十三章DNA的损伤修复.ppt
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1、十三章DNA的损伤修复 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望v第一节第一节 DNA损伤损伤v第二节第二节 DNA修复修复v第三节第三节 基因突变基因突变第一节第一节 DNA的损伤的损伤v DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息,因此维存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息,因此维护护DNA分子的完整性对细胞至关重要。分子的完整性对细胞至关重要。v在细胞中能进行修复的生物大分子也就只有在细胞中能进行修复的生物大分子也就只有DNA。v在生物进化中突变又是与
2、遗传相对立统一而普遍存在的现在生物进化中突变又是与遗传相对立统一而普遍存在的现象。象。1.自发性损伤自发性损伤1.1 DNA复制中的错误复制中的错误v碱基配对的错误频率约为碱基配对的错误频率约为10-4-10-5;vDNA聚合酶本身具有校对作用聚合酶本身具有校对作用:将不正确插入的核苷酸切:将不正确插入的核苷酸切除掉,重新加上正确的核苷酸。这样,每掺入一个核苷酸,除掉,重新加上正确的核苷酸。这样,每掺入一个核苷酸,发生错误的机会有发生错误的机会有10-8-10-10。1.2 碱基的自发性化学变化碱基的自发性化学变化a.碱基的异构互变碱基的异构互变vDNA中的中的4种碱基各自的异构体间自发地相互
3、变化种碱基各自的异构体间自发地相互变化(例如烯例如烯醇式与酮式碱基间的互变醇式与酮式碱基间的互变),使碱基配对间的氢键改变。,使碱基配对间的氢键改变。异构体间自发地相互变化异构体间自发地相互变化形成导致下一世代中形成导致下一世代中GC配对取代配对取代AT配对。配对。腺嘌呤的稀有互变异体与胞嘧啶腺嘌呤的稀有互变异体与胞嘧啶胸腺嘧啶的稀有互变异构体与鸟嘌呤胸腺嘧啶的稀有互变异构体与鸟嘌呤b.碱基的脱氨基碱基的脱氨基(deamination)作用作用 v碱基的碱基的环外氨基有时会自发脱落环外氨基有时会自发脱落,从而胞嘧啶会变成尿嘧,从而胞嘧啶会变成尿嘧啶、腺嘌呤会变成次黄嘌呤啶、腺嘌呤会变成次黄嘌呤
4、(H)、鸟嘌呤会变成黄嘌呤、鸟嘌呤会变成黄嘌呤(X)等。等。v胞嘧啶自发脱氨基的频率约为每个细胞每天胞嘧啶自发脱氨基的频率约为每个细胞每天190个。个。c.脱嘌呤脱嘌呤(depurination)与脱嘧啶与脱嘧啶v自发的水解自发的水解可使嘌呤和嘧啶从可使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落链的核糖磷酸骨架上脱落下来。下来。v一个哺乳类细胞一个哺乳类细胞37,20h内内DNA链自发脱落的嘌呤约链自发脱落的嘌呤约1000个、嘧啶约个、嘧啶约500个,个,v长寿命不复制繁殖的哺乳类细胞长寿命不复制繁殖的哺乳类细胞(如神经细胞如神经细胞)在整个生活期在整个生活期间自发脱嘌呤数约为间自发脱嘌呤数约为
5、108,约占细胞,约占细胞DNA中总嘌呤数的中总嘌呤数的3%。d.碱基修饰与链断裂碱基修饰与链断裂v细胞呼吸的副产物细胞呼吸的副产物O2、H2O2等会造成等会造成DNA损伤,能产生损伤,能产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物碱基修饰物,引起,引起DNA单链断裂单链断裂等损伤等损伤v每个哺乳类细胞每天每个哺乳类细胞每天DNA单链断裂发生的频率约为单链断裂发生的频率约为5万次万次。vDNA的甲基化的甲基化、结构的其他变化结构的其他变化等,这些损伤的积累可能等,这些损伤的积累可能导致老化。导致老化。2.物理因素引起的物理因素引起的DNA损伤损伤 2.1 紫外线引
6、起的紫外线引起的DNA损伤损伤v紫外线照射,同一条紫外线照射,同一条DNA链上相邻的嘧啶以链上相邻的嘧啶以共价键连成二共价键连成二聚体聚体,相邻的两个,相邻的两个T、或两个、或两个C、或、或C与与T间都可以环丁基环间都可以环丁基环(cyclobutane ring)连成二聚体。连成二聚体。图图胸腺嘧啶二聚体的形成胸腺嘧啶二聚体的形成v人皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达人皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每小时每小时5104/细胞细胞,只局限在皮肤中。,只局限在皮肤中。v微生物受紫外线照射后,会影响其生存。微生物受紫外线照射后,会影响其生存。v紫外线照射还能引起紫外线照射还能引起D
7、NA链断裂链断裂等损伤。等损伤。2.2 电离辐射引起的电离辐射引起的DNA损伤损伤直接效应直接效应是是DNA直接吸收射线能量直接吸收射线能量而遭损伤,而遭损伤,间接效应间接效应是指是指DNA周围其他分子周围其他分子(主要是水分子主要是水分子)吸收射线吸收射线能量产生具有很高反应活性的能量产生具有很高反应活性的自由基自由基进而损伤进而损伤DNA。v电离辐射可导致电离辐射可导致DNA分子的分子的多种变化多种变化:a.碱基变化碱基变化v主要是由主要是由OH-自由基自由基引起,包括引起,包括DNA链上的碱基氧化修饰、链上的碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落等。过氧化物的形成、碱基环的破坏
8、和脱落等。v一般嘧啶比嘌呤更敏感一般嘧啶比嘌呤更敏感。b.脱氧核糖变化脱氧核糖变化v脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与OH-反应,导反应,导致脱氧核糖分解,引起致脱氧核糖分解,引起DNA链断裂。链断裂。c.DNA链断裂链断裂v射线的直接和间接作用都可能使射线的直接和间接作用都可能使脱氧核糖破坏或磷酸二酯键脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开断开。v单链断裂单链断裂(single strand broken),v双链断裂双链断裂(double strand broken)。v单链断裂发生频率为双链断裂的单链断裂发生频率为双链断裂的10-20倍,但比较容易修复
9、;倍,但比较容易修复;对单倍体细胞来说对单倍体细胞来说(如细菌如细菌)一次双链断裂就是致死事件。一次双链断裂就是致死事件。d.交联交联vDNA链交联:链交联:同一条同一条DNA链上或两条链上或两条DNA链上的碱基链上的碱基间可以共价键结合,间可以共价键结合,vDNA-蛋白质交联:蛋白质交联:组蛋白、染色质中的非组蛋白、组蛋白、染色质中的非组蛋白、调控蛋白、与复制和转录有关的酶都会与调控蛋白、与复制和转录有关的酶都会与DNA共价键连接。共价键连接。3.化学因素引起的化学因素引起的DNA损伤损伤v突变剂或致癌剂对突变剂或致癌剂对DNA的作用。的作用。3.1 烷化剂对烷化剂对DNA的损伤的损伤v是一
10、类亲电子的化合物,很容易与生物体中大分子的亲核是一类亲电子的化合物,很容易与生物体中大分子的亲核位点起反应。位点起反应。v烷化剂的作用可使烷化剂的作用可使DNA发生各种类型的损伤:发生各种类型的损伤:a.碱基烷基化碱基烷基化 v烷化剂如甲基黄酸乙脂(烷化剂如甲基黄酸乙脂(EMSEMS),氮芥氮芥(NM),(NM),甲基黄酸甲脂甲基黄酸甲脂(MMSMMS),亚硝基胍(亚硝基胍(NGNG)等,它们的作用是使碱基烷基化,)等,它们的作用是使碱基烷基化,将将烷基加到烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的链中嘌呤或嘧啶的N或或O上;上;vEMSEMS使使G G的第的第6 6位烷化,使位烷化,使T T的第的第4
11、4位上烷化,结果产生的位上烷化,结果产生的O-O-6-E-G6-E-G和和 O-4-E-T O-4-E-T分别和分别和T T、G G配对,导致配对,导致GCGC对转换成对转换成ATAT对;对;TATA对转换成对转换成CGCG b.碱基脱落碱基脱落 v烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定,容易脱落形成,容易脱落形成DNA上无碱基上无碱基的位点,复制时可以插入任何核苷酸,造成序列的改变。的位点,复制时可以插入任何核苷酸,造成序列的改变。c.断链断链 vDNA链的链的磷酸二酯键上的氧磷酸二酯键上的氧也容易被烷化,形成不稳定的也容易被烷化,形成不稳定的磷酸三酯键磷酸三酯键,易在糖与磷酸间发
12、生水解,使,易在糖与磷酸间发生水解,使DNA链断裂。链断裂。d.交联交联 v烷化剂有两类烷化剂有两类:v单功能基烷化剂单功能基烷化剂,如甲基甲烷碘酸,只能使一个位点烷基,如甲基甲烷碘酸,只能使一个位点烷基化;化;v双功能基烷化剂双功能基烷化剂,化学武器如氮芥、硫芥等,一些抗癌药,化学武器如氮芥、硫芥等,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,其两个功能基可同时使两处烷二乙基亚硝胺等均属此类,其两个功能基可同时使两处烷基化,结果就能造成基化,结果就能造成DNA链内、链内、DNA链间,以及链间,以及DNA
13、与与蛋白质间的交联蛋白质间的交联。图图3氮芥引起氮芥引起DNA分子两条链在鸟嘌呤上的交联分子两条链在鸟嘌呤上的交联(a)交联附近的总图;交联附近的总图;(b)交联部分结构图交联部分结构图3.2 碱基类似物对碱基类似物对DNA的损伤的损伤v人工合成的一些碱基类似物,用作人工合成的一些碱基类似物,用作促突变剂或抗癌药物促突变剂或抗癌药物,如如5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)、5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶(5-FU)、2-氨基腺嘌呤氨基腺嘌呤(2-AP)等。等。v其结构与正常的碱基相似其结构与正常的碱基相似,进入细胞能替代正常的碱基参,进入细胞能替代正常的碱基参入到入到DNA链中而链中而干扰干扰DNA复制合
14、成复制合成。其它诱发突变的化学物质或致癌剂:其它诱发突变的化学物质或致癌剂:v例如例如亚硝酸盐亚硝酸盐能使能使C脱氨变成脱氨变成U,经过复制就可使,经过复制就可使DNA上的上的G-C变成变成A-T;v羟胺羟胺能使能使T变成变成C,结果是,结果是A-T改成改成C-G;v黄曲霉素黄曲霉素B也能专一攻击也能专一攻击DNA上的碱基导致序列上的碱基导致序列的变化。的变化。第二节第二节 DNA修复修复vDNA修复修复(DNA repairing)是细胞对是细胞对DNA受损伤后的一种反受损伤后的一种反应,这种反应可能使应,这种反应可能使DNA结构恢复原样,重新能执行它原结构恢复原样,重新能执行它原来的功能;
15、来的功能;v有时并非能完全消除有时并非能完全消除DNA的损伤,只是使细胞能够耐受这的损伤,只是使细胞能够耐受这种种DNA的损伤而能继续生存。的损伤而能继续生存。修复系统:修复系统:v切除修复切除修复v回复修复回复修复 v错配修复错配修复vSOSSOS修复修复 v重组修复重组修复v限制修饰系统限制修饰系统-对付外源对付外源DNADNA的入侵的入侵 1 切除修复切除修复(excision repair)v 对对多种多种DNA损伤损伤包括碱基脱落形成的包括碱基脱落形成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链断裂、交联烷基化、单链断裂、交联等都能起修复作用。等都能起修复作
16、用。v这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中,也是人体细胞这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中,也是人体细胞主要的主要的DNA修修复机制复机制。v需要需要多种酶多种酶作用,作用,复制前进行复制前进行。1.1核苷酸切除修复1.1.1 大肠杆菌核苷酸切除修复有关的酶 1)UvrABC内切酶或切除酶:内切酶或切除酶:z需要ATP的结合但不需要ATP水解;z是uvrA,uvrB和uvrC三个基因表达产物的复合物;z在损伤位置两侧各作一缺口(UvrB在3端,UvrC在5端)。2)解链酶)解链酶(UvrD编码):编码):去除UvrABC内切酶产生的寡核苷酸;3)DNA聚合酶聚合酶(DNApol)4)DNA连
17、接酶连接酶(DNALigase)u 人类核苷酸切除修复有关的基因人类核苷酸切除修复有关的基因:(XPA,XPB,XPC,XPD,XPF,XPG)缺陷引起引起人类着色性干皮病人类着色性干皮病。临床表现:严重光敏感,皮癌,视力缺陷,神经错乱。切口切口切口切口1.1.2核苷酸切除修复过程核苷酸切除修复过程Uvr系统在修复各阶系统在修复各阶段中的作用:段中的作用:UvrA识别损伤;识别损伤;UvrBC在在DNA上切一上切一缺口;缺口;UvrD解旋切口区域解旋切口区域的的DNA,并释放出切割并释放出切割的的DNA片段。片段。1.2碱基切除修复碱基切除修复1.2.1碱基切除修复有关的酶碱基切除修复有关的酶
18、1)DNA糖基化酶(糖基化酶(DNAglycosylase):v识别识别DNA中损伤的或错误的碱基;水解中损伤的或错误的碱基;水解N-糖苷键去除碱基糖苷键去除碱基。2)AP内切酶(内切酶(Endonucleases):v有有35外切酶活性外切酶活性,切除,切除AP位点位点5端的数个核苷酸。端的数个核苷酸。vDNA糖基化酶去除碱基后,产生一个糖基化酶去除碱基后,产生一个AP位点。位点。AP内切酶识别内切酶识别此位点并在此位点并在AP位点的位点的5端产生一个端产生一个切口切口。3)脱氧核糖磷酸二酯酶(脱氧核糖磷酸二酯酶(dRpase):v切除切除AP位点的位点的脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸,产生一个核
19、苷酸的缺口。,产生一个核苷酸的缺口。4)DNA聚合酶:聚合酶:v在缺口处进行修复,加入一个核苷酸。在在缺口处进行修复,加入一个核苷酸。在AP位点位点5端进行广泛端进行广泛的修复合成。的修复合成。5)DNA连接酶:连接酶:连接最后一个切口。连接最后一个切口。OHP5353533355烷化碱基烷化碱基DNA糖苷酶糖苷酶切除的游离碱基切除的游离碱基OHP53OHP-535AP内切酶内切酶dRpase无嘌呤嘧啶位点无嘌呤嘧啶位点切除的切除的5-脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸AP内切酶的内切酶的3-5外切酶活性外切酶活性寡核苷酸切除产物寡核苷酸切除产物碱基切除修复过程3P 基本步骤:基本步骤:v 首先由首先由
20、核酸酶识别核酸酶识别DNA的损伤位点,在损伤部位的的损伤位点,在损伤部位的5侧侧切开磷酸二酯键切开磷酸二酯键。v 由由53核酸外切酶核酸外切酶将有损伤的将有损伤的DNA片段切除。片段切除。v 在在DNA聚合酶聚合酶的催化下,以完整的互补链为模板,按的催化下,以完整的互补链为模板,按53方向方向DNA链,链,填补已切除的空隙填补已切除的空隙。v 由由DNA连接酶连接酶将新合成的将新合成的DNA片段与原来的片段与原来的DNA断链断链连接起来。连接起来。v最终使最终使DNA恢复原来的结构。恢复原来的结构。DNA损伤损伤后切除修复后切除修复2 回复修复回复修复/直接修复(direct repair)v
21、指无需去除碱基或核苷酸,只需一种酶经一步反应修复指无需去除碱基或核苷酸,只需一种酶经一步反应修复DNADNA损伤的修复机制。损伤的修复机制。v较简单的修复方式,一般都能将较简单的修复方式,一般都能将DNADNA修复到原样。修复到原样。2.1 烷基的转移烷基的转移vO6甲基鸟嘌呤甲基转移酶甲基鸟嘌呤甲基转移酶(MGMT),能直接将,能直接将DNA链鸟嘌呤链鸟嘌呤O6位上的甲基移到酶的半胱氨酸残基上而修复损伤的位上的甲基移到酶的半胱氨酸残基上而修复损伤的DNA。v这个酶的修复能力并不很强,但在低剂量烷化剂作用下此这个酶的修复能力并不很强,但在低剂量烷化剂作用下此酶有修复活性。酶有修复活性。2.2
22、光修复光修复v由细菌中的由细菌中的DNA光解酶光解酶(photolyase)完成:完成:v此酶能此酶能特异性识别特异性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合的的二聚体二聚体,并与其结合,这步反应不需要光;,并与其结合,这步反应不需要光;v结合后如受结合后如受300600nm波长的光照射,则此酶就被激活,波长的光照射,则此酶就被激活,将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体,然后酶从,然后酶从DNA链上释链上释放,放,DNA恢复正常结构。恢复正常结构。2.3 单链断裂的重接单链断裂的重接vDNA单链断裂,其中一部分可仅由单链断裂,其中
23、一部分可仅由DNA连接酶连接酶(ligase)参与而完全修复。参与而完全修复。v双链断裂几乎不能修复。双链断裂几乎不能修复。2.4 碱基的直接插入碱基的直接插入vDNA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DNA嘌呤嘌呤插插入酶入酶(insertase)识别结合,在识别结合,在K+存在的条件下,催化游存在的条件下,催化游离嘌呤或脱氧嘌呤核苷插入,生成糖苷键;离嘌呤或脱氧嘌呤核苷插入,生成糖苷键;v所催化插入的碱基有高度专一性、与另一条链上的碱基严所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,使格配对,使DNA完全恢复。完全恢复。3错配修复(错配修复(m
24、ismatchrepair)一种纠正一种纠正复制后复制后子链中错配碱基的修复方式。子链中错配碱基的修复方式。3.1错配修复有关的蛋白和酶错配修复有关的蛋白和酶MutS蛋白:蛋白:识别识别错配的碱基。错配的碱基。MutH蛋白:蛋白:内切酶内切酶,在子链未甲基化的,在子链未甲基化的5-GATC-3序列靠序列靠近鸟嘌呤的近鸟嘌呤的5-端造成一个切口,使包括错配碱基在内的数百端造成一个切口,使包括错配碱基在内的数百个核苷酸得以切除。个核苷酸得以切除。MutL蛋白:蛋白:将将MutH和和MutS蛋白连接成复合体。蛋白连接成复合体。解链酶:解链酶:解开解开DNA双链。双链。单链结合蛋白:单链结合蛋白:稳定
25、单链模板。稳定单链模板。DNA聚合酶:聚合酶:从从3-OH填补空缺。填补空缺。DNA连接酶:连接酶:连接切口。连接切口。CH3GATCCTAGGTGATC53CTAG35GTCH3CH3GATCCTAGGTMutHMutSMutL切口切口CH3GATCCTAGGT53CH3GATC53CTAG35TGDNADNA解链酶解链酶 核酸外切酶核酸外切酶 SSBSSBdNMPsCH3GATCCTAGGT53DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA连接酶连接酶dNTPsCH3GATCCTAGGC3.2DNA错错配修复的模型配修复的模型MutSMutLMutSMutHMutS识别识别错配位点错配位点,并易位
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- 十三 DNA 损伤 修复
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