DNA的損傷和修復(fù)

1、1DNA的損傷和修復(fù)2DNA 的損傷和修復(fù)的損傷和修復(fù)Mutagen (誘變劑）誘變劑）完全修復(fù)完全修復(fù)DNA 損傷損傷堿基的化學(xué)反應(yīng)堿基的化學(xué)反應(yīng)損傷的修復(fù)損傷的修復(fù)不能有效修復(fù)不能有效修復(fù)不完全修復(fù)不完全修復(fù)凋亡畸變回復(fù)正常3v誘發(fā)DNA損傷的因素： 環(huán)境因素：輻射、化學(xué)毒物、藥物、病毒感染、植物和微生物代謝產(chǎn)物等。 生理因素：機體代謝過程中產(chǎn)生的有毒物質(zhì)、DNA復(fù)制錯配、DNA本身的熱不穩(wěn)定性。第一節(jié) 多種因素可引起DNA損傷并具有各自的機制4v（一）輻射致DNA損傷v根據(jù)作用原理的不同： 電離輻射（粒子，粒子，射線，射線等） 直接作用：能量直接傳遞給大分子而引起結(jié)構(gòu)的破壞 間接作用：輻

2、射先作用于溶劑分子而產(chǎn)生活性物質(zhì)從 而導(dǎo)致細(xì)胞損傷 非電離輻射（紫外線以及能量低于紫外線的電磁輻射）一、DNA損傷的因素及其機制5返回目錄返回目錄返回主頁返回主頁6 紫外線的致?lián)p傷作用紫外線的致?lián)p傷作用7（二）自由基致DNA損傷v自由基：指能夠獨立存在，核外帶有未配對電子的原子和分子。v自由基的產(chǎn)生可以是外界因素與體內(nèi)物質(zhì)共同作用的結(jié)果。v自由基可導(dǎo)致堿基、核糖、磷酸基的損傷，引起DNA的結(jié)構(gòu)和功能異常。8（三）化學(xué)毒物致DNA損傷v按其作用原理可分為： 堿基類似物 堿基修飾物 嵌入染料91、堿基類似物（堿基類似物（Base analog）2-氨基嘌呤氨基嘌呤2-Amino purine5-溴

3、尿嘧啶溴尿嘧啶5-Bromine Uracil OO BrNH2是指與DNA正常堿基結(jié)構(gòu)類似的化合物,在DNA復(fù)制時摻入并與互補鏈上堿基配對,從而引起堿基對的置換.105-BrU: G: A 烯醇式烯醇式enolenolBrOHHOBr 酮式酮式KetoKetoHOAGCTTCCTATCGAAGGATAGCTBCCTATCGAAGGAT酮式5-BrU的滲入AGCTBCCTATCGAAGGATAGCTCCCTATCGAGGGAT第二輪復(fù)制ATGC 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變AGCTBCCTATCGAGGGATAGCTTCCTATCGAAGGAT第一輪復(fù)制酮式到稀醇式的轉(zhuǎn)變烯醇式滲入為烯醇式滲入為 GCAT 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)

4、變11 2、 堿基的化學(xué)修飾劑堿基的化學(xué)修飾劑又稱化學(xué)突變劑：指對又稱化學(xué)突變劑：指對DNADNA鏈中的堿基的修飾鏈中的堿基的修飾, ,改變其配對改變其配對性質(zhì)性質(zhì), ,進(jìn)而改變進(jìn)而改變DNADNA結(jié)構(gòu)的化合物結(jié)構(gòu)的化合物. . 亞硝酸（亞硝酸（nitrous acid HNOnitrous acid HNO2 2） 羥氨（羥氨（hydroxylamine HAhydroxylamine HA） 甲磺酸乙酯（甲磺酸乙酯（ethyl mathanesulfonate EMSethyl mathanesulfonate EMS） N-N-甲基甲基-N-N-硝基硝基-N-N-亞硝基胍亞硝基胍 （N-

5、mathyl-N-nitro-N-nitrosoguanidion N-mathyl-N-nitro-N-nitrosoguanidion NNGNNG）12 （a）亞硝酸修飾G、C、A；（b）羥基修飾C；（c）甲基磺酸乙酯修飾T（引自Russell,1992）. 133 3、嵌入染料對、嵌入染料對DNADNA的損傷作用的損傷作用吖啶橙吖啶橙 (Acridine Orange (Acridine Orange AO) ) 扁平染料分子扁平染料分子溴化乙錠溴化乙錠 (Ethidium Bromide (Ethidium Bromide EB ) )-ATTTTTCG -TAAAAAGC-A TT

6、TCG -T AAAGC-TAO T-AT EB TTTTCG-TA分子插入分子插入AOEB-ATTTCG -TAAAGC-ATXTTTTCG-TAX AAAAGC-XAAAAGC-結(jié)果產(chǎn)生移框突變結(jié)果產(chǎn)生移框突變14二、DNA損傷的類型DNA分子中的堿基、核糖和磷酸二酯鍵等均是DNA損傷作用的靶點。常見的損傷有:堿基脫落、堿基破壞、嘧啶二聚體形成、單鏈和雙鏈DNA斷裂、DNA交聯(lián)、DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)等。15（一） 堿基和核糖的破壞v由于堿基或者核糖的損傷，在DNA鏈上形成不穩(wěn)定位點，最終可導(dǎo)致DNA鏈的斷裂。1617 DNA分子上的堿基錯配稱點突變(point mutation)。發(fā)生在同型

7、堿基之間，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。 1. 轉(zhuǎn)換發(fā)生在異型堿基之間，即嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤。 2. 顛換（二）錯配（二）錯配18鐮形紅細(xì)胞貧血病人鐮形紅細(xì)胞貧血病人Hb (HbS) 亞基亞基N-val his leu thr pro val glu C 肽鏈肽鏈CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb (HbA)亞基亞基N-val his leu thr pro glu glu C 肽鏈肽鏈CTC GAG基因基因19（三） DNA鏈斷裂v磷酸二酯鍵的斷裂和脫氧戊糖的破壞是引起DNA鏈斷裂的直接原因。v堿基的破壞和脫落在DNA鏈上形成的不穩(wěn)定位點是DNA鏈斷裂的間接原因。v單鏈

8、斷裂（SSB）：一條鏈斷裂的DNA雙股螺旋v雙鏈斷裂（DSB）：兩條鏈于同一處或緊密相鄰處同時斷裂。20（四）DNA交聯(lián)v鏈間交聯(lián)：DNA雙螺旋鏈上一條鏈上的堿基和另一條鏈上的堿基以共價鍵結(jié)合v鏈內(nèi)交聯(lián)：DNA分子中同一條鏈內(nèi)的兩個堿基以共價鍵結(jié)合vDNA蛋白質(zhì)交聯(lián)：DNA和蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合21第二節(jié) DNA損傷的修復(fù)vDNA損傷的修復(fù)：指糾正錯配的堿基，清除DNA鏈上的損傷，恢復(fù)DNA正常結(jié)構(gòu)的過程。v常見的DNA修復(fù)方式：直接修復(fù)、切除修復(fù)、錯配修復(fù)和重組修復(fù)22(一）直接修復(fù)v直接修復(fù)v 細(xì)胞對DNA的某些損傷可以用很簡單的方式加以修復(fù)在單一基因產(chǎn)物的催化下，一步反應(yīng)就可以完成。這種修

9、復(fù)方式叫直接修復(fù)。包括：酶光學(xué)復(fù)活、嘌呤的直接插入、O6甲基鳥嘌呤DNA甲基轉(zhuǎn)移、單鏈斷裂重接等。231）、酶學(xué)光復(fù)活（）、酶學(xué)光復(fù)活（photo reactivation ）-TT-AA- PR PR-TT-AA-TT-AA-可見光激活可見光激活識別-TT-AA-釋放24烷基化堿基可以直接修復(fù)252 2）嘌呤的直接插入v 嘌呤插入酶嘌呤插入酶v 受損嘌呤受損嘌呤APSAPS 插入嘌呤（糖苷鍵）插入嘌呤（糖苷鍵）嘌呤插入酶嘌呤插入酶K+263）DNA單鏈斷裂重接v DNA單鏈斷裂中有一部分是通過簡單的重接而修復(fù)的，只需要一種酶DNA連接酶(ligase)參加，因此也屬于直接修復(fù)。v DNA連接

10、酶能催化DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條鏈缺口處的5磷酸根與相鄰的一個3羥基形成磷酸二酯健。連接所需的能量ATP(如動物細(xì)胞)。2728v將損傷的部位（或連同其附近的一定部位）切除，然后用正確配對的、完好的堿基替代修復(fù)。有多種酶和基因參與v過程：識別（損傷位點）切除修復(fù)（補）連接酶和蛋白質(zhì)酶和蛋白質(zhì) DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA連接酶連接酶(二)、切除修復(fù)按照產(chǎn)物的不同可以分：堿基切除修復(fù)、核苷酸切除修復(fù)291)堿基切除：v 特點是切除受損傷的堿基。主要過程是水解受損傷的堿基與脫氧核糖磷酸鏈之間的N糖苷鍵。反應(yīng)由一類糖基化酶催化。v也即：糖基化酶APS內(nèi)、外切酶去除殘基以對側(cè)鏈為模板修補DNA連

11、接酶連接v整個修復(fù)過程可分以下幾步。30313233Ecoli的核苷酸切除修復(fù)機理。v在Ecoli中，UvrA，UvrB，UvrC三種蛋白必須同時存在才能發(fā)揮作用，所以也叫UvrABC切除核酸酶。vUvrA是一種腺苷三磷酸酶，是損傷識別蛋白。它與UvrB 結(jié)合成A2B1復(fù)合物，結(jié)合在損傷區(qū)，使DNA解旋、扭曲，并引起UvrB構(gòu)象改變，與損傷部位形成緊密的結(jié)合。v然后UvrA與UvrBDNA復(fù)合物解離，后者成為UvrC特異結(jié)合靶。 UvrB 在損傷的3側(cè)作一內(nèi)切，隨而復(fù)合物構(gòu)象改變， UvrC 得以在5側(cè)作第二個切口。v解旋酶 (UvrD)使寡聚核苷酸片段及UvrC從DNA鏈上釋放，然后DNA聚

12、合酶取代UvrB。修補缺損區(qū)；最后由連接酶連接補片。2）. 核苷酸切除343536v當(dāng)DNA雙鏈發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷時需要另一種機理來完成正確的修復(fù)。v一種情況是兩條鏈同時受到損傷；另一種情況是單鏈損傷尚未修復(fù)時發(fā)生了復(fù)制，造成對應(yīng)于損傷位置的新鏈缺乏正確模板；此時需要重組酶系將另一段未受損傷的雙鏈DNA移到損傷位置附近，提供正確的模板，進(jìn)行重組。這便是重組修復(fù)。（三） 重組修復(fù)37 重組修復(fù)重組修復(fù) ( (鏈轉(zhuǎn)移修復(fù)鏈轉(zhuǎn)移修復(fù)) ) 復(fù)制后修復(fù)復(fù)制后修復(fù) 容易出錯容易出錯 RecA, DNApolymerae ligase二聚體后起始二聚體后起始 RecA 聚合酶、連接酶聚合酶、連接酶重組修復(fù)后的損

13、傷位點可重組修復(fù)后的損傷位點可由其它機制進(jìn)一步修復(fù)由其它機制進(jìn)一步修復(fù)38DNA mismatch+ - A- -C-DNApol (= 10-8)經(jīng)第二次校正經(jīng)第二次校正= 10-11錯配修復(fù)錯配修復(fù)系統(tǒng)系統(tǒng)(MRSMismatch RepairSystem)錯配修復(fù)錯配修復(fù):堿基切除修復(fù)的一種特殊形式堿基切除修復(fù)的一種特殊形式. 使復(fù)制的保真性提高使復(fù)制的保真性提高102103倍倍（四）、錯配修復(fù)39錯配修復(fù)系統(tǒng)（錯配修復(fù)系統(tǒng)（Mismatch repair system）DNA polymeraseHelicase SSB 外切核酸酶外切核酸酶 (和和) 連接酶連接酶MCE (misma

14、tch correct enzyme) 3 subunits mutH, L, S 掃描新生鏈中錯配堿基掃描新生鏈中錯配堿基識別新生鏈中非識別新生鏈中非 m6A 的的GATC序列序列酶切含錯配堿基的新生酶切含錯配堿基的新生DNA區(qū)段區(qū)段 （1 1）組成）組成40 DNADNA合成過程中的甲基化變化合成過程中的甲基化變化DNA中的中的GATC(palindromic seq.)為為m6A甲基化敏感位點甲基化敏感位點平均每平均每2kb左右有一左右有一GATC seq.錯配修復(fù)系統(tǒng)受甲基化的引導(dǎo)錯配修復(fù)系統(tǒng)受甲基化的引導(dǎo)41 甲基化程度的差異甲基化程度的差異a、MutH/MutS 掃描識別錯配掃描識

15、別錯配 堿基和鄰近的堿基和鄰近的GATC序列序列 切點甲基化切點甲基化GATC中中 G的的5側(cè)側(cè) DNA helicase II, SSB, exonuclease I去除包括錯去除包括錯 配堿基的片段配堿基的片段 DNA polymerase III 和和 DNA ligase 填充缺口填充缺口昂貴的代價用于保證昂貴的代價用于保證DNADNA的準(zhǔn)確性的準(zhǔn)確性（2 2） 修復(fù)過程修復(fù)過程 42（五）（五）. . 易錯修復(fù)（易錯修復(fù)（SOSSOS修復(fù)修復(fù) SOS repairSOS repair） “SOS”是國際上通用的緊急呼救信號。SOS修復(fù)是指DNA受到嚴(yán)重?fù)p傷、細(xì)胞處于危急狀態(tài)時所誘導(dǎo)的

16、一種DNA修復(fù)方式，修復(fù)結(jié)果只是能維持基因組的完整性，提高細(xì)胞的生成率，但留下的錯誤較多，故又稱為錯誤傾向修復(fù)(errorprone repair)，使細(xì)胞有較高的突變率。 此系統(tǒng)由十幾個修復(fù)蛋白組成。調(diào)控蛋白LexA參與此系統(tǒng)的啟動。43（2） SOS 修復(fù)機制修復(fù)機制 SOS 修復(fù)無模板指導(dǎo)的修復(fù)無模板指導(dǎo)的DNA復(fù)制復(fù)制 大劑量的紫外線照射，大量的二聚體產(chǎn)生大劑量的紫外線照射，大量的二聚體產(chǎn)生 SOS系統(tǒng)誘導(dǎo)，錯誤潛伏的復(fù)系統(tǒng)誘導(dǎo)，錯誤潛伏的復(fù)制超越二聚體而進(jìn)行制超越二聚體而進(jìn)行錯誤堿基錯誤堿基44 SOS 修復(fù)只是修復(fù)只是SOS反應(yīng)的一部分反應(yīng)的一部分 RecA在在SOS反應(yīng)反應(yīng)反應(yīng)中

17、起核心作用反應(yīng)中起核心作用 RecA與與LexA組成組成調(diào)控環(huán)路調(diào)控環(huán)路DNA 損傷損傷 SOS RecA RecA受受LexALexA的的部分抑制部分抑制45RecA-P; 三種功能三種功能a、 DNA 重組活性重組活性b、 與與S.S. DNA結(jié)合活性結(jié)合活性c、 少數(shù)蛋白的少數(shù)蛋白的proteinase活性活性當(dāng)當(dāng)DNA正常復(fù)制時正常復(fù)制時（無復(fù)制受阻，無（無復(fù)制受阻，無DNA損傷，損傷， 無無TT dimer） RecA-p不表現(xiàn)不表現(xiàn)proteinase活性活性46當(dāng)當(dāng)DNA復(fù)制受阻復(fù)制受阻/ DNA damaged細(xì)胞內(nèi)原少量表達(dá)的細(xì)胞內(nèi)原少量表達(dá)的RecA-p與與S.S, DNA

18、結(jié)合結(jié)合激活激活RecA-p的的proteinase活性活性修復(fù)損傷修復(fù)損傷LexA-p降解降解RecA-p高效表達(dá)高效表達(dá) SOS open47當(dāng)當(dāng)DNA復(fù)制度過難關(guān)后復(fù)制度過難關(guān)后SOS repair 是一種錯誤傾向性極強的修復(fù)機制是一種錯誤傾向性極強的修復(fù)機制是進(jìn)化中形成的是進(jìn)化中形成的“ 竭盡全力，治病救人竭盡全力，治病救人” 的措施的措施（正常狀態(tài)下，（正常狀態(tài)下，SOS是關(guān)閉的）是關(guān)閉的）RecA-p很快消失很快消失LexA gene onSOS off48二、參與DNA修復(fù)的主要基因vDNA修復(fù)相關(guān)基因： 直接參與DNA修復(fù)的基因 DNA修復(fù)調(diào)控相關(guān)的基因49第三節(jié) 生物標(biāo)記物可作為DNA損傷和修復(fù)的參考標(biāo)記v1. 甲基化損傷修復(fù)相關(guān)基因的突變可作為甲基化損傷的基因型標(biāo)記物。MGMT突變可以作為甲基化損傷的基因型標(biāo)記物。v2.切除修復(fù)相關(guān)的酶和基因可作為切除