DNA損傷與修復(fù)課件

生物化學(xué)與分子生物學(xué)DNA損傷與修復(fù)DNA損傷與修復(fù)

DNADamageandRepair第十五章DNA損傷與修復(fù)各種體內(nèi)外因素所導(dǎo)致的DNA組成與結(jié)構(gòu)的變化稱為DNA損傷（DNAdamage）其一，DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變，即突變

其二，導(dǎo)致DNA失去作為復(fù)制和/或轉(zhuǎn)錄的模板的功能DNA損傷的后果:DNA損傷與修復(fù)生物多樣性依賴于：DNA突變DNA修復(fù)平衡DNA損傷與修復(fù)DNA損傷DNADamage第一節(jié)DNA損傷與修復(fù)一、多種因素通過不同機(jī)制導(dǎo)致DNA損傷（一）體內(nèi)因素DNA復(fù)制錯(cuò)誤

DNA自身的不穩(wěn)定性機(jī)體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧DNA損傷與修復(fù)DNA復(fù)制錯(cuò)誤：在DNA復(fù)制過程中，堿基的異構(gòu)互變、4種dNTP之間濃度的不平衡等均可能引起堿基的錯(cuò)配DNA復(fù)制的錯(cuò)配率約1/1010復(fù)制錯(cuò)誤還表現(xiàn)為片段的缺失或插入。特別是DNA上的短片段重復(fù)序列，在真核細(xì)胞染色體上廣泛分布，導(dǎo)致DNA復(fù)制系統(tǒng)工作時(shí)可能出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，使得新生成的DNA上的重復(fù)序列拷貝數(shù)發(fā)生變化。

DNA損傷與修復(fù)亨廷頓病性癡呆由Huntington于1872年首先報(bào)道，故而得名。屬單基因常染色體顯性遺傳疾病。其腦變性部位廣泛，尤以尾狀核的萎縮明顯，系一種罕見的特發(fā)性神經(jīng)變性疾病。臨床主要表現(xiàn)為癡呆和舞蹈樣動(dòng)作。本病較為少見。估計(jì)為4/10萬～10/10萬人。年輕發(fā)病者癥狀一般較重，以肌強(qiáng)直為主，中年發(fā)病者以舞蹈癥狀為主，60歲以上發(fā)病者以意向性震顫為主。少年型患者少見。DNA損傷與修復(fù)脆性X綜合征20世紀(jì)初一些學(xué)者注意到智力低下患者中男性多于女性。1943年Martin和Bell在一個(gè)家系兩代人中發(fā)現(xiàn)11名男性患者和兩名輕度智力低下的女性，認(rèn)為該家系智力低下是與X連鎖的，因此X連鎖智力低下又稱為Martin-Bell綜合征。1969年Lubs首先在男性智力低下患者及其女性親屬中發(fā)現(xiàn)了長臂具有“隨體和呈細(xì)絲狀次縊痕”的X染色體。后來，Sortherland證明細(xì)絲位位于X染色體長臂2區(qū)7帶（Xq27）。它在低葉酸培養(yǎng)條件下表達(dá)，并提出了脆性部位（fragilesite）的概念?，F(xiàn)今人們把在Xq27處有脆性部位的X染色體稱為脆性X染色體（fragileX,fraX），而它所導(dǎo)致的疾病稱為脆性X染色體綜合征。DNA損傷與修復(fù)臨床表現(xiàn)主要表現(xiàn)為中度到重度的智力低下，其它常見的特征尚有身長和體重超過正常兒，發(fā)育快，前額突出，面中部發(fā)育不全，下頜大而前突，大耳，高腭弓，唇厚，下唇突出，另一個(gè)重要的表現(xiàn)是大睪丸癥。一些患者還有多動(dòng)癥，攻擊性行為或孤癖癥，中、重度智力低下，語言行為障礙。20%患者有癲癇發(fā)作。DNA損傷與修復(fù)主要表現(xiàn)為中度到重度的智力低下，其它常見的特征尚有身長和體重超過正常兒，發(fā)育快，前額突出，面中部發(fā)育不全，下頜大而前突，大耳，高顎弓，唇厚，下唇突出，另一個(gè)重要的表現(xiàn)是大睪丸癥。一些患者還有多動(dòng)癥，攻擊性行為或孤癖癥，中、重度智力低下，語言行為障礙。20%患者有癲癇發(fā)作。DNA損傷與修復(fù)發(fā)病機(jī)理致病基因是FMR-1，它含有（CGG）n三核甘酸重復(fù)序列，后者在正常人約為45個(gè)拷貝以內(nèi)，而在正常男性傳遞者和女性攜帶者增多到50-200個(gè)拷貝，稱為小插入，相鄰的Cpg島未被甲基化，這種前突變（premutation）無或只有輕微癥狀。女性攜帶者的CGG區(qū)不穩(wěn)定，在向受累后代傳遞過程中擴(kuò)增，以致在男性患者和脆性部位高表達(dá)的女性達(dá)到200個(gè)拷貝以上，相鄰的CpG島也被甲基化。這種全突變（fullmutation）可關(guān)閉相鄰基因的表達(dá)，從而出現(xiàn)臨床癥狀。由前突變轉(zhuǎn)化為完全突變只發(fā)生母親向后代傳遞過程中。DNA損傷與修復(fù)DNA損傷與修復(fù)DNA自身的不穩(wěn)定性

：DNA結(jié)構(gòu)自身的不穩(wěn)定性是DNA自發(fā)性損傷中最頻繁和最重要的因素。當(dāng)DNA受熱或所處環(huán)境的pH值發(fā)生改變時(shí)，DNA分子上連接堿基和核糖之間的糖苷鍵可自發(fā)發(fā)生水解，導(dǎo)致堿基的丟失或脫落，其中以脫嘌呤最為普遍。含有氨基的堿基還可能自發(fā)脫氨基反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N堿基，即堿基的轉(zhuǎn)變，如C轉(zhuǎn)變?yōu)閁，A轉(zhuǎn)變?yōu)镮（次黃嘌呤）等。DNA損傷與修復(fù)（二）體外因素物理因素化學(xué)因素生物因素DNA損傷與修復(fù)物理因素：電離輻射、紫外線(ultraviolet,UV)DNA損傷與修復(fù)化學(xué)因素：自由基導(dǎo)致的DNA損傷堿基類似物導(dǎo)致的DNA損傷堿基修飾劑、烷化劑導(dǎo)致的DNA損傷嵌入性染料導(dǎo)致的DNA損傷DNA損傷與修復(fù)物理和化學(xué)因素對DNA的損傷DNA損傷與修復(fù)二、DNA損傷有多種類型

堿基脫落堿基結(jié)構(gòu)破壞嘧啶二聚體形成DNA單鏈或雙鏈斷裂DNA交聯(lián)DNA損傷與修復(fù)堿基損傷與糖基破壞：化學(xué)毒物可通過對堿基的某些基團(tuán)進(jìn)行修飾而改變堿基的性質(zhì)。由于堿基損傷或糖基破壞，在DNA鏈上可能形成一些不穩(wěn)定點(diǎn)，最終可導(dǎo)致DNA鏈的斷裂。DNA損傷與修復(fù)堿基之間發(fā)生錯(cuò)配

：堿基類似物的摻入、堿基修飾劑的作用可改變堿基的性質(zhì)，導(dǎo)致DNA序列中的錯(cuò)誤配對。在正常的DNA復(fù)制過程中，存在著一定比例的自發(fā)堿基錯(cuò)配。最常見的是組成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶摻入到DNA分子中。DNA損傷與修復(fù)DNA鏈發(fā)生斷裂：電離輻射、化學(xué)毒劑、磷酸二酯鍵的斷裂、脫氧戊糖的破壞、堿基的損傷和脫落都是引起DNA斷裂的原因。堿基損傷或糖基破壞可引起DNA雙螺旋局部變性，形成酶敏感性位點(diǎn)，特異的核酸內(nèi)切酶能識別并切割這樣的部位，造成鏈斷裂。DNA鏈上被損傷的堿基也可以被另一種特異的DNA-糖基化酶除去，形成無嘌呤嘧啶位點(diǎn)（apurinic-apyrimidinicsite,APsite），或稱無堿基位點(diǎn)（abasicsite），這些位點(diǎn)在內(nèi)切酶等的作用下可形成鏈斷裂。DNA損傷與修復(fù)DNA

的共價(jià)交聯(lián)：DNA雙螺旋鏈中的一條鏈上的堿基與另一條鏈上的堿基以共價(jià)鍵結(jié)合，稱為DNA鏈間交聯(lián)（DNAinterstrandcross-linking）。DNA分子中同一條鏈中的兩個(gè)堿基以共價(jià)鍵結(jié)合，稱為DNA鏈內(nèi)交聯(lián)（DNAintrastrandcross-linking）。DNA分子還可與蛋白質(zhì)以共價(jià)鍵結(jié)合，稱為DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)（DNAproteincross-linking）。DNA損傷與修復(fù)DNA損傷可導(dǎo)致堿基置換缺失插入鏈的斷裂

轉(zhuǎn)換顛換DNA損傷與修復(fù)DNA損傷的修復(fù)TherepairofDNAdamage第二節(jié)DNA損傷與修復(fù)DNA修復(fù)（DNArepair）是指糾正DNA兩條單鏈間錯(cuò)配的堿基、清除DNA鏈上受損的堿基或糖基、恢復(fù)DNA的正常結(jié)構(gòu)的過程。DNA修復(fù)是機(jī)體維持DNA結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)定性，保證生命延續(xù)和物種穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。

DNA損傷與修復(fù)常見的DNA損傷修復(fù)途徑修復(fù)途徑修復(fù)對象參與修復(fù)的酶或蛋白

光復(fù)活修復(fù)嘧啶二聚體光復(fù)活酶

堿基切除修復(fù)受損的堿基DNA糖基化酶、無嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶

核苷酸切除修復(fù)嘧啶二聚體、DNA螺旋結(jié)構(gòu)的改變大腸桿菌中UvrA、UvrB、UvrC和UvrD，人XP系列蛋白XPA、XPB、XPC……XPG等

錯(cuò)配修復(fù)復(fù)制或重組中的堿基配對錯(cuò)誤大腸桿菌中的MutH、MutL、MutS，人的MLH1、MSH2、MSH3、MSH6等

重組修復(fù)雙鏈斷裂RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、XRCC4

損傷跨越修復(fù)大范圍的損傷或復(fù)制中來不及修復(fù)的損傷RecA蛋白、LexA蛋白、其他類型DNA聚合酶

DNA損傷與修復(fù)一、有些DNA損傷可以直接修復(fù)

嘧啶二聚體的直接修復(fù)

烷基化堿基的直接修復(fù)

無嘌呤位點(diǎn)的直接修復(fù)

單鏈斷裂的直接修復(fù)

DNA損傷與修復(fù)嘧啶二聚體的直接修復(fù)DNA損傷與修復(fù)烷基化堿基的直接修復(fù)DNA損傷與修復(fù)無嘌呤位點(diǎn)的直接修復(fù)

DNA嘌呤插入酶能催化游離嘌呤堿基或脫氧核苷與DNA嘌呤缺失部位重新生成糖苷共價(jià)鍵，導(dǎo)致嘌呤堿基的直接插入。具有很強(qiáng)的專一性。單鏈斷裂的直接修復(fù)

DNA連接酶能夠催化DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條鏈上缺口處的5

-磷酸基團(tuán)與相鄰片段的3

-羥基之間形成磷酸二酯鍵，從而直接參與部分DNA單鏈斷裂的修復(fù)，如電離輻射所造成的切口。DNA損傷與修復(fù)二、切除修復(fù)是最普遍的DNA損傷修復(fù)方式

堿基切除修復(fù)

核苷酸切除修復(fù)

DNA損傷與修復(fù)堿基切除修復(fù)（baseexcisionrepair）

①識別水解：DNA糖基化酶特異性識別DNA鏈中已受損的堿基并將其水解去除，產(chǎn)生一個(gè)無堿基位點(diǎn)；②切除：在此位點(diǎn)的5

端，無堿基位點(diǎn)核酸內(nèi)切酶將DNA鏈的磷酸二酯鍵切開，去除剩余的磷酸核糖部分；③合成：DNA聚合酶在缺口處以另一條鏈為模板修補(bǔ)合成互補(bǔ)序列；④連接：由DNA連接酶將切口重新連接，使DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)DNA損傷與修復(fù)DNA損傷與修復(fù)核苷酸切除修復(fù)（nucleotideexcisionrepair）

①首先，由一個(gè)酶系統(tǒng)識別DNA損傷部位；②其次，在損傷兩側(cè)切開DNA鏈，去除兩個(gè)切口之間的一段受損的寡核苷酸；③再次，在DNA聚合酶作用下，以另一條鏈為模板，合成一段新的DNA，填補(bǔ)缺損區(qū)；④最后由連接酶連接，完成損傷修復(fù)。DNA損傷與修復(fù)E.coli的NER主要由4種蛋白質(zhì)組成：UvrAUvrBUvrCUvrD

DNA損傷與修復(fù)人類的DNA損傷核苷酸切除修復(fù)①首先由損傷部位識別蛋白XPC和XPA等，再加上DNA復(fù)制所需的SSB，結(jié)合在損傷DNA的部位；②XPB、XPD發(fā)揮解旋酶的活性，與上述物質(zhì)共同作用在受損DNA周圍形成一個(gè)凸起；③XPG與XPF發(fā)生構(gòu)象改變，分別在凸起的3′-端和5′-端發(fā)揮核酸內(nèi)切酶活性,在增殖細(xì)胞核抗原（PCNA）的幫助下，切除并釋放受損的寡核苷酸；④遺留的缺損區(qū)由聚合酶δ或ε進(jìn)行修補(bǔ)合成；⑤最后，由連接酶完成連接。

DNA損傷與修復(fù)NER不僅能夠修復(fù)整個(gè)基因組中的損傷，而且能拯救因轉(zhuǎn)錄模板鏈損傷而暫停轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶，即參與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)（transcription-coupledrepair）。作用方式：NER蛋白質(zhì)被募集于暫停的RNA聚合酶。轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)的意義：將修復(fù)酶集中于正在轉(zhuǎn)錄DNA，使該區(qū)域的損傷盡快得以修復(fù)。DNA損傷與修復(fù)著色性干皮病是一種常染色體隱性遺傳性皮膚病，發(fā)病率約1：25萬，特征是UV照射后DNA損傷不能修復(fù)?；颊邔θ展飧叨让舾校形饭猬F(xiàn)象。光暴露部位皮膚萎縮、大量的雀斑樣色素加深斑，繼而出現(xiàn)新生物，可有多系統(tǒng)累及，許多患者可伴有眼球、神經(jīng)系統(tǒng)等病變。DNA損傷與修復(fù)堿基錯(cuò)配修復(fù)（mismatchrepair）錯(cuò)配是指非Watson-Crick堿基配對。堿基錯(cuò)配修復(fù)也可被看作是堿基切除修復(fù)的一種特殊形式，主要負(fù)責(zé)糾正：①復(fù)制與重組中出現(xiàn)的堿基配對錯(cuò)誤；②因堿基損傷所致的堿基配對錯(cuò)誤；③堿基插入；④堿基缺失。DNA損傷與修復(fù)E.coli錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)復(fù)制差錯(cuò)DNA損傷與修復(fù)Dam甲基化酶（methylase）使E.coli處于暫時(shí)的半甲基化狀態(tài)，標(biāo)記母鏈和新合成的DNA鏈，幫助新合成的DNA鏈被錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)識別并修復(fù)。DNA損傷與修復(fù)模板鏈的GATC序列甲基化MutH僅切割新合成的DNA鏈DNA損傷與修復(fù)MutH的切口位于錯(cuò)配核苷酸的5

側(cè)，使用外切酶Ⅶ或RecJ，按5

3

方向降解DNA；切口位于錯(cuò)配的3’側(cè)，則使用外切酶Ⅰ，按3

5

方向降解DNA。DNA聚合酶Ⅲ填補(bǔ)所產(chǎn)生單鏈DNA缺口。DNA損傷與修復(fù)M