第六章 DNA损伤与修复课件

第六章DNA损伤与修复

DNAdamageandrepair1第六章DNA损伤与修复

哺乳动物细胞DNA损伤的发生频率

DNA损伤类型次·细胞-1

·天–1单链损伤55000脱嘌呤10000脱嘧啶200O6甲基鸟嘌呤3100胞嘧啶脱氨基200胸腺嘧啶乙二醇270胸苷乙二醇702第六章DNA损伤与修复第一节DNA损伤的原因及后果电离辐射氧自由基烷化剂复制错误碱基类似物紫外线DNA3第六章DNA损伤与修复一、DNA分子的自发性损伤(一)DNA复制产生误差模板核酸外切酶活性DNA聚合酶Ⅰ

错配碱基4第六章DNA损伤与修复

如大肠杆菌碱基配对的错误率为10-1-10-2

DNA聚合酶校正后错误率为10-5-10-6

复制后经校正系统校正，错配率为10-9左右5第六章DNA损伤与修复（二）DNA的自发性化学变化

1.碱基的异构互变DNA分子中的4种碱基各自的异构体间都可以自发地相互变化(例如酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变)，使配对碱基间的氢键改变。6第六章DNA损伤与修复碱基的互变异构效应

碱基T和G能够以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现碱基C和A能够以氨基式或亚氨基式两种互变状态出现一般生理条件下，碱基互变平衡反应倾向于酮式或氨基式，故A:T和C

G碱基配对

7第六章DNA损伤与修复互变异构效应引起不正常的碱基配对稀有形式常见形式8第六章DNA损伤与修复2.碱基的脱氨基作用碱基的环外氨基有时会自发脱落，从而胞嘧啶(C)变成尿嘧啶(U)，腺嘌呤(A)变成次黄嘌呤(H)、鸟嘌呤（G）变成黄嘌呤(X)等。复制时,U与A配对、H与C配对就会导致子代DNA序列的错误变化。9第六章DNA损伤与修复3．脱嘌呤与脱嘧啶

即碱基脱落，是指从DNA上丢失了嘌呤或嘧啶，形成无碱基位点，称为AP部位（apurine,apyrimidinesite,AP）。10第六章DNA损伤与修复复制时可以插入任何核苷酸。脱落碱基后的脱氧核糖3’端的磷酸二酯键易被水解，造成DNA链断裂。在哺乳动物细胞基因组中，每天每个细胞因N-糖苷键自发水解约丢失10000个嘌呤碱基和200个嘧啶碱基。11第六章DNA损伤与修复

4．碱基修饰与链断裂细胞在正常生理活动中产生的活性氧会造成DNA损伤，产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，还可引起DNA单链断裂等损伤。每个哺乳类细胞每天DNA单链断裂发生的频率约为五万次。12第六章DNA损伤与修复5.环出效应13第六章DNA损伤与修复二、物理因素引起的DNA损伤(一)紫外线照射引起的DNA损伤

同一条DNA链相邻嘧啶以共价键连成二聚体(T-T、C-T、C-C)，导致复制不能进行。

14第六章DNA损伤与修复胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶-胞嘧啶二聚体15第六章DNA损伤与修复

(二)电离辐射引起的DNA损伤直接效应：DNA直接吸收射线能量而遭损伤；间接效应：DNA周围其他分子(主要是水分子)吸收射线能量而产生具有很高反应活性的自由基，进而损伤DNA。16第六章DNA损伤与修复电离辐射引起DNA损伤的机理间接作用直接作用17第六章DNA损伤与修复电离辐射引起DNA损伤的类型产生·OH自由基，导致碱基变化

脱氧核糖分解

DNA链断裂

交联包括DNA链交联和DNA-蛋白质交联18第六章DNA损伤与修复

三、化学因素引起的DNA损伤(一)烷化剂对DNA的损伤

1．碱基烷基化

2.碱基脱落

3．断链

4.交联19第六章DNA损伤与修复鸟嘌呤胞嘧啶O6-乙基鸟嘌呤胸腺嘧啶碱基烷基化

碱基烷基化烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的N或O上,烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化。20第六章DNA损伤与修复双功能基烷化剂，化学武器氮芥、硫芥等抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂霉素等致癌物如二乙基亚硝胺等同时使两个位点烷基化21第六章DNA损伤与修复

5-BrdU（5-BrdU-A；5-BrdU-G）酮式烯醇式(二)碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤

亚硝酸盐能使胞嘧啶脱氨基变成尿嘧啶（C→U）

羟胺能使胸腺嘧啶脱甲基变成胞嘧啶（T→C）

黄曲霉素B(G→T)22第六章DNA损伤与修复四、DNA损伤的后果

1.点突变(pointmutation)2.缺失(deletion)3.插入(insertion)4.倒位或转位(transposition)5.DNA断裂(DNAbreak)23第六章DNA损伤与修复24第六章DNA损伤与修复第二节DNA修复主要类型:错配修复直接修复光裂合酶修复切除修复重组修复跨损伤修复(SOS修复)

25第六章DNA损伤与修复一、错配修复错配修复可校正DNA复制和重组过程中发生的碱基错配。错配的碱基可被错配修复酶识别后进行修复。26第六章DNA损伤与修复

1.E.coli错配修复机制错配修复系统组成（Mismatchrepairsystem）DNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)解旋酶Helicase、SSB、外切核酸酶(Ⅰ、Ⅶ、X和RecJ)、DNApolymeraseⅢ、连接酶MCE(mismatchcorrectenzyme)3subunitsmutS,L,H扫描新生链中错配碱基识别新生链中非m6A的GATC序列酶切含错配碱基的DNA区段27第六章DNA损伤与修复错配修复

28第六章DNA损伤与修复错配修复(大肠杆菌)Mis-pairedbases29第六章DNA损伤与修复30第六章DNA损伤与修复错配修复(大肠杆菌)31第六章DNA损伤与修复2.真核细胞错配修复机制32第六章DNA损伤与修复二.直接修复1.单链断裂修复DNA单链断裂是损伤的一种常见形式，可以通过DNA连接酶的重接而修复。

33第六章DNA损伤与修复2.光分解酶(光复活酶)直接修复二聚体形成嘧啶二聚体光复活酶结合于损伤部位酶被可见光激活修复后释放酶34第六章DNA损伤与修复3.直接修复烷基化碱基O6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶35第六章DNA损伤与修复4．直接插入嘌呤DNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能被DNA嘌呤插入酶(insertase)识别结合，催化游离的嘌呤碱基与DNA无嘌呤部位形成糖苷键。且催化插入的碱基有高度专一性、与另一条链上的碱基严格配对，使DNA完全恢复。36第六章DNA损伤与修复三、碱基切除修复（baseexcisionrepair，BER）指切除和替换由内源性化学物作用产生的DNA碱基损伤,是切除修复的一种。受损碱基移除是由多个酶来完成的。主要针对DNA单链断裂和小的碱基改变及氧化性损伤。37第六章DNA损伤与修复碱基切除修复38第六章DNA损伤与修复四、

核苷酸切除修复（nucleotideexcisionrepair）

体内识别DNA损伤最多的修复通路主要修复可影响碱基配对而扭曲双螺旋结构的DNA损伤，修复时切除含有损伤碱基的那一段DNA。39第六章DNA损伤与修复核苷酸切除修复(大肠杆菌)UvrA:识别损伤部位UvrB:解旋双链，3’末端内切紫外线诱导uvrA、uvrB、uvrC和uvrD四种基因表达40第六章DNA损伤与修复UvrC:5’末端内切41第六章DNA损伤与修复UvrD:解旋酶42第六章DNA损伤与修复43第六章DNA损伤与修复核苷酸切除修复(基因组修复–以人为例)44第六章DNA损伤与修复核苷酸切除修复(转录偶联修复-以人为例)45第六章DNA损伤与修复GG-NER和TC-NER的共同修复通路46第六章DNA损伤与修复47第六章DNA损伤与修复五、重组修复大肠杆菌重组修复48第六章DNA损伤与修复根据DNA末端连接需要的同源性，分为同源重组修复：需要多种蛋白参与,在S/G2期起主要作用。非同源末端连接：DNA分子之间不需要广泛的同源性，在G1/G0期起主要作用。

49第六章DNA损伤与修复同源重组修复DNA双链断裂（人类）50第六章DNA损伤与修复非同源末端连接修复DNA双链断裂（人类）51第六章DNA损伤与修复六、SOS修复

正在复制的DNA聚合酶可能遇到尚未修复的DNA损伤，例如胸腺嘧啶二聚体或无嘌呤位点，复制体必须设法跨越损伤进行复制，或者被迫暂停复制。即使细胞不能修复这些损伤，自动防故障系统能够使复制体绕过损伤部位，这一机制就是跨损伤DNA合成。SOS修复存在于大肠杆菌，不存在于人类。52第六章DNA损伤与修复53第六章DNA损伤与修复54第六章DNA损伤与修复RecA-P的三种功能a、DNA重组活性b、与S.S.DNA结合活性c、proteinase活性当DNA正常复制时（无复制受阻，无DNA损伤，无TTdimer）

RecA-p不表现proteinase活性55第六章DNA损伤与修复当DNA复制受阻/DNAdamaged细胞内原少量表达的RecA-p与S.S,DNA结合激活RecA-p的proteinase活性修复损伤LexA-p降解RecA-p高效表达SOSopen当DNA复制度过难关后RecA-p很快消失LexAgeneonSOSoff56第六章DNA损伤与修复SOS修复

DNA复制不很严格，新合成的DNA容易造成错误产生突变。57第六章DNA损伤与修复七、

线粒体DNA损伤和修复哺乳动物的每个细胞中含有2—100个线粒体，每个线粒体有5—10mtDNA分子，mtDNA只占细胞中DNA总量的10%。人mtDNA是独立于细胞核染色体外的基因组，为环状双链DNA结构，全长为16569bp。一般认为线粒体基因组DNA突变与人类的衰老、进化、神经退行性病变、糖尿病和恶性肿瘤等有关。58第六章DNA损伤与修复mtDNA自身的特点决定了它比核DNA对氧化损伤更敏感（1）mtDNA是唯一的核外遗传物质并暴露于活性氧环境中；（2）线粒体是氧化还原反应的主要场所。mtDNA与氧化还原体系非常接近，

mtDNA呈裸露状态，缺少组蛋白和非组蛋白对DNA进行保护作用；（3）线粒体本身含有类似微粒体细胞色素P450氧化酶的催化酶，故可直接在线粒体原位激活一些化学致癌物质；（4）mtDNA与富含脂类的线粒体内膜相连，使得mtDNA对脂溶性化学物质及可引起线粒体膜不稳定的因素非常敏感，并往往成为亲电子物质首选的靶点；（5）mtDNA的复制酶由核DNA编码，即使mtDNA损伤十分严重，但如果其相关的复制酶编码基因无损伤或损伤很小，都不会影响损伤的mtDNA复制。这引起mtDNA损伤在细胞内累积，使mtDNA的突变率比核DNA高10倍，而且mtDNA易发生点突变和缺失突变

。59第六章DNA损伤与修复线粒体DNA的氧化损伤:

单链断裂、双链断裂、碱基修饰、DNA交联、烷化损伤线粒体DNA的损伤修复：碱基切除修复、错配修复、重组修复60第六章DNA损伤与修复第三节细胞周期检查点控制

真核生物细胞DNA受到损伤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，防止受损DNA继续复制，如无法修复，则可诱导细胞进入凋亡。这些都是细胞通过细胞周期检查点控制（checkpointcontrol，又称关卡控制）对DNA损伤的应答反应。61第六章DNA损伤与修复细胞周期

细胞周期：是指细胞从上一次分裂结束开始到下一次分裂终了所经历的过程，通常可分为G1期、S期、G2期和M期。细胞在G1期完成必要的生长和物质准备，在S期完成其遗传物质染色体DNA的复制，在G2期进行必要的检查及修复以保证DNA复制的准确性，然后在M期完成遗传物质到子细胞中的均等分配，并使细胞一分为二。62第六章DNA损伤与修复G1CDKM染色体分离cyclin细胞分裂有丝分裂G2DNA合成染色体复制S63第六章DNA损伤与修复细胞周期调控的核心机制周期素蛋白——Cyclins

CyclinA、B、D、E、G、H、T…Cyclin依赖的蛋白激酶家族——

CDKs。CDK1、2、4、5、6…以及CDKs的抑制蛋白——

CKIsp21、p27、p16、p19…

构成调控周期进程的核心要素。64第六章DNA损伤与修复DNA损伤关卡（DNADAMAGECHECKPOINTS）

DNA损伤会引发多种细胞反应,包括DNA修复、细胞周期延迟或阻滞、细胞凋亡等。其中细胞周期延迟或阻滞是通过DNA损伤关卡完成的。DNA损伤关卡是指DNA损伤引发的能使细胞周期延迟或阻滞的生化调控途径。65第六章DNA损伤与修复DNA损伤关卡主要包括3个组成部分：感应因子(如ATM和ATR)、信号传导因子(如Chk1和Chk2)效应因子(包括多种能激活CDKs的磷酸酶,如Cdc25A、Cdc25B和Cdc25C)66第六章DNA损伤与修复感应因子DNA损伤关卡在激活前首先要识别DNA损伤。关卡特异性的DNA损伤感应因子主要有磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)家族的两个蛋白,即ATM和ATR。ATM是DNA双链断裂的感应因子ATR主要识别碱基改变的感应因子

。67第六章DNA损伤与修复

信号传导因子人类的信号传导因子有两类,即细胞周期检测点激酶1(Chk1)和Chk2,它们在细胞周期调控和关卡反应中起信号传导作用。Chk1和Chk2激酶均为丝/苏氨酸蛋白激酶,有一定的底物特异性。哺乳动物细胞中,DNA双链断裂信号被ATM感应,并由Chk2传导,而紫外线引发的DNA损伤信号则被ATR感应,并由Chk1传导.68第六章DNA损伤与修复效应因子人类的效应因子为Cdc25A、Cdc25B和Cdc25C。Cdc25能使周期素依赖性蛋白激酶(cyclin-dependentkinases,CDKs)脱磷酸而激活,从而推动细胞周期的时相转换。Cdc25A通过使Cdk2脱磷酸活化,促使G1/S转换;Cdc25A通过使Cdc2(Cdk1)脱磷酸活化,促使G2/M转换。69第六章DNA损伤与修复

DNA损伤关卡的分子机制1.G1/S期关卡在DNA受到损伤时,G1/S期关卡通过抑制DNA复制的启动而抑制细胞进入S期。细胞周期能否启动进行细胞增殖,主要的调控点在G1期,它决定细胞是否通过G1期进入S期。通过ATM-Chk2-Cdc25A或ATR-Chk1-Cdc25A途径启动G1/S阻滞,随后是由p53介导的G1/S期阻滞的维持过程。70第六章DNA损伤与修复71第六章DNA损伤与修复2.S期关卡在S期发生的DNA损伤或者G1期产生的未经修复逃过G1/S期关卡的DNA损伤都能激活S期关卡,阻滞DNA的复制。在S期发生的DNA损伤引发的S期关卡的激活主要通过两条途径即ATM-Chk2-Cdc25A-Cdk2或ATR-Chk1-Cdc25A-Cdk2途径和ATM-NBS1-SMC1途径,阻滞DNA的复制。72第六章DNA损伤与修复3

G2/M期关卡G2/M期关卡的作用是阻止在G2期DNA受损的细胞进行有丝分裂。根据损伤的不同形式,分别激活ATM-Chk2-Cdc25A和ATR-Chk1-Cdc25A两条