第六章 DNA損傷與修復課件

第六章DNA損傷與修復

DNAdamageandrepair1第六章DNA損傷與修復

哺乳動物細胞DNA損傷的發(fā)生頻率

DNA損傷類型次·細胞-1

·天–1單鏈損傷55000脫嘌呤10000脫嘧啶200O6甲基鳥嘌呤3100胞嘧啶脫氨基200胸腺嘧啶乙二醇270胸苷乙二醇702第六章DNA損傷與修復第一節(jié)DNA損傷的原因及后果電離輻射氧自由基烷化劑復制錯誤堿基類似物紫外線DNA3第六章DNA損傷與修復一、DNA分子的自發(fā)性損傷(一)DNA復制產(chǎn)生誤差模板核酸外切酶活性DNA聚合酶Ⅰ

錯配堿基4第六章DNA損傷與修復

如大腸桿菌堿基配對的錯誤率為10-1-10-2

DNA聚合酶校正后錯誤率為10-5-10-6

復制后經(jīng)校正系統(tǒng)校正，錯配率為10-9左右5第六章DNA損傷與修復（二）DNA的自發(fā)性化學變化

1.堿基的異構(gòu)互變DNA分子中的4種堿基各自的異構(gòu)體間都可以自發(fā)地相互變化(例如酮式-烯醇式或氨基-亞氨基之間的結(jié)構(gòu)互變)，使配對堿基間的氫鍵改變。6第六章DNA損傷與修復堿基的互變異構(gòu)效應

堿基T和G能夠以酮式或烯醇式兩種互變異構(gòu)的狀態(tài)出現(xiàn)堿基C和A能夠以氨基式或亞氨基式兩種互變狀態(tài)出現(xiàn)一般生理條件下，堿基互變平衡反應傾向于酮式或氨基式，故A:T和C

G堿基配對

7第六章DNA損傷與修復互變異構(gòu)效應引起不正常的堿基配對稀有形式常見形式8第六章DNA損傷與修復2.堿基的脫氨基作用堿基的環(huán)外氨基有時會自發(fā)脫落，從而胞嘧啶(C)變成尿嘧啶(U)，腺嘌呤(A)變成次黃嘌呤(H)、鳥嘌呤（G）變成黃嘌呤(X)等。復制時,U與A配對、H與C配對就會導致子代DNA序列的錯誤變化。9第六章DNA損傷與修復3．脫嘌呤與脫嘧啶

即堿基脫落，是指從DNA上丟失了嘌呤或嘧啶，形成無堿基位點，稱為AP部位（apurine,apyrimidinesite,AP）。10第六章DNA損傷與修復復制時可以插入任何核苷酸。脫落堿基后的脫氧核糖3’端的磷酸二酯鍵易被水解，造成DNA鏈斷裂。在哺乳動物細胞基因組中，每天每個細胞因N-糖苷鍵自發(fā)水解約丟失10000個嘌呤堿基和200個嘧啶堿基。11第六章DNA損傷與修復

4．堿基修飾與鏈斷裂細胞在正常生理活動中產(chǎn)生的活性氧會造成DNA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DNA單鏈斷裂等損傷。每個哺乳類細胞每天DNA單鏈斷裂發(fā)生的頻率約為五萬次。12第六章DNA損傷與修復5.環(huán)出效應13第六章DNA損傷與修復二、物理因素引起的DNA損傷(一)紫外線照射引起的DNA損傷

同一條DNA鏈相鄰嘧啶以共價鍵連成二聚體(T-T、C-T、C-C)，導致復制不能進行。

14第六章DNA損傷與修復胸腺嘧啶二聚體胸腺嘧啶-胞嘧啶二聚體15第六章DNA損傷與修復

(二)電離輻射引起的DNA損傷直接效應：DNA直接吸收射線能量而遭損傷；間接效應：DNA周圍其他分子(主要是水分子)吸收射線能量而產(chǎn)生具有很高反應活性的自由基，進而損傷DNA。16第六章DNA損傷與修復電離輻射引起DNA損傷的機理間接作用直接作用17第六章DNA損傷與修復電離輻射引起DNA損傷的類型產(chǎn)生·OH自由基，導致堿基變化

脫氧核糖分解

DNA鏈斷裂

交聯(lián)包括DNA鏈交聯(lián)和DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)18第六章DNA損傷與修復

三、化學因素引起的DNA損傷(一)烷化劑對DNA的損傷

1．堿基烷基化

2.堿基脫落

3．斷鏈

4.交聯(lián)19第六章DNA損傷與修復鳥嘌呤胞嘧啶O6-乙基鳥嘌呤胸腺嘧啶堿基烷基化

堿基烷基化烷化劑很容易將烷基加到DNA鏈中嘌呤或嘧啶的N或O上,烷基化的嘌呤堿基配對會發(fā)生變化。20第六章DNA損傷與修復雙功能基烷化劑，化學武器氮芥、硫芥等抗癌藥物如環(huán)磷酰胺、苯丁酸氮芥、絲裂霉素等致癌物如二乙基亞硝胺等同時使兩個位點烷基化21第六章DNA損傷與修復

5-BrdU（5-BrdU-A；5-BrdU-G）酮式烯醇式(二)堿基類似物、修飾劑對DNA的損傷

亞硝酸鹽能使胞嘧啶脫氨基變成尿嘧啶（C→U）

羥胺能使胸腺嘧啶脫甲基變成胞嘧啶（T→C）

黃曲霉素B(G→T)22第六章DNA損傷與修復四、DNA損傷的后果

1.點突變(pointmutation)2.缺失(deletion)3.插入(insertion)4.倒位或轉(zhuǎn)位(transposition)5.DNA斷裂(DNAbreak)23第六章DNA損傷與修復24第六章DNA損傷與修復第二節(jié)DNA修復主要類型:錯配修復直接修復光裂合酶修復切除修復重組修復跨損傷修復(SOS修復)

25第六章DNA損傷與修復一、錯配修復錯配修復可校正DNA復制和重組過程中發(fā)生的堿基錯配。錯配的堿基可被錯配修復酶識別后進行修復。26第六章DNA損傷與修復

1.E.coli錯配修復機制錯配修復系統(tǒng)組成（Mismatchrepairsystem）DNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)解旋酶Helicase、SSB、外切核酸酶(Ⅰ、Ⅶ、X和RecJ)、DNApolymeraseⅢ、連接酶MCE(mismatchcorrectenzyme)3subunitsmutS,L,H掃描新生鏈中錯配堿基識別新生鏈中非m6A的GATC序列酶切含錯配堿基的DNA區(qū)段27第六章DNA損傷與修復錯配修復

28第六章DNA損傷與修復錯配修復(大腸桿菌)Mis-pairedbases29第六章DNA損傷與修復30第六章DNA損傷與修復錯配修復(大腸桿菌)31第六章DNA損傷與修復2.真核細胞錯配修復機制32第六章DNA損傷與修復二.直接修復1.單鏈斷裂修復DNA單鏈斷裂是損傷的一種常見形式，可以通過DNA連接酶的重接而修復。

33第六章DNA損傷與修復2.光分解酶(光復活酶)直接修復二聚體形成嘧啶二聚體光復活酶結(jié)合于損傷部位酶被可見光激活修復后釋放酶34第六章DNA損傷與修復3.直接修復烷基化堿基O6-甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶35第六章DNA損傷與修復4．直接插入嘌呤DNA鏈上嘌呤的脫落造成無嘌呤位點，能被DNA嘌呤插入酶(insertase)識別結(jié)合，催化游離的嘌呤堿基與DNA無嘌呤部位形成糖苷鍵。且催化插入的堿基有高度專一性、與另一條鏈上的堿基嚴格配對，使DNA完全恢復。36第六章DNA損傷與修復三、堿基切除修復（baseexcisionrepair，BER）指切除和替換由內(nèi)源性化學物作用產(chǎn)生的DNA堿基損傷,是切除修復的一種。受損堿基移除是由多個酶來完成的。主要針對DNA單鏈斷裂和小的堿基改變及氧化性損傷。37第六章DNA損傷與修復堿基切除修復38第六章DNA損傷與修復四、

核苷酸切除修復（nucleotideexcisionrepair）

體內(nèi)識別DNA損傷最多的修復通路主要修復可影響堿基配對而扭曲雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA損傷，修復時切除含有損傷堿基的那一段DNA。39第六章DNA損傷與修復核苷酸切除修復(大腸桿菌)UvrA:識別損傷部位UvrB:解旋雙鏈，3’末端內(nèi)切紫外線誘導uvrA、uvrB、uvrC和uvrD四種基因表達40第六章DNA損傷與修復UvrC:5’末端內(nèi)切41第六章DNA損傷與修復UvrD:解旋酶42第六章DNA損傷與修復43第六章DNA損傷與修復核苷酸切除修復(基因組修復–以人為例)44第六章DNA損傷與修復核苷酸切除修復(轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復-以人為例)45第六章DNA損傷與修復GG-NER和TC-NER的共同修復通路46第六章DNA損傷與修復47第六章DNA損傷與修復五、重組修復大腸桿菌重組修復48第六章DNA損傷與修復根據(jù)DNA末端連接需要的同源性，分為同源重組修復：需要多種蛋白參與,在S/G2期起主要作用。非同源末端連接：DNA分子之間不需要廣泛的同源性，在G1/G0期起主要作用。

49第六章DNA損傷與修復同源重組修復DNA雙鏈斷裂（人類）50第六章DNA損傷與修復非同源末端連接修復DNA雙鏈斷裂（人類）51第六章DNA損傷與修復六、SOS修復

正在復制的DNA聚合酶可能遇到尚未修復的DNA損傷，例如胸腺嘧啶二聚體或無嘌呤位點，復制體必須設法跨越損傷進行復制，或者被迫暫停復制。即使細胞不能修復這些損傷，自動防故障系統(tǒng)能夠使復制體繞過損傷部位，這一機制就是跨損傷DNA合成。SOS修復存在于大腸桿菌，不存在于人類。52第六章DNA損傷與修復53第六章DNA損傷與修復54第六章DNA損傷與修復RecA-P的三種功能a、DNA重組活性b、與S.S.DNA結(jié)合活性c、proteinase活性當DNA正常復制時（無復制受阻，無DNA損傷，無TTdimer）

RecA-p不表現(xiàn)proteinase活性55第六章DNA損傷與修復當DNA復制受阻/DNAdamaged細胞內(nèi)原少量表達的RecA-p與S.S,DNA結(jié)合激活RecA-p的proteinase活性修復損傷LexA-p降解RecA-p高效表達SOSopen當DNA復制度過難關后RecA-p很快消失LexAgeneonSOSoff56第六章DNA損傷與修復SOS修復

DNA復制不很嚴格，新合成的DNA容易造成錯誤產(chǎn)生突變。57第六章DNA損傷與修復七、

線粒體DNA損傷和修復哺乳動物的每個細胞中含有2—100個線粒體，每個線粒體有5—10mtDNA分子，mtDNA只占細胞中DNA總量的10%。人mtDNA是獨立于細胞核染色體外的基因組，為環(huán)狀雙鏈DNA結(jié)構(gòu)，全長為16569bp。一般認為線粒體基因組DNA突變與人類的衰老、進化、神經(jīng)退行性病變、糖尿病和惡性腫瘤等有關。58第六章DNA損傷與修復mtDNA自身的特點決定了它比核DNA對氧化損傷更敏感（1）mtDNA是唯一的核外遺傳物質(zhì)并暴露于活性氧環(huán)境中；（2）線粒體是氧化還原反應的主要場所。mtDNA與氧化還原體系非常接近，

mtDNA呈裸露狀態(tài)，缺少組蛋白和非組蛋白對DNA進行保護作用；（3）線粒體本身含有類似微粒體細胞色素P450氧化酶的催化酶，故可直接在線粒體原位激活一些化學致癌物質(zhì)；（4）mtDNA與富含脂類的線粒體內(nèi)膜相連，使得mtDNA對脂溶性化學物質(zhì)及可引起線粒體膜不穩(wěn)定的因素非常敏感，并往往成為親電子物質(zhì)首選的靶點；（5）mtDNA的復制酶由核DNA編碼，即使mtDNA損傷十分嚴重，但如果其相關的復制酶編碼基因無損傷或損傷很小，都不會影響損傷的mtDNA復制。這引起mtDNA損傷在細胞內(nèi)累積，使mtDNA的突變率比核DNA高10倍，而且mtDNA易發(fā)生點突變和缺失突變

。59第六章DNA損傷與修復線粒體DNA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DNA的損傷修復：堿基切除修復、錯配修復、重組修復60第六章DNA損傷與修復第三節(jié)細胞周期檢查點控制

真核生物細胞DNA受到損傷時細胞除了誘導修復基因的轉(zhuǎn)錄外，還可暫時阻斷細胞周期，防止受損DNA繼續(xù)復制，如無法修復，則可誘導細胞進入凋亡。這些都是細胞通過細胞周期檢查點控制（checkpointcontrol，又稱關卡控制）對DNA損傷的應答反應。61第六章DNA損傷與修復細胞周期

細胞周期：是指細胞從上一次分裂結(jié)束開始到下一次分裂終了所經(jīng)歷的過程，通?？煞譃镚1期、S期、G2期和M期。細胞在G1期完成必要的生長和物質(zhì)準備，在S期完成其遺傳物質(zhì)染色體DNA的復制，在G2期進行必要的檢查及修復以保證DNA復制的準確性，然后在M期完成遺傳物質(zhì)到子細胞中的均等分配，并使細胞一分為二。62第六章DNA損傷與修復G1CDKM染色體分離cyclin細胞分裂有絲分裂G2DNA合成染色體復制S63第六章DNA損傷與修復細胞周期調(diào)控的核心機制周期素蛋白——Cyclins

CyclinA、B、D、E、G、H、T…Cyclin依賴的蛋白激酶家族——

CDKs。CDK1、2、4、5、6…以及CDKs的抑制蛋白——

CKIsp21、p27、p16、p19…

構(gòu)成調(diào)控周期進程的核心要素。64第六章DNA損傷與修復DNA損傷關卡（DNADAMAGECHECKPOINTS）

DNA損傷會引發(fā)多種細胞反應,包括DNA修復、細胞周期延遲或阻滯、細胞凋亡等。其中細胞周期延遲或阻滯是通過DNA損傷關卡完成的。DNA損傷關卡是指DNA損傷引發(fā)的能使細胞周期延遲或阻滯的生化調(diào)控途徑。65第六章DNA損傷與修復DNA損傷關卡主要包括3個組成部分：感應因子(如ATM和ATR)、信號傳導因子(如Chk1和Chk2)效應因子(包括多種能激活CDKs的磷酸酶,如Cdc25A、Cdc25B和Cdc25C)66第六章DNA損傷與修復感應因子DNA損傷關卡在激活前首先要識別DNA損傷。關卡特異性的DNA損傷感應因子主要有磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)家族的兩個蛋白,即ATM和ATR。ATM是DNA雙鏈斷裂的感應因子ATR主要識別堿基改變的感應因子

。67第六章DNA損傷與修復

信號傳導因子人類的信號傳導因子有兩類,即細胞周期檢測點激酶1(Chk1)和Chk2,它們在細胞周期調(diào)控和關卡反應中起信號傳導作用。Chk1和Chk2激酶均為絲/蘇氨酸蛋白激酶,有一定的底物特異性。哺乳動物細胞中,DNA雙鏈斷裂信號被ATM感應,并由Chk2傳導,而紫外線引發(fā)的DNA損傷信號則被ATR感應,并由Chk1傳導.68第六章DNA損傷與修復效應因子人類的效應因子為Cdc25A、Cdc25B和Cdc25C。Cdc25能使周期素依賴性蛋白激酶(cyclin-dependentkinases,CDKs)脫磷酸而激活,從而推動細胞周期的時相轉(zhuǎn)換。Cdc25A通過使Cdk2脫磷酸活化,促使G1/S轉(zhuǎn)換;Cdc25A通過使Cdc2(Cdk1)脫磷酸活化,促使G2/M轉(zhuǎn)換。69第六章DNA損傷與修復

DNA損傷關卡的分子機制1.G1/S期關卡在DNA受到損傷時,G1/S期關卡通過抑制DNA復制的啟動而抑制細胞進入S期。細胞周期能否啟動進行細胞增殖,主要的調(diào)控點在G1期,它決定細胞是否通過G1期進入S期。通過ATM-Chk2-Cdc25A或ATR-Chk1-Cdc25A途徑啟動G1/S阻滯,隨后是由p53介導的G1/S期阻滯的維持過程。70第六章DNA損傷與修復71第六章DNA損傷與修復2.S期關卡在S期發(fā)生的DNA損傷或者G1期產(chǎn)生的未經(jīng)修復逃過G1/S期關卡的DNA損傷都能激活S期關卡,阻滯DNA的復制。在S期發(fā)生的DNA損傷引發(fā)的S期關卡的激活主要通過兩條途徑即ATM-Chk2-Cdc25A-Cdk2或ATR-Chk1-Cdc25A-Cdk2途徑和ATM-NBS1-SMC1途徑,阻滯DNA的復制。72第六章DNA損傷與修復3

G2/M期關卡G2/M期關卡的作用是阻止在G2期DNA受損的細胞進行有絲分裂。根據(jù)損傷的不同形式,分別激活ATM-Chk2-Cdc25A和ATR-Chk1-Cdc25A兩條