分子生物学DNA损伤与修复

1、分子生物学DNA损伤与修复 各种体内外因素所导致的各种体内外因素所导致的DNA组成与结构的组成与结构的变化称为变化称为DNA损伤（损伤（DNA damage） 其一，其一，DNA的结构发生永久性改变，即的结构发生永久性改变，即突变突变其二，其二，导致导致DNA失去作为复制和失去作为复制和/或转录或转录的模板的功能的模板的功能 DNA损伤的后果损伤的后果:DNA损伤损伤DNA Damage第一节第一节一、多种因素通过不同机制一、多种因素通过不同机制导致导致DNA损伤损伤（一）体内因素（一）体内因素 DNA复制错误复制错误 DNA自身的不稳定性自身的不稳定性 机体代谢过程中产生的活性氧机体代谢过程

2、中产生的活性氧nDNA复制错误：复制错误：n肌强直性营养不良肌强直性营养不良n 19号染色体上编码肌强直性号染色体上编码肌强直性蛋白激酶蛋白激酶Dystrophia myotonica protein kinase(DMPK) 3-UTR 区区(CTG)n重复序列扩增导致重复序列扩增导致。n多见于青春期后，男多于多见于青春期后，男多于女。主要症状为肌无力、女。主要症状为肌无力、肌萎缩和肌强直。肌萎缩和肌强直。 面容瘦长，颧骨隆起，呈斧状脸，颈消面容瘦长，颧骨隆起，呈斧状脸，颈消瘦而稍前屈。骨骼肌收缩后松弛显著延瘦而稍前屈。骨骼肌收缩后松弛显著延迟，导致明显的肌肉僵硬迟，导致明显的肌肉僵硬nDN

3、A自身的不稳定性自身的不稳定性 ：n含有氨基的碱基还含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反可能自发脱氨基反应，转变为另一种应，转变为另一种碱基，即碱基的转碱基，即碱基的转变，如变，如C转变为转变为U，A转变为转变为I（次黄嘌（次黄嘌呤）等。呤）等。n 机体代谢过程中产生的活性氧机体代谢过程中产生的活性氧（二）体外因素（二）体外因素 物理因素物理因素 化学因素化学因素 生物因素生物因素n物理因素：电离辐射（核辐射、各种射线）、非电物理因素：电离辐射（核辐射、各种射线）、非电离辐射（紫外线、各种电器发出的辐射）离辐射（紫外线、各种电器发出的辐射）岡崎岡崎n化学因素：化学因素：二、二、DNA损伤有多种类型

4、损伤有多种类型碱基脱落碱基脱落碱基结构破坏碱基结构破坏嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体形成DNA单链或双链断裂单链或双链断裂DNA交联交联n根据根据DNA结构的改变分为：结构的改变分为：碱基脱落碱基脱落n碱基结构破坏导致碱基之间发生错配碱基结构破坏导致碱基之间发生错配n嘧啶二聚体嘧啶二聚体nDNA链发生断裂：链发生断裂：DNA损伤的类型（从损伤后果上）损伤的类型（从损伤后果上）碱基置换碱基置换缺失缺失 插入插入 链的断裂链的断裂 转换转换颠换颠换DNA损伤的修复损伤的修复The repair of DNA damage第二节第二节托马斯林达尔（TomasRobertLindahl）1938年1月28日

5、出生，瑞典医学家，专门从事癌症研究，挪威科学和文学研究院的成员。发现碱基切碱基切除修复除修复。保罗莫德里奇（Paul Modrich），1946年出生，美国科学家，在杜克大学担任生物化学教授，以及在霍华德休斯医学研究所担任研究员。 发现DNA错配修复错配修复。阿齐兹桑贾尔（Aziz Sancar），1946年生于土耳其萨武尔，美国和土耳其国籍生物学家，专门从事DNA修复、细胞周期检查点、生物钟方面的研究。直接观察到了光光解酶修复胸腺嘧啶二解酶修复胸腺嘧啶二聚体的过程聚体的过程。修复途径修复途径 修复对象修复对象 参与修复的酶或蛋白参与修复的酶或蛋白光复活修复光复活修复 嘧啶二聚体嘧啶二聚体 光

6、复活酶光复活酶碱基切除修复碱基切除修复 受损的碱基受损的碱基 DNADNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶核苷酸切除修核苷酸切除修复复 嘧啶二聚体、嘧啶二聚体、DNADNA螺螺旋结构的改变旋结构的改变 大肠杆菌中大肠杆菌中UvrAUvrA、UvrBUvrB、UvrCUvrC和和UvrDUvrD，人人XPXP系列蛋白系列蛋白XPAXPA、XPBXPB、XPCXPGXPCXPG等等错配修复错配修复 复制或重组中的碱基复制或重组中的碱基配对错误配对错误 大肠杆菌中的大肠杆菌中的MutHMutH、MutLMutL、MutSMutS，人，人的的MLH1MLH1、MSH2MSH

7、2、MSH3MSH3、MSH6MSH6等等重组修复重组修复 双链断裂双链断裂 RecARecA蛋白、蛋白、KuKu蛋白、蛋白、DNA-PKcsDNA-PKcs、XRCC4XRCC4损伤跨越修复损伤跨越修复 大范围的损伤或复制大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤中来不及修复的损伤 RecARecA蛋白、蛋白、LexALexA蛋白、其他类型蛋白、其他类型DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA损伤因素损伤因素 DNADNA损伤类型损伤类型修复机制修复机制X X射线、氧自由基、射线、氧自由基、烷化剂烷化剂 自发脱碱基自发脱碱基单链断裂、无碱基位点、氧化性碱单链断裂、无碱基位点、氧化性碱基（如基（如8-8

8、-氧鸟嘌呤）脲嘧啶氧鸟嘌呤）脲嘧啶碱基切除修复碱基切除修复紫外线和多环芳烃紫外线和多环芳烃环丁烷嘧啶二聚体等大的紫外线光环丁烷嘧啶二聚体等大的紫外线光产物和稳定的多环芳烃化合物等大产物和稳定的多环芳烃化合物等大分子分子DNADNA加合物加合物核苷酸切除修核苷酸切除修复复抗癌药（如顺铂和丝抗癌药（如顺铂和丝裂霉素）裂霉素）双链断裂和链间交联双链断裂和链间交联双链断裂修复双链断裂修复（同源重组修（同源重组修复和末端连接复和末端连接）复制错误和烷化剂复制错误和烷化剂碱基错配和缺失（插入）碱基错配和缺失（插入）错配修复错配修复一、直接修复一、直接修复 嘧啶二聚体的直接修复（光复活酶）嘧啶二聚体的直接修

9、复（光复活酶） 烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复 （烷基转移酶）（烷基转移酶） 无嘌呤位点的直接修复无嘌呤位点的直接修复 （DNA嘌呤插入酶）嘌呤插入酶） 单链断裂的直接修复单链断裂的直接修复 （DNA连接酶）连接酶）直接修复是最简单的一种直接修复是最简单的一种DNADNA损伤修复方式，损伤修复方式，修复酶直接作用于受损的修复酶直接作用于受损的DNADNA，将之恢复为原来的，将之恢复为原来的结构。结构。光修复酶光修复酶n嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复n烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复二、切除修复是最普遍的二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式损伤修复方式 碱基切除修

10、复碱基切除修复 核苷酸切除修复核苷酸切除修复 碱基错配修复碱基错配修复n碱基切除修复（碱基切除修复（base excision repair）的的NER主要由主要由4种蛋白种蛋白质组成：质组成：UvrAUvrBUvrCUvrD 着着色性色性干干皮病皮病(Xeroderma pigmentosum, XP) 是一种隐性遗传性疾病，有些呈性联遗传。因核酸是一种隐性遗传性疾病，有些呈性联遗传。因核酸内切酶异常造成内切酶异常造成DNADNA修复障碍所致。临床以光暴露部位色修复障碍所致。临床以光暴露部位色素增加和角化及癌变为特征。素增加和角化及癌变为特征。 1. 1. 幼年发病，常有家族发病史。幼年发病

11、，常有家族发病史。2. 2. 面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，伴毛细面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，伴毛细血管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤痕。皮肤干燥。血管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤痕。皮肤干燥。数年内发生基底细胞癌、鳞癌及恶性黑素瘤。数年内发生基底细胞癌、鳞癌及恶性黑素瘤。3.3.皮肤和眼对日光敏感。皮肤和眼对日光敏感。4.4.病情随年龄逐渐加重，多数患者于病情随年龄逐渐加重，多数患者于2020岁前因恶性肿瘤岁前因恶性肿瘤 而死亡。而死亡。5.5.组织病理组织病理 晚期出现表皮非典型性增生、日光角化及鳞晚期出现表皮非典型性增生、日光角化及鳞癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。癌和

12、基底细胞癌等恶性肿瘤。着着色性色性干干皮病皮病患儿脸部特征患儿脸部特征着着色性色性干干皮皮病病的并发症的并发症着着色性色性干干皮病皮病的治疗的治疗 避免紫外线照射避免紫外线照射 避免肿瘤致病因子避免肿瘤致病因子 对症治疗对症治疗n碱基错配修复（碱基错配修复（ mismatch repair）大肠杆菌错配修复系统组成大肠杆菌错配修复系统组成:甲基化酶（如甲基化酶（如DNA腺嘌呤甲基化酶，即腺嘌呤甲基化酶，即m6A甲基化酶）甲基化酶）DNA polymerase 填补单链填补单链 DNA 缺口缺口Helicase、SSB、核酸外切酶、核酸外切酶 (和和)、连接酶、连接酶MCE (mismatch

13、correct enzyme) 3 subunits Mut H, L, S 扫描新生链中错配碱基扫描新生链中错配碱基识别新生链中非识别新生链中非 m6A 的的GATC序列序列酶切含错配碱基的酶切含错配碱基的DNA区段区段错配修复错配修复 错配修复MSH（MutS homologs）蛋白）蛋白与与MutL同源的同源的MLH和和PMS蛋白蛋白真核细胞错配修复系统无真核细胞错配修复系统无MutH，也无半甲基化，也无半甲基化标记母链。标记母链。错配修复系统利用冈崎片段连接前的错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺口缺口辨别错配碱基所在的辨别错配碱基所在的DNA链。链。真核细胞碱基错配修复系统：真核

14、细胞碱基错配修复系统：三、三、DNA严重损伤时需要重组修复严重损伤时需要重组修复 同源重组修复同源重组修复 非同源末端连接的重组修复非同源末端连接的重组修复双链断裂修复：双链断裂修复：非同源末端连接的重组修复非同源末端连接的重组修复 四、某些修复发生在跨越损伤四、某些修复发生在跨越损伤DNA的复制事件之后的复制事件之后 重组跨越损伤修复重组跨越损伤修复 合成跨越损伤修复合成跨越损伤修复修复大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤。修复大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤。 重组跨越损伤重组跨越损伤修复修复合成跨越损伤修复合成跨越损伤修复 修复途径修复途径 修复对象修复对象 参与修复的酶或蛋白参与修

15、复的酶或蛋白光复活修复光复活修复 嘧啶二聚体嘧啶二聚体 光复活酶光复活酶碱基切除修复碱基切除修复 受损的碱基受损的碱基 DNADNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶核苷酸切除修核苷酸切除修复复 嘧啶二聚体、嘧啶二聚体、DNADNA螺螺旋结构的改变旋结构的改变 大肠杆菌中大肠杆菌中UvrAUvrA、UvrBUvrB、UvrCUvrC和和UvrDUvrD，人人XPXP系列蛋白系列蛋白XPAXPA、XPBXPB、XPCXPGXPCXPG等等错配修复错配修复 复制或重组中的碱基复制或重组中的碱基配对错误配对错误 大肠杆菌中的大肠杆菌中的MutHMutH、MutLMutL、M

16、utSMutS，人，人的的MLH1MLH1、MSH2MSH2、MSH3MSH3、MSH6MSH6等等重组修复重组修复 双链断裂双链断裂 RecARecA蛋白、蛋白、KuKu蛋白、蛋白、DNA-PKcsDNA-PKcs、XRCC4XRCC4损伤跨越修复损伤跨越修复 大范围的损伤或复制大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤中来不及修复的损伤 RecARecA蛋白、蛋白、LexALexA蛋白、其他类型蛋白、其他类型DNADNA聚合酶聚合酶DNA损伤和修复的意义损伤和修复的意义The significance of DNA damage and repair第三节第三节一、一、DNA损伤具有双重效应损伤具有双重效应 一是给一是给DNADNA带来永久性的改变即突变，可带来永久性的改变即突变，可能改变基因的编码序列或者基因的调控序列能改变基因的编码序列或者基因的调控序列； 二是二是DNADNA的这些改变使得的这些改变使得DNADNA不能用作复不能用作复制和转录的模板，使细胞的功能出现障碍，制和转