DNA损伤与修复-PPT文档.ppt

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1、DNADNA既稳定，既稳定， 但也脆弱但也脆弱 哪些因素能影响到DNA的完整性？ N细胞内源的因素 N环境因素 -例如化学试剂、污染物和UV线 N疾病治疗 -例如离子辐射和化疗 细胞内源因素 N复制错误 N例如四种dNTP之间的不平衡导致错配 NDNA本身的不稳定 N碱基的自发脱氨基 NDNA的脱嘌呤/脱嘧啶导致碱基脱落 N活性氧的作用 NDNA, 蛋白质和脂质的氧化 DNA分子上的自发脱嘌呤作用和自发脱氨基作用 脱嘌呤/脱嘧啶 * 脱嘌呤比脱嘧啶更容易 * 在DNA分子上产生无碱基位点（AP位点） * 大肠杆菌 1 次脱嘌呤/ 基因组/ 复制 * 嗜热水生菌 300次脱嘌呤/ 基因组/ 复制

2、 * 哺乳动物细胞 10 000次脱嘌呤/ 基因组/ 复制 活性氧（ROS） * 由正常的细胞代谢产生 * 线粒体利用细胞 85% O2，是主要的ROS来源 * 导致DNA、蛋白质和脂质损伤 * 常见的形式： 过氧化氢 (H2O2) 超氧化物自由基 (O2-) 一氧化氮 (NO) 羟基自由基 (HO) 过氧亚硝基阴离子 (O=NOO-) 烷过氧化物 (ROOH) 烷氧自由基 (RO) 环境（外源）因素 N 化学试剂 (1) 天然化合物 黄曲霉素 (2) 人造化合物 苯并芘- 香烟 顺铂- 化疗药物 N 物理因素 (1)UV (2)离子辐射 -射线 x-射线 DNA损伤类型 N碱基修饰 N碱基丢

3、失-无碱基位点 N复制错误：错误 N链断裂 N蛋白质-DNA交联 NDNA-DNA交联 DNA损伤的因素和损伤的主要类型 损伤类型实例/原因 碱基丢失自发脱碱基（热、酸），脱嘌呤脱嘧啶，104嘌呤脱落/天/细胞（恒温动 物） 碱基修饰形成碱基加合物，例如，8-羟基脱氧鸟嘌呤（离子辐射或活性氧），6-烷 基鸟嘌呤（烷基化试剂） 碱基交联嘧啶二聚体和6-4光产物（UV） 碱基转换CU，AI（自发脱氨基），100碱基脱氨基/天/细胞 碱基错配GT（4种dNTP浓度不平衡、碱基的互变异构或碱基之间的差别不足） DNA链断裂因磷酸二酯键被破坏引起单链断裂或双链断裂（离子辐射或特殊的化学 试剂），因脱氧核

4、糖环3号位发生断裂引起的DNA链断裂（博来霉素） DNA链间交联互补双链之间产生交联（双功能试剂的作用） DNA与蛋白 质的交联 UV 活性氧的碱基修饰作用 鸟嘌呤的甲基化导致碱基错配 紫外线引起的碱基损伤 离子辐射引起的DNA链断裂 稳定，但脆弱 * 不修复将导致突变 干扰转录和复制 导致突变 加速衰老 * 细胞的修复机制是必需的 修复机制是全方位的、高效的 1 /1000损伤躲过修复 DNA DNA 修复修复 DNA与其它生物大分子一样，在受到机体内外因素的作 用下，其结构会遭受到各种各样的损伤，但是，和其它 生物大分子不一样的是，DNA是唯一的一种在发生损伤 以后可以被完全修复的分子，而

5、其它生物大分子在受到 损伤以后要么被降解，要么被取代。当然，并不是发生 在DNA分子上的所有损伤都可以修复。如果DNA受到的 损伤不能及时被修复，不仅会使DNA的复制和转录受到 影响，还可以导致细胞的癌变和早衰。 细胞之所以在DNA受到损伤以后，选择的处理方法是尽 量将其修复而不是将其降解，这一是因为作为遗传物质 的DNA分子在细胞内只有一个拷贝，如果将其水解的话 ，细胞也就失去了存在的根基；二是DNA的互补双螺旋 结构使得修复一个受损伤的DNA分子变得很容易。正因 为如此，一种生物体，即使是那些基因组甚小的生物， 也会在修复上投入大量的基因（100个基因），这再次 说明了DNA的稳定性压倒一

6、切。. 被科学杂志评为1994年的年度分子 DNADNA修复机制修复机制 直接修复 切除修复 错配修复 双链断裂修复 易错修复 重组修复 直接修复直接修复 嘧啶二聚体的直接修复由DNA光裂解 酶催化。此酶直接识别和结合嘧啶二聚体。 然后，利用作为吸光色素的辅基捕捉到的光 能，将嘧啶二聚体打开，最后再与DNA解 离。但是胎盘类哺乳动物却没有这种酶。 烷基化碱基的直接修复由特定的烷基转 移酶催化 DNA链断裂的直接修复由DNA连接酶 催化。 光裂解酶的三维结构 嘧啶二聚体的直接修复 光裂解酶作用的详细机制 烷基化碱基的直接修复 切除修复切除修复 切除修复先切除损伤的碱基或核苷酸，然后， 重新合成正

7、常的核苷酸，最后，再经连接酶重 新连接，将原来的切口缝合。整个切除修复过 程包括识别、切除、重新合成和重新连接。 切除修复又分为碱基切除修复（BER）和核苷 酸切除修复（NER），两者的主要差别在于识 别损伤的机制上，前者是直接识别具体的受损 伤的碱基，而后者并不识别具体的损伤，而是 识别损伤对DNA双螺旋结构造成的扭曲。 碱基切除修复碱基切除修复 * DNA 糖苷酶切除受损伤的碱基 * 短修补是主要途径，约占80%90%， 只需合成属于AP位点的1个正常的核苷酸 * 长修补是次要途径，约占10%20%， 为短修补途径的备用途径，要合成1小段寡 聚核苷酸 尿嘧啶的切除修复 DNA糖苷酶都 是沿

8、着DNA小 沟扫描DNA， 当找到受损伤的 碱基以后即与 DNA结合，并 导致DNA结构 发生歪曲，以便 将损伤的碱基挤 出双螺旋，进入 它的活性中心被 切割。 真核细胞的碱基切除修复 核苷酸切除修复核苷酸切除修复 NER最初的切点是损伤部位附近的3,5-磷酸二酯键， 主要用来修复因UV、丝裂霉素 C和顺铂等因素造成的 比较大的损伤，如嘧啶二聚体、6-4光产物或体积较大 的碱基加合物以及链间交联等导致DNA结构发生扭曲 并影响到DNA复制的损伤，此外，约20%碱基的氧化 性损伤也由它修复。在修复过程中，损伤以寡聚核苷 酸的形式被切除。由于NER识别损伤的机制并非针对 损伤本身，而是损伤对DNA

9、双螺旋结构造成的扭曲， 因此，NER能够使用相同的机制和几乎同一套修复蛋 白去修复一系列性质并不相同的损伤。 NER在所有的生物具有相同的步骤： 识别损伤由特殊的蛋白质完成，并由此引发 一系列的蛋白质与受损伤DNA的有序结合； 切除损伤特殊的内切酶在损伤部位的两侧切 开DNA链，随后两个切口之间带有损伤的DNA 片段被去除； 修复合成DNA聚合酶以另外一条链为模板， 合成已被切除的序列； 缝合切口由DNA连接酶催化。 两类碱基切除修复 -全局性基因组NER和转录偶联性NER C 全局性基因组NER负责修复整个基因组的 损伤，速度慢，效率低。 C 转录偶联性NER专门负责修复那些正在转 录的基因

10、在模板链上的损伤，速度快，效 率高。 C 两类NER的主要差别在于识别损伤的机制 上，至于损伤识别以后发生的修复反应并 无本质上的不同。TCR由RNA聚合酶识别 损伤，当RNA聚合酶转录到受损伤部位而 前进受阻的时候，TCR系统即被起动。 全局性NER和转录偶联性NER *受到ATP水解的驱动 ，2个UvrA与1个UvrB 形成三聚体复合物 （UvrA2UvrB1）； *该复合物与DNA随机 结合后，沿着DNA链 移动，以探测损伤的 位置。 *识别损伤的过程比较 缓慢，为GGR系统的 限速步骤。 *当遇到嘧啶二聚体时 ，通过水解ATP，造 成损伤部位的DNA双 螺旋发生局部解链和 进一步弯曲，

11、致使 UvrB与损伤部位形成 更紧密的接触； *UvrA在ATP水解后离 开复合物，留下UvrB 横跨损伤部位； 大肠杆菌的核苷酸切除修复 *UvrC被UvrB招募到损 伤部位后激活UvrB的 核酸内切酶活性， UvrB在距离嘧啶二聚 体的下游4nt的位置切 开DNA链； *与此同时，UvrC的核 酸内切酶活性被UvrB 激活，在距离嘧啶二 聚体的上游7nt的位置 切开DNA链； *于是，产生一个长达 13nt的含有嘧啶二聚体 的寡聚核苷酸片段。 大肠杆菌的核苷酸切除修复 *在解链酶UvrD 的作用下，ATP 被水解，包含 嘧啶二聚体的 DNA片段发生 解链而离开双 螺旋，UvrC也 随之而去

12、； *最后，DNA聚 合酶I或II填补 空缺； *DNA连接酶则 缝合切口。 大肠杆菌的核苷酸切除修复 转录偶联性核苷酸切除修复 哺乳动物细胞的全局性NER和转录偶联性NER 错配修复错配修复 （MMRMMR） MMR系统主要用来修复DNA分子上错配碱基 对，此外，还能修复一些因“复制打滑”而诱发 的核苷酸插入或缺失损伤。 错配修复系统必须能够保证只会将子链上错误 的碱基切除，而不会把母链中本来就正确的碱 基切除。大肠杆菌的MMR系统的确就是利用 甲基化来区分子链和母链的，因此，大肠杆菌 内修复复制中产生的错配碱基的系统又称为甲 基化导向的错配修复。至于其它细菌和真核细 胞如何区分子链和母链的

13、尚不清楚。 参与错配修复的蛋白质和酶的名称和功能 大肠杆 菌 酵母哺乳动物大肠杆菌中蛋白质的功能 MutS Msh2,Msh6,Msh3 Msh1（线粒体） Msh4，Msh5 （减数分裂重组 ） Msh2,Msh6,Msh3 不明 Msh4，Msh5 （减数分裂重组 ） 识别错配碱基，具有弱的ATP酶 活性。 MutLMlh1 Pms1 Mlh2,Mlh3 Mlh1 Pms2 Pms1 调节MutS和MutH之间的相互作 用，与UvrD作用。 MutH不明不明结合半甲基化的GATC位点，序 列和甲基化特异性内切酶，剪切 非甲基化GATC的5-端。 UvrD不明不明解链酶II，催化被切开的含有

14、错 配碱基的子链与母链的分离。 大肠杆菌大肠杆菌MMRMMR作用的主要步骤作用的主要步骤 * （1）首先由MutS识别并结合除了C-C以外的错配碱 基对，MutL随后结合；（2）在错配碱基对两侧的 DNA通过MutS作相向移动；（3）MutH与MutL和 GATC位点结合；（4）MutH的核酸内切酶活性被 MutS/MutL激活，在非甲基化GATC的5-端切开子链 ；（5）UvrD作为解链酶，催化被切开的含有错配碱 基的子链与母链的分离，SSB则与母链上处于单链状 态的区域结合，特殊的外切酶将游离出来的含有错配 碱基的单链DNA进行水解。如果MutH的切点在错配 碱基的3-端，将由外切核酸酶I

15、或X从35方向水解 。如果MutH的切点在在错配碱基的5-端，则由外切 核酸酶VII和 RecJ 来降解；（6）最后，DNA聚合酶 III和连接酶分别进行缺口的修复合成和切口的缝合。 双链断裂修复双链断裂修复 同源重组修复利用细胞内一些促进同源重 组的蛋白质来从姊妹染色体或同源染色体那里 获得合适的修复断裂的信息，这一种方式的精 确性较高； 非同源末端连接（NHEJ）修复在无序列 同源的情况下，让断裂的末端重新连接起来， 这种方式容易发生错误，是人类修复双链断裂 的主要方式。 DNA双链断裂的重组修复 哺乳动物细胞DNA双链断裂的非同源末端连接 Damage Bypass * Many les

16、ions can still escape DNA repair and are present at the time of DNA replication * During DNA replication - unrepaired damage can block the major replicative DNA polymerase Pol (,) and halt replication * Need to bypass the block or may result in chromosomal truncation * BER and NER cant be used becau

17、se the replication fork has already separated the parental DNA strands * Two Systems are used - Recombinational Bypass and Bypass Synthesis 损伤跨越 重组跨越使用同源重组的方法将DNA模板进行 交换以避免损伤对复制的抑制，从而使复制能 够继续下去，而随后的复制仍然使用细胞内高 保真的聚合酶，因此忠实性并无下降，故此途 径被视为一种无错的系统。 跨越合成又称为（TLS）跨损伤合成，由专门 的DNA聚合酶与停留在损伤位点上的原来催化 复制的DNA聚合酶交换，在

18、子链上（模板链上 损伤碱基的对面）插入正确或错误的核苷酸， 结果导致对损伤位点无错或易错的跨越。 大肠杆菌的重组跨越 大肠杆菌的SOS反应 SOS反应是指细胞在受 到潜在致死性压力下， 例如UV辐射、胸腺嘧啶 饥饿、DNA修饰物的作 用和DNA复制所必需的 基因的失活，做出的有 利于细胞生存的代谢预 警反应，包括易错的跨 损伤合成、细胞丝状化 和切除修复的激活，其 中涉及到近20个“sos”基 因的表达，整个反应受 到LexA 阻遏蛋白和 RecA激活蛋白的调节。 大肠杆菌DNA损伤的跨越合成 DNA聚合酶V参与的跨损伤合成的详细步骤 真核细胞DNA的跨损伤合成 DNADNA的突变的突变 L修

19、复系统的不完善，为DNA的突变打开 了方便之门，因为这些损伤如果在下一 轮DNA复制之前还没有被修复的话，就 有可能直接被固定下来传给子代，有的 则通过易错的跨损伤合成产生新的错误 并最终也被固定下来。这些发生在DNA 分子上可遗传的结构变化通称为突变 突变的类型突变的类型 L点突变是指DNA 分子某一位点上所发生的一 种碱基对变成另外一种碱基对的突变，可分为 转换和颠换两种形式，其中，转换是指两种嘌 呤碱基或两种嘧啶碱基之间的相互转变，颠换 是指嘌呤碱基和嘧啶碱基之间的互变 L移码突变是指在一个蛋白质基因的编码区发生 的一个或多个核苷酸（非3的整数倍）的缺失 或插入。 碱基突变的几种方式 移

20、框突变 点突变的后果点突变的后果 （1）突变的密码子决定同样的氨基酸，这样的突变对蛋 白质的结构和功能不会产生任何影响，因此称为沉默 突变。 （2）突变的密码子决定不同的氨基酸，这样的突变可能 对蛋白质的功能不产生任何影响或影响微乎其微，也 可能产生灾难性的后果而带来分子病。由于突变导致 出现了错误的氨基酸，因此，这样的突变称为错义突 变。如果错误的氨基酸与原来的氨基酸是同种性质， 这种突变被称为中性突变。 （3）突变的密码子变为终止密码子或者相反，前者因为 终止密码子的提前出现可导致一条多肽链被截短，被 称为无义突变，后者则会加长一条多肽链，被称为加 长突变或通读突变。 隐性突变和显性突变隐

21、性突变和显性突变 L DNA突变可能是隐性的，也可能是显性的。 L 如果突变仅仅是灭活一种蛋白质，那么，这种突变一 般产生隐性性状。因为染色体是成对的，每一个基因 至少有2个拷贝，一条同源染色体上正常的基因能够抵 消另一条同源染色体上突变的基因对细胞功能和性状 的影响。因此，只有一对同源染色体上两个相同的基 因都发生突变，才会影响到表现型；如果突变产生的 蛋白质对细胞有毒，这种毒性无法被另外一条染色体 上正常基因表达出来的正常的蛋白质所抵消或中和， 那么，这种突变被视为显性。显性突变只需要两条同 源染色体上任意一个拷贝上的基因发生突变， 就可以 带来突变体的表现型发生变化。 突变的原因突变的原

22、因 几乎任何导致DNA损伤的因素都能够导致 DNA突变，前提是它们造成的损伤在DNA 复制之前还没有被细胞内的修复系统修复 ，因此，可以这样认为，导致DNA损伤的 原因在某种意义上就是导致DNA突变的原 因。由内在因素引起的突变被称为自发性 突变，由外在因素引发的突变被称为诱发 突变。各种导致DNA突变的内外因素总称 为突变原。 导致自发点突变的原因导致自发点突变的原因 $自发的点突变 （1）DNA复制过程中的错配 （2）自发脱氨基 （3）活性氧的氧化 （4）碱基的烷基化 $自发的移码突变 （1）“复制打滑” （2）转座作用。 烯醇式的T和G的配对 自发脱氨基和活性氧作用引起的碱基转换 复制打

23、滑引起的移框突变 诱发突变诱发突变 1. 诱发点突变 （1）碱基类似物，如5-溴尿嘧啶和2-氨 基 嘌呤 （2）烷基化试剂，如氮芥和硫芥等 （3）脱氨基试剂，如亚硝酸 （4）羟胺 2. 诱发移码突变 嵌入试剂，如吖啶黄，原黄素和EB等 碱基类似物诱发的点突变 诱变剂诱发的点突变 嵌入试剂诱发的移框突变 各种化学诱变剂化学结构 回复突变与突变的校正回复突变与突变的校正 （一）回复突变 如果在老的突变位点上发生第二次突变，致使原来的 表现型得到恢复，这样的突变被称为回复突变。表现 型能够在回复突变中恢复可能是因为突变点编码的氨 基酸变成原来的氨基酸或者性质相似的氨基酸，从而 使原来的突变的蛋白质功

24、能得到全部或部分恢复。 （二）校正突变 校正突变有时被称为假回复突变，它是指发生在非起 始突变位点上但能够掩盖或抵消起始突变的第二次突 变，它分为基因内校正和基因间校正。 回复突变 基因内校正基因内校正 基因内校正与起始突变发生在相同的基因内， 它可能是通过点突变也可能通过移码突变来实 现校正，不过点突变一般只能通过点突变来校 正，移码突变只能通过移码突变来校正。 如果是通过点突变来校正，一般是通过恢复一 个基因产物内2个残基（氨基酸残基或核苷酸 残基）之间的功能联系来实现的。具体机制可 能是2次突变相互抵消了2个残基的变化，从而 恢复了2个残基之间的相互作用，致使基因产 物能够正确地折叠，或

25、者是2个相同的亚基能 够组装成有功能的同源二聚体。 基因内校正 基因间校正基因间校正 基因间校正发生在与第一次突变不同的基因上，绝大 多数是在翻译的水平上起作用。这种发生第二次突变 具有校正功能的基因被称为校正基因。每一种校正基 因只能作用于一种类型的突变，即是无义突变、错义 突变和移码突变中的一种。 校正基因一般是通过恢复2个不同的基因产物之间（2 条不同的多肽链、2个不同的RNA或者1条多肽和1分子 RNA）的功能关系来实现的。校正基因通常编码tRNA ，因为它们是通过反密码子与mRNA上的密码子相互 作用来参与翻译的，所以发生在tRNA反密码子上的突 变可用来校正mRNA上一个密码子的突变，恢复密码 子和反密码子之间的功能联系，从而使翻译出来的蛋 白质的氨基酸序列恢复如初。 基因间校正 迂回校正 迂回校正通常适 用于一条调控途 径。蛋白质C的 突变使得信息无 法从C传给D，从 而导致整个调控 途径无法正常运 转。然而，蛋白 质D的同时突变 使得它能够绕过 C直接从蛋白质B 得到信息，从而 使原来的调控途 径恢复畅通。 哺乳动物细胞对DNA损伤做出的各种反应