3DNA损伤和修复

1、第二章 DNA损伤和修复 DNA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DNA damage and repair电离辐射可见光氧自由基烷化剂复制错误核苷类似物DNA第一节 DNA损伤一 、 DNA损伤因素及机制(一)辐射导致DNA损伤1.电离辐射能直接或间接引起被穿透物质产生电离 有粒子、粒子、X射线、射线等。 电离辐射对机体的作用:(1)直接作用：指射线将能量直接传递给生物大分子,通 过能量的转换和传递,可使物质的原子或分子激 发和电离,导致物质结构破坏,如化学键的断裂。OH的作用核糖分解 DNA链断裂DNA链、蛋白质的交联(2)间接作用： 辐射先作用于溶剂分子，进而产生 O

2、H 自由基 破坏碱基结构X射线对哺乳动物细胞DNA的损伤,75%是水分解产生的自由基所造成。P+e+光子H2OOH.P+e+光子直接作用间接作用2.非电离辐射紫外线(ultraviolet , UV)和能 量低于紫外线的所有电磁辐射紫外线可分为: UVA(400320nm) : 能量低 ,不损坏DNAUVB(320290nm) UVC(290100nm) : 260280nm 的UV易导致DNA 损伤DNA的max=260nm蛋白质的max=280nm 紫外线高能量的吸收两相邻的胸嘧啶形成二聚体(TT) DNA产生弯曲和扭结影响DNA双螺旋结构影响复制和转录. 紫外线也可导致DNA交联和DNA

3、链的断裂等损伤. 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 (TT)(二)自由基致DNA损伤1.自由基：能够独立存在,核外带有未配对电子 的氧原子或含氧化学基团。 -.O2超氧阴离子 OH.羟自由基（ ）. H氢自由基（ ）LO.脂氧自由基（ ）脂过氧自由基 LOO. 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,化学性质非常活泼。2. 自由基的产生： 1 辐射2 代谢OH. HH2O 正常代谢：O2 + 4e 2O2-异常代谢：O2 + e -.O2三

4、化学毒物致DNA损伤 碱基类似物： 是一类与DNA碱基结构类似的化合物， 在DNA复制时常取代正常碱基掺入碱基对置换 5-溴尿嘧啶BU可使DNA中 AT配对转变为GC配对2.碱基修饰剂： 是一类通过对DNA链中某些基团的修饰，改变其配对性质改变DNA结构的化合物。可阻止正常修复。腺嘌呤亚硝酸次黄嘌呤脱氨基胞嘧啶尿嘧啶亚硝酸脱氨基胸嘧啶胞嘧啶羟胺脱甲基TC, 变C-GC U, 变U-AC-GT-A3.嵌入染料 溴化乙啶、丫啶橙等染料可直接嵌入DNA碱基对中碱基对间的距离撑大一倍 DNA两条链的错位 DNA复制过程中引发核苷酸缺失、移码、或插入等改变。4. 烷化剂引起DNA损伤烷化剂如：芥子气、硫

5、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 配对，而改与胸嘧啶配对； 碱基烷基化2碱基脱落； 3DNA断链； 4DNA链内、 DNA链间、以及 DNA与蛋白质间的交联。 四DNA产生自发性损伤DNA复制时产生碱基错配 碱基错配发生率10 1 102 DNA聚合酶校正为10 5 106 复制后错误配对校正系统校正为109 DNA修复后，错误配对率 10102. 碱基脱氨基：CU, AI , G H3. 碱基丧失二、DNA损伤类型导致DNA损伤因素作用的靶点： 碱基、核糖、磷酸二酯键一碱基和糖基的破坏 DNA链不稳定，断裂亚硝酸 碱基的脱氨基羟自由基 碱基环的破裂紫外线 DNA形成嘧啶二

6、聚体4. 活性氧 碱基氧化修饰二错配常见：尿嘧啶代替胸嘧啶掺入DNA分子中三 DNA链断裂 电离辐射磷酸二酯键断裂或脱氧戊糖的破坏 DNA双链断裂，细胞死亡。 四DNA交联链间交联： DNA双螺旋一条链上的碱基与另一 条链上的 碱基以共价键结合。2. 链内交联： DNA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： DNA与蛋白质以共价键结合。典型例子：嘧啶二聚体DNA损伤的后果信号传导异常长时辰效应老化肿瘤疾病DNA 修复机制短期效应异常增生和代谢生理功能紊乱细胞死亡细胞增殖减少基因表达异常基因组不稳定第二节 DNA损伤的修复一、DNA修复机制回复修复切除修复重组修复错配修复

7、 SOS修复常见的DNA损伤及其修复机制 DNA损伤因素 DNA损伤类型修复机制X射线、氧自由基、烷化剂 自发脱碱基单链断裂、无碱基位点、氧化性碱基（如8-氧鸟嘌呤）脲嘧啶碱基切除修复紫外线和多环芳烃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等大分子DNA加合物核苷酸切除修复抗癌药（如顺铂和丝裂霉素）双链断裂和链间交联双链断裂修复（同源重组修复和末端连接）复制错误和烷化剂碱基错配和缺失（插入）错配修复断裂口直接修复：在 DNA 5-P 端和 3-OH端未受损害的情况下，连接酶能够直接修复DNA的断裂口。紫外线损伤的光复合酶直接修复 UV光复合酶3. 烷基化碱基的直接修复大肠杆菌中

8、的Ada酶，可修复甲基化的碱基4. 碱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。受损碱基切除修复是由多个酶来完成的DNA glycosylase DNA糖基化酶：作用：识别DNA中不正常的碱基，并将其水解 嘧啶二聚体-DNA糖基化酶； 尿嘧啶-DNA糖基化酶； 次黄嘌呤-DNA糖基化酶；p53蛋白调控碱基切除Base Excision RepairDNA的损伤的切除修复结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA连接酶修复连接 5.核苷酸切除修复30多种蛋白质参与修复时切除含有损伤碱基的那一段 DNA 主要修复

9、扭曲双螺旋结构的 DNA 损伤步骤：一个酶系统识别DNA损伤部位； 损伤两侧各水解一个磷酸二酯键； 释放一段核苷酸； DNA聚合酶合成一段新的DNA； 连接酶连成整链核苷酸切除修复 (大肠杆菌)错配修复校正活性所漏校的碱基, 使复制的保真性提高102103倍错配修复系统 (MRSMismatch RepairSystem)DNApol (= 10-8)经第二次校正= 10-11 错配修复系统组成Mismatch repair systemDNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)DNA polymerase 填补单链 DNA 缺口Helicase 、SSB 、外切核酸酶 (和) 、连接酶修复蛋白：

10、Mut(mutase) H、 L、 S 扫描新生链中错配碱基识别新生链中非 m6A 的GATC序列酶切含错配碱基的DNA区段作用错配修复 6. SOS 修复原核生物 RecALexA(一种DNA结合抑制蛋白)调控元件：SOS盒SOS反响诱导表达的基因有30多个，参与SOS 修复RecA-P的三种功能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复制受阻/ DNA damaged细胞内原少量表达的RecA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当DNA复制

11、度过难关后RecA-p很快消失LexA gene onSOS offSOS 修复DNA复制不很严格，新合成的DNA容易造成错误产生突变。二、参与DNA修复的主要基因一XRCC基因X线交叉互补基因X-ray cross complementing gene , XRCC)二XP 及ERCC 基因 着色性干皮病xeroderma pigmentosum, XP)ERCC(excision repair cross-complementing)(三RAD系列基因第三节 DNA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 一方面是对损伤的应答，既取决于DNA损伤的程度和细胞的修复能力。

12、DNA碱基损伤后： 1.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。 2. 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。 4.基因组不稳定引发衰老、肿瘤等疾病。一、DNA损伤与肿瘤肿瘤发生是DNA损伤对机体的远后效果之一 1945年日本广岛、长崎核爆炸，切尔诺贝利核事 故，众多研究说明： 1. DNA是电离辐射、遗传毒性致癌物、病毒作用的靶点。 DNA损伤DNA修复异常 基因突变肿瘤发生 2. 参与DNA修复的多种基因突变，其抑癌作用失活。 美国好莱坞RKO制片公司在上世纪50年代投资拍摄的大片?征服者?堪称“最不祥的电影，由于这部影片在美国

13、内华达沙漠尤卡平地上的核试验地点附近拍摄了13个礼拜外景，220名剧组成员中，导致导演、男女主角等91名剧组人员吸入放射性尘埃，患上癌症。?征服者?史诗大片,是美国RKO制片公司在1954年投资800万美元拍摄的，该片制片人霍华德休斯是一名亿万富翁和电影大亨。 影片讲述的是元太祖成吉思汗统一蒙古各部、创立蒙古帝国的故事，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137英里。 1953年，美国军方曾在尤卡平地上试爆了11颗原子弹，导致大量辐射性原子飘向数百英里远的地方，其中大量致命的核辐射微尘降落到了雪峡谷所在的位置。 1953年，美国军方在内华达沙漠尤卡平地上试爆1

14、1颗原子弹男主角约翰威恩女主角苏珊海沃德二、DNA损伤修复缺陷导致人类的遗传疾病1. 着色性干皮病XP 临床病症：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。 受到环境因素刺激 肺、消化道肿瘤。已报道：伴有辐射敏感性增高的遗传病多达20余种2.毛发硫营养不良trichothiodystrophy, TTD) 生化分析：患者毛发硫蛋白减少头发枯槁、无光泽、易受损等。一 DNA修复缺陷导致的人类遗传病与DNA修复有关的人类遗传疾病：着色性干皮病(Xeroderma pigmentosum) 布伦氏症候群(Blooms syndrome) 遗传性大肠癌(Hereditary n

15、onpolyposis colon cancer；HNPCC) 着色性干皮病 是一种隐性遗传性疾病，有些呈性联遗传。因核酸内切酶异常造成DNA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。 1. 幼年发病，常有家族发病史。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，间有色素脱失斑和萎缩或疤 痕。皮肤枯燥。数年内发生基内幕胞癌、鳞癌 及恶性黑素瘤。3.皮肤和眼对日光敏感。4.病情随年龄逐渐加重，多数患者于20岁前因恶 性肿瘤而死亡。5.组织病理 晚期出现表皮非典型性增生、日光角 化及鳞癌和基内幕胞癌等恶性肿瘤。着色性干皮病患儿脸部特征着色性干皮病背部, 着色性干

16、皮病组织切片着色性干皮病的并发症着色性干皮病的治疗防止紫外线照射 防止肿瘤致病因子对症治疗多发性家族性大肠癌(HNPCC)的临床特征发病早 ( 45 岁)肿瘤好发部位肠外肿瘤的类型 息肉较少 30-60% 有内膜肿瘤多发性家族性大肠癌(HNPCC)的临床特征发病早 肿瘤好发部位肠外肿瘤的类型 息肉较少 30-60% 有内膜肿瘤HNPCC发生的危险因素基因携带者发生的危险因素:早期: 20-25岁妇女: 年龄(?) 25-35岁HNPCC 家族成员之一发生的概率 :胃癌发生: 早期发生年龄 3-35岁, 复发 1-2 年尿道肿瘤发生: 30-35岁,复发 1-2 年二 细胞对DNA损伤应答缺陷导

17、致的遗传病 共济失调毛细血管扩张症Ataxia telangiectasia, AT，常染色体隐性遗传病。 临床表现： 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。 其淋巴、造血系统的肿瘤比正常人群高250倍。2. 布卢姆综合症Bloom syndrome， 常染色体隐性遗传病。 婴幼儿发病，面部红斑和毛细血管扩张呈蝴蝶 状分布，对光敏感及侏儒症，白血病发病率极高。DNA损伤和修复的生物学意义识别和修复特异的DNA损伤，保证生物物种的遗传稳定性。防止基因组的不稳定性、癌症和细胞死亡。第四节 DNA损伤和修复的参考标志 生物标记物一、甲基化损伤的基因型标记物： 1. MGMT突变 O6-甲基鸟嘌呤鸟嘌呤烷化剂O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶MGMT甲基半胱氨酸鸟嘌呤过表达MGMT的转基因小鼠肺癌发生率减少 二、与切除修复相关的酶和基因： 1.大肠杆菌Uvr基因家族 radl1、 radl2 、radl3、 radl4、 radl7、 radl10、 radl14、 radl16、 radl23等