第三部分-DNA损伤和修复

DNA损伤和修复目录Ⅰ、DNA损伤Ⅱ、DNA损伤应答Ⅲ、DNA修复1、直接修复2、碱基切除修复（BER）3、核苷酸切除修复（NER）4、跨损伤修复5、错配修复（MMR）6、双链断裂修复重组修复（HR）非同源末端连接（NHEJ）7、链间交联修复一、主要的DNA损伤（1）DNA损伤类型图1主要的DNA损伤类型（1）复制叉停顿（2）甲基化/烷基化——如O6MeGua使正常DNApol不能识别，随机插入核苷酸而产生突变（3）紫外光照射——T-T二聚化（4）Nick（单链切口）（5）Gap（单链缺口）（6）DSB（双链断裂）（7）交联（cross-link）DNA结构损伤引出DNA修复反应。上图展示出了一些DNA基本骨架的损伤和非经典的DNA结构损伤。O6MeGua代表甲基托养鸟嘌呤核苷酸，TT代表环丁烷胸腺嘧啶二聚体，cross-link代表顺铂G-G链交叉。（2）内源性DNA损伤1、胞嘧啶到尿嘧啶的脱氨基作用能自发的产生引起U—G错配；2、DNA一个碱基的脱嘌呤阻止了复制和转录；3、DNA非正常代谢产生的错配。二、DNA损伤应答（1）DNA损伤的细胞反应当下的关于DNA损伤应答反应单信号通路的一般概述。箭头代表激活事件，其垂涎代表抑制事件。Stop标识代表细胞周期，墓碑标识代表细胞凋亡。有箭头的DNA双螺旋代表者损伤诱导的转录，带有许多椭圆形子单元的DNA双螺旋代表着损伤诱导修复。简便起见，相互作用的通路网络被描绘成了线性通路，其中包括信号、感受器、传感器和效应器。（即主要有细胞周期阻滞、凋亡、诱导转录、DNA损伤修复等方面的细胞反应）图2DNA损伤的细胞反应（2）E.coli中的SOS反应1、SOS反应：当DNA分子损伤范围较大且复制受到抑制时出现的一种修复作用。是一种旁路修复系统，正常情况下关闭。2、主要观点：DNA损伤导致LexA触发SOS反应，包括对许多修复酶的基因编码。RecA：激活LexA的自剪切活性。LexA：抑制SOS系统；它的自剪切激活目标基因的表达。3、SOS反应结果DNA修复能力增强：诱导许多DNA修复基因的表达。诱导产生RecA、uvrA、uvrB、anduvrD。突变形成：激活低保真度的跨损伤DNA聚合酶通过DNA损伤部位（SOS修复允许新生的DNA链越过损害部分而生长，但易产生错配碱基。errorprone极强的修复机制）图3SOS反应机制（3）DNA损伤检查点蛋白DNA损伤检查点是一种对DNA损伤应答反应的能延迟或阻止细胞周期的生化通路。像其他信号转导通路一样，DNA损伤检查点有三种组分：感受器、信号传感器和效应器。损伤通过感受器检测，通过中间元件传递给传感器。传感器相应的激活或抑制其他蛋白（效应器）直接参与抑制G1/S期转换，S相进程或是G2/M的转换。图4DNA损伤检查点蛋白（4）DNA损伤的细胞反应G1/S检查点。DNA损伤在双键断裂后由ATM检测，或是在紫外损伤后由ATR、Rad17-RFC和the9-1-1复合物检测。ATM/ATR磷酸化Rad17，Rad9，p53，andChk1/Chk2转而磷酸化Cdc25A，造成其由于核的排斥和泛素介导的降解而失活。磷酸化的和灭活的Cdk2的积累以及不能磷酸化的Cdc45开启了复制。P53保证了G1/S的阻断，p53也由ATM/ATR在Ser15处、在Ser20处由Chk1/Chk2磷酸化。磷酸化p53诱导了p21WAF-1/Cip1转录和p21WAF-1/Cip1结合到Cdk4/CycD复合物上，这样来阻止它磷酸化Rb，Rb对E2F转录因子的释放和随后的S相基因的转录至关重要。p21WAF-1/Cip1也结合并抑制Cdk2/CycE复合物来保证G1/S检查点。图5DNA损伤的细胞反应（5）DNA损伤检查点蛋白图6DNA损伤检查点蛋白（6）DNA断裂点的蛋白质动力学DNA损伤的检查点和修复因子以及染色体组织的调控子在转录机器排除在DDRfoci（红色箭头）外时被募集到DNA断裂点的，而且结构染色体组分的动力学双向起作用（橘黄色箭头）。图7DNA断裂点的蛋白质动力学（7）DNADSBs（DNA双链损伤）中DNA损伤应答反应(DNAdamageresponse(DDR))蛋白质积累的网状组织(A)DDR信号传播。DDR蛋白在DSB位点起始积累，然后通过一个包括MDC1的正向反馈回路向远传播，MDC1结合到MRN复合物γH2AX和磷酸化额外远离断裂点的H2AX分子ATM激酶。(B)DDR蛋白围绕DSBs的局部分配。当ATM信号因子定位在侧翼的染色质区域时，包含在ATR信号中的因子积累到由DNA末端外切产生的ssDNA断裂的临近位点。图8DNA双链损伤中DDR蛋白积累（8）DNA断裂处DDR蛋白积累的暂时性调控（A）DDR因子相继募集到通过激光微量照射产生的SSBs和DSBs。（B）DDR点形成的细胞周期调节。（实线）有效地点形成；（虚线）弱/无法检测的点。图9DNA断裂处DDR蛋白积累调控（9）特殊的结合调控在DNA断裂点处翻译后修饰的识别DDR蛋白募集到DNA断裂点处的修饰组氨酸或是其他修饰蛋白是通过一种特殊的翻译后修饰和专属结合成分间的相互作用来改良的。由红色和绿色半圆表示的BRCT和FHA结构域结合到磷酸化的丝氨酸和苏氨酸残基上。Bromo结合到乙酰化的组氨酸上。PAR结合域可以是氨基酸的延伸形式，PAR结合的锌指结构或是微结构域。需要注意的是某些这种组分被发现是串联的形式，而且并不是所有的翻译后修饰都是损伤诱导的。（星号表示基本修饰）图10常见的DNA断裂点处的蛋白修饰（10）DNA损伤应答反应中染色质的改变H2A和H3在对DNA双键断裂反应的动力学以及他们在双键断裂信号中的角色。H2A.X在在双键断裂被检测出并被DDR激酶磷酸化骑士了信号级联反应，抑制了由组蛋白分子伴侣介导的H2A.X/H2A交换。伴随发生的有亲本的组蛋白由于滑动和或逐出在DSB处被置换。远离DSB的γH2A.X的双向传播描绘了一个有潜在边界的DDR主管区域，如图中问号所示。修复后核小体组织而复原包括组蛋白分子伴侣（紫色）和染色质重塑体（蓝色）图11DNA损伤应答反应中染色质的改变促进新的组蛋白定位和组蛋白变体型的交换（H2A.X/H2A.ZexchangeregulatedbySWR1/TIP60andINO80），伴随着亲本组蛋白的可能循环。当新的被CAF-1定位在一个修复合成偶联的方式的H3.1组蛋白代表新的组蛋白来源时，其他的H3变体型（包括CenH3）能够独立的提供来修复合成填满核小体沟。最后，核小体修复和γH2A.X交换有助于关闭DNA损伤检查点。H2A.X以及H2AorH3变体型在应对损伤时也被泛素化和乙酰化修饰。（11）哺乳动物细胞中DDR异染色质蛋白的作用几种作为抑制因子的蛋白和或异染色质（粉红色）的组分，包括HP1和与其相互作用的伴侣KAP-1，HDAC1/2和Polycomb家族蛋白（PcG）能够在组蛋白分子伴侣(CAF-1)，异染色质调控子(NuRD)，特殊的DDR因子(KuandNBS1)和可能的其他分子活跃的募集到DSBs处。许多Polycomb抑制复合物(PRC)的亚基在损伤部位被发现。图中所示有BMI1和PHF1，异染色质因子的募集促进了DNA损伤信号时间繁盛，包括组蛋白修饰(H2A和H2A.X泛素化)以及检查点介质的募集(53BP1andBRCA1)，DSB图12DDR异染色质蛋白的作用修饰通路的影响(NHEJandHR)。就HP1来说，伴随着异染色质产生而从它的结合位点H3K9me3释放，这有助于提升HP1募集到DNA损伤位点的可能性。（12）染色体修复模型染色质“工具箱”（蓝色），包括组蛋白分子伴侣，染色质重塑体和染色质修饰子，每一步中都会参与。通过重叠部分将这三步在时间上进行整合，DDR区间代表了修复和信号扩增协同发生的区域。新的组蛋白定位和组蛋白变体型转换发生在核小体水平的修复步骤。这可能会导致如图所示的变异的染色质，如顶部的图中有典型的亲本核小体代表的缩略图（蓝白相间，以浅白色PTM标记）和底部的新核小体（蓝黑相间，以黄色的PTM标记）。修复的染色质的长度还有待确定。这种修复的结果可能会留下“损伤印记”，即染色质上的标记，DNA上看不见，但可能在长远意义上会对基因组或是表观遗传稳定性和可塑性会有影响。图13染色体修复模型三、DNA修复（1）直接修复光致复活作用直接修复。光解酶结合到包含嘧啶二聚体的DNA上参与独立的光反应使二聚体行程活性部位口袋。催化作用由光启示。感光素辅因子二甲基四氢叶酸吸收光子传递能量到催化辅因子FADH—接着兴奋态的FADH传递一个电子到嘧啶二聚体，将嘧啶二聚体打散成两个嘧啶环。电子回到黄素在生成一个FADH—，然后酶由修复后的DNA上游离出去。例：O6-me-G甲基鸟嘌呤甲基转移酶修复（2）碱基切除修复（BER）1、切除修复是由被称为碱基切除修复的DNA糖基化酶起始的，因为损伤部分是作为自由碱基被切除的。2、DNA糖基化酶BER过程中的关建酶，并且他们能通过剪切碱基和脱氧核苷酸间的连键从DNA上去除损伤或是错配的碱基。例子：尿嘧啶—DNA糖基化酶尿嘧啶—DNA糖基化酶能专一的通过水解碱基和糖磷酸骨架间的连键来切除尿嘧啶1、糖基化酶偶联的裂解酶活性一些糖基化酶也包括裂解酶活性。糖基化酶水解剪辑和脱氧核糖之间的连键（通过H20），但是水解酶是通过一个氨基基团打开糖环攻击脱氧核糖环来使反应发生的。2、AP内切核酸酶和裂解酶AP（无嘌呤或无嘧啶）内切核酸酶水解5’AP位点产生5’脱氧核糖和3’-OH核苷酸残基。AP裂解酶以β消除剪切产生5’末端脱氧核糖核苷5’磷酸和3’末端α,β-不饱和乙醛。3、碱基切除修复（BER）DNA糖基化酶将损伤碱基去除产生自由碱基，产生了另一种DNA损伤无嘌呤或无嘧啶（AP）位点。AP位点的去除是由一种称为AP内切核酸酶的BER酶起始的，它能特异性的识别AP位点并通过水解连接着5’AP位点的磷酸二酯键在DNA双螺旋上产生一个缺口，并产生一个5’磷酸脱氧核苷酸。一种核酸外切酶称为deoxyribophosphodiesterase（dRpase）切除了糖基部分，单一的核苷酸缺口能被DNA聚合酶填平。4、哺乳动物细胞中的BERBER单核苷酸置换通路。例子展示出的是当5-甲基胞嘧啶在CpG序列上时T残基产生的修饰（A）是脱氨基的（B）胸腺嘧啶DNA糖基化酶（TDG）移除了胸腺嘧啶并募集了APE1核酸内切酶（C）APE在无碱基位点的5’端对链进行剪切并募集POLβ；TDG游离（D）POLβ释放剩余的5’脱氧核糖磷酸（dRp），插入一个C残基，并募集LIG3-XRCC1复合物（E）当POLβ游离时LIG3封住缺口（F）LIG3-XRCC1复合物被释放（G）为了恢复DNA到它的起始甲基化状态，需要一个DNA甲基转移酶作用在新合成的C残基上。这样蛋白质单体的一个个结合提升了修复的精确性和特异性。没有展示出的还有一种长修复BER通路，这条通路能够在（D）步链剪切之后发挥作用而且它包括POLβ,POLδ,orPOLε以及PCNA,FEN1,andLIG1。5、短和长补丁BER哺乳动物细胞中的碱基切除修复。一个损伤的碱基被DNA糖基化酶一处产生一个AP位点。依靠碱基移除的起始部分，修复补丁可以是一个核苷酸（短补丁）或是2—10个核苷酸（长补丁）。当碱基损伤时通过糖基化酶或AP水解酶移除，剪切磷酸二酯键和AP位点3’段，通过APE1内切酶剪切5’端，并募集Polβ通过Lig3/XRCC1复合物来补平1-nt的缺口。当AP位点是由糖基化酶或自发的水解作用产生是修复通常是通过长补丁通路。APE1剪切5’磷酸二酯键，RFC/PCNA-Polδ/ε复合物实施修复合成，缺口翻译，替换多个核苷酸。皮瓣结构是由FEN1核酸内切酶切除掉，长修复补丁有连接酶1连接。6、DNA糖基化酶对碱基损伤的移除：翻转和挤压8-oxo-guanine(GO)被MutM的移除机制。（A）GO通过氧化产生。G和GO之间结构的不同由绿