DNA的损伤与修复讲义课件.ppt

1、第二章第二章DNADNA损伤与修复损伤与修复第二节DNA 损伤损伤一、一、DNA损伤因素损伤因素（一）内源性损伤（一）内源性损伤( (体内因素体内因素) )1 1、DNADNA复制错误：碱基配对从复制错误：碱基配对从A-TA-T转换成转换成G-CG-C。2 2、碱基自身互变异构体：、碱基自身互变异构体：C C的异构体与的异构体与A A错误配对。错误配对。3 3、自发的化学变化、自发的化学变化4 4、氧化损伤、氧化损伤（二）外源性损伤（体外因素）（二）外源性损伤（体外因素）1 1、物理因素、物理因素2 2、化学因素（化学试剂）、化学因素（化学试剂）二、多种化学或物理因素可诱发突变二、多种化学或物

2、理因素可诱发突变1 1、大量的突变属于自发突变，发生频率只不过在、大量的突变属于自发突变，发生频率只不过在1010-9-9左右。但由于生物基因组庞大，细胞繁殖速度快，左右。但由于生物基因组庞大，细胞繁殖速度快，因此它的作用是不可低估的。因此它的作用是不可低估的。2 2、实验室用来诱发突变，也是生活环境中导致突变、实验室用来诱发突变，也是生活环境中导致突变的因素，主要有物理和化学因素。的因素，主要有物理和化学因素。 n物理因素：物理因素： 紫外线紫外线(ultra violet, UV)(ultra violet, UV)、各种辐射、各种辐射 UV化化 学学 因因 素素 ：常常 见见 的的 化化

3、 学学 诱诱 变变 剂剂化化 合合 物物 类类 别别作作用用点点分分 子子 改改 变变碱碱 基基 类类 似似 物物如如 ： 5 -B UA 5 -B U G- A - T - G - C -羟羟 胺胺 类类 （ N H2O H ）T C- T - A - C - G -亚亚 硝硝 酸酸 盐盐 （ N O2）C U- G - C - A - T -烷烷 化化 剂剂如如 ： 氮氮 芥芥 类类 ， N itr o m in sG mGG mGD N A 缺缺 失失 G常常见见的的化化学学诱诱变变剂剂化化合合物物类类别别作作用用点点分分子子改改变变碱碱基基类类似似物物如如：5-BUA 5-BU G-A

4、 -T -G -C -羟羟胺胺类类（NH2OH）T C-T -A -C -G -亚亚硝硝酸酸盐盐（NO2）C U-G -C -A -T -烷烷化化剂剂如如：氮氮芥芥类类，NitrominsG mGG mGDNA缺缺失失G三、突变在生物界普遍存在三、突变在生物界普遍存在（一）突变是进化、分化的分子基础（一）突变是进化、分化的分子基础1 1、DNADNA突变具体指个别突变具体指个别dNMPdNMP残基以至片残基以至片段段DNADNA在构成、复制或表型功能的异常在构成、复制或表型功能的异常变化，也称为变化，也称为DNADNA损伤损伤(DNA damage)(DNA damage)。2 2、从分子水平

5、来看，突变就是、从分子水平来看，突变就是DNADNA分子分子上碱基的改变。上碱基的改变。 3 3、从长远的生物史看，进化过程是突变的不、从长远的生物史看，进化过程是突变的不 断发生所造成的。断发生所造成的。4 4、大量的突变都是属于这种类型，只是目前还、大量的突变都是属于这种类型，只是目前还未能认识其发生的真正原因，因而名为自发突未能认识其发生的真正原因，因而名为自发突变或自然突变变或自然突变(spontaneous mutation)(spontaneous mutation)。（二）只有基因型改变的突变形成（二）只有基因型改变的突变形成DNADNA的多态性的多态性1 1、这种突变没有可察觉

6、的表型改变，例如在、这种突变没有可察觉的表型改变，例如在 简并密码子上第三位碱基的改变，蛋白质非简并密码子上第三位碱基的改变，蛋白质非 功能区段上编码序列的改变等。这些现象也功能区段上编码序列的改变等。这些现象也 相当普遍。相当普遍。2 2、多态性、多态性(polymorphism)(polymorphism)一词用来描述个体之一词用来描述个体之 间的基因型差别现象。间的基因型差别现象。 （三）致死性的突变可导致个体、细胞的死亡（三）致死性的突变可导致个体、细胞的死亡（四）突变是某些疾病的发病基础（四）突变是某些疾病的发病基础四、引起突变的分子改变类型有多种四、引起突变的分子改变类型有多种错配

7、错配 (mismatch)(mismatch)缺失缺失 (deletion)(deletion)插入插入 (insertion)(insertion)重排重排 (rearrangement)(rearrangement) 框移框移(frame-shift)(frame-shift) DNADNA分子上的碱基错配称点突变分子上的碱基错配称点突变(point mutation)(point mutation)。 自发突变和不少化学诱变都能引起自发突变和不少化学诱变都能引起DNADNA上某一碱基的上某一碱基的置换。置换。 点突变发生在基因的编码区，可导致氨基酸改变。点突变发生在基因的编码区，可导致氨

8、基酸改变。 （一）错配可导致编码氨基酸的改变（一）错配可导致编码氨基酸的改变镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) Hb (HbS) 亚基亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链肽链CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb (HbA)Hb (HbA)亚基亚基N-val his leu thr pro glu glu C 肽链肽链CTC GAG基因基因n镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人（二）缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸（二）缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变排列顺序发生改变1 1、缺失：、缺失：一个碱基或一段核苷酸链从

9、一个碱基或一段核苷酸链从DNADNA大分子上大分子上 消失。消失。2 2、插入：、插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插 入到入到DNADNA大分子中间。大分子中间。 缺失或插入都可导致缺失或插入都可导致框移突变框移突变 。3 3、框移突变、框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造是指三联体密码的阅读方式改变，造 成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。 谷谷 酪酪 蛋蛋 丝丝5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬正常正常5 G A G U A C A U G U C 缺失缺失C C缺失引起框移突变

10、：缺失引起框移突变：（三）重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病（三）重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病1 1、DNADNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。分子内较大片段的交换，称为重组或重排。2 2、移位的、移位的DNADNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位可以在新位点上颠倒方向反置（倒位），也可以在染色体之间发生交换重组。），也可以在染色体之间发生交换重组。 DNADNA损伤（突变）可能造成两种结果：其一是损伤（突变）可能造成两种结果：其一是导致复制或转录障碍（如胸腺嘧啶二聚体，导致复制或转录障碍（如胸腺嘧啶二聚体，DNADNA骨架骨架中产生切口或断裂）；其二是导致复制后基因突变中产生切

11、口或断裂）；其二是导致复制后基因突变（如胞嘧啶自发脱氨基转变为尿嘧啶），使（如胞嘧啶自发脱氨基转变为尿嘧啶），使DNA DNA 序序列发生永久性改变。所以，必须通过进化使细胞拥列发生永久性改变。所以，必须通过进化使细胞拥有灵敏的机制，以识别和修复这些损伤，否则细胞有灵敏的机制，以识别和修复这些损伤，否则细胞无法维持正常代谢。无法维持正常代谢。 第三节 DNA DNA 损伤修复损伤修复 DNADNA损伤修复损伤修复(repair(repair) ) ： 是对已发生分子改变的补偿措施，使其是对已发生分子改变的补偿措施，使其尽可能回复为原有的天然状态。尽可能回复为原有的天然状态。修复的意义：修复的意

12、义： 保证保证DNADNA携带的遗传信息能完全地忠实转携带的遗传信息能完全地忠实转给子代、维持生物特征的稳定性和完整性。给子代、维持生物特征的稳定性和完整性。一、一、DNADNA损伤的修复有多种类型损伤的修复有多种类型错配修复错配修复(mismatch repair)(mismatch repair)直接修复直接修复(direct repair)(direct repair)光修复光修复(light repairing)(light repairing)切除修复切除修复(excision repairing)(excision repairing)重组修复重组修复(recombination

13、repairing)(recombination repairing)SOSSOS修复修复 1 1、嘧啶二聚体的直接修复（、嘧啶二聚体的直接修复（light repairlight repair） 这是一种广泛存在的修复作用，能够修这是一种广泛存在的修复作用，能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。复任何嘧啶二聚体的损伤。修复过程由光修复酶修复过程由光修复酶(photolyase)(photolyase)催化完成催化完成。一、有些一、有些DNADNA损伤可以直接修复损伤可以直接修复（一）直接修复系统利用酶简单地逆转（一）直接修复系统利用酶简单地逆转DNADNA损伤损伤光修复酶光修复酶(photolyas

14、e)(photolyase) UV修复过程：修复过程：修复酶修复酶(photolyase)(photolyase)识别识别嘧啶二聚体并与之结合形嘧啶二聚体并与之结合形成复合物；成复合物；在在300300600nm600nm可见光照射可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁酰环打开；二聚体的丁酰环打开；光修复酶从光修复酶从DNADNA上解离。上解离。 二、切除修复是最普遍的二、切除修复是最普遍的DNA损伤修损伤修复方式复方式1 1、碱基切除修复、碱基切除修复2 2、核苷酸切除修复、核苷酸切除修复3 3、碱基错配修复、碱基错配修复 碱基切除修复依赖于生物体内存在的碱基切除修

15、复依赖于生物体内存在的一类特异的一类特异的DNADNA糖基化酶。糖基化酶。切除修复过程：切除修复过程： （1 1）识别水解）识别水解 （2 2）切除）切除 （3 3）合成）合成 （4 4）连接）连接1 1、碱基切除修复（、碱基切除修复（base excision repairbase excision repair）（二）核苷酸切除修复系统识别（二）核苷酸切除修复系统识别DNADNA双螺旋变形双螺旋变形 这是细胞内最重要和有效的修复方式。这是细胞内最重要和有效的修复方式。 其过程包括去除损伤的其过程包括去除损伤的DNADNA，填补空隙和连接。，填补空隙和连接。 主要由主要由DNA-polDNA

16、-pol和连接酶完成。和连接酶完成。这也是一种广泛存在的修复机制，可适用于多这也是一种广泛存在的修复机制，可适用于多种种DNADNA损伤的修复。损伤的修复。切除修复机制的基本过程是将受损的切除修复机制的基本过程是将受损的DNADNA片段片段切切除，然后再以对侧链为模板，重新合成新链进除，然后再以对侧链为模板，重新合成新链进行修复。行修复。由核苷酸切除修复系统负责进行修复。由核苷酸切除修复系统负责进行修复。切除修复系统步骤切除修复系统步骤 核酸内切酶核酸内切酶UvrAUvrA、UvrBUvrB和和UvrCUvrC蛋白识别蛋白识别损伤部位损伤部位 UvrCUvrC将受损片段切除将受损片段切除 DN

17、A pol DNA pol 填补缺口填补缺口 连接酶封口连接酶封口UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶OHPDNA连接酶ATP碱基丢失碱基丢失碱基缺陷或错碱基缺陷或错配配结构缺陷结构缺陷切开切开核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切除切除DNA聚合酶聚合酶DNA连接酶连接酶AP核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切开切开切除切除修复修复连接连接糖苷酶糖苷酶插入酶插入酶碱基取碱基取代代 核苷酸切除修复不仅能够修复整个基因核苷酸切除修复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组中的损伤，而且能拯救因转录模板链损伤而暂停转录的而暂停转录的RNARNA聚合酶，即参与聚合

18、酶，即参与转录偶联修转录偶联修复复(transcription-coupled repair)(transcription-coupled repair)。 转录偶联修复的意义在于，将修复酶集转录偶联修复的意义在于，将修复酶集中于正在转录的中于正在转录的DNADNA，使该区域的损伤尽快得，使该区域的损伤尽快得以修复。以修复。 错配修复对错配修复对DNADNA复制忠实性的贡献力达复制忠实性的贡献力达10102 2-10-103 3，DNADNA子链中的错配几乎完全都被修正，充分反映子链中的错配几乎完全都被修正，充分反映了母链的重要性。错误的碱基配对可以通过母链了母链的重要性。错误的碱基配对可以通

19、过母链中识别标记区分；中识别标记区分；标记是标记是GATCGATC（回文结构）中（回文结构）中A A甲基化，甲基化，E.coliE.coli中中的的3 3个蛋白质（个蛋白质（MutSMutS、MutHMutH和和MutLMutL）校正。该修）校正。该修复系统只校正新合成的复系统只校正新合成的DNADNA，因为新合成，因为新合成DNADNA链的链的GATCGATC序列中的序列中的A A（腺苷酸残基）开始未被甲基化。（腺苷酸残基）开始未被甲基化。GATCGATC中中A A甲基化与否常用来区别新合成的链（未甲基化与否常用来区别新合成的链（未甲基化）和模板链（甲基化）。甲基化）和模板链（甲基化）。3

20、3、碱基错配修复、碱基错配修复错配修复系统作用机制：错配修复系统作用机制：MutSMutS蛋白识别错配的碱基；并吸引蛋白识别错配的碱基；并吸引MutL MutL 蛋白到蛋白到这个位置，新生链的这个位置，新生链的GATCGATC序列未甲基化；序列未甲基化； MutL MutL 蛋白激活蛋白激活MutHMutH蛋白，在新链的未甲基化的蛋白，在新链的未甲基化的GATCGATC打开缺口；打开缺口；外切核酸酶切除外切核酸酶切除3 3到到5 5方向错配碱基与方向错配碱基与GATCGATC序序列之间的间隔的列之间的间隔的DNADNA序列，聚合酶填补空缺；序列，聚合酶填补空缺；DNADNA连接酶封闭缺口，甲基

21、化酶在新链甲基化。连接酶封闭缺口，甲基化酶在新链甲基化。新复制新复制DNADNA的新的新旧链区别旧链区别E.ColiE.Coli错错配配修修复复系系统统作作用用机机制制重组修复重组修复(recombination repair)(recombination repair)这是这是DNADNA的复制过程中所采用的一种有差错的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式。的修复方式。 修复时，利用重组蛋白修复时，利用重组蛋白RecARecA的核酸酶活性，的核酸酶活性，将另一股健康亲链与损伤缺口相互交换将另一股健康亲链与损伤缺口相互交换。某些某些DNADNA修复发生在跨越损伤修复发生在跨越损伤DNADNA

22、的复制事件的复制事件之后（之后（了解了解） 重组修复步骤：重组修复步骤：将正常母链上一段与损伤子链缺口同源片将正常母链上一段与损伤子链缺口同源片 段转移进行重组，使母链上带有缺口；段转移进行重组，使母链上带有缺口；DNADNA聚合酶填补母链上的缺口；聚合酶填补母链上的缺口；DNADNA连接酶封口。连接酶封口。损伤的损伤的DNADNA经过数代复制可得到稀释，从而对细经过数代复制可得到稀释，从而对细胞的影响减至最小。胞的影响减至最小。重组修复重组修复SOS SOS 修修 复复1 1、当、当DNADNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱损伤广泛难以继续复制时，由此而诱 发出一系列复杂的反应。发出一系列

23、复杂的反应。2 2、在、在E. coliE. coli，各种与修复有关的基因，组成，各种与修复有关的基因，组成 一个称为一个称为调节子调节子(regulon)(regulon)的网络式调控系统。的网络式调控系统。3 3、这种修复特异性低，对碱基识别、选择能力差。、这种修复特异性低，对碱基识别、选择能力差。 通过通过SOSSOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的。修复，复制如能继续，细胞是可存活的。 但但DNADNA保留的错误较多，导致较广泛、长期突变。保留的错误较多，导致较广泛、长期突变。 SOSSOS反应的机制（大肠杆菌应急修复系统）反应的机制（大肠杆菌应急修复系统）未诱导的细胞未诱导的细胞靶基因靶基因lexA基因被基因被LexA 蛋白质部分阻遏蛋白质部分阻遏recA基因被基因被LexA 蛋白质部分阻遏蛋白质部分阻遏（40个不同的位点被阻个不同的位点被阻遏）遏）LexA(阻遏物阻遏物) RecA(辅蛋白酶辅蛋白酶)靶基因表达靶基因表达lexA靶基因表达靶基因表达 但产物被分解但产物被分解recA大量表达大量表达RecA促使促使分解分解LexA诱导的细胞诱导的细胞单链单链DNAATP五、五、DNADNA损伤修复系统与疾病（了解）损伤修复系统与疾病（了解）