DNA損傷與修復(fù)

1、第六章第六章 分子生物學(xué)研究中心分子生物學(xué)研究中心第一節(jié)第一節(jié) DNA損傷的原因及后果損傷的原因及后果電離輻射電離輻射可可見見光光氧自氧自由基由基H+烷化劑烷化劑8-oxoGP/P復(fù)制錯(cuò)誤復(fù)制錯(cuò)誤核苷類似物核苷類似物mCUDNA 損傷類型 堿基脫落 堿基修飾 & 去氨基化 化學(xué)修飾 光損傷 鏈內(nèi)交聯(lián) DNA-蛋白質(zhì) 交聯(lián) DNA鏈斷裂 DNA 重組缺失堿基位點(diǎn)缺失堿基位點(diǎn)化學(xué)損傷化學(xué)損傷甲基化甲基化甲基化甲基化甲基化甲基化氧化損傷氧化損傷氧化損傷氧化損傷DNA受到大劑量紫外線照射時(shí)，形成二聚體受到大劑量紫外線照射時(shí)，形成二聚體紫外線可引起紫外線可引起DNA的交聯(lián)的交聯(lián), DNA與蛋白質(zhì)的交聯(lián)。

2、與蛋白質(zhì)的交聯(lián)。電離輻射引起電離輻射引起DNADNA損傷的機(jī)理?yè)p傷的機(jī)理電離輻射引起電離輻射引起DNADNA損傷的機(jī)制損傷的機(jī)制 自由基損害自由基損害 損傷損傷DNA修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)系統(tǒng) MCI 假說(shuō)假說(shuō)電離輻射引起電離輻射引起DNADNA損傷的類型損傷的類型 產(chǎn)生產(chǎn)生 OH自由基，導(dǎo)致自由基，導(dǎo)致堿基堿基變化變化 脫氧核糖脫氧核糖分解分解 DNA鏈鏈斷裂斷裂 DNA鏈、蛋白質(zhì)的鏈、蛋白質(zhì)的交聯(lián)交聯(lián)DNADNA鏈的斷裂鏈的斷裂C烷化劑引起烷化劑引起DNADNA損傷損傷n 堿基烷基化堿基烷基化: GC ATn 堿基脫落堿基脫落: 甲基磺酸甲酯可使鳥嘌呤7N烷基化，活化糖苷鍵，連接堿基與五碳糖間的共價(jià)

3、鍵變?nèi)?，容易折斷缺失堿基，造成脫嘌呤作用。 導(dǎo)致導(dǎo)致DNA斷鏈斷鏈: 磷酸二酯鍵上的氧被烷基化 導(dǎo)致導(dǎo)致DNA鏈交聯(lián)鏈交聯(lián) 5-BrdU （酮式-A； 烯醇式-G）堿基類似物、修飾劑對(duì)堿基類似物、修飾劑對(duì)DNADNA的改變的改變 亞硝酸鹽氧化脫氨 （CU） 羥胺脫甲基 （TC） 黃曲霉素B （攻擊堿基）DNADNA自發(fā)性損傷自發(fā)性損傷n 堿基錯(cuò)配堿基錯(cuò)配 Mismatchn 互變異構(gòu)移位互變異構(gòu)移位 脫氨基作用脫氨基作用 (環(huán)外氨基) 堿基丟失堿基丟失 自發(fā)水解n 堿基修飾與鏈斷裂堿基修飾與鏈斷裂堿基異構(gòu)式引起堿基異構(gòu)式引起DNADNA復(fù)制的錯(cuò)配復(fù)制的錯(cuò)配錯(cuò)誤配對(duì)錯(cuò)誤配對(duì) G(k) T(e)

4、A(a) C(i) A(i) C(a) G(e) T(k) G(k) C(a) 正確配對(duì)正確配對(duì) A(a) T(k) 環(huán)出效應(yīng)環(huán)出效應(yīng)其它因素引起其它因素引起DNADNA損損傷傷 吖啶類化合物: 吖啶橙吖啶橙 扁平染料分子扁平染料分子 (不等交換) 氧自由基 (加成反應(yīng) 小自由基反應(yīng))DNADNA損傷的后果損傷的后果信號(hào)傳導(dǎo)異常信號(hào)傳導(dǎo)異常老化老化腫瘤腫瘤疾病疾病異常增生和代謝異常增生和代謝生理功能紊亂生理功能紊亂細(xì)胞死亡細(xì)胞死亡細(xì)胞增殖減少細(xì)胞增殖減少基因表達(dá)異?；虮磉_(dá)異?；蚪M不穩(wěn)定基因組不穩(wěn)定DNADNA損傷后分子的最終改變損傷后分子的最終改變 點(diǎn)突變點(diǎn)突變 ： 轉(zhuǎn)換與顛換 缺失缺失

5、插入插入 倒位或轉(zhuǎn)位倒位或轉(zhuǎn)位 DNA斷裂斷裂DNADNA重排重排 DNA分子內(nèi)發(fā)生較大片段的交換，可以分子內(nèi)發(fā)生較大片段的交換，可以在同一染色體的兩條鏈間發(fā)生，也可在在同一染色體的兩條鏈間發(fā)生，也可在不同染色體之間發(fā)生，可以是原來(lái)的方不同染色體之間發(fā)生，可以是原來(lái)的方向或顛倒的方向。向或顛倒的方向。第二節(jié)第二節(jié) DNADNA修復(fù)修復(fù)DNA的修復(fù)主要類型的修復(fù)主要類型:直接修復(fù)直接修復(fù)光裂合酶修復(fù)光裂合酶修復(fù)切除修復(fù)切除修復(fù)重組修復(fù)重組修復(fù) 跨損傷修復(fù)跨損傷修復(fù) (SOS修復(fù)修復(fù))常見的常見的DNADNA損傷及其修復(fù)機(jī)制損傷及其修復(fù)機(jī)制 DNADNA損傷因素?fù)p傷因素 DNADNA損傷類型損傷類

6、型修復(fù)機(jī)制修復(fù)機(jī)制X射線、氧自由基、烷化劑 自發(fā)脫堿基單鏈斷裂、無(wú)堿基位點(diǎn)、氧化性堿基（如8-氧鳥嘌呤）脲嘧啶堿基切除修復(fù)紫外線和多環(huán)芳烴環(huán)丁烷嘧啶二聚體等大的紫外線光產(chǎn)物和穩(wěn)定的多環(huán)芳烴化合物等大分子DNA加合物核苷酸切除修復(fù)抗癌藥（如順鉑和絲裂霉素）雙鏈斷裂和鏈間交聯(lián)雙鏈斷裂修復(fù)（同源重組修復(fù)和末端連接）復(fù)制錯(cuò)誤和烷化劑堿基錯(cuò)配和缺失（插入）錯(cuò)配修復(fù)（1 1）DNADNA斷裂口直接修復(fù)：斷裂口直接修復(fù)：在在 DNA 5-P 端和端和 3-OH端未受損害的端未受損害的情況下，連接酶能夠直接修復(fù)情況下，連接酶能夠直接修復(fù)DNA的的斷裂口。斷裂口。（2 2）DNADNA紫外線損傷的光復(fù)合酶直接修

7、復(fù)紫外線損傷的光復(fù)合酶直接修復(fù)（3 3） 烷基化堿基的直接修復(fù)烷基化堿基的直接修復(fù)在在 大腸桿菌中的大腸桿菌中的Ada酶，可修復(fù)甲基化的酶，可修復(fù)甲基化的堿基和甲基化的磷酸二酯鍵。堿基和甲基化的磷酸二酯鍵。 堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù)指切除和替換由內(nèi)源性化學(xué)物作用產(chǎn)生 的DNA堿基損傷, 是切除修復(fù)的一種。受損堿基移除是由多個(gè)酶來(lái)完成的。主要針對(duì)DNA單鏈斷裂和小的堿基改變 及氧化性損傷。(4) Base Excision RepairDNA的損傷的切除修復(fù)的損傷的切除修復(fù)堿基缺陷或錯(cuò)配堿基缺陷或錯(cuò)配堿基丟失堿基丟失結(jié)構(gòu)缺陷結(jié)構(gòu)缺陷切開切開 核酸內(nèi)切酶核酸內(nèi)切酶核酸外切酶核酸外切酶切除切除DNA

8、聚合酶聚合酶DNA連接連接酶酶AP核酸內(nèi)切酶核酸內(nèi)切酶核酸外切酶核酸外切酶切開切開切除切除修復(fù)修復(fù)連接連接糖苷酶糖苷酶插入酶插入酶堿基取堿基取代代 核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù) 體內(nèi)識(shí)別體內(nèi)識(shí)別 DNA 損傷最多的修復(fù)通路損傷最多的修復(fù)通路 主要修復(fù)扭曲雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要修復(fù)扭曲雙螺旋結(jié)構(gòu)的 DNA 損傷損傷以及阻斷基因轉(zhuǎn)錄和不識(shí)別任何特殊的堿以及阻斷基因轉(zhuǎn)錄和不識(shí)別任何特殊的堿基損失，而是識(shí)別雙螺旋形狀的改變?；鶕p失，而是識(shí)別雙螺旋形狀的改變。 不識(shí)別任何特殊的堿基損失，而不識(shí)別任何特殊的堿基損失，而是識(shí)別雙螺旋形狀的改變；修復(fù)時(shí)是識(shí)別雙螺旋形狀的改變；修復(fù)時(shí)切除含有損傷堿基的那一段切除含有損

9、傷堿基的那一段 DNA 。(5) (5) 核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù) ( (大腸桿菌大腸桿菌) )核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù) ( (基因組修復(fù)基因組修復(fù)人人) )核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù) ( (轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù) - -人類人類) )GGR 和和TCR的共同修復(fù)通路的共同修復(fù)通路錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)校正活性所漏校的堿基校正活性所漏校的堿基, 使復(fù)制的保真性提使復(fù)制的保真性提高高102103倍倍錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)系統(tǒng) (MRSMismatch RepairSystem)DNApol (= 10-8)經(jīng)第二次校正經(jīng)第二次校正= 10-11 錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)組成（錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)組成（Misma

10、tch repair system）DNA腺嘌呤甲基化酶腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶甲基化酶)DNA polymerase 填補(bǔ)單鏈填補(bǔ)單鏈 DNA 缺口缺口Helicase SSB 外切核酸酶外切核酸酶 (和和) 連接酶連接酶MCE (mismatch correct enzyme) 3 subunits mut H, L, S 掃描新生鏈中錯(cuò)配堿基掃描新生鏈中錯(cuò)配堿基識(shí)別新生鏈中非識(shí)別新生鏈中非 m6A 的的GATC序列序列酶切含錯(cuò)配堿基的酶切含錯(cuò)配堿基的DNA區(qū)段區(qū)段錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù) 錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)大腸桿菌DNA 甲基化位點(diǎn)新合成的DNAMis-paired bases錯(cuò)配修復(fù)重組修

11、復(fù)機(jī)制重組修復(fù)機(jī)制重組修復(fù) DNA于復(fù)制時(shí)會(huì)越越過(guò)過(guò)受受損區(qū)域損區(qū)域進(jìn)行復(fù)制 經(jīng)重組修復(fù)，受受損損的的DNA仍然存在仍然存在于子代的于子代的 一個(gè)細(xì)胞中。一個(gè)細(xì)胞中。 重組修復(fù)不會(huì)浪費(fèi)時(shí)間， 重組修復(fù)可讓負(fù)傷的DNA在細(xì)胞中仍可照常照常進(jìn)進(jìn)行分裂行分裂。 非同源末端連接非同源末端連接：DNA分子之間不需要廣泛的同源性，主要是在免疫球蛋白重組時(shí)對(duì)DNA雙鏈進(jìn)行連接，在細(xì)胞有絲分裂G1/G0期起主要作用。 重組修復(fù)重組修復(fù)根據(jù) DNA 末端連接需要的同源性，分為 同源重組同源重組：需要多種蛋白參與；也修復(fù) DNA復(fù)制中的差錯(cuò)；在減數(shù)分裂、細(xì)胞有絲分裂后期S/G2期起主要作用。(7) SOS 修復(fù)修

12、復(fù)Irradiation of bacteria before virus Irradiation of bacteria before virus infection enhanced repair of damaged viral infection enhanced repair of damaged viral genes but led to mutations. genes but led to mutations. UVUVd T4 phage E. coliFew surviving phageUVd T4 phage E. coliHigher frequency of su

13、rviving phage, but many mutants.SOS 修復(fù)修復(fù)誘導(dǎo) DNA 聚合酶活性LexA (一種DNA結(jié)合抑制蛋白), umuC 和 umuD, 編碼 DNA聚合酶活性,允許復(fù)制跨過(guò) 損傷位點(diǎn), 常插入一個(gè)或幾個(gè) A堿基.AGCTAGTCAT/TCAGTCAGCTAGTCAT /TCAGTCTCGATCANNNNGTCAGReplication stopsat T/T dimerError-prone polymerase allowsreplication to proceed, albeit inaccuratelySOS response:RecA-P的三種功能的

14、三種功能a、 DNA 重組活性重組活性b、 與與S.S. DNA結(jié)合活性結(jié)合活性c、 少數(shù)蛋白的少數(shù)蛋白的proteinase活性活性當(dāng)當(dāng)DNA正常復(fù)制時(shí)正常復(fù)制時(shí)（無(wú)復(fù)制受阻，無(wú)（無(wú)復(fù)制受阻，無(wú)DNA損傷，損傷， 無(wú)無(wú)TT dimer） RecA-p不表現(xiàn)不表現(xiàn)proteinase活性活性當(dāng)當(dāng)DNA復(fù)制受阻復(fù)制受阻/ DNA damaged細(xì)胞內(nèi)原少量表達(dá)的細(xì)胞內(nèi)原少量表達(dá)的RecA-p與與S.S, DNA結(jié)合結(jié)合激活激活RecA-p的的proteinase活性活性修復(fù)損傷修復(fù)損傷LexA-p降解降解RecA-p高效表達(dá)高效表達(dá) SOS open當(dāng)當(dāng)DNA復(fù)制度過(guò)難關(guān)后復(fù)制度過(guò)難關(guān)后RecA

15、-p很快消失很快消失LexA gene onSOS offSOS 修復(fù)修復(fù) DNA復(fù)制復(fù)制不很不很嚴(yán)嚴(yán)格格，新合成的DNA容易造成錯(cuò)誤產(chǎn)生突變。線粒體損傷和修復(fù)線粒體損傷和修復(fù) 線粒體的氧化損傷線粒體的氧化損傷: 單鏈斷裂、雙鏈斷裂、堿基修飾、 DNA交聯(lián)、烷化損傷 線粒體的損傷修復(fù)：線粒體的損傷修復(fù)： 堿基切除修復(fù)、錯(cuò)配修復(fù)DNA 修復(fù)修復(fù)維持 DNA序列的保真性；可在復(fù)制前后進(jìn)行；有多種修復(fù)機(jī)制來(lái)糾正DNA損傷；DNA 修復(fù)失敗可能導(dǎo)致突變和腫瘤。DNA 損傷在損傷在 S 期期DNA 損傷在損傷在 G1 和和 G2 期期G1SG2MPOL2RFC5DPB11RAD9RAD17RAD24ME

16、C3MEC1,TEL1RAD53DNA 損傷損傷P21Gadd 45BaxP53CDK/cyclinGadd45 Gadd45-PCNABlocking cell cycleExcision repairingCell apoptosis第三節(jié)第三節(jié) DNADNA損傷和修復(fù)的生物參考標(biāo)志損傷和修復(fù)的生物參考標(biāo)志一、甲基化損傷修復(fù)相關(guān)基因一、甲基化損傷修復(fù)相關(guān)基因 甲基轉(zhuǎn)移酶（甲基轉(zhuǎn)移酶（MGMT）把）把O6-甲基甲基鳥嘌呤的甲基轉(zhuǎn)移到自身的半胱氨酸殘基鳥嘌呤的甲基轉(zhuǎn)移到自身的半胱氨酸殘基上，修復(fù)甲基化的上，修復(fù)甲基化的DNA。 MGMT突變可突變可作為甲基化損傷的基因型標(biāo)記物。作為甲基化損傷的

17、基因型標(biāo)記物。二、切除修復(fù)相關(guān)的酶和基因二、切除修復(fù)相關(guān)的酶和基因尿嘧啶糖基化酶為主要的始動(dòng)因素，尿嘧啶糖基化酶為主要的始動(dòng)因素，可可作作為為DNA損傷的生物標(biāo)記物。損傷的生物標(biāo)記物。大腸桿菌大腸桿菌Uvr基因家族、人基因家族、人ecrr基因和切除基因和切除修復(fù)基因等修復(fù)基因等三、錯(cuò)配修復(fù)相關(guān)基因三、錯(cuò)配修復(fù)相關(guān)基因MSH2、MLH1等蛋白參與等蛋白參與錯(cuò)配修復(fù)，而錯(cuò)錯(cuò)配修復(fù)，而錯(cuò)配修復(fù)的缺陷往往是癌變的第一步。配修復(fù)的缺陷往往是癌變的第一步。錯(cuò)配修復(fù)基因：錯(cuò)配修復(fù)基因：Muthls系統(tǒng)、人類的系統(tǒng)、人類的hmsh2/3、hpmsl1/2、Mutsa、msh6。錯(cuò)配修復(fù)基因的微衛(wèi)星序列的不穩(wěn)定

18、性錯(cuò)配修復(fù)基因的微衛(wèi)星序列的不穩(wěn)定性 （microsatellite instability， MI）四、四、 DNA聚合酶聚合酶 DNA聚合酶參與輻射損傷和化學(xué)損參與輻射損傷和化學(xué)損傷的傷的修復(fù)，并對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)具有調(diào)節(jié)作修復(fù)，并對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)具有調(diào)節(jié)作用。用。 DNA聚合酶 的突變可導(dǎo)致堿基切除的突變可導(dǎo)致堿基切除修復(fù)功能的缺陷修復(fù)功能的缺陷。五、五、 DNA加合物也可作為修復(fù)功能的生物標(biāo)記加合物也可作為修復(fù)功能的生物標(biāo)記物物 DNA加合物可作為加合物可作為DNA損傷的暴露損傷的暴露標(biāo)記物和效應(yīng)標(biāo)記物，其去除的速度也可標(biāo)記物和效應(yīng)標(biāo)記物，其去除的速度也可作為作為DNA修復(fù)功能的生物標(biāo)記物。修復(fù)

19、功能的生物標(biāo)記物。DNA損傷和修復(fù)的生物學(xué)意義損傷和修復(fù)的生物學(xué)意義 避免基因組的不穩(wěn)定性、癌癥和細(xì)胞死亡是至關(guān)重要的。 DNA修復(fù)途徑可以識(shí)別和修復(fù)特異的DNA損傷，保證生物物種的遺傳穩(wěn)定性。與DNA修復(fù)有關(guān)的人類遺傳疾病： 著著色性色性干干皮病皮病(Xeroderma pigmentosum) 布布倫倫氏癥候群氏癥候群(Blooms syndrome) 遺傳遺傳性大性大腸腸癌癌(Hereditary nonpolyposis colon cancer；HNPCC) 著著色性色性干干皮病皮病(Xeroderma pigmentosum) 是一種隱性遺傳性疾病，有些呈性聯(lián)遺傳。因核酸內(nèi)切酶異常造成DNA修復(fù)障礙所致。臨床以光暴露部位色素增加和角化及癌變?yōu)樘卣鳌?1. 幼年發(fā)病，常有家族發(fā)病史。 2. 面部等暴露部位出現(xiàn)紅斑、褐色斑點(diǎn)及斑片，伴毛細(xì)血 管擴(kuò)張，間有色素脫失斑和萎縮或疤痕。皮膚干燥。數(shù)年內(nèi)發(fā)生基底細(xì)胞癌、鱗癌及惡性