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第二章DNA的复制、损伤与修复,第一节DNA复制第二节DNA损伤第三节DNA修复,1,熟悉：DNA损伤的类型和原理DNA修复的类型和原理了解：DNA损伤、修复在药物研究中的应用,学习要求,2,DNA损伤的概念：DNA双螺旋结构发生的任何改变，主要分为两种：单个碱基的改变（点突变）双螺旋结构的异常扭曲,第二节DNA损伤,一、DNA损伤原因的分类,第二节DNA损伤,1、DNA复制错误2、碱基互变异构3、自发的化学变化4、氧化作用损伤碱基,引发内源性损伤的因素,第二节DNA损伤,酮式-烯醇式互变异构,第二节DNA损伤,氨基-亚胺基互变异构,第二节DNA损伤,DNA分子中的4种碱基各自的异构体间都可以自发地相互变化，使碱基配对间的氢键改变，造成腺嘌呤错配胞嘧啶、胸腺嘧啶错配鸟嘌呤。,第二节DNA损伤,1、DNA复制错误2、碱基互变异构(两种互变异构)3、自发的化学变化（两种变化）4、氧化作用损伤碱基,引发内源性损伤的因素,第二节DNA损伤,第二节DNA损伤,物理因素：非离子射线（紫外线）和离子射线（X射线）化学因素：碱基类似物、修饰剂、DNA插入剂,引发外源性损伤的因素,第二节DNA损伤,紫外线引起的DNA损伤最易形成胸腺嘧啶二聚体（TT）,第二节DNA损伤,TT,TT引起双螺旋变形,阻断转录和复制,引起细胞死亡。,第二节DNA损伤,单链断裂：破坏DNA链中戊糖和磷酸骨架双链解开碱基改变：细胞中的水经辐射解离后产生大量自由基，使DNA链上的碱基氧化、形成过氧化物、导致碱基环的破坏和脱落。,（2）离子化射线引起的DNA损伤,物理因素：非离子射线和离子射线化学因素：碱基类似物、修饰剂及DNA插入剂,引发外源性损伤的因素,第二节DNA损伤,(1)碱基类似物对DNA的损伤是一类结构与碱基相似的人工合成的化合物，它们进入细胞以后，便能替代正常的碱基而掺入到DNA链中，干扰DNA的正常合成。最常见的碱基类似物是5-溴尿嘧啶（5-BU）。,2、化学因素引起的DNA损伤,第二节DNA损伤,(2)碱基修饰剂对DNA的损伤通过直接修饰碱基化学结构，造成碱基变化而诱导突变。如亚硝酸、羟胺、烷化剂等。,2、化学因素引起的DNA损伤,第二节DNA损伤,(3)DNA插入剂（嵌合剂）对DNA的损伤为平面分子，其分子大小与碱基对大小差不多，可以嵌入到DNA双链碱基对之间，在嵌入位置上引起单个碱基对的插入或缺失突变，造成移码突变。包括吖啶橙、原黄素等嵌合染料。,2、化学因素引起的DNA损伤,第二节DNA损伤,第二节DNA损伤,二、DNA损伤在药物评价中的应用遗传毒性评价：评价一个化合物引起遗传损伤的作用。这些损伤可以固定并遗传。其造成的后果是引起遗传病或肿瘤。遗传毒性试验：进行遗传毒性评价的一系列体内、体外试验，是药物安全性评价的一项重要指标。,第二节DNA损伤,二、DNA损伤在药物评价中的应用1997年统一了检测遗传毒性的标准试验组：1、细菌基因突变试验（Ames试验）2、体外哺乳动物细胞试验（染色体畸变试验或小鼠淋巴瘤TK基因突变试验）3、体内微核试验,第二章DNA的复制、损伤与修复,第一节DNA复制第二节DNA损伤第三节DNA修复,20,DNA损伤的修复系统,复制修复：包括尿嘧啶糖基酶系统、错配修复系统、无嘌呤修复。损伤修复：光复活修复、甲基转移酶、切除修复复制后修复：大肠埃希菌的重组修复系统、SOS修复,第三节DNA修复,一、复制修复系统,尿嘧啶糖基酶系统（复制错误的修复）现象：少数U掺入DNA复制原料，C自发脱氨基氧化而生成U，U和A在复制中配对，不能被DNA聚合酶识别校正。修复机制：切除进入DNA的尿嘧啶核苷酸参与的酶：尿嘧啶N糖基酶AP内切核酸酶(APendonucleases)DNA聚合酶IDNA连接酶,第三节DNA修复,错配修复系统（mismatchrepair，MMR）现象：DNA复制中的错配；修复机制：（1）识别新链与母链；（2）识别标记-母链上甲基化。参与的酶：错配矫正酶、DNA聚合酶、DNA连接酶,第三节DNA修复,一、复制修复系统,第三节DNA修复,DNA的甲基化,DNA的半甲基化中间阶段,修复机制：错配修复系统,DNA的甲基化,第三节DNA修复,DNA损伤的修复系统,复制修复：尿嘧啶糖基酶系统、错配修复系统、无嘌呤修复。损伤修复：光复活修复、甲基转移酶、切除修复复制后修复：大肠埃希菌的重组修复系统、SOS修复,第三节DNA修复,第三节DNA修复,二、损伤修复系统,1、光复活修复（胸腺嘧啶二聚体）修复机制：在可见光（300600nm）活化之下，由光复活酶识别并催化胸腺嘧啶二聚体分解为单体。参与的酶：光复活酶（photoreactivatingenzyme，PR）,光复活酶修复：波长400nm可见光激活,第三节DNA修复,2、切除修复(excisionrepair)是细胞内最重要和有效的修复方式包括两种类型：碱基切除修复和核苷切除修复修复过程：“切补切封”,“切补切封”,切除修复具体步骤,第三节DNA修复,DNA损伤的修复系统,复制修复：包括尿嘧啶糖基酶系统、错配修复系统、无嘌呤修复。损伤修复：光复活修复、甲基转移酶、切除修复复制后修复：大肠埃希菌的重组修复系统、SOS修复,第三节DNA修复,三、复制后修复,第三节DNA修复,1、重组修复系统这是一种越过损伤部位进行修复的途径。重组修复是对尚未修复的损伤DNA先复制再修复，又称复制后修复。,重组修复的主要步骤,第三节DNA修复,损伤的母链带有缺口的子链,正常子链带有缺口的母链,带有损伤部位的DNA,复制形成的正常双链,损伤的母链修复的子链,带有损伤部位的DNA链正常双链DNA,第三节DNA修复,重组修复的主要步骤,重组修复系统特点从同源DNA母链上将相应序列重组交换到子链的缺口处，再弥补母链空缺的修复方式。重组修复结果，损伤并未切除，随传代而“稀释”。,第三节DNA修复,三、复制后修复,2、SOS修复（应急修复作用）,概念：SOS系统是指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式。借用国际通用的紧急呼救信号（saveoursouls）“SOS”命名，表示细胞受到危急状态时的修复方式。,第三节DNA修复,三、复制后修复,2、SOS修复（应急修复作用）,SOS修复过程：在DNA受损区域进行跳跃式复制，受损区域由一整套的特殊酶类，应急性的催化空缺部位DNA的合成，产生大量错配碱基。,第三节DNA修复,三、复制后修复,SOS修复过程,2、SOS修复（应急修复作用）,SOS修复过程：在DNA受损区域进行跳跃式复制，受损区域由一整套的特殊酶类，应急性的催化空缺部位DNA的合成，产生大量错配碱基。SOS修复结果：维持基因组的完整性，提高细胞的生存率，但DNA的一级结构中留下了较多的碱基错配，突变率高。,第三节DNA修复,三、复制后修复,2、SOS修复（应急修复作用）,无误差修复：光复活、切除修复和重组修复等，修复时不引入差错。错误倾向修复：SOS修复，产生缺乏校对功能的DNA聚合酶IV和V（polIV和polV）。,第三节DNA修复,三、复制后修复,主要特征：生理状态下无活性，在DNA分子大范围损伤应急状态下相关的蛋白质、酶类（RecA重组蛋白、LexA阻遏蛋白）激活，通过操纵子模式启动SOS修复。,第三节DNA修复,三、复制后修复,2、SOS修复（应急修复作用）,与SOS修复有关的基因，包括RecA，UvrA,UvrB,umuC和himA，也称为din基因，为结构基因；lexA基因为阻遏蛋白基因，操纵基因。,SOS修复系统操纵子模式,DNA损伤的修复系统,复制修复：尿嘧啶糖基酶系统（尿嘧啶核苷酸）、错配修复系统（甲基化）、无嘌呤修复。损伤修复：光复活修复（光复活酶）、甲基转移酶、切除修复（最重要和有效的复制方式）复制后修复：重组修复系统、SOS修复,第三节DNA修复,四、DNA损伤修复系统与药物,第三节DNA修复,自发性突变及外来环境因素的攻击；科技迅猛发展与保护意识落后之间的不平衡。在哺乳动物体内，平均一个DNA分子每天大概要经受105个基因修饰作用或者基因损伤作用。,DNA损伤修复是细胞内最重要的修复方式。,四、DNA损伤修复系统与药物DNA修复缺陷与癌症、免疫缺陷的发病有关。,第三节DNA修复,人着色性干皮病：是一种由于DNA修复基因缺陷引起的遗传性皮肤病。主要表现为皮肤光敏和早发性肉瘤。,四、DNA损伤修复系统与药物恢复或提高正常细胞DNA损伤修复的能力是药物研发的方向之一。人参、枸杞、螺旋藻以及一些复合方剂如生血片、四生汤等都具有不同程度提高机体DNA修复能力的作用。,第三节DNA修复,四、DNA损伤修复系统与药物肿瘤细胞的耐药问题与DNA损伤修复的能力上调或者缺失密切相关。错配修复系统缺陷引起耐药的机制：错配修复系统功能缺陷使细胞识别DNA损伤的能力减弱；使基因组不稳定性增加,容易产生对抗癌药耐药的突变。,第三节DNA修复,四、DNA损伤修复系统与药物DNA损伤修复是细胞内最重要的修复方式。DNA修复缺陷与癌症、免疫缺陷的发病有关。恢复或提高正常细胞DNA损伤修复的能力是药物研发的方向之一。肿瘤细胞的耐药问题与DNA损伤修复的能力上调密切相关。,第三节DNA修复,思考题1、名词解释：脱嘌呤和脱氨基作用2、DNA损伤的类型及特点3、DNA修复的类型及特点,遗传物质的变异,49,碱基置换突变,移码突变,遗传信息的改变,同义、错义和无义突变,50,1.DNA碱基序列的不同改变,片断突变,2.对外界环境的敏感性,非条件性突变条件性突变,3.突变效应背离或返回到野生型,正向突变回复突变,51,染色体病或染色体畸变综合征是一大类严重的遗传病，通常伴有发育畸形和智力低下，同时也是导致流产与不育的重要原因。,52,1.染色体数目的改变,53,21-三体综合征（先天愚型）属常染