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1、DNA损伤与修复 DNA Damage and Repair,第十五章,目的与要求学时：21.掌握：DNA 损伤的类型2.掌握：DNA损伤修复的方式3.了解：DNA损伤、修复的意义4.了解：DNA损伤的因素,各种体内外因素所导致的DNA组成与结构的变化称为DNA损伤（DNA damage）,电离辐射,氧自由基,烷化剂,复制错误,核苷类似物,其一，DNA的结构发生永久性改变，即突变 其二，导致DNA失去作为复制和/或转录的模板的功能,DNA损伤的后果:,DNA损伤DNA Damage,第一节,一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤,（一）体内因素,DNA复制错误 DNA自身的不稳定性 机体代谢过
2、程中产生的活性氧,2017年3月科学杂志论文：癌症发生的原因中运气不好占66.1%。,DNA复制错误：,1.碱基错配互变异构移位（tautomeric shift）:碱基发生了酮式-烯醇式或氨基-亚氨基异构体互变，造成碱基配对发生改变，使复制后的子链上出现错误。,2.复制打滑,脆性X综合征 X染色体上(CGG)n重复序列的拷贝数增加。在男性中的发病率为1/10001/1500，在所有男性智力低下患者约10%20为本病所引起。,肌强直性营养不良 19号染色体上编码肌强直性蛋白激酶Dystrophia myotonica protein kinase(DMPK)3-UTR 区(CTG)n重复序列扩
3、增导致。多见于青春期后，男多于女。主要症状为肌无力、肌萎缩和肌强直。,面容瘦长，颧骨隆起，呈斧状脸，颈消瘦而稍前屈。骨骼肌收缩后松弛显著延迟，导致明显的肌肉僵硬,DNA自身的不稳定性：,DNA结构自身的不稳定性是DNA自发性损伤中最频繁和最重要的因素。当DNA受热或所处环境的pH值发生改变时，DNA分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可自发发生水解，导致碱基的丢失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍。,含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应，转变为另一种碱基，即碱基的转变，如C转变为U，A转变为I（次黄嘌呤）等。,活性氧（ROS）：反应活性很高的含氧自由基和H2O2。自由基：外层轨道带有未配对电子的原子、原子
4、团或分子。（O2-和OH等）含氧自由基可造成碱基的氧化，如8-氧鸟嘌呤（7,8-oxoG,GO）可与C或A配对，造成G-C T-A的颠换。,机体代谢过程中产生的活性氧,羟自由基作用：破坏碱基结构核糖分解DNA链断裂DNA链、蛋白质的交联,（二）体外因素,物理因素化学因素生物因素,物理因素：电离辐射（核辐射、各种射线）、非电离辐射（紫外线、各种电器发出的辐射）,岡崎,化学因素：,自由基碱基类似物碱基修饰剂、烷化剂嵌入性染料,5-BrdU（酮式-A；烯醇式-G）(T碱基类似物）,亚硝酸盐氧化脱氨（CU）（碱基修饰）SAM使G甲基化（G与T配对）（烷化剂）,黄曲霉素B（攻击碱基，书235页）,吖啶类
5、化合物:吖啶橙(嵌入染料),嵌入染料,物理和化学因素对DNA的损伤,二、DNA损伤有多种类型,碱基脱落碱基结构破坏嘧啶二聚体形成DNA单链或双链断裂DNA交联,根据DNA结构的改变分为：,碱基脱落,碱基结构破坏导致碱基之间发生错配,EMS(甲基磺酸乙酯),嘧啶二聚体,DNA链发生断裂：,DNA损伤的类型（从损伤后果上）,碱基置换缺失 插入 链的断裂,DNA损伤的后果,DNA损伤的修复The repair of DNA damage,第二节,托马斯林达尔（TomasRobertLindahl）1938年1月28日出生，瑞典医学家，专门从事癌症研究，挪威科学和文学研究院的成员。发现碱基切除修复。,
6、保罗莫德里奇（Paul Modrich），1946年出生，美国科学家，在杜克大学担任生物化学教授，以及在霍华德休斯医学研究所担任研究员。发现DNA错配修复。,阿齐兹桑贾尔（Aziz Sancar），1946年生于土耳其萨武尔，美国和土耳其国籍生物学家，专门从事DNA修复、细胞周期检查点、生物钟方面的研究。直接观察到了光解酶修复胸腺嘧啶二聚体的过程。,2015诺贝尔化学奖获奖理由是“DNA修复的细胞机制研究”,常见的DNA损伤修复途径,常见的DNA损伤及其修复机制,一、直接修复,嘧啶二聚体的直接修复（光复活酶）烷基化碱基的直接修复（烷基转移酶）无嘌呤位点的直接修复（DNA嘌呤插入酶）单链断裂的直
7、接修复（DNA连接酶）,直接修复是最简单的一种DNA损伤修复方式，修复酶直接作用于受损的DNA，将之恢复为原来的结构。,UV,Potolyase（光修复酶）,300-600nm,嘧啶二聚体的直接修复,烷基化碱基的直接修复,二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式,碱基切除修复 核苷酸切除修复碱基错配修复,碱基切除修复（base excision repair）,识别受损的碱基,核苷酸切除修复(nucleotide excision repair,NER）,4步反应组成：由特殊的蛋白质探测损伤，并引发一系列蛋白质与损伤部位的有序结合。由特殊的内切酶在损伤部位的两侧切开DNA链，去除2个切口之间的
8、带有损伤的DNA片段，形成缺口。由DNA pol填补缺口。由DNA连接酶连接切口。,识别损伤对DNA双螺旋结构所造成的扭曲。,E.coli的NER主要由4种蛋白质组成：UvrAUvrBUvrCUvrD,核苷酸切除修复(全基因组修复真核生物）,核苷酸切除修复(转录偶联修复-人类),着色性干皮病(Xeroderma pigmentosum,XP),是一种隐性遗传性疾病，有些呈性联遗传。因核酸内切酶异常造成DNA修复障碍所致。临床以光暴露部位色素增加和角化及癌变为特征。1.幼年发病，常有家族发病史。2.面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，伴毛细血管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤痕。皮肤干燥。数年
9、内发生基底细胞癌、鳞癌及恶性黑素瘤。3.皮肤和眼对日光敏感。4.病情随年龄逐渐加重，多数患者于20岁前因恶性肿瘤 而死亡。5.组织病理 晚期出现表皮非典型性增生、日光角化及鳞癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。,着色性干皮病患儿脸部特征,着色性干皮病的并发症,着色性干皮病的治疗,避免紫外线照射 避免肿瘤致病因子对症治疗,碱基错配修复（mismatch repair）,错配是指非Watson-Crick碱基配对。碱基错配修复也可被看作是碱基切除修复的一种特殊形式，主要负责纠正：复制与重组中出现的碱基配对错误；因碱基损伤所致的碱基配对错误；碱基插入；碱基缺失。,大肠杆菌错配修复系统组成:,甲基化酶（如DNA
10、腺嘌呤甲基化酶，即m6A甲基化酶）,DNA polymerase 填补单链 DNA 缺口,Helicase、SSB、核酸外切酶(和)、连接酶,MCE(mismatch correct enzyme)3 subunits Mut H,L,S,扫描新生链中错配碱基,酶切含错配碱基的DNA区段,错配修复,错配修复,MSH（MutS homologs）蛋白与MutL同源的MLH和PMS蛋白,真核细胞错配修复系统无MutH，也无半甲基化标记母链。错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺口辨别错配碱基所在的DNA链。,真核细胞碱基错配修复系统：,三、DNA严重损伤时需要重组修复,同源重组修复 非同源末端连
11、接的重组修复,双链断裂修复：,同源重组修复（人）:最简单、最常用的双链断裂修复方式需同源序列,X,同源重组修复,非同源末端连接的重组修复,四、某些修复发生在跨越损伤DNA的复制事件之后,重组跨越损伤修复 合成跨越损伤修复,保留错误的修复。,修复大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤。,重组跨越损伤修复 复制后修复,Rec A,B,C,“稀释”效应,“拆东墙补西墙”,SOS修复中LexA-RecA操纵子的作用机制,合成跨越损伤修复,常见的DNA损伤修复途径,DNA损伤和修复的意义The significance of DNA damage and repair,第三节,一、DNA损伤具有双重效应,一是给DNA带来永久性的改变即突变，可能改变基因的编码序列或者基因的调控序列；二是DNA的这些改变使得DNA不能用作复制和转录的模板，使细胞的功能出现障碍，重则死亡。,DNA损伤通常有两个生物学后果,（一）突变是进化的分子基础（二）只有基因型改变的突变（三）突变是某些疾病的发病基础（四）突变导致死亡,二、DNA损伤修复障碍与肿瘤等多种疾病相关,DNA损伤与肿瘤、衰老以及免疫性疾病等多种疾病的发生有着密切的关联,思考题：,试说明DNA损伤的几种类型及修复合成主要方式的名称。试述核苷酸切除修复的过程。,下课了！,
