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1、第四章 DNA损伤和修复,课程内容,第一节 DNA损伤 一、DNA损伤因素及机制 二、DNA损伤类型第二节 DNA损伤的修复 一、DNA修复机制 二、参与DNA修复的主要基因第三节 DNA损伤修复与疾病 一、DNA损伤与肿瘤 二、DNA损伤修复缺陷导致的人类遗传疾病,第一节 DNA损伤 遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。,在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤(DNA damage)。,从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。,突变的意义,（一）突变是进化、分化的分子基础 （二）突变导致基因型改变 （三）突变导致死亡 （四）突变是某些疾病的发病基础,一、DNA损
2、伤因素及机制,（一）辐射致DNA损伤电离辐射 、X射线等 非电离辐射 紫外线(ultra violet, UV)及能量低于UV的电磁辐射,（二）自由基致DNA损伤,自由基：指能够独立存在，核外带有未配对电子的原子或分子。,自由基可通过化合反应、抽氢作用、加成反应等与DNA分子发生相互作用，进而导致碱基、核糖、磷酸基的损伤，引起DNA的结构和功能的异常。,（三）化学毒物致DNA损伤碱基类似物、碱基修饰剂、嵌入染料,目 录,二、DNA损伤类型,错配 (mismatch) 缺失 (deletion) 插入 (insertion) 重排 (rearrangement),（一） 碱基和糖基的破坏,前面所
3、提的DNA损伤因素多可引起碱基和糖基的破坏，从而导致DNA发生变化。,DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。,（二）错配,A G C T,镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基,正常成人Hb (HbA)亚基,缺失、插入和框移,缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。,插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。,框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。,缺失或插入都可导致框移突变 。,缺失引起框移突变,重排,DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。,由基因重排引起的两种地中海贫血基因型,目 录,（三）D
4、NA链断裂单链断裂， 双链断裂（四）DNA交联链间交联， 链内交联， DNA蛋白质交联,第二节 DNA损伤的修复,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。,回复修复 切除修复(excision repairing) 重组修复(recombination repairing) 错配修复 SOS修复,修复的主要类型,1.酶学光复活 1 光复活酶与DNA链上嘧啶二聚体部位结合 2 受波长为260-380nm的近紫外线作用而激活，使二聚体解聚 3 酶从DNA链上解离，DNA恢复正常结构,光修复酶(photolyase),UV,2. 嘌呤的直接插入糖基化酶水解
5、嘌呤插入酶,3.O6-甲基鸟嘌呤DNA的甲基转移 (direct repair of o6 -methylquanine) 烷化剂: 硫酸二甲酯等 鸟嘌呤的O6 O6-甲基鸟嘌呤 复制时发生错配 G-C G-T,甲基转移酶 (methyltransferase) 催化O6-甲基鸟嘌呤上甲基转移到酶蛋白Cys残基之一上 不可逆 酶被永久地甲基化而失活 自杀修复(suicide repair),4.单链断裂重接DNA连接酶,（二）切除修复1. 碱基切除特异性DNA糖苷酶（DNA glycosylase）1) DNA糖苷酶识别损伤碱基，切除2）AP核酸内切酶切除磷酸二酯键3）DNA聚合酶 I 切除损
6、伤链，合成新链4）连接酶封口,2.核苷酸切除 (excision repair ) 关键修复途径 E.coli ABC核酸切割酶(ABC excinuclease) UvrA (Mr104 000) UvrB (Mr78 000) UvrC (Mr68 000),修复步骤： （A2B）结合到DNA损伤部位，A2分离 UvrC结合到 UvrB UvrB 切割损伤 3端第5个磷酸二酯键 UvrC 切割损伤 5端第8个磷酸二酯键 UvrD解链酶除去损伤片段 DNA聚合酶填补空缺 DNA连接酶封口,真核细胞切割核酸酶 与细菌的酶完全类似，含16个多肽 水解产生27-29个核苷酸片段 （ 5第22 ，
7、3 第6 ） DNA聚合酶填补空缺 DNA连接酶封口 人类 “着色性干皮病” (xeroderma pigmentosum),(三）重组修复(recombination repair) DNA分子损伤面较大 缺乏切除修复酶系 1.同源重组 2.非同源重组,损伤部位 片段交换 图 重组修复,(四）错配修复（mismatch repair） 模板链甲基化标记 能辨别模板链和新合成链 E.coli 至少含有12种蛋白质参与,Dam甲基化酶（Dam Methylase） 催化DNA中GATC序列内腺嘌呤 N6位置甲基化 GATC序列以相反的方向出现在两条链 复制后有短暂间隔时间 模板链甲基化 新合成链
8、还未被甲基化。,MutL蛋白与MutS蛋白形成复合物 结合到错配的碱基对（C-C配对除外） MutH蛋白 结合到MutL和GATC序列 有位点特异的核酸内切酶活性 在GATC中G的5端的未甲基化链进行酶切,DNA解链酶 单链结合蛋白 结合作用 核酸外切酶 除去在切点与错配碱基位点之间 的新链的片段 DNA聚合酶催化合成空缺 DNA连接酶封口,CH3 CH3 ATP DNA解链酶， SSB ADP+Pi 核酸外切酶 CH3 CH3 DNA聚合酶 DNA 连接酶 CH3 CH3 图 完成碱基错配修复,细菌碱基错配修复 能量消耗特别昂贵 长链片段的降解和替换 说明DNA修复对细胞的重要性,人遗传非息
9、肉结肠癌综合症 缺陷hMLH1、hMSH2基因 分别编码大肠杆菌Mut和MutS蛋白质的人的同源蛋白 结肠癌幼年产生 综合症发生率1/200,（五）SOS修复,当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。 在E. coli各种与修复有关的基因，组成一个称为调节子(regulon)的网络式调控系统。 这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而DNA保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。,DNA聚合酶 特异性低, 造成较广泛突变 错误倾向的修复(error-prone repair) 突变杀死许多细胞,UvrABC活性 依赖于
10、recA蛋白 lexA蛋白 抑制蛋白 (repressor protein) 抑制与SOS修复有关基因表达 lexA蛋白水解 基因抑制被解除,lexA蛋白 SOS 修复有关基因(被抑制) 蛋白质水解作用 ssDNA-recA 被水解的lexA蛋白 SOS修复有关基因（活化） 表达 recA蛋白 UvrABC核酸酶 其他 SOS修复酶系 图 SOS 修复,修复辐射或者化学致癌剂引起DNA损伤 产生错误倾向是永久突变 与细胞癌变有关 着色性干皮病患者易患皮肤癌,SOS修复,“毛细血管扩张性失调” (ataxia telangiectasia) x, 射线敏感 易患淋巴瘤 约10%乳腺癌与遗传缺陷B
11、rca1、Brca2 基因有联系 BRCA1、BRCA2蛋白: recA蛋白的真核同源蛋白 乳腺癌发生率大于80%,二、参与DNA修复的主要基因,直接参与DNA修复的基因 与DNA修复调控有关的基因（一） XRCC基因（X-ray cross complementing gene）(二）XP（xeroderma pigmentosum, 着色性干皮病）及 ERCC（excision repair cross-complementing）基因 （三）RAD系列基因 （四）ATM (ataxia telangiectasia mutated) （五）PARP (poly(ADP-ribose) polymerase),第三节 DNA损伤修复与疾病,一、 DNA损伤与肿瘤。在第十章讲解,二、DNA损伤修复缺陷导致的人类遗传疾病,（一） DNA修复缺陷导致的人类遗传病着色性干皮病（XP） 毛发硫营养不良(TTD) 科克因综合症(Cockaynes syndrom, CS) 范科尼贫血症(Faconis anemia, FA),(二）细胞对DNA损伤应答缺陷导致的遗传病共济失调毛细血管扩张症（Ataxia telangiectasia, AT）Nijmegen染色体断裂综合症(Nijmegen breakage syndrome, NBS)布卢姆综合症（Bloom syndrome),
