DNA损伤与修复

DNA损伤、修复和突变,DNA既稳定，但也脆弱,.,哪些因素能影响到DNA的完整性？,细胞内源的因素环境因素-例如化学试剂、污染物和UV线疾病治疗-例如离子辐射和化疗,.,细胞内源因素,复制错误例如四种dNTP之间的不平衡导致错配DNA本身的不稳定碱基的自发脱氨基DNA的脱嘌呤/脱嘧啶导致碱基脱落活性氧的作用DNA,蛋白质和脂质的氧化,.,DNA分子上的自发脱嘌呤作用和自发脱氨基作用,.,脱嘌呤/脱嘧啶,脱嘌呤比脱嘧啶更容易在DNA分子上产生无碱基位点（AP位点）大肠杆菌1次脱嘌呤/基因组/复制嗜热水生菌300次脱嘌呤/基因组/复制哺乳动物细胞10000次脱嘌呤/基因组/复制,.,活性氧（ROS）,由正常的细胞代谢产生线粒体利用细胞85%O2，是主要的ROS来源导致DNA、蛋白质和脂质损伤常见的形式：过氧化氢(H2O2)超氧化物自由基(O2-)一氧化氮(NO)羟基自由基(HO)过氧亚硝基阴离子(O=NOO-)烷过氧化物(ROOH)烷氧自由基(RO),.,环境（外源）因素,化学试剂(1)天然化合物黄曲霉素(2)人造化合物苯并芘-香烟顺铂-化疗药物物理因素(1)UV(2)离子辐射-射线x-射线,.,DNA损伤类型,碱基修饰碱基丢失-无碱基位点复制错误：错误链断裂蛋白质-DNA交联DNA-DNA交联,DNA损伤的因素和损伤的主要类型,活性氧的碱基修饰作用,鸟嘌呤的甲基化导致碱基错配,紫外线引起的碱基损伤,离子辐射引起的DNA链断裂,.,稳定，但脆弱,不修复将导致突变干扰转录和复制导致突变加速衰老细胞的修复机制是必需的修复机制是全方位的、高效的1/1000损伤躲过修复,.,DNA修复,DNA与其它生物大分子一样，在受到机体内外因素的作用下，其结构会遭受到各种各样的损伤，但是，和其它生物大分子不一样的是，DNA是唯一的一种在发生损伤以后可以被完全修复的分子，而其它生物大分子在受到损伤以后要么被降解，要么被取代。当然，并不是发生在DNA分子上的所有损伤都可以修复。如果DNA受到的损伤不能及时被修复，不仅会使DNA的复制和转录受到影响，还可以导致细胞的癌变和早衰。细胞之所以在DNA受到损伤以后，选择的处理方法是尽量将其修复而不是将其降解，这一是因为作为遗传物质的DNA分子在细胞内只有一个拷贝，如果将其水解的话，细胞也就失去了存在的根基；二是DNA的互补双螺旋结构使得修复一个受损伤的DNA分子变得很容易。正因为如此，一种生物体，即使是那些基因组甚小的生物，也会在修复上投入大量的基因（100个基因），这再次说明了DNA的稳定性压倒一切。.,被科学杂志评为1994年的年度分子,.,DNA修复机制,.,直接修复,嘧啶二聚体的直接修复由DNA光裂解酶催化。此酶直接识别和结合嘧啶二聚体。然后，利用作为吸光色素的辅基捕捉到的光能，将嘧啶二聚体打开，最后再与DNA解离。但是胎盘类哺乳动物却没有这种酶。烷基化碱基的直接修复由特定的烷基转移酶催化DNA链断裂的直接修复由DNA连接酶催化。,嘧啶二聚体的直接修复,烷基化碱基的直接修复,.,切除修复,切除修复先切除损伤的碱基或核苷酸，然后，重新合成正常的核苷酸，最后，再经连接酶重新连接，将原来的切口缝合。整个切除修复过程包括识别、切除、重新合成和重新连接。切除修复又分为碱基切除修复（BER）和核苷酸切除修复（NER），两者的主要差别在于识别损伤的机制上，前者是直接识别具体的受损伤的碱基，而后者并不识别具体的损伤，而是识别损伤对DNA双螺旋结构造成的扭曲。,尿嘧啶的切除修复,真核细胞的碱基切除修复,.,核苷酸切除修复,NER最初的切点是损伤部位附近的3,5-磷酸二酯键，主要用来修复因UV、丝裂霉素C和顺铂等因素造成的比较大的损伤，如嘧啶二聚体、6-4光产物或体积较大的碱基加合物以及链间交联等导致DNA结构发生扭曲并影响到DNA复制的损伤，此外，约20%碱基的氧化性损伤也由它修复。在修复过程中，损伤以寡聚核苷酸的形式被切除。由于NER识别损伤的机制并非针对损伤本身，而是损伤对DNA双螺旋结构造成的扭曲，因此，NER能够使用相同的机制和几乎同一套修复蛋白去修复一系列性质并不相同的损伤。,.,NER在所有的生物具有相同的步骤：识别损伤由特殊的蛋白质完成，并由此引发一系列的蛋白质与受损伤DNA的有序结合；切除损伤特殊的内切酶在损伤部位的两侧切开DNA链，随后两个切口之间带有损伤的DNA片段被去除；修复合成DNA聚合酶以另外一条链为模板，合成已被切除的序列；缝合切口由DNA连接酶催化。,.,错配修复（MMR）,MMR系统主要用来修复DNA分子上错配碱基对，此外，还能修复一些因“复制打滑”而诱发的核苷酸插入或缺失损伤。错配修复系统必须能够保证只会将子链上错误的碱基切除，而不会把母链中本来就正确的碱基切除。大肠杆菌的MMR系统的确就是利用甲基化来区分子链和母链的，因此，大肠杆菌内修复复制中产生的错配碱基的系统又称为甲基化导向的错配修复。至于其它细菌和真核细胞如何区分子链和母链的尚不清楚。,.,损伤跨越,重组跨越使用同源重组的方法将DNA模板进行交换以避免损伤对复制的抑制，从而使复制能够继续下去，而随后的复制仍然使用细胞内高保真的聚合酶，因此忠实性并无下降，故此途径被视为一种无错的系统。跨越合成又称为（TLS）跨损伤合成，由专门的DNA聚合酶与停留在损伤位点上的原来催化复制的DNA聚合酶交换，在子链上（模板链上损伤碱基的对面）插入正确或错误的核苷酸，结果导致对损伤位点无错或易错的跨越。,大肠杆菌的重组跨越,大肠杆菌的SOS反应,SOS反应是指细胞在受到潜在致死性压力下，例如UV辐射、胸腺嘧啶饥饿、DNA修饰物的作用和DNA复制所必需的基因的失活，做出的有利于细胞生存的代谢预警反应，包括易错的跨损伤合成、细胞丝状化和切除修复的激活，其中涉及到近20个“sos”基因的表达，整个反应受到LexA阻遏蛋白和RecA激活蛋白的调节。,真核细胞DNA的跨损伤合成,.,DNA的突变,修复系统的不完善，为DNA的突变打开了方便之门，因为这些损伤如果在下一轮DNA复制之前还没有被修复的话，就有可能直接被固定下来传给子代，有的则通过易错的跨损伤合成产生新的错误并最终也被固定下来。这些发生在DNA分子上可遗传的结构变化通称为突变,.,突变的类型,点突变是指DNA分子某一位点上所发生的一种碱基对变成另外一种碱基对的突变，可分为转换和颠换两种形式，其中，转换是指两种嘌呤碱基或两种嘧啶碱基之间的相互转变，颠换是指嘌呤碱基和嘧啶碱基之间的互变移码突变是指在一个蛋白质基因的编码区发生的一个或多个核苷酸（非3的整数倍）的缺失或插入。,碱基突变的几种方式,移框突变,.,点突变的后果,（1）突变的密码子决定同样的氨基酸，这样的突变对蛋白质的结构和功能不会产生任何影响，因此称为沉默突变。（2）突变的密码子决定不同的氨基酸，这样的突变可能对蛋白质的功能不产生任何影响或影响微乎其微，也可能产生灾难性的后果而带来分子病。由于突变导致出现了错误的氨基酸，因此，这样的突变称为错义突变。如果错误的氨基酸与原来的氨基酸是同种性质，这种突变被称为中性突变。（3）突变的密码子变为终止密码子或者相反，前者因为终止密码子的提前出现可导致一条多肽链被截短，被称为无义突变，后者则会加长一条多肽链，被称为加长突变或通读突变。,.,隐性突变和显性突变,DNA突变可能是隐性的，也可能是显性的。如果突变仅仅是灭活一种蛋白质，那么，这种突变一般产生隐性性状。因为染色体是成对的，每一个基因至少有2个拷贝，一条同源染色体上正常的基因能够抵消另一条同源染色体上突变的基因对细胞功能和性状的影响。因此，只有一对同源染色体上两个相同的基因都发生突变，才会影响到表现型；如果突变产生的蛋白质对细胞有毒，这种毒性无法被另外一条染色体上正常基因表达出来的正常的蛋白质所抵消或中和，那么，这种突变被视为显性。显性突变只需要两条同源染色体上任意一个拷贝上的基因发生突变，就可以带来突变体的表现型发生变化。,.,突变的原因,几乎任何导致DNA损伤的因素都能够导致DNA突变，前提是它们造成的损伤在DNA复制之前还没有被细胞内的修复系统修复，因此，可以这样认为，导致DNA损伤的原因在某种意义上就是导致DNA突变的原因。由内在因素引起的突变被称为自发性突变，由外在因素引发的突变被称为诱发突变。各种导致DNA突变的内外因素总称为突变原。,.,导致自发点突变的原因,自发的点突变（1）DNA复制过程中的错配（2）自发脱氨基（3）活性氧的氧化（4）碱基的烷基化自发的移码突变（1）“复制打滑”（2）转座作用。,烯醇式的T和G的配对,自发脱氨基和活性氧作用引起的碱基转换,复制打滑引起的移框突变,.,诱发突变,1.诱发点突变（1）碱基类似物，如5-溴尿嘧啶和2-氨基嘌呤（2）烷基化试剂，如氮芥和硫芥等（3）脱氨基试剂，如亚硝酸（4）羟胺2.诱发移码突变嵌入试剂，如吖啶黄，原黄素和EB等,碱基类似物诱发的点突变,诱变剂诱发的点突变,嵌入试剂诱发的移框突变,各种化学诱变剂化学结构,.,回复突变与突变的校正,（一）回复突变如果在老的突变位点上发生第二次突变，致使原来的表现型得到恢复，这样的突变被称为回复突变。表现型能够在回复突变中恢复可能是因为突变点编码的氨基酸变成原来的氨基酸或者性质相似的氨基酸，从而使原来的突变的蛋白质功能得到全部或部分恢复。（二）校正突变校正突变有时被称为假回复突变，它是指发生在非起始突变位点上但能够掩盖或抵消起始突变的第二次突变，它分为基因内校正和基因间校正。,回复突变,.,基因内校正,基因内校正与起始突变发生在相同的基因内，它可能是通过点突变也可能通过移码突变来实现校正，不过点突变一般只能通过点突变来校正，移码突变只能通过移码突变来校正。如果是通过点突变来校正，一般是通过恢复一个基因产物内2个残基（氨基酸残基或核苷酸残基）之间的功能联系来实现的。具体机制可能是2次突变相互抵消了2个残基的变化，从而恢复了2个残基之间的相互作用，致使基因产物能够正确地折叠，或者是2个相同的亚基能够组装成有功能的同源二聚体。,基因内校正,.,基因间校正,基因间校正发生在与第一次突变不同的基因上，绝大多数是在翻译的水平上起作用。这种发生第二次突变具有校正功能的基因被称为校正基因。每一种校正基因只能