分子生物学第章-DNA损伤与修复.ppt

DNA损伤与修复损伤与修复 DNA Damage and Repair第十五章第十五章目的与要求目的与要求学时：学时：21.掌握：掌握：DNA 损伤的类型损伤的类型2.掌握：掌握：DNA损伤修复的方式损伤修复的方式3.了解：了解：DNA损伤、修复的意义损伤、修复的意义4.了解：了解：DNA损伤的因素损伤的因素各各种种体体内内外外因因素素所所导导致致的的DNA组组成成与与结结构构的的变化称为变化称为DNA损伤（损伤（DNA damage）电离辐射电离辐射氧自氧自由基由基烷化剂烷化剂复制错误复制错误核苷类似物核苷类似物其一，其一，DNA的结构发生永久性改变，即的结构发生永久性改变，即突变突变 其二，其二，导致导致DNA失去作为复制和失去作为复制和/或转录或转录的模板的功能的模板的功能 DNA损伤的后果损伤的后果:DNA损伤DNA Damage第一第一节一、多种因素通过不同机制一、多种因素通过不同机制导致导致DNA损伤损伤（一）体内因素（一）体内因素 DNA复制错误复制错误 DNA自身的不稳定性自身的不稳定性 机体代谢过程中产生的活性氧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%。nDNA复制错误：复制错误：1.碱基错配碱基错配互变异构移位（互变异构移位（tautomeric shift）:碱基发生了酮式碱基发生了酮式-烯烯醇式或氨基醇式或氨基-亚氨基异构体互变，造成碱基配对发生改亚氨基异构体互变，造成碱基配对发生改变，使复制后的子链上出现错误。变，使复制后的子链上出现错误。2.复制打滑复制打滑脆性脆性X综合征综合征 X染色体上染色体上(CGG)n重复序列的拷贝数增加。重复序列的拷贝数增加。在男性中的发病率为在男性中的发病率为1/10001/1500，在所有男性智力低，在所有男性智力低下患者约下患者约10%20为本病所引起。为本病所引起。n肌强直性营养不良肌强直性营养不良n 19号染色体上编码肌强直性号染色体上编码肌强直性蛋白激酶蛋白激酶Dystrophia myotonica protein kinase(DMPK)3-UTR 区区(CTG)n重复序列扩增导致。重复序列扩增导致。n多见于青春期后，男多于多见于青春期后，男多于女。主要症状为肌无力、女。主要症状为肌无力、肌萎缩和肌强直。肌萎缩和肌强直。面容瘦长，颧骨隆起，呈斧状脸，颈消面容瘦长，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迟，导致明显的肌肉僵硬nDNA自身的不稳定性自身的不稳定性 ：DNADNA结构自身的不稳定性结构自身的不稳定性是是DNADNA自发性损伤中最频繁和自发性损伤中最频繁和最重要的因素。最重要的因素。当当DNADNA受热或所处环境的受热或所处环境的pHpH值发生改变时，值发生改变时，DNADNA分子上分子上连接连接碱基和核糖之间的糖苷键碱基和核糖之间的糖苷键可自发发生水解，导致碱基可自发发生水解，导致碱基的的丢失丢失或或脱落脱落，其中以，其中以脱嘌呤脱嘌呤最为普遍。最为普遍。n含有氨基的碱基还含有氨基的碱基还可能可能自发脱氨基反自发脱氨基反应应，转变为另一种，转变为另一种碱基，即碱基，即碱基的转碱基的转变变，如，如C转变为转变为U，A转变为转变为I（次黄嘌（次黄嘌呤）等。呤）等。活性氧（活性氧（ROSROS）：）：反应活性很高的含氧自由基和反应活性很高的含氧自由基和H H2 2O O2 2。自由基：自由基：外层轨道带有未配对电子的原子、原子团或分外层轨道带有未配对电子的原子、原子团或分子。（子。（O O2 2-和和OHOH等）等）含氧自由基可造成含氧自由基可造成碱基的氧化碱基的氧化，如，如8-8-氧鸟嘌呤（氧鸟嘌呤（7,8-7,8-oxoG,GOoxoG,GO）可与）可与C C或或A A配对，造成配对，造成G-C T-AG-C T-A的颠换。的颠换。n机体代谢过程中产生的活性氧机体代谢过程中产生的活性氧羟自由基作用：羟自由基作用：破坏碱基结构破坏碱基结构核糖分解核糖分解DNADNA链断裂链断裂DNADNA链、蛋白质的交联链、蛋白质的交联（二）体外因素（二）体外因素物理因素物理因素化学因素化学因素生物因素生物因素n物理因素：物理因素：电离辐射电离辐射（核辐射、各种射线）、非电（核辐射、各种射线）、非电离辐射（离辐射（紫外线紫外线、各种电器发出的辐射）、各种电器发出的辐射）岡崎岡崎n化学因素：化学因素：自由基自由基碱基碱基类类似物似物碱基修碱基修饰剂饰剂、烷烷化化剂剂嵌入性染料嵌入性染料 5-BrdU（酮式（酮式-A；烯醇式烯醇式-G）(T碱基类似物碱基类似物）亚硝酸盐氧化脱氨亚硝酸盐氧化脱氨（CU）（）（碱基修饰碱基修饰）SAM使使G甲基化（甲基化（G与与T配对）（配对）（烷化剂烷化剂）黄曲霉素黄曲霉素B（攻击碱基，书攻击碱基，书235页页）吖啶类化合物吖啶类化合物:吖啶橙吖啶橙 (嵌入染料嵌入染料)嵌入染料嵌入染料物理和化学因素对物理和化学因素对DNA的损伤的损伤 二、二、DNA损伤有多种类型损伤有多种类型 碱基脱落碱基脱落碱基结构破坏碱基结构破坏嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体形成DNA单链或双链断裂单链或双链断裂DNA交联交联n根据根据DNA结构的改变分为：结构的改变分为：碱基脱落碱基脱落n碱基结构碱基结构破坏导致碱基之间发生错配破坏导致碱基之间发生错配 EMS(甲基磺酸乙酯)n嘧啶二聚体嘧啶二聚体nDNA链发生断裂：链发生断裂：DNA损伤的类型（从损伤后果上）损伤的类型（从损伤后果上）碱基置换碱基置换缺失缺失 插入插入 链的断裂链的断裂 转换转换颠换颠换DNA损伤的后果信号传导异常信号传导异常长期效应长期效应衰老肿瘤疾病DNA DNA 修复机制修复机制短期效应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表达异常基因组不稳定基因组不稳定DNA损伤的修复的修复The repair of DNA damage第二第二节托马斯林达尔（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。发现碱碱基基切切除除修复修复。保罗莫德里奇（Paul Modrich），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错配修复错配修复。阿齐兹桑贾尔（Aziz Sancar），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。直接观察到了光光解解酶酶修修复复胸胸腺腺嘧嘧啶啶二二聚体的过程聚体的过程。2015诺贝尔化学奖获奖理由是“DNA修复的细胞机制研究”常见的常见的DNA损伤修复途径损伤修复途径 修复途径修复途径 修复对象修复对象 参与修复的酶或蛋白参与修复的酶或蛋白 光复活修复光复活修复 嘧啶二聚体嘧啶二聚体 光复活酶光复活酶 碱基切除修复碱基切除修复 受损的碱基受损的碱基 DNADNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶 核苷酸切除修核苷酸切除修复复 嘧啶二聚体、嘧啶二聚体、DNADNA螺螺旋结构的改变旋结构的改变 大肠杆菌中大肠杆菌中UvrAUvrA、UvrBUvrB、UvrCUvrC和和UvrDUvrD，人，人XPXP系列蛋白系列蛋白XPAXPA、XPBXPB、XPCXPCXPGXPG等等 错配修复错配修复 复制或重组中的碱基复制或重组中的碱基配对错误配对错误 大肠杆菌中的大肠杆菌中的MutHMutH、MutLMutL、MutSMutS，人，人的的MLH1MLH1、MSH2MSH2、MSH3MSH3、MSH6MSH6等等 重组修复重组修复 双链断裂双链断裂 RecARecA蛋白、蛋白、KuKu蛋白、蛋白、DNA-PKcsDNA-PKcs、XRCC4XRCC4 损伤跨越修复损伤跨越修复 大范围的损伤或复制大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤中来不及修复的损伤 RecARecA蛋白、蛋白、LexALexA蛋白、其他类型蛋白、其他类型DNADNA聚聚合酶合酶 常见的DNA损伤及其修复机制 DNADNA损伤因素损伤因素 DNADNA损伤类型损伤类型修复机制修复机制X X射线、氧自由基、射线、氧自由基、烷化剂烷化剂 自发脱碱基自发脱碱基单链断裂单链断裂、无碱基位点、氧化性碱、无碱基位点、氧化性碱基基（如如8 8-氧鸟嘌呤氧鸟嘌呤）脲嘧啶脲嘧啶碱基切除修复碱基切除修复紫外线和多环芳烃紫外线和多环芳烃环丁烷嘧啶二聚体等大的紫外线光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产物和稳定的多环芳烃化合物等大分子分子DNADNA加合物加合物核苷酸切除修核苷酸切除修复复抗癌药抗癌药（如顺铂和丝如顺铂和丝裂霉素裂霉素）双链断裂和链间交联双链断裂和链间交联双链断裂修复双链断裂修复（同源重组修同源重组修复和末端连接复和末端连接）复制错误和烷化剂复制错误和烷化剂碱基错配和缺失碱基错配和缺失（插入插入）错配修复错配修复一、直接修复一、直接修复 嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复（光复活酶）（光复活酶）烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复 （烷基转移酶）（烷基转移酶）无嘌呤位点的直接修复无嘌呤位点的直接修复 （DNA嘌呤插入酶）嘌呤插入酶）单链断裂的直接修复单链断裂的直接修复 （DNA连接酶）连接酶）直接修复是最简单的一种直接修复是最简单的一种DNADNA损伤修复方式，损伤修复方式，修复酶直接作用于受损的修复酶直接作用于受损的DNADNA，将之恢复为原来的，将之恢复为原来的结构。结构。UVPotolyase（光修复酶光修复酶）300-600nmn嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复n烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复二、切除修复是最普遍的二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式损伤修复方式 碱基切除修复碱基切除修复 核苷酸切除修复核苷酸切除修复碱基错配修复碱基错配修复 n碱基切除修复碱基切除修复（base excision repair）识别受损的碱基核苷酸切除修复核苷酸切除修复(nucleotide excision repair,NER）4步反应组成：步反应组成：由特殊的蛋白质探测损伤，并引发一系列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。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由特殊的内切酶在损伤部位的两侧切开DNA链，去除链，去除2个切口之间的带有损伤的个切口之间的带有损伤的DNA片片段，形成缺口。段，形成缺口。由由DNA pol填补缺口。填补缺口。由由DNA连接酶连接切口连接酶连接切口 。识别损伤对识别损伤对DNA双螺旋结构所造成的扭曲。双螺旋结构所造成的扭曲。E.coli的的NER主要由主要由4种种蛋白质组成：蛋白质组成：UvrAUvrBUvrCUvrD 核苷酸切除修复(全基因组修复真核生物）核苷酸切除修复(转录偶联修复-人类)着着色性色性干干皮病皮病(Xeroderma pigmentosum,XP)是一种隐性遗传性疾病，有些呈性联遗传。因核酸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内切酶异常造成DNADNA修复障碍所致。临床以光暴露部位色修复障碍所致。临床以光暴露部位色素增加和角化及癌变为特征。素增加和角化及癌变为特征。1.1.幼年发病，常有家族发病史。幼年发病，常有家族发病史。2.2.面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，伴毛细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。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。数年内发生基底细胞癌、鳞癌及恶性黑素瘤。3.3.皮肤和眼对日光敏感。皮肤和眼对日光敏感。4.4.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岁前因恶性肿瘤岁前因恶性肿瘤 而死亡。而死亡。5.5.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。癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。着着色性色性干干皮病皮病患儿脸部特征患儿脸部特征着着色性色性干干皮皮病病的并发症的并发症着着色性色性干干皮病皮病的治疗的治疗避免紫外线照射避免紫外线照射 避免肿瘤致病因子避免肿瘤致病因子对症治疗对症治疗n碱基错配修复碱基错配修复（mismatch repair）错配是指非错配是指非Watson-CrickWatson-Crick碱基配对。碱基配对。碱碱基基错错配配修修复复也也可可被被看看作作是是碱碱基基切切除除修修复复的的一一种特殊形式，主要负责纠正：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；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；因碱基损伤所致的碱基配对错误；碱基插入；碱基插入；碱基缺失。碱基缺失。大肠杆菌错配修复系统组成大肠杆菌错配修复系统组成:甲基化酶（如甲基化酶（如DNA腺嘌呤甲基化酶，即腺嘌呤甲基化酶，即m6A甲基化酶）甲基化酶）DNA polymerase 填补单链填补单链 DNA 缺口缺口Helicase、SSB、核酸外切酶、核酸外切酶(和和)、连接酶、连接酶MCE(mismatch correct enzyme)3 subunits Mut H,L,S 扫描新生链中错配碱基扫描新生链中错配碱基识别新生链中非识别新生链中非 m6A 的的GATC序列序列酶切含错配碱基的酶切含错配碱基的DNA区段区段错配修复错配修复 错配修复MSH（MutS homologs）蛋白）蛋白与与MutL同源的同源的MLH和和PMS蛋白蛋白真核细胞错配修复系统无真核细胞错配修复系统无MutH，也无半甲基化，也无半甲基化标记母链。标记母链。错配修复系统利用冈崎片段连接前的错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺口缺口辨别错配碱基所在的辨别错配碱基所在的DNA链。链。真核细胞碱基错配修复系统：真核细胞碱基错配修复系统：三、三、DNA严重损伤时需要重组修复严重损伤时需要重组修复 同源重组修复同源重组修复 非同源末端连接的重组修复非同源末端连接的重组修复 双链断裂修复：双链断裂修复：同源重组修复（人）同源重组修复（人）:最简单、最常用的双链最简单、最常用的双链断裂修复方式断裂修复方式需同源序列需同源序列X同源重组修复同源重组修复非同源末端连接的重组修复非同源末端连接的重组修复 四、某些修复发生在跨越损伤四、某些修复发生在跨越损伤DNA的复制事件之后的复制事件之后 重组跨越损伤修复重组跨越损伤修复 合成跨越损伤修复合成跨越损伤修复 保留错误的修复。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。修复大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤。重组跨越损伤重组跨越损伤修复修复 复制后修复复制后修复Rec A,B,C“稀释稀释”效应效应“拆东墙补西墙拆东墙补西墙”SOS修复中修复中LexA-RecA操纵子的作操纵子的作用机制用机制 合成跨越损伤修复合成跨越损伤修复 常见的常见的DNA损伤修复途径损伤修复途径 修复途径修复途径 修复对象修复对象 参与修复的酶或蛋白参与修复的酶或蛋白 光复活修复光复活修复 嘧啶二聚体嘧啶二聚体 光复活酶光复活酶 碱基切除修复碱基切除修复 受损的碱基受损的碱基 DNADNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶 核苷酸切除修核苷酸切除修复复 嘧啶二聚体、嘧啶二聚体、DNADNA螺螺旋结构的改变旋结构的改变 大肠杆菌中大肠杆菌中UvrAUvrA、UvrBUvrB、UvrCUvrC和和UvrDUvrD，人，人XPXP系列蛋白系列蛋白XPAXPA、XPBXPB、XPCXPCXPGXPG等等 错配修复错配修复 复制或重组中的碱基复制或重组中的碱基配对错误配对错误 大肠杆菌中的大肠杆菌中的MutHMutH、MutLMutL、MutSMutS，人，人的的MLH1MLH1、MSH2MSH2、MSH3MSH3、MSH6MSH6等等 重组修复重组修复 双链断裂双链断裂 RecARecA蛋白、蛋白、KuKu蛋白、蛋白、DNA-PKcsDNA-PKcs、XRCC4XRCC4 损伤跨越修复损伤跨越修复 大范围的损伤或复制大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤中来不及修复的损伤 RecARecA蛋白、蛋白、LexALexA蛋白、其他类型蛋白、其他类型DNADNA聚聚合酶合酶 DNA损伤和修复的意和修复的意义The significance of DNA damage and repair第三第三节一、一、DNA损伤具有双重效应损伤具有双重效应 一是给一是给DNADNA带来永久性的改变即带来永久性的改变即突变突变，可能，可能改变基因的编码序列或者基因的调控序列；改变基因的编码序列或者基因的调控序列；二是二是DNADNA的这些改变使得的这些改变使得DNADNA不能用作复不能用作复制和转录的模板，使细胞的功能出现障碍，制和转录的模板，使细胞的功能出现障碍，重则重则死亡死亡。nDNA损伤通常有两个生物学后果损伤通常有两个生物学后果（一）突变是进化的分子基础（一）突变是进化的分子基础（二）只有基因型改变的（二）只有基因型改变的突变突变（三）（三）突变是某些疾病的发病基础突变是某些疾病的发病基础（四）（四）突变导致死亡突变导致死亡二、二、DNA损伤修复障碍与肿瘤等损伤修复障碍与肿瘤等多种疾病相关多种疾病相关 DNADNA损伤与损伤与肿瘤肿瘤、衰老衰老以及以及免疫性疾病免疫性疾病等多种疾病的发生有着密切的关联等多种疾病的发生有着密切的关联 思考题：思考题：试说明试说明DNA损伤的几种类型及修复损伤的几种类型及修复合成主要方式的名称。合成主要方式的名称。试述核苷酸切除修复的过程。试述核苷酸切除修复的过程。