1、DNA损伤和修复,第四章,第一节 DNA损伤第二节 DNA损伤的修复第三节 DNA损伤与修复意义,第一节 DNA损伤,一、DNA损伤因素及机制二、DNA损伤类型,4,2018/3/11,5,2018/3/11,一、DNA损伤因素及机制,（一）辐射致DNA损伤 电离辐射 能直接或间接引起被穿透物质产生电离的粒子或 射线（粒子、粒子、射线、X射线）, 非电离辐射 紫外线和能量低于紫外线的所有电磁辐射,7,2018/3/11,电离辐射对机体的作用方式, 直接 指射线将能量直接传递给生物大分子，使物质 的原子或分子激发和电离，导致物质结构的破坏 间接 指辐射先作用于溶剂分子进而产生活性物导致 细胞损伤
2、,电离辐射对DNA的直接和间接损伤,辐射引起的DNA损伤类型, 碱基脱落 碱基破坏 嘧啶二聚体形成 单链和双链断裂 DNA交联等,胸腺嘧啶碱基间形成二聚体,（二）自由基致DNA损伤,自由基,是指能够独立存在，核外带有未配对电子的原子或分子,表示方式：在原有原子或分子符号的左上角标记一个圆点“ ”, 自由基的来源,1.电离辐射通过电离和激发产生 2.代谢产生活性氧,自由基的作用机制,自由基与DNA之间发生化合反应、 抽氢作用和加成反应等,自由基的危害,损伤碱基、核糖、磷酸二酯键。,（三）化学毒物致DNA损伤, 碱基类似物 与正常碱基类似，导致碱基置换 碱基修饰物 修饰碱基某些基团，改变配对性 质
3、或阻断配对 嵌入染料 插入碱基对中，使DNA两条链错位 缺失、移码、插入, 化学毒物,化学因素,目 录,物理化学因素对DNA的损伤,胞嘧啶脱氨基生成尿嘧啶,如果复制发生就会产生一个突变,二、 DNA损伤类型,1. 碱基和糖基破坏, 损伤因素,酸、热去嘌呤作用、碱基修饰剂、自由基、活性氧、紫外线,损伤类型,碱基丢失/插入、碱基置换、DNA片段缺失/插入,2. 错配,损伤因素,碱基类似物、碱基修饰剂、自发脱氨基,常见错配类型,UT,3. DNA链断裂,损伤因素,电离辐射、化学物质诱导,损伤类型,单链断裂、双链断裂（最严重损伤，不能原位修复，易致畸),4. DNA交联,化学物质诱导(如丝裂霉素),损
4、伤因素,损伤类型,链内交联 同一DNA链上碱基共价结合 嘧啶二聚体DNA链上相邻的两个嘧啶碱 基之间共价结合，形式有TT、CT、CC,链间交联,不同DNA链之间的碱基共价结合,DNA-蛋白质交联,DNA与蛋白质以共价键结合,DNA交联示意图,第二节 DNA损伤的修复,一、DNA损伤的修复的机制二、参与修复的主要基因,修复(repairing) 是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。,光修复(light repairing)切除修复(excision repairing)重组修复(recombination repairing)SOS修复 错配修复,修复的主要类型,一、DNA损
5、伤的修复的机制,一、DNA损伤的修复的机制,光复活酶与DNA链上嘧啶二聚体部位结合 受波长为260-380 nm的近紫外线作用激活使二聚体解聚 酶从DNA链上解离，DNA恢复正常结构,（一）回复修复, 酶学光复活,光修复酶(photolyase),UV, 嘌呤直接插入 O6-甲基鸟嘌呤-DNA的甲基转移 单链重接（单链断裂修复）,31,2018/3/11,（二） 切除修复,定义,在多种酶的作用下，先将损伤区域切除，然后利用互补链为模板，合成一段正确配对的碱基顺序来修补,切除过程,切除方式,碱基切除修复、核苷酸切除修复,识别并切除修复合成并连接,2.1碱基切除修复（base-excision r
6、epair, BER）,所有细胞中都带有能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能特异性切除受损核苷酸上的N-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点（AP位点）。,DNA分子中一旦产生了AP位点，AP核酸内切酶就会把受损核苷酸的糖苷-磷酸键切开，并移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA，由DNA聚合酶I合成新的片段，最终由DNA连接酶把两者连成新的被修复的DNA链碱基切除修复(base-excision repair)。,.糖甘水解酶识别改变了的碱基，把碱基从N-糖苷键处切下来，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。,由AP磷酸内切酶将受损核甘酸的糖苷-磷酸键切开,5,3,DNA
7、连接酶连接,利用DNA聚合酶I在切除损伤部位，补上核苷酸,38,2018/3/11,2.2核苷酸切除修复（Nucleotide excision repair, NER）,是机体正常细胞针对DNA链上较大损伤的修复过程，它由多种DNA修复酶组成。,2.2核苷酸切除修复（Nucleotide excision repair, NER）,损伤发生后，首先由DNA切割酶(excinuclease)在己损伤的核苷酸5和3位分别切开磷酸二酯键，产生一个由1213个核苷酸(原核生物)或2729个核苷酸(人类或其他高等真核生物)的小片段，移去小片段后由DNA聚合酶(原核)或（真核)合成新的片段，并由DNA连
8、接酶完成修复中的最后一道工序。,识别损伤部位,损伤的两边切除几个核苷酸,DNA 聚合酶以母链为模板复制合成新子链,DNA连接酶将切口补平, 核苷酸切除,被切除的不是单个碱基，而是一段寡核苷酸。是细胞内更为重要的一种修复方式, 切除修复的特点,是DNA修复的一种普遍形式,（三） 重组修复,定义,重组酶系将未受损伤的DNA片段移到损伤部位，提供正确的模板，进行修复,分类, 同源性重组,两段双链DNA同源性大于200 bp，大肠杆菌及酵母中Rec A蛋白、人细胞中Rad51是关键,非同源性重组,同源性低，DNA双链断裂的主要修复方式，关键分子是DNA-PK及XRCC4，非精确修复,44,2018/3
9、/11,复制中出现损伤,重组修复,DNA聚合酶填补缺损,46,2018/3/11,3、错配修复（mismatch repair，MMR）,DNA 错配修复是细胞复制后的一种修复机制, 具有维持DNA 复制保真度, 控制基因变异的作用。错配修复实际上是一种特殊的核苷酸切除修复，它专门用来修复在DNA复制中出现的新合成DNA链上的错配的碱基。但如何避免将DNA链上正确的碱基切除呢？这就需要将old strand 和new strand区分开来。,原核生物利用甲基化区分old strand 和new strand，因此原核细胞中的错配修复也称甲基化指导的错配修复（methyl-directed mi
10、smatch repair）。,错配修复系统识别母链靠Dam甲基化酶（Dam methylase），它能使位于5GATC序列中A的N6位甲基化。一旦复制叉通过复制起始位点，母链就会在开始DNA合成前的一小点时间（几秒钟至几分钟）内被甲基化。刚合成的DNA新链上的GATC序列还没有来得及甲基化，而作为模板的old strand早已被甲基化了，利用这种差别区分old strand 和 new strand。,此后，一旦发现错配碱基，错配修复系统就会根据“保存母链，修正子链”的原则，找出错误碱基所在的DNA链即将未甲基化的链切除，并以甲基化的链为模板进行修复合成。GATC中A甲基化与否常用来区别新合
11、成的链（未甲基化）和模板链（甲基化） 。这一区别很重要,错配修复（mismatch repair）,Dam甲基化酶使母链位于5GATC序列中腺苷酸甲基化甲基化紧随在DNA复制之后进行根据复制叉上DNA甲基化程度，切除尚未甲基化的子链上的错配碱基通过3个蛋白质（MutS、MutH和MutL）校正,根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图,1. MutS发现错配碱基,2.在水解ATP的作用下，MutS， MutL与碱基错配点的DNA双链结合,3.MutS-MutL在DNA双链上移动，发现甲基化DNA后由MutH切开非甲基化的子链,甲基化指导的错配修复示意图,错配碱基位于切口3下游端，,错配碱基位于切
12、口5上游端，,（五）SOS修复, 定义,DNA损伤时应急产生的修复作用，解除修复系统抑制，使其产物 (多种修复蛋白)参与修复,SOS修复中LexA-RecA操纵子的作用机理,当细菌DNA遭到破坏时，细菌细胞内会启动一个被称为SOS的诱导型DNA修复系统。在正常情况下，DNA损伤的修复基因的操纵子被LexA蛋白所阻遏。 SOS修复系统受到LexA阻遏蛋白的抑制，平时该蛋白表达水平很低。SOS体系的诱导表达过程其实就是LexA阻遏蛋白从这个基因的上游调控区移开的过程。,阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答,当有紫外线照射时，细菌体内的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，从
13、而导致与DNA损伤修复有关的基因表达。RecA蛋白：是SOS反应的最初的发动因子。在单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。,表达RecA蛋白与这些缺口处单链DNA相结合，被激活成蛋白酶。具有蛋白酶活性的RecA蛋白将LexA蛋白切割成没有阻遏作用的和具有与操纵区DNA结合活性的两个片段，导致SOS体系的高效表达，使DNA得以修复。,SOS反应,紫外线,与DNA 损伤修复有关的酶和蛋白质,DNA,当修复完成后，活化信号消失，RecA蛋白回复到非蛋白水解酶的形式，LexA蛋白开始逐步积累，并重新建立起阻遏。RecA蛋白的合成停止，DNA恢复复制，Rec
14、A蛋白被稀释到原来的本底水平。,第三节 DNA损伤与修复意义,一、DNA损伤与肿瘤二、DNA损伤修复缺陷导致人类的遗传疾病,62,2018/3/11,一、DNA损伤与肿瘤,产生肿瘤的原因,DNA损伤可导致原癌基因的激活和抑癌基因失活，导致细胞恶变,产生的典型肿瘤,人类遗传性非息肉性结肠癌 家族遗传性乳腺癌和卵巢癌,二、 DNA损伤修复缺陷导致遗传疾病,1.DNA修复缺陷导致的人类遗传病, 着色性干皮病（XP）,DNA损伤修复缺陷造成的一种遗传病，对该病研究，发现一些与切除损伤部位有关的XP蛋白缺失,2.细胞对DNA损伤应答缺陷,一种常染色体隐性遗传病，发病率在十万分之一至数十万分之一。主要影响机体的神经系统、免疫系统和皮肤, 共济失调-毛细血管扩张症,DNA损伤修复的不同层面, DNA复制时校对功能将损伤几率降至极低 单碱基损伤、单链断裂时靠回复修复、切除 修复、错配修复等机制修复 复杂损伤靠重组修复、SOS修复完成，但此 时为不精确修复易产生突变 损伤程度到了无法修复时，细胞发生凋亡,DNA损伤与修复知识点一览图,
