第六章 DNA損傷及修復(fù) 2

1、1 第六章第六章 曾海濤曾海濤 中南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院中南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 分子生物學(xué)研究中心分子生物學(xué)研究中心2 哺乳動(dòng)物細(xì)胞哺乳動(dòng)物細(xì)胞DNA損傷的發(fā)生頻率損傷的發(fā)生頻率 DNA損傷類型損傷類型 次次細(xì)胞細(xì)胞- 1 天天 1 單鏈損傷單鏈損傷 55 000 脫嘌呤脫嘌呤 10 000 脫嘧啶脫嘧啶 200 O6甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤 3 100 胞嘧啶脫氨基胞嘧啶脫氨基 200 胸腺嘧啶乙二醇胸腺嘧啶乙二醇 270 胸苷乙二醇胸苷乙二醇 703自發(fā)性自發(fā)性復(fù)制錯(cuò)誤復(fù)制錯(cuò)誤堿基脫落或部分脫落堿基脫落或部分脫落活性氧活性氧紫外線紫外線電離輻射電離輻射烷化劑烷化劑堿基類似物堿基類似物修飾劑修飾劑DN

2、A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病原生物基因的整合病原生物基因的整合物理因素物理因素化學(xué)因素化學(xué)因素4一、一、DNADNA分子的自發(fā)性損傷分子的自發(fā)性損傷( (一一)DNA)DNA復(fù)制產(chǎn)生誤差復(fù)制產(chǎn)生誤差 模板模板 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 DNA聚合酶聚合酶 錯(cuò)配堿基錯(cuò)配堿基5 如大腸桿菌如大腸桿菌 堿基配對(duì)的錯(cuò)誤率為堿基配對(duì)的錯(cuò)誤率為1010-1-1-10-10-2-2 DNA DNA聚合酶校正后錯(cuò)誤率為聚合酶校正后錯(cuò)誤率為1010-5-5-10-10-6-6 復(fù)制后經(jīng)校正系統(tǒng)校正，錯(cuò)配率為復(fù)制后經(jīng)校正系統(tǒng)校正，錯(cuò)配率為1010-9-9左右左右6堿基堿基T和和G能

3、夠以酮式或烯醇式能夠以酮式或烯醇式兩種互變異構(gòu)的狀態(tài)出現(xiàn)兩種互變異構(gòu)的狀態(tài)出現(xiàn)堿基堿基C和和A能夠以氨基式或亞氨能夠以氨基式或亞氨基式兩種互變狀態(tài)出現(xiàn)基式兩種互變狀態(tài)出現(xiàn)一般生理?xiàng)l件下，堿基互變平一般生理?xiàng)l件下，堿基互變平衡反應(yīng)傾向于酮式或氨基式，衡反應(yīng)傾向于酮式或氨基式，故故A 與與T和和C 與與G堿基配對(duì)堿基配對(duì) （二）（二）DNA的自發(fā)性化學(xué)變化的自發(fā)性化學(xué)變化 1. 堿基的異構(gòu)互變堿基的異構(gòu)互變7互變異構(gòu)效應(yīng)互變異構(gòu)效應(yīng)引起不正常的引起不正常的堿基配對(duì)堿基配對(duì)稀有形式稀有形式常見形式常見形式A與與T C與與GA與與C T與與G8 2. 2. 堿基的脫氨基作用堿基的脫氨基作用 堿基的環(huán)外

4、氨基有時(shí)會(huì)堿基的環(huán)外氨基有時(shí)會(huì)自發(fā)脫落，從而胞嘧啶自發(fā)脫落，從而胞嘧啶(C)(C)變變成尿嘧啶成尿嘧啶(U)(U)，腺嘌呤，腺嘌呤(A)(A)變變成次黃嘌呤成次黃嘌呤(H)(H)。復(fù)制時(shí)。復(fù)制時(shí),U,U與與A A配對(duì)、配對(duì)、H H與與C C配對(duì)就會(huì)導(dǎo)致子配對(duì)就會(huì)導(dǎo)致子代代DNADNA序列的錯(cuò)誤變化。序列的錯(cuò)誤變化。(A)(H)(C)(U)9 3脫嘌呤與脫嘧啶脫嘌呤與脫嘧啶 即堿基脫落，是指從即堿基脫落，是指從DNA上丟失了嘌呤或嘧啶，上丟失了嘌呤或嘧啶，形成無堿基位點(diǎn)，稱為形成無堿基位點(diǎn)，稱為AP部部位（位（apurine,apyrimidine site, AP）。）。10l復(fù)制時(shí)可以插入任

5、何核苷酸。復(fù)制時(shí)可以插入任何核苷酸。l脫落堿基后的脫氧核糖脫落堿基后的脫氧核糖33端的磷酸二酯鍵易被水端的磷酸二酯鍵易被水解，造成解，造成DNADNA鏈斷裂。鏈斷裂。l在哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因組中，每天每個(gè)細(xì)胞因在哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因組中，每天每個(gè)細(xì)胞因N-N-糖糖苷鍵自發(fā)水解約丟失苷鍵自發(fā)水解約丟失10 00010 000個(gè)嘌呤堿基和個(gè)嘌呤堿基和200200個(gè)嘧個(gè)嘧啶堿基。啶堿基。11 4堿基修飾與鏈斷裂堿基修飾與鏈斷裂 細(xì)胞在正常生理活動(dòng)中產(chǎn)生的活性氧細(xì)胞在正常生理活動(dòng)中產(chǎn)生的活性氧會(huì)造成會(huì)造成DNA損傷，產(chǎn)生胸腺嘧啶乙二醇、損傷，產(chǎn)生胸腺嘧啶乙二醇、羥甲基尿嘧啶等堿基修飾物，還可引起羥甲基尿嘧啶等

6、堿基修飾物，還可引起DNA單鏈斷裂等損傷。單鏈斷裂等損傷。 12二、物理因素引起的二、物理因素引起的DNA損傷損傷(一一)紫外線照射引起的紫外線照射引起的DNA損傷損傷 同一條同一條DNA鏈相鄰嘧啶以共價(jià)鍵連成二聚體鏈相鄰嘧啶以共價(jià)鍵連成二聚體(T-T、C-T 、C-C)，導(dǎo)致復(fù)制不能進(jìn)行。，導(dǎo)致復(fù)制不能進(jìn)行。 皮膚因受紫外線照射而形成二聚體的頻率可達(dá)每皮膚因受紫外線照射而形成二聚體的頻率可達(dá)每小時(shí)小時(shí)5 510104 4細(xì)胞細(xì)胞紫外線不能穿透皮膚，因此損傷只局限在皮膚中紫外線不能穿透皮膚，因此損傷只局限在皮膚中紫外線照射還能引起紫外線照射還能引起DNADNA鏈斷裂等損傷鏈斷裂等損傷13胸腺嘧

7、啶二聚體胸腺嘧啶二聚體14 ( (二二) )電離輻射引起的電離輻射引起的DNADNA損傷損傷 直接效應(yīng)：直接效應(yīng)： DNADNA直接吸收射線能直接吸收射線能量而遭損傷。量而遭損傷。 間接效應(yīng)：間接效應(yīng)： DNADNA周圍其他分子周圍其他分子( (主要是水分子主要是水分子) )吸收射線吸收射線能量而產(chǎn)生具有很高反應(yīng)能量而產(chǎn)生具有很高反應(yīng)活性的自由基，進(jìn)而損傷活性的自由基，進(jìn)而損傷DNADNA。15電離輻射引起電離輻射引起DNA損傷的類型損傷的類型 產(chǎn)生產(chǎn)生 OH自由基，導(dǎo)致堿基變化自由基，導(dǎo)致堿基變化 脫氧核糖分解脫氧核糖分解 DNA鏈斷裂鏈斷裂 交聯(lián)交聯(lián) 包括包括DNA鏈交聯(lián)和鏈交聯(lián)和DNA-

8、蛋白質(zhì)交聯(lián)蛋白質(zhì)交聯(lián) 16三、化學(xué)因素引起的三、化學(xué)因素引起的DNA損傷損傷(一一)烷化劑對(duì)烷化劑對(duì)DNA的損傷的損傷1堿基烷基化堿基烷基化 2. 堿基脫落堿基脫落3 斷鏈斷鏈 4. 交聯(lián)交聯(lián)17 5-BrdU （ 5-BrdU-A； 5-BrdU-G） 酮式酮式 烯醇式烯醇式(二二)堿基類似物、修飾劑對(duì)堿基類似物、修飾劑對(duì)DNA的改變的改變 亞硝酸鹽能使亞硝酸鹽能使C脫氨基變成脫氨基變成U （CU） 羥胺能使羥胺能使T脫甲基變成脫甲基變成C （TC） 黃曲霉素黃曲霉素B1 (GT)18可修復(fù)的損傷可修復(fù)的損傷激活存活反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)激活存活反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)損傷原因損傷原因物理因素物理因素化學(xué)因素化學(xué)因素?fù)p傷

9、程度損傷程度不可逆的損傷不可逆的損傷細(xì)胞反應(yīng)細(xì)胞反應(yīng)細(xì)胞后果細(xì)胞后果激活凋亡途徑激活凋亡途徑細(xì)胞周期阻滯、修復(fù)細(xì)胞周期阻滯、修復(fù)突變、染色體畸變突變、染色體畸變細(xì)胞存活細(xì)胞存活細(xì)胞死亡細(xì)胞死亡細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化自發(fā)性自發(fā)性各種各種DNADNA損傷損傷19第二節(jié)第二節(jié) DNA修復(fù)修復(fù)(DNA repair) DNADNA修復(fù)是細(xì)胞對(duì)修復(fù)是細(xì)胞對(duì)DNADNA受損傷后的受損傷后的一種反應(yīng)，這種反應(yīng)可能使一種反應(yīng)，這種反應(yīng)可能使DNADNA結(jié)構(gòu)恢結(jié)構(gòu)恢復(fù)原樣，重新執(zhí)行原來的功能，但有復(fù)原樣，重新執(zhí)行原來的功能，但有時(shí)并非能完全消除時(shí)并非能完全消除DNADNA的損傷，只是使的損傷，只是使細(xì)胞能夠耐

10、受這種細(xì)胞能夠耐受這種DNADNA的損傷而能繼續(xù)的損傷而能繼續(xù)生存。生存。 20一、錯(cuò)配修復(fù)一、錯(cuò)配修復(fù)(mismatch repair)(mismatch repair) 校正校正DNA復(fù)制和重組過程中發(fā)生的堿基復(fù)制和重組過程中發(fā)生的堿基錯(cuò)配。錯(cuò)配。 錯(cuò)配的堿基可被錯(cuò)配修復(fù)酶識(shí)別后進(jìn)行錯(cuò)配的堿基可被錯(cuò)配修復(fù)酶識(shí)別后進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)。21錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)(大腸桿菌)Mis-paired bases22錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)(大腸桿菌大腸桿菌)232. 2. 真核細(xì)胞錯(cuò)配修復(fù)機(jī)制真核細(xì)胞錯(cuò)配修復(fù)機(jī)制2425 在含有錯(cuò)配堿基的在含有錯(cuò)配堿基的DNA分子中，使正常核分子中，使正常核苷酸序列恢復(fù)的修復(fù)方式。苷

11、酸序列恢復(fù)的修復(fù)方式。過程：識(shí)別出不正確的鏈，切除掉不正確鏈的過程：識(shí)別出不正確的鏈，切除掉不正確鏈的部分，然后通過部分，然后通過DNA聚合酶和聚合酶和DNA連接酶的作連接酶的作用，合成正確配對(duì)的雙鏈用，合成正確配對(duì)的雙鏈DNA。 錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)（mismatch repair）：26遺傳性非息肉型結(jié)腸癌（遺傳性非息肉型結(jié)腸癌（hereditary nonhereditary nonpolyposis colorectal cancerpolyposis colorectal cancer，HNPCCHNPCC）lHNPCCHNPCC的臨床特征的臨床特征l發(fā)病早發(fā)病早 (-45 (-45 歲

12、歲) )l腫瘤好發(fā)部位：結(jié)腸腫瘤好發(fā)部位：結(jié)腸27HNPCC與與DNA的錯(cuò)配修復(fù)基因突變有關(guān)的錯(cuò)配修復(fù)基因突變有關(guān) MSH2, MSH6, PMS1 ，MLH1, MSH3, PMS2. 28二、直接修復(fù)二、直接修復(fù)1. 單鏈斷裂修復(fù)單鏈斷裂修復(fù) 在在 DNA 5-P DNA 5-P 端和端和 3-OH3-OH端未受損傷端未受損傷的情況下，連接酶能夠直接修復(fù)的情況下，連接酶能夠直接修復(fù)DNADNA的斷裂口。的斷裂口。 292. 2. 光分解酶光分解酶(光復(fù)活酶光復(fù)活酶)直接修復(fù)二聚體直接修復(fù)二聚體形成嘧啶二聚體形成嘧啶二聚體光復(fù)活酶結(jié)合于光復(fù)活酶結(jié)合于損傷部位損傷部位酶被可見光激活酶被可見光激

13、活修復(fù)后釋放酶修復(fù)后釋放酶303. 3. 直接修復(fù)烷基化堿基直接修復(fù)烷基化堿基O6-甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶 O6- -甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶通過將甲基從甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶通過將甲基從O6- -甲基鳥嘌呤轉(zhuǎn)移到自身的半胱氨酸殘基上來甲基鳥嘌呤轉(zhuǎn)移到自身的半胱氨酸殘基上來修復(fù)修復(fù)DNADNA。314 4直接插入嘌呤直接插入嘌呤 DNADNA鏈上嘌呤的脫落造成無嘌呤位點(diǎn)，能鏈上嘌呤的脫落造成無嘌呤位點(diǎn)，能被被DNADNA嘌呤插入酶嘌呤插入酶(insertase)(insertase)識(shí)別結(jié)合，催識(shí)別結(jié)合，催化游離的嘌呤堿基與化游離的嘌呤堿基與DNADNA無嘌呤部位形成糖苷無嘌呤部位

14、形成糖苷鍵。且催化插入的堿基有高度專一性、與另鍵。且催化插入的堿基有高度專一性、與另一條鏈上的堿基嚴(yán)格配對(duì)，使一條鏈上的堿基嚴(yán)格配對(duì)，使DNADNA完全恢復(fù)。完全恢復(fù)。32三、堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù)（base excision repair，BER）l 指切除和替換由內(nèi)源性化學(xué)物作用產(chǎn)生的指切除和替換由內(nèi)源性化學(xué)物作用產(chǎn)生的 DNA堿基損傷。堿基損傷。l 受損堿基移除是由多個(gè)酶來完成的。受損堿基移除是由多個(gè)酶來完成的。l 主要針對(duì)主要針對(duì)DNA單鏈斷裂和小的堿基改變及氧單鏈斷裂和小的堿基改變及氧 化性損傷。化性損傷。33堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù)34 四、核苷酸切除修復(fù)四、核苷酸切除修復(fù)（nu

15、cleotide excision repair，NER） l 體內(nèi)識(shí)別體內(nèi)識(shí)別 DNA DNA 損傷最多的修復(fù)通路。損傷最多的修復(fù)通路。l 不識(shí)別任何特殊的堿基損傷，而是識(shí)別不識(shí)別任何特殊的堿基損傷，而是識(shí)別雙螺旋形狀的改變；修復(fù)時(shí)切除含有損傷雙螺旋形狀的改變；修復(fù)時(shí)切除含有損傷堿基的那一段堿基的那一段 DNADNA。 35以大腸桿菌為例以大腸桿菌為例UvrA:識(shí)別損傷部位識(shí)別損傷部位UvrB:解旋雙鏈解旋雙鏈紫外線誘導(dǎo)紫外線誘導(dǎo)uvrA、uvrB、uvrC和和uvrD四種基因表達(dá)四種基因表達(dá)36UvrC: 5末端內(nèi)切末端內(nèi)切UvrB: 3末端內(nèi)切末端內(nèi)切37UvrD:解旋酶解旋酶38核苷酸

16、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)人類人類) 39GG-NER 和和TC-NER的共同修復(fù)通路的共同修復(fù)通路40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) ) 41著著色性色性干干皮病皮病(Xeroderma pigmentosis)(Xeroderma pigmentosis)l是一種隱性遺傳性疾病，是一種隱性遺傳性疾病，該病是由于患者對(duì)紫外線照射造成的核該病是由于患者對(duì)紫外線照射造成的核苷酸損傷切除修復(fù)缺陷所致苷酸損傷切除修復(fù)缺陷所致。臨床以光暴露部位色素增加和角化。臨床以光暴露部位色素增加和角化及癌變?yōu)樘卣?。及癌變?yōu)樘卣鳌?l1. 1. 幼

17、年發(fā)病，常有家族發(fā)病史。幼年發(fā)病，常有家族發(fā)病史。l2. 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，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、皮膚干燥。數(shù)年內(nèi)發(fā)生基底細(xì)胞癌、鱗癌及惡性黑素瘤。鱗癌及惡性黑素瘤。l3.3.皮膚和眼對(duì)日光敏感。皮膚和眼對(duì)日光敏感。l4.4.病情隨年齡逐漸加重，多數(shù)患者于病情隨年齡逐漸加重，多數(shù)患者于2020歲前因惡性腫瘤而死亡。歲前因惡性腫瘤而死亡。l5.5.組織病理組織病理 晚期出現(xiàn)表皮非典型性增生、日光角化及鱗癌和基底晚期出現(xiàn)表皮非典型性

18、增生、日光角化及鱗癌和基底細(xì)胞癌等惡性腫瘤。細(xì)胞癌等惡性腫瘤。42著著色性色性干干皮病皮病患兒臉部特征患兒臉部特征43五、重組修復(fù)五、重組修復(fù)大腸桿菌重組修復(fù)大腸桿菌重組修復(fù)44五、重組修復(fù)五、重組修復(fù)根據(jù)根據(jù) DNA 末端連接需要的同源性分為末端連接需要的同源性分為: 同源重組修復(fù)：需要多種蛋白參與同源重組修復(fù)：需要多種蛋白參與,在在 S/G2期起主要作用。期起主要作用。 非同源末端連接修復(fù)：非同源末端連接修復(fù)：DNA分子之間不需要分子之間不需要廣泛的同源性，在廣泛的同源性，在G1/G0期起主要作用。期起主要作用。 45同源重組修復(fù)同源重組修復(fù)DNADNA雙鏈斷裂（人類）雙鏈斷裂（人類）46非同源末端連接修復(fù)非同源末端連接修復(fù)DNADNA雙鏈斷裂雙鏈斷裂（人類）（人類）4748鳥嘌呤鳥嘌呤胞嘧啶胞嘧啶O6-乙基鳥嘌呤乙基鳥嘌