第六章 DNA損傷與修復(fù)課件

第六章DNA損傷與修復(fù)

DNAdamageandrepair1第六章DNA損傷與修復(fù)

哺乳動(dòng)物細(xì)胞DNA損傷的發(fā)生頻率

DNA損傷類(lèi)型次·細(xì)胞-1

·天–1單鏈損傷55000脫嘌呤10000脫嘧啶200O6甲基鳥(niǎo)嘌呤3100胞嘧啶脫氨基200胸腺嘧啶乙二醇270胸苷乙二醇702第六章DNA損傷與修復(fù)第一節(jié)DNA損傷的原因及后果電離輻射氧自由基烷化劑復(fù)制錯(cuò)誤堿基類(lèi)似物紫外線DNA3第六章DNA損傷與修復(fù)一、DNA分子的自發(fā)性損傷(一)DNA復(fù)制產(chǎn)生誤差模板核酸外切酶活性DNA聚合酶Ⅰ

錯(cuò)配堿基4第六章DNA損傷與修復(fù)

如大腸桿菌堿基配對(duì)的錯(cuò)誤率為10-1-10-2

DNA聚合酶校正后錯(cuò)誤率為10-5-10-6

復(fù)制后經(jīng)校正系統(tǒng)校正，錯(cuò)配率為10-9左右5第六章DNA損傷與修復(fù)（二）DNA的自發(fā)性化學(xué)變化

1.堿基的異構(gòu)互變DNA分子中的4種堿基各自的異構(gòu)體間都可以自發(fā)地相互變化(例如酮式-烯醇式或氨基-亞氨基之間的結(jié)構(gòu)互變)，使配對(duì)堿基間的氫鍵改變。6第六章DNA損傷與修復(fù)堿基的互變異構(gòu)效應(yīng)

堿基T和G能夠以酮式或烯醇式兩種互變異構(gòu)的狀態(tài)出現(xiàn)堿基C和A能夠以氨基式或亞氨基式兩種互變狀態(tài)出現(xiàn)一般生理?xiàng)l件下，堿基互變平衡反應(yīng)傾向于酮式或氨基式，故A:T和C

G堿基配對(duì)

7第六章DNA損傷與修復(fù)互變異構(gòu)效應(yīng)引起不正常的堿基配對(duì)稀有形式常見(jiàn)形式8第六章DNA損傷與修復(fù)2.堿基的脫氨基作用堿基的環(huán)外氨基有時(shí)會(huì)自發(fā)脫落，從而胞嘧啶(C)變成尿嘧啶(U)，腺嘌呤(A)變成次黃嘌呤(H)、鳥(niǎo)嘌呤（G）變成黃嘌呤(X)等。復(fù)制時(shí),U與A配對(duì)、H與C配對(duì)就會(huì)導(dǎo)致子代DNA序列的錯(cuò)誤變化。9第六章DNA損傷與修復(fù)3．脫嘌呤與脫嘧啶

即堿基脫落，是指從DNA上丟失了嘌呤或嘧啶，形成無(wú)堿基位點(diǎn)，稱(chēng)為AP部位（apurine,apyrimidinesite,AP）。10第六章DNA損傷與修復(fù)復(fù)制時(shí)可以插入任何核苷酸。脫落堿基后的脫氧核糖3’端的磷酸二酯鍵易被水解，造成DNA鏈斷裂。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因組中，每天每個(gè)細(xì)胞因N-糖苷鍵自發(fā)水解約丟失10000個(gè)嘌呤堿基和200個(gè)嘧啶堿基。11第六章DNA損傷與修復(fù)

4．堿基修飾與鏈斷裂細(xì)胞在正常生理活動(dòng)中產(chǎn)生的活性氧會(huì)造成DNA損傷，產(chǎn)生胸腺嘧啶乙二醇、羥甲基尿嘧啶等堿基修飾物，還可引起DNA單鏈斷裂等損傷。每個(gè)哺乳類(lèi)細(xì)胞每天DNA單鏈斷裂發(fā)生的頻率約為五萬(wàn)次。12第六章DNA損傷與修復(fù)5.環(huán)出效應(yīng)13第六章DNA損傷與修復(fù)二、物理因素引起的DNA損傷(一)紫外線照射引起的DNA損傷

同一條DNA鏈相鄰嘧啶以共價(jià)鍵連成二聚體(T-T、C-T、C-C)，導(dǎo)致復(fù)制不能進(jìn)行。

14第六章DNA損傷與修復(fù)胸腺嘧啶二聚體胸腺嘧啶-胞嘧啶二聚體15第六章DNA損傷與修復(fù)

(二)電離輻射引起的DNA損傷直接效應(yīng)：DNA直接吸收射線能量而遭損傷；間接效應(yīng)：DNA周?chē)渌肿?主要是水分子)吸收射線能量而產(chǎn)生具有很高反應(yīng)活性的自由基，進(jìn)而損傷DNA。16第六章DNA損傷與修復(fù)電離輻射引起DNA損傷的機(jī)理間接作用直接作用17第六章DNA損傷與修復(fù)電離輻射引起DNA損傷的類(lèi)型產(chǎn)生·OH自由基，導(dǎo)致堿基變化

脫氧核糖分解

DNA鏈斷裂

交聯(lián)包括DNA鏈交聯(lián)和DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)18第六章DNA損傷與修復(fù)

三、化學(xué)因素引起的DNA損傷(一)烷化劑對(duì)DNA的損傷

1．堿基烷基化

2.堿基脫落

3．?dāng)噫?/p>

4.交聯(lián)19第六章DNA損傷與修復(fù)鳥(niǎo)嘌呤胞嘧啶O6-乙基鳥(niǎo)嘌呤胸腺嘧啶堿基烷基化

堿基烷基化烷化劑很容易將烷基加到DNA鏈中嘌呤或嘧啶的N或O上,烷基化的嘌呤堿基配對(duì)會(huì)發(fā)生變化。20第六章DNA損傷與修復(fù)雙功能基烷化劑，化學(xué)武器氮芥、硫芥等抗癌藥物如環(huán)磷酰胺、苯丁酸氮芥、絲裂霉素等致癌物如二乙基亞硝胺等同時(shí)使兩個(gè)位點(diǎn)烷基化21第六章DNA損傷與修復(fù)

5-BrdU（5-BrdU-A；5-BrdU-G）酮式烯醇式(二)堿基類(lèi)似物、修飾劑對(duì)DNA的損傷

亞硝酸鹽能使胞嘧啶脫氨基變成尿嘧啶（C→U）

羥胺能使胸腺嘧啶脫甲基變成胞嘧啶（T→C）

黃曲霉素B(G→T)22第六章DNA損傷與修復(fù)四、DNA損傷的后果

1.點(diǎn)突變(pointmutation)2.缺失(deletion)3.插入(insertion)4.倒位或轉(zhuǎn)位(transposition)5.DNA斷裂(DNAbreak)23第六章DNA損傷與修復(fù)24第六章DNA損傷與修復(fù)第二節(jié)DNA修復(fù)主要類(lèi)型:錯(cuò)配修復(fù)直接修復(fù)光裂合酶修復(fù)切除修復(fù)重組修復(fù)跨損傷修復(fù)(SOS修復(fù))

25第六章DNA損傷與修復(fù)一、錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)可校正DNA復(fù)制和重組過(guò)程中發(fā)生的堿基錯(cuò)配。錯(cuò)配的堿基可被錯(cuò)配修復(fù)酶識(shí)別后進(jìn)行修復(fù)。26第六章DNA損傷與修復(fù)

1.E.coli錯(cuò)配修復(fù)機(jī)制錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)組成（Mismatchrepairsystem）DNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)解旋酶Helicase、SSB、外切核酸酶(Ⅰ、Ⅶ、X和RecJ)、DNApolymeraseⅢ、連接酶MCE(mismatchcorrectenzyme)3subunitsmutS,L,H掃描新生鏈中錯(cuò)配堿基識(shí)別新生鏈中非m6A的GATC序列酶切含錯(cuò)配堿基的DNA區(qū)段27第六章DNA損傷與修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)

28第六章DNA損傷與修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)(大腸桿菌)Mis-pairedbases29第六章DNA損傷與修復(fù)30第六章DNA損傷與修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)(大腸桿菌)31第六章DNA損傷與修復(fù)2.真核細(xì)胞錯(cuò)配修復(fù)機(jī)制32第六章DNA損傷與修復(fù)二.直接修復(fù)1.單鏈斷裂修復(fù)DNA單鏈斷裂是損傷的一種常見(jiàn)形式，可以通過(guò)DNA連接酶的重接而修復(fù)。

33第六章DNA損傷與修復(fù)2.光分解酶(光復(fù)活酶)直接修復(fù)二聚體形成嘧啶二聚體光復(fù)活酶結(jié)合于損傷部位酶被可見(jiàn)光激活修復(fù)后釋放酶34第六章DNA損傷與修復(fù)3.直接修復(fù)烷基化堿基O6-甲基鳥(niǎo)嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶35第六章DNA損傷與修復(fù)4．直接插入嘌呤DNA鏈上嘌呤的脫落造成無(wú)嘌呤位點(diǎn)，能被DNA嘌呤插入酶(insertase)識(shí)別結(jié)合，催化游離的嘌呤堿基與DNA無(wú)嘌呤部位形成糖苷鍵。且催化插入的堿基有高度專(zhuān)一性、與另一條鏈上的堿基嚴(yán)格配對(duì)，使DNA完全恢復(fù)。36第六章DNA損傷與修復(fù)三、堿基切除修復(fù)（baseexcisionrepair，BER）指切除和替換由內(nèi)源性化學(xué)物作用產(chǎn)生的DNA堿基損傷,是切除修復(fù)的一種。受損堿基移除是由多個(gè)酶來(lái)完成的。主要針對(duì)DNA單鏈斷裂和小的堿基改變及氧化性損傷。37第六章DNA損傷與修復(fù)堿基切除修復(fù)38第六章DNA損傷與修復(fù)四、

核苷酸切除修復(fù)（nucleotideexcisionrepair）

體內(nèi)識(shí)別DNA損傷最多的修復(fù)通路主要修復(fù)可影響堿基配對(duì)而扭曲雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA損傷，修復(fù)時(shí)切除含有損傷堿基的那一段DNA。39第六章DNA損傷與修復(fù)核苷酸切除修復(fù)(大腸桿菌)UvrA:識(shí)別損傷部位UvrB:解旋雙鏈，3’末端內(nèi)切紫外線誘導(dǎo)uvrA、uvrB、uvrC和uvrD四種基因表達(dá)40第六章DNA損傷與修復(fù)UvrC:5’末端內(nèi)切41第六章DNA損傷與修復(fù)UvrD:解旋酶42第六章DNA損傷與修復(fù)43第六章DNA損傷與修復(fù)核苷酸切除修復(fù)(基因組修復(fù)–以人為例)44第六章DNA損傷與修復(fù)核苷酸切除修復(fù)(轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)-以人為例)45第六章DNA損傷與修復(fù)GG-NER和TC-NER的共同修復(fù)通路46第六章DNA損傷與修復(fù)47第六章DNA損傷與修復(fù)五、重組修復(fù)大腸桿菌重組修復(fù)48第六章DNA損傷與修復(fù)根據(jù)DNA末端連接需要的同源性，分為同源重組修復(fù)：需要多種蛋白參與,在S/G2期起主要作用。非同源末端連接：DNA分子之間不需要廣泛的同源性，在G1/G0期起主要作用。

49第六章DNA損傷與修復(fù)同源重組修復(fù)DNA雙鏈斷裂（人類(lèi)）50第六章DNA損傷與修復(fù)非同源末端連接修復(fù)DNA雙鏈斷裂（人類(lèi)）51第六章DNA損傷與修復(fù)六、SOS修復(fù)

正在復(fù)制的DNA聚合酶可能遇到尚未修復(fù)的DNA損傷，例如胸腺嘧啶二聚體或無(wú)嘌呤位點(diǎn)，復(fù)制體必須設(shè)法跨越損傷進(jìn)行復(fù)制，或者被迫暫停復(fù)制。即使細(xì)胞不能修復(fù)這些損傷，自動(dòng)防故障系統(tǒng)能夠使復(fù)制體繞過(guò)損傷部位，這一機(jī)制就是跨損傷DNA合成。SOS修復(fù)存在于大腸桿菌，不存在于人類(lèi)。52第六章DNA損傷與修復(fù)53第六章DNA損傷與修復(fù)54第六章DNA損傷與修復(fù)RecA-P的三種功能a、DNA重組活性b、與S.S.DNA結(jié)合活性c、proteinase活性當(dāng)DNA正常復(fù)制時(shí)（無(wú)復(fù)制受阻，無(wú)DNA損傷，無(wú)TTdimer）

RecA-p不表現(xiàn)proteinase活性55第六章DNA損傷與修復(fù)當(dāng)DNA復(fù)制受阻/DNAdamaged細(xì)胞內(nèi)原少量表達(dá)的RecA-p與S.S,DNA結(jié)合激活RecA-p的proteinase活性修復(fù)損傷LexA-p降解RecA-p高效表達(dá)SOSopen當(dāng)DNA復(fù)制度過(guò)難關(guān)后RecA-p很快消失LexAgeneonSOSoff56第六章DNA損傷與修復(fù)SOS修復(fù)

DNA復(fù)制不很?chē)?yán)格，新合成的DNA容易造成錯(cuò)誤產(chǎn)生突變。57第六章DNA損傷與修復(fù)七、

線粒體DNA損傷和修復(fù)哺乳動(dòng)物的每個(gè)細(xì)胞中含有2—100個(gè)線粒體，每個(gè)線粒體有5—10mtDNA分子，mtDNA只占細(xì)胞中DNA總量的10%。人mtDNA是獨(dú)立于細(xì)胞核染色體外的基因組，為環(huán)狀雙鏈DNA結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)為16569bp。一般認(rèn)為線粒體基因組DNA突變與人類(lèi)的衰老、進(jìn)化、神經(jīng)退行性病變、糖尿病和惡性腫瘤等有關(guān)。58第六章DNA損傷與修復(fù)mtDNA自身的特點(diǎn)決定了它比核DNA對(duì)氧化損傷更敏感（1）mtDNA是唯一的核外遺傳物質(zhì)并暴露于活性氧環(huán)境中；（2）線粒體是氧化還原反應(yīng)的主要場(chǎng)所。mtDNA與氧化還原體系非常接近，

mtDNA呈裸露狀態(tài)，缺少組蛋白和非組蛋白對(duì)DNA進(jìn)行保護(hù)作用；（3）線粒體本身含有類(lèi)似微粒體細(xì)胞色素P450氧化酶的催化酶，故可直接在線粒體原位激活一些化學(xué)致癌物質(zhì)；（4）mtDNA與富含脂類(lèi)的線粒體內(nèi)膜相連，使得mtDNA對(duì)脂溶性化學(xué)物質(zhì)及可引起線粒體膜不穩(wěn)定的因素非常敏感，并往往成為親電子物質(zhì)首選的靶點(diǎn)；（5）mtDNA的復(fù)制酶由核DNA編碼，即使mtDNA損傷十分嚴(yán)重，但如果其相關(guān)的復(fù)制酶編碼基因無(wú)損傷或損傷很小，都不會(huì)影響損傷的mtDNA復(fù)制。這引起mtDNA損傷在細(xì)胞內(nèi)累積，使mtDNA的突變率比核DNA高10倍，而且mtDNA易發(fā)生點(diǎn)突變和缺失突變

。59第六章DNA損傷與修復(fù)線粒體DNA的氧化損傷:

單鏈斷裂、雙鏈斷裂、堿基修飾、DNA交聯(lián)、烷化損傷線粒體DNA的損傷修復(fù)：堿基切除修復(fù)、錯(cuò)配修復(fù)、重組修復(fù)60第六章DNA損傷與修復(fù)第三節(jié)細(xì)胞周期檢查點(diǎn)控制

真核生物細(xì)胞DNA受到損傷時(shí)細(xì)胞除了誘導(dǎo)修復(fù)基因的轉(zhuǎn)錄外，還可暫時(shí)阻斷細(xì)胞周期，防止受損DNA繼續(xù)復(fù)制，如無(wú)法修復(fù)，則可誘導(dǎo)細(xì)胞進(jìn)入凋亡。這些都是細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞周期檢查點(diǎn)控制（checkpointcontrol，又稱(chēng)關(guān)卡控制）對(duì)DNA損傷的應(yīng)答反應(yīng)。61第六章DNA損傷與修復(fù)細(xì)胞周期

細(xì)胞周期：是指細(xì)胞從上一次分裂結(jié)束開(kāi)始到下一次分裂終了所經(jīng)歷的過(guò)程，通?？煞譃镚1期、S期、G2期和M期。細(xì)胞在G1期完成必要的生長(zhǎng)和物質(zhì)準(zhǔn)備，在S期完成其遺傳物質(zhì)染色體DNA的復(fù)制，在G2期進(jìn)行必要的檢查及修復(fù)以保證DNA復(fù)制的準(zhǔn)確性，然后在M期完成遺傳物質(zhì)到子細(xì)胞中的均等分配，并使細(xì)胞一分為二。62第六章DNA損傷與修復(fù)G1CDKM染色體分離cyclin細(xì)胞分裂有絲分裂G2DNA合成染色體復(fù)制S63第六章DNA損傷與修復(fù)細(xì)胞周期調(diào)控的核心機(jī)制周期素蛋白——Cyclins

CyclinA、B、D、E、G、H、T…Cyclin依賴(lài)的蛋白激酶家族——

CDKs。CDK1、2、4、5、6…以及CDKs的抑制蛋白——

CKIsp21、p27、p16、p19…

構(gòu)成調(diào)控周期進(jìn)程的核心要素。64第六章DNA損傷與修復(fù)DNA損傷關(guān)卡（DNADAMAGECHECKPOINTS）

DNA損傷會(huì)引發(fā)多種細(xì)胞反應(yīng),包括DNA修復(fù)、細(xì)胞周期延遲或阻滯、細(xì)胞凋亡等。其中細(xì)胞周期延遲或阻滯是通過(guò)DNA損傷關(guān)卡完成的。DNA損傷關(guān)卡是指DNA損傷引發(fā)的能使細(xì)胞周期延遲或阻滯的生化調(diào)控途徑。65第六章DNA損傷與修復(fù)DNA損傷關(guān)卡主要包括3個(gè)組成部分：感應(yīng)因子(如ATM和ATR)、信號(hào)傳導(dǎo)因子(如Chk1和Chk2)效應(yīng)因子(包括多種能激活CDKs的磷酸酶,如Cdc25A、Cdc25B和Cdc25C)66第六章DNA損傷與修復(fù)感應(yīng)因子DNA損傷關(guān)卡在激活前首先要識(shí)別DNA損傷。關(guān)卡特異性的DNA損傷感應(yīng)因子主要有磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)家族的兩個(gè)蛋白,即ATM和ATR。ATM是DNA雙鏈斷裂的感應(yīng)因子ATR主要識(shí)別堿基改變的感應(yīng)因子

。67第六章DNA損傷與修復(fù)

信號(hào)傳導(dǎo)因子人類(lèi)的信號(hào)傳導(dǎo)因子有兩類(lèi),即細(xì)胞周期檢測(cè)點(diǎn)激酶1(Chk1)和Chk2,它們?cè)诩?xì)胞周期調(diào)控和關(guān)卡反應(yīng)中起信號(hào)傳導(dǎo)作用。Chk1和Chk2激酶均為絲/蘇氨酸蛋白激酶,有一定的底物特異性。哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,DNA雙鏈斷裂信號(hào)被ATM感應(yīng),并由Chk2傳導(dǎo),而紫外線引發(fā)的DNA損傷信號(hào)則被ATR感應(yīng),并由Chk1傳導(dǎo).68第六章DNA損傷與修復(fù)效應(yīng)因子人類(lèi)的效應(yīng)因子為Cdc25A、Cdc25B和Cdc25C。Cdc25能使周期素依賴(lài)性蛋白激酶(cyclin-dependentkinases,CDKs)脫磷酸而激活,從而推動(dòng)細(xì)胞周期的時(shí)相轉(zhuǎn)換。Cdc25A通過(guò)使Cdk2脫磷酸活化,促使G1/S轉(zhuǎn)換;Cdc25A通過(guò)使Cdc2(Cdk1)脫磷酸活化,促使G2/M轉(zhuǎn)換。69第六章DNA損傷與修復(fù)

DNA損傷關(guān)卡的分子機(jī)制1.G1/S期關(guān)卡在DNA受到損傷時(shí),G1/S期關(guān)卡通過(guò)抑制DNA復(fù)制的啟動(dòng)而抑制細(xì)胞進(jìn)入S期。細(xì)胞周期能否啟動(dòng)進(jìn)行細(xì)胞增殖,主要的調(diào)控點(diǎn)在G1期,它決定細(xì)胞是否通過(guò)G1期進(jìn)入S期。通過(guò)ATM-Chk2-Cdc25A或ATR-Chk1-Cdc25A途徑啟動(dòng)G1/S阻滯,隨后是由p53介導(dǎo)的G1/S期阻滯的維持過(guò)程。70第六章DNA損傷與修復(fù)71第六章DNA損傷與修復(fù)2.S期關(guān)卡在S期發(fā)生的DNA損傷或者G1期產(chǎn)生的未經(jīng)修復(fù)逃過(guò)G1/S期關(guān)卡的DNA損傷都能激活S期關(guān)卡,阻滯DNA的復(fù)制。在S期發(fā)生的DNA損傷引發(fā)的S期關(guān)卡的激活主要通過(guò)兩條途徑即ATM-Chk2-Cdc25A-Cdk2或ATR-Chk1-Cdc25A-Cdk2途徑和ATM-NBS1-SMC1途徑,阻滯DNA的復(fù)制。72第六章DNA損傷與修復(fù)3

G2/M期關(guān)卡G2/M期關(guān)卡的作用是阻止在G2期DNA受損的細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂。根據(jù)損傷的不同形式,分別激活A(yù)TM-Chk2-Cdc25A和ATR-Chk1-Cdc25A兩條