DNA的損傷和修復

1、DNA,的損傷和修復,南華大學心血管疾病研究所,動脈硬化學湖南省重點實驗室,1,DNA,的損傷和修復,Mutagen,誘變劑,完全修復,DNA,損傷,堿基的化學反應,損傷的修復,不能有效修復,不完全修復,凋亡,畸變,回復正常,2,誘發(fā),DNA,損傷的因素,環(huán)境因素,輻射、化學毒物、藥物、病毒感染、植物,和微生物代謝產(chǎn)物等,生理因素,機體代謝過程中產(chǎn)生的有毒物質(zhì),DNA,復,制錯配,DNA,本身的熱不穩(wěn)定性,第一節(jié),多種因素可引起,DNA,損傷,并具有各自的機制,3,一）輻射致,DNA,損傷,根據(jù)作用原理的不同,電離輻射（粒子，粒子，射線，射線等,直接作用：能量直接傳遞給大分子而引起結構的破壞,

2、間接作用：輻射先作用于溶劑分子而產(chǎn)生活性物質(zhì)從,而導致細胞損傷,非電離輻射（紫外線以及能量低于紫外線的電磁輻射,一,DNA,損傷的因素及其機制,4,返回目錄,返回主頁,5,紫外線的致?lián)p傷作用,6,二）自由基致,DNA,損傷,自由基：指能夠獨立存在，核外帶有未配對電子的原子和分子,自由基的產(chǎn)生可以是外界因素與體內(nèi)物質(zhì)共同作用的結果,自由基可導致堿基、核糖、磷酸基的損傷，引起,DNA,的結構和,功能異常,7,三）化學毒物致,DNA,損傷,按其作用原理可分為,堿基類似物,堿基修飾物,嵌入染料,8,1,堿基類似物,Base analog,2,氨基嘌呤,2-Amino purine,5,溴尿嘧啶,5-B

3、romine Uracil,O,O,Br,NH,2,是指與,DNA,正常堿基結構類似的化合物,在,DNA,復制時摻入并與,互補鏈上堿基配對,從而引起堿基對的置換,9,5-BrU,G,A,烯醇式,enol,Br,O,H,H,O,Br,酮式,Keto,H,O,AGCT,T,CCTA,TCGA,A,GGAT,AGCT,B,CCTA,TCGA,A,GGAT,酮式,5-BrU,的滲入,AGCT,B,CCTA,TCGA,A,GGAT,AGCT,C,CCTA,TCGA,G,GGAT,第二輪復制,A,T,G,C,轉(zhuǎn)變,AGCT,B,CCTA,TCGA,G,GGAT,AGCT,T,CCTA,TCGA,A,GGA

4、T,第一輪復制,酮式到稀醇,式的轉(zhuǎn)變,烯醇式滲入為,G,C,A,T,轉(zhuǎn)變,10,2,堿基的化學修飾劑,又稱化學突變劑：指對,DNA,鏈中的堿基的修飾,改變其配,對性質(zhì),進而改變,DNA,結構的化合物,亞硝酸,nitrous acid HNO,2,羥氨,hydroxylamine HA,甲磺酸乙酯,ethyl mathanesulfonate EMS,N,甲基,N,硝基,N,亞硝基胍,N-mathyl-N,nitro-N-nitrosoguanidion,NNG,11,a,亞硝酸修飾,G,C,A,b,羥基修飾,C,c,甲基磺酸乙酯修飾,T,引自,Russell,1992,12,3,嵌入染料對,D

5、NA,的損傷作用,吖啶橙,Acridine Orange,AO,扁平染料分子,溴化乙錠,Ethidium Bromide,EB,ATTTTTCG,TAAAAAGC,A TTTCG,T AAAGC,T,AO,T,AT,EB,TTTTCG,TA,分子插入,AO,EB,ATTTCG,TAAAGC,ATXTTTTCG,TAX,AAAAGC,X,AAAAGC,結果產(chǎn)生移框突變,13,二,DNA,損傷的類型,DNA,分子中的堿基、核糖和磷酸二酯鍵等均是,DNA,損傷作用的,靶點,常見的損傷有,堿基脫落、堿基破壞、嘧啶二聚體形成、單鏈和,雙鏈,DNA,斷裂,DNA,交聯(lián),DNA,蛋白質(zhì)交聯(lián)等,14,一,堿基

6、和核糖的破壞,由于堿基或者核糖的損傷，在,DNA,鏈上形成不穩(wěn)定位點,最終可導致,DNA,鏈的斷裂,15,16,DNA,分子上的堿基錯配稱點突變,point mutation,發(fā)生在同型堿基之間，即嘌呤代替另一嘌呤,或嘧啶代替另一嘧啶,1,轉(zhuǎn)換,發(fā)生在異型堿基之間，即嘌呤變嘧啶或嘧啶,變嘌呤,2,顛換,二）錯配,17,鐮形紅細胞貧血病人,Hb (HbS,亞基,N-val,his,leu,thr,pro,val,glu,C,肽鏈,C,A,C,G,T,G,基因,正常成人,Hb (HbA,亞基,N-val,his,leu,thr,pro,glu,glu,C,肽鏈,C,T,C,G,A,G,基因,18,

7、三,DNA,鏈斷裂,磷酸二酯鍵的斷裂和脫氧戊糖的破壞是引起,DNA,鏈斷裂,的,直接,原因,堿基的破壞和脫落在,DNA,鏈上形成的不穩(wěn)定位點是,DNA,鏈斷裂的,間接,原因,單鏈斷裂,SSB,：一條鏈斷裂的,DNA,雙股螺旋,雙鏈斷裂,DSB,：兩條鏈于同一處或緊密相鄰處同時斷,裂,19,四,DNA,交聯(lián),鏈間交聯(lián),DNA,雙螺旋鏈上一條鏈上的堿基和另一條鏈,上的堿基以,共價鍵,結合,鏈內(nèi)交聯(lián),DNA,分子中同一條鏈內(nèi)的兩個堿基以,共價鍵,結合,DNA,蛋白質(zhì)交聯(lián),DNA,和蛋白質(zhì)以,共價鍵,結合,20,第二節(jié),DNA,損傷的修復,DNA,損傷的修復,指糾正錯配的堿基，清除,DNA,鏈上的,損

8、傷，恢復,DNA,正常結構的過程,常見的,DNA,修復方式：直接修復、切除修復、錯配修復,和重組修復,21,一）直接修復,直接修復,細胞對,DNA,的某些損傷可以用很簡單的方式加以修,復在,單一基因產(chǎn)物,的催化下，一步反應就可以完成。這種,修復方式叫,直接修復,包括：酶光學復活、嘌呤的直接插入,O,6,甲基鳥嘌呤,DNA,甲基轉(zhuǎn)移、單鏈斷裂重接等,22,1,酶學光復活,photo reactivation,TT,AA,PR,PR,TT,AA,TT,AA,可見光激活,識別,TT,AA,釋放,23,烷基化堿基可以直接修復,24,2,嘌呤的直接插入,嘌呤插入酶,受損嘌呤APS,插入嘌呤（糖苷鍵,嘌呤

9、插入酶,K,25,3,DNA,單鏈斷裂重接,DNA,單鏈斷裂中有一部分是通過簡單的重接而修,復的，只需要一種酶,DNA,連接酶,ligase,參加,因此也屬于直接修復,DNA,連接酶能催化,DNA,雙螺旋結構中一條鏈缺口處,的5磷酸根與相鄰的一個3羥基形成磷酸二酯健,連接所需的能量,ATP,如動物細胞,26,27,將損傷的部位（或連同其附近的一定部位）切,除，然后用正確配對的、完好的堿基替代修復,有多種酶和基因參與,過程：識別（損傷位點,切除,修復（補,連接,酶和蛋白質(zhì),DNA,聚合酶,DNA,連接酶,二,切除修復,按照產(chǎn)物的不同可以分,堿基切除修復,核苷酸切除修復,28,1,堿基切除,特點是

10、切除受損傷的堿基。主要過程是水解受損,傷的堿基與脫氧核糖磷酸鏈之間的,N,糖苷鍵。反應,由一類糖基化酶催化,也即：糖基化酶APS內(nèi)、外切酶去除殘基以對,側(cè)鏈為模板修補DNA連接酶連接,整個修復過程可分以下幾步,29,DNA,糖苷酶識別切除改變的堿基,核酸內(nèi)切酶切除磷酸二酯鍵,DNA,聚合酶填補,DNA,連接酶連接,30,2,識別的酶,1,一類,DNA,糖苷酶，各具特異性,e.g,尿嘧啶,DNA,糖苷酶,識別,DNA,中的,U,由,C,突變而來,2,作用,識別,DNA,中改變的堿基,水解,受損的堿基與脫氧核糖間的,糖苷鍵,使受損的堿基,脫落,31,32,E,coli,的核苷酸切除修復機理,在,E

11、,coli,中,UvrA,UvrB,UvrC,三種蛋白必須同時存在才能發(fā),揮作用，所以也叫,UvrABC,切除核酸酶,UvrA,是,一種腺苷三磷酸酶，是,損傷識別蛋白,它與,UvrB,結合成,A,2,B,1,復合物，結合在損傷區(qū)，使,DNA,解旋、扭曲，并引起,UvrB,構象改變，與損傷部位形成緊密的結合,然后,UvrA,與,UvrB,DNA,復合物解離，后者成為,UvrC,特異結合,靶,UvrB,在損傷的3側(cè)作一內(nèi)切，隨而復合物構象改變,UvrC,得以在5側(cè)作第二個切口,解旋酶,UvrD)使寡聚核苷酸片段及,UvrC,從,DNA,鏈上釋放，然,后,DNA,聚合酶取代,UvrB,修補缺損區(qū)；最

12、后由連接酶連接補,片,2,核苷酸切除,33,34,35,當,DNA,雙鏈發(fā)生嚴重損傷時需要另一種機理來完成正,確的修復,一種情況是,兩條鏈同時受到損傷,另一種情況是單鏈,損傷尚未修復時發(fā)生了復制，造成對應于損傷位置的,新鏈缺乏正確模板；此時需要重組酶系將另一段未受,損傷的雙鏈,DNA,移到損傷位置附近，提供正確的模板,進行重組。這便是重組修復,三,重組修復,36,重組修復,鏈轉(zhuǎn)移修復,復制后修復,容易出錯,RecA, DNApolymerae,ligase,二聚體后起始,RecA,聚合酶、連接酶,重組修復后的損傷位點可,由其它機制進一步修復,37,DNA mismatch,A,C,DNApol

13、,10,8,經(jīng)第二次校正,10,11,錯配修復,系統(tǒng),MRS,Mismatch,Repair,System,錯配修復,堿基切除修復的一種特殊形式,使復制的保真性提高,10,2,10,3,倍,四）、錯配修復,38,錯配修復系統(tǒng),Mismatch repair system,DNA polymerase,Helicase SSB,外切核酸酶,和,連接酶,MCE,mismatch correct enzyme,3 subunits,mutH, L, S,掃描新生鏈中錯配堿基,識別新生鏈中非,m,6,A,的,GATC,序列,酶切含錯配堿基的新生,DNA,區(qū)段,1,組成,39,DNA,合成過程中的甲基化

14、變化,DNA,中的,GATC(palindromic seq.,為,m,6,A,甲基化敏感位點,平均每,2kb,左右有一,GATC seq,錯配修復系統(tǒng)受甲基化的引導,40,甲基化程度的差異,a,MutH/MutS,掃描識別錯配,堿基和鄰近的,GATC,序列,切點甲基化,GATC,中,G,的,5,側(cè),DNA helicase II, SSB,exonuclease I,去除包括錯,配堿基的片段,DNA polymerase III,和,DNA ligase,填充缺口,昂貴的代價用于保證,DNA,的準確性,2,修復過程,41,五,易錯修復,SOS,修復,SOS repair,SOS”是國際上通用

15、的緊急呼救信號,SOS,修復是指,DNA,受到,嚴重損傷、細胞處于危急狀態(tài)時所誘導的一種,DNA,修復方式，修,復結果只是能維持基因組的完整性，提高細胞的生成率，但留下,的錯誤較多，故又稱為錯誤傾向修復,error,prone repair,使,細胞有較高的突變率,此系統(tǒng)由十幾個修復蛋白組成。調(diào)控蛋白,LexA,參與此,系統(tǒng)的啟動,42,2,SOS,修復機制,SOS,修復無模板指導的,DNA,復制,大劑量的紫外線照射，大量的二聚體產(chǎn)生,SOS,系統(tǒng)誘導，錯誤潛伏的復,制超越二聚體而進行,錯誤堿基,43,SOS,修復只是,SOS,反應的一部分,RecA,在,SOS,反應,反應中起核心作用,Rec

16、A,與,LexA,組成,調(diào)控環(huán)路,DNA,損傷,RecA,受,LexA,的,部分抑制,44,RecA-P,三種功能,a,DNA,重組活性,b,與,S.S. DNA,結合活性,c,少數(shù)蛋白的,proteinase,活性,當,DNA,正常復制時,無復制受阻，無,DNA,損傷,無,TT dimer,RecA-p,不表現(xiàn),proteinase,活性,45,當,DNA,復制受阻,DNA damaged,細胞內(nèi)原少量表達的,RecA-p,與,S.S, DNA,結合,激活,RecA-p,的,proteinase,活性,修復損傷,LexA-p,降解,RecA-p,高效表達,SOS open,46,當,DNA,復制度過難關后,SOS repair,是一種錯誤傾向性極強的修復機制,是進化中形成的,竭盡全力，治病救人,的措施,正常狀態(tài)下,SOS,是關閉的,RecA-p,很快消失,LexA gene on,SOS off,47,二、參與,DNA,修復的主要基因,DNA,修復相關基因,直接參與,DNA,修復的基因,DNA,修復調(diào)控相關的基因,48,第三節(jié),生物標記物可作為,DNA,損傷,和修復的參考標記,1,甲基化損傷修復相關基因的突變可作為甲基化損傷的基因型,標記物,MGMT,突變可以作為甲基化損傷的基因型標記物,2,切除修復相關的酶和基因可作為切除修復的生物標記物。大,腸桿菌,Uvr