DNA的損傷和修復(fù)

1、編輯ppt1DNA的損傷和修復(fù)南華大學(xué)心血管疾病研究所動(dòng)脈硬化學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室編輯ppt2DNA 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)正常編輯ppt3v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(jī)體代謝過程中產(chǎn)生的有毒物質(zhì)、DNA復(fù)制錯(cuò)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(jī)制編輯ppt4v（一）輻射致DNA損傷v根據(jù)作用原理的不同： 電離輻射

2、（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(jī)制編輯ppt5返回目錄返回目錄返回主頁返回主頁編輯ppt6 紫外線的致?lián)p傷作用紫外線的致?lián)p傷作用編輯ppt7（二）自由基致DNA損傷v自由基：指能夠獨(dú)立存在，核外帶有未配對(duì)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。編輯ppt8（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

3、 堿基修飾物 嵌入染料編輯ppt91、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(shí)摻入并與互補(bǔ)鏈上堿基配對(duì),從而引起堿基對(duì)的置換.編輯ppt105-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

4、 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)變編輯ppt11 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(duì)又稱化學(xué)突變劑：指對(duì)DNADNA鏈中的堿基的修飾鏈中的堿基的修飾, ,改變其配對(duì)改變其配對(duì)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 m

5、athanesulfonate 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-mathyl-N-nitro-N-nitrosoguanidion NNGN-mathyl-N-nitro-N-nitrosoguanidion NNG）編輯ppt12 （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）. 編輯ppt133 3、嵌入染料對(duì)、嵌入染料對(duì)DNADNA的損傷作用的損傷作用吖啶橙吖啶橙 (Acridine Orange (Acridine Orange AO

6、) ) 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 TTTCG -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)生移框突變編輯ppt14二、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(diǎn)。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。

7、編輯ppt15（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(diǎn)，最終可導(dǎo)致DNA鏈的斷裂。編輯ppt16編輯ppt17 DNA分子上的堿基錯(cuò)配稱點(diǎn)突變(point mutation)。發(fā)生在同型堿基之間，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(cuò)配（二）錯(cuò)配編輯ppt18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

8、thr pro glu glu C 肽鏈肽鏈CTC GAG基因基因編輯ppt19（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(diǎn)是DNA鏈斷裂的間接原因。v單鏈斷裂（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(shí)斷裂。編輯ppt20（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(jià)鍵結(jié)合v鏈內(nèi)交聯(lián)：DNA分子中同一條鏈內(nèi)的兩個(gè)堿基以共價(jià)鍵結(jié)合vDNA蛋白質(zhì)交聯(lián)：DNA和蛋白質(zhì)以共價(jià)鍵結(jié)合編輯ppt21第二節(jié) DNA損傷的修復(fù)vDNA損傷的修

9、復(fù)：指糾正錯(cuò)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(cuò)配修復(fù)和重組修復(fù)編輯ppt22(一）直接修復(fù)v直接修復(fù)v 細(xì)胞對(duì)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。編輯ppt231）、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(shí)別-TT-AA-釋放編輯ppt24烷基化堿基可以直接修復(fù)編輯ppt2

10、52 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+編輯ppt263）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(gè)3羥基形成磷酸二酯健。連接所需的能量ATP(如動(dòng)物細(xì)胞)。編輯ppt27編輯ppt28v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(duì)的、完好的堿基替代修復(fù)。有多種酶和基因參與v過程：識(shí)別（損傷位點(diǎn)）切除修復(fù)（補(bǔ)）連

11、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)編輯ppt291)堿基切除：v 特點(diǎn)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(duì)側(cè)鏈為模板修補(bǔ)DNA連接酶連接v整個(gè)修復(fù)過程可分以下幾步。編輯ppt30編輯ppt31編輯ppt32編輯ppt33Ecoli的核苷酸切除修復(fù)機(jī)理。v在Ecoli中，UvrA，UvrB，UvrC三種蛋白必須同時(shí)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

12、磷酸酶，是損傷識(shí)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(gè)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聚合酶取代UvrB。修補(bǔ)缺損區(qū)；最后由連接酶連接補(bǔ)片。2）. 核苷酸切除編輯ppt34編輯ppt35編輯ppt36v當(dāng)DNA雙鏈發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)需要另一種機(jī)理來完成正確的修復(fù)。v一種情況是兩條鏈同時(shí)受到損傷；另一種情況是單

13、鏈損傷尚未修復(fù)時(shí)發(fā)生了復(fù)制，造成對(duì)應(yīng)于損傷位置的新鏈缺乏正確模板；此時(shí)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)編輯ppt37 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(cuò)容易出錯(cuò) 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)后的損傷位點(diǎn)可重組修復(fù)后的損傷位點(diǎn)可由其它機(jī)制進(jìn)一步修復(fù)由其它機(jī)制進(jìn)一步修復(fù)編輯ppt38DNA mismatch+ - A- -C-DNApol (= 10-8)經(jīng)第二次校正經(jīng)第二次

14、校正= 10-11錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)系統(tǒng)(MRSMismatch RepairSystem)錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)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(cuò)配修復(fù)編輯ppt39錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)（錯(cuò)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 (mismatch correct enzyme) 3 subunits mutH, 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 m6

15、A 的的GATC序列序列酶切含錯(cuò)配堿基的新生酶切含錯(cuò)配堿基的新生DNA區(qū)段區(qū)段 （1 1）組成）組成編輯ppt40 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(diǎn)甲基化敏感位點(diǎn)平均每平均每2kb左右有一左右有一GATC seq.錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)受甲基化的引導(dǎo)錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)受甲基化的引導(dǎo)編輯ppt41 甲基化程度的差異甲基化程度的差異a、MutH/MutS 掃描識(shí)別錯(cuò)配掃描識(shí)別錯(cuò)配 堿基和鄰近的堿基和鄰近的GATC序列序列 切點(diǎn)甲基化切點(diǎn)甲基化GATC中中 G的的5側(cè)側(cè) DNA helicase II, SSB

16、, exonuclease I去除包括錯(cuò)去除包括錯(cuò) 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(jià)用于保證昂貴的代價(jià)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 編輯ppt42（五）（五）. . 易錯(cuò)修復(fù)（易錯(cuò)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(hào)。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(shí)所誘導(dǎo)的一種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(cuò)誤較多，故又稱為錯(cuò)誤傾向修復(fù)(errorpro

17、ne repair)，使細(xì)胞有較高的突變率。 此系統(tǒng)由十幾個(gè)修復(fù)蛋白組成。調(diào)控蛋白LexA參與此系統(tǒng)的啟動(dòng)。編輯ppt43（2） SOS 修復(fù)機(jī)制修復(fù)機(jī)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(cuò)誤潛伏的復(fù)系統(tǒng)誘導(dǎo)，錯(cuò)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(cuò)誤堿基錯(cuò)誤堿基編輯ppt44 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

18、RecA受受LexALexA的的部分抑制部分抑制編輯ppt45RecA-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(shí)正常復(fù)制時(shí)（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活性活性編輯ppt46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 open編輯ppt47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