DNA损伤与修复和染色质维护PPT课件

.1，厦门大学研究生课程：分子细胞生物学，第一个：基因表达调控和蛋白质修饰，第一章：真核基因表达调控第二章：表观遗传学第三章：非编码RNA和基因调控第四章：DNA损伤及修复和染色质维持第五章：翻译后水平的蛋白质修饰*。第2，4章：DNA损伤和修复和染色质组装和维护，第1节DNA损伤修复和其他反应系统第2节染色质组装和染色质组装因子第3节RecQ螺旋酶和CAF-1和基因组稳定性。3，细胞的DNA包含完整的遗传信息，真核生物DNA和组蛋白相互作用形成非常有序的染色质。DNA和染色质都是配偶和结合者形成的，然后在个体生长发育的细胞活动和基因表达过程中动态变化。正常细胞有完整的DNA损伤和染色质维持系统，以维持基因组稳定和DNA的完整性，遗传信息准确地传递到下一代，细胞功能正常。DNA损伤、修复和染色质组装和维持直接损害基因组的稳定性。如果基因组的稳定性被破坏，就会出现多种遗传、代谢性疾病或肿瘤。因此基因组稳定性调控和DNA恢复机制的研究是生物医学科学的重要领域。第4，1节DNA损伤修复和其他反应系统，第1，DNA损伤，即DNA分子物质的损伤。研究结果表明，生物体细胞的DNA每小时都会受到损伤。即使是100万个相当于人的基因组的近百万分之一. 65(估计是人的双倍体基因组的60亿对基因)的分子，每天也会损坏1-100万个分子。但是如果肿瘤抑制基因等主要基因发生损伤，细胞就不能发挥自己的能力，对肿瘤形成的可能性和肿瘤异质性有很大的影响。因素、体内：DNA复制和染色质组装错误、自发损伤、活性氧物质ROS、自由基等代谢副产品。环境：物理因素：x，伽马射线，紫外线，亚原子粒子等化学因素：直接致癌或间接致癌化学物质等生物因素：病毒、真菌等，在体内环境和体外会对DNA造成其他损伤的因素很多。5，(1)基本缺损DNA中脱氧核糖和碱基的糖苷结合在生理条件下不太稳定。哺乳动物细胞每天有数千个嘌呤和数百个嘧啶的自然缺失，导致嘌呤和嘧啶部分(AP site，apurinin/apyrimidicsite)，图5-1碱基缺失DNA链和分子交联；DNA单股、双股断裂等。6，(2)基本修改-主要3类，图5-2氨去除反应，(CH3)，(5mc) (t)，(NH2)，(NH2)发病率：每单倍体基因组每天大约产生100个尿嘧啶。其他脱氨基反应包括腺嘌呤(a)或鸟嘌呤(g)转变为嘌呤(I) (hyrolysisofbases)，7，化学修饰的：DNA可能发生很多化学修饰。在细胞氧化代谢过程中，或细胞可由电离辐射产生。图5-3氧化修饰，除活性氧外，环境中的很多化学物质在DNA中添加甲基或其他烷基组，是哺乳动物二倍体基因组每天能产生数千个烷烃化碱的烷基化剂。(alkytranslation)、活性氧(纯氧、过氧化氢自由基、过氧化氢、羟基自由基)、活性氧化学转化碱，最常见的例子是胸腺嘧啶转化胸腺嘧啶为胸腺嘧啶(图5)，光损伤：细胞接受x射线和紫外线后，其能量会对DAN产生一些化学反应。最常见的是制造新的化学键，形成环丁烷嘧啶二聚体(cyclobutanepyrimidinedimers，CPDs)。其中T-TCPDs最常见，T-C/C-T其次是C-C，C-C较少。(图5-4)，图5-4 ThymineDimer，8，(3)复制错误(replicationerrors) DNA聚合酶非常准确，大部分复制过程中发生的错误很快消除，但复制系统并不完善，DNA复制过程中仍然发生碱基不符、插入或缺失错误。(4)链间交联(ICLs)是指其他DNA链的碱基间连接，主要由一些双功能烷基化物(如补骨脂)引起，UV辐射照射和电离辐射也是链间交联(5)DNA-蛋白质交联(DNA-蛋白质交联)(6)DNA破坏在正常细胞代谢过程中，可能会发生拓扑异构酶、核酸酶、复制叉的崩溃(collapse)和部分恢复过程中DAN单链或双链断裂，但发生的概率特别低。强电离辐射会导致DNA破裂。9，2，DNA损伤修复，使用的生物大分子中只有DNA损伤后修复，其他大分子被新分子取代。细胞可以检测DNA损伤引起的双螺旋空间结构的变化，根据DNA双螺旋结构的损伤类型，使用不同的机制修复损伤：1)如果可能，使用细胞使用的未修改的互补单链DNA或姐妹的染色单体作为模板，修复原始信息。2)在没有模板的情况下，细胞使用一种“translesionsynthesis”机制作为最终手段。DNA恢复机制根据修复方法可分为四大类。(1)直接修复(directreversal) (2)切除修复(excisionrepair) (3)双股断裂修复(DNAdouble-strandbreakrepair)()，10，(1)直接修复，直接修复是通过生化反应将受损的DNA直接还原为正常的DNA分子。发现了接受MTHF和8-HDF光能量的组接受光，然后将能量转换为fadh的三种方法，CPD光合作用分解酶利用FADH-的能量将二聚体分解为单体(图5-5)，图5-5CPD光恢复模式图，(1)CPD光合作用分解酶参数光合作用酶(如FADH2-(1，5-二羟-5-腺苷二核苷酸)的生色团是MTHF(二亚甲基四叶酸)或8-HDF(8-羟基-5-鳄梨黄素)。(300-500nm)，CPD光合分解酶在细菌、真菌、植物和其他脊椎动物中广泛存在，但在胎盘哺乳动物中找不到。11，(2)以甲基转移酶(MGMT)为媒介的修复，这是修复甲基化损伤而不是单口的方法。甲氨蝶呤(Mgmt)通过将甲鸟氨酸的甲基转移到半胱氨酸来修复这种烷基化损伤。demethylation of 6-o-methylguanosino，(o6mgg)，mgmt，这些修复牺牲是基于MGMT的，因为一旦转移到这种烷基转移酶，它们就会永久失去活性。因此，MGMT介导的反应不是真正意义上的酶反应，而是计量化学反应。(3)部分细胞色素和腺嘌呤甲基化损伤的逆转。(前面介绍过)、12，(2)切除修复(excisionrepair)，DNA单股损伤(Single-stranddamage)的修复方法。通过核糖酶去除受损的碱基，通过以正常链为模板的DNA聚合酶在3-0H端扩展DNA连接酶，连接其间隙。碱基切除修复，包括氧化、碳氢化合物生成、水解或脱氨等个体受损碱基的修复；核苷类切除术修复引起螺旋变化的核苷，包括NER-nucleotideexcisionrepair、CPDs不一致恢复(MR-mismatchrepair)等。，基本切除修复(BER):一般分3个阶段，(1)特定糖苷酶(glycosylase)催化受损碱基和脱氧核糖之间的糖苷水解，释放游离碱，在DNA中生成碱基部位需要4种酶。(2)在脱嘌呤/嘧啶(AP)核酸内啡肽(encela)所驱动的碱基上部剪切缝隙，形成3-OH；(3)DNA聚合酶在3-OH端延伸，DNA连接酶连接其缝隙。图5-6碱基切除和修复启动阶段示意图，damaged，APsite，*，(糖苷酶)，(AP)，3-oh，13，大部分糖苷酶只识别一种损伤。细胞中有多种糖苷酶，但不能处理所有DNA损伤。14，核苷切除修复(NER):是一种更灵活的DNA修复机制，通过了解DNA的异常结构和异常化学特性，识别DNA损伤，消除这种损伤的核苷酸。核苷酸切除和修复过程更复杂，参与的蛋白质更多。对核苷酸切除和修复有重要功能的蛋白质分子及其可能参与的步骤见表5-2。其中有识别损伤部位的蛋白质，也有参与切除核苷酸的蛋白质。这些蛋白质大部分相互作用，形成一个大的复合体。核苷酸切除及修复过程：首先从大量体复合物识别损伤，然后切除损伤两侧。DNA链解开后，包含损伤的单链片段解开后，剩下的空隙里充满了DNA聚合酶，DNA连接酶关闭。这条路线包含20多种蛋白质，可以恢复紫外线辐射诱导的CPD(环丁烷吡啶)和一些化学物质引起的大的附加物。NER可以通过分为两个子路径(1)整个基因组恢复(globalgenomicrepair，GGR)路径：来恢复整个基因组内的损坏。其效率取决于损伤的化学特性、损伤部分的DNA序列和染色质结构。(2)转录耦合修复(trancsription-coupledrepair，TCR)途径：特异性地修复基因组中转录活性基因的转录DNA链的损伤。这条路线的特点是RNA聚合酶催化的转录，其中一些是普通转录因子TFIIH的亚基。15，16，纠正不匹配(mismatchrepair，MMR):主要是恢复DNA复制过程中生成的错误对的碱基。检查和剪切新DNA链的碱基对，以正确的顺序填补空隙。对不一致恢复基因的理解首先来自对e. coli的研究。在E. coli中，不一致恢复的主要任务是MutS(MutatorS)、MutL和MutH，它们都与DNA相结合并发挥功能。MutS识别新链的错误碱基并将其结合，然后MutL结合到这个DNA-蛋白质复合体中，使其结合稳定。MutS-L复合物转移到GATCm部位，激活结合中的核酸内切酶(MutH)，使子链中未甲基化的-GATCm序列在鸟氨酸的5-端附近产生切口，从而切割数百个核苷酸，包括对准错误的碱基。之后，DNA聚合酶和DNA连接酶合作，以正确的链为模板合成了正确的新生链。但是利用DNA序列甲基化区分雌性和新生儿DNA链可能是e. coli独有的。图5-7原核细胞的不一致修复，x，(截断的不一致片段)，17，真核细胞中有5种MutS的同系物hMSH2-6和3种MutL同系物hMLH1，hPMS2和hPMS1，蛋白质从序列到蛋白质功能都有相似性。MutS的同族体也识别出错误的碱基，将其结合，然后将MutL的同族蛋白重新组合到这个复合体中。与原核细胞不同，真核细胞MutS和MutL的同源蛋白质以二元体二聚体的形式起作用。人细胞中的MutS二聚体主要是两种：mut sh2-msh 6(msh 2-msh 6)，MutS。MutS 主要识别单碱基的不匹配和插入或缺少小碱基的结果形成的环(一两个碱基)。MutS主要识别较大的环(2-10个碱基)。真核细胞中的MutL异种二聚体(含MLH1):由90%的PMSl(酵母)或PMS2(人类)和细胞中的ml h1组成的MutL；由MLH1和MLH2(酵母)或PMS1(人)组成的MutLMutL包含MLH1和MSH3。图5-9真核细胞不匹配修复，mutsa-mutla二聚体识别和不匹配碱基联合RFC、PCNA等修复蛋白参与真核细胞DNA不匹配修复。*RFC=ReplicationfactorC，aprioeincomplex。* PCNA=proliferatingcellnuclearantigen，adna clamp，18，diagrammofdnammrpathhwways，euk aryotes proofreading(nicks present)(b)mostbacteriasimilarto(a)，19，Science 23 December 20113360 vol . 334 no . 6063 PP . 1713-1716 doi 33610.1126/Science . 12160770，20，(c)双股断裂修复，双股DNA断裂修复分为同源重组修复和非同源末端连接两种机制。两条路径都有多个修复蛋白质参与，经过不同阶段的反应，修复受损的DNA。(1)homologousrecombinati