3DNA損傷和修復

1、第二章 DNA損傷和修復 DNA損傷修復機制的研究是現(xiàn)代分子生物學最有吸引力的領域之一DNA damage and repair電離輻射可見光氧自由基烷化劑復制錯誤核苷類似物DNA第一節(jié) DNA損傷一 、 DNA損傷因素及機制(一)輻射導致DNA損傷1.電離輻射能直接或間接引起被穿透物質產(chǎn)生電離 有粒子、粒子、X射線、射線等。 電離輻射對機體的作用:(1)直接作用：指射線將能量直接傳遞給生物大分子,通 過能量的轉換和傳遞,可使物質的原子或分子激 發(fā)和電離,導致物質結構破壞,如化學鍵的斷裂。OH的作用核糖分解 DNA鏈斷裂DNA鏈、蛋白質的交聯(lián)(2)間接作用： 輻射先作用于溶劑分子，進而產(chǎn)生 O

2、H 自由基 破壞堿基結構X射線對哺乳動物細胞DNA的損傷,75%是水分解產(chǎn)生的自由基所造成。P+e+光子H2OOH.P+e+光子直接作用間接作用2.非電離輻射紫外線(ultraviolet , UV)和能 量低于紫外線的所有電磁輻射紫外線可分為: UVA(400320nm) : 能量低 ,不損壞DNAUVB(320290nm) UVC(290100nm) : 260280nm 的UV易導致DNA 損傷DNA的max=260nm蛋白質的max=280nm 紫外線高能量的吸收兩相鄰的胸嘧啶形成二聚體(TT) DNA產(chǎn)生彎曲和扭結影響DNA雙螺旋結構影響復制和轉錄. 紫外線也可導致DNA交聯(lián)和DNA

3、鏈的斷裂等損傷. 5 G G C T T G C G A C T G A T T G C 3 3 C C G A A C G C T G A C T A A C G 5胸嘧啶形成二聚體 (TT)(二)自由基致DNA損傷1.自由基：能夠獨立存在,核外帶有未配對電子 的氧原子或含氧化學基團。 -.O2超氧陰離子 OH.羥自由基（ ）. H氫自由基（ ）LO.脂氧自由基（ ）脂過氧自由基 LOO. 自由基的未配對電子具有強烈奪取或喪失電子以成為配對電子的趨向,化學性質非?；顫?。2. 自由基的產(chǎn)生： 1 輻射2 代謝OH. HH2O 正常代謝：O2 + 4e 2O2-異常代謝：O2 + e -.O2三

4、化學毒物致DNA損傷 堿基類似物： 是一類與DNA堿基結構類似的化合物， 在DNA復制時常取代正常堿基摻入堿基對置換 5-溴尿嘧啶BU可使DNA中 AT配對轉變?yōu)镚C配對2.堿基修飾劑： 是一類通過對DNA鏈中某些基團的修飾，改變其配對性質改變DNA結構的化合物。可阻止正常修復。腺嘌呤亞硝酸次黃嘌呤脫氨基胞嘧啶尿嘧啶亞硝酸脫氨基胸嘧啶胞嘧啶羥胺脫甲基TC, 變C-GC U, 變U-AC-GT-A3.嵌入染料 溴化乙啶、丫啶橙等染料可直接嵌入DNA堿基對中堿基對間的距離撐大一倍 DNA兩條鏈的錯位 DNA復制過程中引發(fā)核苷酸缺失、移碼、或插入等改變。4. 烷化劑引起DNA損傷烷化劑如：芥子氣、硫

5、酸二乙酯、甲基亞硝基胍等1鳥嘌呤烷基化后不再與胞嘧啶 配對，而改與胸嘧啶配對； 堿基烷基化2堿基脫落； 3DNA斷鏈； 4DNA鏈內、 DNA鏈間、以及 DNA與蛋白質間的交聯(lián)。 四DNA產(chǎn)生自發(fā)性損傷DNA復制時產(chǎn)生堿基錯配 堿基錯配發(fā)生率10 1 102 DNA聚合酶校正為10 5 106 復制后錯誤配對校正系統(tǒng)校正為109 DNA修復后，錯誤配對率 10102. 堿基脫氨基：CU, AI , G H3. 堿基喪失二、DNA損傷類型導致DNA損傷因素作用的靶點： 堿基、核糖、磷酸二酯鍵一堿基和糖基的破壞 DNA鏈不穩(wěn)定，斷裂亞硝酸 堿基的脫氨基羥自由基 堿基環(huán)的破裂紫外線 DNA形成嘧啶二

6、聚體4. 活性氧 堿基氧化修飾二錯配常見：尿嘧啶代替胸嘧啶摻入DNA分子中三 DNA鏈斷裂 電離輻射磷酸二酯鍵斷裂或脫氧戊糖的破壞 DNA雙鏈斷裂，細胞死亡。 四DNA交聯(lián)鏈間交聯(lián)： DNA雙螺旋一條鏈上的堿基與另一 條鏈上的 堿基以共價鍵結合。2. 鏈內交聯(lián)： DNA分子同一條鏈中的兩個堿基以共價鍵結合。3. DNA蛋白質交聯(lián)： DNA與蛋白質以共價鍵結合。典型例子：嘧啶二聚體DNA損傷的后果信號傳導異常長時辰效應老化腫瘤疾病DNA 修復機制短期效應異常增生和代謝生理功能紊亂細胞死亡細胞增殖減少基因表達異?；蚪M不穩(wěn)定第二節(jié) DNA損傷的修復一、DNA修復機制回復修復切除修復重組修復錯配修復

7、 SOS修復常見的DNA損傷及其修復機制 DNA損傷因素 DNA損傷類型修復機制X射線、氧自由基、烷化劑 自發(fā)脫堿基單鏈斷裂、無堿基位點、氧化性堿基（如8-氧鳥嘌呤）脲嘧啶堿基切除修復紫外線和多環(huán)芳烴環(huán)丁烷嘧啶二聚體等大的紫外線光產(chǎn)物和穩(wěn)定的多環(huán)芳烴化合物等大分子DNA加合物核苷酸切除修復抗癌藥（如順鉑和絲裂霉素）雙鏈斷裂和鏈間交聯(lián)雙鏈斷裂修復（同源重組修復和末端連接）復制錯誤和烷化劑堿基錯配和缺失（插入）錯配修復斷裂口直接修復：在 DNA 5-P 端和 3-OH端未受損害的情況下，連接酶能夠直接修復DNA的斷裂口。紫外線損傷的光復合酶直接修復 UV光復合酶3. 烷基化堿基的直接修復大腸桿菌中

8、的Ada酶，可修復甲基化的堿基4. 堿基切除修復指切除和替換由內源性化學物作用產(chǎn)生 的DNA堿基損傷 主要針對DNA單鏈斷裂和小的堿基改變 及氧化性損傷。受損堿基切除修復是由多個酶來完成的DNA glycosylase DNA糖基化酶：作用：識別DNA中不正常的堿基，并將其水解 嘧啶二聚體-DNA糖基化酶； 尿嘧啶-DNA糖基化酶； 次黃嘌呤-DNA糖基化酶；p53蛋白調控堿基切除Base Excision RepairDNA的損傷的切除修復結構缺陷切開核酸內切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA連接酶修復連接 5.核苷酸切除修復30多種蛋白質參與修復時切除含有損傷堿基的那一段 DNA 主要修復

9、扭曲雙螺旋結構的 DNA 損傷步驟：一個酶系統(tǒng)識別DNA損傷部位； 損傷兩側各水解一個磷酸二酯鍵； 釋放一段核苷酸； DNA聚合酶合成一段新的DNA； 連接酶連成整鏈核苷酸切除修復 (大腸桿菌)錯配修復校正活性所漏校的堿基, 使復制的保真性提高102103倍錯配修復系統(tǒng) (MRSMismatch RepairSystem)DNApol (= 10-8)經(jīng)第二次校正= 10-11 錯配修復系統(tǒng)組成Mismatch repair systemDNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)DNA polymerase 填補單鏈 DNA 缺口Helicase 、SSB 、外切核酸酶 (和) 、連接酶修復蛋白：

10、Mut(mutase) H、 L、 S 掃描新生鏈中錯配堿基識別新生鏈中非 m6A 的GATC序列酶切含錯配堿基的DNA區(qū)段作用錯配修復 6. SOS 修復原核生物 RecALexA(一種DNA結合抑制蛋白)調控元件：SOS盒SOS反響誘導表達的基因有30多個，參與SOS 修復RecA-P的三種功能a、 DNA 重組活性b、 與S.S. DNA結合活性c、 少數(shù)蛋白的proteinase活性當DNA復制受阻/ DNA damaged細胞內原少量表達的RecA與S.S, DNA結合激活RecA-p的proteinase活性修復損傷LexA-p降解RecA-p高效表達 SOS open當DNA復制

11、度過難關后RecA-p很快消失LexA gene onSOS offSOS 修復DNA復制不很嚴格，新合成的DNA容易造成錯誤產(chǎn)生突變。二、參與DNA修復的主要基因一XRCC基因X線交叉互補基因X-ray cross complementing gene , XRCC)二XP 及ERCC 基因 著色性干皮病xeroderma pigmentosum, XP)ERCC(excision repair cross-complementing)(三RAD系列基因第三節(jié) DNA損傷修復與疾病 DNA損傷的生物學后果，一方面損傷的積累，另 一方面是對損傷的應答，既取決于DNA損傷的程度和細胞的修復能力。

12、DNA堿基損傷后： 1.遺傳密碼子變化，產(chǎn)生功能異常的蛋白，導 致細胞功能衰退、凋亡、惡性轉化。 2. 染色體畸形，導致嚴重后果。 3. DNA交聯(lián)影響基因正常表達和調控。 4.基因組不穩(wěn)定引發(fā)衰老、腫瘤等疾病。一、DNA損傷與腫瘤腫瘤發(fā)生是DNA損傷對機體的遠后效果之一 1945年日本廣島、長崎核爆炸，切爾諾貝利核事 故，眾多研究說明： 1. DNA是電離輻射、遺傳毒性致癌物、病毒作用的靶點。 DNA損傷DNA修復異常 基因突變腫瘤發(fā)生 2. 參與DNA修復的多種基因突變，其抑癌作用失活。 美國好萊塢RKO制片公司在上世紀50年代投資拍攝的大片?征服者?堪稱“最不祥的電影，由于這部影片在美國

13、內華達沙漠尤卡平地上的核試驗地點附近拍攝了13個禮拜外景，220名劇組成員中，導致導演、男女主角等91名劇組人員吸入放射性塵埃，患上癌癥。?征服者?史詩大片,是美國RKO制片公司在1954年投資800萬美元拍攝的，該片制片人霍華德休斯是一名億萬富翁和電影大亨。 影片講述的是元太祖成吉思汗統(tǒng)一蒙古各部、創(chuàng)立蒙古帝國的故事，外景地選在猶他州沙漠中的雪峽谷。 雪峽谷距離尤卡平地上的核試驗地點僅有137英里。 1953年，美國軍方曾在尤卡平地上試爆了11顆原子彈，導致大量輻射性原子飄向數(shù)百英里遠的地方，其中大量致命的核輻射微塵降落到了雪峽谷所在的位置。 1953年，美國軍方在內華達沙漠尤卡平地上試爆1

14、1顆原子彈男主角約翰威恩女主角蘇珊海沃德二、DNA損傷修復缺陷導致人類的遺傳疾病1. 著色性干皮病XP 臨床病癥：裸露的皮膚、眼睛和舌頭等部位的 嚴重光敏感性，以及皮膚癌的高發(fā)率。 受到環(huán)境因素刺激 肺、消化道腫瘤。已報道：伴有輻射敏感性增高的遺傳病多達20余種2.毛發(fā)硫營養(yǎng)不良trichothiodystrophy, TTD) 生化分析：患者毛發(fā)硫蛋白減少頭發(fā)枯槁、無光澤、易受損等。一 DNA修復缺陷導致的人類遺傳病與DNA修復有關的人類遺傳疾?。褐愿善げ?Xeroderma pigmentosum) 布倫氏癥候群(Blooms syndrome) 遺傳性大腸癌(Hereditary n

15、onpolyposis colon cancer；HNPCC) 著色性干皮病 是一種隱性遺傳性疾病，有些呈性聯(lián)遺傳。因核酸內切酶異常造成DNA修復障礙所致。臨床以光暴露部位色素增加和角化及癌變?yōu)樘卣鳌?1. 幼年發(fā)病，常有家族發(fā)病史。2. 面部等暴露部位出現(xiàn)紅斑、褐色斑點及斑片， 伴毛細血 管擴張，間有色素脫失斑和萎縮或疤 痕。皮膚枯燥。數(shù)年內發(fā)生基內幕胞癌、鱗癌 及惡性黑素瘤。3.皮膚和眼對日光敏感。4.病情隨年齡逐漸加重，多數(shù)患者于20歲前因惡 性腫瘤而死亡。5.組織病理 晚期出現(xiàn)表皮非典型性增生、日光角 化及鱗癌和基內幕胞癌等惡性腫瘤。著色性干皮病患兒臉部特征著色性干皮病背部, 著色性干

16、皮病組織切片著色性干皮病的并發(fā)癥著色性干皮病的治療防止紫外線照射 防止腫瘤致病因子對癥治療多發(fā)性家族性大腸癌(HNPCC)的臨床特征發(fā)病早 ( 45 歲)腫瘤好發(fā)部位腸外腫瘤的類型 息肉較少 30-60% 有內膜腫瘤多發(fā)性家族性大腸癌(HNPCC)的臨床特征發(fā)病早 腫瘤好發(fā)部位腸外腫瘤的類型 息肉較少 30-60% 有內膜腫瘤HNPCC發(fā)生的危險因素基因攜帶者發(fā)生的危險因素:早期: 20-25歲婦女: 年齡(?) 25-35歲HNPCC 家族成員之一發(fā)生的概率 :胃癌發(fā)生: 早期發(fā)生年齡 3-35歲, 復發(fā) 1-2 年尿道腫瘤發(fā)生: 30-35歲,復發(fā) 1-2 年二 細胞對DNA損傷應答缺陷導

17、致的遺傳病 共濟失調毛細血管擴張癥Ataxia telangiectasia, AT，常染色體隱性遺傳病。 臨床表現(xiàn)： 小腦共濟失調導致步態(tài)蹣跚，肌肉運動失調，持 續(xù)性精神障礙，眼睛和皮膚有明顯的毛細血管擴張。 其淋巴、造血系統(tǒng)的腫瘤比正常人群高250倍。2. 布盧姆綜合癥Bloom syndrome， 常染色體隱性遺傳病。 嬰幼兒發(fā)病，面部紅斑和毛細血管擴張呈蝴蝶 狀分布，對光敏感及侏儒癥，白血病發(fā)病率極高。DNA損傷和修復的生物學意義識別和修復特異的DNA損傷，保證生物物種的遺傳穩(wěn)定性。防止基因組的不穩(wěn)定性、癌癥和細胞死亡。第四節(jié) DNA損傷和修復的參考標志 生物標記物一、甲基化損傷的基因型標記物： 1. MGMT突變 O6-甲基鳥嘌呤鳥嘌呤烷化劑O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶MGMT甲基半胱氨酸鳥嘌呤過表達MGMT的轉基因小鼠肺癌發(fā)生率減少 二、與切除修復相關的酶和基因： 1.大腸桿菌Uvr基因家族 radl1、 radl2 、radl3、 radl4、 radl7、 radl10、 radl14、 radl16、 radl23等