电离辐射的分子生物学效应.ppt

1、第三章第三章 电离辐射的分子生物效应（电离辐射的分子生物效应（一）一） 金顺子金顺子 教授教授/博导博导 Email: jinsz 什么是什么是 DNA ？ （deoxyribonucleic acid，DNA ） 一类带有遗传信息遗传信息的生物大分子。 由4种主要的脱氧核苷酸脱氧核苷酸（dAMP、 dGMP、dCMP和dTMP）通过 3，5-磷酸二酯键连接而成的一类核酸核酸。 9898核中（染色体中）核中（染色体中） 真核真核 线粒体（线粒体（mDNAmDNA） 核外核外 叶绿体（叶绿体（ctDNActDNA） DNADNA 拟核拟核 原核原核 核外：质粒（核外：质粒（plasmidplas

2、mid） 病毒病毒：DNADNA病毒病毒 DNA的分布：的分布： 核酸核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信 息的储存与传递。 核酸的类型核酸的类型： 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 （Deoxyribonucleic acid ，DNA） 核糖核酸核糖核酸 （Ribonucleic acid，RNA） 核酸概述核酸概述 核酸的基本化学组成核酸的基本化学组成 核酸核酸 核苷酸核苷酸 核苷核苷 磷酸磷酸 碱基碱基 戊糖戊糖 元素组成：元素组成： C 、 H、 O、 N 、 P Double Helix 19532003 双股螺旋双股螺旋 2003.04.24 James Watson went to

3、 university in Chicago aged 15, and teamed up with Crick in Cambridge in late 1951. Francis Crick trained and worked as a physicist, but switched to biology after the Second World War. Rosalin Franklin, trained as a chemist, was expert in deducing the structure of molecules by firing X-rays through

4、them. Her images of DNA - disclosed without her knowledge - put Watson and Crick on the track towards the right structure. She went on to do pioneering work on the structures of viruses. Maurice Wilkins trained as a physicist, and was involved with the Manhattan project to build the nuclear bomb. Wi

5、lkins worked on X-ray crystallography of DNA with Franklin at Kings College London, although their relationship was strained. He helped to verify Watson and Cricks model, and shared the 1962 Nobel with them. 分子生物学进展及成果分子生物学进展及成果 随着随着RNA和和DNA聚合酶的发现，中心法则得以修正聚合酶的发现，中心法则得以修正和和完善；完善； 由于工具酶的发现及导入细胞技术的建立，由

6、于工具酶的发现及导入细胞技术的建立，可进行可进行DNA重组重组； 建立建立DNA序列测定序列测定方法，提供了读取遗传信息的手段；方法，提供了读取遗传信息的手段； 发现具有酶活性的发现具有酶活性的DNA和和RNA，改变了酶的传统概念；，改变了酶的传统概念； 建立建立PCR技术技术，提供了基因克隆和基因分析的有力工具；，提供了基因克隆和基因分析的有力工具； 基因表达调控基因表达调控的研究的研究更加深入更加深入； 显微注射技术的建立与完善显微注射技术的建立与完善，使使转基因动物转基因动物的研究得以发展；的研究得以发展； 基因重组技术基因重组技术的发展促进了基因治疗的研究和应用；的发展促进了基因治疗的

7、研究和应用； 人类基因组计划的基本完成人类基因组计划的基本完成，使分子生物学的研究与应用进使分子生物学的研究与应用进 入了一个新纪元。入了一个新纪元。 表观遗传学表观遗传学的研究开启了后基因时代的研究开启了后基因时代。 第一节第一节 DNA的电离辐射效应的电离辐射效应 第二节第二节 基因转录与翻译的电离辐射效应基因转录与翻译的电离辐射效应 第三节第三节 信号转导的电离辐射效应信号转导的电离辐射效应 第四节第四节 表观遗传学的电离辐射效应表观遗传学的电离辐射效应 第三章第三章 提提 纲纲 第一节第一节 DNA的电离辐射效应的电离辐射效应 一、一、DNA辐射损伤方式辐射损伤方式 二、二、DNA辐射

8、损伤的修复辐射损伤的修复 一、一、DNA辐射损伤方式辐射损伤方式 DNA的结构的结构 1. DNA的一级结构：的一级结构： 是由数量极多的四种是由数量极多的四种脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸通通 过过磷酸二酯键磷酸二酯键连接起来的连接起来的直线形或环形直线形或环形 多聚体。多聚体。 DNA分子的结构模式图分子的结构模式图 DNA一级结构的多样性一级结构的多样性 非重复非重复DNA序列序列 中度重复中度重复DNA序列序列 高度重复高度重复DNA序列序列 2. DNA的二级结构的二级结构 由两条方向相反的平行多核由两条方向相反的平行多核 苷酸链围绕同一中心轴构成苷酸链围绕同一中心轴构成 的的双螺旋双

9、螺旋结构，两条都是右结构，两条都是右 手螺旋，依靠手螺旋，依靠氢键氢键相联系而相联系而 结合在一起。结合在一起。A与与T，C与与G 配对配对，即碱基互补定律。，即碱基互补定律。 2.0 nm 小小 沟沟 大大 沟沟 DNA二级结构的多形性二级结构的多形性 DNA二级结构构型分三种：二级结构构型分三种： B型型DNA（右手双螺旋（右手双螺旋DNA）是“经典”的）是“经典”的Watson- Crick结构，二级结构相对稳定，水溶液和细胞内结构，二级结构相对稳定，水溶液和细胞内天天 然然DNA大多为大多为B型型DNA； A型型DNA是一般是一般B型型DNA的重要变构形式，同样是右的重要变构形式，同样

10、是右 手双螺旋手双螺旋DNA，其分子形状与，其分子形状与RNA的双链区和的双链区和 DNA/RNA杂交分子很相近；杂交分子很相近； Z型型DNA，Z型型DNA是左手螺旋，也是是左手螺旋，也是B型型DNA的变的变 构形式构形式 。 稳定双螺旋的力稳定双螺旋的力 氢键氢键 碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力） 离子键等离子键等 DNA变性剂变性剂（热、（热、pH、脲、脲/酰胺、有机溶剂）酰胺、有机溶剂） 3. DNA三级结构三级结构 指指DNA双螺旋进一步盘曲所形成的构象，双螺旋进一步盘曲所形成的构象， 其基本形式是其基本形式是超螺旋超螺旋。三级结构决定于。三级

11、结构决定于 二级结构。当盘绕过多或不足时，就会二级结构。当盘绕过多或不足时，就会 出现张力，形成超螺旋。出现张力，形成超螺旋。 （一）（一）DNA链断裂链断裂 (1) 单链断裂：单链断裂：DNA双螺旋结构中一条链断裂时，双螺旋结构中一条链断裂时， 称为单链断裂（称为单链断裂（single strand break , SSB） 重重 点点 (2) 双链断裂：双链断裂：两条互补链于同一对应处或相两条互补链于同一对应处或相 邻处同时断裂时，称之为双链断裂（邻处同时断裂时，称之为双链断裂（double strand break , DSB） 链断裂链断裂是电离辐射所致是电离辐射所致DNA损伤中损伤中

12、 较常见和重要的损伤形式。较常见和重要的损伤形式。 1DNA链断裂的分子损伤基础链断裂的分子损伤基础 （1）脱氧戊糖和磷酸二脂键脱氧戊糖和磷酸二脂键的破坏：的破坏： 辐射辐射分解水分子后产生分解水分子后产生3 种主要的自由基，种主要的自由基， 即即 e水合 水合， ，OH，H 水合电子水合电子 碱基上碱基上 不能引起磷酸二酯链断裂不能引起磷酸二酯链断裂 氢自由基氢自由基 碱基上碱基上 只有一小部分能从糖基上抽氢只有一小部分能从糖基上抽氢 羟自由基羟自由基也主要（约也主要（约80%）加至碱基的双键上，但）加至碱基的双键上，但 由于它的高反应性，能从糖基上抽去约由于它的高反应性，能从糖基上抽去约2

13、0%的氢。的氢。 因此，因此，DNA链断裂主要与羟自由基的作用有关。链断裂主要与羟自由基的作用有关。 大部分大部分SSB是是C(3)上的磷酸酯键断裂，只有一上的磷酸酯键断裂，只有一 小部分是小部分是C(5)上的磷酸酯键发生断裂。上的磷酸酯键发生断裂。 糖基上糖基上C(1)、C(2)和和C(4)在受到羟自由基攻在受到羟自由基攻 击后均可形成击后均可形成碱不稳定性位点（碱不稳定性位点（alkali labile sites, ALS），这些位点在碱处理后都能导致，这些位点在碱处理后都能导致 DNA链断裂。链断裂。 水解断裂处水解断裂处 碱基碱基 (2) 碱基损伤碱基损伤 碱基损伤碱基损伤 链断裂链

14、断裂 DNA双螺旋的局部变性双螺旋的局部变性 特异的特异的核酸内切酶核酸内切酶能能 识别和切割这种损伤识别和切割这种损伤 这种对特异性酶敏感的位点这种对特异性酶敏感的位点 称为称为酶敏感位点酶敏感位点 （enzyme sensitive sites, ESS） DNA链上链上损伤的碱基损伤的碱基也可以被特异的也可以被特异的 DNA糖基化酶糖基化酶除去或由于除去或由于N-糖基键的化糖基键的化 学水解而丢失，形成学水解而丢失，形成无嘌呤或无嘧啶位无嘌呤或无嘧啶位 点点（apurinic/apyrimidinic sites, APS）。）。 这些这些APS在内切酶等作用下形成链断裂。在内切酶等作用

15、下形成链断裂。 2电离辐射致电离辐射致DNA链断裂的特点链断裂的特点 （1）SSB/DSB的比值：的比值： 由于由于DNA两条链之间的空间距离，两条链之间的空间距离，一个自由基一个自由基 不可能与不可能与DNA的两条链同时作用的两条链同时作用。所以，。所以，SSB 可以由可以由一个自由基一个自由基攻击而产生，但攻击而产生，但DSB必须由必须由 两个以上两个以上自由基引起。自由基引起。 IR 较高的自由基浓度较高的自由基浓度 使自由基有可能在使自由基有可能在 相对应的链上进行相对应的链上进行 攻击而形成攻击而形成DSB。 10：120：1 重重 点点 （2）DNA链断裂与细胞辐射敏感性的关系链断

16、裂与细胞辐射敏感性的关系 DNA链断裂虽然与细胞链断裂虽然与细胞辐射敏感性无直接辐射敏感性无直接 关系关系，但辐射敏感性不同的细胞，但辐射敏感性不同的细胞DNA链断链断 裂裂修复能力修复能力却存在着差异。却存在着差异。 单位单位DNA接受一定射线能量引起的链断裂，接受一定射线能量引起的链断裂， 并不因细胞种类不同而有很大差异，也不因并不因细胞种类不同而有很大差异，也不因 DNA是在完整细胞中或处于游离状态而出现是在完整细胞中或处于游离状态而出现 很大差异（很大差异（ 表表3-1）。）。 （3）电离辐射诱导）电离辐射诱导DSB的剂量的剂量-效应关系效应关系 DNA DSB端口端口 照射后其数量增

17、多有照射后其数量增多有 明显的剂量依赖性。明显的剂量依赖性。 H2AX的磷酸化的磷酸化 H2AX是一种与是一种与DNA链链 包绕的组蛋白包绕的组蛋白 特异抗体可在细胞核内特异抗体可在细胞核内 检出检出 -H2AX的局灶的局灶 决定辐射敏感性的不是决定辐射敏感性的不是 辐射诱发辐射诱发DNA DSB的多的多 少，而是少，而是细胞修复细胞修复DNA DSB的能力的能力，后者又取，后者又取 决于细胞的基因型特点决于细胞的基因型特点 Chromosome Chromatin DNA-protein complex duplication 上方显示不同剂量辐射诱导上方显示不同剂量辐射诱导 细胞核内细胞核

18、内 -H2AX局灶局灶 （白点）：下方为共聚焦显（白点）：下方为共聚焦显 微摄影，微摄影，红色红色为为DNA，绿色绿色 为为 -H2AX，蓝色蓝色为膜系为膜系 图图3-1 辐射诱导辐射诱导DSB的剂量的剂量-效应关系效应关系 纵坐标：每一细胞内的纵坐标：每一细胞内的DSB数，数， 横坐标：辐射剂量，横坐标：辐射剂量，Gy -H2AX 局灶计数检出的局灶计数检出的DNA DSB； 脉冲电场凝胶电泳检出的脉冲电场凝胶电泳检出的DNA DSB （4）DNA链断裂发生部位的非随机性链断裂发生部位的非随机性 用高分辨的聚丙烯酰胺凝胶电泳研究体外用高分辨的聚丙烯酰胺凝胶电泳研究体外 射线照射后发现链断裂并

19、非随机分布，除了射线照射后发现链断裂并非随机分布，除了碱碱 不稳定性位点不稳定性位点引起的链断裂外，引起的链断裂外，碱基的种类碱基的种类对对 链断裂位置也有较大影响。链断裂位置也有较大影响。 （5）DNA链断裂的复杂性链断裂的复杂性 在大剂量电离辐射或高在大剂量电离辐射或高LET辐射细胞后，在紧凑辐射细胞后，在紧凑 的空间范围内，密集产生的空间范围内，密集产生2个或个或2个以上的单损伤，个以上的单损伤， 包括包括：SSB、DSB和碱基损伤（嘌呤嘧啶碱基氧和碱基损伤（嘌呤嘧啶碱基氧 化、碱基位点缺失）等多种类型的集簇损伤化、碱基位点缺失）等多种类型的集簇损伤。 3电离辐射致电离辐射致DNA链断裂

20、的影响因素链断裂的影响因素 （1）LET对链断裂的影响：对链断裂的影响： 就同种射线照射来说，就同种射线照射来说，SSB与与DSB的比值随的比值随DNA分分 子中能量沉积的增减而变化。随着子中能量沉积的增减而变化。随着能量总沉积的增能量总沉积的增 加加，SSB与与DSB的的比值下降比值下降。 LET DSB SSB 链断裂：链断裂： 中子中子 射线射线 紫外线紫外线 DSB： 中子中子 射线射线 射线射线 中子 中子 SSB： （2）氧效应对链断裂的影响）氧效应对链断裂的影响 氧增加氧增加羟自由基羟自由基的产量，致使的产量，致使DNA链断裂增加链断裂增加。 如：如： 小鼠小鼠L5178Y细胞株

21、细胞株DNA在有氧条件下照射，其在有氧条件下照射，其 SSB的产额是无氧条件下照射的的产额是无氧条件下照射的2倍倍。 （二）（二）DNA交联交联 DNA双螺旋结构中，一条链上的碱基与其互补链双螺旋结构中，一条链上的碱基与其互补链 上的碱基以共价键结合，称之为上的碱基以共价键结合，称之为DNA链间交联链间交联 (DNA interstrand cross-linking)； DNA分子同一条链上的两个碱基相互以共价键结分子同一条链上的两个碱基相互以共价键结 合，称为合，称为DNA链内交联链内交联（DNA intrastrand cross- linking），如），如嘧啶二聚体嘧啶二聚体。 DN

22、A与蛋白质以共价键结合，称为与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交蛋白质交 联联（DNA-protein cross-linking, DPC） A：链间交联：链间交联 B：链内交联：链内交联 1DNA蛋白质交联（蛋白质交联（DPC） （1）DPC形成的分子机制形成的分子机制 羟自由基羟自由基是导致是导致DPC形成的最有效的自由基，形成的最有效的自由基， 而水合电子和超氧化阴离子在DPC的形成中 似乎无作用。 DTT H2 OH DPC DMSO OH DPC N2Oe 水合 水合 OH DPC DNA与蛋白质之间形成共价键的分子机理与蛋白质之间形成共价键的分子机理 辐照后蛋白质中的辐照后

23、蛋白质中的含硫氨基酸含硫氨基酸，如半胱氨，如半胱氨 酸形成了酸形成了RS，甲硫氨酸形成了，甲硫氨酸形成了H2CS等等 自由基；自由基； 蛋白质中的蛋白质中的芳香族氨基酸芳香族氨基酸R 形成酚型或酚形成酚型或酚 氧型自由基，这类自由基在氧型自由基，这类自由基在DPC形成中起形成中起 主要作用。主要作用。 攻击攻击DNA嘧啶环的嘧啶环的6位和嘌呤环的位和嘌呤环的8位位， 形成共价键结合的交联体。形成共价键结合的交联体。 （2）影响）影响DPC形成的因素形成的因素 1) 氧效应：氧效应：UV- Xray - 2) 温度：温度：增温增温DPC 意义：意义：增温能增加肿瘤细胞增温能增加肿瘤细胞DPC，因

24、此可，因此可 用于放疗时的辐射增敏。用于放疗时的辐射增敏。 3) 染色质状态染色质状态 S期交联最多，而期交联最多，而G1、G2期的交联则很少期的交联则很少 （3）DPC形成的形成的DNA和和 蛋白质选择性蛋白质选择性 在在电离辐射电离辐射引起的引起的DPC中，中，DNA部分富含具有部分富含具有 转录活性的转录活性的DNA 在在紫外线紫外线照射引起的照射引起的DPC中，含转录活性的中，含转录活性的 DNA则少得多。则少得多。 在转录活性区，辐射所致的在转录活性区，辐射所致的SSB也很容易发生，也很容易发生， 但但SSB修复的效率也较高。修复的效率也较高。 在真核细胞中，与在真核细胞中，与DNA

25、交联的蛋白质主要有交联的蛋白质主要有 组蛋白、组蛋白、非组蛋白非组蛋白、调节蛋白、拓扑异构酶、调节蛋白、拓扑异构酶 以及与复制转录有关的核基质蛋白等。以及与复制转录有关的核基质蛋白等。 在在5种组蛋白中，形成种组蛋白中，形成DPC的反应能力也各的反应能力也各 不相同（不相同（H3H4H2AH2B）。）。 辐射交联的蛋白质基本上是辐射交联的蛋白质基本上是活性非组蛋白活性非组蛋白。 2DNA-DNA链间交联链间交联 DNA链间交联的反应与链间交联的反应与DNA链断裂链断裂相互竞争。在相互竞争。在 干燥干燥DNA中，链间交联占优势，可以形成带支链中，链间交联占优势，可以形成带支链 的的DNA分子分子

26、。（DAN 链间交联多见于化学损伤，如 氮芥、硫芥等） 在含水分的在含水分的DNA形成链间交联时，形成链间交联时，氧具有抑制作氧具有抑制作 用用，如果再增加水分含量，则，如果再增加水分含量，则DNA链断裂的生成链断裂的生成 率增加。当水分超过率增加。当水分超过300%时，不再有时，不再有DNA-DNA 交联形成。交联形成。 3DNA链内交联链内交联-嘧啶二聚体的形成嘧啶二聚体的形成 当当DNA受到接近它的最大吸收波长受到接近它的最大吸收波长260 nm 的紫外线照射后，相邻的嘧啶碱基共价交的紫外线照射后，相邻的嘧啶碱基共价交 联形成联形成环丁烷四元环环丁烷四元环，使这两个碱基的，使这两个碱基的

27、5,6 位双键饱和，这种光化学产物称为位双键饱和，这种光化学产物称为嘧啶二嘧啶二 聚体（聚体（PD）。 图图3-3 环丁烷型嘧啶二聚体环丁烷型嘧啶二聚体 （三）（三）DNA二级和三级结构的变化二级和三级结构的变化 保持稳定性保持稳定性: 互补碱基对之间的互补碱基对之间的氢键氢键； 碱基芳香环碱基芳香环 电子之间相互作用而电子之间相互作用而 引起的引起的碱基堆砌力碱基堆砌力； 磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子 之间形成的之间形成的离子键离子键。 2. 0 n m 小小 沟沟 大大 沟沟 IR DNA DNA变性变性系指双螺旋结构解开，氢键断裂，系指双螺旋结构解开，

28、氢键断裂， 克原子磷消光系数显著升高，出现增色效克原子磷消光系数显著升高，出现增色效 应，比旋光性和粘度降低，浮力密度升高，应，比旋光性和粘度降低，浮力密度升高， 酸碱滴定曲线改变，同时酸碱滴定曲线改变，同时失去生物活性失去生物活性。 DNA降解降解比变性更为剧烈，伴随着多核苷比变性更为剧烈，伴随着多核苷 酸链内共价键的断裂，分子量降低。酸链内共价键的断裂，分子量降低。 1增色效应和增色效应和Tm值值 增色效应增色效应: 随着随着DNA变性程度的增加，其克原子磷变性程度的增加，其克原子磷 消光系数值增大，这种现象称为增色效应消光系数值增大，这种现象称为增色效应。 克原子磷消光系数克原子磷消光系

29、数 (P): 以每升磷酸溶液中一克原以每升磷酸溶液中一克原 子磷为标准来计算核酸的吸光率（消光系数）子磷为标准来计算核酸的吸光率（消光系数）。 Tm: 将将DNA (P)值达到最高值值达到最高值1/2时的温度称之为熔时的温度称之为熔 解温度，以解温度，以Tm表示。表示。（把DNA的双螺旋结构降解一半 时的温度） （ 照射剂量越大照射剂量越大Tm值越小）值越小） DNA的的 (P) 为为60008000，RNA为为700010000 2旋光色散和圆二色性旋光色散和圆二色性 DNA高级结构的变化也可用高级结构的变化也可用旋光色散旋光色散（ORD） 和圆二色图谱和圆二色图谱（CD）观察。）观察。圆二

30、色性和旋光性圆二色性和旋光性 均是光学活性物质分子中的不对称生色团与左旋圆均是光学活性物质分子中的不对称生色团与左旋圆 偏振光和右旋圆偏振光发生不同的作用引起的。偏振光和右旋圆偏振光发生不同的作用引起的。 DNA的的ORD光谱在光谱在228和和229 nm波段有高峰，波段有高峰， 在在257 nm有低谷。有低谷。 200 Gy 射线照射后圆二色图谱在射线照射后圆二色图谱在275 nm波波 段有段有正带上升正带上升。 3黏度黏度 辐射所致辐射所致DNA结构的改变也可以反映在结构的改变也可以反映在DNA溶溶 液的粘度变化上。液的粘度变化上。 照射后测定照射后测定DNA水溶液的粘度：在水溶液的粘度：

31、在38时，时， DNA尚维持其双螺旋结构，而在尚维持其双螺旋结构，而在90时，时，DNA 解螺旋为单链。解螺旋为单链。 随剂量的增加，粘度降低。随剂量的增加，粘度降低。 剂量（剂量（Gy） （四）（四）DNA集簇损伤集簇损伤 DNA集簇损伤：集簇损伤：在大剂量在大剂量 射线或高射线或高LET射线射线 照射细胞后，在照射细胞后，在DNA大分子中产生一定密度的不大分子中产生一定密度的不 均匀的能量沉积，从而产生许多自由基，其在局均匀的能量沉积，从而产生许多自由基，其在局 部范围内作用形成的部范围内作用形成的DNA损伤是损伤是几种类型损伤的几种类型损伤的 复合复合，称之为，称之为DNA集簇性损伤集簇

32、性损伤（DNA clustered damage）。）。 DNA集簇性损伤类型集簇性损伤类型 双链断裂（双链断裂（DSB）型：）型：是单一的，或更复杂的，是单一的，或更复杂的， 即与碱基损伤和无碱基位点（即与碱基损伤和无碱基位点（AP）联合的）联合的DSB； 非双链断裂（非双链断裂（no-DSB ）型：）型：在在1 2个个DNA螺旋螺旋 转引发转引发2个或更多的损伤，随着个或更多的损伤，随着LET辐射增高，辐射增高， 其复杂性增加。其复杂性增加。 图图3-5 DSB和非和非DSB的的DNA集簇损伤图示（集簇损伤图示（B为碱基损伤）为碱基损伤） 二、二、DNA辐射损伤的修复辐射损伤的修复 修复现

33、象修复现象: 亚致死性损伤的修复（亚致死性损伤的修复（SLDR）：）： 潜在致死性损伤的修复（潜在致死性损伤的修复（PLDR）：）： SLDR（sublethal damage repair） ：不受照射后环境条不受照射后环境条 件影响的细胞损伤后的件影响的细胞损伤后的自然修复过程自然修复过程。 PLDR（potentially lethal damage repair） ：改变改变细胞受细胞受 致死性损伤后的致死性损伤后的环境条件环境条件，从而使细胞的存活分数，从而使细胞的存活分数 （SF）增高，这种作用称为）增高，这种作用称为PLDR。 重重 点点 （一）（一）DNA修复信号反应修复信号反

34、应 大量大量DNA螺旋扭曲损伤或单链断裂螺旋扭曲损伤或单链断裂，常激活常激活核酸切核酸切 除修复或碱基切除修复除修复或碱基切除修复途径途径； 当当DNA损伤较重，引起损伤较重，引起DSB，则可激活，则可激活非同源末端非同源末端 连接连接（NHEJ）途径和（或）同源重组途径和（或）同源重组（HR）途径途径； DNA损伤发生后，机体通过损伤发生后，机体通过细胞周期检查点的调控细胞周期检查点的调控， 使细胞阻滞于某一特定期（使细胞阻滞于某一特定期（G1期或期或G2期），从而给期），从而给 受损受损DNA修复提供更充分的时间。但如果这种损伤修复提供更充分的时间。但如果这种损伤 超过一定限度，机体也会启

35、动凋亡程序，诱导受损超过一定限度，机体也会启动凋亡程序，诱导受损 细胞发生程序性死亡。细胞发生程序性死亡。 DNA损伤修复反应，特别是其损伤修复反应，特别是其 DSB 修复反应，修复反应， 是一个多步骤的复杂过程，由多个功能蛋白的是一个多步骤的复杂过程，由多个功能蛋白的 交替联合，构成一个完整的修复系统，其修复交替联合，构成一个完整的修复系统，其修复 过程涉及过程涉及蛋白磷酸化、乙酰化、泛素化和生物蛋白磷酸化、乙酰化、泛素化和生物 素化等修饰功能素化等修饰功能。 （二）（二）回复修复回复修复 在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成的在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成的 修复方式叫做

36、回复修复。其机制包括修复方式叫做回复修复。其机制包括酶学光复活、酶学光复活、 单链断裂重接，嘌呤的直接插入和甲基转移单链断裂重接，嘌呤的直接插入和甲基转移等。等。 1. 酶学光复活：酶学光复活： 是修复是修复DNA链上的嘧啶二聚体的链上的嘧啶二聚体的 一一 种最直接方式。种最直接方式。 步骤步骤 吸收波长为吸收波长为260 380 nm的近紫外光的近紫外光 将酶激活，使二聚体解聚；将酶激活，使二聚体解聚； 酶从酶从DNA链上释放，链上释放，DNA恢复正常结构恢复正常结构 。 酶与酶与DNA中的二聚体部位相结合；中的二聚体部位相结合； 重重 点点 2. 单链断裂重接单链断裂重接 DNA连接酶连接

37、酶（ligase） 能催化能催化DNA双螺旋结构中一条链双螺旋结构中一条链 中的缺口处的中的缺口处的5-磷酸根与相邻的磷酸根与相邻的 一个一个3-羟基形成磷酸二酯键。羟基形成磷酸二酯键。 NAD+或或ATP 3. 嘌呤的直接插入嘌呤的直接插入 当当DNA链上的嘌呤碱基受到辐射损伤时，可链上的嘌呤碱基受到辐射损伤时，可 被糖基化酶水解而脱落，生成被糖基化酶水解而脱落，生成无嘌呤位点无嘌呤位点。 DNA嘌呤插入酶（嘌呤插入酶（insertase）与无嘌呤位点）与无嘌呤位点 相结合，催化嘌呤游离碱基或脱氧核苷与相结合，催化嘌呤游离碱基或脱氧核苷与 DNA缺嘌呤部位生成缺嘌呤部位生成糖苷共价键糖苷共价

38、键。 插入酶所插入的碱基具有专一性，这种机制插入酶所插入的碱基具有专一性，这种机制 能能确保遗传信息的正确修复。确保遗传信息的正确修复。 4. 甲基转移甲基转移 O6-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶可修复此种损甲基转移酶可修复此种损 伤，其作用是一步伤，其作用是一步将甲基转移至酶的半胱氨酸将甲基转移至酶的半胱氨酸 残基残基而使而使DNA的鸟嘌呤恢复正常结构。的鸟嘌呤恢复正常结构。 上述上述4种直接回复是修复种直接回复是修复最直接的方式，最直接的方式， 对细胞非常有利对细胞非常有利。因为修复所需要的酶。因为修复所需要的酶 比较单一，而且只有一步反应，修复比较单一，而且只有一步反应，修复特

39、特 异性高，较少发生错误异性高，较少发生错误。但实际上，这。但实际上，这 种修复的例子比较局限。种修复的例子比较局限。 （三）切除修复（三）切除修复 1. 切除修复基本步骤切除修复基本步骤 特点：特点：是将损伤部位（或连同其附近的一定部位）切是将损伤部位（或连同其附近的一定部位）切 除，然后用正确配对的、完好的碱基来替代。除，然后用正确配对的、完好的碱基来替代。 这是修复这是修复DNA损伤最为普遍的方式。其过程比直接回损伤最为普遍的方式。其过程比直接回 复要复杂得多，有多种酶和基因参与。复要复杂得多，有多种酶和基因参与。 基本步骤基本步骤：识别：识别切除切除修补修补连接连接 重重 点点 DNA

40、切除修复示意图切除修复示意图 识识 别别 切切 除除 修修 补补 连连 接接 2碱基损伤的切除修碱基损伤的切除修复（复（BER） 修复细胞内源性自发修复细胞内源性自发DNA损伤，需要几种酶参与。损伤，需要几种酶参与。 如：如：由由糖苷酶（糖苷酶（glycosylase）识别受损碱基，并切识别受损碱基，并切 断糖苷键，使异常碱基脱落，出现一个无嘌呤嘧断糖苷键，使异常碱基脱落，出现一个无嘌呤嘧 啶碱基的部位（啶碱基的部位（AP位点），然后由位点），然后由AP核酸内切酶核酸内切酶 在无碱基部位将在无碱基部位将DNA链的磷酸二酯键切开，再由链的磷酸二酯键切开，再由 核酸外切酶（或内切酶）核酸外切酶（或

41、内切酶）去除残基，在该链上留去除残基，在该链上留 下一缺损区。下一缺损区。 损伤的碱基虽然可被修复，但只是部分修复，并损伤的碱基虽然可被修复，但只是部分修复，并 非完全修复。非完全修复。 3. 核苷酸损伤的切除修复核苷酸损伤的切除修复 核苷酸切除修复（核苷酸切除修复（NER）被切除的是）被切除的是一段寡核苷一段寡核苷 酸酸，这是细胞内更为普遍的一种修复方式，其步，这是细胞内更为普遍的一种修复方式，其步 骤也较为复杂。骤也较为复杂。 核苷酸切除修复缺陷是一些核苷酸切除修复缺陷是一些遗传性疾病发生的基遗传性疾病发生的基 础础，如人类着色性干皮病、科克因综合征和毛发，如人类着色性干皮病、科克因综合征

42、和毛发 硫营养障碍征硫营养障碍征3种疾病与此有关。种疾病与此有关。 在哺乳类动物细胞中，还存在转录偶联修复（在哺乳类动物细胞中，还存在转录偶联修复（ TCR-NER），其特征是具有活性转录基因的），其特征是具有活性转录基因的NER 效率明显优于非活性转录基因或沉默基因，基因效率明显优于非活性转录基因或沉默基因，基因 转录链的修复优于非转录链的修复。转录链的修复优于非转录链的修复。 （四）（四）跨损伤跨损伤DNA合成和错配修复合成和错配修复 1. 跨损伤跨损伤DNA合成（合成（TLS） 跨损伤跨损伤DNA复制复制，是，是在不修复原损伤的情况下继续在不修复原损伤的情况下继续 DNA的复制，而的复制

43、，而原来的损伤继续存在原来的损伤继续存在，新合成的，新合成的 DNA链可能是正确的，也可能是突变的，这取决于链可能是正确的，也可能是突变的，这取决于 所启用的跨损伤所启用的跨损伤DNA修复机制。修复机制。 机制机制：（1）DNA聚合酶转换机制聚合酶转换机制 （2）模板转换机制模板转换机制 2. 错配修复（错配修复（MMR） 是一种是一种DNA复制后修复机制，主要是修复新合复制后修复机制，主要是修复新合 成成DNA链上的错误。链上的错误。 MMR步骤步骤：（1）错配碱基的识别错配碱基的识别； （2）寻找错误碱基链的信号寻找错误碱基链的信号； （3）切除含错误碱基的切除含错误碱基的DNA链链； （

44、4）修复合成修复合成。 （五）（五）DNA链断裂修复链断裂修复 1. DNA单链断裂的修复单链断裂的修复 绝大多数哺乳类动物细绝大多数哺乳类动物细 胞都能快速高效修复胞都能快速高效修复 SSB，在受照后即可迅，在受照后即可迅 速修复，随后逐渐缓慢速修复，随后逐渐缓慢 。一般，在照后。一般，在照后1 h内内 SSB修复率达修复率达90%。 图图3-6 中国仓鼠卵巢细胞中国仓鼠卵巢细胞DNA单链断裂重接修复曲线单链断裂重接修复曲线 2DNA双链断裂的修复双链断裂的修复 快修复快修复阶段：阶段：可重复修复可重复修复50% 70% 慢修复两个阶段慢修复两个阶段：半修复时间在：半修复时间在1 h以上以上

45、 关于关于DNA双链断裂是否能够得到修复的研究结果存在争双链断裂是否能够得到修复的研究结果存在争 议，哺乳动物细胞大多数都能进行此种修复，但需要议，哺乳动物细胞大多数都能进行此种修复，但需要适适 宜的代谢条件和时间宜的代谢条件和时间。DSB的修复的修复与潜在致死损伤的修与潜在致死损伤的修 复有直接的联系。复有直接的联系。 照射后细胞中照射后细胞中DNA双链断裂的修复是一个关系到双链断裂的修复是一个关系到细胞最细胞最 终转归终转归的极为重要的过程。的极为重要的过程。 3DNA修复合成修复合成 UDS （unscheduled DNA synthesis） ： 合成起始于损伤后即刻，随时间延长而增

46、加，合成起始于损伤后即刻，随时间延长而增加， 但与细胞周期没有关系的修复合成，称之为但与细胞周期没有关系的修复合成，称之为 DNA期外合成或期外合成或程序外程序外DNA合成合成。这种合成。这种合成 不同于细胞增殖过程中的不同于细胞增殖过程中的DNA复制，它的合成复制，它的合成 量相当低。量相当低。 X射线、射线、 射线、射线、 射线和紫外线等都能诱发射线和紫外线等都能诱发 UDS 。 （六）集簇损伤的修复（六）集簇损伤的修复 对于电离辐射诱导的对于电离辐射诱导的DNA集簇损伤位点主要通路是集簇损伤位点主要通路是碱碱 基切除修复（基切除修复（BER）通路）通路。 DNA集簇损伤是电离辐射集簇损伤

47、是电离辐射有害后果的主要原因有害后果的主要原因。在肿在肿 瘤细胞中，瘤细胞中，非非DSB集簇损伤的延迟修复可杀伤肿瘤细集簇损伤的延迟修复可杀伤肿瘤细 胞；在正常细胞胞；在正常细胞中中，产生突变和基因不稳定性。，产生突变和基因不稳定性。 低低LET辐射（如辐射（如、X射线）诱导射线）诱导DSB损伤，可迅速重损伤，可迅速重 接、修复；接、修复；而而高原子序数能量（高原子序数能量（HZE）粒子的致密电）粒子的致密电 离径迹诱导的离径迹诱导的DNA损伤，修复缓慢，或不可修复。损伤，修复缓慢，或不可修复。 在肿瘤细胞中，复制叉往往遭到破坏，导致双链在肿瘤细胞中，复制叉往往遭到破坏，导致双链DNA 断裂。

48、断裂诱导复制（断裂。断裂诱导复制（BIR）的信号通路）的信号通路，修复一端的修复一端的 DSB和损伤的复制叉和损伤的复制叉。 （七七）肿瘤细胞肿瘤细胞DNA损伤的修复损伤的修复 （八）（八）DNA损伤与修复的生物学意义损伤与修复的生物学意义 1. 辐射作用后，辐射作用后，DNA碱基的损伤或脱落改变了密码，碱基的损伤或脱落改变了密码， 引起基因的引起基因的点突变点突变（point mutation）。）。 转换（转换（transition）：一个嘌呤被另一个嘌呤所取代，或：一个嘌呤被另一个嘌呤所取代，或 一个嘧啶被另一个嘧啶所取代；一个嘧啶被另一个嘧啶所取代； 颠换（颠换（(transversion）：）：一个嘌呤被一个嘧啶所取代，或一个嘌呤被一个嘧啶所取代，或 一个嘧啶