《DNA的损伤和修复》PPT课件.ppt

DNA的损伤与修复 刘国红,第一节 DNA损伤的概念、类型、意义,一 DNA损伤的概念,DNA损伤 (DNA damage) ： DNA复制过程中发生的DNA核苷酸序列的改变。 从分子水平看，指DNA分子碱基顺序或数目的改变。 DNA损伤又称基因突变（gene mutation）： 由于DNA分子中发生碱基对的替换、插入和缺失等,从而引起基因结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。 时间：DNA复制时期，即细胞分裂间期（有丝分裂和减数分裂）,基因突变若发生在体细胞，则影响其功能和生存。 可导致疾病甚至癌变或死亡。 不遗传 若发生在生殖细胞，则可能影响后代。 可遗传,注意,(一)点突变 (point mutation) 指DNA分子上一个碱基对的变异：碱基替换 base substitution 1. 转换 (transition)： 同型碱基间的置换: 嘌呤代替另一嘌呤，嘧啶代替另一嘧啶 2. 颠换 (transversion)： 异型碱基间的置换：嘌呤变嘧啶，嘧啶变嘌呤,点突变-镰刀型红细胞贫血,正常红细胞,镰刀型红细胞,血红蛋白HB基因发生碱基对置换，导致红细胞形状改变。,(二)插入(insertion)和缺失(deletion) 插入：DNA大分子上多了一个碱基对或一段核苷酸片段 缺失：一个碱基对或一段核苷酸链从DNA大分子上消失,插入,框移突变 (frame-shift mutation): 缺失和插入引起的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。 正常 5 GCA GUA CAU GUC 丙 缬 组 缬 缺失C 5 GAG UAC AUG UC 谷 酪 蛋 丝,(三)重排(rearrangement) 指DNA分子内发生较大片段的交换，也称为重组。 移位的DNA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。,二、突变的意义(后果) 1.产生新基因，出现新性状。 功能获得或功能丧失 是生物变异的根本来源 为生物进化提供了原始的材料。,2. 突变仅改变基因型而无可察觉的表型改变 基因多态性 (polymophism)： 指群体中个体间基因型的差别现象。 本质上讲，多态性的产生在于基因突变，一般发生在基因序列中非编码区。 对个体而言，基因多态性碱基序列终生不变，并世代相传。,3. 突变导致死亡 突变若发生在对生命至关重要的基因上，可导致个体 或细胞的死亡。 4. 突变是某些疾病的发病基础 包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的疾病。 有些疾病已知其遗传缺陷所在。但大多数尚在研究中。,三、引发突变的因素 内部因素： 大量的突变都属于由遗传过程自然发生的，叫自发突变 或自然突变（spontaneous mutation）。发生频率为10-9。 外部因素： 主要有物理和化学因素。 这些因素可诱发突变，称诱变剂。,物理因素： 紫外线和各种电离辐射（、 、X射线）,引起突变的原因-人类史上的灾难,1945.8 日本广岛、长崎原子弹事件，当地居民受核辐射影响，肿瘤、白血病的发病率明显增高。 1986.4 前苏联切尔诺贝利核电站爆炸 2011.3，日本福岛核电站泄漏,2公斤重的太空茄,经历过太空遨游的辣椒种子，经宇宙射线照射大多发生了遗传性基因突变。 太空椒的培育利用了可遗传的变异：基因突变,你周围的工作、工具、设备 哪些有辐射？ 电脑、电视、手机、放射科,化学因素： 常见的化学诱变剂,1、普遍性 在自然界各物种中普遍存在。 2、随机性 基因突变的发生在时间上、个体上、基因上，都是随机的。 体细胞和生殖细胞均可发生基因突变。 生殖细胞突变频率高于体细胞。 体细胞突变在显性或纯合状态才能表现，出现嵌合体。 3、低频性 突变率是很低的。反应了物种基因的相对稳定性。 高等动植物10-510-8，细菌10-410-10 （由于环境的恶化，基因突变的频率越来越高）,四、基因突变特性,4、可逆性 回复突变率一般低于正突变率。 5、多害少利性,五、突变的类型,（一）从突变的表型： 1）形态突变：突变影响生物的形态结构。 2）生化突变：突变影响生物的代谢过程， 导致某特定生化功能的改变或丧失。 3）致死突变：突变影响生物个体的生活力。 显性致死：杂合态即有致死效应。 隐性致死：纯合态时才有致死效应 4）条件致死突变： 在某些条件下致死，而在另些条件下成活的突变。,（二）从对遗传信息的改变: 1）同义突变: 碱基置换后，原密码子变成了另一个密码子，但由于密码子 的兼并性，因而改变前、后密码子所编码的氨基酸不变，故 实际上不会发生突变效应。 同义突变约占碱基置换突变总数的25。 2）无义突变: 某个编码氨基酸的密码子突变为终止密码子，多肽链合成提前终止，产生没有生物活性的多肽片段，称为无义突变。,3）错义突变: 碱基序列的改变使一个密码子变成编码另一种氨基酸的密码子， 引起了氨基酸序列的改变。 错义突变可导致机体某蛋白结构及功能异常，从而引起疾病。 严重影响蛋白活性甚至完全失活，影响表现型。 如果该基因是必须基因，则称为致死突变。 产物仍有部分活性，表型介于野生型与突变型之间，称渗漏突变。 不影响或基本不影响蛋白活性，无明显表型变化，称中性突变。,（三）按其发生的原因: 1)自发突变（spontaneous mutation）： 2)诱发突变（induced mutation）： 人们有意识地利用物理、化学诱变因素引起的突变 。 自发突变型和诱发突变间没本质上的不同， 诱变剂的作用也只是提高了基因的突变率。,（四）按突变的形式: 替换（base substitution) 缺失（deletion） 插入（insertion） 重排（rearrangement）,第二节 DNA损伤的机制,一 DNA自发损伤的机制 1 DNA复制时的碱基错配 正常生理条件下，DNA复制过程中碱基错配经DNA聚合酶 “校读”和错配修复系统“校改”后仍然存在的碱基错配。 A=C错配 G=T错配 大肠杆菌: 无修复机制时-错配率10-2 DNA聚合酶“校读“后-10-6 错配修复系统的校改后- 10-10,A T G C,2 碱基的自发损伤 a 碱基脱氨： DNA分子的自发脱氨指胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤所携带 的环外氨基（-NH2）所发生的自发丢失现象。 通常发生在pH和温度改变时。温度升高加快脱氨。 碱基脱氨对DNA的损伤主要表现为DNA复制中的碱基错配。,例1：腺嘌呤A 次黄嘌呤H,脱氨,它们原有的C-NH2， 脱氨C=O 碱基品种变化 DNA复制中碱基错配 DNA变异。,胞嘧啶,次黄嘌呤,腺嘌呤,次黄嘌呤,例2: 胞嘧啶脱氨基后变成尿嘧啶。,鸟嘌呤 G,黄嘌呤 X,例3： 鸟嘌呤G黄嘌呤X,b 脱嘌呤-碱基脱落 碱基和脱氧核糖间的糖苷键破坏，引起一个鸟嘌呤或腺嘌 呤从DNA分子上自发脱落或水解，造成某些位点无碱基存在。 这些空缺位点称无碱基位点（apurine site）,简称AP位点。 嘧啶碱基与脱氧核糖间的糖苷键稳定程度高，不易脱落。 生理条件下，嘌呤容易脱落且速度较快，是嘧啶的20倍。,C 碱基的互变异构 由于碱基氢原子位置的可逆性变化，导致基因发生酮式-烯醇式 或氨式-亚氨式间的结构互变。 导致A-C错配或G-T错配。,如： 腺嘌呤A的互变异构体A 可与胞嘧啶C配对，致A-C错配。,3 自由基对DNA的氧化损伤 O2.，OH. ，H2O2等 如：造成DNA链上脱氧戊糖C-3或C-5磷脂键断裂。 自由基还可引起碱基损伤或脱落。 核苷酸：磷酸-戊糖-含氮碱基 磷酯键 N糖苷键 核苷酸与核苷酸之间是磷酸二酯键,核苷,二、物理因素引起的DNA损伤 1 紫外线（UV） DNA损伤主要是形成嘧啶二聚体。 DNA同一条链上，相邻的 嘧啶受诱变因素作用，以环丁酰二聚体形式共价相连。 如TT、TC、CC等二聚体。,嘧啶二聚体的形成，减弱了双链间氢键作用，引起了DNA变形。 人皮肤因紫外线照射形成二聚体的频率可达每小时5104/细胞，但只局限在皮肤中，因为紫外线不能穿透皮肤。 但微生物受紫外线照射后，就会影响其生存。 紫外线照射还能引起DNA链断裂等损伤。,2. 电离辐射 直接效应：DNA直接吸收射线能量而遭损伤。 间接效应：DNA周围其他分子（主要是水分子）吸收射线能 量产生高活性自由基进而损伤DNA。 结果：碱基脱落、碱基破坏、嘧啶二聚体形成、 DNA单链或双链断裂、DNA交联。,DNA链断裂：,电离辐射引起的严重损伤，断链数随照射剂量而增加。 单链断裂 双链断裂 单断发生频率为双断的10-20倍，但还比较容易修复； 对单倍体细胞（如细菌）一次双断就是致死事件。 损伤严重的碎片DNA无法修复，不属于突变的问题， 而是细胞走向死亡！,DNA交联,损伤类型： 链内交联：同一DNA链上碱基共价结合，如嘧啶二聚体形成 链间交联：不同DNA链间的碱基共价结合 DNA-蛋白质交联：DNA与蛋白质间以共价键相连 这些交联是细胞受电离辐射后在显微镜下看到的染色体畸变的分子基础，会影响细胞的功能和DNA复制。,DNA链的交联：,这种“X”型的交联，导致染色体畸变，细胞容易死亡。,两条双链DNA,三、化学因素对DNA的损伤,1.烷化剂：甲磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍(NG) 烷化剂分子的一个或多个活性烷基（甲基或乙基），直接加到碱基N或O上而影响其结构。 损伤类型： 碱基错配 如：鸟嘌呤G烷基化后不与胞嘧啶C配对，而改为与T配对。 嘌呤脱落 DNA链的断裂或交联,2. 碱基类似物 结构与碱基相似的人工合成化合物，进入细胞后能替代正常碱基掺入到DNA链中，干扰了DNA的正常合成。 导致碱基替换。 如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氟尿嘧啶（5-FU）、2-氨基嘌呤（2-AP）,5-BU是胸腺嘧啶(T)的结构类似物， 酮式结构易与A配对；烯醇式结构易与G配对。 两轮复制后,A-T替换为G-C.或G-C替换为A-T.,酮式,烯醇式,2-AP是腺嘌呤A的类似物， 既可与T配对，也可与C配对。,A.T 2-AP.T2-AP.CG.C,G.C2-AP.C 2-AP.T A.T,3.碱基对类似物 吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对类似物，为平面三环结构，插入后导致移码突变。,4 亚硝酸,亚硝酸可引起DNA分子中碱基脱氨。 如胞嘧啶C脱氨成为尿嘧啶U, 两轮复制后 DNA分子中的G-C转变为A-T,实验中使用的许多生化试剂、同位素，其实是诱变剂 蔬菜、水果上的农药；洗衣粉中荧光剂、烷化剂，食品中的防腐剂 不仅，影响我们的蛋白、酶； 而且对我们的基因也有很大的危害！ 希望大家要警惕这种潜伏期长的癌变因素！,第三节 DNA损伤的修复 修复 (repair)： 指针对已发生的缺陷而进行的补救机制。 目前已知有4种酶修复系统： 直接修复、切除修复、重组修复、SOS修复。,(一)直接修复,修复酶识别出损伤部位直接修复， 不用切除DNA或切除碱基。,1光修复 (light repair) 1） 1949年发现细菌光复活现象 可见光（最佳波长400nm）激活光复活酶，分解嘧啶二聚体 从低等的单细胞生物至鸟类都有光复活酶； 遗憾的是：高等哺乳动物和人没有！,2）过程,2 链断裂的重接,DNA单链断裂是常见的损伤， 其中一部分可仅由DNA连接酶(lingase)参与直接修复。 DNA连接酶在各类生物各种细胞都普遍存在。 修复反应容易进行 DNA双链断裂几乎不能修复。,3 碱基的直接插入,DNA链的AP位点能被嘌呤插入酶(insertase)识 别结合，催化和另一条链上碱基互补的游离嘌呤插入 AP位点，DNA完全修复。,嘌呤插入酶,专一性强。与AP内切酶协同作用，修复脱嘌呤。 专门从双链DNA被AP内切酶切开处，插入嘌呤。 不与单链DNA作用。 如果互补链上也无碱基时，该酶不工作。,也叫“无嘌呤内切核酸酶”或“无碱基内切酶”。 它特异切开无碱基核糖上的磷酸二酯键使链断裂.,T A C P P P P,AP内切酶,(二)切除修复 (excission repair),DNA损伤最普遍的修复形式。 尤其是哺乳类动物 针对多种DNA损伤： AP位点、嘧啶二聚体、链断裂、碱基烷基化等 定义：多步骤多酶参与的过程 在DNA内切酶、外切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等多种酶的共同作用下，先将DNA受损部位切除，然后以另一条链为模板，合成一段正确配对的碱基序列来修补缺口。,核酸酶：切割核酸的磷酸二酯键。 核酸内切酶：有碱基序列特异性。 从多核苷酸链中间开始切割核酸。 产物是寡核苷酸。 核酸外切酶：有末端特异性。 从多核苷酸链5，-端或3，-端开始切割。 产物是单个核苷酸。,（1）切除修复利用的是化学能ATP，也叫暗修复。 （2）修复发生在复制前。 （3）修复的对象是亲代DNA。,64,注意,切除方式：依据修复内容不同,碱基切除修复（base excision repair，BER.） -切除的是单个碱基： 碱基丢失、错配、脱氨、环氮类甲基化 -特征：首先要N-糖苷酶识别并切除损伤碱基，留下AP位点 核苷酸切除修复（nucleotide excision repair，NER） -切除的是一段寡核苷酸 -特征：首先要核酸内切酶对DNA链损伤部位两端识别并进行切割。,碱基缺陷或错配的修复,核苷酸损伤的修复,着色性干皮病（xeroderma pigmentosis，XP） 是一种切除修复有缺陷的遗传性疾病。 在研究其发病机制时，发现一些相关的基因，称为XPA、XPB、 XPC等。这些基因的表达产物与Uvr类蛋白有同源序列，也起辨认和切除 损伤DNA作用的。 XP病人是由于XP基因有缺陷，不能修复 紫外线照射引起的DNA损伤，因此易发生 皮肤癌。 暴露皮肤暗棕色斑、干燥、角化及癌变。,(三)重组修复(recombination repairing),当DNA损伤较大、较严重，无法及时修复或缺乏切除修复酶系统，可跳跃损伤部位复制，子链形成缺口，复制结束后，在重组基因rec编码的酶（Rec蛋白）、DNA聚合酶、DNA连接酶等的作用下，将无损母链的DNA片段移到子链缺口，进行重组修复。 发生在复制后，故又称“复制后修复”,重组基因recA: 编码RecA蛋白,分子量4