DNA的损伤和修复课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,DNA,的损伤和修复,南华大学心血管疾病研究所,动脉硬化学湖南省重点实验室,1,DNA,的损伤和修复,Mutagen(,诱变剂）,完全修复,DNA,损伤,碱基的化学反应,损伤的修复,不能有效修复,不完全修复,凋亡,畸变,回复正常,2,诱发,DNA,损伤的因素：,环境因素：,辐射、化学毒物、药物、病毒感染、植物和微生物代谢产物等。,生理因素：,机体代谢过程中产生的有毒物质、,DNA,复制错配、,DNA,本身的热不稳定性。,第一节 多种因素可引起,DNA,损伤并具有各自的机制,3,（一）辐射致,DNA,损伤,根据作用原理的不同：,电离辐射（,粒子，,粒子，,射线，,射线等）,直接作用：能量直接传递给大分子而引起结构的破坏,间接作用：辐射先作用于溶剂分子而产生活性物质从 而导致细胞损伤,非电离辐射（紫外线以及能量低于紫外线的电磁辐射）,一、,DNA,损伤的因素及其机制,4,返回目录,返回主页,5,紫外线的致损伤作用,6,（二）自由基致,DNA,损伤,自由基：指能够独立存在，核外带有未配对电子的原子和分子。,自由基的产生可以是外界因素与体内物质共同作用的结果。,自由基可导致碱基、核糖、磷酸基的损伤，引起,DNA,的结构和功能异常。,7,（三）化学毒物致,DNA,损伤,按其作用原理可分为：,碱基类似物,碱基修饰物,嵌入染料,8,1,、碱基类似物（,Base analog,）,2-,氨基嘌呤,2-Amino purine,5-,溴尿嘧啶,5-Bromine Uracil,O,O,Br,NH,2,是指与,DNA,正常碱基结构类似的化合物,在,DNA,复制时掺入并与互补链上碱基配对,从而引起碱基对的置换,.,9,5-BrU,:G,:A,烯醇式,enol,Br,O,H,H,O,Br,酮式,Keto,H,O,AGCT,T,CCTA,TCGA,A,GGAT,AGCT,B,CCTA,TCGA,A,GGAT,酮式,5-BrU,的渗入,AGCT,B,CCTA,TCGA,A,GGAT,AGCT,C,CCTA,TCGA,G,GGAT,第二轮复制,AT,G,C,转变,AGCT,B,CCTA,TCGA,G,GGAT,AGCT,T,CCTA,TCGA,A,GGAT,第一轮复制,酮式到稀醇式的转变,烯醇式渗入为,GC,A,T,转变,10,2,、碱基的化学修饰剂,又称化学突变剂：指对,DNA,链中的碱基的修饰,改变其配对性质,进而改变,DNA,结构的化合物,.,亚硝酸（,nitrous acid HNO,2,）,羟氨（,hydroxylamine HA,）,甲磺酸乙酯（,ethyl mathanesulfonate EMS,）,N-,甲基,-N-,硝基,-N-,亚硝基胍,（,N-mathyl-N-nitro-N-nitrosoguanidion NNG,）,11,（,a,）亚硝酸修饰,G,、,C,、,A,；（,b,）羟基修饰,C,；（,c,）甲基磺酸乙酯修饰,T,（引自,Russell,1992,）,.,12,3,、嵌入染料对,DNA,的损伤作用,吖啶橙,(Acridine Orange,AO,),扁平染料分子,溴化乙锭,(Ethidium Bromide,EB,),-ATTTTTCG-,-TAAAAAGC-,-A TTTCG-,-T AAAGC-,T,AO,T,-,AT,EB,TTTTCG-,-TA,分子插入,AO,EB,-,ATTTCG-,-TAAAGC-,-,AT,X,TTTTCG-,-TA,X,AAAAGC,-,X,AAAAGC,-,结果产生移框突变,13,二、,DNA,损伤的类型,DNA,分子中的碱基、核糖和磷酸二酯键等均是,DNA,损伤作用的靶点。,常见的损伤有,:,碱基脱落、碱基破坏、嘧啶二聚体形成、单链和双链,DNA,断裂、,DNA,交联、,DNA-,蛋白质交联等。,14,（一）碱基和核糖的破坏,由于碱基或者核糖的损伤，在,DNA,链上形成不稳定位点，最终可导致,DNA,链的断裂。,15,16,DNA,分子上的碱基错配称点突变,(point mutation),。,发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。,1.,转换,发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。,2.,颠换,（二）错配,17,镰形红细胞贫血病人,Hb(HbS,),亚基,N-val,his,leu,thr,pro,val,glu,C,肽链,C,A,C G,T,G,基因,正常成人,Hb(HbA),亚基,N-val,his,leu,thr,pro,glu,glu,C,肽链,C,T,C G,A,G,基因,18,（三）,DNA,链断裂,磷酸二酯键的断裂和脱氧戊糖的破坏是引起,DNA,链断裂的,直接,原因。,碱基的破坏和脱落在,DNA,链上形成的不稳定位点是,DNA,链断裂的,间接,原因。,单链断裂（,SSB,）：一条链断裂的,DNA,双股螺旋,双链断裂（,DSB,）：两条链于同一处或紧密相邻处同时断裂。,19,（四）,DNA,交联,链间交联：,DNA,双螺旋链上一条链上的碱基和另一条链上的碱基以,共价键,结合,链内交联：,DNA,分子中同一条链内的两个碱基以,共价键,结合,DNA,蛋白质交联：,DNA,和蛋白质以,共价键,结合,20,第二节,DNA,损伤的修复,DNA,损伤的修复,：指纠正错配的碱基，清除,DNA,链上的损伤，恢复,DNA,正常结构的过程。,常见的,DNA,修复方式：直接修复、切除修复、错配修复和重组修复,21,(,一）直接修复,直接修复,细胞对,DNA,的某些损伤可以用很简单的方式加以修复在,单一基因产物,的催化下，一步反应就可以完成。这种修复方式叫,直接修复,。,包括：酶光学复活、嘌呤的直接插入、,O,6,甲基鸟嘌呤,DNA,甲基转移、单链断裂重接等。,22,1,）、酶学光复活（,photo reactivation,）,-,TT-,-,-AA-,PR,PR,-,TT-,-,-AA-,-TT-,-AA-,可见光激活,识别,-,TT-,-,-AA-,释放,23,烷基化碱基可以直接修复,24,2,）,嘌呤的直接插入,嘌呤插入酶,受损嘌呤,APS,插入嘌呤（糖苷键）,嘌呤插入酶,K,+,25,3,）,DNA,单链断裂重接,DNA,单链断裂中有一部分是通过简单的重接而修复的，只需要一种酶,DNA,连接酶,(ligase),参加，因此也属于直接修复。,DNA,连接酶能催化,DNA,双螺旋结构中一条链缺口处的,5,磷酸根与相邻的一个,3,羟基形成磷酸二酯健。连接所需的能量,ATP(,如动物细胞,),。,26,27,将损伤的部位（或连同其附近的一定部位）切除，然后用正确配对的、完好的碱基替代修复。有多种酶和基因参与,过程：识别（损伤位点）,切除,修复（补）,连接,酶和蛋白质,DNA,聚合酶,DNA,连接酶,(,二,),、切除修复,按照产物的不同可以分：,碱基切除修复,、,核苷酸切除修复,28,1),碱基切除：,特点是切除受损伤的碱基。主要过程是水解受损伤的碱基与脱氧核糖磷酸链之间的,N,糖苷键。反应由一类糖基化酶催化。,也即：糖基化酶,APS,内、外切酶去除残基,以对侧链为模板修补,DNA,连接酶连接,整个修复过程可分以下几步。,29,DNA,糖苷酶,识别切除改变的碱基,核酸内切酶,切除磷酸二酯键,DNA,聚合酶,填补,DNA,连接酶连接,30,2.,识别的酶：,（,1,）,一类,DNA,糖苷酶，各具特异性,e.g.,尿嘧啶,DNA,糖苷酶,识别,DNA,中的,U,（由,C,突变而来）,（,2,）作用：,识别,-DNA,中改变的碱基,水解,-,受损的碱基与脱氧核糖间的,糖苷键,使受损的碱基,脱落,31,32,E,coli,的核苷酸切除修复机理,。,在,E,coli,中，,UvrA,，,UvrB,，,UvrC,三种蛋白必须同时存在才能发挥作用，所以也叫,UvrABC,切除核酸酶。,UvrA,是,一种腺苷三磷酸酶，是,损伤识别蛋白,。它与,UvrB,结合成,A,2,B,1,复合物，结合在损伤区，使,DNA,解旋、扭曲，并引起,UvrB,构象改变，与损伤部位形成紧密的结合。,然后,UvrA,与,UvrBDNA,复合物解离，后者成为,UvrC,特异结合靶。,UvrB,在损伤的,3,侧作一内切，随而复合物构象改变，,UvrC,得以在,5,侧作第二个切口。,解旋酶,(UvrD),使寡聚核苷酸片段及,UvrC,从,DNA,链上释放，然后,DNA,聚合酶,取代,UvrB,。修补缺损区；最后由连接酶连接补片。,2,）,.,核苷酸切除,33,34,35,当,DNA,双链发生严重损伤时需要另一种机理来完成正确的修复。,一种情况是,两条链同时受到损伤,；另一种情况是单链损伤尚未修复时发生了复制，造成对应于损伤位置的新链缺乏正确模板；此时需要重组酶系将另一段未受损伤的双链,DNA,移到损伤位置附近，提供正确的模板，进行重组。这便是重组修复。,（三）重组修复,36,重组修复,(,链转移修复,),复制后修复,容易出错,RecA,DNApolymerae,ligase,二聚体后起始,RecA,聚合酶、连接酶,重组修复后的损伤位点可,由其它机制进一步修复,37,DNA mismatch,+,-A-,-,-,C,-,DNApol(,=10,-8,),经第二次校正,=10,-11,错配修复系统,(,MRS,Mismatch,Repair,System),错配修复,:,碱基切除修复的一种特殊形式,.,使复制的保真性提高,10,2,10,3,倍,（四）、错配修复,38,错配修复系统（,Mismatch repair system,）,DNA polymerase,Helicase SSB,外切核酸酶,(,和,),连接酶,MCE,(mismatch correct enzyme),3 subunits,mutH,L,S,扫描新生链中错配碱基,识别新生链中非,m,6,A,的,GATC,序列,酶切含错配碱基的新生,DNA,区段,（,1,）组成,39,DNA,合成过程中的甲基化变化,DNA,中的,GATC(palindromic seq.),为,m,6,A,甲基化敏感位点,平均每,2kb,左右有一,GATC,seq.,错配修复系统受甲基化的引导,40,甲基化程度的差异,a,、,MutH/MutS,扫描识别错配,碱基和邻近的,GATC,序列,切点甲基化,GATC,中,G,的,5,侧,DNA helicase II,SSB,exonuclease I,去除包括错,配碱基的片段,DNA polymerase III,和,DNA ligase,填充缺口,昂贵的代价用于保证,DNA,的准确性,（,2,）修复过程,41,（五）,.,易错修复（,SOS,修复,SOS repair,）,“SOS”,是国际上通用的紧急呼救信号。,SOS,修复是指,DNA,受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种,DNA,修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复,(error,prone repair),，使细胞有较高的突变率。,此系统由十几个修复蛋白组成。调控蛋白,LexA,参与此,系统的启动。,42,（,2,）,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,错误碱基,43,SOS,修复只是,SOS,反应的一部分,RecA,在,SOS,反应,反应中起核心作用,RecA,与,LexA,组成调控环路,DNA,损伤,SOS,RecA,受,LexA,的部分抑制,44,RecA-P;,三种功能,a,、,DNA,重组活性,b,、与,S.S.DNA,结合活性,c,、少数蛋白的,proteinase,活性,当,DNA,正常复制时,（无复制受阻，无,DNA,损伤，无,TT dimer,）,RecA-p,不表现,proteinase,活性,45,当,DNA,复制受阻,/DNA damaged,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,SOS open,46,当,DNA,复制度过难关后,SOS repair,是一种错误倾向性极强的修复机制,是进化中形成的“竭尽全力，治病救人”的措施,（正常状态下，,SOS,是关闭的）,RecA-p,很快消失,LexA gene on,SOS off,47,二、参与,DNA,修复的主要基因,DNA,修复相关基因：,直接参与,DNA,修复的基因,DNA,修复调控相关的基因,48,第三节 生物标记物可作为,DNA,损伤和修复的参考标记,1.,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。,MGMT,突变可以作为甲基化损伤的基因型标记物。,2.,切除修复相关的酶和基因可作为切除修复的生物标记物。大肠杆菌,Uvr,基因家族，人,ecrr,基因。,3.,错配修复相关基因可作为检测错配修复功能的标记物。,4.DNA,聚合物,突变可以为碱基切除修复功能缺陷的标记物。该酶的突变导致碱基切除修复功能的缺陷。,49,5.Ku,蛋白和,Rad52,蛋白缺陷可作为重组修复缺陷的标记物。,6.,微生物,DNA,损伤修复也有相应的生物标记物。如,RecA,蛋白。,7.,特异的代谢酶和代谢产物也可作为生物标记物，如细胞色素,P450,。,8.DNA,加和物也可作为修复功能的生物标记物。,50,返回目录,返回主页,51,返回目录,返回主页,52,返回目录,返回主页,下一页,53,