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1、第二章第二章 电离辐射的电离辐射的分子生物学效应分子生物学效应什么是什么是 DNA ？（deoxyribonucleic acid，DNA ） 一类带有遗传信息信息的生物大分子。 由4种主要的脱氧核苷酸脱氧核苷酸（dAMP、 dGMP、dCMT和dTMP）通过 3，5-磷酸二酯键连接而成的一类核酸核酸。 9898核中（染色体中）核中（染色体中） 真核真核 线粒体（线粒体（mDNAmDNA） 核外核外 叶绿体（叶绿体（ctDNActDNA）DNADNA 拟核拟核 原核原核 核外：质粒（核外：质粒（plasmidplasmid） 病毒病毒：DNADNA病毒病毒 DNA的分布：的分布：Double
2、Helix19532003双股螺旋双股螺旋2003.04.24James Watson went to university in Chicago aged 15, and teamed up with Crick in Cambridge in late 1951.Francis Crick trained and worked as a physicist, but switched to biology after the Second World War. Rosalin Franklin, trained as a chemist, was expert in deducing th
3、e structure of molecules by firing X-rays through them. Her images of DNA - disclosed without her knowledge - put Watson and Crick on the track towards the right structure. She went on to do pioneering work on the structures of viruses. Maurice Wilkins trained as a physicist, and was involved with t
4、he Manhattan project to build the nuclear bomb. Wilkins worked on X-ray crystallography of DNA with Franklin at Kings College London, although their relationship was strained. He helped to verify Watson and Cricks model, and shared the 1962 Nobel with them. 分子生物学进展及成果分子生物学进展及成果 随着RNA和DNA聚合聚合酶酶的发现，中心
5、法则得以修正和完善； 由于工具酶的发现及导入细胞技术的建立，可进行DNA重重组； 建立DNA序列序列测定方法定方法，提供了读取遗传信息的手段； 发现具有酶酶活性的活性的DNA和和RNA，改变了酶的传统概念； 建立PCR技技术，提供了基因克隆和基因分析的有力工具； 基因表达基因表达调控控的研究更加深入； 显微注射技术的建立与完善，使转基因基因动物的研究得以发展； 基因重组技术的发展促进了基因治疗基因治疗的研究和应用； 人类基因基因组计划划的基本完成，使分子生物学的研究与应用进 入了一个新纪元。 表观遗传学表观遗传学的研究开启了后基因时代。n第一节第一节 DNA的电离辐射效应的电离辐射效应n第二节
6、第二节 基因转录与翻译的电离辐射效应基因转录与翻译的电离辐射效应n第三节第三节 生物膜的电离辐射效应生物膜的电离辐射效应n第四节第四节 辐射所致物质代谢障碍辐射所致物质代谢障碍n第五节第五节 细胞通信和细胞信号转导的辐射效应细胞通信和细胞信号转导的辐射效应n第六节第六节 辐射致癌的分子基础辐射致癌的分子基础第二章第二章 提提 纲纲n核核酸酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。核酸的类型核酸的类型：n 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 （Deoxyribonucleic acid ，DNA）n 核糖核酸核糖核酸 （Ribonucleic acid，RNA）核酸概述核酸概述核酸的基本化学组
7、成核酸的基本化学组成核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸碱基碱基戊糖戊糖元素组成：元素组成： C 、 H、 O、 N 、 P 第一节第一节 DNA的电离辐射效应的电离辐射效应 一、一、DNA损伤的损伤的种类种类 二、二、DNA损伤的损伤的修复修复 三、三、DNA损伤和修复的损伤和修复的生物学意义生物学意义 四、四、染色质损伤染色质损伤对对DNA辐射效应的影响辐射效应的影响一、一、DNA损伤的种类损伤的种类 DNA的的结构构1. DNA的一级结构：的一级结构： 是由数量极多的四种是由数量极多的四种脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸通通过过磷酸二酯键磷酸二酯键连接起来的连接起来的直线形或环形直线形或环形
8、多聚体。多聚体。DNA分子的结构模式图分子的结构模式图 DNA一级结构的多样性一级结构的多样性n 非重复非重复DNA序列序列n 中度重复中度重复DNA序列序列n 高度重复高度重复DNA序列序列 2. DNA的二级结构的二级结构 由两条方向相反的平行多核由两条方向相反的平行多核苷酸链围绕同一中心轴构成苷酸链围绕同一中心轴构成的的双螺旋双螺旋结构，两条都是右结构，两条都是右手螺旋，依靠手螺旋，依靠氢键氢键相联系而相联系而结合在一起。结合在一起。A与与T，C与与G配对配对，即碱基互补定律。，即碱基互补定律。2.0 nm小小沟沟大大沟沟 DNA二级结构的多形性二级结构的多形性DNA二级结构构型分三种：
9、二级结构构型分三种： nB型型DNA（右手双螺旋（右手双螺旋DNA）是）是“经典经典”的的Watson-Crick结构，二级结构相对稳定，水溶液和细胞内结构，二级结构相对稳定，水溶液和细胞内天天然然DNA大多为大多为B型型DNA； nA型型DNA是一般是一般B型型DNA的重要变构形式，同样是右的重要变构形式，同样是右手双螺旋手双螺旋DNA，其分子形状与，其分子形状与RNA的双链区和的双链区和DNA/RNA杂交分子很相近；杂交分子很相近； nZ型型DNA，Z型型DNA是左手螺旋，也是是左手螺旋，也是B型型DNA的变的变构形式构形式 。稳定稳定双螺旋的力双螺旋的力 氢键氢键 碱基堆积力（疏水相互作
10、用及范德华力）碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力） 离子键等离子键等DNA变性剂变性剂（热、（热、pH、脲、脲/酰胺、有机溶剂）酰胺、有机溶剂） 3. DNA三级结构三级结构 指指DNA双螺旋进一步盘曲所形成的构象，双螺旋进一步盘曲所形成的构象，其基本形式是其基本形式是超螺旋超螺旋。三级结构决定于。三级结构决定于二级结构。当盘绕过多或不足时，就会二级结构。当盘绕过多或不足时，就会出现张力，形成超螺旋。出现张力，形成超螺旋。（一）（一）DNA链断裂链断裂 (1) 单链断裂：单链断裂：DNA双螺旋结构中一条链断裂时，双螺旋结构中一条链断裂时，称为单链断裂（称为单链断裂（single strand
11、break , SSB）重重 点点(2) 双链断裂双链断裂：两条互补链于同一对应处或相两条互补链于同一对应处或相 邻处同时断裂时，称之为双链断裂（邻处同时断裂时，称之为双链断裂（double strand break , DSB）链断裂断裂是是电离离辐射所致射所致DNA损伤中中较常常见和重要的和重要的损伤形式。形式。1DNA链断裂的分子机理链断裂的分子机理（1）脱氧戊糖和磷酸二脂键脱氧戊糖和磷酸二脂键的破坏：的破坏：辐射辐射分解水分子后产生分解水分子后产生3 种主要的自由基，种主要的自由基， 即即 e水合水合，OH，H水合电子水合电子 碱基上碱基上 不能引起磷酸二酯链断裂不能引起磷酸二酯链断裂
12、氢自由基氢自由基 碱基上碱基上 只有一小部分能从糖基上抽氢只有一小部分能从糖基上抽氢羟自由基羟自由基也主要（约也主要（约80%）加至碱基的双键上，但）加至碱基的双键上，但由于它的高反应性，能从糖基上抽去约由于它的高反应性，能从糖基上抽去约20%的氢。的氢。因此，因此，DNA链断裂主要与链断裂主要与羟自由基羟自由基的作用有关。的作用有关。 大部分大部分SSB是是C(3)上的磷酸酯键断裂，只有一上的磷酸酯键断裂，只有一小部分是小部分是C(5)上的磷酸酯键发生断裂。上的磷酸酯键发生断裂。糖基上糖基上C(1)、C(2)和和C(4)在受到羟自由基攻在受到羟自由基攻 击后均可形成击后均可形成碱不稳定性位点
13、（碱不稳定性位点（alkali labile sites, ALS），这些位点在碱处理后都能导致，这些位点在碱处理后都能导致 DNA链断裂。链断裂。 水解断裂处水解断裂处碱基碱基(2) 碱基损伤碱基损伤碱基损伤碱基损伤链断裂链断裂DNA双螺旋的局部变性双螺旋的局部变性特异的特异的核酸内切酶核酸内切酶能能识别和切割这种损伤识别和切割这种损伤这种对特异性酶敏感的位点这种对特异性酶敏感的位点称为称为酶敏感位点酶敏感位点（enzyme sensitive sites, ESS）1 1、充氧溶液中碱基损伤、充氧溶液中碱基损伤n 嘧啶碱：羟自由基攻击嘧啶碱：羟自由基攻击 5、6位位n 腺嘌呤：羟自由基攻击
14、腺嘌呤：羟自由基攻击 8位位n 鸟嘌呤：羟自由基攻击鸟嘌呤：羟自由基攻击 4、5、8位位2、细胞中碱基胞中碱基损伤n 进展不大，用电子自旋共振仪l腺嘌呤腺嘌呤A A8l鸟嘌呤鸟嘌呤GG458 DNA链上链上损伤的碱基损伤的碱基也可以被特异的也可以被特异的DNA糖基化酶糖基化酶除去或由于除去或由于N-糖基键的化糖基键的化学水解而丢失，形成学水解而丢失，形成无嘌呤或无嘧啶位无嘌呤或无嘧啶位点点（apurinic/apyrimidinic sites, APS）。）。这些这些APS在内切酶等作用下形成链断裂。在内切酶等作用下形成链断裂。 2电离辐射引起电离辐射引起DNA链断裂的链断裂的主要特点主要特
15、点 （1）SSB/DSB的比值：的比值：由于由于DNA两条链之间的空间距离，两条链之间的空间距离，一个自由基一个自由基不可能与不可能与DNA的两条链同时作用的两条链同时作用。所以，。所以，SSB可可以由以由一个自由基一个自由基攻击而产生，但攻击而产生，但DSB必须由必须由两个两个以上以上自由基引起。自由基引起。IR较高的自由基浓度较高的自由基浓度使自由基有可能在相使自由基有可能在相对应的链上进行攻击对应的链上进行攻击而形成而形成DSB。10：120：1重重 点点（2）LET对链断裂的影响：对链断裂的影响： n就同种射线照射来说，就同种射线照射来说，SSB与与DSB的比值随的比值随DNA分分子中
16、能量沉积的增减而变化。随着子中能量沉积的增减而变化。随着能量总沉积的增能量总沉积的增加加，SSB与与DSB的的比值下降比值下降。 LETDSBSSB链断裂：链断裂：中子中子 射线射线 紫外线紫外线DSB：中子中子 射线射线 射线射线 中子中子SSB：（3）氧效应对链断裂的影响）氧效应对链断裂的影响 n氧增加氧增加羟自由基羟自由基的产量，致使的产量，致使DNA链断裂链断裂增加增加。如：如：小鼠小鼠L5178Y细胞株细胞株DNA在有氧条件下照射，其在有氧条件下照射，其SSB的产额是无氧条件下照射的的产额是无氧条件下照射的2倍倍。（4）DNA链断裂发生部位的链断裂发生部位的非随机性非随机性 用高分辨
17、的聚丙烯酰胺凝胶电泳研究体外 射线照射后发现：链断裂并非随机分布。链断裂并非随机分布。除了除了碱不稳定性位点碱不稳定性位点引起的链断裂外，引起的链断裂外，碱基碱基的种类的种类对链断裂位置也有较大影响。对链断裂位置也有较大影响。 （5）DNA链断裂与细胞链断裂与细胞辐射敏感性的关系辐射敏感性的关系 nDNA链断裂虽然与细胞链断裂虽然与细胞辐射敏感性无直接辐射敏感性无直接关系关系，但辐射敏感性不同的细胞，但辐射敏感性不同的细胞DNA链断链断裂裂修复能力修复能力却存在着差异。却存在着差异。 n单位单位DNA接受一定射线能量引起的链断裂，接受一定射线能量引起的链断裂， 并不因细胞种类不同而有很大差异，
18、也不因并不因细胞种类不同而有很大差异，也不因DNA是在完整细胞中或处于游离状态而出现是在完整细胞中或处于游离状态而出现很大差异（很大差异（ 表表2.3）。）。 3电离辐射诱导电离辐射诱导DNA DSB的剂量效应关系的剂量效应关系DNA DSB端口端口照射后其数量增多有照射后其数量增多有明显的剂量依赖性。明显的剂量依赖性。 H2AX的磷酸化的磷酸化H2AX是一种与是一种与DNA链链包绕的组蛋白包绕的组蛋白特异抗体可在细胞核内特异抗体可在细胞核内检出检出 -H2AX的局灶的局灶决定辐射敏感性的不是决定辐射敏感性的不是辐射诱发辐射诱发DNA DSB的多的多少，而是少，而是细胞修复细胞修复DNA DS
19、B的能力的能力，后者又取，后者又取决于细胞的基因型特点决于细胞的基因型特点 上方显示不同剂量辐射诱导上方显示不同剂量辐射诱导细胞核内细胞核内 -H2AX局灶（白点）局灶（白点）：下方为共聚焦显微摄影，：下方为共聚焦显微摄影，红色红色为为DNA，绿色绿色为为 -H2AX，蓝色蓝色为膜系为膜系剂量效应曲线剂量效应曲线纵坐标：每一细胞内的纵坐标：每一细胞内的DSB数，数，横坐标：辐射剂量，横坐标：辐射剂量，Gy -H2AX局灶计数检出的局灶计数检出的DNA DSB； 脉冲电场凝胶电泳检出的脉冲电场凝胶电泳检出的DNA DSB（二）（二）DNA交联交联uDNA双螺旋结构中，一条链上的碱基与其互补链双螺
20、旋结构中，一条链上的碱基与其互补链上的碱基以共价键结合，称之为上的碱基以共价键结合，称之为DNA链间交联链间交联 (DNA interstrand cross-linking)；uDNA分子同一条链上的两个碱基相互以共价键结分子同一条链上的两个碱基相互以共价键结合，称为合，称为DNA链内交联链内交联（DNA intrastrand cross-linking），如嘧啶二聚体。），如嘧啶二聚体。uDNA与蛋白质以共价键结合，称为与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交蛋白质交联联（DNA-protein cross-linking, DPC） A：链间交联：链间交联B：链内交联：链内交联1DN
21、A蛋白质交联（蛋白质交联（DPC）（1）DPC形成的分子机理形成的分子机理羟自由基羟自由基是导致是导致DPC形成的最有效的自由基，形成的最有效的自由基，而水合电子和超氧化阴离子在DPC的形成中似乎无作用。DTT H2 OH DPCDMSO OH DPCN2Oe水合水合 OH DPCDNA与蛋白质之间形成共价键的分子机理与蛋白质之间形成共价键的分子机理 辐照后蛋白质中的辐照后蛋白质中的含硫氨基酸含硫氨基酸，如半胱氨，如半胱氨 酸形成了酸形成了RS，甲硫氨酸形成了，甲硫氨酸形成了H2CS等等 自由基；自由基； 蛋白质中的蛋白质中的芳香族氨基酸芳香族氨基酸R 形成酚型或酚形成酚型或酚 氧型自由基，这
22、类自由基在氧型自由基，这类自由基在DPC形成中起形成中起 主要作用。主要作用。攻击攻击DNA嘧啶环的嘧啶环的6位和嘌呤环的位和嘌呤环的8位位， 形成共价键结合的交联体。形成共价键结合的交联体。（2）影响）影响DPC形成的因素形成的因素 1) 氧效应：氧效应：UV- Xray -2) 温度：温度：增温增温DPC 意义：意义：增温能增加肿瘤细胞增温能增加肿瘤细胞DPC，因此可，因此可 用于放疗时的辐射增敏。用于放疗时的辐射增敏。 3) 染色质状态染色质状态 S期交联最多，而期交联最多，而G1、G2期的交联则很少期的交联则很少 （3）DPC形成的形成的DNA和和 蛋白质选择性蛋白质选择性n在在电离辐
23、射电离辐射引起的引起的DPC中，中，DNA部分富含具有部分富含具有转录活性的转录活性的DNAn在在紫外线紫外线照射引起的照射引起的DPC中，含转录活性的中，含转录活性的DNA较少。较少。n在转录活性区，辐射所致的在转录活性区，辐射所致的SSB也很容易发生，也很容易发生，但但SSB修复的效率也较高。修复的效率也较高。n在真核细胞中，与在真核细胞中，与DNA交联的蛋白质主要有交联的蛋白质主要有组蛋白、非组蛋白、调节蛋白、拓扑异构酶组蛋白、非组蛋白、调节蛋白、拓扑异构酶以及与复制转录有关的以及与复制转录有关的核基质蛋白核基质蛋白等。等。n在在5种组蛋白中，形成种组蛋白中，形成DPC的反应能力也各的反
24、应能力也各不相同（不相同（H3H4H2AH2B）。）。n辐射交联的蛋白质基本上是辐射交联的蛋白质基本上是活性非组蛋白活性非组蛋白。2DNA-DNA链间交联链间交联 nDNA链间交联的反应与链间交联的反应与DNA链断裂链断裂相互竞争。在相互竞争。在干燥干燥DNA中，链间交联占优势，可以形成带支链中，链间交联占优势，可以形成带支链的的DNA分子分子。（DAN 链间交联多见于化学损伤，如氮芥、硫芥等）n在含水分的在含水分的DNA形成链间交联时，形成链间交联时，氧具有抑制作氧具有抑制作用用，如果再增加水分含量，则，如果再增加水分含量，则DNA链断裂的生成链断裂的生成率增加。当水分超过率增加。当水分超过
25、300%时，不再有时，不再有DNA-DNA交联形成。交联形成。3DNA链内交联链内交联-嘧啶二聚体的形成嘧啶二聚体的形成当当DNA受到接近它的最大受到接近它的最大吸收波长吸收波长260 nm的的紫外线照射紫外线照射后，相邻的嘧啶碱基共价交后，相邻的嘧啶碱基共价交联形成联形成环丁烷四元环环丁烷四元环，使这两个碱基的，使这两个碱基的5,6位双键饱和，这种光化学产物称为位双键饱和，这种光化学产物称为嘧啶二嘧啶二聚体（聚体（PD）。 图图2.3 环丁烷型嘧啶二聚体环丁烷型嘧啶二聚体（三）（三）DNA二级和三级结构的变化（自学）二级和三级结构的变化（自学） 保持稳定性保持稳定性:n互补碱基对之间的互补碱
26、基对之间的氢键氢键；n碱基芳香环碱基芳香环 电子之间相互作用而电子之间相互作用而 引起的引起的碱基堆砌力碱基堆砌力；n磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子 之间形成的之间形成的离子键离子键。2.0 nm小小沟沟大大沟沟IRDNA DNA变性变性系指双螺旋结构解开，氢键断裂，系指双螺旋结构解开，氢键断裂，克原子磷消光系数显著升高，出现增色效克原子磷消光系数显著升高，出现增色效应，比旋光性和粘度降低，浮力密度升高，应，比旋光性和粘度降低，浮力密度升高，酸碱滴定曲线改变，同时酸碱滴定曲线改变，同时失去生物活性失去生物活性。DNA降解降解比变性更为剧烈，伴随着多核苷比变性更
27、为剧烈，伴随着多核苷酸链内共价键的断裂，分子量降低。酸链内共价键的断裂，分子量降低。1增色效应和增色效应和Tm值值n增色效应增色效应: 随着随着DNA变性程度的增加，其克原子磷变性程度的增加，其克原子磷消光系数值增大，这种现象称为消光系数值增大，这种现象称为增色效应增色效应。n克原子磷消光系数克原子磷消光系数 (P): 以每升磷酸溶液中一克原以每升磷酸溶液中一克原子磷为标准来计算核酸的吸光率（消光系数）。子磷为标准来计算核酸的吸光率（消光系数）。nTm: 将将DNA (P)值达到最高值值达到最高值1/2时的温度称之为时的温度称之为熔解温度，以熔解温度，以Tm表示表示。（。（把DNA的双螺旋结构
28、降解一半时的温度） （ 照射剂量越大照射剂量越大Tm值越小）值越小）nDNA的的 (P) 为为60008000，RNA为为7000100002旋光色散和圆二色性旋光色散和圆二色性nDNA高级结构的变化也可用高级结构的变化也可用旋光色散旋光色散（ORD）和圆二色图谱和圆二色图谱（CD）观察。）观察。圆二色圆二色性和旋光性均是光学活性物质分子中的不对称生色性和旋光性均是光学活性物质分子中的不对称生色团与左旋圆偏振光和右旋圆偏振光发生不同的作用团与左旋圆偏振光和右旋圆偏振光发生不同的作用引起的。引起的。nDNA的的ORD光谱在光谱在228和和229 nm波段有高峰，波段有高峰，在在257 nm有低谷
29、。有低谷。n200 Gy 射线照射后圆二色图谱在射线照射后圆二色图谱在275 nm波波段有段有正带上升正带上升。3粘度粘度n辐射所致辐射所致DNA结构的改变也可以反映在结构的改变也可以反映在DNA溶溶液的粘度变化上。液的粘度变化上。n照射后测定照射后测定DNA水溶液的粘度：在水溶液的粘度：在38时，时，DNA尚维持其双螺旋结构，而在尚维持其双螺旋结构，而在90时，时，DNA解螺旋为单链。解螺旋为单链。n随剂量的增加，粘度降低。随剂量的增加，粘度降低。剂量剂量（Gy）二、二、DNA损伤的修复损伤的修复修复现象修复现象:n亚致死性损伤的修复（亚致死性损伤的修复（SLDR）：）：n潜在致死性损伤的修
30、复（潜在致死性损伤的修复（PLDR）：）：SLDR（sublethal damage repair） ：不受照射后环境不受照射后环境条件影响条件影响的细胞损伤后的自然修复过程。的细胞损伤后的自然修复过程。PLDR（potentially lethal damage repair） ：改变改变细胞细胞受致死性损伤后的受致死性损伤后的环境条件环境条件，从而使细胞的存活分，从而使细胞的存活分数数（SF）增高，这种作用称为增高，这种作用称为PLDR。重重 点点（PE为未照射未照射时形成的集落数除以接种的形成的集落数除以接种的单个个细胞数胞数）（一）不同类型（一）不同类型DNA损伤的修复损伤的修复1DN
31、A单链断裂的修复单链断裂的修复 DNA修复与修复与时间呈指数关系，时间呈指数关系，修复速率依赖修复速率依赖于于温度温度。绝大多数正常细胞都能修复单链断。绝大多数正常细胞都能修复单链断裂。半修复期大致为裂。半修复期大致为10 40 min，因细胞类，因细胞类型和温度而异。一般在型和温度而异。一般在1 h内内DNA重接可达重接可达90%左右。左右。 2DNA双链断裂的修复双链断裂的修复u 关于关于DNA双链断裂是否能够得到修复的研双链断裂是否能够得到修复的研究结果存在争议，哺乳动物细胞大多数都能究结果存在争议，哺乳动物细胞大多数都能进行此种修复，但需要进行此种修复，但需要适宜的代谢条件和时适宜的代
32、谢条件和时间间。DSB的修复的修复与潜在致死损伤的修复有直与潜在致死损伤的修复有直接的联系。接的联系。照射后细胞中照射后细胞中DNA双链断裂的修复双链断裂的修复是一个关是一个关系到系到细胞最终转归细胞最终转归的极为重要的过程。的极为重要的过程。 3碱基损伤的修复碱基损伤的修复l紫外线造成的嘧啶二聚体减少。紫外线造成的嘧啶二聚体减少。 大肠杆菌在紫外线照射后保温15 min，DNA上的二聚体减少至50%。l损伤的碱基虽然可被修复，但只是部分修复，损伤的碱基虽然可被修复，但只是部分修复，并非完全修复。并非完全修复。4DNA修复合成修复合成nUDS （unscheduled DNA synthesi
33、s） ： 合成起始于损伤后即刻，随时间延长而增加，合成起始于损伤后即刻，随时间延长而增加，但但与细胞周期没有关系与细胞周期没有关系的修复合成，称之为的修复合成，称之为DNA期外合成或程序外期外合成或程序外DNA合成。合成。这种合成不同于细胞增殖过程中的DNA复制，它的合成量相当低。nX射线、射线、 射线、射线、 射线和紫外线等都能诱发射线和紫外线等都能诱发UDS 。（二）（二）DNA的损伤修复机理的损伤修复机理1回复修复回复修复 在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成的在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成的修复方式叫做回复修复。其机制包括酶学光复活、修复方式叫做回复修复。其机制包括酶
34、学光复活、单链断裂重接，嘌呤的直接插入和甲基转移等。单链断裂重接，嘌呤的直接插入和甲基转移等。（1）酶学光复活：）酶学光复活： 是修复是修复DNA链上的嘧啶二聚体的链上的嘧啶二聚体的 一一 种最直接方式。种最直接方式。 步骤步骤 吸收波长为吸收波长为260 380 nm的近紫外的近紫外光光 将酶激活，使二聚体解聚；将酶激活，使二聚体解聚； 酶从酶从DNA链上释放，链上释放，DNA恢复正常结构恢复正常结构 。 酶与酶与DNA中的二聚体部位相结合；中的二聚体部位相结合；（2）单链断裂重接）单链断裂重接 DNA连接酶（ligase）能催化能催化DNA双螺旋结构中一条链双螺旋结构中一条链中的缺口处的中
35、的缺口处的5-磷酸根磷酸根与相邻的与相邻的一个一个3-羟基羟基形成形成磷酸二酯键磷酸二酯键。NAD+或或ATP（3）嘌呤的直接插入）嘌呤的直接插入 n当当DNA链上的嘌呤碱基受到辐射损伤时，可链上的嘌呤碱基受到辐射损伤时，可被糖基化酶水解而脱落，生成被糖基化酶水解而脱落，生成无嘌呤位点无嘌呤位点。nDNA嘌呤插入酶（嘌呤插入酶（insertase）与无嘌呤位点）与无嘌呤位点相结合，催化嘌呤游离碱基或脱氧核苷与相结合，催化嘌呤游离碱基或脱氧核苷与DNA缺嘌呤部位生成缺嘌呤部位生成糖苷共价键糖苷共价键。n插入酶所插入的碱基具有专一性，这种机制插入酶所插入的碱基具有专一性，这种机制能能确保遗传信息的
36、正确修复。确保遗传信息的正确修复。 （4）甲基转移）甲基转移 nO6-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶可修复此种损甲基转移酶可修复此种损伤，其作用是一步伤，其作用是一步将甲基转移至酶的半胱氨酸将甲基转移至酶的半胱氨酸残基残基而使而使DNA的鸟嘌呤恢复正常结构。的鸟嘌呤恢复正常结构。 上述上述4种直接回复是修复种直接回复是修复最直接的方式，对细胞最直接的方式，对细胞非常有利非常有利。因为修复所需要的酶比较单一，而。因为修复所需要的酶比较单一，而且只有一步反应，修复且只有一步反应，修复特异性高，较少发生错特异性高，较少发生错误误。但实际上，这种修复的例子比较局限。但实际上，这种修复的例子比较
37、局限。2切除修复切除修复 特点：特点：是将损伤部位（或连同其附近的一定是将损伤部位（或连同其附近的一定部位）切除，然后用正确配对的、完好的碱部位）切除，然后用正确配对的、完好的碱基来替代。基来替代。 这是修复这是修复DNA损伤最为普遍的方式。其损伤最为普遍的方式。其过程比直接回复要复杂得多，有多种酶和基过程比直接回复要复杂得多，有多种酶和基因参与。因参与。基本步骤基本步骤：识别：识别切除切除修补修补连接连接识别识别碱基切除：碱基切除：是指只切除异常的碱基。需要两步，首是指只切除异常的碱基。需要两步，首先由糖基化酶切断糖苷键，出现一个无嘌呤嘧啶碱先由糖基化酶切断糖苷键，出现一个无嘌呤嘧啶碱基的部
38、位，然后由基的部位，然后由AP核酸内切酶在无碱基部位将核酸内切酶在无碱基部位将DNA链的磷酸二酯键切开，再由核酸外切酶（或内链的磷酸二酯键切开，再由核酸外切酶（或内切酶）去除残基，在该链上留下一缺损区。切酶）去除残基，在该链上留下一缺损区。 修补修补连接连接切除切除多种酶和蛋白多种酶和蛋白核苷酸切除：核苷酸切除：被切除的不是单个的游离碱基，而是被切除的不是单个的游离碱基，而是一段寡核苷酸。一段寡核苷酸。DNA聚合酶聚合酶 DNA连接酶连接酶 DNA切除修复示意切除修复示意图识识别别 切切除除 修修补补 连连接接3多聚多聚ADP-核糖的作用核糖的作用n多聚多聚ADP-核糖核糖是是DNA进行有效切
39、除修复的进行有效切除修复的一种必需成分。一种必需成分。 nADP-核糖基多聚物的形成与存在是核糖基多聚物的形成与存在是提高连提高连接酶活性接酶活性的重要因素，在的重要因素，在DNA损伤修复过损伤修复过程中起着重要作用。程中起着重要作用。 4损伤的损伤的“耐受耐受”重组修复和重组修复和SOS修复修复 概念：概念：n在复制己经开始，而损伤又位于复制叉附近时，在复制己经开始，而损伤又位于复制叉附近时，细胞会通过另一些机理，使复制能进行下去，细胞会通过另一些机理，使复制能进行下去，待复制完成后，再通过某种机理修复残留的损待复制完成后，再通过某种机理修复残留的损伤。在复制当时，这种损伤并未消除，因此伤。
40、在复制当时，这种损伤并未消除，因此称称作作“耐受耐受”。 “SOS”修复：修复：n在正常生理状态下处于抑制状态，一旦在正常生理状态下处于抑制状态，一旦DNA受到损伤，产生一种调控信号，解受到损伤，产生一种调控信号，解除对许多基因的抑制，此种修复称之为除对许多基因的抑制，此种修复称之为“SOS”修复。修复。 SOS修复过程是在修复过程是在损伤信号诱导损伤信号诱导下发生的，因下发生的，因此又称为此又称为可诱导的可诱导的DNA修复修复（inducible DNA repair） （三）基因组内修复的不均一性（三）基因组内修复的不均一性 1重复序列中的重复序列中的DNA修复修复 DNA（灵长类细胞基因
41、组中存在一种高度重复的顺序）占总占总DNA的的15% 20%，碱基组成与总，碱基组成与总DNA相近，相近，没有转录功能没有转录功能。 此种此种DNA己被选择用于研究己被选择用于研究无活性片段无活性片段的的DNA修复特点。修复特点。在灵长类细胞中，不同顺序的在灵长类细胞中，不同顺序的DNA损伤修复有较明显差别。损伤修复有较明显差别。 2活性基因的修复活性基因的修复n以中国仓鼠卵巢细胞的以中国仓鼠卵巢细胞的二氢叶酸还原酶二氢叶酸还原酶（DHFR）的基因）的基因代表活性基因，发现细胞受代表活性基因，发现细胞受紫外线照射后，活性基因片段中二聚体的清除紫外线照射后，活性基因片段中二聚体的清除非常活跃。非
42、常活跃。P45 （表（表2.8）选择性优先修复选择性优先修复活性基因活性基因对细胞存活有重要意义。对细胞存活有重要意义。因为因为DNA模板上存在着嘧啶二聚体损伤或其它类模板上存在着嘧啶二聚体损伤或其它类型损伤时，转录将会被阻断，及时进行修复，则型损伤时，转录将会被阻断，及时进行修复，则有利于恢复细胞的功能并增强其存活能力。有利于恢复细胞的功能并增强其存活能力。 3活性基因中转录链的修复活性基因中转录链的修复n中国仓鼠卵巢细胞受紫外线照射后中国仓鼠卵巢细胞受紫外线照射后4 h，在，在dhfr基因转录链上形成的嘧啶二聚体已被清基因转录链上形成的嘧啶二聚体已被清除除80%，而在非转录链上则到，而在非
43、转录链上则到24 h才清除才清除10%左右。左右。 n修复在活性基因中修复在活性基因中转录链转录链上迅速上迅速优先优先发生。发生。 （四）（四）DNA修复基因修复基因u XRCC1基因基因 XRCC为为X射线修复交叉互补射线修复交叉互补（X-ray repair cross complementing）的缩写）的缩写, 它能它能纠正纠正EM9细胞的细胞的DNA链链断裂重接的缺陷断裂重接的缺陷。目前己发现，至少有目前己发现，至少有9种种XRCC基因存在于人的染色体中。已经克隆出基因存在于人的染色体中。已经克隆出16种与之相种与之相关的修复基因（表关的修复基因（表2.11）u ADP核糖基转移酶（
44、核糖基转移酶（ADPRT）是在链断裂是在链断裂 重接中有重要作用的一种酶重接中有重要作用的一种酶 。电离辐射损伤相关的人类修复基因电离辐射损伤相关的人类修复基因nATM n染色体定位11q23.2-23.3n功能功能检查点及修复检查点及修复 ATM对电离辐射迅速发生反应是DNA损伤后发生细胞周期胞周期检查点阻滞点阻滞的关键因素。三、三、DNA损伤与修复的生物学意义损伤与修复的生物学意义1. 辐射作用后，射作用后，DNA碱基的碱基的损伤或脱落改或脱落改变了密了密码，引起基因的引起基因的点突点突变（point mutation）。）。转换（转换（transition）：一个嘌呤被另一个嘌呤所取代，
45、或一个嘌呤被另一个嘌呤所取代，或 一个嘧啶被另一个嘧啶所取代；一个嘧啶被另一个嘧啶所取代；颠换（颠换（(transversion）：）：一个嘌呤被一个嘧啶所取代，或一个嘌呤被一个嘧啶所取代，或 一个嘧啶被一个嘌呤所取代；一个嘧啶被一个嘌呤所取代；碱基缺失（碱基缺失（base deletion）：）：移码突变及碱基插入等。移码突变及碱基插入等。 经转录和翻译后就会形成功能异常的蛋白质和酶，经转录和翻译后就会形成功能异常的蛋白质和酶， 引起细胞突变或转化。引起细胞突变或转化。（一）（一）DNA损伤的意义损伤的意义重点重点2. 对于一些只具有对于一些只具有单链单链DNA的原核生物，的原核生物，SSB
46、是是致死性的，但对于具有双链致死性的，但对于具有双链DNA的真核生物，的真核生物，SSB能迅速在细胞内修复。能迅速在细胞内修复。DSB通过原位重接的通过原位重接的机率很少，依靠重组修复时，机率很少，依靠重组修复时，染色体畸变发生率染色体畸变发生率高，可能危及细胞生命高，可能危及细胞生命。3. 辐射对辐射对活性染色质活性染色质的选择性的选择性破坏给基因的正常破坏给基因的正常 表达和调控表达和调控会带来严重的后果。会带来严重的后果。 （二）（二）DNA修复的意义修复的意义n细胞为了维护其生命和正常的机能活动，通过多种途径细胞为了维护其生命和正常的机能活动，通过多种途径对各种类型的对各种类型的DNA
47、损伤进行修复，决定细胞命运的不仅损伤进行修复，决定细胞命运的不仅是损伤严重程度，其修复能力与修复机制亦十分重要。是损伤严重程度，其修复能力与修复机制亦十分重要。n无错修复（无错修复（error free repair）有利于细胞恢复其正常功）有利于细胞恢复其正常功能，而能，而易错修复（易错修复（error prone repair）将导致基因突变）将导致基因突变。nDNA损伤和修复的规律在损伤和修复的规律在肿瘤治疗方面肿瘤治疗方面具有重要的应用具有重要的应用价值。价值。 有选择地加重肿瘤细胞的有选择地加重肿瘤细胞的DNA损伤，抑制其损伤，抑制其修复，以增强其放疗、化疗和热疗的效果。修复，以增强
48、其放疗、化疗和热疗的效果。 四、染色质损伤对四、染色质损伤对DNA辐射效应的辐射效应的影响影响u真核生物的染色体真核生物的染色体(chromasome)在细胞生活周期在细胞生活周期的大部分时间里都是以的大部分时间里都是以染色质染色质(chromatin)的形式的形式存在的。存在的。u 染色质是一种纤维状结构，是由最基本的单位染色质是一种纤维状结构，是由最基本的单位核小体核小体(nucleosome)成串排列而成的。成串排列而成的。uDNA是染色体的主要化学成分，也是遗传信息的是染色体的主要化学成分，也是遗传信息的载体，约载体，约占染色体全部成分的占染色体全部成分的27%，另外组蛋白，另外组蛋白
49、和非组蛋白占和非组蛋白占66%，RNA占占6%。 （一）染色质的辐射敏感性（一）染色质的辐射敏感性 实际上，二者之间的区别主要并不在于化学组实际上，二者之间的区别主要并不在于化学组成上的差异，而在于成上的差异，而在于包装程度不同包装程度不同，反映了它们处于，反映了它们处于细胞周期中不同的功能阶段。在真核细胞的细胞周期细胞周期中不同的功能阶段。在真核细胞的细胞周期中，大部分时间是以中，大部分时间是以染色质染色质的形态而存在的。的形态而存在的。 染色质染色质是指间期细胞核内由是指间期细胞核内由DNA、 组蛋白、组蛋白、非组蛋白及少量非组蛋白及少量RNA组成的线性复杂结构，是组成的线性复杂结构，是间
50、期细胞间期细胞遗传物质存在的形式。遗传物质存在的形式。 染色体染色体是指细胞在有丝分裂或减数分裂过是指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中，由染色质聚缩而成的棒状结构。程中，由染色质聚缩而成的棒状结构。染色质：染色质：由由核小体核小体的重复亚单位连接而成的的重复亚单位连接而成的 串珠状结构。串珠状结构。 核小体核小体（nucleosome）：一种串珠状结构。）：一种串珠状结构。 构成：构成：200bpDNA、5种组蛋白种组蛋白核心组蛋白核心组蛋白（H2A、H2B、H3、H4） 各各2个分子组成八聚体个分子组成八聚体核心颗粒；核心颗粒； 约约140bpDNA缠绕八聚体缠绕八聚体1.75圈；直径圈；直径
51、11nm。相邻核小体：相邻核小体：H1组蛋白结合组蛋白结合60bp连接连接DNA H1锁住锁住DNA分子进出口，稳定结构。分子进出口，稳定结构。1染色质的结构与分类染色质的结构与分类ChromosomeChromatinDNA-protein complexduplicationduplication2核小体连接区的辐射效应核小体连接区的辐射效应核小体连接区是合成核小体连接区是合成RNA引物的起始部位，而引物的起始部位，而RNA引物是引物是DNA复制的起始步骤复制的起始步骤。射线对。射线对RNA聚合酶在连接区合成聚合酶在连接区合成RNA引物的过程有明引物的过程有明显的抑制作用。显的抑制作用。核
52、小体连接区核小体连接区DNA是和组蛋白是和组蛋白H1的结合部位，的结合部位，而而组蛋白组蛋白H1的磷酸化与细胞分裂启动有关的磷酸化与细胞分裂启动有关。电。电离辐射能使离辐射能使组蛋白组蛋白H1的磷酸化受到明显的抑制的磷酸化受到明显的抑制，进而影响细胞分裂。进而影响细胞分裂。重点重点3染色质紧密程度对辐射敏感性的影响染色质紧密程度对辐射敏感性的影响乙酰化的染色质（染色质体积扩张乙酰化的染色质（染色质体积扩张 ）DNA的的SSB 产额明显高于未乙酰化的染色质。产额明显高于未乙酰化的染色质。 4活性染色质与非活性染色质的活性染色质与非活性染色质的 辐射敏感性辐射敏感性 活性染色质比非活性染色质对射线
53、敏感活性染色质比非活性染色质对射线敏感。 （二）染色质的辐射降解（二）染色质的辐射降解染色质辐射降解产物包括染色质辐射降解产物包括游离游离DNA、游离组蛋、游离组蛋白、寡聚脱氧核苷酸及可溶性染色质白、寡聚脱氧核苷酸及可溶性染色质。其主要。其主要产物是可溶性染色质。产物是可溶性染色质。 可溶性染色质是由不同程度的寡聚核小体组成，可溶性染色质是由不同程度的寡聚核小体组成，降解断裂处降解断裂处不是发生在核小体内部，而是不是发生在核小体内部，而是发生发生在核小体之间的连接区在核小体之间的连接区。如前所述，核小体连。如前所述，核小体连接区是核酸酶的水解作用部位。照射后由于结接区是核酸酶的水解作用部位。照
54、射后由于结构变得松弛，更易受核酸酶水解消化。构变得松弛，更易受核酸酶水解消化。（三）染色质蛋白的辐射效应（三）染色质蛋白的辐射效应组蛋白是一类富含碱性氨基酸，即赖氨酸和精组蛋白是一类富含碱性氨基酸，即赖氨酸和精氨酸，但不含色氨酸的碱性蛋白质。组蛋白易氨酸，但不含色氨酸的碱性蛋白质。组蛋白易与与DNA结合，并抑制其基因表达。结合，并抑制其基因表达。电离辐射可电离辐射可抑制组蛋白的合成。抑制组蛋白的合成。磷酸化作用强的组织通常是辐射敏感的。磷酸化作用强的组织通常是辐射敏感的。电离电离辐射可抑制组蛋白辐射可抑制组蛋白H1磷酸化，其机制与细胞核磷酸化，其机制与细胞核内内ATP生成减少有关。生成减少有关
55、。 染色质受照后，组蛋白和染色质受照后，组蛋白和DNA形成形成DPC。与组蛋白相比，与组蛋白相比，非组蛋白非组蛋白代谢较快，在整个细代谢较快，在整个细胞周期都有合成。辐射不敏感的组织染色质中胞周期都有合成。辐射不敏感的组织染色质中非组蛋白含量比辐射敏感组织多非组蛋白含量比辐射敏感组织多2 15倍。因倍。因此有人认为，此有人认为，组织的辐射敏感性与其染色质中组织的辐射敏感性与其染色质中非组蛋白含量多少有一定关系非组蛋白含量多少有一定关系。 电离辐射对非组蛋白具有电离辐射对非组蛋白具有直接损伤作用直接损伤作用，如与，如与DNA也可形成交联体也可形成交联体 。应掌握的内容应掌握的内容1. 说出下列英文简写的中文名称及含义。说出下列英文简写的中文名称及含义。 SSB DSB APS DPC UDS SLDR PLDR2. DNA交联分哪几类？简述交联分哪几类？简述DPC的发生机制和影的发生机制和影 响因素。响因素。3. DNA损伤修复有哪几类？损伤修复有哪几类？4. 切除修复的步骤及发生机理。切除修复的步骤及发生机理。5. DNA损伤修复的生物学意义？损伤修复的生物学意义？6.为什么说核小体连接区对辐射敏感？为什么说核小体连接区对辐射敏感？
