DNA损伤与修复

第六章DNA损伤与修复DNAdamageandrepair分子生物学研究中心第一节DNA损伤的原因及后果电离辐射可见光H+烷化剂8-oxoGP/P复制错误核苷类似物mCUDNA损伤类型•碱基脱落•碱基修饰&去氨基化•化学修饰•光损伤•链内交联•DNA-蛋白质交联•DNA链断裂•DNA重组缺失碱基位点化学损伤甲基化甲基化甲基化氧化损伤氧化损伤DNA受到大剂量紫外线照射时，形成二聚体紫外线可引起DNA的交联,DNA与蛋白质的交联。电离辐射引起DNA损伤的机理电离辐射引起DNA损伤的机制•自由基损害•损伤DNA修复系统•MCI假说电离辐射引起DNA损伤的类型•产生·OH自由基，导致碱基变化•脱氧核糖分解•DNA链断裂•DNA链、蛋白质的交联电离辐射导致DNA链的断裂单链断裂：无差错修复双链断裂：错误修复C烷化剂引起DNA损伤碱基烷基化:G–C→A–T碱基脱落:甲基磺酸甲酯可使鸟嘌呤7N烷基化，活化β—糖苷键，连接碱基与五碳糖间的共价键变弱，容易折断缺失碱基，造成脱嘌呤作用。•导致DNA断链:磷酸二酯键上的氧被烷基化•导致DNA链交联•5-BrdU（酮式-A；烯醇式-G）碱基类似物、修饰剂对DNA的改变•亚硝酸盐氧化脱氨（C→U）•羟胺脱甲基（T→C）•黄曲霉素B（攻击碱基）DNA自发性损伤碱基错配Mismatch互变异构移位•脱氨基作用(环外氨基)•碱基丢失→自发水解碱基修饰与链断裂碱基异构式引起DNA复制的错配错误配对G(k)T(e)A(a)C(i)A(i)C(a)G(e)T(k)G(k)C(a)正确配对A(a)T(k)环出效应其它因素引起DNA损伤•吖啶类化合物:吖啶橙扁平染料分子(不等交换)•氧自由基(加成反应\小自由基反应)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DNA损伤后分子的最终改变•点突变：转换与颠换•缺失•插入•倒位或转位•DNA断裂DNA重排DNA分子内发生较大片段的交换，可以在同一染色体的两条链间发生，也可在不同染色体之间发生，可以是原来的方向或颠倒的方向。第二节DNA修复DNA的修复主要类型:直接修复光裂合酶修复切除修复重组修复跨损伤修复(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（1）DNA断裂口直接修复：在DNA5'-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。（2）DNA紫外线损伤的光复合酶直接修复（3）烷基化碱基的直接修复在大肠杆菌中的Ada酶，可修复甲基化的碱基和甲基化的磷酸二酯键。⑷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,是切除修复的一种。•受损碱基移除是由多个酶来完成的。•主要针对DNA单链断裂和小的碱基改变及氧化性损伤。(4)BaseExcisionRepairDNA的损伤的切除修复碱基缺陷或错配碱基丢失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AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶插入酶碱基取代⑸核苷酸切除修复•体内识别DNA损伤最多的修复通路•主要修复扭曲双螺旋结构的DNA损伤以及阻断基因转录和不识别任何特殊的碱基损失，而是识别双螺旋形状的改变。•不识别任何特殊的碱基损失，而是识别双螺旋形状的改变；修复时切除含有损伤碱基的那一段DNA。(5)核苷酸切除修复(大肠杆菌)核苷酸切除修复(基因组修复–人)核苷酸切除修复(转录偶联修复-人类)GGR和TCR的共同修复通路错配修复校正活性所漏校的碱基,使复制的保真性提高102～103倍错配修复系统(MRSMismatchRepairSystem)DNApol(ξ=10-8)经第二次校正ξ=10-11♪错配修复系统组成（Mismatchrepairsystem）DNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)DNApolymeraseⅢ填补单链DNA缺口HelicaseSSB外切核酸酶(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区段错配修复错配修复大肠杆菌DNA甲基化位点新合成的DNAMis-pairedbases错配修复重组修复机制重组修复☆DNA于复制时会越过受损区域进行复制☆经重组修复，受损的DNA仍然存在于子代的一个细胞中。☆重组修复不会浪费时间，重组修复可让负伤的DNA在细胞中仍可照常进行分裂。•非同源末端连接：DNA分子之间不需要广泛的同源性，主要是在免疫球蛋白重组时对DNA双链进行连接，在细胞有丝分裂G1/G0期起主要作用。重组修复根据DNA末端连接需要的同源性，分为•同源重组：需要多种蛋白参与；也修复DNA复制中的差错；在减数分裂、细胞有丝分裂后期S/G2期起主要作用。(7)SOS修复Irradiationofbacteriabeforevirusinfectionenhancedrepairofdamagedviralgenesbutledtomutations.UVUV’dT4phageE.coliFewsurvivingphageUV’dT4phageE.coliHigherfrequencyofsurvivingphage,butmanymutants.SOS修复诱导DNA聚合酶活性•LexA(一种DNA结合抑制蛋白),umuC和umuD,编码DNA聚合酶活性,允许复制跨过损伤位点,常插入一个或几个A碱基.AGCTAGTCAT/TCAGTCAGCTAGTCAT/TCAGTCTCGATCANNNNGTCAGReplicationstopsatT/TdimerError-pronepolymeraseallowsreplicationtoproceed,albeitinaccuratelySOSresponse: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正常复制时（无复制受阻，无DNA损伤，无TTdimer）RecA-p不表现proteinase活性当DNA复制受阻/DNAdamaged细胞内原少量表达的RecA-p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SOSopen当DNA复制度过难关后RecA-p很快消失LexAgeneonSOSoffSOS修复•DNA复制不很严格，新合成的DNA容易造成错误产生突变。线粒体损伤和修复•线粒体的氧化损伤:单链断裂、双链断裂、碱基修饰、DNA交联、烷化损伤•线粒体的损伤修复：碱基切除修复、错配修复DNA修复•维持DNA序列的保真性；•可在复制前后进行；•有多种修复机制来纠正DNA损伤；•DNA修复失败可能导致突变和肿瘤。细胞周期检查点控制真核生物细胞DNA受到损伤时细胞除了诱导修复基因的转录外，还可暂时阻断细胞周期，防止受损DNA继续复制，如无法修复，则可诱导细胞进入凋亡。这些都是细胞通过细胞周期检查点控制（checkpointcontrol，又称关卡控制）对DNA损伤的应答反应。酵母细胞的细胞周期检查点控制机制DNA损伤在S期DNA损伤在G1和G2期G1SG2MPOL2RFC5DPB11RAD9RAD17RAD24MEC3MEC1,TEL1RAD53哺乳类动物的细胞周期检查点控制机制DNA损伤P21Gadd45BaxP53CDK/cyclinGadd45Gadd45-PCNABlockingcellcycleExcisionrepairingCellapoptosis第三节DNA损伤和修复的生物参考标志一、甲基化损伤修复相关基因甲基转移酶（MGMT）把O6-甲基鸟嘌呤的甲基转移到自身的半胱氨酸残基上，修复甲基化的DNA。MGMT突变可作为甲基化损伤的基因型标记物。二、切除修复相关的酶和基因•尿嘧啶糖基化酶为主要的始动因素，可作为DNA损伤的生物标记物。•大肠杆菌Uvr基因家族、人ecrr基因和切除修复基因等三、错配修复相关基因•MSH2、MLH1等蛋白参与错配修复，而错配修复的缺陷往往是癌变的第一步。•错配修复基因：Muthls系统、人类的hmsh2/3、hpmsl1/2、Mutsa、msh6。•错配修复基因的微卫星序列的不稳定性（microsatelliteinstability，MI）四、DNA聚合酶β•DNA聚合酶β参与辐射损伤和化学损伤的修复，并对细胞的生长具有调节作用。•DNA聚合酶β的突变可导致碱基切除修复功能的缺陷。五、DNA加合物也可作为修复功能的生物标记物DNA加合物可作为DNA损伤的暴露标记物和效应标记物，其去除的速度也可作为DNA修复功能的生物标记物。DNA损伤和修复的生物学意义•避免基因组的不稳定性、癌症和细胞死亡是至关重要的。•DNA修复途径可以识别和修复特异的DNA损伤，保证生物物种的遗传稳定性。与DNA修复有关的人类遗传疾病：•着色性干皮病(Xerodermapigmentosum)•布伦氏症候群(Bloom’ssyndrome)•遗传性大肠癌(Hereditarynonpolyposiscoloncancer；HNPCC)着色性干皮病(Xerodermapigmentosum)•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。着色性干皮病患儿脸部特征着色性干皮病背部,着色性干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•避免紫外线照射•避免肿瘤致病因子•对症治疗遗传性大肠癌的临床特征•发病早(~45岁)•肿瘤好发部位•肠外肿瘤的类型遗传性大肠癌(HNPCC)•息肉较少•30-60%有内膜肿瘤•恶性肿瘤好发部位•胰腺癌发生率大肠癌发生的危险因素(CRC)020406080100GeneralpopulationPersonalhistoryofcolorectalneoplasiaInflammatoryboweldiseaseHNPCCmutationFAP5%15%–20%15%–40%70%–80%95%Lifetimerisk(%)错配基因的改变多发性家族性结肠癌多发性家族性结肠癌错配基因的改变:MSH2,MSH6,PMS1，MLH1,MSH3,PMS2.HNPCC中错配基因突变的概率MSH2~30%MLH1~30%PMS1(rare)PMS2(rare)MSH6(rare)Unknown~30%SporadicFamilialHNPCCFAPRareCRCsyndromesLiuBetal.NatMed2:169,1996HNPCC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NCCNpracticeguidelinesinoncology–v.1.2003你该怎么做?