第六章 DNA损伤及修复 2

1、1 第六章第六章 曾海涛曾海涛 中南大学生命科学学院中南大学生命科学学院 分子生物学研究中心分子生物学研究中心2 哺乳动物细胞哺乳动物细胞DNA损伤的发生频率损伤的发生频率 DNA损伤类型损伤类型 次次细胞细胞- 1 天天 1 单链损伤单链损伤 55 000 脱嘌呤脱嘌呤 10 000 脱嘧啶脱嘧啶 200 O6甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤 3 100 胞嘧啶脱氨基胞嘧啶脱氨基 200 胸腺嘧啶乙二醇胸腺嘧啶乙二醇 270 胸苷乙二醇胸苷乙二醇 703自发性自发性复制错误复制错误碱基脱落或部分脱落碱基脱落或部分脱落活性氧活性氧紫外线紫外线电离辐射电离辐射烷化剂烷化剂碱基类似物碱基类似物修饰剂修饰剂DN

2、A第一节第一节 DNA损伤的原因及后果损伤的原因及后果病原生物基因的整合病原生物基因的整合物理因素物理因素化学因素化学因素4一、一、DNADNA分子的自发性损伤分子的自发性损伤( (一一)DNA)DNA复制产生误差复制产生误差 模板模板 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 DNA聚合酶聚合酶 错配碱基错配碱基5 如大肠杆菌如大肠杆菌 碱基配对的错误率为碱基配对的错误率为1010-1-1-10-10-2-2 DNA DNA聚合酶校正后错误率为聚合酶校正后错误率为1010-5-5-10-10-6-6 复制后经校正系统校正，错配率为复制后经校正系统校正，错配率为1010-9-9左右左右6碱基碱基T和和G能

3、够以酮式或烯醇式能够以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现两种互变异构的状态出现碱基碱基C和和A能够以氨基式或亚氨能够以氨基式或亚氨基式两种互变状态出现基式两种互变状态出现一般生理条件下，碱基互变平一般生理条件下，碱基互变平衡反应倾向于酮式或氨基式，衡反应倾向于酮式或氨基式，故故A 与与T和和C 与与G碱基配对碱基配对 （二）（二）DNA的自发性化学变化的自发性化学变化 1. 碱基的异构互变碱基的异构互变7互变异构效应互变异构效应引起不正常的引起不正常的碱基配对碱基配对稀有形式稀有形式常见形式常见形式A与与T C与与GA与与C T与与G8 2. 2. 碱基的脱氨基作用碱基的脱氨基作用 碱基的环外

4、氨基有时会碱基的环外氨基有时会自发脱落，从而胞嘧啶自发脱落，从而胞嘧啶(C)(C)变变成尿嘧啶成尿嘧啶(U)(U)，腺嘌呤，腺嘌呤(A)(A)变变成次黄嘌呤成次黄嘌呤(H)(H)。复制时。复制时,U,U与与A A配对、配对、H H与与C C配对就会导致子配对就会导致子代代DNADNA序列的错误变化。序列的错误变化。(A)(H)(C)(U)9 3脱嘌呤与脱嘧啶脱嘌呤与脱嘧啶 即碱基脱落，是指从即碱基脱落，是指从DNA上丢失了嘌呤或嘧啶，上丢失了嘌呤或嘧啶，形成无碱基位点，称为形成无碱基位点，称为AP部部位（位（apurine,apyrimidine site, AP）。）。10l复制时可以插入任

5、何核苷酸。复制时可以插入任何核苷酸。l脱落碱基后的脱氧核糖脱落碱基后的脱氧核糖33端的磷酸二酯键易被水端的磷酸二酯键易被水解，造成解，造成DNADNA链断裂。链断裂。l在哺乳动物细胞基因组中，每天每个细胞因在哺乳动物细胞基因组中，每天每个细胞因N-N-糖糖苷键自发水解约丢失苷键自发水解约丢失10 00010 000个嘌呤碱基和个嘌呤碱基和200200个嘧个嘧啶碱基。啶碱基。11 4碱基修饰与链断裂碱基修饰与链断裂 细胞在正常生理活动中产生的活性氧细胞在正常生理活动中产生的活性氧会造成会造成DNA损伤，产生胸腺嘧啶乙二醇、损伤，产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，还可引起羟甲基尿嘧啶等

6、碱基修饰物，还可引起DNA单链断裂等损伤。单链断裂等损伤。 12二、物理因素引起的二、物理因素引起的DNA损伤损伤(一一)紫外线照射引起的紫外线照射引起的DNA损伤损伤 同一条同一条DNA链相邻嘧啶以共价键连成二聚体链相邻嘧啶以共价键连成二聚体(T-T、C-T 、C-C)，导致复制不能进行。，导致复制不能进行。 皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每小时小时5 510104 4细胞细胞紫外线不能穿透皮肤，因此损伤只局限在皮肤中紫外线不能穿透皮肤，因此损伤只局限在皮肤中紫外线照射还能引起紫外线照射还能引起DNADNA链断裂等损伤链断裂等损伤13胸腺嘧

7、啶二聚体胸腺嘧啶二聚体14 ( (二二) )电离辐射引起的电离辐射引起的DNADNA损伤损伤 直接效应：直接效应： DNADNA直接吸收射线能直接吸收射线能量而遭损伤。量而遭损伤。 间接效应：间接效应： DNADNA周围其他分子周围其他分子( (主要是水分子主要是水分子) )吸收射线吸收射线能量而产生具有很高反应能量而产生具有很高反应活性的自由基，进而损伤活性的自由基，进而损伤DNADNA。15电离辐射引起电离辐射引起DNA损伤的类型损伤的类型 产生产生 OH自由基，导致碱基变化自由基，导致碱基变化 脱氧核糖分解脱氧核糖分解 DNA链断裂链断裂 交联交联 包括包括DNA链交联和链交联和DNA-

8、蛋白质交联蛋白质交联 16三、化学因素引起的三、化学因素引起的DNA损伤损伤(一一)烷化剂对烷化剂对DNA的损伤的损伤1碱基烷基化碱基烷基化 2. 碱基脱落碱基脱落3 断链断链 4. 交联交联17 5-BrdU （ 5-BrdU-A； 5-BrdU-G） 酮式酮式 烯醇式烯醇式(二二)碱基类似物、修饰剂对碱基类似物、修饰剂对DNA的改变的改变 亚硝酸盐能使亚硝酸盐能使C脱氨基变成脱氨基变成U （CU） 羟胺能使羟胺能使T脱甲基变成脱甲基变成C （TC） 黄曲霉素黄曲霉素B1 (GT)18可修复的损伤可修复的损伤激活存活反应网络激活存活反应网络损伤原因损伤原因物理因素物理因素化学因素化学因素损伤

9、程度损伤程度不可逆的损伤不可逆的损伤细胞反应细胞反应细胞后果细胞后果激活凋亡途径激活凋亡途径细胞周期阻滞、修复细胞周期阻滞、修复突变、染色体畸变突变、染色体畸变细胞存活细胞存活细胞死亡细胞死亡细胞恶性转化细胞恶性转化自发性自发性各种各种DNADNA损伤损伤19第二节第二节 DNA修复修复(DNA repair) DNADNA修复是细胞对修复是细胞对DNADNA受损伤后的受损伤后的一种反应，这种反应可能使一种反应，这种反应可能使DNADNA结构恢结构恢复原样，重新执行原来的功能，但有复原样，重新执行原来的功能，但有时并非能完全消除时并非能完全消除DNADNA的损伤，只是使的损伤，只是使细胞能够耐

10、受这种细胞能够耐受这种DNADNA的损伤而能继续的损伤而能继续生存。生存。 20一、错配修复一、错配修复(mismatch repair)(mismatch repair) 校正校正DNA复制和重组过程中发生的碱基复制和重组过程中发生的碱基错配。错配。 错配的碱基可被错配修复酶识别后进行错配的碱基可被错配修复酶识别后进行修复。修复。21错配修复错配修复(大肠杆菌)Mis-paired bases22错配修复错配修复(大肠杆菌大肠杆菌)232. 2. 真核细胞错配修复机制真核细胞错配修复机制2425 在含有错配碱基的在含有错配碱基的DNA分子中，使正常核分子中，使正常核苷酸序列恢复的修复方式。苷

11、酸序列恢复的修复方式。过程：识别出不正确的链，切除掉不正确链的过程：识别出不正确的链，切除掉不正确链的部分，然后通过部分，然后通过DNA聚合酶和聚合酶和DNA连接酶的作连接酶的作用，合成正确配对的双链用，合成正确配对的双链DNA。 错配修复错配修复（mismatch repair）：26遗传性非息肉型结肠癌（遗传性非息肉型结肠癌（hereditary nonhereditary nonpolyposis colorectal cancerpolyposis colorectal cancer，HNPCCHNPCC）lHNPCCHNPCC的临床特征的临床特征l发病早发病早 (-45 (-45 岁

12、岁) )l肿瘤好发部位：结肠肿瘤好发部位：结肠27HNPCC与与DNA的错配修复基因突变有关的错配修复基因突变有关 MSH2, MSH6, PMS1 ，MLH1, MSH3, PMS2. 28二、直接修复二、直接修复1. 单链断裂修复单链断裂修复 在在 DNA 5-P DNA 5-P 端和端和 3-OH3-OH端未受损伤端未受损伤的情况下，连接酶能够直接修复的情况下，连接酶能够直接修复DNADNA的断裂口。的断裂口。 292. 2. 光分解酶光分解酶(光复活酶光复活酶)直接修复二聚体直接修复二聚体形成嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体光复活酶结合于光复活酶结合于损伤部位损伤部位酶被可见光激活酶被可见光激

13、活修复后释放酶修复后释放酶303. 3. 直接修复烷基化碱基直接修复烷基化碱基O6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶甲基鸟嘌呤甲基转移酶 O6- -甲基鸟嘌呤甲基转移酶通过将甲基从甲基鸟嘌呤甲基转移酶通过将甲基从O6- -甲基鸟嘌呤转移到自身的半胱氨酸残基上来甲基鸟嘌呤转移到自身的半胱氨酸残基上来修复修复DNADNA。314 4直接插入嘌呤直接插入嘌呤 DNADNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能被被DNADNA嘌呤插入酶嘌呤插入酶(insertase)(insertase)识别结合，催识别结合，催化游离的嘌呤碱基与化游离的嘌呤碱基与DNADNA无嘌呤部位形成糖苷无嘌呤部位

14、形成糖苷键。且催化插入的碱基有高度专一性、与另键。且催化插入的碱基有高度专一性、与另一条链上的碱基严格配对，使一条链上的碱基严格配对，使DNADNA完全恢复。完全恢复。32三、碱基切除修复碱基切除修复（base excision repair，BER）l 指切除和替换由内源性化学物作用产生的指切除和替换由内源性化学物作用产生的 DNA碱基损伤。碱基损伤。l 受损碱基移除是由多个酶来完成的。受损碱基移除是由多个酶来完成的。l 主要针对主要针对DNA单链断裂和小的碱基改变及氧单链断裂和小的碱基改变及氧 化性损伤。化性损伤。33碱基切除修复碱基切除修复34 四、核苷酸切除修复四、核苷酸切除修复（nu

15、cleotide excision repair，NER） l 体内识别体内识别 DNA DNA 损伤最多的修复通路。损伤最多的修复通路。l 不识别任何特殊的碱基损伤，而是识别不识别任何特殊的碱基损伤，而是识别双螺旋形状的改变；修复时切除含有损伤双螺旋形状的改变；修复时切除含有损伤碱基的那一段碱基的那一段 DNADNA。 35以大肠杆菌为例以大肠杆菌为例UvrA:识别损伤部位识别损伤部位UvrB:解旋双链解旋双链紫外线诱导紫外线诱导uvrA、uvrB、uvrC和和uvrD四种基因表达四种基因表达36UvrC: 5末端内切末端内切UvrB: 3末端内切末端内切37UvrD:解旋酶解旋酶38核苷酸

16、切除修复核苷酸切除修复 (基因组修复基因组修复人类人类) 39GG-NER 和和TC-NER的共同修复通路的共同修复通路40核苷酸切除修复核苷酸切除修复 ( (转录偶联修复转录偶联修复 - -人类人类) ) 41着着色性色性干干皮病皮病(Xeroderma pigmentosis)(Xeroderma pigmentosis)l是一种隐性遗传性疾病，是一种隐性遗传性疾病，该病是由于患者对紫外线照射造成的核该病是由于患者对紫外线照射造成的核苷酸损伤切除修复缺陷所致苷酸损伤切除修复缺陷所致。临床以光暴露部位色素增加和角化。临床以光暴露部位色素增加和角化及癌变为特征。及癌变为特征。 l1. 1. 幼

17、年发病，常有家族发病史。幼年发病，常有家族发病史。l2. 2. 面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，伴毛细血管扩张，面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，伴毛细血管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤痕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、皮肤干燥。数年内发生基底细胞癌、鳞癌及恶性黑素瘤。鳞癌及恶性黑素瘤。l3.3.皮肤和眼对日光敏感。皮肤和眼对日光敏感。l4.4.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岁前因恶性肿瘤而死亡。岁前因恶性肿瘤而死亡。l5.5.组织病理组织病理 晚期出现表皮非典型性增生、日光角化及鳞癌和基底晚期出现表皮非典型性

18、增生、日光角化及鳞癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。细胞癌等恶性肿瘤。42着着色性色性干干皮病皮病患儿脸部特征患儿脸部特征43五、重组修复五、重组修复大肠杆菌重组修复大肠杆菌重组修复44五、重组修复五、重组修复根据根据 DNA 末端连接需要的同源性分为末端连接需要的同源性分为: 同源重组修复：需要多种蛋白参与同源重组修复：需要多种蛋白参与,在在 S/G2期起主要作用。期起主要作用。 非同源末端连接修复：非同源末端连接修复：DNA分子之间不需要分子之间不需要广泛的同源性，在广泛的同源性，在G1/G0期起主要作用。期起主要作用。 45同源重组修复同源重组修复DNADNA双链断裂（人类）双链断裂（人类）46非同源末端连接修复非同源末端连接修复DNADNA双链断裂双链断裂（人类）（人类）4748鸟嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胞嘧啶O6-乙基鸟嘌呤乙基鸟嘌