第六章 DNA 损伤与修复 DNA damage and repair

1. 第六章 DNA损伤与修复 DNA damage and repair 分子生物学研究中心

2. 第一节 DNA损伤的原因及后果 复制错误 氧自由基 核苷类似物 电离辐射 H+ 烷化剂 可见光 mC U 8-oxoG P/P

3. DNA 损伤类型 • 碱基脱落 • 碱基修饰 & 去氨基化 • 化学修饰 • 光损伤 • 链内交联 • DNA-蛋白质 交联 • DNA链断裂 • DNA 重组

4. 缺失碱基位点

5. 甲基化 氧化损伤 化学损伤 甲基化 甲基化 氧化损伤

6. DNA受到大剂量紫外线照射时，形成二聚体 紫外线可引起DNA的交联, DNA与蛋白质的交联。

7. 电离辐射引起DNA损伤的机理

8. 电离辐射引起DNA损伤的机制 • 自由基损害 • 损伤DNA修复系统 • MCI 假说

9. 电离辐射引起DNA损伤的类型 • 产生 ·OH自由基，导致碱基变化 • 脱氧核糖分解 • DNA链断裂 • DNA链、蛋白质的交联

10. C 电离辐射导致DNA链的断裂 单链断裂： 无差错修复 双链断裂： 错误修复

11. 烷化剂引起DNA损伤 • 碱基烷基化: G–C → A–T • 碱基脱落: 甲基磺酸甲酯可使鸟嘌呤7N烷基化，活化β—糖苷键，连接碱基与五碳糖间的共价键变弱，容易折断缺失碱基，造成脱嘌呤作用。 • 导致DNA断链: 磷酸二酯键上的氧被烷基化 • 导致DNA链交联

12. 碱基类似物、修饰剂对DNA的改变 • 5-BrdU （酮式-A； 烯醇式-G） • 亚硝酸盐氧化脱氨 （C→U） • 羟胺脱甲基 （T→C） • 黄曲霉素B （攻击碱基）

13. DNA自发性损伤 • 碱基错配Mismatch • 互变异构移位 • 脱氨基作用(环外氨基) • 碱基丢失 → 自发水解 • 碱基修饰与链断裂

14. A(a)T(k) G(k) C(a) A(a)C(i) G(k) T(e) A(i)C(a)G(e)T(k) 碱基异构式引起DNA复制的错配 正确配对 错误配对

15. 环出效应

16. 其它因素引起DNA损伤 • 吖啶类化合物: 吖啶橙 • 扁平染料分子 (不等交换) • 氧自由基 (加成反应\ 小自由基反应)

17. DNA损伤的后果 DNA 修复机制 短期效应 生理功能紊乱 异常增生和代谢 细胞死亡 信号传导异常 细胞增殖减少 基因组不稳定 基因表达异常 长时辰效应 老化 肿瘤 疾病

18. DNA损伤后分子的最终改变 • 点突变 ： 转换与颠换 • 缺失 • 插入 • 倒位或转位 • DNA断裂

19. DNA重排 DNA分子内发生较大片段的交换，可以在同一染色体的两条链间发生，也可在不同染色体之间发生，可以是原来的方向或颠倒的方向。

20. 第二节 DNA修复 DNA的修复主要类型: 直接修复 光裂合酶修复 切除修复 重组修复 跨损伤修复 (SOS修复)

21. 常见的DNA损伤及其修复机制

22. （1）DNA断裂口直接修复： 在 DNA 5'-P 端和 3'-OH端未受损害的情况下，连接酶能够直接修复DNA的断裂口。

23. （2）DNA紫外线损伤的光复合酶直接修复

24. （3） 烷基化碱基的直接修复 在 大肠杆菌中的Ada酶，可修复甲基化的碱基和甲基化的磷酸二酯键。

25. ⑷ 碱基切除修复 • 指切除和替换由内源性化学物作用产生 • 的DNA碱基损伤, 是切除修复的一种。 • 受损碱基移除是由多个酶来完成的。 • 主要针对DNA单链断裂和小的碱基改变 • 及氧化性损伤。

26. (4) Base Excision Repair

27. 碱基丢失 结构缺陷 糖苷酶 切开 切开 核酸内切酶 AP核酸内切酶 切除 核酸外切酶 切除 核酸外切酶 碱基取代 插入酶 DNA聚合酶 修复 连接 DNA连接酶 DNA的损伤的切除修复 碱基缺陷或错配

28. ⑸ 核苷酸切除修复 • 体内识别 DNA 损伤最多的修复通路 • 主要修复扭曲双螺旋结构的 DNA 损伤以及阻断基因转录和不识别任何特殊的碱基损失，而是识别双螺旋形状的改变。 • 不识别任何特殊的碱基损失，而是识别双螺旋形状的改变；修复时切除含有损伤碱基的那一段 DNA 。

29. (5) 核苷酸切除修复 (大肠杆菌)

32. 核苷酸切除修复 (基因组修复–人)

33. 核苷酸切除修复 (转录偶联修复 -人类)

34. GGR 和TCR的共同修复通路

35. 错配修复 校正活性所漏校的碱基, 使复制的保真性提高102～103倍 错配修复系统 (MRS Mismatch Repair System) DNApol (ξ= 10-8) 经第二次校正ξ= 10-11

36. 识别新生链中非 m6A 的GATC序列 ♪ 错配修复系统组成（Mismatch repair system） DNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶) DNA polymerase Ⅲ 填补单链 DNA 缺口 Helicase SSB 外切核酸酶 (Ⅰ和Ⅶ) 连接酶 MCE (mismatch correct enzyme) 3 subunits mut H, L, S 扫描新生链中错配碱基 酶切含错配碱基的DNA区段

37. 错配修复

38. 错配修复 Mis-paired bases 大肠杆菌 DNA 甲基化位点 新合成的DNA

39. 错配修复

40. 重组修复机制

41. 重组修复 ☆DNA于复制时会越过受损区域进行复制 ☆经重组修复，受损的DNA仍然存在于子代的 一个细胞中。 ☆ 重组修复不会浪费时间， 重组修复可让负伤的DNA在细胞中仍可照常进行分裂。

42. 重组修复 根据 DNA 末端连接需要的同源性，分为 • 非同源末端连接：DNA分子之间不需要广泛的同源性，主要是在免疫球蛋白重组时对DNA双链进行连接，在细胞有丝分裂G1/G0期起主要作用。 • 同源重组：需要多种蛋白参与；也修复 DNA复制中的差错；在减数分裂、细胞有丝分裂后期S/G2期起主要作用。

43. (7) SOS 修复 UV’d T4 phage UV’d T4 phage UV Irradiation of bacteria before virus infection enhanced repair of damaged viral genes but led to mutations. E. coli E. coli Higher frequency of surviving phage, but many mutants. Few surviving phage

44. SOS 修复诱导 DNA 聚合酶活性 AGCTAGTCAT/TCAGTC • LexA(一种DNA结合抑制蛋白),umuC和 umuD, 编码 DNA聚合酶活性,允许复制跨过 损伤位点, 常插入一个或几个 A碱基. Replication stops at T/T dimer SOS response: AGCTAGTCAT/TCAGTC TCGATCANNNNGTCAG Error-prone polymerase allows replication to proceed, albeit inaccurately

45. a、 DNA 重组活性 b、 与S.S. DNA结合活性 c、 少数蛋白的proteinase活性 当DNA正常复制时 （无复制受阻，无DNA损伤， 无TT dimer） RecA-p不表现proteinase活性 RecA-P的三种功能

46. 细胞内原少量表达的RecA-p 与S.S, DNA结合 RecA-p很快消失 LexA gene on SOS off 激活RecA-p的proteinase活性 修复损伤 LexA-p降解 RecA-p高效表达 SOS open 当DNA复制受阻/ DNA damaged 当DNA复制度过难关后

47. SOS 修复 • DNA复制不很严格，新合成的DNA容易造成错误产生突变。

48. 线粒体损伤和修复 • 线粒体的氧化损伤: 单链断裂、双链断裂、碱基修饰、 DNA交联、烷化损伤 • 线粒体的损伤修复： • 碱基切除修复、错配修复

49. DNA 修复 • 维持 DNA序列的保真性； • 可在复制前后进行； • 有多种修复机制来纠正DNA损伤； • DNA 修复失败可能导致突变和肿瘤。

50. 细胞周期检查点控制 真核生物细胞DNA受到损伤时细胞除了诱导修复基因的转录外，还可暂时阻断细胞周期，防止受损DNA继续复制，如无法修复，则可诱导细胞进入凋亡。这些都是细胞通过细胞周期检查点控制（checkpoint control，又称关卡控制）对DNA损伤的应答反应。