DNA损伤剖析.ppt

DNA损伤(DNA damage) DNA分子结构的异常改变称为DNA损伤。,DNA damage The changes in the DNA sequence result from copying errors and the effects of various physical and chemical agents, or carcinogens.,引起DNA损伤的因素 一，化学因素 二，物理因素 三，DNA的自发损伤,H N,NH,O,Br,o,N,NH,O,Br,OH,HN,NH,O,O,CH3,酮式5-BU 烯醇式5-BU 胸腺嘧啶,一，化学因素引起的DNA损伤 （一）碱基类似物诱发的突变 1，5-溴尿嘧啶（5-BU),烯醇式 5- BU与G的配对,N,N,O,Br,O-H,H-N,H-N,H,N,O,N,N,5-BU引起的 A-T G-C 转换,A-T,第一次复制,A-T,A-BU,（酮式）,第二次复制,A-BU（酮式）,G-BU （烯醇式）,第三次复制,A-BU,G-BU,G-C突变）,A-T,（二）亚硝酸引起的DNA损伤 NH3 腺嘌呤 次黄嘌呤（H） H-C A-T转换成G- C NH3 鸟嘌呤 黄嘌呤（X） X不能与任何碱基配对 NH3 胞嘧啶 尿嘧啶（U） U-A C-G转换成T-A,（三）烷化剂引起的DNA损伤 1，种类 (1) 单功能烷化剂：将烷化剂加到DNA的一条链上。 (2)多功能烷化剂： a.将烷化剂加到DNA的一条链上。 b.使DNA的两条链交联。,2，烷化剂引起的损伤 碱基烷基化，如甲基化碱基； DNA两条链交联。 3，后果 干扰DNA复制、转录时的解旋； 导致有差错傾向的复制； G-C A-T转换。,（四）芳基化剂引起的DNA损伤 损伤：芳基化剂可与DNA形成共价化合物。,OH,HO,HO,G NH,苯并芘,苯并芘二羟环氧化物与鸟 嘌呤加合物砱,（五）吖啶类染料诱发的突变 1,吖啶类染料是一类较强的诱变剂。,N,NH2,H2N,原黄素的结构 2，损伤：原黄素插入母链两个碱基之间，结果多一个核苷酸；插入子链两个碱基之间，正常碱基不能插入，结果少一个核苷酸。 3，后果：引起移码突变。,（六）活性氧类引起的DNA损伤 1，活性氧类 自由基：超氧阴离子（. O2-)， 羟自由基（.OH) 非自由基类: H2O2，过氧亚硝酸盐等。 活性糖类和脂类。 2，.OH对DNA的损伤 加成反应：碱基环破裂或氧化产物（甲基化、羟化产物）。 抽氢反应：3, 5, 磷酸二酯鍵断裂（DNA链断裂）。,OH 抽氢反应引起的3，5,-磷酸二酯键断裂,碱基,O,H,O,PO2H,CH2,O,PO2H,水解断裂处,H,H,H,H,DNA损伤的化学因素 1，碱基类似物 掺入异常核苷酸；点突变；5-BU 2，脱氨剂 诱导碱基脱氨；点突变 ；亚硝酸钠，亚硫酸氢钠 3，烷化剂 与碱基的亲核中心反应；错误碱基掺入，阻断复制，链交联；二甲基亚硝胺,DNA损伤的化学因素 4，大型加合物 大型基团加到碱基上；阻断复制；黄曲霉素B1，苯并砒 5，插入剂 嵌入配对碱基间，使链解旋，链长度增加；移码突变，阻断复制，抑制切除修复；溴乙啶，丫啶橙 6，交联剂 烷化剂（氮芥，硫芥）；单链内或两单链间的交联；,二，物理因素引起的DNA损伤 物理因素： （一）电离辐射（x、 射线等）。 （二）非电离辐射（紫外线）,（一）电离辐射引起的DNA损伤 1，DNA链断裂 电离辐射作用于细胞内水分子产生的自由基与脱氧核糖发生抽氢反应，使DNA链断裂 2，碱基损伤 .OH作用下，碱基环破裂或生成氧化产物 3，碱基脱落 N-糖苷键断裂后碱基脱落 ，形成AP位点 4，DNA链交联 （1）碱基间交联 。 （2）DNA链与蛋白质交联 。,（二）紫外线引起的DNA损伤 1，在DNA一条链内或两条链之间产生嘧啶二聚体，影响转录或复制。,S-N,S-N,S-N,S-N,NH,NH,NH,NH,=O,=O,=O,=O,O,O,O,O,CH3,CH3,CH3,CH3,H,H,H,P,P,紫外线,S 脱氧核糖；P 磷酸基团,2，其他损伤 DNA链断裂；DNA与蛋白质交联等。,DNA损伤的物理因素 1， 紫外辐射 产生相邻碱基的二聚体，T=T最常见。 2，电离辐射 直接作用 于DNA分子或间接作用（电离辐射产生的活性氧）；碱基损伤，糖环断裂，DNA链断裂或交联。 （ DNA损伤的生物因素：可移动基因成分； 插入或切断基因；病毒，转座子。）,三，DNA自发损伤 （一）DNA复制时碱基的错误配对 罕见态碱基引起T-G、A-C错配,N H N,N H N,N,N,N,N,N,N,N,N,O H O,O H NH,O H O,O H NH,CH3,CH3,烯醇式T,酮式G,酮式T,烯醇式G,1，T-G错配,2，C-A错配,NH N,N H N,HN HNH,HNH NH,N,N,N,N,N,N,N,N,O,O,亚氨基式C,亚氨基式A,氨基式A,氨基式C,（二）环出效应导致的DNA损伤 1，环出效应引起碱基错配,新合成链 TGGC TGGCA TGGCAATG 模板链 ACCGATAG ACCGTAG ACCGATAG,A,l l l l l l l l l l l l l l l l l,2, 环出效应引起碱基缺失或插入 新合成链 TTTT TTTT TTTTGAC 模板链 AAAAACTG AAAACTG AAAACTG,l l l l l l l l l l l l l l l,A,A,新合成链 TTTT TTT TTTTTGAC 模板链 AAAAACTG AAAACTG AAAAACTG,T,T,l l l l l l l l l l l l l l l,many copying errors that occur during DNA replication are corrected by the proofreading function of DNA polymerases that can recognize incorrect (mispaired) bases at the 3end of the growing strand and then remove them by an inherent 35exonuclease activity.,(三）碱基氨基自发脱落 C自发脱氨基可导致 G-CA-T转换；A自发脱氨基可导致A-T G-C转换；G自发脱氨基生成X，X不与任何碱基配对。,（四）碱基自发脱落 N-糖苷键因自发水解而断裂，嘌呤或嘧啶碱基脱落，形成AP 位点。,常见DNA损伤的类型和原因 损伤类型 原因 异常碱基 物理或化学造成的碱基损伤， 自发脱氨，复制时错误碱基掺入 AP位点 碱基自发丢失，诱发水解 缺口 外切酶活性，不完全复制 链断裂 物理化学因素对DNA骨架的损伤 链交联 紫外线，化学因素,DNA修复(DNA repair) 一，直接修复 二，切除修复 1，核苷酸切除修复 2，碱基切除修复 三，错配修复 四，重组修复 五，SOS修复,一，直接修复(direct repair) 指无需去除碱基或核苷酸，只需一种酶经一步反应修复DNA损伤的修复机制。 1，光复活 2，烷基转移修复 3，嘌呤的直接插入,1，光复活,TGTCATTGCCGCAC ACAGTAACGGCGTG,TGTCATTGCCGCAC ACAGTAACGGCGTG,TGTCATTGCCGCAC ACAGTAACGGCGTG,TGTCATTGCCGCAC ACAGTAACGGCGTG,TGTCATTGCCGCAC ACAGTAACGGCGTG,UV照射 胸腺嘧啶二聚体,光复活酶结合,光的吸收,酶的释放,2，烷基转移修复 烷基转移酶类：将从O6甲基鸟嘌呤或甲基磷酸二酯键的甲基转移至该酶的一个半胱氨酸上，酶自身失活。 3，嘌呤的直接插入 嘌呤插入酶,二，切除修复(excision repair) 1，核苷酸切除修复 （1）大肠杆菌核苷酸切除修复有关的酶 UvrABC内切酶或切除酶：需要ATP的结合但不需要ATP水解；是uvrA，uvrB和uvrC三个基因表达产物的复合物；在损伤位置两侧各作一缺口（UvrB在3端，UvrC在5端）。,解链酶（UvrD编码）：去除UvrABC内切酶产生的寡核苷酸 DNA聚合酶 DNA连接酶,人类核苷酸切除修复有关的基因 XPF/ERCC1/XPG/XPC/XPA/XPD/XPB/P44/P62/P52/MAT1/P34 核苷酸切除修复系统的缺陷引起人类着色性干皮病。,（2）核苷酸切除修复过程,（3）核苷酸切除修复的作用 核苷酸切除修复是一种能识别广谱DNA损伤的系统，对某些大范围的损伤，如交联，大型加合物和多碱基损伤的修复尤为重要。,2，碱基切除修复 （1）碱基切除修复有关的酶 DNA糖基化酶（DNA glycosylase):识别DNA中损伤的或错误的碱基；水解N-糖苷键去除碱基。 AP内切酶： DNA糖基化酶去除碱基后，产生一个AP位点。 AP内切酶：识别此位点并在AP位点的5端产生一个切口/有35外切酶活性，切除AP位点5端的数个核苷酸。,脱氧核糖磷酸二酯酶（dRpase）：切除AP位点的脱氧核糖磷酸，产生一个核苷酸的缺口。 DNA聚合酶：在缺口处进行修复，加入一个核苷酸。或在AP位点5端进行广泛的修复合成。 DNA连接酶：连接最后一个切口。,烷化碱基,切除的游离碱基,无嘌呤嘧啶位点,碱基切除修复过程,In excision repair, bulky lesions in DNA resulting from UV light and various chemicals are removed (excised) by specialized nuclease systems; DNA synthesis by a polymerase fills the gap and ligase joins the free ends.,3，错配修复（mismatch repair） 一种纠正复制后子链中错配碱基的修复方式。 （1）错配修复有关的蛋白和酶 MutH蛋白：内切酶，在子链未甲基化的5-GATC-3序列靠近鸟嘌呤的5-端造成一个切口，使包括错配碱基在内的数百个核苷酸得以切除。,MutS蛋白：识别错配的碱基。 MutL蛋白：将MutH和MutS蛋白连接 成复合体。 解链酶：解开DNA双链。 单链结合蛋白：稳定单链模板。 DNA聚合酶：从3-OH填补空缺。 DNA 连接酶：连接切口。,（2）DNA错配修复的模型,（3）错配修复的意义 修复DNA复制过程中逃避了DNA聚合酶校正作用的子链上的错配碱基。在子链合成后几分钟之内，GATC尚未甲基化，故能被MutH蛋白识别，结合并制造切口。 人类遗传性非多发性结直肠癌的病因是错配修复的基因缺陷。,In mismatch repair, a short section of a newly synthesized DNA strand containing an incorrect base is identified ,removed, and replaced by DNA synthesis directed by the correct template.,4，重组修复(recombinant repair)或复制后修复 指由基因的同源重组介导的修复过程。 作用： （1）修复DNA复制时子链的缺口。 （2）修复双链断裂，单链缺口。 （3）修复双链交联。,重组修复的过程,5，SOS修复 严重的DNA损伤导致DNA复制的停顿，并激发细胞的应激反应，诱导多种蛋白质的合成，此应激反应称为SOS修复。,（1）SOS反应能诱导多种蛋白质的合成。 RecA蛋白：严重的DNA损伤产生大量单链缺口，激活RecA蛋白的水解酶活性，促进LexA阻遏蛋白的裂解和SOS反应的诱导。 LexA阻遏蛋白：调节所有SOS基因的转录。 DNA聚合酶：受SOS反应的诱导。能进行跨损伤复制。 （2）SOS修复是易错修复，导致突变增加。,DNA损伤 诱导信号 recA 蛋白酶激活 lexA 阻遏物切断,阻遏物蓄积 蛋白酶 水平下降 信号水平 下降 DNA修复,lexA基因 recA基因 诱导基因,lexA阻遏物,recA蛋白,嘧啶二聚体,活化的recA蛋白 切断的lexA阻遏物,非诱导状态,诱导状态,SOS修复中 lexA-recA调节子的作用机理,Both bacterial and eukaryotic cells have inducible DNA-repair systems, which are expressed when DNA damage is so extensive that replication may occur before constitutive mechanisms can repair all the damage.,The inducible SOS repair system in bacteria is error-prone and thus generates and perpetuates mutations.,基因突变 基因突变（gene mutation): DNA碱基序列稳定的可遗传的改变。 (A permanent, heritable change in the nucleotide sequence of a chromosome.),基本概念 自发突变(autonomous mutation) 无外界因素影响自发产生的突变。 诱发突变(mutagenesis) 在外界理化因素影响下使DNA发生的突变。 诱变剂(mutagen) 指具有诱变效应的物理与化学因素。 突变体(mutant) 指具有突变基因并出现相应的表型的细胞或个体。,一，突变的分类 （一）点突变 （二）大型突变 （三）染色体不平衡,（一）点突变(point mutation) 仅涉及单个碱基的改变。 1，点突变的种类 （1）转换(transition) 一个嘌呤或嘧啶碱基被另一个嘌呤或嘧啶碱基取代。 （2）颠换(transversion) 一个嘧啶或嘌呤碱基被另一个嘌呤或嘧啶碱基取代。,2，点突变的原因 （1）DNA聚合酶的自发性错误配对。 （2）复制模板链有单个碱基的错误。如碱基损伤（脱氨基 、烷基化等）或碱基类似物。 （3）复制模板链有AP位点。 （4）异源双链DNA的错配修复。,3，点突变的结构变化 （1）同义突变(synonymous mutation) 发生在DNA非编码区或非调节区的突变，或发生在密码子的第三个碱基，不改变编码氨基酸的突变。又称沉默突变(silent mutation)。 （2）错义突变(missense mutation) 导致蛋白质 某一氨基酸改变的点突变。,（3）无义突变 (nonsense mutation) 产生新的终止密码子的点突变。 （4） 延长突变 (elongation mutation)终止密码子突变为氨基酸密码子， 合成超长肽链的点突变。 （5）移码突变（frameshift mutation）一个或3n个核苷酸的插入或缺失， 使阅读框发生变化，从突变处产生新的多肽链序列,点突变 THE CAT SAW THE DOG AND RAN (END) 野生型 THE CAT SAW THE DOG AND MAN (END) 错义突变 THE CAT SAW THE DOG END 无义突变 THE CAT SAW THE DOG AND RAN AND 延长突变 THE CAT TSA WTH EDO GAN DRA NEN D 插入/移码 THE CAT SAW THE BIG DOG AND RAN (END),4，点突变的效应 对氨基酸的影响可从无影响到致死之间。 （1）中性突变（neutral mutation) 不影响蛋白质活性从而不改变生物性状的点突变。 （2）致死突变（lethal mutation) 产生致死效应的点突变。,（二）大型突变(macromutation) 1， 指大的插入（insertion）,缺失（deletion）或重排（rearrangement)。 插入包括： 重复（duplication) 指插入基因组的成分。 扩增(ampilfication) 指插入串联重复序列。 重排涉及DNA的重新组织，但不包括丢失和增加。重排包括倒位（inversion），易位（translocation），融合（fusion）。,2，大型突变的效应 基因的部分丢失或全部丢失；基因内部的部分重复，基因扩增；缺失，重排。 引起基因功能丧失或改变，基因表达的变化，出现新的功能。,（三）染色体不平衡 指染色体数量的突变。 失去或获得整个染色体称为非整倍性，失去或获得整套染色体称为多倍性。 引起多个基因的剂量效应。,二，基因突变的后果 1，无影响 产生遗传多态性（DNA多态性，蛋白质多态性）。 2，生物体结构和功能的异常引起疾病。 3，肿瘤。 4。生殖细胞基因突变传递至后代，导致遗传性疾病的发生。