《DNA損傷與修復(fù)》課件

DNA損傷與修復(fù)DNA損傷是生命體中常見的現(xiàn)象，它會導(dǎo)致基因突變、細胞死亡甚至癌癥等嚴重后果。為了維護生命體正常的生命活動，細胞進化出復(fù)雜的DNA損傷修復(fù)機制。DNA結(jié)構(gòu)簡介脫氧核糖核酸（DNA）是所有已知生物的主要遺傳物質(zhì)。DNA結(jié)構(gòu)像螺旋梯子，由兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈構(gòu)成。核苷酸由磷酸基團、脫氧核糖和堿基組成。堿基有四種：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。A與T配對，G與C配對，構(gòu)成堿基對。堿基對通過氫鍵連接，兩條鏈通過磷酸二酯鍵連接，形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。DNA損傷的來源內(nèi)源性損傷DNA復(fù)制錯誤、代謝副產(chǎn)物和活性氧自由基等因素造成的DNA損傷。外源性損傷紫外線照射、電離輻射、化學(xué)物質(zhì)和病毒感染等因素造成的DNA損傷。自發(fā)性DNA損傷1堿基水解DNA堿基在水溶液中發(fā)生水解，導(dǎo)致堿基脫落。2脫嘌呤化嘌呤堿基（腺嘌呤和鳥嘌呤）從脫氧核糖中脫落，導(dǎo)致DNA鏈中出現(xiàn)空缺。3非酶促脫氨基胞嘧啶脫氨基生成尿嘧啶，導(dǎo)致堿基配對錯誤。外源性DNA損傷紫外線紫外線輻射可引起嘧啶二聚體形成，造成DNA損傷。電離輻射電離輻射可引起單鏈斷裂、雙鏈斷裂和堿基損傷等?；瘜W(xué)物質(zhì)某些化學(xué)物質(zhì)如烷化劑、抗癌藥等可與DNA分子發(fā)生反應(yīng)，造成損傷。直接DNA損傷堿基修飾脫氨基作用導(dǎo)致堿基的改變，例如胞嘧啶脫氨基形成尿嘧啶。堿基缺失嘌呤堿基的缺失會導(dǎo)致DNA鏈中出現(xiàn)空缺，影響遺傳信息的完整性。堿基添加非正常堿基的添加會導(dǎo)致DNA序列發(fā)生突變，影響基因表達。交聯(lián)DNA鏈內(nèi)部或鏈間形成交聯(lián)，導(dǎo)致DNA結(jié)構(gòu)異常，影響基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。間接DNA損傷氧化應(yīng)激活性氧(ROS)會導(dǎo)致DNA損傷，如堿基氧化和鏈斷裂。烷基化烷基化劑可以添加烷基基團，導(dǎo)致堿基突變。交聯(lián)交聯(lián)劑可以連接DNA鏈，阻礙復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。修復(fù)直接DNA損傷的機制1堿基切除修復(fù)從DNA鏈中切除受損堿基。2錯配修復(fù)去除錯配的堿基，糾正復(fù)制錯誤。3垮塌復(fù)制修復(fù)修復(fù)復(fù)制過程中的DNA損傷。堿基切除修復(fù)識別并移除受損的堿基。DNA糖基化酶切除受損堿基。通過DNA聚合酶和連接酶修復(fù)缺口。錯配修復(fù)1識別錯誤錯配修復(fù)系統(tǒng)能夠識別DNA復(fù)制過程中產(chǎn)生的堿基錯配。2切除修復(fù)錯配的堿基被切除，并由正確的堿基替換。3修復(fù)合成的DNA修復(fù)后的DNA片段被重新連接到DNA鏈上?？逅鷱?fù)制修復(fù)DNA損傷當DNA復(fù)制叉遇到損傷時，復(fù)制過程會停止。復(fù)制叉解離復(fù)制叉解離，形成單鏈缺口，導(dǎo)致DNA復(fù)制停滯。修復(fù)機制通過修復(fù)DNA損傷，恢復(fù)復(fù)制叉的完整性，并繼續(xù)復(fù)制過程。修復(fù)間接DNA損傷的機制1堿基切除修復(fù)修復(fù)受損的堿基2錯配修復(fù)修復(fù)復(fù)制錯誤3雙鏈斷裂修復(fù)修復(fù)斷裂的DNA鏈堿基切除修復(fù)第一步：識別DNA糖基化酶(DNAglycosylase)識別受損的堿基并將其從DNA鏈中移除。第二步：切除AP位點內(nèi)切核酸酶(APendonuclease)切割DNA鏈，形成單鏈缺口。第三步：修復(fù)DNA聚合酶填補缺口，并由DNA連接酶將新合成的片段連接到DNA鏈上。錯配修復(fù)錯配修復(fù)在DNA復(fù)制過程中，可能會發(fā)生堿基錯配。錯配修復(fù)系統(tǒng)能夠識別并修復(fù)這些錯誤。修復(fù)機制錯配修復(fù)系統(tǒng)首先識別錯配的堿基，然后將其切除并用正確的堿基替換。這個過程涉及多種酶，包括錯配修復(fù)蛋白（MutS、MutL）和核酸外切酶。重要意義錯配修復(fù)對于維持基因組的完整性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。缺陷的錯配修復(fù)會導(dǎo)致遺傳性疾病，如遺傳性非息肉性結(jié)腸癌。雙鏈斷裂修復(fù)1非同源末端連接在沒有同源模板的情況下，將斷裂的DNA末端直接連接起來。2同源重組利用同源染色體上的序列作為模板，進行精確的修復(fù)。3微同源介導(dǎo)的末端連接利用斷裂DNA末端之間的小片段同源序列進行連接。DNA損傷的生物學(xué)意義細胞自殺當DNA損傷嚴重無法修復(fù)時，細胞會啟動凋亡程序，自我毀滅，以防止受損的遺傳物質(zhì)傳遞給子代細胞。細胞衰老持續(xù)的DNA損傷會導(dǎo)致細胞衰老，細胞失去分裂能力，最終死亡，影響組織和器官的正常功能?；蚪M不穩(wěn)定DNA損傷修復(fù)機制的缺陷會導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定，增加基因突變的概率，引發(fā)各種疾病。細胞自殺凋亡一種有序的細胞死亡方式，清除受損或異常的細胞，避免對機體造成傷害。特征細胞收縮DNA片段化細胞膜起泡細胞衰老DNA損傷積累導(dǎo)致細胞功能減退，細胞進入衰老狀態(tài)。衰老細胞失去增殖能力，分泌炎癥因子，影響周圍組織。衰老細胞積累的DNA損傷無法修復(fù)，最終導(dǎo)致細胞凋亡?；蚪M不穩(wěn)定DNA損傷積累未修復(fù)的DNA損傷會累積，導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定。染色體畸變基因組不穩(wěn)定會導(dǎo)致染色體斷裂、重排和易位。細胞分裂錯誤基因組不穩(wěn)定會導(dǎo)致細胞分裂過程中的錯誤，導(dǎo)致基因突變。DNA損傷與疾病癌癥DNA損傷是導(dǎo)致癌癥發(fā)生的重要因素之一。突變積累可以導(dǎo)致腫瘤抑制基因失活或癌基因激活，最終導(dǎo)致細胞不受控制地增殖，形成腫瘤。神經(jīng)退行性疾病DNA損傷與阿爾茨海默病、帕金森病等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。DNA損傷導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙和死亡，最終導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)退化。加速性衰老DNA損傷累積會導(dǎo)致細胞衰老加速，進而導(dǎo)致機體衰老。DNA損傷修復(fù)能力下降是機體衰老的重要原因之一。癌癥DNA損傷累積是癌癥發(fā)生的重要原因，例如，BRCA基因突變導(dǎo)致DNA修復(fù)缺陷，增加患乳腺癌和卵巢癌風險。癌癥細胞中DNA修復(fù)機制可能出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定，促進癌細胞生長。理解DNA損傷與修復(fù)機制，有助于研發(fā)新的癌癥治療方法，例如靶向DNA修復(fù)蛋白，增強化療藥物的效果。神經(jīng)退行性疾病阿爾茨海默病老年癡呆癥的主要病因，影響記憶、思考和行為。帕金森病運動障礙疾病，導(dǎo)致震顫、僵硬和行動遲緩。肌萎縮性側(cè)索硬化癥（ALS）影響神經(jīng)元，導(dǎo)致肌肉無力和癱瘓。亨廷頓舞蹈癥遺傳性疾病，導(dǎo)致運動、認知和情緒障礙。加速性衰老端粒縮短每次細胞分裂，端粒都會縮短，最終導(dǎo)致細胞衰老。DNA損傷積累DNA損傷無法修復(fù)，導(dǎo)致細胞功能障礙，加速衰老。線粒體功能障礙線粒體是細胞的能量工廠，功能障礙會導(dǎo)致能量代謝紊亂，加速衰老。DNA損傷檢測技術(shù)1PCRPCR技術(shù)可以檢測DNA損傷引起的突變和斷裂。2Southern印跡Southern印跡可以檢測DNA損傷引起的片段缺失或插入。3測序測序可以識別DNA損傷造成的堿基變化或序列缺失。PCRPCR管包含DNA模板、引物和酶PCR儀控制溫度循環(huán)，進行DNA擴增凝膠電泳分離和檢測PCR產(chǎn)物Southern印跡原理Southern印跡是一種用于檢測特定DNA序列的技術(shù)。它利用DNA探針與靶DNA片段雜交，并通過放射性自顯影或化學(xué)發(fā)光檢測探針信號。步驟Southern印跡包括以下步驟：DNA提取、酶切、凝膠電泳、轉(zhuǎn)膜、雜交和檢測。應(yīng)用Southern印跡可用于基因突變檢測、基因表達分析、基因組拷貝數(shù)變異分析等研究領(lǐng)域。測序測序是確定DNA序列的技術(shù)。它可以用于識別DNA損傷并確定修復(fù)機制的有效性。通過比較正常和受損DNA序列，可以識別出特定基因組區(qū)域的損傷或修復(fù)缺陷。測序技術(shù)正在迅速發(fā)展，為我們提供更深入的了解DNA損傷和修復(fù)過程。DNA修復(fù)缺陷與疾病遺傳性疾病某些DNA修復(fù)基因的突變會導(dǎo)致遺傳性疾病，例如：雷德-斯特恩伯格癥候群，可卡因綜合征，乙型地中海貧血等。癌癥DNA修復(fù)缺陷會導(dǎo)致細胞積累大量基因突變，增加患癌風險。神經(jīng)退行性疾病DNA修復(fù)缺陷會影響神經(jīng)細胞功能，導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病，例如：阿爾茨海默病，帕金森病等。加速性衰老DNA修復(fù)缺陷會導(dǎo)致細胞衰老加速，增加患老年疾病的風險。雷德-斯特恩伯格癥候群1遺傳性疾病一種罕見的常染色體隱性遺傳疾病，導(dǎo)致DNA修復(fù)缺陷。2基因突變由ATM基因突變引起，該基因負責修復(fù)雙鏈DNA斷裂。3癥狀患者常表現(xiàn)出免疫缺陷、發(fā)育遲緩和癌癥易感性?？煽ㄒ蚓C合征遺傳性疾病可卡因綜合征是一種罕見的遺傳性疾病，由編碼DNA修復(fù)蛋白的基因突變引起。DNA修復(fù)缺陷患者的DNA修復(fù)能力受損，導(dǎo)致細胞更容易受到DNA損傷的累積。臨床表現(xiàn)患者表現(xiàn)出多種癥狀，包括智力障礙、生長遲緩、面部畸形和免疫缺陷。乙型地中海貧血1遺傳性疾病由β-珠蛋白基因突變引起，導(dǎo)致紅血球合成不足。2癥狀多樣從輕微貧血到嚴重的生命危脅，取決于突變的類型和程度。3影響骨骼患者的骨骼可能出現(xiàn)異常，如骨骼增生或骨骼變形。DNA修復(fù)的調(diào)控機制轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控修復(fù)相關(guān)基因的表達來控制修復(fù)過程。信號通路例如，ATM/ATR通路感知DNA損傷，并啟動修復(fù)信號傳導(dǎo)。染色質(zhì)重塑通過染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，使修復(fù)酶能夠更容易地接近受損的DNA。轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控基因表達轉(zhuǎn)錄因子是與DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)，它們能識別特定的DNA序列，并通過調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄來控制基因的表達。參與修復(fù)過程一些轉(zhuǎn)錄因子直接參與DNA修復(fù)，例如p53和NF-κB，它們可以誘導(dǎo)DNA修復(fù)基因的表達，促進DNA修復(fù)。信號通路損傷信號DNA損傷后，細胞會啟動一系列信號通路，激活下游的修復(fù)蛋白和調(diào)節(jié)基因表達。關(guān)鍵蛋白例如，ATM、ATR、Chk1、Chk2等蛋白，這些蛋白在識別、修復(fù)DNA損傷以及調(diào)控細胞周期中發(fā)揮重要作用。細胞命運信號通路最終決定細胞的命運，修復(fù)損傷、進入休眠或凋亡。染色質(zhì)重塑DNA結(jié)構(gòu)改變?nèi)旧|(zhì)重塑可以改變DNA的結(jié)構(gòu)，使其更易于或更難于被蛋白質(zhì)結(jié)合和訪問。調(diào)節(jié)基因表達通過改變DNA的結(jié)構(gòu)，染色質(zhì)重塑可以影響基因的表達，從而影響細胞的生長、發(fā)育和功能。參與DNA修復(fù)染色質(zhì)重塑可以幫助DNA修復(fù)酶進入受損的DNA區(qū)域，促進修復(fù)過程的進行。DNA修復(fù)異常與腫瘤治療靶向DNA修復(fù)蛋白通過抑制腫瘤細胞中參與DNA修復(fù)的關(guān)鍵蛋白，可以增強腫瘤細胞對化療藥物或放療的敏感性，提高治療效果。合成致死針對DNA修復(fù)缺陷的腫瘤細胞，可以選擇性地使用抑制DNA修復(fù)通路的藥物，導(dǎo)致腫瘤細胞死亡，而正常細胞則不受影響。免疫治療利用免疫檢查點抑制劑，增強機體免疫系統(tǒng)對腫瘤細胞的識別和殺傷能力，并改善腫瘤微環(huán)境，提高治療效率。靶向DNA修復(fù)蛋白PARP抑制劑抑制PARP1,影響B(tài)RCA突變細胞修復(fù)DNA雙鏈斷裂，增加對化療的敏感性。ATM抑制劑抑制ATM，導(dǎo)致DNA損傷修復(fù)缺陷，增加腫瘤細胞對放療的敏感性。ATR抑制劑抑制ATR，影響DNA復(fù)制修復(fù)，增加腫瘤細胞對化療的敏感性。合成致死靶向依賴性抑制正常細胞中的某個基因，可能會導(dǎo)致細胞死亡，但如果另一個基因也被抑制，則會導(dǎo)致更嚴重的細胞死亡。腫瘤細胞特異性合成致死可以用于選擇性地殺死腫瘤細胞，