chapter4 DNA 损伤及修复

CHAPTER4:DNAdamageandrepairDNA损伤与修复HowtominimizedamagetoyourDNA••••••AvoidAvoidAvoidAvoidAvoidAvoidchemicalwarfareprocessedfoodsthehighwayssunlightaerobicactivitieswaterButifalltheseprecautionsfail,ourcellshavemultipleDNArepairpathwaystoundothedamage!!!DNA损伤（DNAdamage）DNA修复（DNArepair）DNA修复的基础:每一遗传信息都以不同拷贝储存在DNA两条互补链上。因此，若一条链有损伤，可被修复酶切除，并以未损伤的信息重新合成与原来相同的序列;在进化过程中，DNA的序列发生改变,通过复制传递给子代成为永久的，这种DNA的核苷酸序列永久的改变称为突变(mutation);一、DNA的损伤二、DNA损伤的修复方式目录Outline一、DNA的损伤由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤;常见的DNA的损伤包括:碱基脱落、碱基修饰、交联;链的断裂，重组等;DNA损伤类型GACT双链断裂错配胸腺嘧啶二聚体APsite共价-X-连接单链断裂C-U脱氨基Spontaneousmutation：自发突变OverviewThemutationisoccurredinnaturalenvironmentMutationrate:10-5-10-10orsoOverviewMutagen:诱变剂Thephysicalandchemicalfactorswhichcouldincreasetherateofmutation（一）引起DNA损伤的因素1．自发因素：由于DNA分子受到周围环境溶剂分子的随机热碰撞(1)自发脱碱基：由于N-糖苷键的自发断裂，引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落。每日可达近万个核苷酸残基;(2)自发脱氨基：胞嘧啶自发脱氨基可生成尿嘧啶，腺嘌呤自发脱氨基可生成次黄嘌呤。每日可达几十到几百个核苷酸残基;(3)复制错配：由于复制时碱基配对错误引起的损伤，发生频率较低;DeaminationCUHydrolysiscreatesapurinicdeoxyribose（无嘌呤脱氧核醣）Deamination5-mCT2．物理因素：由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤;X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC，CC等二聚体，这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍;Thyminedimer(胸腺嘧啶二聚体）.UVinducesacyclobutane(环丁烷)ringbetweenadjacentT.紫外线照射引起嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体3．化学因素：脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速C脱氨基生成U，A脱氨基生成I。Alkylation(烷基化),AlkylationofguaninebyEMS(Ethylmethanesulfonate,甲基磺酸乙酯).O6–ethyl-G:TAlkylation烷化剂AlthoughtheWatson-CrickfaceofoxoGisidenticaltothatofguanineandcanstillbasepairwithcytosine,itcanalsorotatearounditsglycosidicbondandbasepairwithadeninethroughaHoogsteeninteraction颠换Oxidation氧化剂Baseanalogues碱基类似物烯醇异构体酮异构体(5-溴尿嘧啶)Intercalatingagents嵌入剂溴乙啶二氨基吖啶/原黄素吖啶橙,氮蒽Ethidiumbromide:EB(二)DNA损伤的后果-突变DNA的损伤最终导致DNA分子结构的改变，即DNA分子水平上的突变（mutation）这是整体遗传突变的基础。DNA损伤后引起的结构改变，有以下几种类型：DNA突变的类型转换–––相同类型碱基的取代;颠换–––不同类型碱基的取代;插入–––增加一个碱基;缺失–––减少一个碱基;插入–––增加一段顺序;缺失–––减少一段顺序;倒位–––一段碱基顺序发生颠倒;移位–––一段碱基顺序的位置发生改变;重排–––一段碱基顺序与另一段碱基顺序发生交换;突变点突变复突变①点突变（pointmutation）指DNA上单一硷基的变异。嘌呤替代嘌呤（A与G之间的相互替代）、嘧啶替代嘧啶（C与T之间的替代）称为转换（transition）；嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤则称为颠换（transvertion）。②缺失（deletion）DNA链上一个或一段核苷酸的消失。③插入（insertion）一个或一段核苷酸插入到DNA链中。在为蛋白质编码的序列中如缺失及插入的核苷酸数不是3的整倍数，则发生读框移动（readingframeshift），使其后所译读的氨基酸序列全部混乱，称为移码突变（frame-shiftmutaion）。④倒位或转位（transposition）指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处。⑤双链断裂　对单倍体细胞一个双链断裂就是致死性事件。　　插入缺失（三）DNA突变的效应1．同义突变：基因突变导致mRNA蜜码子第三位碱基的改变但不引起蜜码子意义的改变，其翻译产物中的氨基酸残基顺序不变，但有时可引起翻译效率降低。2．错义突变：基因突变导致mRNA蜜码子碱基被置换，其意义发生改变，翻译产物中的氨基酸残基顺序发生改变。3．无义突变：基因突变导致mRNA蜜码子碱基被置换而改变成终止蜜码子，引起多肽链合成的终止。4．移码突变：基因突变导致mRNA蜜码子碱基被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。Geneticcodes(四)突变对生物可能产生4种后果①致死性;　②丧失某些功能;③改变基因型而不改变表现型;④产生有利于物种生存的结果，使生物进化;Wildtype(orwildtype,WT,野生型)referstothephenotypeofthetypicalformofaspeciesasitoccursinnature.Mutant（突变体）：isanindividual,organism,ornewgeneticcharacter,arisingorresultingfromaninstanceofmutation,whichisabase-pairsequencechangewithintheDNAofageneorchromosomeofanorganismresultinginthecreationofanewcharacterortraitnotfoundinthewildtype.目的和原理鼠伤寒沙门氏菌（Salmonellatyphimurium）的组氨酸营养缺陷型（his－）菌株，在含微量组氨酸的培养基中，除极少数自发回复突变的细胞外，一般只能分裂几次，形成在显微镜下才能见到的微菌落。受诱变剂作用后，大量细胞发生回复突变，自行合成组氨酸，发育成肉眼可见的菌落。某些化学物质需经代谢活化才有致变作用，在测试系统中加入哺乳动物微粒体酶，可弥补体外试验缺乏代谢活化系统之不足。鉴于化学物质的致突变作用与致癌作用之间密切相关，故此法现广泛应用于致癌物的筛选Amestest:埃姆斯测试---------化学物质的致突变作用测试一、DNA的损伤二、DNA损伤的修复方式目录Outline二、DNA损伤的修复方式修复方式光复活作用转甲基作用直接修复切除修复重组修复非同源末端连接移损DNA合成-SOS修复Directrepair(直接修复）:photoreactivation(光复活作用)andalkyltransferase(烷基转移酶)excisionrepair（切除修复）：baseexcisionrepair(碱基切除修复)Nucleotideexcisionrepair(核苷酸切除修复)Recombinationrepair（重组修复）nonhomologousend-joining（非同源末端连接）TranslesionDNAsynthesis（移损DNA合成，又叫倾向差错修复，error-pronerepair）Themostcommonmeansofrepairingdamageisexcisionrepair.切除修复是最常见修复方式MechanismstorepairdamageTypesofrepairErrorfreerepair:避免差错修复：Errorpronerepair:倾向差错修复：Directrepair、excisionrepair、recombinationrepair：识别DNA损伤或错配碱基并加以消除，修复过程中不引入错配碱基。非同源末端连接,TranslesionDNAsynthesis：这个机制以不依赖碱基配对的方式掺入碱基，所以易引入错误碱基，从而导致突变，有高度的易错性。（一）直接修复1．光复活作用（lightrepairing）：细菌广泛存在，光复活能够修复任何嘧啶二聚体的损伤；修复过程为：光复活酶识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物→在300～600nm可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的环丁烷打开，使之完全修复→光复活酶从DNA上解离。2．转甲基作用：原核、真核在转甲基酶的催化下，将DNA上的被修饰的甲基去除。转甲基酶自身被甲基化而失活；Photoreactivation(光复活作用）MonomerizationofthyminedimersbyDNAphotolyases（DNA光解酶）inthepresenceofvisiblelight.However,placentalmammals（有胎盘哺乳动物）,includinghumans,donothaveaphotoreactivationpathway.Methyltransferase（甲基转移酶）RemovesthemethylgroupfromthemethylatedO6-methylguanine.Themethylgroupistransferredtotheproteinitself,inactivatingtheprotein.-suicideenzymeOrganismsrangingfromE.colitohumanbeingsallhave甲基基团的去除（二）．切除修复(excisionrepairing)-----生物体主要修复方式广泛存在的修复机制，适用于多种DNA损伤；由两种不同的酶来发动，一种是核酸内切酶，另一种是DNA糖苷酶；碱基切除修复核苷酸切除修复Glycosylase（糖苷酶）recognizesthedamagedbaseGlycosylaseremovesthedamagedbaseThisleavesanapurinicorapyrimidinicsite(APsite，AP位点),whichisanucleotidewithoutitspurineorpyrimidinebase.3.APendonuclease（AP核酸内切酶）Cleavestheabasicsugar-phosphatebackbone4.Exonulcease/DNApolymerase/ligaseWorkssequentiallytocompletetherepairevent.碱基切除修复removesthedamagedbaseandrepair核苷酸切除修复DefectsinNERunderlieXerodermapigmentosum着色性干皮病AutosomalrecessivemutationsinseveralcomplementationgroupsExtremesensitivitytosunlightPredispositiontoskincancer(meanageofskincancer=8yrsvs.60fornormalpopulation)xerodermapigmentosum,XP着色性干皮病（三）．重组修复(recombinationrepairing)：DNA的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式。如果一个细胞周期中双链断裂发生较早，姊妹染色体还没来得及完成复制，在这种情况下，为了避免DNA或染色体断裂（Breaks)的滞留，避免因此造成的DNA降解或对生命力的影响，强行将两个DNA断端彼此连接在一起的一种特殊的DNA双链断裂修复机制。（四）非同源末端连接（nonhomologousend-joining，NHEJ）是和同源重组并重和相互补充的一种DNA双链断裂的修复手段。与DNA双链断裂的同源重组修复机制相比，NHEJ不需要重组断端之间的具有严格的DNA之间的同源性，不是一种忠实的DNA双链断裂修复方式。（五）TranslesionDNAsynthesis移损DNA合成SOS修复：DNA分子受到较大范围损伤并且使复制受到抑制时出现的修复机制，以SOS借喻细胞处于危急状态; 损伤诱导一种特异性较低的新的DNA聚合酶，以及重组酶等的产生; 继续催化损伤部位DNA的复制，复制完成后，保留许多错误的碱基，从而造成突变;DNA聚合酶的Y家族：是一类特化的DNA聚合酶，此酶可越过损伤部位直接进行低保真度DNA合成，在很多生物（包括细菌、古细菌和真核生物等）中都有发现，称为DNA聚合酶的Y家族。这些聚合酶一个重要的性质就是，虽然它们是模板依赖性的，但是它们掺入核苷酸的方式不依赖于碱基配对。因此移损合成有高易错性。TranslesionDNAsynthesisinE.coliTranslesionDNAsynthesisCatlyzedbyaspecializedclassofDMApolymerasesthatsynthesizeDNAdirectilyacrossthesiteofthedamageCHAPTER4DNAdamageandrepairThatisallforthischaptor.