生物化学及分子生物学(人卫第九版)-13DNA损伤和损伤修复

作者:李恩民吴炳礼单位:汕头大学医学院第13章DNA损伤和损伤修复目录第一节DNA损伤第二节DNA损伤修复第三节DNA损伤及其修复的意义重点难点熟悉了解掌握直接修复、切除修复、重组修复和跨越损伤修复等DNA损伤修复途径。不仅DNA损伤，DNA损伤修复障碍同样与肿瘤、衰老以及免疫性疾病等多种疾病的发生密切关联1）DNA损伤的类型；2）究竟有哪些因素可引发DNA损伤；3）体外因素是通过体内因素引发DNA损伤的。DNA损伤第一节目录一.多种因素通过不同机制导致DNA损伤二.DNA损伤有多种类型一.多种因素通过不同机制导致DNA损伤DNA损伤的定义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）DNA损伤诱发因素体内因素体外因素DNA短重复序列（复制打滑）DNA本身的热不稳定性环境辐射化学毒物药物病毒感染其他生物代谢物碱基异构互变4种dNTP浓度不平衡机体自身代谢物物理和化学因素引发DNA的损伤X低波长紫外线照射致使胸腺嘧啶二聚体形成二.DNA损伤有多种类型DNA损伤的类型碱基损伤DNA断裂DNA交联碱基错配糖基破坏碱基损伤化学毒性分子通过对碱基的某些基团进行修饰，改变碱基的理化性质，破坏碱基的结构。比如，亚硝酸等可导致碱基脱氨；在羟自由基的攻击下，嘧啶碱基易发生加成、抽氢等反应，导致碱基环破裂；具有氧化活性的物质可造成DNA中嘌呤或嘧啶碱基的氧化修饰，形成8-羟基脱氧鸟苷或6-甲基尿嘧啶等氧化代谢产物。脱氧鸟苷的氧化糖基破坏DNA分子中的戊糖基的碳原子和羟基上的氢可能与自由基反应，由此戊糖基的正常结构被破坏。碱基错配•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的碱基错配发生，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。DNA断裂•DNA断裂包括DNA单链断裂和DNA双链断裂。•DNA链断裂是电离辐射致DNA损伤的主要形式。•某些化学毒剂也可导致DNA链断裂。•碱基损伤和戊糖基破坏均是引起DNA断裂的原因。DNA交联•DNA损伤中有多种DNA交联形式。•DNA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（DNAintrastrandcross-linking）。低波长紫外线照射后形成的嘧啶二聚体就是DNA链内交联的最典型的例子。•DNA分子一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合，称为链间交联（DNAinterstrandcross-linking）。•DNA分子还可与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交联（DNAproteincross-linking）。DNA损伤修复第二节目录一.直接修复二.切除修复一.重组修复二.跨越损伤修复400nm光子次甲四氢叶酸FADH2T-TT+T嘧啶二聚体的直接修复甲基化碱基的直接修复突变的结果DNA复制DNA复制6-O-甲基鸟嘌呤修复的结果带有活性SH基团的甲基转移酶结合在甲基化的碱基部位甲基转移酶将甲基结合在自身SH上，完成修复甲基化后失活的甲基转移酶DNA连接酶5′3′5′3′单链断裂切口的直接修复二.切除修复碱基切除修复DNA糖苷酶特异性识别并水解受损碱基，产生AP位点AP位点的形成机制核苷酸切除修复着色性干皮病（xerodermapigmentosum，XP）Autosomalrecessive着色性干皮病相关基因，XPA、XPC、XPD、XPF和XPG编码蛋白参与核苷酸切除修复系统。基因名称基因定位编码蛋白大小aa编码蛋白定位编码蛋白的主要功能XPA9q22.3273细胞核可能结合受损DNA，为修复复合体其他因子到达DNA受损部位指示方向XPB2q21782细胞核在DNA切除修复中，发挥解螺旋酶的功能XPC3p25940细胞核可能是受损DNA识别蛋白XPD19q13.3760细胞核转录因子TFⅡH的一个亚单位，与XPB一起，在受损DNA修复中，发挥解螺旋酶功能XPE11q12-1311p11-121140427细胞核主要结合受损DNA的嘧啶二聚体XPF16p13.12905细胞核结构专一性DNA修复核酸内切酶，在DNA损伤切除修复中，在受损DNA的5端切口XPG13q331186细胞核镁依赖的单链核酸内切酶，在DNA损伤切除修复中，在受损DNA的3端切口人类XP相关的DNA损伤核苷酸切除修复系统缺陷基因转录偶联修复•核苷酸切除修复不仅能够修复整个基因组中的损伤，而且还能够修复那些正在转录的基因的模板链上的损伤，后者又称为转录偶联修复。•在转录偶联修复中，由RNA聚合酶承担起识别损伤部位的任务。三.重组修复XRCCRad51RPANbs5′5′5′5′5′5′5′3′3′3′3′3′3′5′5′5′5′5′5′5′5′5′5′5′5′5′5′5′5′5′3′3′3′3′3′3′3′3′3′3′3′3′3′5′3′5′3′3′3′3′3′3′12345DNA双联断裂损伤部位DNA末端加工链交换DNA合成新合成的DNA链连接，交叉分离Rad50MreⅡRad52Rad51B/Rad51C/Rad51DXRCC2/XRCC3同源重组修复注释：•由黑色与灰色线条组成的DNA双链为断裂损伤的DNA双链。•由深蓝色与浅蓝色线条组成的DNA双链为完好DNA双链，与断裂损伤的DNA双链序列同源•左图D，两个方向的重组合成的DNA中，只有右侧的酶或相关蛋白被标示出来。•左图E,红色线条框所示的四条DNA单链的交叉互补中，灰色的DNA单链与浅蓝色的DNA单链互补，后者是前者合成的模版；黑色的DNA单链与深蓝色的DNA单链互补，同样后者是前者合成的模版。FBCDEADNA末端加工非同源末端连接的重组修复双链断裂损伤的DNA正常结构的DNA（与损伤的DNA非同源）DNA-PKcsKu四.跨越损伤修复正在复制的DNA聚合酶遭遇尚未修复的DNA损伤，细胞自动防故障系统能够使复制体绕过损伤部位继续复制，这一机制即跨越损伤修复。跨越损伤修复包括重组跨越损伤修复和合成跨越损伤修复。大肠杆菌重组跨越损伤修复，当复制进行到损伤部位时，DNA聚合酶Ⅲ停止向前移动，脱离受损的DNA模版，在受损DNA部位下游重新启动复制。在新合成的子链DNA上的缺口，通过重组机制修复。大肠杆菌合成跨越损伤修复，其损伤部位DNA的合成是由新的DNA聚合酶Ⅳ或Ⅴ完成。合成跨越损伤修复种，跨越损伤的新的DNA聚合酶虽然依赖模板，但不依赖于碱基互补配对，故合成差错率较高。跨越损伤修复是DNA损伤修复的最后一种手段，其重组酶或DNA聚合酶在应答DNA损伤时被诱导表达。重组跨越损伤修复RecA等，重组填补缺口跨越损伤继续复制以未受损链为模板复制受损部位以损伤链为模板复制合成跨越损伤修复PolⅣ或ⅤSOS修复中LexA-RecA操纵子的作用机制LexA基因RecA基因可诱导基因DNA损伤部位DNA损伤部位DNA大范围损伤部位DNA损伤及其修复的意义第三节目录一.DNA损伤具有双重效应二.DNA损伤修复障碍与多种疾病相关一、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损伤的生物学后果二、DNA损伤修复缺陷与多种疾病相关DNA损伤修复缺陷与肿瘤的发生密切关联。DNA损伤修复缺陷与遗传性疾病密切关联。DNA损伤修复缺陷与免疫性疾病密切关联。DNA损伤修复能力弱与生命衰老密切关联。DNA损伤修复系统缺陷有关的人类疾病类别易患疾病修复系统缺陷着色性干皮病皮肤癌、黑色素瘤核苷酸切除修复遗传性非息肉性结肠癌结肠癌、卵巢癌错配修复，转录偶联修复遗传性乳腺癌乳腺癌、卵巢癌同源重组修复Bloom综合征白血病、淋巴瘤非同源末端连接重组修复范科尼贫血再生障碍性贫血、白血病、生长迟缓重组跨越损伤修复Cockyne综合征视网膜萎缩、侏儒、耳聋、早衰、对UV敏感核苷酸切除修复，转录偶联修复毛发硫营养不良症毛发易断、生长迟缓核苷酸切除修复生物多样性依赖于DNA突变与DNA修复之间的平衡DNA突变DNA修复平衡本章小结•DNA损伤是指各种体内外因素导致的DNA组成与结构上的变化，主要包括碱基或戊糖基的破坏、碱基错配、DNA单链或双链断裂、DNA链共价交联等。•DNA复制中错配、DNA结构不稳定性、机体代谢中的有害活性分子等体内因素，可诱发DNA损伤；物理因素、化学因素和生物因素等体外因素也均可损伤DNA。•DNA损伤具有双重生物学效应。各种因素诱发的DNA结构改变是生物进化的基础；同时DNA的损伤也可使细胞功能出现障碍，与多种疾病相关。•细胞拥有DNA损伤修复机制，可以修复DNA损伤，恢复DNA正常结构。这一机制对于维持DNA结构的完整性与稳定性，保证生命延续和物种稳定至关重要。•细胞有直接修复、切除修复、重组修复和跨越损伤修复等DNA损伤修复途径。一种DNA损伤可通过多种途径修复，一种修复途径也可参与多种DNA损伤修复。•DNA损伤修复缺陷与肿瘤、衰老以及免疫性疾病等密切相关。谢谢观看