第15章 DNA損傷與修復(fù)課件

DNA損傷與修復(fù)

DNADamageandRepair第十五章第15章DNA損傷與修復(fù)各種體內(nèi)外因素所導(dǎo)致的DNA組成與結(jié)構(gòu)的變化稱為DNA損傷（DNAdamage）其一，DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變，即突變

其二，導(dǎo)致DNA失去作為復(fù)制和/或轉(zhuǎn)錄的模板的功能DNA損傷的后果:第15章DNA損傷與修復(fù)生物多樣性依賴于：DNA突變DNA修復(fù)平衡第15章DNA損傷與修復(fù)DNA損傷DNADamage第一節(jié)第15章DNA損傷與修復(fù)一、多種因素通過不同機(jī)制導(dǎo)致DNA損傷（一）體內(nèi)因素DNA復(fù)制錯誤

DNA自身的不穩(wěn)定性機(jī)體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧第15章DNA損傷與修復(fù)DNA復(fù)制錯誤：在DNA復(fù)制過程中，堿基的異構(gòu)互變、4種dNTP之間濃度的不平衡等均可能引起堿基的錯配DNA復(fù)制的錯配率約1/1010復(fù)制錯誤還表現(xiàn)為片段的缺失或插入。特別是DNA上的短片段重復(fù)序列，在真核細(xì)胞染色體上廣泛分布，導(dǎo)致DNA復(fù)制系統(tǒng)工作時可能出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，使得新生成的DNA上的重復(fù)序列拷貝數(shù)發(fā)生變化。

第15章DNA損傷與修復(fù)DNA自身的不穩(wěn)定性

：DNA結(jié)構(gòu)自身的不穩(wěn)定性是DNA自發(fā)性損傷中最頻繁和最重要的因素。當(dāng)DNA受熱或所處環(huán)境的pH值發(fā)生改變時，DNA分子上連接堿基和核糖之間的糖苷鍵可自發(fā)發(fā)生水解，導(dǎo)致堿基的丟失或脫落，其中以脫嘌呤最為普遍。含有氨基的堿基還可能自發(fā)脫氨基反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N堿基，即堿基的轉(zhuǎn)變，如C轉(zhuǎn)變?yōu)閁，A轉(zhuǎn)變?yōu)镮（次黃嘌呤）等。第15章DNA損傷與修復(fù)（二）體外因素物理因素化學(xué)因素生物因素第15章DNA損傷與修復(fù)物理因素：電離輻射、紫外線(ultraviolet,UV)第15章DNA損傷與修復(fù)化學(xué)因素：自由基導(dǎo)致的DNA損傷堿基類似物導(dǎo)致的DNA損傷堿基修飾劑、烷化劑導(dǎo)致的DNA損傷嵌入性染料導(dǎo)致的DNA損傷第15章DNA損傷與修復(fù)物理和化學(xué)因素對DNA的損傷第15章DNA損傷與修復(fù)二、DNA損傷有多種類型

堿基脫落堿基結(jié)構(gòu)破壞嘧啶二聚體形成DNA單鏈或雙鏈斷裂DNA交聯(lián)第15章DNA損傷與修復(fù)堿基損傷與糖基破壞：化學(xué)毒物可通過對堿基的某些基團(tuán)進(jìn)行修飾而改變堿基的性質(zhì)。由于堿基損傷或糖基破壞，在DNA鏈上可能形成一些不穩(wěn)定點，最終可導(dǎo)致DNA鏈的斷裂。第15章DNA損傷與修復(fù)堿基之間發(fā)生錯配

：堿基類似物的摻入、堿基修飾劑的作用可改變堿基的性質(zhì)，導(dǎo)致DNA序列中的錯誤配對。在正常的DNA復(fù)制過程中，存在著一定比例的自發(fā)堿基錯配。最常見的是組成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶摻入到DNA分子中。第15章DNA損傷與修復(fù)DNA鏈發(fā)生斷裂：電離輻射、化學(xué)毒劑、磷酸二酯鍵的斷裂、脫氧戊糖的破壞、堿基的損傷和脫落都是引起DNA斷裂的原因。堿基損傷或糖基破壞可引起DNA雙螺旋局部變性，形成酶敏感性位點，特異的核酸內(nèi)切酶能識別并切割這樣的部位，造成鏈斷裂。DNA鏈上被損傷的堿基也可以被另一種特異的DNA-糖基化酶除去，形成無嘌呤嘧啶位點（apurinic-apyrimidinicsite,APsite），或稱無堿基位點（abasicsite），這些位點在內(nèi)切酶等的作用下可形成鏈斷裂。第15章DNA損傷與修復(fù)DNA

的共價交聯(lián)：DNA雙螺旋鏈中的一條鏈上的堿基與另一條鏈上的堿基以共價鍵結(jié)合，稱為DNA鏈間交聯(lián)（DNAinterstrandcross-linking）。DNA分子中同一條鏈中的兩個堿基以共價鍵結(jié)合，稱為DNA鏈內(nèi)交聯(lián)（DNAintrastrandcross-linking）。DNA分子還可與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合，稱為DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)（DNAproteincross-linking）。第15章DNA損傷與修復(fù)DNA損傷可導(dǎo)致堿基置換缺失插入鏈的斷裂

轉(zhuǎn)換顛換第15章DNA損傷與修復(fù)DNA損傷的修復(fù)TherepairofDNAdamage第二節(jié)第15章DNA損傷與修復(fù)DNA修復(fù)（DNArepair）是指糾正DNA兩條單鏈間錯配的堿基、清除DNA鏈上受損的堿基或糖基、恢復(fù)DNA的正常結(jié)構(gòu)的過程。DNA修復(fù)是機(jī)體維持DNA結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)定性，保證生命延續(xù)和物種穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。

第15章DNA損傷與修復(fù)常見的DNA損傷修復(fù)途徑修復(fù)途徑修復(fù)對象參與修復(fù)的酶或蛋白

光復(fù)活修復(fù)嘧啶二聚體光復(fù)活酶

堿基切除修復(fù)受損的堿基DNA糖基化酶、無嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶

核苷酸切除修復(fù)嘧啶二聚體、DNA螺旋結(jié)構(gòu)的改變大腸桿菌中UvrA、UvrB、UvrC和UvrD，人XP系列蛋白XPA、XPB、XPC……XPG等

錯配修復(fù)復(fù)制或重組中的堿基配對錯誤大腸桿菌中的MutH、MutL、MutS，人的MLH1、MSH2、MSH3、MSH6等

重組修復(fù)雙鏈斷裂RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、XRCC4

損傷跨越修復(fù)大范圍的損傷或復(fù)制中來不及修復(fù)的損傷RecA蛋白、LexA蛋白、其他類型DNA聚合酶

第15章DNA損傷與修復(fù)一、有些DNA損傷可以直接修復(fù)

嘧啶二聚體的直接修復(fù)

烷基化堿基的直接修復(fù)

無嘌呤位點的直接修復(fù)

單鏈斷裂的直接修復(fù)

第15章DNA損傷與修復(fù)嘧啶二聚體的直接修復(fù)第15章DNA損傷與修復(fù)烷基化堿基的直接修復(fù)第15章DNA損傷與修復(fù)無嘌呤位點的直接修復(fù)

DNA嘌呤插入酶能催化游離嘌呤堿基或脫氧核苷與DNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共價鍵，導(dǎo)致嘌呤堿基的直接插入。具有很強(qiáng)的專一性。單鏈斷裂的直接修復(fù)

DNA連接酶能夠催化DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中一條鏈上缺口處的5

-磷酸基團(tuán)與相鄰片段的3

-羥基之間形成磷酸二酯鍵，從而直接參與部分DNA單鏈斷裂的修復(fù)，如電離輻射所造成的切口。第15章DNA損傷與修復(fù)二、切除修復(fù)是最普遍的DNA損傷修復(fù)方式

堿基切除修復(fù)

核苷酸切除修復(fù)

第15章DNA損傷與修復(fù)堿基切除修復(fù)（baseexcisionrepair）

①識別水解：DNA糖基化酶特異性識別DNA鏈中已受損的堿基并將其水解去除，產(chǎn)生一個無堿基位點；②切除：在此位點的5

端，無堿基位點核酸內(nèi)切酶將DNA鏈的磷酸二酯鍵切開，去除剩余的磷酸核糖部分；③合成：DNA聚合酶在缺口處以另一條鏈為模板修補(bǔ)合成互補(bǔ)序列；④連接：由DNA連接酶將切口重新連接，使DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)

第15章DNA損傷與修復(fù)第15章DNA損傷與修復(fù)核苷酸切除修復(fù)（nucleotideexcisionrepair）

①首先，由一個酶系統(tǒng)識別DNA損傷部位；②其次，在損傷兩側(cè)切開DNA鏈，去除兩個切口之間的一段受損的寡核苷酸；③再次，在DNA聚合酶作用下，以另一條鏈為模板，合成一段新的DNA，填補(bǔ)缺損區(qū)；④最后由連接酶連接，完成損傷修復(fù)。第15章DNA損傷與修復(fù)E.coli的NER主要由4種蛋白質(zhì)組成：UvrAUvrBUvrCUvrD

第15章DNA損傷與修復(fù)人類的DNA損傷核苷酸切除修復(fù)①首先由損傷部位識別蛋白XPC和XPA等，再加上DNA復(fù)制所需的SSB，結(jié)合在損傷DNA的部位；②XPB、XPD發(fā)揮解旋酶的活性，與上述物質(zhì)共同作用在受損DNA周圍形成一個凸起；③XPG與XPF發(fā)生構(gòu)象改變，分別在凸起的3′-端和5′-端發(fā)揮核酸內(nèi)切酶活性,在增殖細(xì)胞核抗原（PCNA）的幫助下，切除并釋放受損的寡核苷酸；④遺留的缺損區(qū)由聚合酶δ或ε進(jìn)行修補(bǔ)合成；⑤最后，由連接酶完成連接。

第15章DNA損傷與修復(fù)NER不僅能夠修復(fù)整個基因組中的損傷，而且能拯救因轉(zhuǎn)錄模板鏈損傷而暫停轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶，即參與轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)（transcription-coupledrepair）。作用方式：NER蛋白質(zhì)被募集于暫停的RNA聚合酶。轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復(fù)的意義：將修復(fù)酶集中于正在轉(zhuǎn)錄DNA，使該區(qū)域的損傷盡快得以修復(fù)。第15章DNA損傷與修復(fù)堿基錯配修復(fù)（mismatchrepair）錯配是指非Watson-Crick堿基配對。堿基錯配修復(fù)也可被看作是堿基切除修復(fù)的一種特殊形式，主要負(fù)責(zé)糾正：①復(fù)制與重組中出現(xiàn)的堿基配對錯誤；②因堿基損傷所致的堿基配對錯誤；③堿基插入；④堿基缺失。第15章DNA損傷與修復(fù)E.coli錯配修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)復(fù)制差錯第15章DNA損傷與修復(fù)Dam甲基化酶（methylase）使E.coli處于暫時的半甲基化狀態(tài)，標(biāo)記母鏈和新合成的DNA鏈，幫助新合成的DNA鏈被錯配修復(fù)系統(tǒng)識別并修復(fù)。第15章DNA損傷與修復(fù)模板鏈的GATC序列甲基化MutH僅切割新合成的DNA鏈第15章DNA損傷與修復(fù)MutH的切口位于錯配核苷酸的5

側(cè)，使用外切酶Ⅶ或RecJ，按5

3

方向降解DNA；切口位于錯配的3’側(cè)，則使用外切酶Ⅰ，按3

5

方向降解DNA。DNA聚合酶Ⅲ填補(bǔ)所產(chǎn)生單鏈DNA缺口。第15章DNA損傷與修復(fù)MSH（MutShomologs）蛋白與MutL同源的MLH和PMS蛋白真核細(xì)胞錯配修復(fù)系統(tǒng)無MutH，也無半甲基化標(biāo)記母鏈。錯配修復(fù)系統(tǒng)利用岡崎片段連接前的DNA缺口辨別錯配堿基所在的DNA鏈。真核細(xì)胞核苷酸修復(fù)錯配系統(tǒng)：第15章DNA損傷與修復(fù)三、DNA嚴(yán)重?fù)p傷時需要重組修復(fù)

同源重組修復(fù)

非同源末端連接的重組修復(fù)

第15章DNA損傷與修復(fù)同源重組修復(fù)第15章DNA損傷與修復(fù)四、某些修復(fù)發(fā)生在跨越損傷DNA的復(fù)制事件之后

重組跨越損傷修復(fù)

合成跨越損傷修復(fù)

第15章DNA損傷與修復(fù)SOS修復(fù)中LexA-RecA操縱子的作用機(jī)制第15章DNA損傷與修復(fù)DNA損傷和修復(fù)的意義ThesignificanceofDNAdamageandrepair第三節(jié)第15章DNA損傷與修復(fù)