DNA损伤和损伤修复.ppt

第13章 DNA损伤和损伤修复第一节 DNA损伤第二节 DNA损伤修复第三节 DNA损伤及其修复的意义重点难点熟悉了解掌握直接修复、切除修复、重组修复和跨越损伤修复等直接修复、切除修复、重组修复和跨越损伤修复等DNADNA损伤修损伤修复途径。复途径。不仅不仅DNADNA损伤，损伤，DNADNA损伤修复障碍同样与肿瘤、衰老以及免疫损伤修复障碍同样与肿瘤、衰老以及免疫性疾病等多种疾病的发生密切关联性疾病等多种疾病的发生密切关联1 1）DNADNA损伤损伤的类型；的类型；2 2）究竟有哪些）究竟有哪些因素因素可引发可引发DNADNA损伤损伤；3 3）体外因素是通过体内因素引发体外因素是通过体内因素引发DNADNA损伤的。损伤的。DNA损伤第一节一.多种因素通过不同机制导致DNA损伤二.DNA损伤有多种类型一.多种因素通过不同机制导致DNA损伤DNADNA损伤的定义损伤的定义各各种种体体内内外外因因素素所所导导致致的的DNADNA组组成成与与结结构构的的变变化化称称为为DNADNA损损伤（伤（DNA damageDNA damage）DNADNA损伤诱发因素损伤诱发因素损伤诱发因素损伤诱发因素体内因素体内因素体内因素体内因素体外因素体外因素体外因素体外因素DNADNA短重复序列（复制打滑）短重复序列（复制打滑）短重复序列（复制打滑）短重复序列（复制打滑）DNADNA本身的热不稳定性本身的热不稳定性本身的热不稳定性本身的热不稳定性环境辐射环境辐射环境辐射环境辐射化学毒物化学毒物化学毒物化学毒物药物药物药物药物病毒感染病毒感染病毒感染病毒感染其他生物代谢物其他生物代谢物其他生物代谢物其他生物代谢物碱基异构互变碱基异构互变碱基异构互变碱基异构互变4 4种种种种dNTPdNTP浓度不平衡浓度不平衡浓度不平衡浓度不平衡机体自身代谢物机体自身代谢物机体自身代谢物机体自身代谢物物理和化学因素物理和化学因素引发引发DNADNA的损伤的损伤X低波长紫外线照射致使胸腺嘧啶二聚体形成低波长紫外线照射致使胸腺嘧啶二聚体形成二.DNA损伤有多种类型DNADNA损伤的类型损伤的类型损伤的类型损伤的类型碱基损伤碱基损伤碱基损伤碱基损伤DNADNA断裂断裂断裂断裂DNADNA交联交联交联交联碱基错配碱基错配碱基错配碱基错配糖基破坏糖基破坏糖基破坏糖基破坏碱基损伤碱基损伤碱基损伤碱基损伤化化学学毒毒性性分分子子通通过过对对碱碱基基的的某某些些基基团团进进行行修修饰饰，改改变变碱碱基基的的理理化化性性质质，破破坏坏碱碱基基的的结结构构。比比如如，亚亚硝硝酸酸等等可可导导致致碱碱基基脱脱氨氨；在在羟羟自自由由基基的的攻攻击击下下，嘧嘧啶啶碱碱基基易易发发生生加加成成、抽抽氢氢等等反反应应，导导致致碱碱基基环环破破裂裂；具具有有氧氧化化活活性性的的物物质质可可造造成成DNADNA中中嘌嘌呤呤或或嘧嘧啶啶碱碱基基的的氧氧化化修修饰饰，形形成成8-8-羟羟基基脱脱氧氧鸟鸟苷苷或或6-6-甲甲基尿嘧啶等氧化代谢产物。基尿嘧啶等氧化代谢产物。脱氧鸟苷脱氧鸟苷脱氧鸟苷脱氧鸟苷的氧化的氧化的氧化的氧化糖基破坏糖基破坏糖基破坏糖基破坏DNADNA分分子子中中的的戊戊糖糖基基的的碳碳原原子子和和羟羟基基上上的的氢氢可可能能与与自自由由基基反应，由此戊糖基的正常结构被破坏。反应，由此戊糖基的正常结构被破坏。碱基错配碱基错配碱基错配碱基错配碱碱基基类类似似物物的的掺掺入入、碱碱基基修修饰饰剂剂的的作作用用可可改改变变碱碱基基的的性性质质，导致导致DNADNA序列中的错误配对。序列中的错误配对。在在正正常常的的DNADNA复复制制过过程程中中，存存在在着着一一定定比比例例的的自自发发的的碱碱基基错错配配发发生生，最最常常见见的的是是组组成成RNARNA的的尿尿嘧嘧啶啶替替代代胸胸腺腺嘧嘧啶啶掺掺入到入到DNADNA分子中。分子中。DNADNA断裂断裂断裂断裂DNADNA断裂断裂包括包括DNADNA单链断裂单链断裂和和DNADNA双链双链断裂。断裂。DNADNA链断裂是电离辐射致链断裂是电离辐射致DNADNA损伤的主要形式。损伤的主要形式。某些化学毒剂也可导致某些化学毒剂也可导致DNADNA链断裂。链断裂。碱基损伤碱基损伤和和戊糖戊糖基基破坏破坏均均是引起是引起DNADNA断裂的原因。断裂的原因。DNADNA交联交联交联交联DNADNA损伤中有多种损伤中有多种DNADNA交联形式。交联形式。DNADNA分分子子中中同同一一条条链链中中的的两两个个碱碱基基以以共共价价键键结结合合，称称为为DNADNA链链内内交交联联（DNA DNA intrastrandintrastrand cross-linkingcross-linking）。低低波波长长紫紫外外线线照照射后形成的嘧啶二聚体就是射后形成的嘧啶二聚体就是DNADNA链内交联的最典型的例子。链内交联的最典型的例子。DNADNA分分子子一一条条链链上上的的碱碱基基与与另另一一条条链链上上的的碱碱基基以以共共价价键键结结合合，称为链间交联（称为链间交联（DNA DNA interstrandinterstrand cross-linking cross-linking）。）。DNADNA分分子子还还可可与与蛋蛋白白质质以以共共价价键键结结合合，称称为为DNA-DNA-蛋蛋白白质质交交联联（DNA protein cross-linkingDNA protein cross-linking）。）。DNA损伤修复第二节一.直接修复二.切除修复一.重组修复二.跨越损伤修复400nm光子光子 次甲四氢叶酸次甲四氢叶酸 FADH2 T-TT+T嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复甲基化碱基的直接修复甲基化碱基的直接修复甲基化碱基的直接修复甲基化碱基的直接修复突变的结果突变的结果突变的结果突变的结果DNA复制复制DNA复制复制6-O-6-O-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤修复的结果修复的结果修复的结果修复的结果带有活性带有活性SHSH基团的甲基转移基团的甲基转移酶结合在甲基化的碱基部位酶结合在甲基化的碱基部位甲甲基基转转移移酶酶将将甲甲基基结结合合在在 自自 身身 S SH H 上上，完完成成修修复复甲甲基基化化后后失失活活的的甲甲基基转转移移酶酶DNADNA连接酶连接酶5 5 3 35 5 3 3单链断裂切口的直接修复单链断裂切口的直接修复单链断裂切口的直接修复单链断裂切口的直接修复二.切除修复碱基切除修复DNADNA糖苷酶特糖苷酶特异性识别并水异性识别并水解受损碱基解受损碱基，产生产生APAP位点位点APAP位位点点的的形形成成机机制制核苷酸切除修复核苷酸切除修复核苷酸切除修复核苷酸切除修复着色性干皮病（着色性干皮病（xerodermaxeroderma pigmentosumpigmentosum，XPXP）Autosomal recessive Autosomal recessive 着色性干皮病相关基因，着色性干皮病相关基因，着色性干皮病相关基因，着色性干皮病相关基因，XPAXPA、XPCXPC、XPDXPD、XPFXPF和和和和XPGXPG编码蛋白参与核苷酸编码蛋白参与核苷酸编码蛋白参与核苷酸编码蛋白参与核苷酸切除修复系统。切除修复系统。切除修复系统。切除修复系统。基因名称基因名称基因定位基因定位编码蛋白大小编码蛋白大小aaaa编码蛋白定位编码蛋白定位编码蛋白的主要功能编码蛋白的主要功能XPA9q22.3273细胞核可能结合受损DNA，为修复复合体其他因子到达DNA受损部位指示方向XPB2q21782细胞核在DNA切除修复中，发挥解螺旋酶的功能XPC3p25940细胞核可能是受损DNA识别蛋白XPD19q13.3760细胞核转录因子TFH的一个亚单位，与XPB一起，在受损DNA修复中，发挥解螺旋酶功能XPE11q12-1311p11-121140427细胞核主要结合受损DNA的嘧啶二聚体XPF16p13.12905细胞核结构专一性DNA修复核酸内切酶，在DNA损伤切除修复中，在受损DNA的5端切口XPG13q331186细胞核镁依赖的单链核酸内切酶，在DNA损伤切除修复中，在受损DNA的3端切口人类人类XPXP相关的相关的DNADNA损伤核苷酸切除修复系统缺陷基因损伤核苷酸切除修复系统缺陷基因转录偶联修复转录偶联修复核苷酸切除修复不仅能够修复整个基因组中的损伤，而且还能够修复那些正在转录的基因的模板链上的损伤，后者又称为转录偶联修复。在转录偶联修复中，由RNA聚合酶承担起识别损伤部位的任务。三.重组修复XRCCXRCCRad51RPARPANbsNbs55555553333335555555555555555533333333333335353333331 12 23 34 45 5DNADNA双联断裂损伤部位双联断裂损伤部位DNADNA末端加工末端加工链交换链交换DNADNA合成合成新合成的新合成的DNADNA链连接，交叉分离链连接，交叉分离Rad50Rad50MreMreRad52Rad52Rad51B/Rad51C/Rad51DRad51B/Rad51C/Rad51DXRCC2/XRCC3XRCC2/XRCC3同同源源重重组组修修复复注释注释：由黑色与灰色线条组成的DNA双链为断裂损伤的DNA双链。由深蓝色与浅蓝色线条组成的DNA双链为完好DNA双链，与断裂损伤的DNA双链序列同源左图D，两个方向的重组合成的DNA中，只有右侧的酶或相关蛋白被标示出来。左图E,红色线条框所示的四条DNA单链的交叉互补中，灰色的DNA单链与浅蓝色的DNA单链互补，后者是前者合成的模版；黑色的DNA单链与深蓝色的DNA单链互补，同样后者是前者合成的模版。F FB BC CD DE EA ADNADNA末端加工末端加工非同源末端连接的重组修复非同源末端连接的重组修复双链断裂损伤的双链断裂损伤的双链断裂损伤的双链断裂损伤的DNADNADNADNA正常结构的正常结构的正常结构的正常结构的DNADNADNADNA（与损伤的（与损伤的（与损伤的（与损伤的DNADNADNADNA非同源）非同源）非同源）非同源）DNA-PKcsDNA-PKcsKuKu四.跨越损伤修复p正正在在复复制制的的DNA聚聚合合酶酶遭遭遇遇尚尚未未修修复复的的DNA损损伤伤，细细胞胞自自动动防防故故障障系系统统能能够够使使复复制制体体绕过损伤部位继续复制，这一机制即跨越损伤修复。绕过损伤部位继续复制，这一机制即跨越损伤修复。p跨越损伤修复包括重组跨越损伤修复和合成跨越损伤修复。跨越损伤修复包括重组跨越损伤修复和合成跨越损伤修复。p大大肠肠杆杆菌菌重重组组跨跨越越损损伤伤修修复复，当当复复制制进进行行到到损损伤伤部部位位时时，DNA聚聚合合酶酶停停止止向向前前移移动动，脱脱离离受受损损的的DNA模模版版，在在受受损损DNA部部位位下下游游重重新新启启动动复复制制。在在新新合合成成的的子子链链DNA上上的的缺口，通过重组机制修复。缺口，通过重组机制修复。p大肠杆菌合成跨越损伤修复，其损伤部位大肠杆菌合成跨越损伤修复，其损伤部位DNA的合成是由新的的合成是由新的DNA聚合酶聚合酶或或完成。完成。p合合成成跨跨越越损损伤伤修修复复种种，跨跨越越损损伤伤的的新新的的DNA聚聚合合酶酶虽虽然然依依赖赖模模板板，但但不不依依赖赖于于碱碱基基互互补配对，故合成差错率较高。补配对，故合成差错率较高。p跨跨越越损损伤伤修修复复是是DNA损损伤伤修修复复的的最最后后一一种种手手段段，其其重重组组酶酶或或DNA聚聚合合酶酶在在应应答答DNA损损伤时被诱导表达。伤时被诱导表达。重重组组跨跨越越损损伤伤修修复复RecARecARecARecA等，重组填补缺口等，重组填补缺口等，重组填补缺口等，重组填补缺口跨越损伤跨越损伤跨越损伤跨越损伤继续复制继续复制继续复制继续复制以未受损链以未受损链以未受损链以未受损链为模板复制为模板复制为模板复制为模板复制受损部位受损部位受损部位受损部位以损伤链为模板复制以损伤链为模板复制以损伤链为模板复制以损伤链为模板复制合成跨越损伤修复合成跨越损伤修复Pol 或或SOS修修 复复 中中LexA-RecA操操 纵纵 子子 的的作作 用用 机机 制制 LexALexA基因基因RecARecA基因基因可诱导基因可诱导基因DNADNA损伤部位损伤部位DNADNA损伤部位损伤部位DNADNA大范围损伤部位大范围损伤部位DNA损伤及其修复的意义第三节一.DNA损伤具有双重效应二.DNA损伤修复障碍与多种疾病相关一、DNA损伤具有双重效应一一是是给给DNADNA带带来来永永久久性性的的改改变变，即即突突变变，可可能能改改变变基基因因的编码序列或者基因的调控序列。的编码序列或者基因的调控序列。二二是是DNADNA的的这这些些改改变变使使得得DNADNA不不能能用用作作复复制制和和转转录录的的模模板板，使细胞的功能出现障碍，重则死亡。使细胞的功能出现障碍，重则死亡。DNADNA损伤的生物学后果损伤的生物学后果二、DNA损伤修复缺陷与多种疾病相关DNADNA损伤修复缺陷与肿瘤的发生密切关联。损伤修复缺陷与肿瘤的发生密切关联。DNADNA损伤修复缺陷与遗传性疾病密切关联。损伤修复缺陷与遗传性疾病密切关联。DNADNA损伤修复缺陷与免疫性疾病密切关联。损伤修复缺陷与免疫性疾病密切关联。DNADNA损伤修复能力弱与生命衰老密切关联。损伤修复能力弱与生命衰老密切关联。DNADNA损伤修复系统缺陷有关的人类疾病损伤修复系统缺陷有关的人类疾病 类别类别易患疾病易患疾病修复系统缺陷修复系统缺陷 着色性干皮病着色性干皮病皮肤癌、黑色素瘤皮肤癌、黑色素瘤核苷酸切除修复核苷酸切除修复 遗传性非息肉性结肠癌遗传性非息肉性结肠癌结肠癌、卵巢癌结肠癌、卵巢癌错配修复错配修复，转录偶联修复转录偶联修复 遗传性乳腺癌遗传性乳腺癌乳腺癌、卵巢癌乳腺癌、卵巢癌同源重组修复同源重组修复 Bloom Bloom综合征综合征白血病、淋巴瘤白血病、淋巴瘤非同源末端连接重组修复非同源末端连接重组修复 范科尼贫血范科尼贫血再生障碍性贫血、白血病、生长迟缓再生障碍性贫血、白血病、生长迟缓重组跨越损伤修复重组跨越损伤修复 Cockyne Cockyne综合征综合征视网膜萎缩、侏儒、耳聋、早衰、对视网膜萎缩、侏儒、耳聋、早衰、对UVUV敏感敏感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 毛发硫营养不良症毛发硫营养不良症毛发易断、生长迟缓毛发易断、生长迟缓 核苷酸切除修复核苷酸切除修复生物多样性依赖于生物多样性依赖于DNADNA突变与突变与DNADNA修复之间的平衡修复之间的平衡DNADNA突变突变DNADNA修复修复平衡平衡DNA损伤是指各种体内外因素导致的DNA组成与结构上的变化，主要包括碱基或戊糖基的破坏、碱基错配、DNA单链或双链断裂、DNA链共价交联等。DNA复制中错配、DNA结构不稳定性、机体代谢中的有害活性分子等体内因素，可诱发DNA损伤；物理因素、化学因素和生物因素等体外因素也均可损伤DNA。DNA损伤具有双重生物学效应。各种因素诱发的DNA结构改变是生物进化的基础；同时DNA的损伤也可使细胞功能出现障碍，与多种疾病相关。细胞拥有DNA损伤修复机制，可以修复DNA损伤，恢复DNA正常结构。这一机制对于维持DNA结构的完整性与稳定性，保证生命延续和物种稳定至关重要。细胞有直接修复、切除修复、重组修复和跨越损伤修复等DNA损伤修复途径。一种DNA损伤可通过多种途径修复，一种修复途径也可参与多种DNA损伤修复。DNA损伤修复缺陷与肿瘤、衰老以及免疫性疾病等密切相关。