DNA损伤、突变和修复.ppt

生物化学与分子生物学教研室 DNA损伤 （突变）与修复 P68 1 基因突变（gene mutation）: 在生物进化过程中，由于生物体内外环境多 种因素的影响，使遗传物质的结构改变而引起遗 传信息的改变，均可称为突变。 从分子水平来看，突变主要表现为DNA分子 上碱基的改变。 在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤 （DNA damage）。 P68 2 突变的意义 （一）突变是进化、分化的分子基础。 （二）只有基因型改变，而无可察觉表型改变的 突变（基因多态性：用于描述个体之间的 基因型差别现象）。 （三）致死性的突变（利用此特性消灭有害病原 体）。 （四）突变是某些疾病的发病基础。 P69 3 第一节 多种因素可引起DNA损伤 并具有各自的机制 4 一、引起DNA 损伤的因素 *紫外线照射 *电离辐射 自发突变： 频率：10-9 *5-溴尿嘧啶(5-BU) *羟胺 *亚硝酸盐 *氮芥类 物理 生物 化学 诱变因素 病毒等 P70 5 （一）DNA 的自发性损伤 P70 1、DNA的复制错误 2、DNA的修复合成 修复系统将DNA损伤部位 的一段DNA切除，再以互补链 为模板重新合成DNA，又称 DNA非程序合成。 3、碱基的自发突变 脱氨基:A、G、C环外氨基丢失 碱基丢失:无碱基位点(AP部位) 4、正常代谢产物对DNA的损伤 氧自由基 造成DNA链断裂 6 （二）环境造成的DNA 损伤 P70 1、紫外线引起的DNA损伤 UV T G A A C C A C T T G G 胸腺嘧啶二聚体 DNA之间交联 DNA与蛋白质交联 DNA链断裂 7 2、电离辐射引起DNA损伤 （1）导致碱基变化 主要由OH自由基引起，包括DNA 链上碱基氧化修饰、过氧化物形成、 碱基环的破坏和脱落等。 （2）导致脱氧核糖变化 脱氧核糖上每个碳原子和羟 基上氢都能与OH反应,导致脱氧 核糖分解，最终引起DNA链断裂 （3）导致DNA链断裂 可使脱氧核糖破坏或磷酸二酯 键断开而导致DNA链断裂。有单链 断裂、双链断裂等不同形式。 （4）引起DNA链交联 DNA-DNA交联、DNA-蛋白质 交联。是细胞受电离辐射后在显微 镜下看到的染色体畸变的分子基础 8 3、烷化剂引起DNA损伤 （1）导致碱基烷基化 G的N7和A的N3最容易烷基化，G的 N7被烷基化后改与T配对， G-CA-T （2）导致碱基脱落 G烷基化后的糖苷键不稳定，易 脱落形成DNA上无碱基位点，复制时 可插入任何核苷酸，使序列改变。 （3）导致DNA链断裂 磷酸二酯键上的O易烷基化，形 成不稳定的磷酸三酯键，糖与磷酸间 发生水解，DNA链断裂。 （4）引起DNA链交联 单功能基烷化剂：甲基甲烷碘酸 双功能基烷化剂：DNA链内、链间、 以及与蛋白质的交联 氮芥、硫芥；环磷酰胺；二乙基 亚硝酸 9 4、碱基类似物、修饰剂引起碱基对的改变 （1）碱基类似物用作促突变剂或抗癌药物 5-氟尿嘧啶（5-FU）、5-溴尿嘧啶（5-BU）、 2-氨基腺嘌呤（2-AP）。 （2）某些化学物质能专一修饰DNA链上碱基 亚硝酸盐：使C脱氨变成U，经复制使G-CA-T 羟胺：使T脱甲基变成C，结果A-T G-C 黄曲霉素B：专一攻击DNA上碱基，导致序列变化 这些均为诱发突变的化学诱变剂或致癌剂 10 二、DNA 损伤的类型 单点突变、多点突变 转换、颠换 链内共价交联 链间共价交联 电离辐射、某些化学试剂 使链内磷酸二酯键断裂 DNA重组 DNA损伤 碱基突变 DNA链断裂 DNA链交联 插入或缺失 单个碱基、多个碱基、 一段序列的插入或缺失 DNA分子内发生较大片 段的交换。 P69 11 第二节 DNA损伤修复机制是遗传 保守性的重要保障 12 DNA损伤修复：对已发生分子改变的DNA进 行补偿措 施，使其回复为原有的天然状态。 DNA损伤 修复的主要机制 （一）光修复 （二）切除修复 （三）重组修复 （四）SOS修复 13 一、某些DNA 损伤可以直接修复 1、二聚体可被光复活酶直接修复（光修复） UV 紫外线照射可引起核酸链上相邻的两个胸腺嘧 啶形成二聚体TT。 光修复过程是通过光复活酶催化而完成的，需 300 600 nm波长照射激活。 嘧啶二聚体的形成与解聚 光修复酶 P71 14 2、DNA断裂口可以直接修复 在5-P端和3-OH端未受损伤情况下，连接酶能 直接修复因电离辐射等因素造成的DNA断裂口 。 3、烷基化碱基可以直接修复 大肠杆菌中有一种Ada酶，能将烷基不可逆地转 移到自身，从而修复甲基化碱基和甲基化的磷酸二酯 键，同时其自身失活 。 15 二、切除修复(excision repair)是常见的修复方式 定义 在有关酶和蛋白质的作用下，去除DNA链的 损伤部分，用执行修复功能的DNA聚合酶催化 dNTP聚合而填补缺口，最后用连接酶将修复过 的链与无损伤的链两端连接起来。是细胞内最 重要和有效的修复机制，主要由DNA-pol和 连接酶完成。 过程 识别、切除、合成、连接 P71 16 1、单个核苷酸的切除修复 特定的DNA糖苷酶识别并切除受损碱基 AP核酸内切酶识别裸露脱氧核糖上的AP位点（ apurinic and apyrimidinic sites,无嘌呤和无嘧啶位点）,在 该位点5端切开，核酸外切酶从5 3方向切除脱 氧核糖残基。 由DNA聚合酶和连接酶修复缺口 17 2、核苷酸片段切除修复 原核生物参与 切除修复的酶 及蛋白质 UvrA 、UvrB(辨认和结合DNA损伤部位) UvrC(去除损伤链) pol(填补空隙) DNA连接酶(连接缺口) 真核生物除去损伤链：XP蛋白 18 5 53 3 UvrA、UvrB 辨认及结合 DNA 损伤部位 UvrB UvrA E.coli切除修复方式 UvrC置 换UvrA UvrCUvrC 5 53 3 UvrC切除 损伤部位 P OH 切除修复过程（E.coli）： DNA-pol 填补空隙 dNTP 5 53 3 P OH OH DNA ligase 连接缺口 ATP ADP 19 三、重组修复(recombination repairing) 当DNA分子的损伤面较大时，来不及修复完善就 进行复制，损伤部位因无模板指引，复制的新子 链会出现缺口。 重组蛋白RecA将另一股健康的母链与缺口部分进 行交换，以填补缺口。 健康的母链产生的缺口由pol I和连接酶复原。 原有的损伤仍存在，但随着多次复制，损伤的比 例越占越少。 P71 20 切下正常母链的 DNA片段并插入 因损伤而未被复 制的子链缺口上 ；正常母链带缺 口 RecA 重组后，一 个子代DNA 双链中，母 链仍有缺陷 ，但子链正 常；而另一 个正常子链 复制复原 pol I DNA损 伤部位 重组修复 21 四、SOS修复 SOS是国际海难信号，在此用以表示应急性的复 制方式。 除了需要复制、修复的酶系统外，还需重组蛋白 RecA及调控蛋白LexA（抑制与SOS修复有关的 基因表达）。 机制：DNA严重受损时，RecA作为蛋白水解酶 使LexA蛋白水解，从而解除与SOS修复有关的基 因的抑制，修复酶系大量表达。 P71 22 SOS修复系统对碱基的识别、选择能力差 ，是以牺牲复制的准确性而换取细胞的生 存，使DNA保留的错误会较多，从而引起 广泛、长期的突变。这是SOS修复的主要 特点。人类细胞中尚未发现这种修复系统 。 P71 23 五、细胞周期检查点控制是真核生物 诱导修复的主要机制 真核细胞有复杂的控制体系，DNA受 损时，往往无法依靠单纯的修复机制进行 修复，需要通过细胞周期检查点控制 (checkpoint control,又称关卡控制）来对 DNA损伤作出应答。 细胞周期检查点控制机制最早在酵母细胞中发现 24 第三节 DNA损伤、修复 与人类疾病 P72 25 一、核苷酸切除修复与着色性干皮病 P72 着色性干皮病（xeroderma pigmentosum，XP） 无法修复紫外线造成的损伤 核苷酸切除修复相关基因： XPA、B、C、D、E、F、G 其中任何一个基因突变都可以引起XP病。 细胞融合实验发现：来自于不同患者的皮肤成纤 维细胞对紫外线损伤的修复有互补作用，甚至可 以使核苷酸切除修复能力恢复正常。 26 二、错配修复与遗传性非息肉型结肠癌 P72 HNPCC是最常见的遗传性肿瘤之一，是常染色 体显性遗传疾病，其癌瘤细胞常表现出微卫星DNA 的不稳定性，长度较正常细胞或长或短。 微卫星DNA的不稳定性在多个位点存在，可以 作为错配修复功能缺陷的标志。 HNPCC家族中表型正常者，其错配修复基因只 有一个拷贝失活，有较高肿瘤易发性。当基因的第 二个拷贝失活时，错配修复能力丧失，导致高突变 表型出现。修复能力的降低使其无法修复癌基因、 抑癌基因关键部位的突变，有利于细胞恶性生长。 27 三、转录偶联修复与Cockayne综合征（CS） P72 转录偶联修复（transcription-coupled repair,TCR） 1982年提出。转录过程有利于DNA损伤修复的 进行，基本转录因子(TFH)是转录启动所必需的 ，也是参加核苷酸切除修复不可缺少的蛋白质因子 。修复与转录过程的偶联通过转录修复偶联因子 (transcription repair coupling factor,TRCF)来实现的。 若TRCF基因发生突变，损伤的DNA在被修复 以后，不能继续进行转录，从而导致病变。 28 Cockayne综合征（CS） P72 常染色体隐性遗传疾，病变涉及多个系统，但 皮肤癌易患率很低，有