分子生物學(xué)DNA損傷與修復(fù)

1、分子生物學(xué)DNA損傷與修復(fù) 各種體內(nèi)外因素所導(dǎo)致的各種體內(nèi)外因素所導(dǎo)致的DNA組成與結(jié)構(gòu)的組成與結(jié)構(gòu)的變化稱為變化稱為DNA損傷（損傷（DNA damage） 其一，其一，DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變，即的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變，即突變突變其二，其二，導(dǎo)致導(dǎo)致DNA失去作為復(fù)制和失去作為復(fù)制和/或轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄的模板的功能的模板的功能 DNA損傷的后果損傷的后果:DNA損傷損傷DNA Damage第一節(jié)第一節(jié)一、多種因素通過不同機(jī)制一、多種因素通過不同機(jī)制導(dǎo)致導(dǎo)致DNA損傷損傷（一）體內(nèi)因素（一）體內(nèi)因素 DNA復(fù)制錯(cuò)誤復(fù)制錯(cuò)誤 DNA自身的不穩(wěn)定性自身的不穩(wěn)定性 機(jī)體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧機(jī)體代謝過程

2、中產(chǎn)生的活性氧nDNA復(fù)制錯(cuò)誤：復(fù)制錯(cuò)誤：n肌強(qiáng)直性營養(yǎng)不良肌強(qiáng)直性營養(yǎng)不良n 19號(hào)染色體上編碼肌強(qiáng)直性號(hào)染色體上編碼肌強(qiáng)直性蛋白激酶蛋白激酶Dystrophia myotonica protein kinase(DMPK) 3-UTR 區(qū)區(qū)(CTG)n重復(fù)序列擴(kuò)增導(dǎo)致重復(fù)序列擴(kuò)增導(dǎo)致。n多見于青春期后，男多于多見于青春期后，男多于女。主要癥狀為肌無力、女。主要癥狀為肌無力、肌萎縮和肌強(qiáng)直。肌萎縮和肌強(qiáng)直。 面容瘦長，顴骨隆起，呈斧狀臉，頸消面容瘦長，顴骨隆起，呈斧狀臉，頸消瘦而稍前屈。骨骼肌收縮后松弛顯著延瘦而稍前屈。骨骼肌收縮后松弛顯著延遲，導(dǎo)致明顯的肌肉僵硬遲，導(dǎo)致明顯的肌肉僵硬nDN

3、A自身的不穩(wěn)定性自身的不穩(wěn)定性 ：n含有氨基的堿基還含有氨基的堿基還可能自發(fā)脫氨基反可能自發(fā)脫氨基反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N堿基，即堿基的轉(zhuǎn)堿基，即堿基的轉(zhuǎn)變，如變，如C轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)閁，A轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镮（次黃嘌（次黃嘌呤）等。呤）等。n 機(jī)體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧機(jī)體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧（二）體外因素（二）體外因素 物理因素物理因素 化學(xué)因素化學(xué)因素 生物因素生物因素n物理因素：電離輻射（核輻射、各種射線）、非電物理因素：電離輻射（核輻射、各種射線）、非電離輻射（紫外線、各種電器發(fā)出的輻射）離輻射（紫外線、各種電器發(fā)出的輻射）岡崎岡崎n化學(xué)因素：化學(xué)因素：二、二、DNA損傷有多種類型

4、損傷有多種類型堿基脫落堿基脫落堿基結(jié)構(gòu)破壞堿基結(jié)構(gòu)破壞嘧啶二聚體形成嘧啶二聚體形成DNA單鏈或雙鏈斷裂單鏈或雙鏈斷裂DNA交聯(lián)交聯(lián)n根據(jù)根據(jù)DNA結(jié)構(gòu)的改變分為：結(jié)構(gòu)的改變分為：堿基脫落堿基脫落n堿基結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致堿基之間發(fā)生錯(cuò)配堿基結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致堿基之間發(fā)生錯(cuò)配n嘧啶二聚體嘧啶二聚體nDNA鏈發(fā)生斷裂：鏈發(fā)生斷裂：DNA損傷的類型（從損傷后果上）損傷的類型（從損傷后果上）堿基置換堿基置換缺失缺失 插入插入 鏈的斷裂鏈的斷裂 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換顛換顛換DNA損傷的修復(fù)損傷的修復(fù)The repair of DNA damage第二節(jié)第二節(jié)托馬斯林達(dá)爾（TomasRobertLindahl）1938年1月28日

5、出生，瑞典醫(yī)學(xué)家，專門從事癌癥研究，挪威科學(xué)和文學(xué)研究院的成員。發(fā)現(xiàn)堿基切堿基切除修復(fù)除修復(fù)。保羅莫德里奇（Paul Modrich），1946年出生，美國科學(xué)家，在杜克大學(xué)擔(dān)任生物化學(xué)教授，以及在霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所擔(dān)任研究員。 發(fā)現(xiàn)DNA錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)。阿齊茲桑賈爾（Aziz Sancar），1946年生于土耳其薩武爾，美國和土耳其國籍生物學(xué)家，專門從事DNA修復(fù)、細(xì)胞周期檢查點(diǎn)、生物鐘方面的研究。直接觀察到了光光解酶修復(fù)胸腺嘧啶二解酶修復(fù)胸腺嘧啶二聚體的過程聚體的過程。修復(fù)途徑修復(fù)途徑 修復(fù)對(duì)象修復(fù)對(duì)象 參與修復(fù)的酶或蛋白參與修復(fù)的酶或蛋白光復(fù)活修復(fù)光復(fù)活修復(fù) 嘧啶二聚體嘧啶二聚體 光

6、復(fù)活酶光復(fù)活酶堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù) 受損的堿基受損的堿基 DNADNA糖基化酶、無嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶糖基化酶、無嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶核苷酸切除修核苷酸切除修復(fù)復(fù) 嘧啶二聚體、嘧啶二聚體、DNADNA螺螺旋結(jié)構(gòu)的改變旋結(jié)構(gòu)的改變 大腸桿菌中大腸桿菌中UvrAUvrA、UvrBUvrB、UvrCUvrC和和UvrDUvrD，人人XPXP系列蛋白系列蛋白XPAXPA、XPBXPB、XPCXPGXPCXPG等等錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù) 復(fù)制或重組中的堿基復(fù)制或重組中的堿基配對(duì)錯(cuò)誤配對(duì)錯(cuò)誤 大腸桿菌中的大腸桿菌中的MutHMutH、MutLMutL、MutSMutS，人，人的的MLH1MLH1、MSH2MSH

7、2、MSH3MSH3、MSH6MSH6等等重組修復(fù)重組修復(fù) 雙鏈斷裂雙鏈斷裂 RecARecA蛋白、蛋白、KuKu蛋白、蛋白、DNA-PKcsDNA-PKcs、XRCC4XRCC4損傷跨越修復(fù)損傷跨越修復(fù) 大范圍的損傷或復(fù)制大范圍的損傷或復(fù)制中來不及修復(fù)的損傷中來不及修復(fù)的損傷 RecARecA蛋白、蛋白、LexALexA蛋白、其他類型蛋白、其他類型DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA損傷因素?fù)p傷因素 DNADNA損傷類型損傷類型修復(fù)機(jī)制修復(fù)機(jī)制X X射線、氧自由基、射線、氧自由基、烷化劑烷化劑 自發(fā)脫堿基自發(fā)脫堿基單鏈斷裂、無堿基位點(diǎn)、氧化性堿單鏈斷裂、無堿基位點(diǎn)、氧化性堿基（如基（如8-8

8、-氧鳥嘌呤）脲嘧啶氧鳥嘌呤）脲嘧啶堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù)紫外線和多環(huán)芳烴紫外線和多環(huán)芳烴環(huán)丁烷嘧啶二聚體等大的紫外線光環(huán)丁烷嘧啶二聚體等大的紫外線光產(chǎn)物和穩(wěn)定的多環(huán)芳烴化合物等大產(chǎn)物和穩(wěn)定的多環(huán)芳烴化合物等大分子分子DNADNA加合物加合物核苷酸切除修核苷酸切除修復(fù)復(fù)抗癌藥（如順鉑和絲抗癌藥（如順鉑和絲裂霉素）裂霉素）雙鏈斷裂和鏈間交聯(lián)雙鏈斷裂和鏈間交聯(lián)雙鏈斷裂修復(fù)雙鏈斷裂修復(fù)（同源重組修（同源重組修復(fù)和末端連接復(fù)和末端連接）復(fù)制錯(cuò)誤和烷化劑復(fù)制錯(cuò)誤和烷化劑堿基錯(cuò)配和缺失（插入）堿基錯(cuò)配和缺失（插入）錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)一、直接修復(fù)一、直接修復(fù) 嘧啶二聚體的直接修復(fù)（光復(fù)活酶）嘧啶二聚體的直接修

9、復(fù)（光復(fù)活酶） 烷基化堿基的直接修復(fù)烷基化堿基的直接修復(fù) （烷基轉(zhuǎn)移酶）（烷基轉(zhuǎn)移酶） 無嘌呤位點(diǎn)的直接修復(fù)無嘌呤位點(diǎn)的直接修復(fù) （DNA嘌呤插入酶）嘌呤插入酶） 單鏈斷裂的直接修復(fù)單鏈斷裂的直接修復(fù) （DNA連接酶）連接酶）直接修復(fù)是最簡單的一種直接修復(fù)是最簡單的一種DNADNA損傷修復(fù)方式，損傷修復(fù)方式，修復(fù)酶直接作用于受損的修復(fù)酶直接作用于受損的DNADNA，將之恢復(fù)為原來的，將之恢復(fù)為原來的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。光修復(fù)酶光修復(fù)酶n嘧啶二聚體的直接修復(fù)嘧啶二聚體的直接修復(fù)n烷基化堿基的直接修復(fù)烷基化堿基的直接修復(fù)二、切除修復(fù)是最普遍的二、切除修復(fù)是最普遍的DNA損傷修復(fù)方式損傷修復(fù)方式 堿基切除修

10、復(fù)堿基切除修復(fù) 核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù) 堿基錯(cuò)配修復(fù)堿基錯(cuò)配修復(fù)n堿基切除修復(fù)（堿基切除修復(fù)（base excision repair）的的NER主要由主要由4種蛋白種蛋白質(zhì)組成：質(zhì)組成：UvrAUvrBUvrCUvrD 著著色性色性干干皮病皮病(Xeroderma pigmentosum, XP) 是一種隱性遺傳性疾病，有些呈性聯(lián)遺傳。因核酸是一種隱性遺傳性疾病，有些呈性聯(lián)遺傳。因核酸內(nèi)切酶異常造成內(nèi)切酶異常造成DNADNA修復(fù)障礙所致。臨床以光暴露部位色修復(fù)障礙所致。臨床以光暴露部位色素增加和角化及癌變?yōu)樘卣?。素增加和角化及癌變?yōu)樘卣鳌?1. 1. 幼年發(fā)病，常有家族發(fā)病史。幼年發(fā)病

11、，常有家族發(fā)病史。2. 2. 面部等暴露部位出現(xiàn)紅斑、褐色斑點(diǎn)及斑片，伴毛細(xì)面部等暴露部位出現(xiàn)紅斑、褐色斑點(diǎn)及斑片，伴毛細(xì)血管擴(kuò)張，間有色素脫失斑和萎縮或疤痕。皮膚干燥。血管擴(kuò)張，間有色素脫失斑和萎縮或疤痕。皮膚干燥。數(shù)年內(nèi)發(fā)生基底細(xì)胞癌、鱗癌及惡性黑素瘤。數(shù)年內(nèi)發(fā)生基底細(xì)胞癌、鱗癌及惡性黑素瘤。3.3.皮膚和眼對(duì)日光敏感。皮膚和眼對(duì)日光敏感。4.4.病情隨年齡逐漸加重，多數(shù)患者于病情隨年齡逐漸加重，多數(shù)患者于2020歲前因惡性腫瘤歲前因惡性腫瘤 而死亡。而死亡。5.5.組織病理組織病理 晚期出現(xiàn)表皮非典型性增生、日光角化及鱗晚期出現(xiàn)表皮非典型性增生、日光角化及鱗癌和基底細(xì)胞癌等惡性腫瘤。癌和

12、基底細(xì)胞癌等惡性腫瘤。著著色性色性干干皮病皮病患兒臉部特征患兒臉部特征著著色性色性干干皮皮病病的并發(fā)癥的并發(fā)癥著著色性色性干干皮病皮病的治療的治療 避免紫外線照射避免紫外線照射 避免腫瘤致病因子避免腫瘤致病因子 對(duì)癥治療對(duì)癥治療n堿基錯(cuò)配修復(fù)（堿基錯(cuò)配修復(fù)（ mismatch repair）大腸桿菌錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)組成大腸桿菌錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)組成:甲基化酶（如甲基化酶（如DNA腺嘌呤甲基化酶，即腺嘌呤甲基化酶，即m6A甲基化酶）甲基化酶）DNA polymerase 填補(bǔ)單鏈填補(bǔ)單鏈 DNA 缺口缺口Helicase、SSB、核酸外切酶、核酸外切酶 (和和)、連接酶、連接酶MCE (mismatch

13、correct enzyme) 3 subunits Mut H, L, S 掃描新生鏈中錯(cuò)配堿基掃描新生鏈中錯(cuò)配堿基識(shí)別新生鏈中非識(shí)別新生鏈中非 m6A 的的GATC序列序列酶切含錯(cuò)配堿基的酶切含錯(cuò)配堿基的DNA區(qū)段區(qū)段錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù) 錯(cuò)配修復(fù)MSH（MutS homologs）蛋白）蛋白與與MutL同源的同源的MLH和和PMS蛋白蛋白真核細(xì)胞錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)無真核細(xì)胞錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)無MutH，也無半甲基化，也無半甲基化標(biāo)記母鏈。標(biāo)記母鏈。錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)利用岡崎片段連接前的錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)利用岡崎片段連接前的DNA缺口缺口辨別錯(cuò)配堿基所在的辨別錯(cuò)配堿基所在的DNA鏈。鏈。真核細(xì)胞堿基錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)：真核

14、細(xì)胞堿基錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)：三、三、DNA嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)需要重組修復(fù)嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)需要重組修復(fù) 同源重組修復(fù)同源重組修復(fù) 非同源末端連接的重組修復(fù)非同源末端連接的重組修復(fù)雙鏈斷裂修復(fù)：雙鏈斷裂修復(fù)：非同源末端連接的重組修復(fù)非同源末端連接的重組修復(fù) 四、某些修復(fù)發(fā)生在跨越損傷四、某些修復(fù)發(fā)生在跨越損傷DNA的復(fù)制事件之后的復(fù)制事件之后 重組跨越損傷修復(fù)重組跨越損傷修復(fù) 合成跨越損傷修復(fù)合成跨越損傷修復(fù)修復(fù)大范圍的損傷或復(fù)制中來不及修復(fù)的損傷。修復(fù)大范圍的損傷或復(fù)制中來不及修復(fù)的損傷。 重組跨越損傷重組跨越損傷修復(fù)修復(fù)合成跨越損傷修復(fù)合成跨越損傷修復(fù) 修復(fù)途徑修復(fù)途徑 修復(fù)對(duì)象修復(fù)對(duì)象 參與修復(fù)的酶或蛋白參與修

15、復(fù)的酶或蛋白光復(fù)活修復(fù)光復(fù)活修復(fù) 嘧啶二聚體嘧啶二聚體 光復(fù)活酶光復(fù)活酶堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù) 受損的堿基受損的堿基 DNADNA糖基化酶、無嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶糖基化酶、無嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶核苷酸切除修核苷酸切除修復(fù)復(fù) 嘧啶二聚體、嘧啶二聚體、DNADNA螺螺旋結(jié)構(gòu)的改變旋結(jié)構(gòu)的改變 大腸桿菌中大腸桿菌中UvrAUvrA、UvrBUvrB、UvrCUvrC和和UvrDUvrD，人人XPXP系列蛋白系列蛋白XPAXPA、XPBXPB、XPCXPGXPCXPG等等錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù) 復(fù)制或重組中的堿基復(fù)制或重組中的堿基配對(duì)錯(cuò)誤配對(duì)錯(cuò)誤 大腸桿菌中的大腸桿菌中的MutHMutH、MutLMutL、M

16、utSMutS，人，人的的MLH1MLH1、MSH2MSH2、MSH3MSH3、MSH6MSH6等等重組修復(fù)重組修復(fù) 雙鏈斷裂雙鏈斷裂 RecARecA蛋白、蛋白、KuKu蛋白、蛋白、DNA-PKcsDNA-PKcs、XRCC4XRCC4損傷跨越修復(fù)損傷跨越修復(fù) 大范圍的損傷或復(fù)制大范圍的損傷或復(fù)制中來不及修復(fù)的損傷中來不及修復(fù)的損傷 RecARecA蛋白、蛋白、LexALexA蛋白、其他類型蛋白、其他類型DNADNA聚合酶聚合酶DNA損傷和修復(fù)的意義損傷和修復(fù)的意義The significance of DNA damage and repair第三節(jié)第三節(jié)一、一、DNA損傷具有雙重效應(yīng)損傷具有雙重效應(yīng) 一是給一是給DNADNA帶來永久性的改變即突變，可帶來永久性的改變即突變，可能改變基因的編碼序列或者基因的調(diào)控序列能改變基因的編碼序列或者基因的調(diào)控序列； 二是二是DNADNA的這些改變使得的這些改變使得DNADNA不能用作復(fù)不能用作復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板，使細(xì)胞的功能出現(xiàn)障礙，制和轉(zhuǎn)