DNA损伤突变和修复.ppt

1 基因突变 genemutation 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 P68 2 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 1 DNA的结构发生永久性改变 即突变 2 导致DNA失去作为复制和 或转录的模板的功能 使细胞的功能出现障碍 重则死亡 DNA损伤的后果 3 受损细胞的转归 很大程度上取决于DNA的修复效果 1 正确有效的修复 2 损伤严重 不能被有效修复 3 不完全修复 4 突变的意义 一 突变是进化 分化的分子基础 二 只有基因型改变的突变形成DNA的多态性这种突变没有可察觉的表型改变 如兼并密码子第三位碱基的改变 蛋白质非功能区段上编码序列的改变等 多态性用于描述个体之间的基因型差别现象 三 致死性的突变可导致个体 细胞的死亡 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 5 第一节多种因素可引起DNA损伤并具有各自的机制 6 一 引起DNA损伤的因素 自发突变 频率 10 9 诱变因素 病毒等 P70 7 一 DNA的自发性损伤 P70 1 DNA的复制错误 8 嘌呤碱 purinebases O 鸟嘌呤 2 氨基 6 氧嘌呤 9 O 嘧啶碱 pyrimidinebases 尿嘧啶 U O CH3 胸腺嘧啶 T NH2 O C C N CH CH N H 胞嘧啶 C 2 氧 4 氨基嘧啶 2 4 二氧嘧啶 5 甲基尿嘧啶 10 11 脱氨基 12 二 环境造成的DNA损伤 P70 1 紫外线引起的DNA损伤 胸腺嘧啶二聚体DNA之间交联DNA与蛋白质交联DNA链断裂 13 2 电离辐射引起DNA损伤 14 3 烷化剂引起DNA损伤 15 R R 烷基化鸟嘌呤m7G 鸟嘌呤G 鸟嘌呤 G 1 电荷平衡N1脱氢 1 2 3 4 5 6 7 8 9 烷基化 例 当 G 的N7 位烷基化 N 7 R 会出现两种情况 1 电荷平衡 N1脱氢 16 G 少了一个氢键条件 G 不能与C配对 改为与T配对 导致基因转换型突变 G T 5 G 3 C G烷基化N1脱氢 17 2 G烷基化后 糖苷键断裂 出现脱嘌呤现象 插入碱基修复时 有1 4的可能性恢复正常 有3 4的可能性变异 1 G G正常 2 G A3 G T4 G C 变异了 R 18 损伤 交连 这种 X 型的交连 导致染色体畸变 细胞容易死亡 两条双链DNA 19 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 C A TA脱氨基变成I I与C配对 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 20 黄曲霉素是致肝癌的重要危险因子 黄曲霉素B1经CYP作用生成的黄曲霉素2 3 环氧化物可与DNA分子中鸟嘌呤结合 引起DNA突变 黄曲霉素B1 2 3 环氧黄曲霉素 DNA 鸟嘌呤 环曲霉素与DNA的结合产物 谷胱甘肽结合产物 21 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 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 22 一个碱基的变异 有转换同型碱基和颠换异型碱基 转换 一种嘌呤换成另一种嘌呤或一种嘧啶换成另一种嘧啶 颠换 嘌呤换成嘧啶或嘧啶换成嘌呤 点突变 点突变pointmutation 错配mismatch P69 23 GTG 正常成人HbA 基因 GAG CTC 镰刀形红细胞性贫血患者HbS与正常成人HbA比较 24 HbS的红细胞正常人红细胞 HbS与HbA红细胞形态 25 插入 一个碱基或一段核苷酸插入到DNA大分子中缺失 一个碱基或一段核苷酸从DNA上消失框移突变 由于缺失和插入 使三联体密码的阅读方式改变 但3个或3n个核苷酸插入或缺失不一定引起框移突变 frame shiftmutation 5 UCACGACAUAUG 3 丝 精 组 蛋 5 UCAGACAUAUG 3 丝 天冬 异亮 缺失 mRNA 插入 insertion 缺失 deletion 和框移突变 P69 26 由基因重排引起的两种地中海贫血基因型 DNA分子内发生较大片段的交换 也称为重组 重排 rearrangement P69 27 由基因重排引起的两种地中海贫血基因型 28 第二节DNA损伤修复机制是遗传保守性的重要保障 29 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 30 正常修复功能 修复功能缺陷 31 DNA修复的特定通路 32 人类DNA修复通路 修复类型基因种类损伤种类 单碱基剪切修复DNAligase LIG3 单碱基损伤DNAglycosylase MBD4 MPG MYH NTH1 OGG1 SMUG1 TDG UNG APE1 APE2 XRCC1 ADPRT ADPRTL2 ADPRTL3 多碱基剪切修复XPA XPC XPE XPF ERCC4 多碱基损伤XPG ERCC5 ERCC1 LIG1 紫外线 吸烟 CSB ERCC6 CSA CKN1 XAB2 TFIIH XPB ERCC3XPD ERCC2 GTF2H1 GTF2H2 1 GTF2H3 GTF2H4 CDK7 CCNH MNAT DDB1 DDB2 MMS19 CENN2 AD23A RAD23B RPA1 RPA2 RPA3 碱基错配修复MSH2 MHS3 MSH6 MSH4 碱基错配MSH5 MLH1 MLH3 PMS1 PMS2 PMS2L3 PMS2L4 Woodetal Science 2001 重组修复RAD50 RAD51 RAD51B RAD51C DNA双链断裂RAD51D RAD54L RAD54B V D J重组RAD52 DMC1 MRE11A NBS1 ERCC1 XPF ERCC4 XRCC2XRCC3 XRCC4 XRCC5 XRCC6XRCC7 XRCC8 BRCA1 BRCA2 33 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 34 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 600nm波长照射激活 嘧啶二聚体的形成与解聚 P71 35 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 36 二 切除修复 excisionrepair 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 P71 37 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 apurinicandapyrimidinicsites 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 38 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 39 切除修复过程 E coli 40 三 重组修复 recombinationrepairing 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polI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 41 重组修复 42 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 43 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 44 SOS修复机制 SOS修复 无模板指导的DNA复制 大剂量的紫外线照射 大量的二聚体产生 SOS系统诱导 错误潜伏的复制超越二聚体而进行 45 RecA P三种功能 46 当DNA复制受阻 DNAdamaged 47 SOS修复只是SOS反应的一部分 RecA在SOS反应中起核心作用 RecA与LexA组成调控环路 RecA受LexA的部分抑制 48 当DNA复制度过难关后 49 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 checkpointcontrol 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 50 当DNA损伤发生在复制期 S 和有丝分裂期 M 这两个细胞周期的重要时相时 细胞除了诱导修复基因的转录外 还可暂时阻断细胞周期 防止损伤DNA继续复制 如无法复制 则可以诱导细胞进入凋亡 真核生物通过细胞周期检查点控制机制来准确控制应答时序 协调应答过程 从而诱导修复基因的转录 或暂时阻断细胞周期 或诱导细胞凋亡 51 一 酵母细胞的细胞周期检查点控制机制 损伤发生在G1 G2期 细胞周期检查点控制的四种相关基因是 rad9 rad17 rad24 mec3 它们接受DNA损伤信号 下传给mec1和rad53 mec1和rad53蛋白激酶基因 是信号传导中的两个关键基因 RAD53位于MEC1下游 可能直接阻断细胞周期于G1 S 52 DNA损伤发生在S期时 细胞周期检查点控制的相关基因是另外三种 pol2 rfc5 dpb11 pol2编码DNA聚合酶 RFC5就是复制因子C DPB11的作用尚不明确 但它是阻断复制必需的因子 53 在DNA损伤应答过程中 rad53表达产物被磷酸化激活的过程有赖于POL2 RAD9和MEC1 若损伤发生在S期 主要依靠POL2方式应答 若损伤发生在G1 G2期 则主要依靠RAD9 RAD17 RAD24和MEC3方式应答 细胞通过上述机制对DNA损伤产生选择性反应和阻断DNA复制 54 DNAdamageinG1andG2phage DNAdamageinSphage RAD9RAD17RAD24MEC3 POL2RFC5DPB11 MEC1 TEL1 RAD53 55 二 哺乳类动物的细胞周期检查点控制机制 哺乳动物的相关控制基因是 p53 p21和atm 突变共济失调毛细血管扩张症基因 p53是一种抑癌基因 可调节其他损伤应答相关基因的表达 在DNA损伤应答中起关键作用 紫外线照射后 野生型细胞 p53 的细胞周期阻断在G1期 而缺失p53的细胞 p53 无此现象 研究发现 p53的应答作用是通过其下游效应基因实现的 56 DNAdamage p53 P21 Bax Gadd45 CDK cyclin blockingcellcycleG1 cellapoptosis Gadd45 PCNA excisionrepairing 57 P21通过与CDK cyclin结合抑制CDK2和CDK4的活性 后两者是细胞周期从G1转入S期所必需的周期蛋白依赖性蛋白激酶 从而P53通过调节P21 CDk Cdk可诱导细胞周期阻滞于G1期 P53还可以通过调节Bax的表达来诱导细胞凋亡 Bax为细胞凋亡基因 p53能够调控gadd45基因表达 Gadd45不仅具有促核苷酸切除修复作用 还可以通过与细胞核增殖抗原 PCNA 的相互作用阻断细胞复制 阻断细胞周期 PCNA参与DNA复制和DNA损伤的切除修复 它既是DNA聚合酶 和 的辅助因子 又是DNA复制复合物的成员 众多相关基因协同表达 可调节DNA复制 阻断细胞周期或引起细胞凋亡 58 第三节生物标记物可作为DNA损伤和修复的参考标志 P72 59 一 甲基化损伤修复相关基因的突变可作为甲基化损伤的基因型标记物 烷化剂使G甲基化变成O6 甲基鸟嘌呤 可以与T配对 造成碱基错配 重要的修复酶 O6 甲基鸟嘌呤 DNA甲基转移酶 MGMT MGMT基因高度保守 其调节序列的突变是导致MGMT表达水平改变的重要原因 并因此导致对烷基化损伤修复的个体差异 MGMT突变可作为甲基化损伤的基因型标记物 60 二 切除修复相关的酶和基因可作为切除修复的生物标记物 碱基切除修复 尿嘧啶糖基化酶为主要始动因素核苷酸切除修复 着色性干皮病A蛋白始动 切除修复基因 大肠杆菌Uvr基因家族 rad1 rad2 rad3 rad4 rad7rad10 rad14 rad16 rad23 rad24 rad25 mmsl9 人ecrr基因 ecrr1 6等6个基因切除修复基因 xpa h等8个基因 放射线敏感基因 atm bcra2 p53等均可作为切除修复的生物标记物 61 三 错配修复相关基因可作为检测错配修复功能的生物标记物 62 遗传性非息肉型结肠癌 HNPCC 多发性家族性结肠癌 HNPCC中 错配修复缺陷是癌变的第一步 对其家族的前瞻性研究发现MLH1 MSH2的MI 微卫星序列的不稳定性 在肿瘤及癌前病变的病人中明显升高 表明MI对HNPCC的发生有预测作用 可作为检测错配修复功能的基因标记物 P72 63 四 DNA聚合酶 突变可作为碱基切除修复功能缺陷的标记物 DNA聚合酶 不参与染色体DNA复制 但参与辐射损伤和化学损伤的修复 并对细胞生长具有调节作用 该酶的突变导致碱基切除修复功能的缺陷 64 五 Ku蛋白和Rad52蛋白缺陷可作为重组修复缺陷的标记物 重组修复是大片段DNA损伤后的重要修复方式 虽然准确性较差 但可以避免损伤导致的细胞立即死亡 Ku蛋白是双链断裂平端修复的必需蛋白 Rad52蛋白是双链断裂同源重组修复的重要参与者 已发现同源重组修复缺陷的胃细胞癌变的可能性增加 核内核酸外切酶也参与重组修复 65 第四节DNA损伤 修复与人类疾病 P72 66 一 核苷酸切除修复与着色性干皮病 P72 着色性干皮病 xerodermapigmentosum 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 67 XP病人和正常人中皮肤癌发生的年龄分布 Kraemer PNAS 1997 Skincancersinnormalpopulation SkincancersinXPpopulation XP xerodermapigmentosum 68 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 69 三 转录偶联修复与Cockayne综合征 CS P72 转录偶联修复 transcription coupledrepair 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 TF H 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 transcriptionrepaircouplingfac