DNA的损伤和修复

1、DNA,的损伤和修复,南华大学心血管疾病研究所,动脉硬化学湖南省重点实验室,1,DNA,的损伤和修复,Mutagen,诱变剂,完全修复,DNA,损伤,碱基的化学反应,损伤的修复,不能有效修复,不完全修复,凋亡,畸变,回复正常,2,诱发,DNA,损伤的因素,环境因素,辐射、化学毒物、药物、病毒感染、植物,和微生物代谢产物等,生理因素,机体代谢过程中产生的有毒物质,DNA,复,制错配,DNA,本身的热不稳定性,第一节,多种因素可引起,DNA,损伤,并具有各自的机制,3,一）辐射致,DNA,损伤,根据作用原理的不同,电离辐射（粒子，粒子，射线，射线等,直接作用：能量直接传递给大分子而引起结构的破坏,

2、间接作用：辐射先作用于溶剂分子而产生活性物质从,而导致细胞损伤,非电离辐射（紫外线以及能量低于紫外线的电磁辐射,一,DNA,损伤的因素及其机制,4,返回目录,返回主页,5,紫外线的致损伤作用,6,二）自由基致,DNA,损伤,自由基：指能够独立存在，核外带有未配对电子的原子和分子,自由基的产生可以是外界因素与体内物质共同作用的结果,自由基可导致碱基、核糖、磷酸基的损伤，引起,DNA,的结构和,功能异常,7,三）化学毒物致,DNA,损伤,按其作用原理可分为,碱基类似物,碱基修饰物,嵌入染料,8,1,碱基类似物,Base analog,2,氨基嘌呤,2-Amino purine,5,溴尿嘧啶,5-B

3、romine Uracil,O,O,Br,NH,2,是指与,DNA,正常碱基结构类似的化合物,在,DNA,复制时掺入并与,互补链上碱基配对,从而引起碱基对的置换,9,5-BrU,G,A,烯醇式,enol,Br,O,H,H,O,Br,酮式,Keto,H,O,AGCT,T,CCTA,TCGA,A,GGAT,AGCT,B,CCTA,TCGA,A,GGAT,酮式,5-BrU,的渗入,AGCT,B,CCTA,TCGA,A,GGAT,AGCT,C,CCTA,TCGA,G,GGAT,第二轮复制,A,T,G,C,转变,AGCT,B,CCTA,TCGA,G,GGAT,AGCT,T,CCTA,TCGA,A,GGA

4、T,第一轮复制,酮式到稀醇,式的转变,烯醇式渗入为,G,C,A,T,转变,10,2,碱基的化学修饰剂,又称化学突变剂：指对,DNA,链中的碱基的修饰,改变其配,对性质,进而改变,DNA,结构的化合物,亚硝酸,nitrous acid HNO,2,羟氨,hydroxylamine HA,甲磺酸乙酯,ethyl mathanesulfonate EMS,N,甲基,N,硝基,N,亚硝基胍,N-mathyl-N,nitro-N-nitrosoguanidion,NNG,11,a,亚硝酸修饰,G,C,A,b,羟基修饰,C,c,甲基磺酸乙酯修饰,T,引自,Russell,1992,12,3,嵌入染料对,D

5、NA,的损伤作用,吖啶橙,Acridine Orange,AO,扁平染料分子,溴化乙锭,Ethidium Bromide,EB,ATTTTTCG,TAAAAAGC,A TTTCG,T AAAGC,T,AO,T,AT,EB,TTTTCG,TA,分子插入,AO,EB,ATTTCG,TAAAGC,ATXTTTTCG,TAX,AAAAGC,X,AAAAGC,结果产生移框突变,13,二,DNA,损伤的类型,DNA,分子中的碱基、核糖和磷酸二酯键等均是,DNA,损伤作用的,靶点,常见的损伤有,碱基脱落、碱基破坏、嘧啶二聚体形成、单链和,双链,DNA,断裂,DNA,交联,DNA,蛋白质交联等,14,一,碱基

6、和核糖的破坏,由于碱基或者核糖的损伤，在,DNA,链上形成不稳定位点,最终可导致,DNA,链的断裂,15,16,DNA,分子上的碱基错配称点突变,point mutation,发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤,或嘧啶代替另一嘧啶,1,转换,发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶,变嘌呤,2,颠换,二）错配,17,镰形红细胞贫血病人,Hb (HbS,亚基,N-val,his,leu,thr,pro,val,glu,C,肽链,C,A,C,G,T,G,基因,正常成人,Hb (HbA,亚基,N-val,his,leu,thr,pro,glu,glu,C,肽链,C,T,C,G,A,G,基因,18,

7、三,DNA,链断裂,磷酸二酯键的断裂和脱氧戊糖的破坏是引起,DNA,链断裂,的,直接,原因,碱基的破坏和脱落在,DNA,链上形成的不稳定位点是,DNA,链断裂的,间接,原因,单链断裂,SSB,：一条链断裂的,DNA,双股螺旋,双链断裂,DSB,：两条链于同一处或紧密相邻处同时断,裂,19,四,DNA,交联,链间交联,DNA,双螺旋链上一条链上的碱基和另一条链,上的碱基以,共价键,结合,链内交联,DNA,分子中同一条链内的两个碱基以,共价键,结合,DNA,蛋白质交联,DNA,和蛋白质以,共价键,结合,20,第二节,DNA,损伤的修复,DNA,损伤的修复,指纠正错配的碱基，清除,DNA,链上的,损

8、伤，恢复,DNA,正常结构的过程,常见的,DNA,修复方式：直接修复、切除修复、错配修复,和重组修复,21,一）直接修复,直接修复,细胞对,DNA,的某些损伤可以用很简单的方式加以修,复在,单一基因产物,的催化下，一步反应就可以完成。这种,修复方式叫,直接修复,包括：酶光学复活、嘌呤的直接插入,O,6,甲基鸟嘌呤,DNA,甲基转移、单链断裂重接等,22,1,酶学光复活,photo reactivation,TT,AA,PR,PR,TT,AA,TT,AA,可见光激活,识别,TT,AA,释放,23,烷基化碱基可以直接修复,24,2,嘌呤的直接插入,嘌呤插入酶,受损嘌呤APS,插入嘌呤（糖苷键,嘌呤

9、插入酶,K,25,3,DNA,单链断裂重接,DNA,单链断裂中有一部分是通过简单的重接而修,复的，只需要一种酶,DNA,连接酶,ligase,参加,因此也属于直接修复,DNA,连接酶能催化,DNA,双螺旋结构中一条链缺口处,的5磷酸根与相邻的一个3羟基形成磷酸二酯健,连接所需的能量,ATP,如动物细胞,26,27,将损伤的部位（或连同其附近的一定部位）切,除，然后用正确配对的、完好的碱基替代修复,有多种酶和基因参与,过程：识别（损伤位点,切除,修复（补,连接,酶和蛋白质,DNA,聚合酶,DNA,连接酶,二,切除修复,按照产物的不同可以分,碱基切除修复,核苷酸切除修复,28,1,碱基切除,特点是

10、切除受损伤的碱基。主要过程是水解受损,伤的碱基与脱氧核糖磷酸链之间的,N,糖苷键。反应,由一类糖基化酶催化,也即：糖基化酶APS内、外切酶去除残基以对,侧链为模板修补DNA连接酶连接,整个修复过程可分以下几步,29,DNA,糖苷酶识别切除改变的碱基,核酸内切酶切除磷酸二酯键,DNA,聚合酶填补,DNA,连接酶连接,30,2,识别的酶,1,一类,DNA,糖苷酶，各具特异性,e.g,尿嘧啶,DNA,糖苷酶,识别,DNA,中的,U,由,C,突变而来,2,作用,识别,DNA,中改变的碱基,水解,受损的碱基与脱氧核糖间的,糖苷键,使受损的碱基,脱落,31,32,E,coli,的核苷酸切除修复机理,在,E

11、,coli,中,UvrA,UvrB,UvrC,三种蛋白必须同时存在才能发,挥作用，所以也叫,UvrABC,切除核酸酶,UvrA,是,一种腺苷三磷酸酶，是,损伤识别蛋白,它与,UvrB,结合成,A,2,B,1,复合物，结合在损伤区，使,DNA,解旋、扭曲，并引起,UvrB,构象改变，与损伤部位形成紧密的结合,然后,UvrA,与,UvrB,DNA,复合物解离，后者成为,UvrC,特异结合,靶,UvrB,在损伤的3侧作一内切，随而复合物构象改变,UvrC,得以在5侧作第二个切口,解旋酶,UvrD)使寡聚核苷酸片段及,UvrC,从,DNA,链上释放，然,后,DNA,聚合酶取代,UvrB,修补缺损区；最

12、后由连接酶连接补,片,2,核苷酸切除,33,34,35,当,DNA,双链发生严重损伤时需要另一种机理来完成正,确的修复,一种情况是,两条链同时受到损伤,另一种情况是单链,损伤尚未修复时发生了复制，造成对应于损伤位置的,新链缺乏正确模板；此时需要重组酶系将另一段未受,损伤的双链,DNA,移到损伤位置附近，提供正确的模板,进行重组。这便是重组修复,三,重组修复,36,重组修复,链转移修复,复制后修复,容易出错,RecA, DNApolymerae,ligase,二聚体后起始,RecA,聚合酶、连接酶,重组修复后的损伤位点可,由其它机制进一步修复,37,DNA mismatch,A,C,DNApol

13、,10,8,经第二次校正,10,11,错配修复,系统,MRS,Mismatch,Repair,System,错配修复,碱基切除修复的一种特殊形式,使复制的保真性提高,10,2,10,3,倍,四）、错配修复,38,错配修复系统,Mismatch repair system,DNA polymerase,Helicase SSB,外切核酸酶,和,连接酶,MCE,mismatch correct enzyme,3 subunits,mutH, L, S,扫描新生链中错配碱基,识别新生链中非,m,6,A,的,GATC,序列,酶切含错配碱基的新生,DNA,区段,1,组成,39,DNA,合成过程中的甲基化

14、变化,DNA,中的,GATC(palindromic seq.,为,m,6,A,甲基化敏感位点,平均每,2kb,左右有一,GATC seq,错配修复系统受甲基化的引导,40,甲基化程度的差异,a,MutH/MutS,扫描识别错配,碱基和邻近的,GATC,序列,切点甲基化,GATC,中,G,的,5,侧,DNA helicase II, SSB,exonuclease I,去除包括错,配碱基的片段,DNA polymerase III,和,DNA ligase,填充缺口,昂贵的代价用于保证,DNA,的准确性,2,修复过程,41,五,易错修复,SOS,修复,SOS repair,SOS”是国际上通用

15、的紧急呼救信号,SOS,修复是指,DNA,受到,严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种,DNA,修复方式，修,复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下,的错误较多，故又称为错误倾向修复,error,prone repair,使,细胞有较高的突变率,此系统由十几个修复蛋白组成。调控蛋白,LexA,参与此,系统的启动,42,2,SOS,修复机制,SOS,修复无模板指导的,DNA,复制,大剂量的紫外线照射，大量的二聚体产生,SOS,系统诱导，错误潜伏的复,制超越二聚体而进行,错误碱基,43,SOS,修复只是,SOS,反应的一部分,RecA,在,SOS,反应,反应中起核心作用,Rec

16、A,与,LexA,组成,调控环路,DNA,损伤,RecA,受,LexA,的,部分抑制,44,RecA-P,三种功能,a,DNA,重组活性,b,与,S.S. DNA,结合活性,c,少数蛋白的,proteinase,活性,当,DNA,正常复制时,无复制受阻，无,DNA,损伤,无,TT dimer,RecA-p,不表现,proteinase,活性,45,当,DNA,复制受阻,DNA damaged,细胞内原少量表达的,RecA-p,与,S.S, DNA,结合,激活,RecA-p,的,proteinase,活性,修复损伤,LexA-p,降解,RecA-p,高效表达,SOS open,46,当,DNA,复制度过难关后,SOS repair,是一种错误倾向性极强的修复机制,是进化中形成的,竭尽全力，治病救人,的措施,正常状态下,SOS,是关闭的,RecA-p,很快消失,LexA gene on,SOS off,47,二、参与,DNA,修复的主要基因,DNA,修复相关基因,直接参与,DNA,修复的基因,DNA,修复调控相关的基因,48,第三节,生物标记物可作为,DNA,损伤,和修复的参考标记,1,甲基化损伤修复相关基因的突变可作为甲基化损伤的基因型,标记物,MGMT,突变可以作为甲基化损伤的基因型标记物,2,切除修复相关的酶和基因可作为切除修复的生物标记物。大,肠杆菌,Uvr