分子生物学DNA损伤与修复ppt课件(1)

目录 DNA损伤与修复 DNA Damage and Repair 1 1 目录 目的与要求目的与要求 学时：学时：2 2 1. 1.掌握：掌握：DNA DNA 损伤的类型损伤的类型 2. 2.掌握：掌握：DNADNA损伤修复的方式损伤修复的方式 3. 3.了解：了解：DNADNA损伤、修复的意义损伤、修复的意义 4. 4.了解：了解：DNADNA损伤的因素损伤的因素 2 2 目录 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） 电离辐射电离辐射 氧自氧自 由基由基 烷化剂烷化剂 复制错误复制错误 核苷类似物核苷类似物 3 3 目录 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: 4 4 目录 DNA损伤 DNA Damage 第一节 5 5 目录 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 机体代谢过程中产生的活性氧 20172017年年3 3月科学杂志论文：癌症发生的原因中运气不月科学杂志论文：癌症发生的原因中运气不 好占好占66.1%66.1%。 6 6 目录 nDNA复制错误： 1. 1. 碱基错配碱基错配 互变异构移位（互变异构移位（tautomerictautomeric shift shift）: : 碱基发生了酮式碱基发生了酮式- -烯烯 醇式或氨基醇式或氨基- -亚氨基异构体互变，造成碱基配对发生改亚氨基异构体互变，造成碱基配对发生改 变，使复制后的子链上出现错误。变，使复制后的子链上出现错误。 7 7 目录 8 8 目录 2. 2.复制打滑复制打滑 9 9 目录 n脆性X综合征 n X染色体上(CGG)n重复序列的拷贝数增加。 n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。 1010 目录 n肌强直性营养不良 n 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重复序列扩增导致 。 n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 1111 目录 nDNA自身的不稳定性 ： nDNA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。 n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。 1212 目录 n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。 1313 目录 活性氧（活性氧（ROSROS）：）：反应活性很高的含氧自由基和反应活性很高的含氧自由基和HH 2 2 OO 2 2 。 自由基：自由基：外层轨道带有未配对电子的原子、原子团或分外层轨道带有未配对电子的原子、原子团或分 子。（子。（ O O 2 2 - - 和和 OH OH等）等） 含氧自由基可造成含氧自由基可造成碱基的氧化碱基的氧化，如，如8-8-氧鸟嘌呤（氧鸟嘌呤（7, 8-7, 8- oxoG, GOoxoG, GO）可与）可与C C或或A A配对，造成配对，造成G-C T-AG-C T-A的颠换。的颠换。 n 机体代谢过程中产生的活性氧 1414 目录 羟自由基作用：羟自由基作用： 破坏碱基结构破坏碱基结构 核糖分解核糖分解 DNADNA链断裂链断裂 DNADNA链、蛋白质的交联链、蛋白质的交联 1515 目录 （二）体外因素 物理因素 化学因素 生物因素 1616 目录 n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 1717 n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 1818 目录 5-BrdU 5-BrdU （酮式（酮式-A-A； 烯醇式烯醇式-G-G）(T(T碱基类似物碱基类似物 ） 亚硝酸盐氧化脱氨亚硝酸盐氧化脱氨 （CUCU）（）（碱基修饰碱基修饰 ） SAM SAM使使GG甲基化（甲基化（GG与与T T配对）（配对）（烷化剂烷化剂 ） 黄曲霉素黄曲霉素B B （攻击碱基，书攻击碱基，书235235页页） 吖啶类化合物吖啶类化合物: : 吖啶橙吖啶橙 ( (嵌入染料嵌入染料 ) ) 1919 目录 嵌入染料嵌入染料 2020 目录 物理和化学因素对物理和化学因素对DNADNA的损伤的损伤 2121 目录 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 n根据DNA结构的改变分为： 2222 目录 碱基脱落 2323 目录 n碱基结构破坏导致碱基之间发生错配 EMS(EMS(甲基磺酸乙酯甲基磺酸乙酯) ) 2424 目录 n嘧啶二聚体 2525 目录 nDNA链发生断裂： 2626 目录 DNA损伤的类型（从损伤后果上） 碱基置换 缺失 插入 链的断裂 转换 颠换 2727 目录 DNADNA损伤的后果损伤的后果 信号传导异常信号传导异常 长期效应长期效应 衰老衰老肿瘤肿瘤疾病疾病 DNA DNA 修复机制修复机制 短期效应短期效应 异常增生和代谢异常增生和代谢生理功能紊乱生理功能紊乱细胞死亡细胞死亡 基因表达异常基因表达异常基因组不稳定基因组不稳定 2828 目录 DNA损伤的修复 The repair of DNA damage 第二节 2929 目录 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。 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。 20152015诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖 获奖理由是获奖理由是“ “DNADNA修复的细胞机制研究修复的细胞机制研究” ” 3030 目录 常见的DNA损伤修复途径 修复途径 修复对象 参与修复的酶或蛋白 光复活修复 嘧啶二聚体 光复活酶 碱基切除修复 受损的碱基 DNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶 核苷酸切除修 复 嘧啶二聚体、DNA螺 旋结构的改变 大肠杆菌中UvrA、UvrB、UvrC和UvrD ，人XP系列蛋白XPA、XPB、 XPCXPG等 错配修复 复制或重组中的碱基 配对错误 大肠杆菌中的MutH、MutL、MutS，人 的MLH1、MSH2、MSH3、MSH6等 重组修复 双链断裂 RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、 XRCC4 损伤跨越修复 大范围的损伤或复制 中来不及修复的损伤 RecA蛋白、LexA蛋白、其他类型DNA聚 合酶 3131 目录 常见的常见的DNADNA损伤及其修复机制损伤及其修复机制 DNA损伤因素 DNA损伤类型修复机制 X射线、氧自由基、 烷化剂 自发脱碱基 单链断裂、无碱基位点、氧化性碱 基（如8-氧鸟嘌呤）脲嘧啶 碱基切除修复 紫外线和多环芳烃环丁烷嘧啶二聚体等大的紫外线光 产物和稳定的多环芳烃化合物等大 分子DNA加合物 核苷酸切除修 复 抗癌药（如顺铂和丝 裂霉素） 双链断裂和链间交联双链断裂修复 （同源重组修 复和末端连接 ） 复制错误和烷化剂碱基错配和缺失（插入）错配修复 3232 目录 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。 3333 目录 UVUV PotolyasePotolyase （光修复酶） 300-600nm300-600nm n嘧啶二聚体的直接修复 3434 目录 n烷基化碱基的直接修复 3535 目录 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 3636 目录 n碱基切除修复（base excision repair） 识识 别别 受受 损损 的的 碱碱 基基 3737 目录 核苷酸切除修复(nucleotide excision repair, NER） n n 4 4步反应组成：步反应组成： n n 由特殊的蛋白质探测损伤，并引发一系列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。蛋白质与损伤部位的有序结合。 n n 由特殊的内切酶在损伤部位的两侧切开由特殊的内切酶在损伤部位的两侧切开 DNADNA链，去除链，去除2 2个切口之间的带有损伤的个切口之间的带有损伤的 DNADNA片段，形成缺口。片段，形成缺口。 n n 由由DNA polDNA pol填补缺口。填补缺口。 n n 由由DNADNA连接酶连接切口连接酶连接切口 。 识别损伤对识别损伤对DNADNA双螺旋结构所造成的扭曲。双螺旋结构所造成的扭曲。 3838 目录 E.coli的NER主要由4种 蛋白质组成： UvrA UvrB UvrC UvrD 3939 目录 核苷酸切除修复核苷酸切除修复 ( (全基因组修复全基因组修复真核生物）真核生物） 4040 目录 4141 目录 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 - -人类人类) ) 4242 目录 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。 4343 目录 着色性干皮病患儿脸部特征 4444 目录 着色性干皮 病的并发症 4545 目录 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 4646 目录 n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。 4747 目录 大肠杆菌错配修复系统组成: 甲基化酶（如DNA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 识别新生链中非 m6A 的GATC序列 酶切含错配碱基的DNA区段 4848 目录 错配修复 4949 目录 错配修复 5050 目录 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： 5151 目录 三、DNA严重损伤时需要重组修复 同源重组修复 非同源末端连接的重组修复 双链断裂修复： 5252 目录 同源重组修复（人）同源重组修复（人） : : 最简单、最常用的双链最简单、最常用的双链 断裂修复方式断裂修复方式 需同源序列需同源序列 X X 5353 目录 同源重组修复同源重组修复 5454 目录 非同源末端连接的重组修复 5555 目录 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。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。 5656 目录 重组跨越损伤 修复 复制后修复复制后修复 Rec A,B,CRec A,B,C “ “稀释稀释” ”效应效应 “ “拆东墙补西墙拆东墙补西墙” ” 5757 目录 SOSSOS修复中修复中 LexA-RecALexA-RecA 操纵子的作操纵子的作 用机制用机制 合成跨越损伤修复 5858 目录 常见的DNA损伤修复途径 修复途径 修复对象 参与修复的酶或蛋白 光复活修复 嘧啶二聚体 光复活酶 碱基切除修复 受损的碱基 DNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶 核苷酸切除修 复 嘧啶二聚体、DNA螺 旋结构的改变 大肠杆菌中UvrA、UvrB、UvrC和Uvr