DNA损伤与修复

第六章 DNA损伤与修复 DNA damage and repair,分子生物学研究中心,第一节 DNA损伤的原因及后果,电离辐射,可见光,氧自由基,H+,烷化剂,8-oxoG,P/P,复制错误,核苷类似物,mC,U,DNA 损伤类型,碱基脱落 碱基修饰 & 去氨基化,化学修饰 光损伤,链内交联 DNA-蛋白质 交联 DNA链断裂,DNA 重组,缺失碱基位点,化学损伤,甲基化,甲基化,甲基化,氧化损伤,氧化损伤,DNA受到大剂量紫外线照射时，形成二聚体,紫外线可引起DNA的交联, DNA与蛋白质的交联。,电离辐射引起DNA损伤的机理,电离辐射引起DNA损伤的机制,自由基损害,损伤DNA修复系统,MCI 假说,电离辐射引起DNA损伤的类型,产生 OH自由基，导致碱基变化,脱氧核糖分解,DNA链断裂,DNA链、蛋白质的交联,电离辐射导致DNA链的断裂,单链断裂： 无差错修复 双链断裂： 错误修复,烷化剂引起DNA损伤,碱基烷基化: GC AT,碱基脱落: 甲基磺酸甲酯可使鸟嘌呤7N烷基化，活化糖苷键，连接碱基与五碳糖间的共价键变弱，容易折断缺失碱基，造成脱嘌呤作用。,导致DNA断链: 磷酸二酯键上的氧被烷基化,导致DNA链交联,5-BrdU （酮式-A； 烯醇式-G）,碱基类似物、修饰剂对DNA的改变,亚硝酸盐氧化脱氨 （CU）,羟胺脱甲基 （TC）,黄曲霉素B （攻击碱基）,DNA自发性损伤,碱基错配 Mismatch,互变异构移位,脱氨基作用 (环外氨基),碱基丢失 自发水解,碱基修饰与链断裂,碱基异构式引起DNA复制的错配,错误配对,正确配对,环出效应,其它因素引起DNA损伤,吖啶类化合物: 吖啶橙 扁平染料分子 (不等交换),氧自由基 (加成反应 小自由基反应),DNA损伤的后果,DNA损伤后分子的最终改变,点突变 ： 转换与颠换,缺失,插入,倒位或转位,DNA断裂,DNA重排,DNA分子内发生较大片段的交换，可以在同一染色体的两条链间发生，也可在不同染色体之间发生，可以是原来的方向或颠倒的方向。,第二节 DNA修复,DNA的修复主要类型:,直接修复,光裂合酶修复,切除修复,重组修复,跨损伤修复 (SOS修复),常见的DNA损伤及其修复机制,（1）DNA断裂口直接修复：,在 DNA 5-P 端和 3-OH端未受损害的情况下，连接酶能够直接修复DNA的断裂口。,（2）DNA紫外线损伤的光复合酶直接修复,（3） 烷基化碱基的直接修复,在 大肠杆菌中的Ada酶，可修复甲基化的碱基和甲基化的磷酸二酯键。, 碱基切除修复,指切除和替换由内源性化学物作用产生 的DNA碱基损伤, 是切除修复的一种。受损碱基移除是由多个酶来完成的。主要针对DNA单链断裂和小的碱基改变 及氧化性损伤。,(4) Base Excision Repair,DNA的损伤的切除修复,碱基缺陷或错配, 核苷酸切除修复,体内识别 DNA 损伤最多的修复通路,主要修复扭曲双螺旋结构的 DNA 损伤以及阻断基因转录和不识别任何特殊的碱基损失，而是识别双螺旋形状的改变。,不识别任何特殊的碱基损失，而是识别双螺旋形状的改变；修复时切除含有损伤碱基的那一段 DNA 。,(5) 核苷酸切除修复 (大肠杆菌),核苷酸切除修复 (基因组修复人),核苷酸切除修复 (转录偶联修复 -人类),GGR 和TCR的共同修复通路,错配修复,校正活性所漏校的碱基, 使复制的保真性提高102103倍,错配修复系统 (MRSMismatch RepairSystem),DNApol (= 10-8)经第二次校正= 10-11, 错配修复系统组成（Mismatch repair system）,DNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶),DNA polymerase 填补单链 DNA 缺口,Helicase SSB 外切核酸酶 (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,大肠杆菌DNA 甲基化位点新合成的DNA,Mis-paired bases,错配修复,重组修复机制,重组修复, DNA于复制时会越过受损区域进行复制, 经重组修复，受损的DNA仍然存在于子代的 一个细胞中。, 重组修复不会浪费时间， 重组修复可让负伤的DNA在细胞中仍可照常进行分裂。,非同源末端连接：DNA分子之间不需要广泛的同源性，主要是在免疫球蛋白重组时对DNA双链进行连接，在细胞有丝分裂G1/G0期起主要作用。,重组修复,根据 DNA 末端连接需要的同源性，分为,同源重组：需要多种蛋白参与；也修复 DNA复制中的差错；在减数分裂、细胞有丝分裂后期S/G2期起主要作用。,(7) SOS 修复,Irradiation of bacteria before virus infection enhanced repair of damaged viral genes but led to mutations.,UV,UVd T4 phage,E. coli,Few surviving phage,UVd T4 phage,E. coli,Higher frequency of surviving phage, but many mutants.,SOS 修复诱导 DNA 聚合酶活性,LexA (一种DNA结合抑制蛋白), umuC 和 umuD, 编码 DNA聚合酶活性,允许复制跨过 损伤位点, 常插入一个或几个 A碱基.,AGCTAGTCAT/TCAGTC,AGCTAGTCAT/TCAGTCTCGATCANNNNGTCAG,Replication stopsat T/T dimer,Error-prone polymerase allowsreplication to proceed, albeit inaccurately,SOS response:,RecA-P的三种功能,当DNA复制受阻/ DNA damaged,当DNA复制度过难关后,SOS 修复,DNA复制不很严格，新合成的DNA容易造成错误产生突变。,线粒体损伤和修复,线粒体的氧化损伤: 单链断裂、双链断裂、碱基修饰、 DNA交联、烷化损伤,线粒体的损伤修复： 碱基切除修复、错配修复,DNA 修复,维持 DNA序列的保真性；可在复制前后进行；有多种修复机制来纠正DNA损伤；DNA 修复失败可能导致突变和肿瘤。,细胞周期检查点控制,真核生物细胞DNA受到损伤时细胞除了诱导修复基因的转录外，还可暂时阻断细胞周期，防止受损DNA继续复制，如无法修复，则可诱导细胞进入凋亡。这些都是细胞通过细胞周期检查点控制（checkpoint control，又称关卡控制）对DNA损伤的应答反应。,酵母细胞的细胞周期检查点控制机制,哺乳类动物的细胞周期检查点控制机制,第三节 DNA损伤和修复的生物参考标志,一、甲基化损伤修复相关基因,甲基转移酶（MGMT）把O6-甲基鸟嘌呤的甲基转移到自身的半胱氨酸残基上，修复甲基化的DNA。 MGMT突变可作为甲基化损伤的基因型标记物。,二、切除修复相关的酶和基因,尿嘧啶糖基化酶为主要的始动因素，可作为DNA损伤的生物标记物。大肠杆菌Uvr基因家族、人ecrr基因和切除修复基因等,三、错配修复相关基因,MSH2、MLH1等蛋白参与错配修复，而错配修复的缺陷往往是癌变的第一步。错配修复基因：Muthls系统、人类的hmsh2/3、hpmsl1/2、Mutsa、msh6。错配修复基因的微卫星序列的不稳定性 （microsatellite instability， MI）,四、 DNA聚合酶,DNA聚合酶参与辐射损伤和化学损伤的修复，并对细胞的生长具有调节作用。 DNA聚合酶 的突变可导致碱基切除修复功能的缺陷。,五、 DNA加合物也可作为修复功能的生物标记物,DNA加合物可作为DNA损伤的暴露标记物和效应标记物，其去除的速度也可作为DNA修复功能的生物标记物。,DNA损伤和修复的生物学意义,避免基因组的不稳定性、癌症和细胞死亡是至关重要的。DNA修复途径可以识别和修复特异的DNA损伤，保证生物物种的遗传稳定性。,与DNA修复有关的人类遗传疾病：,着色性干皮病(Xeroderma pigmentosum) 布伦氏症候群(Blooms syndrome) 遗传性大肠癌(Hereditary nonpolyposis colon cancer；HNPCC),着色性干皮病(Xeroderma pigmentosum),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,着色性干皮病背部,着色性干皮病组织切片,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,遗传性大肠癌的临床特征,发病早 (45 岁)肿瘤好发部位肠外肿瘤的类型,遗传性大肠癌(HNPCC),息肉较少30-60% 有内膜肿瘤恶性肿瘤好发部位胰腺癌发生率,大肠癌发生的危险因素 (CRC),0,20,40,60,80,100,General population,Personal history of colorectal neoplasia,Inflammatory bowel disease,HNPCC mutation,FAP,5%,15%20%,15%40%,70%80%,95%,Lifetime risk (%),错配基因的改变,多发性家族性结肠癌,多发性家族性结肠癌,错配基因的改变 : MSH2, MSH6, PMS1 ，MLH1, MSH3, PMS2.,HNPCC中错配基因突变的概率,MSH2 30%,MLH130%,PMS1 (rare),PMS2 (rare),MSH6 (rare),Unknown 30%,Sporadic,Familial,HNPCC,FAP,Rare