17 第十五章 DNA损伤与修复.pptx

第1页：第十五章

DNA损伤与修复DNA Damage and Repair第十五章

第2页：各种体内外因素所导致的DNA组成与结构

各种体内外因素所导致的DNA组成与结构的变化称为DNA损伤（DNAdamage）其一，DNA的结构发生永久性改变，即突变其二，导致DNA失去作为复制和/或转录的模板的功能DNA损伤的后果:

第3页：生物多样性依赖于

生物多样性依赖于：DNA突变DNA修复平衡

第4页：第一节

DNA损伤DNA Damage第一节

第5页：一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤

一、多种因素通过不同机制导致DNA损伤（一）体内因素

• DNA复制错误
• DNA自身的不稳定性
• 机体代谢过程中产生的活性氧

第6页：特别是DNA上的短片段重复序列

DNA复制错误：

• 在DNA复制过程中，碱基的异构互变、4种dNTP之间浓度的不平衡等均可能引起碱基的错配
• DNA复制的错配率约1/1010
• 复制错误还表现为片段的缺失或插入。
• 特别是DNA上的短片段重复序列，在真核细胞染色体上广泛分布，导致DNA复制系统工作时可能出现“打滑”现象，使得新生成的DNA上的重复序列拷贝数发生变化。

第7页：DNA自身的不稳定性

DNA自身的不稳定性：

• DNA结构自身的不稳定性是DNA自发性损伤中最频繁和最重要的因素。
• 当DNA受热或所处环境的pH值发生改变时，DNA分子上连接碱基和核糖之间的糖苷键可自发发生水解，导致碱基的丢失或脱落，其中以脱嘌呤最为普遍。
• 含有氨基的碱基还可能自发脱氨基反应，转变为另一种碱基，即碱基的转变，如C转变为U，A转变为I（次黄嘌呤）等。

第8页：(二)体外因素•物理因素•化学因素

（二）体外因素

• 物理因素
• 化学因素
• 生物因素

第9页：物理因素

物理因素：电离辐射、紫外线(ultra violet, UV)

第10页：化学因素

化学因素：

• 自由基导致的DNA损伤
• 碱基类似物导致的DNA损伤
• 碱基修饰剂、烷化剂导致的DNA损伤
• 嵌入性染料导致的DNA损伤

第11页：物理和化学因素对DNA的损伤

物理和化学因素对DNA的损伤

第12页：二、DNA损伤有多种类型•碱基脱落

二、DNA损伤有多种类型

• 碱基脱落
• 碱基结构破坏
• 嘧啶二聚体形成
• DNA单链或双链断裂
• DNA交联

第13页：碱基损伤与糖基破坏

碱基损伤与糖基破坏：

• 化学毒物可通过对碱基的某些基团进行修饰而改变碱基的性质。
• 由于碱基损伤或糖基破坏，在DNA链上可能形成一些不稳定点，最终可导致DNA链的断裂。

第14页：碱基之间发生错配

碱基之间发生错配：

• 碱基类似物的掺入、碱基修饰剂的作用可改变碱基的性质，导致DNA序列中的错误配对。
• 在正常的DNA复制过程中，存在着一定比例的自发碱基错配。
• 最常见的是组成RNA的尿嘧啶替代胸腺嘧啶掺入到DNA分子中。

第15页：链上被损伤的碱基也可以被另一种特异

DNA链发生断裂：

• 电离辐射、化学毒剂、磷酸二酯键的断裂、脱氧戊糖的破坏、碱基的损伤和脱落都是引起DNA断裂的原因。
• 碱基损伤或糖基破坏可引起DNA双螺旋局部变性，形成酶敏感性位点，特异的核酸内切酶能识别并切割这样的部位，造成链断裂。
• DNA链上被损伤的碱基也可以被另一种特异的DNA-糖基化酶除去，形成无嘌呤嘧啶位点（apurinic-apyrimidinic site,AP site），或称无碱基位点（abasicsite），这些位点在内切酶等的作用下可形成链断裂。

第16页：双螺旋链中的一条链上的碱基与另

DNA的共价交联：πDNA双螺旋链中的一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合，称为DNA链间交联（DNAinterstrand cross-linking）。

πDNA分子中同一条链中的两个碱基以共价键结合，称为DNA链内交联（DNA intrastrand cross-linking）。

πDNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交联（DNA protein cross-linking）。

第17页：链的断裂转换颠换

DNA损伤可导致

• 碱基置换
• 缺失
• 插入
• 链的断裂转换颠换

第18页：第二节

DNA损伤的修复The repair of DNA damage第二节

第19页：修复是机体维持DNA结构的完整性与稳定性

• DNA修复（DNArepair）是指纠正DNA两条单链间错配的碱基、清除DNA链上受损的碱基或糖基、恢复DNA的正常结构的过程。
• DNA修复是机体维持DNA结构的完整性与稳定性，保证生命延续和物种稳定的重要环节。

第20页：常见的DNA损伤修复途径

常见的DNA损伤修复途径参与修复的酶或蛋白修复对象修复途径光复活酶嘧啶二聚体光复活修复DNA糖基化酶、无嘌呤嘧啶核酸内切酶受损的碱基碱基切除修复大肠杆菌中UvrA、UvrB、UvrC和UvrD，人XP系列蛋白XPA、XPB、XPC……XPG等嘧啶二聚体、DNA螺旋结构的改变核苷酸切除修复大肠杆菌中的MutH、MutL、MutS，人的MLH1、MSH2、MSH3、MSH6等复制或重组中的碱基配对错误错配修复RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、XRCC4双链断裂重组修复RecA蛋白、LexA蛋白、其他类型DNA聚合酶大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤损伤跨越修复

第21页：一、有些DNA损伤可以直接修复

一、有些DNA损伤可以直接修复

• 嘧啶二聚体的直接修复
• 烷基化碱基的直接修复
• 无嘌呤位点的直接修复
• 单链断裂的直接修复

第22页：嘧啶二聚体的直接修复

嘧啶二聚体的直接修复

第23页：烷基化碱基的直接修复

烷基化碱基的直接修复

第24页：无嘌呤位点的直接修复πDNA嘌呤插入酶能

• 无嘌呤位点的直接修复πDNA嘌呤插入酶能催化游离嘌呤碱基或脱氧核苷与DNA嘌呤缺如部位重新生成糖苷共价键，导致嘌呤碱基的直接插入。具有很强的专一性。
• 单链断裂的直接修复πDNA连接酶能够催化DNA双螺旋结构中一条链上缺口处的5
• -磷酸基团与相邻片段的3
• -羟基之间形成磷酸二酯键，从而直接参与部分DNA单链断裂的修复，如电离辐射所造成的切口。

第25页：二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式

二、切除修复是最普遍的DNA损伤修复方式

• 碱基切除修复
• 核苷酸切除修复

第26页：碱基切除修复

• 碱基切除修复（base excision repair）①识别水解：DNA糖基化酶特异性识别DNA链中已受损的碱基并将其水解去除，产生一个无碱基位点；②切除：在此位点的5
• 端，无碱基位点核酸内切酶将DNA链的磷酸二酯键切开，去除剩余的磷酸核糖部分；③合成：DNA聚合酶在缺口处以另一条链为模板修补合成互补序列；④连接：由DNA连接酶将切口重新连接，使DNA恢复正常结构

第27页：

第28页：核苷酸切除修复

核苷酸切除修复（nucleotide excision repair）①首先，由一个酶系统识别DNA损伤部位；②其次，在损伤两侧切开DNA链，去除两个切口之间的一段受损的寡核苷酸；

③再次，在DNA聚合酶作用下，以另一条链为模板，合成一段新的DNA，填补缺损区；④最后由连接酶连接，完成损伤修复。

第29页：的NER主要由4种蛋白质组成

E.coli的NER主要由4种蛋白质组成：UvrAUvrBUvrCUvrD

第30页：人类的DNA损伤核苷酸切除修复

人类的DNA损伤核苷酸切除修复①首先由损伤部位识别蛋白XPC和XPA等，再加上DNA复制所需的SSB，结合在损伤DNA的部位；

②XPB、XPD发挥解旋酶的活性，与上述物质共同作用在受损DNA周围形成一个凸起；③XPG与XPF发生构象改变，分别在凸起的3′-端和5′-端发挥核酸内切酶活性,在增殖细胞核抗原（PCNA）的帮助下，切除并释放受损的寡核苷酸；

④遗留的缺损区由聚合酶δ或ε进行修补合成；⑤最后，由连接酶完成连接。

第31页：NER不仅能够修复整个基因组中的损伤

NER不仅能够修复整个基因组中的损伤，而且能拯救因转录模板链损伤而暂停转录的RNA聚合酶，即参与转录偶联修复（transcription-coupledrepair）。

作用方式：NER蛋白质被募集于暂停的RNA聚合酶。转录偶联修复的意义：将修复酶集中于正在转录DNA，使该区域的损伤尽快得以修复。

第32页：碱基错配修复

• 碱基错配修复（mismatch repair）
• 错配是指非Watson-Crick碱基配对。
• 碱基错配修复也可被看作是碱基切除修复的一种特殊形式，主要负责纠正：①复制与重组中出现的碱基配对错误；②因碱基损伤所致的碱基配对错误；③碱基插入；④碱基缺失。

第33页：E.coli错配修复系统修复复制差错

E.coli错配修复系统修复复制差错

第34页：甲基化酶

Dam甲基化酶（methylase）使E.coli处于暂时的半甲基化状态，标记母链和新合成的DNA链，帮助新合成的DNA链被错配修复系统识别并修复。

第35页：模板链的GATC序列甲基化Mut

模板链的GATC序列甲基化MutH仅切割新合成的DNA链

第36页：MutH的切口位于错配核苷酸的5

MutH的切口位于错配核苷酸的5

• 侧，使用外切酶Ⅶ或RecJ，按5
• 3
• 方向降解DNA；
• 切口位于错配的3’侧，则使用外切酶Ⅰ，按3
• 5
• 方向降解DNA。
• DNA聚合酶Ⅲ填补所产生单链DNA缺口。

第37页：错配修复系统利用冈崎片段连接前

• MSH（MutS homologs）蛋白
• 与MutL同源的MLH和PMS蛋白
• 真核细胞错配修复系统无MutH，也无半甲基化标记母链。
• 错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺口辨别错配碱基所在的DNA链。
• 真核细胞核苷酸修复错配系统：

第38页：三、DNA严重损伤时需要重组修复

三、DNA严重损伤时需要重组修复

• 同源重组修复
• 非同源末端连接的重组修复

第39页：同源重组修复

同源重组修复

第40页：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

• 重组跨越损伤修复
• 合成跨越损伤修复

第41页：SOS修复中 操纵子的作用机制

SOS修复中LexA-RecA操纵子的作用机制

第42页：损伤和修复的意义The

DNA损伤和修复的意义The significance of DNA damageand repair第三节

第43页：一、DNA损伤具有双重效应

一、DNA损伤具有双重效应

• 一是给DNA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；
• 二是DNA的这些改变使得DNA不能用作复制和转录的模板，使细胞的功能出现障碍，重则死亡。
• DNA损伤通常有两个生物学后果

第44页：二、DNA损伤修复障碍与肿瘤等多种疾病

二、DNA损伤修复障碍与肿瘤等多种疾病相关

• DNA损伤与肿瘤、衰老以及免疫性疾病等多种疾病的发生有着密切的关联