《分子生物学第六章：DNA损伤与修复》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分子生物学第六章：DNA损伤与修复（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第六章第六章 DNADNA损伤与修复损伤与修复 DNA damage and repair DNA damage and repair汤汤 立立 军军中南大学生物科学与技术学院中南大学生物科学与技术学院分子生物学研究中心分子生物学研究中心2021/8/61哺乳动物细胞哺乳动物细胞DNA损伤的发生频率损伤的发生频率2021/8/622021/8/632021/8/64自自发发性性复制错误复制错误碱基脱落或部分脱落碱基脱落或部分脱落活性氧族活性氧族物物理理因因素素紫外线紫外线电离辐射电离辐射化化学学因因素素烷化剂烷化剂碱基类似物碱基类似物修饰剂修饰剂DNA第一节第一节 DNA损伤的原因及后果损伤
2、的原因及后果病原生物基因的整合病原生物基因的整合2021/8/65一、一、DNADNA分子的自发性损伤分子的自发性损伤( (一一)DNA)DNA复制产生误差复制产生误差大肠杆菌中大肠杆菌中DNADNA复制为例：复制为例： 碱基配对的错误率为碱基配对的错误率为1010-1-11010-2-2复制后经校正系统校正，错配率为复制后经校正系统校正，错配率为1010-9-9左右左右2021/8/66（二）（二）DNADNA的自发性化学变化的自发性化学变化 1. 1. 碱基的异构互变碱基的异构互变 DNA DNA分子中的分子中的4 4种碱基各自的异构体间种碱基各自的异构体间都可以自发地相互变化都可以自发地
3、相互变化( (例如酮式例如酮式- -烯醇式烯醇式或氨基或氨基- -亚氨基之间的结构互变亚氨基之间的结构互变) )，使配对，使配对碱基间的氢键改变。碱基间的氢键改变。2021/8/67碱基的互变异构效应碱基的互变异构效应 碱基碱基T T和和G G能够以酮式或烯醇式能够以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现两种互变异构的状态出现碱基碱基C C和和A A能够以氨基式或亚氨能够以氨基式或亚氨基式两种互变状态出现基式两种互变状态出现 一般生理条件下，碱基互变一般生理条件下，碱基互变平衡反应倾向于酮式或氨基式，平衡反应倾向于酮式或氨基式，故故A TA T和和C GC G碱基配对碱基配对 2021/8/68互
4、变异构效应引起不正常的碱基配对互变异构效应引起不正常的碱基配对 碱基碱基T T以稀有的烯醇式形以稀有的烯醇式形式，新合成链中式，新合成链中T T对应的对应的不再是不再是A A，而是，而是G G 碱基碱基C C以稀有的亚氨基形以稀有的亚氨基形式出现，在式出现，在DNADNA复制到达复制到达这一位置的瞬间，则它这一位置的瞬间，则它对应的不是对应的不是G G，而是，而是A A2021/8/69 2. 2. 碱基的脱氨基作用碱基的脱氨基作用 碱基的环外氨基有时碱基的环外氨基有时会自发脱落，从而胞嘧啶会自发脱落，从而胞嘧啶(C)(C)变成尿嘧啶变成尿嘧啶(U)(U)，腺嘌，腺嘌呤呤(A)(A)变成次黄嘌
5、呤变成次黄嘌呤(H)(H)、鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）变成黄嘌呤）变成黄嘌呤(X)(X)等。复制时等。复制时U U与与A A配对、配对、H H和和X X都与都与C C配对就会导致子配对就会导致子代代DNADNA序列的错误变化。序列的错误变化。2021/8/610 3 3脱嘌呤与脱嘧啶脱嘌呤与脱嘧啶 即碱基脱落，是即碱基脱落，是指从指从DNADNA上丢失了嘌呤上丢失了嘌呤或嘧啶，形成无碱基或嘧啶，形成无碱基位点，称为位点，称为APAP部位部位（apurine, apurine, apyrimidine site, apyrimidine site, APAP）。）。2021/8/611u复制时可以
6、插入任何核苷酸。复制时可以插入任何核苷酸。u脱落碱基后的脱氧核糖脱落碱基后的脱氧核糖3 3端的磷酸二酯端的磷酸二酯键易被水解，造成键易被水解，造成DNADNA链断裂。链断裂。u在哺乳动物细胞基因组中，每天每个细在哺乳动物细胞基因组中，每天每个细胞因胞因N-N-糖苷键自发水解约丢失糖苷键自发水解约丢失10 00010 000个个嘌呤碱基和嘌呤碱基和200200个嘧啶碱基。个嘧啶碱基。2021/8/612 细胞在正常生理活动中产生的活性氧细胞在正常生理活动中产生的活性氧会造成会造成DNADNA损伤，产生胸腺嘧啶乙二醇、羟损伤，产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，还可引起甲基尿嘧啶等碱基修
7、饰物，还可引起DNADNA单单链断裂等损伤。每个哺乳类细胞每天链断裂等损伤。每个哺乳类细胞每天DNADNA单单链断裂发生的频率约为五万次。链断裂发生的频率约为五万次。4 4碱基修饰与链断裂碱基修饰与链断裂2021/8/6135.5.环出效应环出效应2021/8/614二、物理因素引起的二、物理因素引起的DNADNA损伤损伤( (一一) )紫外线照射引起的紫外线照射引起的DNADNA损伤损伤 当当DNADNA受到最易被其吸收波长受到最易被其吸收波长( (260 nm)260 nm)的紫外线的紫外线照射时，同一条照射时，同一条DNADNA链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚
8、体，相邻的两个体，相邻的两个T T、或两个、或两个C C、或、或C C与与T T间都可以环丁基环间都可以环丁基环(cyclobutane ring)(cyclobutane ring)连成二聚体，其中最容易形成的是连成二聚体，其中最容易形成的是T-TT-T二聚体。二聚体导致复制不能进行。二聚体。二聚体导致复制不能进行。 2021/8/6152021/8/6162021/8/617 皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每小时可达每小时5105104 4细胞，紫外线不能穿透皮细胞，紫外线不能穿透皮肤，因此损伤只局限在皮肤中。此外，紫外线肤，因此损伤只局限在皮
9、肤中。此外，紫外线照射还能引起照射还能引起DNADNA链断裂等损伤。链断裂等损伤。2021/8/618u 电离辐射损伤电离辐射损伤DNADNA有直接和间接的效应，有直接和间接的效应，u 直接效应是直接效应是DNADNA直接吸收射线能量而遭损伤；直接吸收射线能量而遭损伤；u 间接效应是指间接效应是指DNADNA周围其他分子周围其他分子( (主要是水分主要是水分子子) )吸收射线能量而产生具有很高反应活性的吸收射线能量而产生具有很高反应活性的自由基，进而损伤自由基，进而损伤DNADNA。( (二二) ) 电离辐射引起的电离辐射引起的DNADNA损伤损伤2021/8/619电离辐射引起电离辐射引起D
10、NADNA损伤的机理损伤的机理2021/8/620电离辐射引起电离辐射引起DNADNA损伤的机制损伤的机制u自由基损害自由基损害u损伤损伤DNADNA修复系统修复系统u MCIMCI假说假说(mobile charge interaction) (mobile charge interaction) 直接与直接与DNADNA分子链发生作用，作用的靶分子链发生作用，作用的靶 点是点是DNADNA分子中移动的电子。分子中移动的电子。 2021/8/621电离辐射引起电离辐射引起DNADNA损伤的类型损伤的类型u产生产生OHOH自由基，导致碱基变化自由基，导致碱基变化u 脱氧核糖分解脱氧核糖分解u
11、DNA链断裂链断裂u 交联交联 包括包括DNA链交联和链交联和DNA-蛋白质交联蛋白质交联 2021/8/622电离辐射导致电离辐射导致DNADNA链的断裂链的断裂 单链断裂：单链断裂： 双链断裂：双链断裂： 2021/8/623三、化学因素引起的三、化学因素引起的DNADNA损伤损伤( (一一) )烷化剂对烷化剂对DNADNA的损伤的损伤烷化剂是一类亲电子的化合物，很容易与生物烷化剂是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，使大分子的亲核位点起反应，使DNADNA发生各种类型的发生各种类型的损伤。损伤。1 1碱基烷基化碱基烷基化烷化剂很容易将烷基加到烷化剂很容易将烷基加到DN
12、ADNA链中嘌呤或嘧啶链中嘌呤或嘧啶的的N N或或O O上上, , 烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化。烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化。2021/8/624鸟嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胞嘧啶O6-乙基鸟嘌呤乙基鸟嘌呤 胸腺嘧啶胸腺嘧啶碱基烷基化碱基烷基化2021/8/625( (一一) )烷化剂对烷化剂对DNADNA的损伤的损伤 2. 2.碱基脱落碱基脱落 烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落形成落形成D DNANA上的无碱基位点，复制时可以上的无碱基位点，复制时可以插插入入任何核苷酸，造成序列的改变。任何核苷酸，造成序列的改变。2021/8/626( (一一) )烷化剂对烷化
13、剂对DNADNA的损伤的损伤 3 3断链断链 DNA DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被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，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，使易在糖与磷酸间发生水解，使DNADNA链断裂。链断裂。2021/8/627( (一一) )烷化剂对烷化剂对DNADNA的损伤的损伤4. 4. 交联交联烷化剂有两类，烷化剂有两类，u一类是单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能一类是单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；使一个位点烷基化；u另一类是双功能基烷化剂，如化学武器氮芥、硫另一类是双功能基烷化剂，如化学武器氮芥、硫
14、芥等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂芥等，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。两个功能基可同时使两个位点烷基化。2021/8/628( (二二) )碱基类似物、修饰剂对碱基类似物、修饰剂对DNADNA的损伤的损伤 人工合成的碱基类似物如人工合成的碱基类似物如5-5-溴尿嘧啶、溴尿嘧啶、5-5-氟尿嘧氟尿嘧啶、啶、2-2-氨基腺嘌呤等，其结构与正常碱基相似，进入氨基腺嘌呤等，其结构与正常碱基相似，进入细胞能替代正常碱基掺入到细胞能替代正常碱基掺入到DNADN
15、A链中而干扰链中而干扰DNADNA复制。复制。例如例如5-溴尿嘧啶的结构与胸腺嘧啶十分相近。溴尿嘧啶的结构与胸腺嘧啶十分相近。2021/8/629u 5-BrdU 5-BrdU （ 5-BrdU-A-A； 5-BrdU-G-G） 酮式酮式 烯醇式烯醇式 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u 亚硝酸盐能使亚硝酸盐能使C脱氨基变成脱氨基变成U （CUCU）u 羟胺能使羟胺能使T脱甲基脱甲基变成变成C （TCTC）u 黄曲霉素黄曲霉素B B （攻击碱基）（攻击碱基）2021/8/630DNA DNA 损伤类型损伤类型u 碱基脱落碱基脱落u碱基修饰碱基修饰 & & 去氨基
16、化去氨基化u链内交联链内交联uDNA-DNA-蛋白质蛋白质 交联交联uDNADNA链断裂链断裂u DNA DNA 重组重组2021/8/631四、四、DNADNA损伤的后果损伤的后果 DNADNA损伤后分子最终改变，有以下几种类型：损伤后分子最终改变，有以下几种类型：1. 1. 点突变点突变(point mutation) DNA(point mutation) DNA链上单一碱基的变链上单一碱基的变异。嘌呤替代嘌呤异。嘌呤替代嘌呤(A(A与与G G之间的相互替代之间的相互替代) )、嘧啶替代、嘧啶替代嘧啶嘧啶(C(C与与T T之间的替代之间的替代) )称为转换称为转换( (transitio
17、ntransition) )；嘌呤；嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤则称为颠换变嘧啶或嘧啶变嘌呤则称为颠换( (transvertiontransvertion) )。2. 2. 缺失缺失( (deletiondeletion) DNA) DNA链上一个或一段核苷酸消失。链上一个或一段核苷酸消失。2021/8/6323. 3. 插入插入( (insertioninsertion) )指一个或一段核苷酸插入指一个或一段核苷酸插入DNADNA链。链。 4. 4. 倒位或转位倒位或转位( (transpositiontransposition) ) 指指DNADNA链重组使其中链重组使其中 一段核苷酸链方向倒
18、置、或从一处迁移到另一处。一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处。5. DNA5. DNA断裂断裂2021/8/6332021/8/634突变或诱变对生物可能产生突变或诱变对生物可能产生4 4种后果：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。 2021/8/635第二节第二节 DNADNA修复修复DNADNA的修复主要类型的修复主要类型: : 错配修复错配修复 直接修复直接修复 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(SOS修复修复) )2021/8/636一、错配修复
19、一、错配修复 在在DNA复制过程中复制过程中, DNA聚合酶能够利用聚合酶能够利用其其3一一5外切核酸酶活性去除错配核苷酸，但是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这种校正作用并不十分可靠, 某些错配核苷酸可某些错配核苷酸可能逃避检测能逃避检测, 出现于新合成的出现于新合成的DNA链中。链中。 错配修错配修复系统能够发现和修复这些错配核苷酸。复系统能够发现和修复这些错配核苷酸。2021/8/637 1. 1. E.coliE.coli错配修复机制错配修复机制DNADNA腺嘌呤甲基化酶腺嘌呤甲基化酶(m(m6 6A A甲基化酶甲基化酶) )解旋酶解旋酶 Helicase H
20、elicase 、SSBSSB、外切核酸酶、外切核酸酶 (、X X和和RecJ)RecJ)、DNA polymerase DNA polymerase 、连接酶、连接酶MCE (mismatch correct enzyme)mut L 激活内切核酸酶激活内切核酸酶mutH mutH mut S 扫描新生链中错配碱基扫描新生链中错配碱基mut H 识别非甲基化识别非甲基化DNADNA链链; ; 酶切含错配碱酶切含错配碱基的基的DNADNA区段区段错配修复系统组成（错配修复系统组成（Mismatch repair systemMismatch repair system）2021/8/638错配
21、修复错配修复 2021/8/639错配修复错配修复(大肠杆菌)Mis-paired bases2021/8/640错配修复(大肠杆菌)2021/8/6412. 2. 真核细胞错配修复机制真核细胞错配修复机制2021/8/6422021/8/6432021/8/644错配修复错配修复 ( (人人) )2021/8/645二、直接修复二、直接修复1. DNA1. DNA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端未受损伤的情端未受损伤的情况下，连接酶能够直接修复况下，连接酶能够直接修复DNA的断裂口。的断裂口。2021/8/6462. 2. 光复合酶直接修复二聚体光复
22、合酶直接修复二聚体2021/8/6473.3. 直接修复烷基化碱基直接修复烷基化碱基 O O6 6- -甲基鸟嘌呤甲基转移酶。甲基鸟嘌呤甲基转移酶。 甲基从甲基从DNADNA转移至烷基转移酶上转移至烷基转移酶上, ,已经甲基化已经甲基化的酶不能再转变为非甲基化酶的酶不能再转变为非甲基化酶, ,因此因此, ,此种修复又此种修复又称为该酶的自杀性修复。称为该酶的自杀性修复。2021/8/648DNADNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能被链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能被DNADNA嘌呤插入酶嘌呤插入酶(insertase)(insertase)识别结合，并在识别结合，并在K K 存在下催化游离的
23、嘌呤碱基或脱氧核苷与存在下催化游离的嘌呤碱基或脱氧核苷与DNADNA无无嘌呤部位形成糖苷键。且催化插入的碱基有高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，使度专一性、与另一条链上的碱基严格配对，使DNADNA完全恢复。完全恢复。4 4直接插入嘌呤直接插入嘌呤2021/8/649三、碱基切除修复碱基切除修复（Base Excision RepairBase Excision Repair，BERBER）u指切除和替换由内源性化学物作用产生的指切除和替换由内源性化学物作用产生的 DNA DNA碱基损伤碱基损伤, , 是切除修复的一种。是切除修复的一种。u受损碱基
24、移除是由多个酶来完成的。受损碱基移除是由多个酶来完成的。u主要针对主要针对DNADNA单链断裂和小的碱基改变单链断裂和小的碱基改变 及氧化性损伤。及氧化性损伤。2021/8/6502021/8/6512021/8/652碱基切除修复（人）碱基切除修复（人）2021/8/653 四、核苷酸切除修复四、核苷酸切除修复（nucleotide excision repair） u 体内识别体内识别 DNA DNA 损伤最多的修复通路。损伤最多的修复通路。u 不识别任何特殊的碱基损失，而是识不识别任何特殊的碱基损失，而是识别双螺旋形状的改变；修复时切除含有损别双螺旋形状的改变；修复时切除含有损伤碱基的那
25、一段伤碱基的那一段 DNADNA。2021/8/6542021/8/6552021/8/656核苷酸切除修复核苷酸切除修复 ( (大肠杆菌大肠杆菌) )UvrA:识别损伤识别损伤部位部位UvrB:解旋双链解旋双链紫外线诱导紫外线诱导uvrAuvrA、uvrBuvrB、uvrCuvrC和和uvrDuvrD四种基因表达四种基因表达2021/8/657UvrC: UvrC: 5 5末端内切末端内切UvrB:UvrB: 3 3末端内切末端内切2021/8/658UvrD:解解旋酶旋酶2021/8/6592021/8/660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) )2021/8/
26、661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) )2021/8/662GGR 和和TCR的共同修复通路的共同修复通路2021/8/6632021/8/664五、重组修复五、重组修复大肠杆菌重组修复大肠杆菌重组修复2021/8/665五、重组修复五、重组修复根据根据 DNA 末端连接需要的同源性分为末端连接需要的同源性分为:u同源重组：需要多种蛋白参与同源重组：需要多种蛋白参与, ,在减数分裂、细胞在减数分裂、细胞有丝分裂后期有丝分裂后期S/G2S/G2期起主要作用。期起主要作用。u非同源末端连接：非同源末端连接：DNADNA分子之间不需要广泛的同源分子之间
27、不需要广泛的同源性，主要是在免疫球蛋白重组时对性，主要是在免疫球蛋白重组时对DNADNA双链进行连接，双链进行连接，在细胞有丝分裂在细胞有丝分裂G1/G0G1/G0期起主要作用。期起主要作用。2021/8/666同源重组修复DNA双链断裂（人）2021/8/667非同源末端连接修复DSB2021/8/668六、六、 SOS修复修复 u正在复制的正在复制的DNADNA聚合酶可能遇到尚未修复的聚合酶可能遇到尚未修复的DNADNA损伤，例如胸腺嘧啶二聚体或无嘌呤位损伤，例如胸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
28、修复这些损者被迫暂停复制。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部位，这一机制就是跨损伤DNADNA合成。合成。uSOSSOS修复存在于大肠杆菌，不存在于人类。修复存在于大肠杆菌，不存在于人类。2021/8/6692021/8/6702021/8/671RecA-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. 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
29、不表现proteinase活性活性2021/8/6722021/8/673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 off2021/8/674SOS 修复修复uDNA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。2021/8/675常见的常见的DNADNA损伤及其
30、修复机制损伤及其修复机制错配修复碱基错配和缺失（插入）复制错误和烷化剂双链断裂修复（同源重组修复和末端连接）双链断裂和链间交联抗癌药（如顺铂和丝裂霉素）核苷酸切除修复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加合物紫外线和多环芳烃碱基切除修复单链断裂、无碱基位点、氧化性碱基（如8-氧鸟嘌呤）尿嘧啶X射线、氧自由基、烷化剂 自发脱碱基修复机制修复机制 DNADNA损伤类型损伤类型DNADNA损伤因素损伤因素2021/8/676The End2021/8/677着着色性色性干干皮病皮病患儿脸部特征患儿脸部特征2021/8/678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2021/8/679着着色性色性干干皮病皮病的治疗的治疗u避免紫外线照射避免紫外线照射 u避免肿瘤致病因子避免肿瘤致病因子u对症治疗对症治疗2021/8/680
