第章 DNA损伤与修复PPT课件

1、单击此处编辑母版标题样式*单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级目录目录单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级*DNA损伤与修复 DNA Damage and Repair第十五章各种体内外因素所导致的DNA组成与结构的变化称为DNA损伤（DNA damage） 其一，DNA的组成和结构发生永久性改变，即突变 a. 基因型突变 b. 表型突变其二，导致DNA失去作为复制和/或转录的模板的功能 DNA损伤的后果:生物多样性依赖于：DNA突变DNA修复平衡DNA损伤DNA Damage第一节一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤（一）体内因素 DNA复制

2、错误 DNA自身的不稳定性 机体代谢过程中产生的活性氧DNA复制错误：在DNA复制过程中，碱基的异构互变、4种dNTP之间浓度的不平衡等均可能引起碱基的错配DNA复制的错配率约1/1010复制错误还表现为片段的缺失或插入。特别是DNA上的短片段重复序列，在真核细胞染色体上广泛分布，导致DNA复制系统工作时可能出现“打滑”现象，使得新生成的DNA上的重复序列拷贝数发生变化。 亨廷顿病、脆性X综合征、肌强直性营养不良等。 DNA自身的不稳定性 ：DNA结构自身的不稳定性是DNA自发性损伤中最频繁和最重要的因素。当DNA受热或所处环境的pH值发生改变时， DNA分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可自发

3、发生水解，导致碱基的丢失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍。含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应，转变为另一种碱基，即碱基的转变，如C转变为U，A转变为I（次黄嘌呤）等。（二）体外因素物理因素化学因素生物因素物理因素：电离辐射、紫外线(ultra violet, UV)常见的二聚体：T-T, C-T, C-C化学因素：自由基导致的DNA损伤碱基类似物导致的DNA损伤 碱基修饰剂、烷化剂导致的DNA损伤 嵌入性染料导致的DNA损伤 化学因素：物理和化学因素对DNA的损伤 二、DNA损伤有多种类型 碱基脱落碱基结构破坏嘧啶二聚体形成DNA单链或双链断裂DNA交联碱基损伤与糖基破坏：化学毒物可通过对碱基的某

4、些基团进行修饰而改变碱基的性质。由于碱基损伤或糖基破坏，在DNA链上可能形成一些不稳定点，最终可导致DNA链的断裂。碱基之间发生错配 ：碱基类似物的掺入、碱基修饰剂的作用可改变碱基的性质，导致DNA序列中的错误配对。在正常的DNA复制过程中，存在着一定比例的自发碱基错配。最常见的是组成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺入到DNA分子中。DNA链发生断裂：电离辐射、化学毒剂、磷酸二酯键的断裂、脱氧戊糖的破坏、碱基的损伤和脱落都是引起DNA断裂的原因。碱基损伤或糖基破坏可引起DNA双螺旋局部变性，形成酶敏感性位点，特异的核酸内切酶能识别并切割这样的部位，造成链断裂。DNA链上被损伤的碱基也可以被另一种特

5、异的DNA-糖基化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点（apurinic-apyrimidinic site, AP site），或称无碱基位点（abasic site），这些位点在内切酶等的作用下可形成链断裂。DNA 的共价交联：DNA双螺旋链中的一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合，称为DNA链间交联（DNA interstrand cross-linking）。DNA分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称为DNA链内交联（DNA intrastrand cross-linking）。DNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交联（DNA protein cross-link

6、ing）。DNA损伤可导致碱基置换缺失 插入 重排转换颠换DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。自发突变和不少化学诱变都能引起DNA上某一碱基的置换。点突变发生在基因的编码区，可导致氨基酸改变。 （一）错配可导致编码氨基酸的改变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）. 颠换错配分类镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链CAC GTG基因正常成人Hb (HbA)亚基N-val his leu thr pro glu

7、 glu C 肽链CTC GAG基因镰形红细胞贫血病人（二）缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。缺失或插入都可导致框移突变 。框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。 谷 酪 蛋 丝5 G C A G U A C A U G U C 丙 缬 组 缬正常5 G A G U A C A U G U C 缺失C缺失引起框移突变：（三）重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。移位的DNA可以在新位点上颠倒方

8、向反置（倒位），也可以在染色体之间发生交换重组。 由基因重排引起的两种地中海贫血基因型：DNA损伤（突变）可能造成两种结果：其一是导致复制或转录障碍（如胸腺嘧啶二聚体，DNA骨架中产生切口或断裂）；其二是导致复制后基因突变（如胞嘧啶自发脱氨基转变为尿嘧啶），使DNA 序列发生永久性改变。所以，必须通过进化使细胞拥有灵敏的机制，以识别和修复这些损伤，否则细胞无法维持正常代谢。DNA损伤的修复The repair of DNA damage第二节DNA修复（DNA repair）是指纠正DNA两条单链间错配的碱基、清除DNA链上受损的碱基或糖基、恢复DNA的正常结构的过程。DNA修复是机体维持DN

9、A结构的完整性与稳定性，保证生命延续和物种稳定的重要环节。 一、有些DNA损伤可以直接修复 嘧啶二聚体的直接修复 烷基化碱基的直接修复 无嘌呤位点的直接修复 单链断裂的直接修复 嘧啶二聚体的直接修复烷基化碱基的直接修复无嘌呤位点的直接修复 DNA嘌呤插入酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共价键，导致嘌呤碱基的直接插入。具有很强的专一性。单链断裂的直接修复 DNA连接酶能够催化DNA双螺旋结构中一条链上缺口处的5-磷酸基团与相邻片段的3-羟基之间形成磷酸二酯键，从而直接参与部分DNA单链断裂的修复，如电离辐射所造成的切口。二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式 碱基

10、切除修复 核苷酸切除修复 碱基切除修复（base excision repair） 识别水解：DNA糖基化酶特异性识别DNA链中已受损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点； 切除：在此位点的5端，无碱基位点核酸内切酶将DNA链的磷酸二酯键切开，去除剩余的磷酸核糖部分； 合成：DNA聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列； 连接：由DNA连接酶将切口重新连接，使DNA恢复正常结构 核苷酸切除修复（nucleotide excision repair） 首先，由一个酶系统识别DNA损伤部位； 其次，在损伤两侧切开DNA链，去除两个切口之间的一段受损的寡核苷酸； 再次，在DNA聚合酶作用

11、下，以另一条链为模板，合成一段新的DNA，填补缺损区； 最后由连接酶连接，完成损伤修复。E.coli的NER主要由4种蛋白质组成：UvrAUvrBUvrCUvrD 人类的DNA损伤核苷酸切除修复 首先由损伤部位识别蛋白XPC和XPA等，再加上DNA复制所需的SSB，结合在损伤DNA的部位； XPB、XPD发挥解旋酶的活性，与上述物质共同作用在受损DNA周围形成一个凸起； XPG与XPF发生构象改变，分别在凸起的3-端和5-端发挥核酸内切酶活性, 在增殖细胞核抗原（PCNA）的帮助下，切除并释放受损的寡核苷酸； 遗留的缺损区由聚合酶或进行修补合成； 最后，由连接酶完成连接。 着色性干皮病（XP）

12、是第一个与DNA损伤修复缺陷有关的人类疾病，可累及各种族人群。患者细胞存在UV照射后DNA损伤修复功能缺陷，患者的皮肤部位缺乏核酸内切酶，不能修复被紫外线损伤的皮肤的DNA，因此在日光照射后皮肤容易被紫外线损伤，先是出现皮肤炎症，继而可发生皮肤癌。患者发生皮肤癌的可能性非常高。XP是常染色体隐性遗传病，具有遗传异质性。缺陷基因编码的蛋白都参与DNA的切除修复。XPA、XPB、XPC、XPD、XPE、XPF、XPG、XPHNER不仅能够修复整个基因组中的损伤，而且能拯救因转录模板链损伤而暂停转录的RNA聚合酶，即参与转录偶联修复（transcription-coupled repair）。作用方

13、式：NER蛋白质被募集于暂停的RNA聚合酶。转录偶联修复的意义：将修复酶集中于正在转录DNA，使该区域的损伤尽快得以修复。碱基错配修复（ mismatch repair）错配是指非Watson-Crick碱基配对。碱基错配修复也可被看作是碱基切除修复的一种特殊形式，主要负责纠正： 复制与重组中出现的碱基配对错误； 因碱基损伤所致的碱基配对错误； 碱基插入； 碱基缺失。 E.coli错配修复系统修复复制差错Dam甲基化酶（methylase）使E.coli处于暂时的半甲基化状态，标记母链和新合成的DNA链，帮助新合成的DNA链被错配修复系统识别并修复。模板链的GATC序列甲基化 MutH仅切割新

14、合成的DNA链 MSH（MutS homologs）蛋白与MutL同源的MLH和PMS蛋白真核细胞错配修复系统即无MutH蛋白，也无半甲基化标记母链。错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺口辨别错配碱基所在的DNA链。真核细胞核苷酸修复错配系统：三、DNA严重损伤时需要重组修复 同源重组修复 ：参加重组的两段双链DNA在相当长的范围内序列相同（/=200bp），保证重组后生成的新区序列正确。非同源末端连接的重组修复 ：哺乳动物修复方式。同源重组修复四、某些修复发生在跨越损伤DNA的复制事件之后 重组跨越损伤修复 合成跨越损伤修复 重组跨越损伤修复SOS修复中LexA-RecA操纵子的作用机制

15、 常见的DNA损伤修复途径 修复途径 修复对象 参与修复的酶或蛋白 光复活修复 嘧啶二聚体 光复活酶 碱基切除修复 受损的碱基 DNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶 核苷酸切除修复 嘧啶二聚体、DNA螺旋结构的改变 大肠杆菌中UvrA、UvrB、UvrC和UvrD，人XP系列蛋白XPA、XPB、XPCXPG等 错配修复 复制或重组中的碱基配对错误 大肠杆菌中的MutH、MutL、MutS，人的MLH1、MSH2、MSH3、MSH6等 重组修复 双链断裂 RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、XRCC4 损伤跨越修复 大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤 RecA蛋白、LexA蛋白、其他类型DNA聚合酶 DNA损伤和修复的意义The significance of DNA damage and repair第三节一、DNA损伤具有双重效应 一是给DNA带来永久性的改变即突变，可能改变基因的编码序列或者基因的调控序列；二是DNA的这些改变使得DNA不能用作复制和转录的模板，使细胞的功能出现障碍，重则死亡。DNA损伤通常有两个生物学后果二、DNA损伤修复障碍与肿瘤等多种疾病相关 DNA损伤与肿瘤、衰老以及免疫性