖苷酶）： 甲基磺酸甲酯可使鸟嘌呤第7位氮原子烷基化，活化β-糖苷键，造成脱嘌呤作用；酸也能使DNA脱嘌呤。 DNA复制时，DNA聚合酶对dTTP和dUTP分辨力不高，有少量dUTP掺入DNA链。细胞中的尿嘧啶-N-糖苷酶可以切掉尿嘧啶。腺嘌呤脱氨形成次黄嘌呤时也可以被次黄嘌呤-N-糖苷酶切掉次黄嘌呤。对于无嘌呤无嘧啶的损伤有两种修复方法： （1）AP核酸内切酶切开，核酸外切酶切除，DNA聚合酶修复，DNA连接酶连接。 （2）插入酶插入正确碱基。

5. 5.重组修复 切除修复发生在DNA复制之前，而当DNA发动复制时尚未修复的损伤部位，可以先复制，再重组修复。 在重组修复过程中，DNA链的损伤并未除去。 重组修复至少需要4种酶组分。重组基因recA编码一种分子量为40000的蛋白质，它具有交换DNA链的活力。RecA蛋白被认为在DNA重组和重组修复中均起关键作用。recB、recC基因分别编码核酸外切酶V的两个亚基。此外，修复合成还需要DNA聚合酶和连接酶。

6. 6.易错修复和应急反应（SOS反应） 诱导修复是细胞DNA受到严重损伤或DNA复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的一系列诱导性修复。 SOS反应诱导的修复系统包括避免差错的修复（无差错修复）和易错的修复。 避免差错的修复：SOS反应能诱导光复活切除修复和重组修复中某些关键酶和蛋白质的产生，从而加强光复活切除修复和重组修复的能力，这属于避免差错的修复。  易错的修复：SOS反应还能诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合酶，它能在DNA损伤部位进行复制而避免了死亡，可是却带来了高的突变率，这属于易错的修复。  SOS反应是由RecA蛋白和LexA阻遏物相互作用引起的。RecA蛋白不仅在同源重组中起重要作用，而且它也是SOS反应的最初发动因子。在有单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活而表现出蛋白水解酶的活力，它能分解λ噬菌体的阻遏蛋白和LexA蛋白。LexA蛋白（22Kd）许多基因的阻遏物，当它被RecA的蛋白水解酶分解后就可以使一系列基因得到表达其中包括紫外线损伤的修复基因uvrA、uvrB、uvrC（分别编码核酸内切酶的亚基）以及recA和lexA基因本身，还有单链结合蛋白基因ssb，与λ噬菌体DNA整合有关的基因himA、与诱变作用有关的基因umuDC，与细胞分裂有关的基因sulA，ruv，和lon，以及一些功能不清楚的基因dinA，B，D，F等。 

   DNA的修复机制对保证遗传信息在传递过程中的忠实性，连续性具有重要的意义。

D. 我们人体是如何自动修复体内DNA的损伤的

在你的一个细胞里的DNA，每天都受到上万次的破坏。乘以你身体中数以百万亿的细胞，每天你将得到百万的三次方的DNA错误。

并且因为DNA为你身体所需的蛋白质，提供蓝图，（DNA的）破坏会造成严重的后果，比如患上癌症。

DNA修复中的错误，与过早衰老和许多种的癌症有关。

所以如果你在寻找“青春之泉”，它已经在你的细胞中了，每日数十亿倍地不停运行着。

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E. DNA复制出错后是怎么发现并修复的

DNA是生物遗传信息的主要载体，其稳定性对于维持生物的机体健康具有至关重要的意义。在细胞的生命过程中，许多内源性因素如碱基的氧化、脱胺和外源性因素如紫外线、电离辐射、致癌化合物等都会导致DNA损伤。按照修复的途径，可将DNA损伤划分为DNA双链损伤（包括NHEJ和HR两个修复途径）、碱基切除修复、核苷酸切除修复、错配修复等途径。有意思的是细胞在修复损伤时不会只调动一个孤立的修复途径，这些途径之间相互调控和辅助，共同维护遗传信息的稳定性。
DNA双链损伤（DNA Double-Strand Break）是危害最大的一类DNA损伤，能够造成DNA双链损伤的事件如离子辐射（IR）和拓扑异构酶抑制剂，也被广泛的运用于癌症治疗。其他类型的DNA损伤能直接或者间接的造成DNA双链损伤，例如细胞复制过程中，复制叉进行到DNA单链损伤或者链间交联处，会进一步产生DNA双链损伤。这种效应在肿瘤治疗中发挥重要作用，因为很多化疗药物的杀伤机制就是通过其造成的DNA原始损伤发展为DNA双链损伤后，对细胞进行杀伤。DNA双链损伤的主要修复途径是非同源重组末端连接（NHEJ）和同源重组（HR）。NHEJ修复途径由DNA-PKcs调控激活，在任何细胞周期时段均可进行，但其不能保证修复结果的准确性；HR则是由ATM调控，只在有姐妹染色单体解固缩的S期和G2期才能进行的精确修复方式。HR是较低等的真核生物修复双链损伤的主要途径，而NHEJ是哺乳动物细胞修复的主要方式。但HR在修复细胞周期S期复制叉崩溃和链间交联造成的双链损伤发挥极其重要的作用。

F. DNA损伤的修复方式有哪些

1、光修复：

指细胞在酶的作用下，直接将损伤的DNA进行修复。修复是由细菌中的DNA光解酶完成，此酶能特异性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合的二聚体，并与其结合，这步反应不需要光；

结合后如受300-600nm波长的光照射，则此酶就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，然后酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构。

2、切除修复：

（1）细胞内有多种特异的核酸内切酶，可识别DNA的损伤部位，在其附近将DNA单链切开，再由外切酶将损伤链切除，由聚合酶以完整链为模板进行修复合成，最后有连接酶封口；

（2）碱基脱氨形成的尿嘧啶、黄嘌呤和次黄嘌呤可被专一的N-糖苷酶切除，然后用AP核酸内切酶打开磷酸二酯键，进行切除修复。DNA合成时消耗NADPH合成胸腺嘧啶，可与胞嘧啶脱氨形成的尿嘧啶相区别，提高复制的忠实性。RNA是不修复的，所以采用“廉价”的尿嘧啶；

（3）切除修复不需光照，也称暗修复。大肠杆菌中有UvrABC系统，可切除修复嘧啶二聚体。人体缺乏相应系统则发生“着色性干皮病”，皮肤干燥，有色素沉着，易患皮肤癌。可加入T4内切酶治疗。

3、诱导修复：

DNA严重损伤能引起一系列复杂的诱导效应，称为应急反应，包括修复效应、诱变效应、分裂抑制及溶原菌释放噬菌体等。细胞癌变也可能与应急反应有关。应急反应诱导切除和重组修复酶系，还诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合酶，加快修复，避免死亡，但提高了变异率。

单链DNA诱导重组蛋白A，可水解Lex A蛋白，使一系列基因得到表达，如RecA、UvrABC、SOS修复所需的酶等，产生应急反应。应急反应可作为致癌物的简易检测方法。采用缺乏修复系统、膜透性高的E.coli突变株，并添加鼠肝匀浆液。

(6)生物细胞如何修复DNA复制错误扩展阅读：

DNA损伤的原因：

DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维护DNA分子的完整性对细胞至关紧要。外界环境和生物体内部的因素都经常会导致DNA分子的损伤或改变，而且与RNA及蛋白质可以在细胞内大量合成不同，一般在一个原核细胞中只有一份DNA，

在真核二倍体细胞中相同的DNA也只有一对，如果DNA的损伤或遗传信息的改变不能更正，对体细胞就可能影响其功能或生存，对生殖细胞则可能影响到后代。

参考资料来源：网络-DNA修复

G. DNA 复制出错后是怎么发现并修复的即 DNA 损伤的修复机制

光复活DNA损伤修复（repairofDNAdamage）在多种酶的作用下,生物细胞内的DNA分子受到损伤以后恢复结构的现象.DNA损伤修复的研究有助于了解基因突变机制,衰老和癌变的原因,还可应用于环境致癌因子的检测.简史1949年A．凯尔纳偶然发现灰色链丝菌等微生物经紫外线（UV）照射后如果立即暴露在可见光下则可减少死亡.此后在大量的微生物实验中都发现了这种现象,并证明这是许多种微生物固有的DNA损伤修复功能,并把这一修复功能称为光复活.1958年R．L．希尔证明即使不经可见光的照射,大肠杆菌也能修复它的由紫外线所造成的DNA损伤,而后又证明其他微生物也有这种功能,当时就把这种修复功能称为暗复活或暗修复.此后发现暗修复普遍地存在于原核生物、低等真核生物、高等真核生物的两栖类乃至哺乳动物中,并证实暗修复包括切除修复和复制后修复两种.1968年美国学者J．E．克利弗首先发现人类中的常染色体隐性遗传的光化癌变疾病——着色性干皮病（XP）是由基因突变造成的DNA损伤切除修复功能的缺陷引起的.这一发现为恶性肿瘤的发生机理提供了一个重要的分子生物学证据,也使DNA损伤修复的研究进入了医学领域.可参考4329_SR.ehmc

H. 哪些因素能引起DNA损伤生物机体是如何修复的

一、定义：DNA损伤是复制过程中发生的DNA核苷酸序列永久性改变，并导致遗传特征改变的现象。情况分为：substitutation （替换）deletion （删除）insertion （插入）exon skipping （外显子跳跃）。
二、原因：
1.DNA分子的自发损伤：DNA复制过程中发生的错配、碱基的脱氨基作用、碱基的丢失（脱嘌呤与脱嘧啶）、活性氧引起的碱基修饰与链断裂
2.物理因素：紫外线、电离辐射、X射线
3.特殊物质引起的损伤：碱基类似物、修饰剂、烷基剂、嵌合剂、黄曲霉素
三、修复：
1、光复活：又称光逆转。这是在可见光（波长3000～6000埃）照射下由光复活酶识别并作用于二聚体，利用光所提供的能量使环丁酰环打开而完成的修复过程 (图2)。光复活酶已在细菌、酵母菌、原生动物、藻类、蛙、鸟类、哺乳动物中的有袋类和高等哺乳类及人类的淋巴细胞和皮肤成纤维细胞中发现。这种修复功能虽然普遍存在，但主要是低等生物的一种修复方式，随着生物的进化，它所起的作用也随之削弱。
光复活过程并不是PR酶吸收可见光，而是PR酶先与DNA链上的胸腺嘧啶二聚体结合成复合物，这种复合物以某种方式吸收可见光，并利用光能切断胸腺嘧啶二聚体间的C-C键，胸腺嘧啶二聚体变成单体，PR酶就从DNA上解离下来。
2、切除修复：又称切补修复。最初在大肠杆菌中发现，包括一系列复杂的酶促DNA修补复制过程,主要有以下几个阶段：核酸内切酶识别DNA损伤部位，并在5'端作一切口，再在外切酶的作用下从5'端到3'端方向切除损伤；然后在 DNA多聚酶的作用下以损伤处相对应的互补链为模板合成新的 DNA单链片断以填补切除后留下的空隙；最后再在连接酶的作用下将新合成的单链片断与原有的单链以磷酸二酯链相接而完成修复过程。
3、重组修复：重组修复从 DNA分子的半保留复制开始，在嘧啶二聚体相对应的位置上因复制不能正常进行而出现空缺,在大肠杆菌中已经证实这一DNA损伤诱导产生了重组蛋白,在重组蛋白的作用下母链和子链发生重组,重组后原来母链中的缺口可以通过DNA多聚酶的作用,以对侧子链为模板合成单链DNA片断来填补,最后也同样地在连接酶的作用下以磷酸二脂键连接新旧链而完成修复过程。重组修复也是啮齿动物主要的修复方式。重组修复与切除修复的最大区别在于前者不须立即从亲代的DNA分子中去除受损伤的部分,却能保证DNA复制继续进行。原母链中遗留的损伤部分,可以在下一个细胞周期中再以切除修复方式去完成修复。
4、SOS修复系统：是SOS反应的一种功能。SOS反应是DNA受到损伤或脱氧核糖核酸的复制受阻时的一种诱导反应。在大肠杆菌中,这种反应由recA-lexA系统调控。正常情况下处于不活动状态。当有诱导信号如 DNA损伤或复制受阻形成暴露的单链时，recA蛋白的蛋白酶活力就会被激活，分解阻遏物lexA蛋白,使SOS反应有关的基因去阻遏而先后开放,产生一系列细胞效应。引起SOS反应的信号消除后，recA蛋白的蛋白酶活力丧失，lexA蛋白又重新发挥阻遏作用。

I. dna的复制修复过程是怎么样的

DNA复制，首先在解旋酶的作用下将DNA双链解开作为母链，以母链为模板，以游离的脱氧核苷酸为原料合成新的子链，母链和对应子链形成新DNA。

J. DNA损伤与修复

        突变与癌症的发生均包含细胞DNA损伤过程。人类细胞中的DNA每天都会由于外部（外源）和内部（内源）的代谢进程而遭受成千上百次损伤。细胞基因组的改变可能导致DNA转录过程出现错误，进而通过翻译过程影响到信号转导和细胞功能必需的蛋白质。如果有丝分裂之前这些基因组突变尚未完成修复，则还会进一步遗传给子代细胞。一旦细胞丧失了有效修复DNA损伤的能力，就可能发生三种反应：细胞衰老、细胞凋亡和细胞癌变（ 图1 ）。细胞可能会衰老，即进入不可逆的休眠状态。2005年，多家实验室报道癌症细胞在体内和体外均会发生衰老现象，停止有丝分裂，阻止细胞进一步演化。细胞可能发生凋亡。DNA损伤达到一定程度,就可能触发一条凋亡信号转导通路，迫使细胞进入程序性细胞死亡过程。细胞可能会恶变，即出现永生化的性质并开始不受控制地分裂。

        为了代偿细胞内可能发生的不同程度和类型的DNA损伤，细胞发展出多种不同的修复机制，包括错配、碱基切除，以及核苷酸切除修复机制。不同修复机制之间很少出现冗余处理。如果出现损伤过度，细胞就不再耗费能量来有效修复损伤之处，而很可能发展为凋亡或衰老。细胞能够有效修复的比例与细胞类型和细胞年龄等因素息息相关。

多年来，外源性损伤一直被认为是致癌DNA突变的首要来源。不过，Jackson与Loeb提出内源性DNA损伤也可能是致癌突变的重要来源 5  。来自环境与细胞的诱因均可导致相似类别的DNA损伤。

DNA会受到物理与化学诱变剂的影响。物理诱变剂主要源自各种放射源，其中包括太阳的紫外线（200-300 nm波长）。紫外线会生成共价键，将DNA链中相邻的嘧啶（胞嘧啶与胸腺嘧啶）碱基交联起来。电离射线（X射线）会在细胞中产生自由基，这些自由基会制造活性氧（ROS）并导致双螺旋中的单链或双链断裂，从而引发DNA突变。化学诱变剂能够攻击DNA碱基上共价结合的烷基基团；能够促使DNA碱基发生甲基化或乙基化反应的氮芥类化合物即是DNA烷化剂的一个实例。前致癌物为一类化学惰性的前体物质，能够通过代谢反应转化为具有高度活性的致癌剂。这些致癌剂能够与DNA发生反应，形成DNA络合物，即附着在DNA之上的化学实体。苯并芘为一类多芳烃的杂环类物质，本身并非致癌物。但它可通过由细胞色素P450酶介导的两个连续氧化反应，生成苯并芘二醇环氧化物（BPDE），后者则是一种致癌代谢物，能够介导共价DNA络合物的形成（ 图2 ）。

        内源代谢和生化反应也可能造成DNA损伤，但人们对其中的一些机制还知之甚少 6 。水解反应可能部分或彻底切割DNA链上的核苷酸碱基。连接嘌呤碱基（腺嘌呤或鸟嘌呤）与脱氧核糖磷酸链的化学键可能在脱嘌呤过程中自发断裂。哺乳动物细胞中每天发生约10000次脱嘌呤活动 7 。脱嘧啶活动（在胸腺嘧啶或胞嘧啶的位置丢失嘧啶类碱基）也可能发生，但频率要比脱嘌呤活动低20~100倍。

        细胞中也会发生脱氨作用，即腺嘌呤、鸟嘌呤与胞嘧啶环上的氨基丢失，分别形成次黄嘌呤、黄嘌呤与尿嘧啶。DNA修复酶能够识别和纠正这些非天然的碱基，但未被纠正的尿嘧啶碱基在后续的DNA复制过程中可能会被误读为胸腺嘧啶，随之形成C→T点突变。

        在细胞内，与S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的反应可以介导DNA甲基化。SAM是一类细胞内代谢中间体，包含一个具有高度活性的甲基基团。在哺乳动物细胞中，甲基化发生在胞嘧啶碱基的胞嘧啶环5号位置上，进而形成了一个鸟嘌呤碱基，即序列CpG。突变错误的一个重要来源是甲基化产物5-甲基胞嘧啶的自发脱氨基作用。氨基丢失导致形成胸腺嘧啶碱基，从而无法被DNA修复酶识别为异常碱基。这一碱基置换作用在DNA复制过程中被保留，形成C→T点突变（参见 图3 ）。

        正常的代谢进程会生成活性氧（ROS），后者会通过氧化作用修饰DNA碱基。嘌呤与嘧啶类碱基均会受到氧化作用的影响，最为常见的突变是鸟嘌呤被氧化为8-氧代-7,8-二氢鸟嘌呤，形成8-氧代脱氧鸟苷（8-oxo-dG）。8-oxo-dG能够与脱氧腺苷而非预期的脱氧胞苷相配对。如果这一错误未被错配修复酶识别并纠正，则随后复制出的DNA产物就会包含一个C→A点突变。ROS也可能会介导脱嘌呤、脱嘧啶作用以及DNA单/双链的断裂。

在细胞周期S期，DNA复制过程中还可能引入其他类型的基因组突变。复制模板DNA的聚合酶有少量但不可忽视的错误率，会将错误碱基按照沃森-克里克配对原则整合进合成链中，与模板DNA相配。化学上发生改变的核苷酸前体也可能被聚合酶整合进入DNA合成链，代替正常碱基。此外，聚合酶在复制含有大量重复核苷酸或重复序列（微卫星区域）的DNA区段时，容易发生“打滑（stuttering）”现象。这一“打滑”的酶学现象是由于链之间发生滑动所致，此时模板与复制链之间可能出现的滑动会导致两者之间难于对准。其结果是聚合酶不能准确插入模板DNA指定数量的核苷酸，导致子链中的核苷酸过多或过少。

单链与双链DNA可能发生断裂。单链断裂可能由DNA脱氧核糖磷酸酯链上的脱氧核糖基团损伤引起。断裂也可能发生在碱基切除修复途径中AP-内切酶1去除脱氧核糖磷酸基团之后的一个中间步骤 8 。发生单链断裂后，核苷酸碱基与脱氧核糖骨架都会从DNA结构中丢失。双链断裂经常出现在细胞通过S期传代过程中，此时DNA发生解螺旋并成为复制的模板，因此更容易发生断裂。

DNA修复机制

当细胞有能力进入凋亡或衰老状态时，这些细胞活动都可视为细胞做出的最后调整。对于任一种类的DNA损伤而言，细胞都进化出特定的方法来针对性地修复，或清除损伤类化合物。

O6-甲基化鸟嘌呤DNA甲基转移酶（MGMT；DNA烷基转移酶）能够从DNA的鸟嘌呤碱基结构上剪切甲基和乙基加合物。这一反应并非催化（酶学）反应，而是化学计量（化学的）反应，每去除一个加合物，就消耗一个MGMT分子。经过基因工程改造而过表达MGMT的细胞对于癌症具有更强的耐受性，这很可能是因为它们能够消除大量的烷化损伤。Niture等人最近的一篇研究表明，使用半胱氨酸/谷胱甘肽促进药物与天然抗氧化剂可提升MGMT的表达水平 9 。

        聚合酶-δ等含有校正活性的DNA聚合酶主要参与复制易错性修复。当检测到错误时，这些酶会暂停DNA的复制过程，回头去除DNA子链上的核苷酸，直至错误掺入的核苷酸消除后，再重新开始正向的复制过程。对Pold1基因双拷贝点突变小鼠的研究数据表明，相对于野生型或单拷贝突变小鼠，此类小鼠的DNA聚合酶-δ校准活性缺失，且上皮性肿瘤发病几率明显上升 10 。

        错配切除修复(MMR)酶能够进一步纠正复制过程中DNA聚合酶校正活性未检测到的错误。MMR酶能够切除子链DNA上的错误核苷酸，并将母链DNA作为正确的模板，通过W-C配对来修复该链 11  。这一修复过程对于复制微卫星区域时所产生的错误至关重要，因为DNA聚合酶的校正活性不会检测出此类错误。在有限程度内，MMR酶类还能够纠正由DNA氧化或烷化所导致的多种碱基对异常。这些突变包括含有O6甲基化鸟嘌呤与8氧鸟嘌呤的修饰碱基对，以及致癌剂和顺式铂氨加合物 12,13 。人类错配切割修复基因MSH2和MLH1的突变与遗传性非息肉病性结直肠癌(HNPCC)综合症有关 14 。

碱基切除修复与核苷酸切除修复

碱基切除修复(BER)过程涉及多种可切割和替换单一损伤核苷酸碱基的酶。由内源氧化和水解作用所引发的不良碱基修饰主要通过BER酶进行修复。DNA糖基化酶能够切割核苷酸碱基与核糖之间的化学键，释放完整的DNA核糖磷酸链，不过这一过程会形成一个无嘌呤或无嘧啶（AP）位点。8-氧鸟嘌呤DNA糖基化酶I（Ogg1）能够去除7,8-二氢-8-氧鸟嘌呤（8-oxoG），后者是一种由活性氧介导生成的碱基突变。人类OGG1基因的多态性与肺癌和前列腺癌等多种癌症患病风险相关。尿嘧啶DNA糖基化酶（另一种BER酶）能够切除胞嘧啶脱氨作用的尿嘧啶产物，防止之后形成C→T点突变 15 。N-甲基嘌呤DNA糖基化酶（MPG）能够去除大量发生了修饰的嘌呤碱基 16 。

由BER酶介导生成以及源自脱嘧啶和脱嘌呤作用的DNA AP位点，可被AP-内切酶1（APE1）修复。APE1能够切割AP位点上的磷酸二酯链的5'位置。这样DNA链就出现了一个3'-羟基基团与一个5'-碱性脱氧核糖磷酸基团。DNA聚合酶β（Polβ）基于相应的W-C配对原则向DNA链中插入正确的核苷酸，并通过其相应的AP水解活性去除脱氧核糖磷酸基团。X射线修复交叉互补蛋白1（XRCC1)的存在对与III型DNA连接酶（LIG3）形成异源二聚体是必需的。支架蛋白XRCC1含有一个Polβ的非活性结合位点，从而将Polβ与LIG3酶一同带到修复位点 17 。与XRCC1和Polβ相互作用的Poly（ADP-核糖）聚合酶（PARP-1）是BER途径的必要组成部分 18,19 。修复的最后步骤由LIG3来完成，它将替代核苷酸的脱氧核糖基团与脱氧核糖磷酸骨架连接起来。这一途径被称为“短补丁BER”  20 。

另一条称为“长补丁BER”的替代途径能够置换最短2nt的核苷酸链。有报道表明该途径能置换10-12nt长度的核苷酸链 21,22 。长补丁BER需要增殖细胞核抗原（PCNA），后者能够作为重组酶的支架蛋白 23 。其他类型的DNA聚合酶（可能包括Polδ和Polε  24  ）用于形成寡核苷酸瓣状结构侧翼。已有的核苷酸序列被瓣状核酸内切酶1（FEN1）所移除。寡核苷酸随后由DNA连接酶I（LIG1）连接至DNA上，填补缺口并完成修复工作 17 。有关短补丁与长补丁BER途径选择的确切细胞学机制仍处于研究阶段（参见 图4 ） 25 。

尽管BER可通过长补丁途径替代多个核苷酸，但短补丁与长补丁BER都是由单核苷酸损伤引发的，从而最大程度减少对DNA双螺旋结构的影响。核苷酸切除修复（NER）能够修复含至少两个碱基的核苷酸链损伤的，进而造成DNA结构的变形。除了修复较大DNA加合物和紫外线等引起的一系列外源性损伤外， NER还用于修复单链断裂 26 。 NER途径也可能用于修复氧化应激所致的损伤 27 。在哺乳动物细胞中，20多种蛋白参与了NER途径，其中包括XPA、XPC-hHR23B、复制蛋白A（RPA）、转录因子TFIIH、XPB与XPD DNA解旋酶、ERCC1-XPF和XPG、Polδ、Polε、PCNA和复制因子C 28 。在非小细胞肺癌细胞中，切除修复交叉互补（ERCC1）基因的过表达与细胞的顺铂耐受性有关 29  ，ERCC1基因过表达的细胞也具有增强的DNA修复能力 30 。全基因组NER（GGR）能够修复整个基因组内发生的损伤，而特异性NER途径“转录偶联修复（TCR）”能够在活性RNA聚合酶进行转录的过程中对基因进行修复。 31

DNA分子中的双链断裂会导致基因组序列丢失和重排。此类断裂可以通过非同源末端连接(NHEJ)或同源重组(HR)，也称重组修复或模板辅助修复来进行修复。

当细胞处于S/G2阶段后期时，HR途径激活，模板被复制。这一机制基于与受损DNA区域通过着丝粒相连着一条相同或近乎相同的序列，该序列将作为修复模板。HR机制修复的双链断裂通常出现在复制机器试图通过一个单链断裂或非配对的位点，此时复制叉结构会出现折叠。

在细胞循环的其他节点，当姊妹染色单体不能作为HR模板时，细胞也可能启动非同源末端连接（NHEJ）机制。与HR途径不同，当这些断裂位点出现时，没有相应的模板链可供参考，细胞不再复制断裂的DNA区域。在NHEJ途径中，Ku异源二聚体蛋白位于两条断裂DNA链的末端位置，在没有模板指引的条件下对其进行修复，因此可能会丢失序列信息。多种酶类参与了重连过程，其中包括连接酶IV，XRCC4与DNA依赖的蛋白激酶（DNA-PK） 32,33 。NHEJ具有内在的致突变性，因为这一机制有赖于两条需要连接的DNA片段的单链尾之间的偶然性配对（称为微同源，microhomologies）（参见 图5 ）。在高等真核生物中，DNA-PK对于NHEJ修复是必需的，无论是主要机制还是替代性的备选机制（D-NHEJ）均是如此 34 。

未来的应用

虽然DNA损伤是癌症细胞发生发展的关键因素，持续性损伤却是临床癌症治疗的组成部分，用于迫使恶性细胞进入凋亡或衰老进程。此种疗法中，博来霉素、丝裂霉素、顺铂等诸多化疗药物都很有效，因为它们能够让比周围组织复制更快的癌症细胞发生进一步的DNA损伤。细胞DNA修复机制是一把双刃剑：一方面它可以减少致癌突变从而帮助保持基因组的完整性；而在恶性细胞中，同样的机制却让细胞幸免于更多的DNA损伤以及持续发生不可控的生长。为了阻断癌症细胞中的这一存活机制，人们正尝试使用特定的DNA修复酶（包括MGMT、PARP和DNA-PK）的抑制剂来开展临床实验 35-38 。