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1、1 第六章DNA损伤与修复DNAdamageandrepair 汤立军中南大学生物科学与技术学院分子生物学研究中心 2 哺乳动物细胞DNA损伤的发生频率 3 4 5 复制错误碱基脱落或部分脱落活性氧族 紫外线电离辐射 烷化剂碱基类似物修饰剂 DNA 第一节DNA损伤的原因及后果 6 一 DNA分子的自发性损伤 一 DNA复制产生误差大肠杆菌中DNA复制为例 碱基配对的错误率为10 1 10 2复制后经校正系统校正 错配率为10 9左右 7 二 DNA的自发性化学变化1 碱基的异构互变DNA分子中的4种碱基各自的异构体间都可以自发地相互变化 例如酮式 烯醇式或氨基 亚氨基之间的结构互变 使配对碱
2、基间的氢键改变 8 碱基的互变异构效应 碱基T和G能够以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现碱基C和A能够以氨基式或亚氨基式两种互变状态出现一般生理条件下 碱基互变平衡反应倾向于酮式或氨基式 故AT和CG碱基配对 9 互变异构效应引起不正常的碱基配对 碱基T以稀有的烯醇式形式 新合成链中T对应的不再是A 而是G 碱基C以稀有的亚氨基形式出现 在DNA复制到达这一位置的瞬间 则它对应的不是G 而是A 10 2 碱基的脱氨基作用碱基的环外氨基有时会自发脱落 从而胞嘧啶 C 变成尿嘧啶 U 腺嘌呤 A 变成次黄嘌呤 H 鸟嘌呤 G 变成黄嘌呤 X 等 复制时U与A配对 H和X都与C配对就会导致子代DN
3、A序列的错误变化 11 3 脱嘌呤与脱嘧啶 即碱基脱落 是指从DNA上丢失了嘌呤或嘧啶 形成无碱基位点 称为AP部位 apurine apyrimidinesite AP 12 复制时可以插入任何核苷酸 脱落碱基后的脱氧核糖3 端的磷酸二酯键易被水解 造成DNA链断裂 在哺乳动物细胞基因组中 每天每个细胞因N 糖苷键自发水解约丢失10000个嘌呤碱基和200个嘧啶碱基 13 细胞在正常生理活动中产生的活性氧会造成DNA损伤 产生胸腺嘧啶乙二醇 羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物 还可引起DNA单链断裂等损伤 每个哺乳类细胞每天DNA单链断裂发生的频率约为五万次 4 碱基修饰与链断裂 14 5 环出效应
4、15 二 物理因素引起的DNA损伤 一 紫外线照射引起的DNA损伤当DNA受到最易被其吸收波长 260nm 的紫外线照射时 同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体 相邻的两个T 或两个C 或C与T间都可以环丁基环 cyclobutanering 连成二聚体 其中最容易形成的是T T二聚体 二聚体导致复制不能进行 16 17 18 皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每小时5 104 细胞 紫外线不能穿透皮肤 因此损伤只局限在皮肤中 此外 紫外线照射还能引起DNA链断裂等损伤 19 电离辐射损伤DNA有直接和间接的效应 直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损伤 间接效应是指DNA周围其
5、他分子 主要是水分子 吸收射线能量而产生具有很高反应活性的自由基 进而损伤DNA 二 电离辐射引起的DNA损伤 20 电离辐射引起DNA损伤的机理 21 电离辐射引起DNA损伤的机制 自由基损害 损伤DNA修复系统 MCI假说 mobilechargeinteraction 直接与DNA分子链发生作用 作用的靶点是DNA分子中移动的电子 22 电离辐射引起DNA损伤的类型 产生 OH自由基 导致碱基变化 脱氧核糖分解 DNA链断裂 交联包括DNA链交联和DNA 蛋白质交联 23 电离辐射导致DNA链的断裂 单链断裂 双链断裂 24 三 化学因素引起的DNA损伤 一 烷化剂对DNA的损伤烷化剂是
6、一类亲电子的化合物 很容易与生物大分子的亲核位点起反应 使DNA发生各种类型的损伤 1 碱基烷基化烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的N或O上 烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化 25 鸟嘌呤 胞嘧啶 O6 乙基鸟嘌呤 胸腺嘧啶 26 一 烷化剂对DNA的损伤2 碱基脱落烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定 容易脱落形成DNA上的无碱基位点 复制时可以插入任何核苷酸 造成序列的改变 27 一 烷化剂对DNA的损伤3 断链DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷基化 结果形成不稳定的磷酸三酯键 易在糖与磷酸间发生水解 使DNA链断裂 28 一 烷化剂对DNA的损伤 4 交联烷化剂有两类 一类是单功能基烷化剂
7、 如甲基甲烷碘酸 只能使一个位点烷基化 另一类是双功能基烷化剂 如化学武器氮芥 硫芥等 一些抗癌药物如环磷酰胺 苯丁酸氮芥 丝裂霉素等 某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此类 其两个功能基可同时使两个位点烷基化 29 二 碱基类似物 修饰剂对DNA的损伤 人工合成的碱基类似物如5 溴尿嘧啶 5 氟尿嘧啶 2 氨基腺嘌呤等 其结构与正常碱基相似 进入细胞能替代正常碱基掺入到DNA链中而干扰DNA复制 例如5 溴尿嘧啶的结构与胸腺嘧啶十分相近 30 5 BrdU 5 BrdU A 5 BrdU G 酮式烯醇式 碱基类似物 修饰剂对DNA的改变 亚硝酸盐能使C脱氨基变成U C U 羟胺能使T脱甲基变成C
8、 T C 黄曲霉素B 攻击碱基 31 DNA损伤类型 碱基脱落碱基修饰 去氨基化 链内交联DNA 蛋白质交联DNA链断裂 DNA重组 32 四 DNA损伤的后果 DNA损伤后分子最终改变 有以下几种类型 1 点突变 pointmutation DNA链上单一碱基的变异 嘌呤替代嘌呤 A与G之间的相互替代 嘧啶替代嘧啶 C与T之间的替代 称为转换 transition 嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤则称为颠换 transvertion 2 缺失 deletion DNA链上一个或一段核苷酸消失 33 3 插入 insertion 指一个或一段核苷酸插入DNA链 4 倒位或转位 transposition
9、 指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置 或从一处迁移到另一处 5 DNA断裂 34 35 突变或诱变对生物可能产生4种后果 致死性 丧失某些功能 改变基因型 genotype 而不改变表现型 phenotype 发生有利于物种生存的结果 使生物进化 36 第二节DNA修复 DNA的修复主要类型 错配修复直接修复切除修复重组修复跨损伤修复 SOS修复 37 一 错配修复 在DNA复制过程中 DNA聚合酶能够利用其3 一5 外切核酸酶活性去除错配核苷酸 但是这种校正作用并不十分可靠 某些错配核苷酸可能逃避检测 出现于新合成的DNA链中 错配修复系统能够发现和修复这些错配核苷酸 38 1 E c
10、oli错配修复机制 DNA腺嘌呤甲基化酶 m6A甲基化酶 解旋酶Helicase SSB 外切核酸酶 X和RecJ DNApolymerase 连接酶 MCE mismatchcorrectenzyme mutL激活内切核酸酶mutH mutS扫描新生链中错配碱基 mutH识别非甲基化DNA链 酶切含错配碱基的DNA区段 错配修复系统组成 Mismatchrepairsystem 39 错配修复 40 错配修复 大肠杆菌 Mis pairedbases 41 错配修复 大肠杆菌 42 2 真核细胞错配修复机制 43 44 45 错配修复 人 46 二 直接修复 1 DNA断裂口直接修复在DNA
11、5 P端和3 OH端未受损伤的情况下 连接酶能够直接修复DNA的断裂口 47 2 光复合酶直接修复二聚体 48 3 直接修复烷基化碱基 O6 甲基鸟嘌呤甲基转移酶 甲基从DNA转移至烷基转移酶上 已经甲基化的酶不能再转变为非甲基化酶 因此 此种修复又称为该酶的自杀性修复 49 DNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点 能被DNA嘌呤插入酶 insertase 识别结合 并在K 存在下催化游离的嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA无嘌呤部位形成糖苷键 且催化插入的碱基有高度专一性 与另一条链上的碱基严格配对 使DNA完全恢复 4 直接插入嘌呤 50 三 碱基切除修复 BaseExcisionRepair BER
12、 指切除和替换由内源性化学物作用产生的DNA碱基损伤 是切除修复的一种 受损碱基移除是由多个酶来完成的 主要针对DNA单链断裂和小的碱基改变及氧化性损伤 51 52 53 碱基切除修复 人 54 四 核苷酸切除修复 nucleotideexcisionrepair 体内识别DNA损伤最多的修复通路 不识别任何特殊的碱基损失 而是识别双螺旋形状的改变 修复时切除含有损伤碱基的那一段DNA 55 56 57 核苷酸切除修复 大肠杆菌 UvrA 识别损伤部位UvrB 解旋双链 紫外线诱导uvrA uvrB uvrC和uvrD四种基因表达 58 UvrC 5 末端内切 UvrB 3 末端内切 59 U
13、vrD 解旋酶 60 61 核苷酸切除修复 基因组修复 人 62 核苷酸切除修复 转录偶联修复 人类 63 GGR和TCR的共同修复通路 64 65 五 重组修复 大肠杆菌重组修复 66 五 重组修复 根据DNA末端连接需要的同源性分为 同源重组 需要多种蛋白参与 在减数分裂 细胞有丝分裂后期S G2期起主要作用 非同源末端连接 DNA分子之间不需要广泛的同源性 主要是在免疫球蛋白重组时对DNA双链进行连接 在细胞有丝分裂G1 G0期起主要作用 67 同源重组修复DNA双链断裂 人 68 非同源末端连接修复DSB 69 六 SOS修复 正在复制的DNA聚合酶可能遇到尚未修复的DNA损伤 例如胸
14、腺嘧啶二聚体或无嘌呤位点 复制体必须设法跨越损伤进行复制 或者被迫暂停复制 即使细胞不能修复这些损伤 自动防故障系统能够使复制体绕过损伤部位 这一机制就是跨损伤DNA合成 SOS修复存在于大肠杆菌 不存在于人类 70 71 72 RecA P的三种功能 当DNA正常复制时 无复制受阻 无DNA损伤 无TTdimer RecA p不表现proteinase活性 73 74 当DNA复制受阻 DNAdamaged 细胞内原少量表达的RecA p 与S S DNA结合 激活RecA p的proteinase活性 LexA p降解 RecA p高效表达 SOSopen 当DNA复制度过难关后 RecA p很快消失 LexAgeneon SOSoff 75 SOS修复 DNA复制不很严格 新合成的DNA容易造成错误产生突变 76 常见的DNA损伤及其修复机制 77 TheEnd 78 着色性干皮病患儿脸部特征 79 着色性干皮病背部 着色性干皮病组织切片 80 着色性干皮病的治疗 避免紫外线照射避免肿瘤致病因子对症治疗
