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1、第六章第六章 DNA损伤与修复损伤与修复 DNA damage and repair分子生物学研究中心分子生物学研究中心1高级课件第一节第一节 DNA损伤的原因及后果损伤的原因及后果电离辐射电离辐射可可见见光光氧自氧自由基由基H+烷化剂烷化剂8-oxoGP/P复制错误复制错误核苷类似物核苷类似物mCU2高级课件DNA 损伤类型 碱基脱落 碱基修饰 & 去氨基化 化学修饰 光损伤 链内交联 DNA-蛋白质 交联 DNA链断裂 DNA 重组3高级课件缺失碱基位点缺失碱基位点4高级课件化学损伤化学损伤甲基化甲基化甲基化甲基化甲基化甲基化氧化损伤氧化损伤氧化损伤氧化损伤5高级课件DNA受到大剂量紫外线
2、照射时，形成二聚体受到大剂量紫外线照射时，形成二聚体紫外线可引起紫外线可引起DNA的交联的交联, DNA与蛋白质的交联。与蛋白质的交联。6高级课件电离辐射引起电离辐射引起DNADNA损伤的机理损伤的机理7高级课件电离辐射引起电离辐射引起DNADNA损伤的机制损伤的机制 自由基损害自由基损害 损伤损伤DNA修复系统修复系统 MCI 假说假说8高级课件电离辐射引起电离辐射引起DNADNA损伤的类型损伤的类型产生产生 OH自由基，导致自由基，导致碱基碱基变化变化 脱氧核糖脱氧核糖分解分解 DNA链链断裂断裂 DNA链、蛋白质的链、蛋白质的交联交联9高级课件电离辐射导致电离辐射导致DNADNA链的断裂
3、链的断裂 单链断裂：单链断裂： 无差错修复无差错修复 双链断裂：双链断裂： 错误修复错误修复C10高级课件烷化剂引起烷化剂引起DNADNA损伤损伤n 碱基烷基化碱基烷基化: GC ATn 碱基脱落碱基脱落: 甲基磺酸甲酯可使鸟嘌呤7N烷基化，活化糖苷键，连接碱基与五碳糖间的共价键变弱，容易折断缺失碱基，造成脱嘌呤作用。 导致导致DNA断链断链: 磷酸二酯键上的氧被烷基化 导致导致DNA链交联链交联11高级课件 5-BrdU （酮式-A； 烯醇式-G）碱基类似物、修饰剂对碱基类似物、修饰剂对DNADNA的改变的改变 亚硝酸盐氧化脱氨 （CU） 羟胺脱甲基 （TC） 黄曲霉素B （攻击碱基）12高
4、级课件DNADNA自发性损伤自发性损伤n 碱基错配碱基错配 Mismatchn 互变异构移位互变异构移位 脱氨基作用脱氨基作用 (环外氨基) 碱基丢失碱基丢失 自发水解n 碱基修饰与链断裂碱基修饰与链断裂13高级课件碱基异构式引起碱基异构式引起DNADNA复制的错配复制的错配错误配对错误配对 G(k) T(e) A(a) C(i) A(i) C(a) G(e) T(k) G(k) C(a) 正确配对正确配对 A(a) T(k) 14高级课件环出效应环出效应15高级课件其它因素引起其它因素引起DNADNA损伤损伤 吖啶类化合物: 吖啶橙吖啶橙 扁平染料分子扁平染料分子 (不等交换) 氧自由基 (
5、加成反应 小自由基反应)16高级课件DNADNA损伤的后果损伤的后果信号传导异常信号传导异常长时辰效应长时辰效应长时辰效应长时辰效应老化老化肿瘤肿瘤疾病疾病DNA DNA DNA DNA 修复机制修复机制修复机制修复机制短期效应短期效应短期效应短期效应异常增生和代谢异常增生和代谢生理功能紊乱生理功能紊乱细胞死亡细胞死亡细胞增殖减少细胞增殖减少基因表达异常基因表达异常基因组不稳定基因组不稳定17高级课件DNADNA损伤后分子的最终改变损伤后分子的最终改变 点突变点突变 ： 转换与颠换 缺失缺失 插入插入 倒位或转位倒位或转位 DNA断裂断裂18高级课件DNADNA重排重排 DNA分子内发生较大片
6、段的交换，可以分子内发生较大片段的交换，可以在同一染色体的两条链间发生，也可在不在同一染色体的两条链间发生，也可在不同染色体之间发生，可以是原来的方向或同染色体之间发生，可以是原来的方向或颠倒的方向。颠倒的方向。19高级课件第二节第二节 DNADNA修复修复DNA的修复主要类型的修复主要类型:直接修复直接修复光裂合酶修复光裂合酶修复切除修复切除修复重组修复重组修复 跨损伤修复跨损伤修复 (SOS修复修复)20高级课件常见的常见的DNADNA损伤及其修复机制损伤及其修复机制 DNADNA损伤因素损伤因素 DNADNA损伤类型损伤类型修复机制修复机制X射线、氧自由基、烷化剂 自发脱碱基单链断裂、无
7、碱基位点、氧化性碱基（如8-氧鸟嘌呤）脲嘧啶碱基切除修复紫外线和多环芳烃环丁烷嘧啶二聚体等大的紫外线光产物和稳定的多环芳烃化合物等大分子DNA加合物核苷酸切除修复抗癌药（如顺铂和丝裂霉素）双链断裂和链间交联双链断裂修复（同源重组修复和末端连接）复制错误和烷化剂碱基错配和缺失（插入）错配修复21高级课件（1 1）DNADNA断裂口直接修复：断裂口直接修复：在在 DNA 5-P 端和端和 3-OH端未受损害的端未受损害的情况下，连接酶能够直接修复情况下，连接酶能够直接修复DNA的的断裂口。断裂口。22高级课件（2 2）DNADNA紫外线损伤的光复合酶直接修复紫外线损伤的光复合酶直接修复23高级课件
8、（3 3） 烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复在在 大肠杆菌中的大肠杆菌中的Ada酶，可修复甲基化的酶，可修复甲基化的碱基和甲基化的磷酸二酯键。碱基和甲基化的磷酸二酯键。24高级课件 碱基切除修复碱基切除修复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。25高级课件(4) Base Excision Repair26高级课件DNA的损伤的切除修复的损伤的切除修复碱基缺陷或错配碱基缺陷或错配碱基丢失碱基丢失结构缺陷结构缺陷切开切开 核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切除切除
9、DNA聚合酶聚合酶DNA连接连接酶酶AP核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切开切开切除切除修复修复连接连接糖苷酶糖苷酶插入酶插入酶碱基取碱基取代代27高级课件 核苷酸切除修复核苷酸切除修复 体内识别体内识别 DNA 损伤最多的修复通路损伤最多的修复通路 主要修复扭曲双螺旋结构的主要修复扭曲双螺旋结构的 DNA 损伤损伤以及阻断基因转录和不识别任何特殊的碱以及阻断基因转录和不识别任何特殊的碱基损失，而是识别双螺旋形状的改变。基损失，而是识别双螺旋形状的改变。 不识别任何特殊的碱基损失，而是不识别任何特殊的碱基损失，而是识别双螺旋形状的改变；修复时切识别双螺旋形状的改变；修复时切除含有损伤碱
10、基的那一段除含有损伤碱基的那一段 DNA 。28高级课件(5) (5) 核苷酸切除修复核苷酸切除修复 ( (大肠杆菌大肠杆菌) )29高级课件30高级课件31高级课件核苷酸切除修复核苷酸切除修复 ( (基因组修复基因组修复人人) )32高级课件核苷酸切除修复核苷酸切除修复 ( (转录偶联修复转录偶联修复 - -人类人类) )33高级课件GGR 和和TCR的共同修复通路的共同修复通路34高级课件错配修复错配修复校正活性所漏校的碱基校正活性所漏校的碱基, 使复制的保真性提使复制的保真性提高高102103倍倍错配修复错配修复系统系统 (MRSMismatch RepairSystem)DNApol
11、(= 10-8)经第二次校正经第二次校正= 10-1135高级课件 错配修复系统组成（错配修复系统组成（Mismatch repair system）DNA腺嘌呤甲基化酶腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶甲基化酶)DNA polymerase 填补单链填补单链 DNA 缺口缺口Helicase SSB 外切核酸酶外切核酸酶 (和和) 连接酶连接酶MCE (mismatch correct enzyme) 3 subunits mut H, L, S 扫描新生链中错配碱基扫描新生链中错配碱基识别新生链中非识别新生链中非 m6A 的的GATC序列序列酶切含错配碱基的酶切含错配碱基的DNA区段区段36高
12、级课件错配修复错配修复 37高级课件错配修复错配修复大肠杆菌DNA 甲基化位点新合成的DNAMis-paired bases38高级课件错配修复39高级课件重组修复机制重组修复机制40高级课件重组修复 DNA于复制时会越越过过受受损区域损区域进行复制 经重组修复，受受损损的的DNA仍然存在仍然存在于子代的于子代的 一个细胞中。一个细胞中。 重组修复不会浪费时间， 重组修复可让负伤的DNA在细胞中仍可照常照常进进行分裂行分裂。41高级课件非同源末端连接非同源末端连接：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。 重组修复重
13、组修复根据 DNA 末端连接需要的同源性，分为 同源重组同源重组：需要多种蛋白参与；也修复 DNA复制中的差错；在减数分裂、细胞有丝分裂后期S/G2期起主要作用。42高级课件(7) SOS 修复修复Irradiation of bacteria before virus Irradiation of bacteria before virus infection enhanced repair of damaged viral infection enhanced repair of damaged viral genes but led to mutations. genes but led
14、 to mutations. UVUVd T4 phage E. coliFew surviving phageUVd T4 phage E. coliHigher frequency of surviving phage, but many mutants.43高级课件SOS 修复修复诱导 DNA 聚合酶活性LexA (一种DNA结合抑制蛋白), umuC 和 umuD, 编码 DNA聚合酶活性,允许复制跨过 损伤位点, 常插入一个或几个 A碱基.AGCTAGTCAT/TCAGTCAGCTAGTCAT/TCAGTCTCGATCANNNNGTCAGReplication stopsat T/T
15、 dimerError-prone polymerase allowsreplication to proceed, albeit inaccuratelySOS response:44高级课件RecA-P的三种功能的三种功能a、 DNA 重组活性重组活性b、 与与S.S. DNA结合活性结合活性c、 少数蛋白的少数蛋白的proteinase活性活性当当DNA正常复制时正常复制时（无复制受阻，无（无复制受阻，无DNA损伤，损伤， 无无TT dimer） RecA-p不表现不表现proteinase活性活性45高级课件当当DNA复制受阻复制受阻/ DNA damaged细胞内原少量表达的细胞内原
16、少量表达的RecA-p与与S.S, DNA结合结合激活激活RecA-p的的proteinase活性活性修复损伤修复损伤LexA-p降解降解RecA-p高效表达高效表达 SOS open当当DNA复制度过难关后复制度过难关后RecA-p很快消失很快消失LexA gene onSOS off46高级课件SOS 修复修复DNA复制复制不很不很严严格格，新合成的DNA容易造成错误产生突变。47高级课件线粒体损伤和修复线粒体损伤和修复线粒体的氧化损伤线粒体的氧化损伤: 单链断裂、双链断裂、碱基修饰、 DNA交联、烷化损伤 线粒体的损伤修复：线粒体的损伤修复： 碱基切除修复、错配修复48高级课件DNA 修
17、复修复维持 DNA序列的保真性；可在复制前后进行；有多种修复机制来纠正DNA损伤；DNA 修复失败可能导致突变和肿瘤。49高级课件细胞周期检查点控制细胞周期检查点控制 真核生物细胞真核生物细胞DNADNA受到损伤时细胞除了诱导受到损伤时细胞除了诱导修复基因的转录外，还可暂时阻断细胞周期，修复基因的转录外，还可暂时阻断细胞周期，防止受损防止受损DNADNA继续复制，如无法修复，则可诱导继续复制，如无法修复，则可诱导细胞进入凋亡。这些都是细胞通过细胞周期检细胞进入凋亡。这些都是细胞通过细胞周期检查点控制（查点控制（checkpoint controlcheckpoint control，又称关卡控
18、，又称关卡控制）对制）对DNADNA损伤的应答反应。损伤的应答反应。50高级课件酵母细胞的细胞周期检查点控制机制酵母细胞的细胞周期检查点控制机制DNA 损伤在损伤在 S 期期DNA 损伤在损伤在 G1 和和 G2 期期G1SG2MPOL2RFC5DPB11RAD9RAD17RAD24MEC3MEC1,TEL1RAD5351高级课件哺乳类动物的细胞周期检查点控制机制哺乳类动物的细胞周期检查点控制机制DNA 损伤损伤P21Gadd 45BaxP53CDK/cyclinGadd45 Gadd45-PCNABlocking cell cycleExcision repairingCell apopto
19、sis52高级课件第三节第三节 DNADNA损伤和修复的生物参考标志损伤和修复的生物参考标志53高级课件一、甲基化损伤修复相关基因一、甲基化损伤修复相关基因 甲基转移酶（甲基转移酶（MGMT）把）把O6-甲基甲基鸟嘌呤的甲基转移到自身的半胱氨酸残基鸟嘌呤的甲基转移到自身的半胱氨酸残基上，修复甲基化的上，修复甲基化的DNA。 MGMT突变可突变可作为甲基化损伤的基因型标记物。作为甲基化损伤的基因型标记物。54高级课件二、切除修复相关的酶和基因二、切除修复相关的酶和基因尿嘧啶糖基化酶为主要的始动因素，尿嘧啶糖基化酶为主要的始动因素，可可作作为为DNA损伤的生物标记物。损伤的生物标记物。大肠杆菌大肠
20、杆菌Uvr基因家族、人基因家族、人ecrr基因和切除基因和切除修复基因等修复基因等55高级课件三、错配修复相关基因三、错配修复相关基因MSH2、MLH1等蛋白参与等蛋白参与错配修复，而错错配修复，而错配修复的缺陷往往是癌变的第一步。配修复的缺陷往往是癌变的第一步。错配修复基因：错配修复基因：Muthls系统、人类的系统、人类的hmsh2/3、hpmsl1/2、Mutsa、msh6。错配修复基因的微卫星序列的不稳定性错配修复基因的微卫星序列的不稳定性 （microsatellite instability， MI）56高级课件四、四、 DNA聚合酶聚合酶 DNA聚合酶参与辐射损伤和化学损参与辐射
21、损伤和化学损伤的伤的修复，并对细胞的生长具有调节作修复，并对细胞的生长具有调节作用。用。 DNA聚合酶 的突变可导致碱基切除修的突变可导致碱基切除修复功能的缺陷复功能的缺陷。57高级课件五、五、 DNA加合物也可作为修复功能的生物标记加合物也可作为修复功能的生物标记物物 DNA加合物可作为加合物可作为DNA损伤的暴露损伤的暴露标记物和效应标记物，其去除的速度也可标记物和效应标记物，其去除的速度也可作为作为DNA修复功能的生物标记物。修复功能的生物标记物。58高级课件DNA损伤和修复的生物学意义损伤和修复的生物学意义避免基因组的不稳定性、癌症和细胞死亡是至关重要的。DNA修复途径可以识别和修复特
22、异的DNA损伤，保证生物物种的遗传稳定性。59高级课件与DNA修复有关的人类遗传疾病：着着色性色性干干皮病皮病(Xeroderma pigmentosum) 布布伦伦氏症候群氏症候群(Blooms syndrome) 遗传遗传性大性大肠肠癌癌(Hereditary nonpolyposis colon cancer；HNPCC) 60高级课件着着色性色性干干皮病皮病(Xeroderma pigmentosum)是一种隐性遗传性疾病，有些呈性联遗传。因核酸内切酶异常造成DNA修复障碍所致。临床以光暴露部位色素增加和角化及癌变为特征。 1. 幼年发病，常有家族发病史。2. 面部等暴露部位出现红斑、
23、褐色斑点及斑片，伴毛细血 管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤痕。皮肤干燥。数年内发生基底细胞癌、鳞癌及恶性黑素瘤。3.皮肤和眼对日光敏感。4.病情随年龄逐渐加重，多数患者于20岁前因恶性肿瘤而死亡。5.组织病理 晚期出现表皮非典型性增生、日光角化及鳞癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。61高级课件着着色性色性干干皮病皮病患儿脸部特征患儿脸部特征62高级课件着着色性色性干干皮病皮病背部背部, 着着色性色性干干皮病皮病组织切片组织切片63高级课件着着色性色性干干皮皮病病的并发症的并发症64高级课件着着色性色性干干皮病皮病的治疗的治疗避免紫外线照射 避免肿瘤致病因子避免肿瘤致病因子对症治疗对症治疗65高级课件遗
24、传遗传性大性大肠肠癌癌的临床特征的临床特征发病早 (45 岁)肿瘤好发部位肠外肿瘤的类型66高级课件遗传遗传性大性大肠肠癌癌(HNPCC)息肉较少30-60% 有内膜肿瘤恶性肿瘤好发部位胰腺癌发生率67高级课件大肠癌发生的危险因素 (CRC)020406080100General populationGeneral populationPersonal history of Personal history of colorectal neoplasiacolorectal neoplasiaInflammatory Inflammatory bowel diseasebowel diseas
25、eHNPCC mutationHNPCC mutationFAPFAP5%5%15%20%15%20%15%40%15%40%70%80%70%80%95%95%Lifetime risk (%)Lifetime risk (%)68高级课件 错配基因的改变 多发性家族性结肠癌69高级课件多发性家族性结肠癌多发性家族性结肠癌错配基因的改变 : MSH2, MSH6, PMS1 ，MLH1, MSH3, PMS2. 70高级课件HNPCC中错配基因突变的概率MSH2 MSH2 30%30%MLH1MLH130%30%PMS1 PMS1 (rare)(rare)PMS2PMS2 (rare)(ra
26、re)MSH6 MSH6 (rare)(rare)Unknown 30%Unknown 30%SporadicSporadicFamilialFamilialHNPCCHNPCCFAPFAPRare CRCRare CRC syndromessyndromesLiu B et al. Liu B et al. Nat MedNat Med 2:169, 1996 2:169, 199671高级课件HNPCC发生的危险因素基因携带者基因携带者发生的危险因素发生的危险因素:早期: 20-25岁妇女: 年龄(?) 25-35岁HNPCC 家族成员之一发生的概率家族成员之一发生的概率 :胃癌发生: 早期发生年龄 3-35岁, 复发 1-2 年尿道肿瘤发生: 30-35岁,复发 1-2 年NCCN practice guidelines in oncology v.1.200372高级课件73高级课件你该怎么做?74高级课件谢谢 谢！谢！ 放映结束放映结束 感谢各位的批评指导！感谢各位的批评指导！让我们共同进步让我们共同进步75高级课件
