DNA损伤与修复课件.ppt

生物化学与分子生物学 DNA损伤与修复DNADamageandRepair 第十五章 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 DNAdamage 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 生物多样性依赖于 DNA突变 DNA修复 平衡 DNA损伤DNADamage 第一节 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 DNA复制错误 在DNA复制过程中 碱基的异构互变 4种dNTP之间浓度的不平衡等均可能引起碱基的错配DNA复制的错配率约1 1010复制错误还表现为片段的缺失或插入 特别是DNA上的短片段重复序列 在真核细胞染色体上广泛分布 导致DNA复制系统工作时可能出现 打滑 现象 使得新生成的DNA上的重复序列拷贝数发生变化 DNA自身的不稳定性 DNA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 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 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 二 体外因素 物理因素化学因素生物因素 物理因素 电离辐射 紫外线 ultraviolet UV 化学因素 自由基导致的DNA损伤碱基类似物导致的DNA损伤碱基修饰剂 烷化剂导致的DNA损伤嵌入性染料导致的DNA损伤 物理和化学因素对DNA的损伤 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 碱基损伤与糖基破坏 化学毒物可通过对碱基的某些基团进行修饰而改变碱基的性质 由于碱基损伤或糖基破坏 在DNA链上可能形成一些不稳定点 最终可导致DNA链的断裂 碱基之间发生错配 碱基类似物的掺入 碱基修饰剂的作用可改变碱基的性质 导致DNA序列中的错误配对 在正常的DNA复制过程中 存在着一定比例的自发碱基错配 最常见的是组成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺入到DNA分子中 DNA链发生断裂 电离辐射 化学毒剂 磷酸二酯键的断裂 脱氧戊糖的破坏 碱基的损伤和脱落都是引起DNA断裂的原因 碱基损伤或糖基破坏可引起DNA双螺旋局部变性 形成酶敏感性位点 特异的核酸内切酶能识别并切割这样的部位 造成链断裂 DNA链上被损伤的碱基也可以被另一种特异的DNA 糖基化酶除去 形成无嘌呤嘧啶位点 apurinic apyrimidinicsite APsite 或称无碱基位点 abasicsite 这些位点在内切酶等的作用下可形成链断裂 DNA的共价交联 DNA双螺旋链中的一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合 称为DNA链间交联 DNAinterstrandcross linking DNA分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合 称为DNA链内交联 DNAintrastrandcross linking DNA分子还可与蛋白质以共价键结合 称为DNA 蛋白质交联 DNAproteincross linking DNA损伤可导致 碱基置换缺失插入链的断裂 DNA损伤的修复TherepairofDNAdamage 第二节 DNA修复 DNArepair 是指纠正DNA两条单链间错配的碱基 清除DNA链上受损的碱基或糖基 恢复DNA的正常结构的过程 DNA修复是机体维持DNA结构的完整性与稳定性 保证生命延续和物种稳定的重要环节 常见的DNA损伤修复途径 一 有些DNA损伤可以直接修复 嘧啶二聚体的直接修复烷基化碱基的直接修复无嘌呤位点的直接修复单链断裂的直接修复 嘧啶二聚体的直接修复 2020 1 29 24 可编辑 烷基化碱基的直接修复 无嘌呤位点的直接修复 DNA嘌呤插入酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共价键 导致嘌呤碱基的直接插入 具有很强的专一性 单链断裂的直接修复 DNA连接酶能够催化DNA双螺旋结构中一条链上缺口处的5 磷酸基团与相邻片段的3 羟基之间形成磷酸二酯键 从而直接参与部分DNA单链断裂的修复 如电离辐射所造成的切口 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 碱基切除修复 baseexcisionrepair 识别水解 DNA糖基化酶特异性识别DNA链中已受损的碱基并将其水解去除 产生一个无碱基位点 切除 在此位点的5 端 无碱基位点核酸内切酶将DNA链的磷酸二酯键切开 去除剩余的磷酸核糖部分 合成 DNA聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列 连接 由DNA连接酶将切口重新连接 使DNA恢复正常结构 核苷酸切除修复 nucleotideexcisionrepair 首先 由一个酶系统识别DNA损伤部位 其次 在损伤两侧切开DNA链 去除两个切口之间的一段受损的寡核苷酸 再次 在DNA聚合酶作用下 以另一条链为模板 合成一段新的DNA 填补缺损区 最后由连接酶连接 完成损伤修复 E coli的NER主要由4种蛋白质组成 UvrAUvrBUvrCUvrD 人类的DNA损伤核苷酸切除修复 首先由损伤部位识别蛋白XPC和XPA等 再加上DNA复制所需的SSB 结合在损伤DNA的部位 XPB XPD发挥解旋酶的活性 与上述物质共同作用在受损DNA周围形成一个凸起 XPG与XPF发生构象改变 分别在凸起的3 端和5 端发挥核酸内切酶活性 在增殖细胞核抗原 PCNA 的帮助下 切除并释放受损的寡核苷酸 遗留的缺损区由聚合酶 或 进行修补合成 最后 由连接酶完成连接 NER不仅能够修复整个基因组中的损伤 而且能拯救因转录模板链损伤而暂停转录的RNA聚合酶 即参与转录偶联修复 transcription coupledrepair 作用方式 NER蛋白质被募集于暂停的RNA聚合酶 转录偶联修复的意义 将修复酶集中于正在转录DNA 使该区域的损伤尽快得以修复 碱基错配修复 mismatchrepair 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 E coli错配修复系统修复复制差错 Dam甲基化酶 methylase 使E coli处于暂时的半甲基化状态 标记母链和新合成的DNA链 帮助新合成的DNA链被错配修复系统识别并修复 模板链的GATC序列甲基化 MutH仅切割新合成的DNA链 MutH的切口位于错配核苷酸的5 侧 使用外切酶 或RecJ 按5 3 方向降解DNA 切口位于错配的3 侧 则使用外切酶 按3 5 方向降解DNA DNA聚合酶 填补所产生单链DNA缺口 MSH MutShomologs 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 真核细胞核苷酸修复错配系统 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 同源重组修复 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 SOS修复中LexA RecA操纵子的作用机制 DNA损伤和修复的意义ThesignificanceofDNAdamageandrepair 第三节 一 DNA损伤具有双重效应 一是给DN