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1、DNA 的损伤和修复Mutagen(诱变剂）完全修复DNA 损伤碱基的化学反应损伤的修复不能有效修复不完全修复凋亡畸变回复正常1第1页/共53页诱发DNA损伤的因素：环境因素：辐射、化学毒物、药物、病毒感染、植物和微生物代谢产物等。生理因素：机体代谢过程中产生的有毒物质、DNA复制错配、DNA本身的热不稳定性。第一节第一节 多种因素可引起多种因素可引起DNADNA损伤并具有各自损伤并具有各自的机制的机制2第2页/共53页（一）辐射致DNA损伤根据作用原理的不同：电离辐射（粒子，粒子，射线，射线等）直接作用：能量直接传递给大分子而引起结构的破坏 间接作用：辐射先作用于溶剂分子而产生活性物质从 而
2、导致细胞损伤 非电离辐射（紫外线以及能量低于紫外线的电磁辐射）一、DNA损伤的因素及其机制3第3页/共53页返回目录返回主页4第4页/共53页 紫外线的致损伤作用5第5页/共53页（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和分子。自由基的产生可以是外界因素与体内物质共同作用的结果。自由基可导致碱基、核糖、磷酸基的损伤，引起DNA的结构和功能异常。6第6页/共53页（三）化学毒物致DNA损伤按其作用原理可分为：碱基类似物 碱基修饰物 嵌入染料7第7页/共53页1、碱基类似物（Base analog）2-氨基嘌呤2-Amino purine5-溴尿嘧啶5-Bromin
3、e Uracil OO BrNH2是指与DNA正常碱基结构类似的化合物,在DNA复制时掺入并与互补链上碱基配对,从而引起碱基对的置换.8第8页/共53页5-BrU:G:A 烯醇式enolenolBrOHHOBr 酮式KetoKetoHOAGCTTCCTATCGAAGGATAGCTBCCTATCGAAGGAT酮式5-BrU的渗入AGCTBCCTATCGAAGGATAGCTCCCTATCGAGGGAT第二轮复制ATGC 转变AGCTBCCTATCGAGGGATAGCTTCCTATCGAAGGAT第一轮复制酮式到稀醇式的转变烯醇式渗入为烯醇式渗入为 GCAT 转变9第9页/共53页 2、碱基的化学修
4、饰剂又称化学突变剂：指对又称化学突变剂：指对DNADNA链中的碱基的修饰链中的碱基的修饰,改变其配对改变其配对性质性质,进而改变进而改变DNADNA结构的化合物结构的化合物.亚硝酸（亚硝酸（nitrous acid HNOnitrous acid HNO2 2）羟氨（羟氨（hydroxylamine HAhydroxylamine HA）甲磺酸乙酯（甲磺酸乙酯（ethyl mathanesulfonate EMSethyl mathanesulfonate EMS）N-N-甲基甲基-N-N-硝基硝基-N-N-亚硝基胍亚硝基胍 （N-mathyl-NN-mathyl-N-nitro-N-nitr
5、osoguanidion -nitro-N-nitrosoguanidion NNGNNG）10第10页/共53页 （a）亚硝酸修饰G、C、A；（b）羟基修饰C；（c）甲基磺酸乙酯修饰T（引自Russell,1992）.11第11页/共53页3、嵌入染料对DNA的损伤作用吖啶橙(Acridine Orange AO)扁平染料分子溴化乙锭(Ethidium Bromide EB)-ATTTTTCG-TAAAAAGC-A TTTCG-T AAAGC-TAO T-AT EB TTTTCG-TA分子插入AOEB-ATTTCG-TAAAGC-ATXTTTTCG-TAX AAAAGC-XAAAAGC-结果
6、产生移框突变12第12页/共53页二、二、DNADNA损伤的类型损伤的类型DNA分子中的碱基、核糖和磷酸二酯键等均是DNA损伤作用的靶点。常见的损伤有:碱基脱落、碱基破坏、嘧啶二聚体形成、单链和双链DNA断裂、DNA交联、DNA-蛋白质交联等。13第13页/共53页（一）碱基和核糖的破坏由于碱基或者核糖的损伤，在DNA链上形成不稳定位点，最终可导致DNA链的断裂。14第14页/共53页15第15页/共53页 DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。1.转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。2.颠换（
7、二）错配（二）错配16第16页/共53页镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)亚基亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链肽链CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb(HbA)亚基亚基N-val his leu thr pro glu glu C 肽链肽链CTC GAG基因基因17第17页/共53页（三）DNA链断裂磷酸二酯键的断裂和脱氧戊糖的破坏是引起DNA链断裂的直接原因。碱基的破坏和脱落在DNA链上形成的不稳定位点是DNA链断裂的间接原因。单链断裂（SSB）：一条链断裂的DNA双股螺旋双链断裂（DSB）：两条链于同一处或紧密相邻处同时断裂。1
8、8第18页/共53页（四）DNA交联链间交联：DNA双螺旋链上一条链上的碱基和另一条链上的碱基以共价键结合链内交联：DNA分子中同一条链内的两个碱基以共价键结合DNA蛋白质交联：DNA和蛋白质以共价键结合19第19页/共53页第二节第二节 DNADNA损伤的修复损伤的修复DNA损伤的修复：指纠正错配的碱基，清除DNA链上的损伤，恢复DNA正常结构的过程。常见的DNA修复方式：直接修复、切除修复、错配修复和重组修复20第20页/共53页(一）直接修复直接修复 细胞对DNA的某些损伤可以用很简单的方式加以修复在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成。这种修复方式叫直接修复。包括：酶光学复活、嘌呤
9、的直接插入、O6甲基鸟嘌呤DNA甲基转移、单链断裂重接等。21第21页/共53页1）、酶学光复活（photo reactivation）-TT-AA-PR PR-TT-AA-TT-AA-可见光激活识别-TT-AA-释放22第22页/共53页烷基化碱基可以直接修复23第23页/共53页2 2）嘌呤的直接插入 嘌呤插入酶嘌呤插入酶 受损嘌呤受损嘌呤APSAPS 插入嘌呤（糖苷键）插入嘌呤（糖苷键）嘌呤插入酶嘌呤插入酶K+24第24页/共53页3）DNA单链断裂重接 DNA单链断裂中有一部分是通过简单的重接而修复的，只需要一种酶DNA连接酶(ligase)参加，因此也属于直接修复。DNA连接酶能催化
10、DNA双螺旋结构中一条链缺口处的5磷酸根与相邻的一个3羟基形成磷酸二酯健。连接所需的能量ATP(如动物细胞)。25第25页/共53页26第26页/共53页将损伤的部位（或连同其附近的一定部位）切除，然后用正确配对的、完好的碱基替代修复。有多种酶和基因参与过程：识别（损伤位点）切除修复（补）连接酶和蛋白质酶和蛋白质 DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA连接酶连接酶(二)、切除修复按照产物的不同可以分：碱基切除修复、核苷酸切除修复27第27页/共53页1)碱基切除：特点是切除受损伤的碱基。主要过程是水解受损伤的碱基与脱氧核糖磷酸链之间的N糖苷键。反应由一类糖基化酶催化。也即：糖基化酶APS内、外切
11、酶去除残基以对侧链为模板修补DNA连接酶连接整个修复过程可分以下几步。28第28页/共53页DNADNA糖苷酶糖苷酶识别切除改变的碱基识别切除改变的碱基 核酸内切酶核酸内切酶切除磷酸二酯键切除磷酸二酯键 DNADNA聚合酶聚合酶填补填补 DNADNA连接酶连接连接酶连接29第29页/共53页2.2.识别的酶：识别的酶：（1 1）一类一类DNADNA糖苷酶，各具特异性糖苷酶，各具特异性 e.g.e.g.尿嘧啶尿嘧啶DNADNA糖苷酶糖苷酶识别识别DNADNA中的中的U U （由（由C C突变而来）突变而来）（2 2）作用：）作用：识别识别-DNA-DNA中改变的碱基中改变的碱基水解水解-受损的碱
12、基与脱氧核糖间的受损的碱基与脱氧核糖间的糖苷键糖苷键 使受损的碱基使受损的碱基脱落脱落30第30页/共53页31第31页/共53页Ecoli的核苷酸切除修复机理。在Ecoli中，UvrA，UvrB，UvrC三种蛋白必须同时存在才能发挥作用，所以也叫UvrABC切除核酸酶。UvrA是一种腺苷三磷酸酶，是损伤识别蛋白。它与UvrB 结合成A2B1复合物，结合在损伤区，使DNA解旋、扭曲，并引起UvrB构象改变，与损伤部位形成紧密的结合。然后UvrA与UvrBDNA复合物解离，后者成为UvrC特异结合靶。UvrB 在损伤的3侧作一内切，随而复合物构象改变，UvrC 得以在5侧作第二个切口。解旋酶(U
13、vrD)使寡聚核苷酸片段及UvrC从DNA链上释放，然后DNA聚合酶取代UvrB。修补缺损区；最后由连接酶连接补片。2）.核苷酸切除32第32页/共53页33第33页/共53页34第34页/共53页当DNA双链发生严重损伤时需要另一种机理来完成正确的修复。一种情况是两条链同时受到损伤；另一种情况是单链损伤尚未修复时发生了复制，造成对应于损伤位置的新链缺乏正确模板；此时需要重组酶系将另一段未受损伤的双链DNA移到损伤位置附近，提供正确的模板，进行重组。这便是重组修复。（三）重组修复35第35页/共53页 重组修复(链转移修复)复制后修复 容易出错 RecA,DNApolymerae ligase
14、二聚体后起始 RecA 聚合酶、连接酶重组修复后的损伤位点可由其它机制进一步修复36第36页/共53页DNA mismatch+-A-C-DNApol(=10-8)经第二次校正=10-11错配修复系统(MRSMismatch RepairSystem)错配修复:碱基切除修复的一种特殊形式.使复制的保真性提高102103倍（四）、错配修复37第37页/共53页错配修复系统（Mismatch repair system）DNA polymeraseHelicase SSB 外切核酸酶(和)连接酶MCE(mismatch correct enzyme)3 subunits mutH,L,S 扫描新生
15、链中错配碱基识别新生链中非 m6A 的GATC序列酶切含错配碱基的新生DNA区段（1 1）组成38第38页/共53页 DNADNA合成过程中的甲基化变化DNA中的GATC(palindromic seq.)为m6A甲基化敏感位点平均每2kb左右有一GATC seq.错配修复系统受甲基化的引导39第39页/共53页 甲基化程度的差异甲基化程度的差异a、MutH/MutS 扫描识别错配扫描识别错配 碱基和邻近的碱基和邻近的GATC序列序列 切点甲基化切点甲基化GATC中中 G的的5侧侧 DNA helicase II,SSB,exonuclease I去除包括错去除包括错 配碱基的片段配碱基的片段
16、 DNA polymerase III 和和 DNA ligase 填充缺口填充缺口昂贵的代价用于保证昂贵的代价用于保证DNADNA的准确性的准确性（2 2）修复过程修复过程 40第40页/共53页（五）.易错修复（SOS修复 SOS repair）“SOS”是国际上通用的紧急呼救信号。SOS修复是指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复(errorprone repair)，使细胞有较高的突变率。此系统由十几个修复蛋白组成。调控蛋白LexA参与此系统的启动。41第41页/共5
17、3页（2）SOS 修复机制 SOS 修复无模板指导的DNA复制 大剂量的紫外线照射，大量的二聚体产生 SOS系统诱导，错误潜伏的复制超越二聚体而进行错误碱基42第42页/共53页 SOS 修复只是SOS反应的一部分 RecA在SOS反应反应中起核心作用 RecA与LexA组成调控环路DNA 损伤 SOS RecA RecA受受LexALexA的的部分抑制部分抑制43第43页/共53页RecA-P;三种功能a、DNA 重组活性b、与S.S.DNA结合活性c、少数蛋白的proteinase活性当DNA正常复制时（无复制受阻，无DNA损伤，无TT dimer）RecA-p不表现proteinase活
18、性44第44页/共53页当DNA复制受阻/DNA damaged细胞内原少量表达的RecA-p与S.S,DNA结合激活RecA-p的proteinase活性修复损伤LexA-p降解RecA-p高效表达 SOS open45第45页/共53页当DNA复制度过难关后SOS repair 是一种错误倾向性极强的修复机制是进化中形成的是进化中形成的“竭尽全力，治病救人竭尽全力，治病救人”的措施的措施（正常状态下，（正常状态下，SOS是关闭的）是关闭的）RecA-p很快消失LexA gene onSOS off46第46页/共53页二、参与DNA修复的主要基因DNA修复相关基因：直接参与DNA修复的基因
19、 DNA修复调控相关的基因47第47页/共53页第三节 生物标记物可作为DNA损伤和修复的参考标记1.甲基化损伤修复相关基因的突变可作为甲基化损伤的基因型标记物。MGMT突变可以作为甲基化损伤的基因型标记物。2.切除修复相关的酶和基因可作为切除修复的生物标记物。大肠杆菌Uvr基因家族，人ecrr基因。3.错配修复相关基因可作为检测错配修复功能的标记物。4.DNA聚合物突变可以为碱基切除修复功能缺陷的标记物。该酶的突变导致碱基切除修复功能的缺陷。48第48页/共53页5.Ku蛋白和Rad52蛋白缺陷可作为重组修复缺陷的标记物。6.微生物DNA损伤修复也有相应的生物标记物。如RecA蛋白。7.特异的代谢酶和代谢产物也可作为生物标记物，如细胞色素P450。8.DNA加和物也可作为修复功能的生物标记物。49第49页/共53页返回目录返回主页50第50页/共53页返回目录返回主页51第51页/共53页返回目录返回主页下一页52第52页/共53页53感谢您的观看。第53页/共53页