第5章-DNA的损伤修复及突变课件.ppt
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- DNA 损伤 修复 突变 课件
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1、1 第五章 DNA的损伤、修复和突变 2 第一节 DNA的损伤 3 根据受损的部位,DNA损伤可以为两种:?碱基损伤?DNA链的损伤 DNA损伤:损伤:一切使DNA结构和功能发生改变的DNA变化,都可称为基因的损伤。4?DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息,维护DNA分子的完整性对细胞至关紧要;?修复DNA损伤的能力是生物能保持遗传稳定性所在;?DNA分子的变化并不是全部都能被修复成原样的,因此生物才会有变异、有进化。DNA损伤修复的重要性:损伤修复的重要性:5 细胞内在的因素和环境中的因素都可能导致DNA损伤,根据损伤的原因可以分为:?DNA分子自发性损伤?物理因素导致的DNA损伤?化
2、学因素导致的DNA损伤 6 一、DNA分子自发性损伤 1.碱基的异构互变 2.碱基的脱氨基作用 3.脱嘌呤与脱嘧啶(碱基丢失)4.活性氧引起的碱基修饰与链断裂 7 1.1.碱基的互变异构碱基的互变异构 DNA每种碱基有几种形式,称互变异构体,异构体中原子的位置及原子之间的键有所不同。碱基各自的异构体间可以自发发生变化(烯醇式与酮基间互变);A=C T=G 上述配对发生在 DNA复制时,会造成子代DNA序列与亲代DNA不同的错误损伤.8 同型异构体转换=O -OH 9 同型异构体转换同型异构体转换-NH2 -NH 10 11 异构互变造成的复制损伤 12 2.碱基的脱氨基作用碱基的脱氨基作用 碱
3、基的环外氨基自发脱落,C变为U,A变为次黄嘌呤(I),G变为黄嘌呤(X)。复制时,U与A配对、I和X都与C配对会导致子代DNA序列的错误变化。13 14 3.脱嘌呤与脱嘧啶 (碱基丢失)自发水解使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落。哺乳类动物细胞,在30oC下,20h内DNA链自发脱落嘌呤约1000个,嘧啶约500个。15 4.活性氧引起的碱基修饰与链断裂活性氧引起的碱基修饰与链断裂 细胞呼吸的副产物 O2-,H2O2造成DNA损伤,产生一些碱基修饰物(胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等),还可引起 DNA单链断裂等损伤;这些损失的积累可导致老化。16 17 二、物理因素引起的DNA损伤 1
4、.紫外线(UV)引起的DNA损伤 2.电辐射引起的DNA损伤 18 1.紫外线(UV)引起的DNA损伤 DNA受到大剂量紫外线(260nm)照射时,同一条链上相邻的 嘧啶以共价键连成二聚体;TT,CC,CT之间都可形成二聚体。复制时,此处产生空耗过程,DNA不能复制,细胞不能分裂,导致凋亡。19 紫外线引起的DNA损伤 最易形成胸腺嘧啶二聚体(TT)20 2.电辐射引起的DNA损伤?碱基变化 细胞中的水经辐射解离后产生大量 OH-自由基,使DNA链上的碱基氧化修饰、形成过氧化物的、导致碱基环的破坏和脱落等。?脱氧核糖变化 脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与 OH-反应,导致脱氧核糖分解,
5、最后会引起 DNA链断裂。21?DNA链断裂链断裂 脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而导致 DNA链断裂。一条链断裂称单链断裂(single strand broken);DNA双链在同一处或相近处断裂称为 双链断裂(double strand broken )。22?交联(交联(binding)同一条DNA链上或两条DNA链上的碱基间以共价键结合;DNA与蛋白质之间也以共价键相连;组蛋白、染色质中的非组蛋白、调控蛋白、与复制和转录有关的酶都会与DNA以共价键连接。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。23 1.碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤
6、;2.烷化剂对DNA的损伤;3.嵌合剂对DNA的损伤。三、化学因素引起的DNA损伤 24 1.碱基类似物对DNA的损伤 某些化学物质和正常的碱基在结构上类似,有时会替代正常碱基而掺入 DNA分子,一旦这些碱基类似物进人DNA后,由于它们的配对能力不同于正常碱基,便引起 DNA复制过程中其对应位置上插入不正确碱基。25 例如 5-溴尿嘧啶(BU)和 5-溴脱氧尿嘧啶(BrdU)是T结构类似物。细菌在含 BU的培养基中培养时,部分DNA中的T被BU取代,BU有两种互变异构体,一种是酮式结构(第 6位上有一个酮基),它可以代替T而掺入DNA,并与A配对;当BU发生互变异构成为烯醇式(第 6位上是一个
7、羟基)后,就容易和G配对。通常以酮式存在,有时也以烯醇式存在。当 BU先以酮式掺入DNA,继而又变成烯醇式时,进一步复制使DNA中 A-T对变成 G-C对。同样道理也引起 G-C向 A-T的转换,BU可以使细菌的突变率提高近万倍。26 除BU外,还有5-溴脱氧尿苷、5-氟尿嘧啶、5-氯尿嘧啶及它们的脱氧核苷。另一种被广泛应用的碱基类似物是 2-氨基嘌呤(2-AP),是一种腺嘌呤 A类似物,可和胸腺嘧啶T配对。可再和胞嘧啶 C 配对,产生A-T、G-C的转换,或2-AP以和胞嘧啶C 配对形式进入DNA后再和胸腺嘧啶T 配对后产生G-C、A-T的转换。27 2.烷化剂引起的DNA损伤(特异性错配)
8、某些诱变剂不掺入 DNA,而通过改变碱基的结构从而引起特异性错配,如烷化剂(是一类亲电子的化合物,具有一个或多个活性烷基)。它们的诱变作用是使DNA中的碱基烷化。活性烷基不稳定,能转移到其他分子的电子密度较高的位置上,并置换其中的氢原子,使其成为不稳定的物质。烷化剂的种类很多,常见的有甲磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍(NG)和芥子气等。28 EMS 能使鸟嘌呤的 N位置上有乙基,成为 7一乙基鸟嘌呤。与胸腺嘧啶配对,故 能使G-C转换成A-T。烷化剂的另一作用是 脱嘌呤。例如烷基在鸟嘌呤N位上活化糖苷键引起断裂,使嘌呤从 DNA链上脱掉,产生缺口。复制时,与缺口对应的位点上可能配上任一碱基,从而
9、引起转换或颠换;而且去嘌呤后的DNA容易发生断裂,引起缺失或其他突变。29 3.嵌合剂的致突变作用嵌合剂的致突变作用 嵌合染料是另一类重要的 DNA修饰剂。包括吖啶橙(acridine orange)、原黄素(proflavin)、溴化乙锭(EB)等染料。这些试剂为平面分子,其分子大小与碱基对大小差不多,可以嵌入到 DNA双链碱基对之间,在嵌入位置上引起单个碱基对的插入或缺失突变。嵌合染料也能嵌入单链 DNA的碱基之间,这些突变都会引起阅读框的改变,造成移码突变。30 荧光显微镜下(选用蓝色激发滤片),可见含DNA的细胞核显示黄绿色荧光,含RNA的细胞质及核仁显示橘红色荧光。体外培养的肝癌细胞
10、吖啶橙荧光染色 31 DNA分子上可能遭遇到的各种损伤 32 第二节 DNA的修复 33?为了保证遗传信息的高度稳定性,生物细胞在进为了保证遗传信息的高度稳定性,生物细胞在进化过程中形成了一系列多步骤的修复机制。化过程中形成了一系列多步骤的修复机制。?目前对目前对DNA损伤和修复的研究还不多,仅限于辐损伤和修复的研究还不多,仅限于辐射射-生物反应方面。生物反应方面。34 一一.错配修复错配修复 一旦在DNA复制过程中发生错配,细胞能够通过准确的错配修复系统识别新合成链中的错配并加以校正,DNA子链中的错配几乎完全能被修正,充分反映了母链序列的重要性。因此,错配修复系统对DNA复制忠实性有很大的
11、贡献。35?错配修复可以纠正几乎所有的错配错配修复可以纠正几乎所有的错配。此外对于对于插入或删除引起的 DNA遗传信息的改变也有作用。?错配修复是以底物链上的信息为模板进行的,因此这个系统有区分底物链和新合成链的机制,细这个系统有区分底物链和新合成链的机制,细胞通过识别胞通过识别DNA链的甲基化状态来区分底物链和链的甲基化状态来区分底物链和新合成的链新合成的链。整个修复过程可以分为识别、切除和修补等步骤。36?Dam甲基化酶使母链位于 5GATC序列中腺甘酸的N6位甲基化;?一旦复制叉通过复制起始位点,母链就会在开始DNA合成前的几秒至几分钟内被甲基化;?此后,只要两条 DNA链上碱基配对出现
12、错误,错配修复系统就会根据“保存母链,修正子链”的原则,找出错误碱基所在的 DNA链,并在对应于母链甲基化腺苷酸上游鸟苷酸的 5 位置切口子链,再根据错配碱基相对于 DNA切口的方位启动修复途径,合成新的子链 DNA片段。37 DNA的半甲基化的半甲基化 修复机制:修复机制:错配修复系统错配修复系统 GATC sequences are targets for the Dam methylase after replication.During the period before this methylation occurs,the nonmethylated strand is the t
13、arget for repair of mismatched bases.38 1.碱基切除修复(base-excise repair,BER)一些碱基在自发或诱变下会发生脱酰胺,然后改变配对性质,造成氨基转换突变。?腺嘌呤变为次黄嘌呤与胞嘧啶配对;?鸟嘌呤变为黄嘌呤与胞嘧啶配对;?胞嘧啶变为尿嘧啶与腺嘌呤配对;二.切除修复 39?BER可以去除因脱氨基或碱基丢失,无氧射线辐射或内源性物质引起的环氮类的甲基化等因素产生的DNA损伤。?BER是维持DNA稳定的重要修复方式,其步骤是N-糖苷键水解,从而切除发生变化的碱基。碱基释放过程是由DNA糖苷酶催化的。40 胞嘧啶去氨基生成尿嘧啶 41 如果
14、复制发生就会产生一个突变 42 糖甘水解酶识别改变了的碱基,把碱基从糖甘水解酶识别改变了的碱基,把碱基从 N-糖糖苷键处切下来,在苷键处切下来,在 DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶链上形成去嘌呤或去嘧啶位点,统称为AP位点。43 由AP磷酸内切酶将受损核甘酸的糖甘-磷酸键切开 44 DNA连接酶连接 利用DNA聚合酶I切除损伤部位,补上核苷酸 45 2.核苷酸切除修复核苷酸切除修复(nucleotide excise repair,NER)?当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤,导致双链之间无法形成氢键,则由NER负责修复。?NER的关键特征是对损伤的DNA链的两端进行切割。?NER可以修复UV照
15、射形成的嘧啶二聚体以外,还能消除体内产生的各种嘌呤和嘧啶加合物。?NER在已研究过的真核生物中都很相似,说明其在进化过程中高度保守。46 1)通过特异的核酸内切酶识别损伤部位;2)由酶的复合物在损伤的两边切除几个核苷酸;3)DNA 聚合酶以母链为模板复制合成新子链;4)DNA连接酶将切口补平。47 识别损伤部位 损伤的两边切除几个核苷酸(核酸外切酶)DNA 聚合酶以母链为模板复制合成新子链 DNA连接酶将切口补平 48 切除修复切除修复(excision repair)“切补切封”49 切除修复(excision repair)系统在几种酶的协同作用下,先在损伤的任一端打开磷酸二酯键,然后外切
16、掉一段寡核苷酸;留下的缺口由修复性合成来填补,再由连接酶连接。由于这些酶的作用不需可见光激活,也叫 暗修复。切除修复不仅能消除由紫外线引起的损伤,也能消除由电离辐射和化学诱变剂引起的其他损伤。切除修复一般发生在下一轮 DNA复制之前,又称复制前修复。50 三.直接(回复)修复 直接修复是指不需要移去任何碱基或核苷酸就可以将损伤逆转到正常状态的修复。可分为以下几种:1)光复活 酶学光复活过程 是修复UV导致的环丁烷嘧啶二聚体的直接机制,这种修复具有高度的专一性。51 光修复(photoreactivation)(主要对胸腺嘧啶二聚体而言)修复机制:在可见光(300 600nm)活化之下,由光复活
17、酶(photo reactivating enzyme,PR)催化胸腺嘧啶二聚体分解为单体。参与的酶:光复活酶(PR)52 光复活酶修复:波长400nm可见光激活 (a)(b)(c)53 光复活是针对紫外线引起 DNA损伤而形成的胸腺嘧啶二聚体,在损伤部位进行修复的修复途径。光复活作用在可见光的活化下,由光复活酶(PR),又称光解酶催化胸腺嘧啶二聚体分解成为单体。PR酶先与DNA链上的胸腺嘧啶二聚体结合成复合物;复合物以某种方式吸收可见光,并利用光能切断二聚体之间的两个 C-C键,使胸腺嘧啶二聚体变为两个单体,恢复正常,而后 PR酶就从DNA上解离下来。54 过去认为,光复活酶存在于细菌和低等
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