分子生物学--第15章-DNA损伤与修复

目录DNA损伤与修复DNADamageandRepair第十五章目录目的与要求学时：21.掌握：DNA损伤的类型2.掌握：DNA损伤修复的方式3.了解：DNA损伤、修复的意义4.了解：DNA损伤的因素目录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（DNAdamage）电离辐射烷化剂复制错误核苷类似物目录其一，DNA的结构发生永久性改变，即突变其二，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:目录DNA损伤DNADamage第一节目录一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤（一）体内因素DNA复制错误DNA自身的不稳定性机体代谢过程中产生的活性氧2017年3月科学杂志论文：癌症发生的原因中运气不好占66.1%。目录DNA复制错误：1.碱基错配互变异构移位（tautomericshift）:碱基发生了酮式-烯醇式或氨基-亚氨基异构体互变，造成碱基配对发生改变，使复制后的子链上出现错误。目录目录2.复制打滑目录脆性X综合征X染色体上(CGG)n重复序列的拷贝数增加。在男性中的发病率为1/1000~1/1500，在所有男性智力低下患者约10%~20~为本病所引起。目录肌强直性营养不良19号染色体上编码肌强直性蛋白激酶Dystrophiamyotonicaproteinkinase(DMPK)3’-UTR区(CTG)n重复序列扩增导致。多见于青春期后，男多于女。主要症状为肌无力、肌萎缩和肌强直。面容瘦长，颧骨隆起，呈斧状脸，颈消瘦而稍前屈。骨骼肌收缩后松弛显著延迟，导致明显的肌肉僵硬目录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发生水解，导致碱基的丢失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍。目录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。目录活性氧（ROS）：反应活性很高的含氧自由基和H2O2。自由基：外层轨道带有未配对电子的原子、原子团或分子。（·O2-和·OH等）含氧自由基可造成碱基的氧化，如8-氧鸟嘌呤（7,8-oxoG,GO）可与C或A配对，造成G-C→T-A的颠换。机体代谢过程中产生的活性氧目录羟自由基作用：破坏碱基结构核糖分解DNA链断裂DNA链、蛋白质的交联目录（二）体外因素物理因素化学因素生物因素目录物理因素：电离辐射（核辐射、各种射线）、非电离辐射（紫外线、各种电器发出的辐射）岡崎化学因素：自由基碱基类似物碱基修饰剂、烷化剂嵌入性染料目录•5-BrdU（酮式-A；烯醇式-G）(T碱基类似物）•亚硝酸盐氧化脱氨（C→U）（碱基修饰）•SAM使G甲基化（G与T配对）（烷化剂）•黄曲霉素B（攻击碱基，书235页）•吖啶类化合物:吖啶橙(嵌入染料)目录嵌入染料目录物理和化学因素对DNA的损伤目录二、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根据DNA结构的改变分为：目录碱基脱落目录碱基结构破坏导致碱基之间发生错配EMS(甲基磺酸乙酯)目录嘧啶二聚体目录DNA链发生断裂：目录DNA损伤的类型（从损伤后果上）碱基置换缺失插入链的断裂转换颠换目录DNA损伤的后果信号传导异常长期效应衰老肿瘤疾病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基因表达异常基因组不稳定目录DNA损伤的修复TherepairofDNAdamage第二节目录托马斯·林达尔（TomasRobertLindahl）1938年1月28日出生，瑞典医学家，专门从事癌症研究，挪威科学和文学研究院的成员。发现碱基切除修复。保罗·莫德里奇（PaulModrich），1946年出生，美国科学家，在杜克大学担任生物化学教授，以及在霍华德休斯医学研究所担任研究员。发现DNA错配修复。阿齐兹·桑贾尔（AzizSancar），1946年生于土耳其萨武尔，美国和土耳其国籍生物学家，专门从事DNA修复、细胞周期检查点、生物钟方面的研究。直接观察到了光解酶修复胸腺嘧啶二聚体的过程。2015诺贝尔化学奖获奖理由是“DNA修复的细胞机制研究”目录常见的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、XPC……XPG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聚合酶目录常见的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）错配修复目录一、直接修复嘧啶二聚体的直接修复（光复活酶）烷基化碱基的直接修复（烷基转移酶）无嘌呤位点的直接修复（DNA嘌呤插入酶）单链断裂的直接修复（DNA连接酶）直接修复是最简单的一种DNA损伤修复方式，修复酶直接作用于受损的DNA，将之恢复为原来的结构。目录UVPotolyase（光修复酶）300-600nm嘧啶二聚体的直接修复目录烷基化碱基的直接修复目录二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式碱基切除修复核苷酸切除修复碱基错配修复目录碱基切除修复（baseexcisionrepair）识别受损的碱基目录核苷酸切除修复(nucleotideexcisionrepair,NER）4步反应组成：由特殊的蛋白质探测损伤，并引发一系列蛋白质与损伤部位的有序结合。由特殊的内切酶在损伤部位的两侧切开DNA链，去除2个切口之间的带有损伤的DNA片段，形成缺口。由DNApol填补缺口。由DNA连接酶连接切口。识别损伤对DNA双螺旋结构所造成的扭曲。目录E.coli的NER主要由4种蛋白质组成：UvrAUvrBUvrCUvrD目录核苷酸切除修复(全基因组修复–真核生物）目录目录核苷酸切除修复(转录偶联修复-人类)目录着色性干皮病(Xerodermapigmentosum,XP)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。皮肤干燥。数年内发生基底细胞癌、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底细胞癌等恶性肿瘤。目录着色性干皮病患儿脸部特征目录着色性干皮病的并发症目录着色性干皮病的治疗•避免紫外线照射•避免肿瘤致病因子•对症治疗目录碱基错配修复（mismatchrepair）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：①复制与重组中出现的碱基配对错误；②因碱基损伤所致的碱基配对错误；③碱基插入；④碱基缺失。目录大肠杆菌错配修复系统组成:甲基化酶（如DNA腺嘌呤甲基化酶，即m6A甲基化酶）DNApolymeraseⅢ填补单链DNA缺口Helicase、SSB、核酸外切酶(Ⅰ和Ⅶ)、连接酶MCE(mismatchcorrectenzyme)3subunitsMutH,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区段目录错配修复目录错配修复目录•MSH（MutShomologs）蛋白•与MutL同源的MLH和PMS蛋白•真核细胞错配修复系统无MutH，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。•真核细胞碱基错配修复系统：目录三、DNA严重损伤时需要重组修复同源重组修复非同源末端连接的重组修复双链断裂修复：目录同源重组修复（人）:最简单、最常用的双链断裂修复方式需同源序列X目录同源重组修复目录非同源末端连接的重组修复目录四、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合成跨越损伤修复保留错误的修复。修复大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤。目录重组跨越损伤修复——复制后修复RecA,B,C“稀释”效应“拆东墙补西墙”目录SOS修复中LexA-RecA操纵子的作用机制合成跨越损伤修复目录常见的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、XPC……XPG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聚合酶目录DNA损伤和修复的意义ThesignificanceofDNAdamageandrepair第三节目录一、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目录（一）突变是进化的分子基础（二）只有基因型改变的突变（三）突变是某些疾病的发病基础（四）突变导致死亡目录二、DNA损伤修复障碍与肿瘤等多种疾病相关DNA损伤与肿瘤、衰老以及免疫性疾病等多种疾病的发生有着密切的关联目录思考题：试说明DNA损伤的几种类型及修复合成主要方式的名称。试述核苷酸切除修复的过程。