第五章DNA損傷與修復

第五章DNA損傷與修復

DNAdamageandrepair秘曉林BIXiao-Lin09/25/2015基本情況博士，教授，博士生導師中國科學院“百人計劃”，遼寧省“攀登學者”主要研究方向：

腫瘤抑制因子功能與作用機制；DNA損傷應答過程中關鍵蛋白的定位與功能；參與DNA損傷應答的ncRNAs等EMAIL:BIXL@DMU.EDU.CN

為什么要研究DNA損傷應答？(DNADamageResponse,DDR)DNA損傷類型和數(shù)量TYPEOFDAMAGEevents/cell/day%oftotaldailydamageSingle-strandbreak120,00050.9N7-MethylGuanine84,00035.6Depurination24,00010.2OxidizedDNA2,8801.2Depyrimidation1,3200.5Cytosinedeamination3600.2Double-strandbreaks90.01DNA損傷與疾病第一節(jié)DNA損傷何謂DNA損傷？在內源或外源因素作用下，DNA結構發(fā)生的任何改變都稱為DNA損傷DNA損傷的后果：一、DNA失去作為復制和轉錄模板的功能，導致細胞死亡；二、DNA的結構發(fā)生永久性改變一、DNA損傷的類型堿基的更替、缺失、插入、鏈的斷裂、鏈內或鏈間的交聯(lián)、DNA重排等。天然的線性染色體末端—端粒？二、損傷因素內源因素：染色體復制、活性氧等外源因素：紫外線、電離輻射、堿基類似物、修飾劑、烷化劑、化學誘變劑等。三、突變的類型1.點突變：是指DNA分子中一個堿基的改變。包括轉換（嘌呤堿基→嘌呤堿基）和顛換（嘌呤堿基→嘧啶堿基或嘧啶堿基→嘌呤堿基）2.插入突變：是指DNA分子中插入多余的堿基。3.缺失突變：是指DNA分子中堿基的丟失。插入突變和缺失突變可引起移碼突變。4.三聯(lián)體擴增：脆性X染色體綜合征是由于FMR-1基因中CGG重復突變5.DNA片段重組四、突變的后果1.中性突變基因突變（特別是點突變），不一定就是有害突變。突變是生物進化和分化的分子基礎；只有基因型改變的突變，即堿基組成改變，但蛋白質分子中氨基酸未改變。如有些點突變發(fā)生在同義密碼子的第二或第三位堿基，或發(fā)生在基因的內含子上。因此突變不一定就是損傷。Pointmutation---GCG------CGC------GCC------CGG---精氨酸精氨酸2.有害突變嚴重的突變或突變的長期積累，導致DNA復制障礙或不能進行，或基因表達異常，引起DNA損傷導致疾病。因此突變是某些疾病的分子基礎鐮狀紅細胞貧血-點突變第二節(jié)DNA損傷的機制一、自發(fā)性損傷1.DNA復制過程中的堿基錯配（錯誤率為10-9，修復后降為10-10

）2.三聯(lián)體擴增（即三核苷酸重復）是指三個不同的堿基為一個單位重復排列而形成的DNA序列。理論上，基因組中應該含有10類60種三核苷重復DNA序列。如CAG\CTG、GAA\TTC等三核苷酸重復序列。其中，CAG\CTG、GAA\TTC、CGG\CCG等三核苷酸重復序列序列與20種以上的神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)退行性疾病的發(fā)病有關。這些三核苷重復序列可以出現(xiàn)不明原因的擴增，從而累及所在或周圍基因的正常表達或正常的生物活性。19q13.2~19q13.3果蠅FMRP調節(jié)DNA損傷導致的細胞周期檢驗點和凋亡fmr突變導致DNA損傷敏感FMRP工作模式Liuetal.HumanMolecularGenetics.20123.堿基的烯醇式-酮式或氨基-亞氨基異構體互變引起堿基錯配4.自發(fā)脫氨基C→U引起U→A、A→I引起I→C、G→X（無配對堿基）5.堿基丟失引起突變3′5′3′5′二、環(huán)境因素誘發(fā)DNA損傷分子機制（一）紫外線引起DNA損傷的機制當DNA暴露與260nm的紫外線時，DNA鏈相鄰的嘧啶堿基可形成5，6雙鍵，產(chǎn)生嘧啶二聚體—TT、TC或CC，最常見為TT二聚體。人皮膚細胞受紫外線照射形成二聚體的可達5×104/細胞/小時。此外，紫外線還可引起DNA鏈間交聯(lián)、DNA與蛋白質交聯(lián)、甚至斷鏈。（二）電離輻射引起DNA損傷的機制1.可導致DNA堿基改變電離輻射可產(chǎn)生OH自由基，引起DNA鏈上堿基氧化修飾（如T轉變?yōu)?-羥甲基尿嘧啶）、堿基開環(huán)（如腺嘌呤7，8-雙鍵斷開）和脫落。嘧啶與嘌呤更敏感。2.可導致DNA斷鏈.OH自由基破壞脫氧核糖脫落或斷裂3′，5′-磷酸二酯鍵使DNA斷鏈3.可導致DNA鏈交聯(lián)電離輻射可使同一條DNA鏈內或兩條DNA鏈之間或DNA與蛋白質間發(fā)生交聯(lián)。三、烷化劑引起DNA損傷的機制烷化劑是親電子化合物，分子中帶有活性烷基。活性烷基可轉移到DNA的堿基或磷酸基上，使之烷基化。鳥嘌呤最易烷基化。烷化劑包括芥子氣、硫酸二乙酯、甲基-亞硝基胍、甲基甲烷碘酸、氮芥、硫芥、環(huán)磷酰氨、苯丁酸氮芥、絲裂霉素等1.可導致堿基錯配烷基常加到堿基的N（N7烷基化鳥嘌呤G或N3烷基化腺嘌呤A）或O原子上，使烷基化的G與T配對。2.可導致堿基脫落烷基化鳥嘌呤的糖苷鍵不穩(wěn)定而斷裂，使DNA鏈產(chǎn)生無堿基位點，復制時可插入任何堿基。2.可導致DNA斷鏈磷酸基上O的烷基化，使3′，5′-磷酸二酯鍵斷裂4.可導致DNA鏈的交聯(lián)四、堿基類似物引起DNA損傷的機制堿基類似物在結構上與堿基相似，它們進入體內后，在DNA復制過程中，可替代堿基摻入而干擾DNA合成，引起堿基錯配。堿基類似物包括5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氟尿嘧啶（5-FU）、2-氨基腺嘌呤等。五、化學修飾劑和化學誘變劑引起DNA損傷的機制化學修飾劑能專一地修飾DNA分子的堿基導致堿基錯配如亞硝酸鹽（使C氧化脫氨基變成U，導致G-C轉變?yōu)锳-T，或使A氧化脫氨基變成I，導致A-T轉變?yōu)镚-C）、羥氨（使T脫甲基變?yōu)镃，導致A-T轉變?yōu)镃-G）致癌物黃曲霉素B也是導致序列的變化。丫啶類化合物、溴化乙啶等也引起DNA損傷。第三節(jié)損傷DNA的修復在一定條件下，損傷的DNA分子恢復正常的過程。修復方式有：直接修復、切除修復、重組修復、跨

損傷修復和SOS修復一）、光修復光復活酶（即光裂合酶）直接修復嘧啶二聚體（見于細菌和低等真核生物）光復活酶300~500nmUV照射一、直接修復二）、DNA連接酶直接修復DNA斷裂口三）、烷基化堿基的直接修復例如，E.Coli的Ada酶和人類的O6甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶（MGMT）可將烷基不可逆地轉移到自身而完成修復，本身失活（自殺修復）。四）、DNA嘌呤插入酶直接修復無嘌呤位點（APsite）二、切除修復—最普遍和常見的修復方式切除修復需要DNA特異內切酶、核酸外切酶、糖苷酶、DNA聚合酶和DNA連接酶的參與。包括單個核苷酸切除和核苷酸片段切除修復。切除修復屬于復制前修復ACUTCATGGAGTACG*TCATGGAGT糖苷酶ACG*TCATGGAGTAP內切酶和外切酶ACCTCATGGAGTDNA聚合酶DNA連接酶1.單個核苷酸切除修復2.核苷酸片段切除修復

--UvrABC修復系統(tǒng)具有ATP酶活性的UvrA

與UvrB結合，并識別

與結合DNA損傷部位。

具有內切酶作用的UvrC

置換出UvrA，與UvrB-DNA結合。UvrD（DNA解旋酶Ⅱ）釋放

切

下的損傷片段。DNA聚合酶Ⅰ填補缺

口，并由DNA連接酶

連接。人類著色性干皮?。▁erodermapigmentosis,XP）常染色體隱性遺傳。皮膚對日光，尤其是對紫外線敏感。主要臨床表現(xiàn)是皮膚雀斑樣色素沉著，毛細血管擴張，局限性萎縮，疣狀增生，淺表潰瘍，最后可癌變。這種病人的XP類基因（XPA、XPB、XPC、XPF、XPG）有缺陷，導致DNA損傷后的修復障礙。3.錯配修復當DNA復制時，摻入了錯誤的堿基，在校讀時未被去除，可經(jīng)由該通路的酶偵測出來，將其中一股切出，并加以修補。三、重組修復--復制后修復四、跨損傷DNA合成修復跨損傷DNA合成（TranslesionDNASynthesis,TLS是近年來新發(fā)現(xiàn)的參與DNA修復的又一機制。TLS包括無錯損傷旁路（error-freelesionbypass）及易錯損傷旁路（error-pronelesionbypass）；易錯損傷旁路可導致DNA損傷誘導的突變。

跨損傷DNA合成，這是一種利用損傷核苷酸為模板，通過跨損傷DNA聚合酶使堿基摻入到復制終止處進行DNA合成，從而延長DNA的修復。

五、SOS修復—誘導修復SOS修復是細胞DNA受到廣泛損傷而難以復制的緊急情況下，細胞為求生存而出現(xiàn)的一種應急反應。此時，細胞需調動其所有的修復系統(tǒng)進行修復。20世紀50年代，Weigle首次在E.coli中發(fā)現(xiàn)SOS修復系統(tǒng)。1973年，Raelman首次稱為SOS修復。SOS反應誘導的修復系統(tǒng)包括避免差錯修復（光修復、切除修復和重組修復）和傾向差錯修復。誘導產(chǎn)生缺乏校正功能的DNA聚合酶，一方面進行修復，同時也容易造成堿基錯配的機會而產(chǎn)生新的損傷。但總的結果是細胞可以生存下去。SOS反應是由RecA蛋白和LexA阻遏物蛋白相互作用引起的，LexA（22kD）阻遏物蛋白是許多基因的阻遏物。RecA蛋白是SOS反應的最初發(fā)動因子。在ATP存在時，RecA被損傷的DNA激活而表現(xiàn)出蛋白水解酶活力，水解LexA阻遏物蛋白，使與修復有關的基因開放，表達產(chǎn)物即可對損傷的DNA進行修復。DNA損傷修復缺陷與疾病DNA損傷應答的若干關鍵因子

與損傷的時間和空間關系Checkpointp53:“GuardianofGenome”腫瘤抑制因子最初鑒定為癌基因獲得性功能“Gainoffunction”超過50%的腫瘤中突變或異常主要功能細胞周期檢驗點(checkpoint)凋亡p53突變導致不同的轉錄譜Kollareddyetal.NATURECOMMUNICATIONS|Published12Jun2015|6:7389什么是端粒(telomere)天然的染色體末端染色體末端由DNA和蛋白質共同構成的結構來源于希臘語telos=endmeros=part保護端粒的“T-loop”結構端粒的功能維持染色體末端保護染色體不發(fā)生融合、降解等熒光原位雜交檢測端粒

（FluorescenceInSituHybridization,FISH)telomeresred

centromeregreen端粒長度端粒隨細胞分裂縮短MitoticclockofthecellHuman:15-20kb,50-100bp/celldivision50-100divisions端粒與DNA損傷unprotectedtelomeretelomereDSBSharedmanyproteinsDNAdamage?TelomeresshortenwithsuccessivecelldivisionsintheabsenceoftelomeraseDNA-damageresponsecausescellsenescenceorcelldeathLossoftelomerecapleadstoDNA-damageresponseTelomeresChromosomefusionChromosomesalignduringmetaphaseFusedchromosomeisstretchedduringanaphaseChromosomalbreakageresultingingenomicinstabilityCancer,aging,impairedstem-cellfunction,anddyskeratosiscongenita端粒缺陷,DNA損傷和疾病干細胞的DNA損傷應答與癌癥和衰老2009年Nobel生理學或醫(yī)學獎"forthediscoveryofhowchromosomesareprotectedbytelomeresandtheenzymetelomerase".ElizabethH.BlackburnCarolW.GreiderJackW.Szostak2015年Lasker基礎醫(yī)學研究獎“FordiscoveriesconcerningtheDNA-damageresponse—afundamentalmechanismthatprotectsthegenomesofalllivingorganisms.”參考文獻綜述類：AnnualReview,NatureReview,Trends,CurrentOpinionetc.Goldsteinetal.(2015)."TheDNAdamageresponse:implicationsfortumorresponsestoradiationandchemotherapy."AnnuRevMed66:129-143.Smeenketal.(2013)."ThechromatinresponsetoDNAbreaks:leavingamarkongenomeintegrity."AnnuRevBiochem82:55-80.Armanios.(2009)."Syndromesoftelomereshortening."AnnuRevGenomicsHumGenet10:45-61.SanFilippoetal.(2008)."Mechanismofeukaryotichomologousrecombination."AnnuRevBiochem77:229-257.Palmetal.(2008)."Howshelterinprotectsmammaliantelomeres."AnnuRevGenet42:301-334.McKinnonetal.(2007)."DNAstrandbreakrepairandhumangeneticdisease."AnnuRevGenomicsHumGenet8:37-55.Durkinetal.(2007)."Chromos