三DNA损伤和修复

1、三DNA损伤和修复第二第二章章 DNA损伤和修复损伤和修复 DNADNA损伤修复机制的研究是损伤修复机制的研究是现代分子生物学最有吸引力的领域之一现代分子生物学最有吸引力的领域之一三DNA损伤和修复电离辐射电离辐射可可见见光光氧自氧自由基由基烷化剂烷化剂复制错误复制错误核苷类似物核苷类似物DNA三DNA损伤和修复第一节第一节 DNA损伤损伤一一 、 DNA损伤因素及机制损伤因素及机制( (一一) )辐射导致辐射导致DNA损伤损伤1.1.电离辐射电离辐射能直接或间接引起被穿透物质产生电离能直接或间接引起被穿透物质产生电离 有有粒子粒子、粒子粒子、X X射线射线、射线等。射线等。 电离辐射对机体的

2、作用电离辐射对机体的作用: :(1)(1)直接作用：指射线将能量直接传递给生物大分子直接作用：指射线将能量直接传递给生物大分子, ,通通 过能量的转换和传递过能量的转换和传递, ,可使物质的原子或分子激可使物质的原子或分子激 发和电离发和电离, ,导致物质结构破坏导致物质结构破坏, ,如化学键的断裂。如化学键的断裂。三DNA损伤和修复OH的作用的作用核糖分解核糖分解 DNA链断裂链断裂DNA链、蛋白质的交联链、蛋白质的交联(2)(2)间接作用：间接作用： 辐射先作用于溶剂分子，进而产生辐射先作用于溶剂分子，进而产生 OH 自由基自由基 破坏碱基结构破坏碱基结构X射线对哺乳动物细射线对哺乳动物细

3、胞胞DNA的损伤的损伤,75%是水分解产生的自是水分解产生的自由基所造成。由基所造成。三DNA损伤和修复P+e+光子光子H2OOH.P+e+光子光子直接作用直接作用间接作用间接作用三DNA损伤和修复2.2.非电离辐射非电离辐射紫外线紫外线( (ultraviolet , UV) )和能和能 量低于紫外线的所有电磁辐射量低于紫外线的所有电磁辐射紫外线可分为紫外线可分为: : UVA(400320nm) : 能量低能量低 ,不损坏不损坏DNAUVB(320290nm) UVC(290100nm) : 260280nm 的的UV易导致易导致DNA 损伤损伤DNA的的max=max=260nm蛋白质的

4、蛋白质的max=max=280nm 紫外线高能量的吸收紫外线高能量的吸收两相邻的胸嘧啶形成二聚两相邻的胸嘧啶形成二聚体体( (TT) ) DNA产生弯曲和扭结产生弯曲和扭结影响影响DNA双螺旋双螺旋结构结构影响复制和转录影响复制和转录. . 紫外线也可导致紫外线也可导致DNA交联和交联和DNA链的断裂等损伤链的断裂等损伤.三DNA损伤和修复 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 胸嘧啶形成二聚体胸嘧啶形成二聚体 (TT)三DNA损伤和修复( (二二) )自由基致自由基致DNA损伤损

5、伤1.1.自由基：能够独立存在自由基：能够独立存在, ,核外带有未配对电子核外带有未配对电子 的氧原子或含氧化学基团。的氧原子或含氧化学基团。 -.O2超氧阴离子（超氧阴离子（ ）OH.羟自由基（羟自由基（ ）. H氢自由基（氢自由基（ ）LO.脂氧自由基（脂氧自由基（ ）脂过氧自由基（脂过氧自由基（ ）LOO.三DNA损伤和修复 自由基的未配对电子具有强烈夺取或丧失电自由基的未配对电子具有强烈夺取或丧失电子以成为配对电子的趋向子以成为配对电子的趋向, ,化学性质非常活跃。化学性质非常活跃。2. 自由基的产生：自由基的产生： （1） 辐射辐射（2） 代谢代谢OH. HH2O 正常代谢：正常代谢

6、：O2 + 4e 2O2-异常代谢：异常代谢：O2 + e -.O2三DNA损伤和修复（三）化学毒物致（三）化学毒物致DNA损伤损伤 碱基类似物：碱基类似物： 是一类与是一类与DNA碱基结构类似的化合物，碱基结构类似的化合物， 在在DNA复制时常取代正常碱基掺入复制时常取代正常碱基掺入碱基对置换碱基对置换 5-5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（BU）可使）可使DNA中中 AT配对转变为配对转变为GC配对配对三DNA损伤和修复2.2.碱基修饰剂：碱基修饰剂： 是一类通过对是一类通过对DNA链中某些基团的修饰，改变其链中某些基团的修饰，改变其配对性质配对性质改变改变DNA结构的化合物。可阻止正常修复。结构的

7、化合物。可阻止正常修复。腺嘌呤腺嘌呤亚硝酸亚硝酸次黄嘌呤次黄嘌呤脱氨基脱氨基胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶亚硝酸亚硝酸脱氨基脱氨基胸嘧啶胸嘧啶胞嘧啶胞嘧啶羟胺羟胺脱甲基脱甲基TC, 变变C-GC U, 变变U-AC-GT-A三DNA损伤和修复3.3.嵌入染料嵌入染料 溴化乙啶溴化乙啶、丫啶橙丫啶橙等染料可直接嵌入等染料可直接嵌入DNA碱基对碱基对中中碱基对间的距离撑大一倍碱基对间的距离撑大一倍 DNA两条链的错位两条链的错位 DNA复制过程中引发核苷酸缺失、移码、或插入复制过程中引发核苷酸缺失、移码、或插入等改变。等改变。三DNA损伤和修复4. 4. 烷化剂引起烷化剂引起DNA损伤损伤烷化剂烷化剂如

8、：芥子气、硫酸二乙酯、甲基亚硝基胍等如：芥子气、硫酸二乙酯、甲基亚硝基胍等1）鸟嘌呤烷基化后不再与胞嘧啶）鸟嘌呤烷基化后不再与胞嘧啶 配对，而改与胸嘧啶配对；配对，而改与胸嘧啶配对； 碱基烷基化碱基烷基化2）碱基脱落；）碱基脱落； 3）DNA断链断链； 4）DNA链内、链内、 DNA链间、以及链间、以及 DNA与蛋白质间的交联与蛋白质间的交联。 三DNA损伤和修复（四）（四）DNA产生自发性损伤产生自发性损伤 DNA复制时产生碱基错配复制时产生碱基错配 碱基错配发生率碱基错配发生率10 1 102 DNA聚合酶校正为聚合酶校正为10 5 106 复制后错误配对校正系统校正为复制后错误配对校正系

9、统校正为109 DNA修复后，错误配对率修复后，错误配对率 10102. 碱基脱氨基：碱基脱氨基：CU, AI , G H3. 碱基丢失碱基丢失三DNA损伤和修复二、二、DNA损伤类型损伤类型导致导致DNA损伤因素作用的靶点：损伤因素作用的靶点： 碱基、核糖、磷酸二酯键碱基、核糖、磷酸二酯键（一）碱基和糖基的破坏（一）碱基和糖基的破坏 DNA链不稳定，断裂链不稳定，断裂 亚硝酸亚硝酸 碱基的脱氨基碱基的脱氨基 羟自由基羟自由基 碱基环的破裂碱基环的破裂 紫外线紫外线 DNA形成嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体4. 活性氧活性氧 碱基氧化修饰碱基氧化修饰三DNA损伤和修复（二）错配（二）错配常见：尿嘧啶

10、代替胸嘧啶掺入常见：尿嘧啶代替胸嘧啶掺入DNA分子中分子中（三）（三） DNA链断裂链断裂 电离辐射电离辐射磷酸二酯键断裂或脱氧戊糖的破坏磷酸二酯键断裂或脱氧戊糖的破坏 DNA双链断裂，细胞死亡。双链断裂，细胞死亡。 （四）（四）DNA交联交联 链间交联：链间交联： DNA双螺旋一条链上的碱基与另一双螺旋一条链上的碱基与另一 条链上的条链上的 碱基以共价键结合。碱基以共价键结合。三DNA损伤和修复2. 链内交联：链内交联： DNA分子同一条链中的两个碱基以共价键结合。分子同一条链中的两个碱基以共价键结合。3. DNA蛋白质交联：蛋白质交联： DNA与蛋白质以共价键结合。与蛋白质以共价键结合。典

11、型例子：嘧啶二聚体典型例子：嘧啶二聚体三DNA损伤和修复DNADNA损伤的后果损伤的后果信号传导异常信号传导异常老化老化肿瘤肿瘤疾病疾病异常增生和代谢异常增生和代谢生理功能紊乱生理功能紊乱细胞死亡细胞死亡细胞增殖减少细胞增殖减少基因表达异常基因表达异常基因组不稳定基因组不稳定三DNA损伤和修复第二节第二节 DNA损伤的修复损伤的修复一、一、DNA修复机制修复机制回复修复回复修复切除修复切除修复重组修复重组修复错配修复错配修复 SOS修复修复三DNA损伤和修复常见的常见的DNADNA损伤及其修复机制损伤及其修复机制 DNADNA损伤因素损伤因素 DNA DNA损伤类型损伤类型修复机制修复机制X

12、X射线、氧自由基射线、氧自由基、烷化剂、烷化剂 自发脱碱基自发脱碱基单链断裂、无碱基位点、氧化性单链断裂、无碱基位点、氧化性碱基（如碱基（如8-8-氧鸟嘌呤）脲嘧啶氧鸟嘌呤）脲嘧啶碱基切除修碱基切除修复复紫外线和多环芳烃紫外线和多环芳烃环丁烷嘧啶二聚体等大的紫外线环丁烷嘧啶二聚体等大的紫外线光产物和稳定的多环芳烃化合物光产物和稳定的多环芳烃化合物等大分子等大分子DNADNA加合物加合物核苷酸切除核苷酸切除修复修复抗癌药（如顺铂和抗癌药（如顺铂和丝裂霉素）丝裂霉素）双链断裂和链间交联双链断裂和链间交联双链断裂修双链断裂修复（同源重复（同源重组修复和末组修复和末端连接）端连接）复制错误和烷化剂复制

13、错误和烷化剂碱基错配和缺失（插入）碱基错配和缺失（插入）错配修复错配修复三DNA损伤和修复1.DNA1.DNA断裂口直接修复：断裂口直接修复：在在 DNA 5-P 端和端和 3-OH端未受损害的端未受损害的情况下，连接酶能够直接修复情况下，连接酶能够直接修复DNA的的断裂口。断裂口。三DNA损伤和修复2.DNA2.DNA紫外线损伤的光复合酶直接修复紫外线损伤的光复合酶直接修复三DNA损伤和修复 UV光复合酶光复合酶三DNA损伤和修复3. 3. 烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复大肠杆菌中的大肠杆菌中的Ada酶，可修复甲基化的碱基酶，可修复甲基化的碱基三DNA损伤和修复4. 碱基切除修复碱

14、基切除修复指切除和替换由内源性化学物作用产生 的DNA碱基损伤 主要针对DNA单链断裂和小的碱基改变 及氧化性损伤。受损碱基切除修复切除修复是由多个酶来完成的三DNA损伤和修复DNA glycosylase （DNA糖基化酶）：糖基化酶）：作用：识别作用：识别DNA中不正常的碱基，并将其水解中不正常的碱基，并将其水解 嘧啶二聚体嘧啶二聚体-DNA糖基化酶；糖基化酶； 尿嘧啶尿嘧啶-DNA糖基化酶；糖基化酶； 次黄嘌呤次黄嘌呤-DNA糖基化酶；糖基化酶；p53蛋白调控碱基切除蛋白调控碱基切除三DNA损伤和修复Base Excision Repair三DNA损伤和修复DNA的的损损伤伤的的切切除除

15、修修复复结构缺陷结构缺陷切开切开 核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切除切除DNA聚合酶聚合酶DNA连接连接酶酶修复修复连接连接三DNA损伤和修复 5.核苷酸切除修复核苷酸切除修复（3030多种蛋白质参与）多种蛋白质参与）修复时切除含有损伤碱基的那一段修复时切除含有损伤碱基的那一段 DNA 主要主要修复扭曲双螺旋结构的修复扭曲双螺旋结构的 DNA 损伤损伤步骤：一个酶系统识别步骤：一个酶系统识别DNA损伤部位；损伤部位； 损伤两侧各水解一个磷酸二酯键；损伤两侧各水解一个磷酸二酯键； 释放一段核苷酸；释放一段核苷酸； DNA聚合酶合成一段新的聚合酶合成一段新的DNA； 连接酶连成整链连接酶

16、连成整链三DNA损伤和修复核苷酸切除修复核苷酸切除修复 ( (大肠杆菌大肠杆菌) )三DNA损伤和修复三DNA损伤和修复错配修复错配修复校正活性所漏校的碱基校正活性所漏校的碱基, 使复制的保真性提使复制的保真性提高高102103倍倍错配修复错配修复系统系统 (MRSMismatch RepairSystem)DNApol (= 10-8)经第二次校正经第二次校正= 10-11三DNA损伤和修复 错配修复系统组成（错配修复系统组成（Mismatch repair system）DNA腺嘌呤甲基化酶腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶甲基化酶)DNA polymerase 填补单链填补单链 DNA 缺口

17、缺口Helicase 、SSB 、外切核酸酶、外切核酸酶 (和和) 、连接酶、连接酶修复蛋白修复蛋白：Mut(mutase) H、 L、 S 扫描新生链中错配碱基扫描新生链中错配碱基识别新生链中非识别新生链中非 m6A 的的GATC序列序列酶切含错配碱基的酶切含错配碱基的DNA区段区段作用作用三DNA损伤和修复错配修复错配修复 三DNA损伤和修复6. SOS 修复（原核生物）修复（原核生物） RecALexA(一种一种DNA结合抑制蛋白结合抑制蛋白)调控元件：调控元件：SOS盒盒SOS反应诱导表达的基因有反应诱导表达的基因有30多个，多个，参与参与SOS 修复修复三DNA损伤和修复RecA-P

18、的三种功能的三种功能a、 DNA 重组活性重组活性b、 与与S.S. DNA结合活性结合活性c、 少数蛋白的少数蛋白的proteinase活性活性三DNA损伤和修复当当DNA复制受阻复制受阻/ DNA damaged细胞内原少量表达的细胞内原少量表达的RecA与与S.S, DNA结合结合激活激活RecA-p的的proteinase活性活性修复损伤修复损伤LexA-p降解降解RecA-p高效表达高效表达 SOS open当当DNA复制度过难关后复制度过难关后RecA-p很快消失很快消失LexA gene onSOS off三DNA损伤和修复SOS 修复修复 DNA复制复制不很不很严严格格，新合成

19、的DNA容易造成错误产生突变。三DNA损伤和修复二、参与二、参与DNA修复的主要基因修复的主要基因（一）（一）XRCC基因基因X线交叉互补基因（线交叉互补基因（X-ray cross complementing gene , XRCC)（二）（二）XP 及及ERCC 基因基因 着色性干皮病（着色性干皮病（xeroderma pigmentosum, XP)ERCC(excision repair cross-complementing)(三）三）RAD系列基因系列基因三DNA损伤和修复第三节第三节 DNA损伤修复与疾病损伤修复与疾病 DNA损伤的生物学后果，一方面损伤的积累，另损伤的生物学后果

20、，一方面损伤的积累，另 一方面是对损伤的应答，既取决于一方面是对损伤的应答，既取决于DNA损伤的程度和损伤的程度和细胞的修复能力。细胞的修复能力。DNA碱基损伤后：碱基损伤后： 1.遗传密码子变化，产生功能异常的蛋白，导遗传密码子变化，产生功能异常的蛋白，导 致细胞功能衰退、凋亡、恶性转化。致细胞功能衰退、凋亡、恶性转化。 2. 染色体畸形，导致严重后果。染色体畸形，导致严重后果。 3. DNA交联影响基因正常表达和调控。交联影响基因正常表达和调控。 4.基因组不稳定引发衰老、肿瘤等疾病。基因组不稳定引发衰老、肿瘤等疾病。三DNA损伤和修复一、一、DNA损伤与肿瘤损伤与肿瘤肿瘤发生是肿瘤发生是

21、DNA损伤对机体的远后效果之一损伤对机体的远后效果之一 1945 1945年日本广岛、长崎核爆炸，切尔诺贝利核事年日本广岛、长崎核爆炸，切尔诺贝利核事 故，众多研究表明：故，众多研究表明： 1. DNA是电离辐射、遗传毒性致癌物、病毒作用的靶点。是电离辐射、遗传毒性致癌物、病毒作用的靶点。 DNA损伤损伤DNA修复异常修复异常 基因突变基因突变肿瘤发生肿瘤发生 2. 参与参与DNA修复的多种基因突变，其抑癌作用失活。修复的多种基因突变，其抑癌作用失活。三DNA损伤和修复 美国好莱坞美国好莱坞RKO制片公司在上世纪制片公司在上世纪50年代投资年代投资拍摄的大片拍摄的大片征服者征服者堪称堪称“最不

22、祥的电影最不祥的电影”，由于这，由于这部影片在美国内华达沙漠尤卡平地上的核试验地点附部影片在美国内华达沙漠尤卡平地上的核试验地点附近拍摄了近拍摄了13个礼拜外景，个礼拜外景，220名剧组成员中，名剧组成员中，导致导致导演、男女主角等导演、男女主角等91名剧组人员吸入放射性尘埃，名剧组人员吸入放射性尘埃，患上癌症。患上癌症。征服者征服者史诗大片史诗大片,是美国是美国RKO制片公司在制片公司在1954年年投资投资800万美元拍摄的，该片制片人霍华德万美元拍摄的，该片制片人霍华德休斯是一名休斯是一名亿万富翁和电影大亨。亿万富翁和电影大亨。三DNA损伤和修复 影片讲述的是元太祖成吉思汗统一蒙古各部、创

23、建蒙影片讲述的是元太祖成吉思汗统一蒙古各部、创建蒙古帝国的故事，外景地选在犹他州沙漠中的雪峡谷。古帝国的故事，外景地选在犹他州沙漠中的雪峡谷。 雪峡谷距离尤卡平地上的核试验地点仅有雪峡谷距离尤卡平地上的核试验地点仅有137英里。英里。 1953年，美国军方曾在尤卡平地上试爆了年，美国军方曾在尤卡平地上试爆了11颗原子弹，颗原子弹，导致大量辐射性原子飘向数百英里远的地方，其中导致大量辐射性原子飘向数百英里远的地方，其中大量致命的核辐射微尘降落到了雪峡谷所在的位置。大量致命的核辐射微尘降落到了雪峡谷所在的位置。 三DNA损伤和修复1953年，美国军方在年，美国军方在内华达沙漠尤卡平地内华达沙漠尤卡

24、平地上试爆上试爆11颗原子弹颗原子弹男主角约翰男主角约翰威恩威恩女主角苏珊女主角苏珊海沃德海沃德三DNA损伤和修复二、二、DNA损伤修复缺陷导致人类的遗传疾病损伤修复缺陷导致人类的遗传疾病1. 着色性干皮病（着色性干皮病（XP） 临床症状：裸露的皮肤、眼睛和舌头等部位的临床症状：裸露的皮肤、眼睛和舌头等部位的 严重光敏感性，以及皮肤癌的高发率。严重光敏感性，以及皮肤癌的高发率。 受到环境因素刺激受到环境因素刺激 肺、消化道肿瘤。肺、消化道肿瘤。已报道：伴有辐射敏感性增高的遗传病多达已报道：伴有辐射敏感性增高的遗传病多达2020余种余种2.2.毛发硫营养不良（毛发硫营养不良（trichothio

25、dystrophy, TTD) ) 生化分析：患者毛发硫蛋白减少生化分析：患者毛发硫蛋白减少头发干枯、头发干枯、无光泽、易受损等。无光泽、易受损等。（一）（一） DNA修复缺陷导致的人类遗传病修复缺陷导致的人类遗传病三DNA损伤和修复与与DNA修复修复有有关关的人的人类遗传类遗传疾病疾病： 着着色性色性干干皮病皮病(Xeroderma pigmentosum) 布布伦伦氏症候群氏症候群(Blooms syndrome) 遗传遗传性大性大肠肠癌癌(Hereditary nonpolyposis colon cancer；HNPCC) 三DNA损伤和修复着着色性色性干干皮病皮病 是一种隐性遗传性疾

26、病，有些呈性联遗传。因是一种隐性遗传性疾病，有些呈性联遗传。因核酸内切酶核酸内切酶异常造成异常造成DNADNA修复障碍所致。临床以光修复障碍所致。临床以光暴露部位色素增加和角化及癌变为特征。暴露部位色素增加和角化及癌变为特征。 1. 1. 幼年发病，常有家族发病史。幼年发病，常有家族发病史。 2. 2. 面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片， 伴毛细血伴毛细血 管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤 痕。皮肤干燥。数年内发生基底细胞癌、鳞癌痕。皮肤干燥。数年内发生基底细胞癌、鳞癌 及恶性黑素瘤。及恶性黑素瘤。 3.3.皮肤和眼

27、对日光敏感。皮肤和眼对日光敏感。 4.4.病情随年龄逐渐加重，多数患者于病情随年龄逐渐加重，多数患者于2020岁前因恶岁前因恶 性肿瘤而死亡。性肿瘤而死亡。 5.5.组织病理组织病理 晚期出现表皮非典型性增生、日光角晚期出现表皮非典型性增生、日光角 化及鳞癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。化及鳞癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。三DNA损伤和修复着着色性色性干干皮病皮病患儿脸部特征患儿脸部特征三DNA损伤和修复着着色性色性干干皮病皮病背部背部, 着着色性色性干干皮病皮病组织切片组织切片三DNA损伤和修复着着色性色性干干皮皮病病的并发症的并发症三DNA损伤和修复着着色性色性干干皮病皮病的治疗的治疗 避免紫外线照

28、射 避免肿瘤致病因子避免肿瘤致病因子 对症治疗对症治疗三DNA损伤和修复多发性家族性多发性家族性大大肠肠癌癌(HNPCC)的临床特征的临床特征发病早发病早 ( 45 ( 45 岁岁) )肿瘤好发部位肿瘤好发部位肠外肿瘤的类型肠外肿瘤的类型 息肉较少息肉较少 30-60% 有内膜肿瘤有内膜肿瘤三DNA损伤和修复多发性家族性多发性家族性大大肠肠癌癌(HNPCC)的临床特征的临床特征发病早发病早 肿瘤好发部位肿瘤好发部位肠外肿瘤的类型肠外肿瘤的类型 息肉较少息肉较少 30-60% 有内膜肿瘤有内膜肿瘤三DNA损伤和修复HNPCC发生的危险因素发生的危险因素 基因携带者发生的危险因素基因携带者发生的危

29、险因素: 早期早期: 20-25岁岁 妇女妇女: 年龄年龄(?) 25-35岁岁 HNPCC 家族成员之一发生的概率家族成员之一发生的概率 : 胃癌发生胃癌发生: 早期发生年龄早期发生年龄 3-35岁岁, 复发复发 1-2 年年 尿道肿瘤发生尿道肿瘤发生: 30-35岁岁,复发复发 1-2 年年三DNA损伤和修复（二）（二） 细胞对细胞对DNA损伤应答缺陷导致的遗传病损伤应答缺陷导致的遗传病 共济失调毛细血管扩张症共济失调毛细血管扩张症（Ataxia telangiectasia, AT），常染色体隐性遗传病。），常染色体隐性遗传病。 临床表现：临床表现： 小脑共济失调导致步态蹒跚，肌肉运动失调，持小脑共济失调导致步态蹒跚，肌肉运动失调，持 续性精神障碍，眼睛和皮肤有明显的毛细血管扩张