《DNA损伤与修复》课件

损伤与修复DNADNA损伤是生命体中常见的现象，它会导致基因突变、细胞死亡甚至癌症等严重后果为了维护生命体正常的生命活动，细胞进化出复杂的DNA损伤修复机制结构简介DNA脱氧核糖核酸（DNA）是所有已知生物的主要遗传物质DNA结构像螺旋梯子，由两条反向平行的脱氧核苷酸链构成核苷酸由磷酸基团、脱氧核糖和碱基组成碱基有四种腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）A与T配对，G与C配对，构成碱基对碱基对通过氢键连接，两条链通过磷酸二酯键连接，形成双螺旋结构损伤的来源DNA内源性损伤外源性损伤DNA复制错误、代谢副产物和活紫外线照射、电离辐射、化学物性氧自由基等因素造成的DNA损质和病毒感染等因素造成的DNA伤损伤自发性损伤DNA碱基水解脱嘌呤化12DNA碱基在水溶液中发生水解嘌呤碱基（腺嘌呤和鸟嘌呤），导致碱基脱落从脱氧核糖中脱落，导致DNA链中出现空缺非酶促脱氨基3胞嘧啶脱氨基生成尿嘧啶，导致碱基配对错误外源性损伤DNA紫外线电离辐射紫外线辐射可引起嘧啶二聚体形成，电离辐射可引起单链断裂、双链断裂造成DNA损伤和碱基损伤等化学物质某些化学物质如烷化剂、抗癌药等可与DNA分子发生反应，造成损伤直接损伤DNA碱基修饰碱基缺失碱基添加交联脱氨基作用导致碱基的改变，嘌呤碱基的缺失会导致DNA非正常碱基的添加会导致DNA链内部或链间形成交联例如胞嘧啶脱氨基形成尿嘧啶链中出现空缺，影响遗传信息DNA序列发生突变，影响基，导致DNA结构异常，影响的完整性因表达基因复制和转录间接损伤DNA氧化应激烷基化交联活性氧ROS会导致DNA损伤，如碱基氧烷基化剂可以添加烷基基团，导致碱基突变交联剂可以连接DNA链，阻碍复制和转录化和链断裂修复直接损伤的机制DNA碱基切除修复1从DNA链中切除受损碱基错配修复2去除错配的碱基，纠正复制错误垮塌复制修复3修复复制过程中的DNA损伤碱基切除修复识别并移除受损的碱基DNA糖基化酶切除受损碱基通过DNA聚合酶和连接酶修复缺口错配修复识别错误切除修复12错配修复系统能够识别DNA复错配的碱基被切除，并由正确制过程中产生的碱基错配的碱基替换修复合成的DNA3修复后的DNA片段被重新连接到DNA链上垮塌复制修复损伤复制叉解离修复机制DNA当DNA复制叉遇到损伤时，复制过程复制叉解离，形成单链缺口，导致通过修复DNA损伤，恢复复制叉的完会停止DNA复制停滞整性，并继续复制过程修复间接损伤的机制DNA碱基切除修复1修复受损的碱基错配修复2修复复制错误双链断裂修复3修复断裂的DNA链碱基切除修复第一步识别第二步切除第三步修复DNA糖基化酶DNA glycosylase识别AP位点内切核酸酶AP endonucleaseDNA聚合酶填补缺口，并由DNA连接酶受损的碱基并将其从DNA链中移除切割DNA链，形成单链缺口将新合成的片段连接到DNA链上错配修复错配修复修复机制重要意义在DNA复制过程中，可能会发生碱基错配错配修复系统首先识别错配的碱基，然后将错配修复对于维持基因组的完整性和稳定性错配修复系统能够识别并修复这些错误其切除并用正确的碱基替换这个过程涉及至关重要缺陷的错配修复会导致遗传性疾多种酶，包括错配修复蛋白（MutS、病，如遗传性非息肉性结肠癌MutL）和核酸外切酶双链断裂修复非同源末端连接同源重组12在没有同源模板的情况下，将利用同源染色体上的序列作为断裂的DNA末端直接连接起来模板，进行精确的修复微同源介导的末端连接3利用断裂DNA末端之间的小片段同源序列进行连接损伤的生物学意义DNA细胞自杀细胞衰老当DNA损伤严重无法修复时，细持续的DNA损伤会导致细胞衰老胞会启动凋亡程序，自我毁灭，，细胞失去分裂能力，最终死亡以防止受损的遗传物质传递给子，影响组织和器官的正常功能代细胞基因组不稳定DNA损伤修复机制的缺陷会导致基因组不稳定，增加基因突变的概率，引发各种疾病细胞自杀凋亡特征一种有序的细胞死亡方式，清除受损或异常的细胞，避免对机体•细胞收缩造成伤害•DNA片段化•细胞膜起泡细胞衰老DNA损伤积累导致细胞功能减退，细胞进衰老细胞失去增殖能力，分泌炎症因子，影衰老细胞积累的DNA损伤无法修复，最终入衰老状态响周围组织导致细胞凋亡基因组不稳定损伤积累染色体畸变细胞分裂错误DNA未修复的DNA损伤会累积，导致基因组不基因组不稳定会导致染色体断裂、重排和易基因组不稳定会导致细胞分裂过程中的错误稳定位，导致基因突变损伤与疾病DNA癌症神经退行性疾病加速性衰老DNA损伤是导致癌症发生的重要因素之一DNA损伤与阿尔茨海默病、帕金森病等神DNA损伤累积会导致细胞衰老加速，进而突变积累可以导致肿瘤抑制基因失活或经退行性疾病的发生发展密切相关DNA导致机体衰老DNA损伤修复能力下降是癌基因激活，最终导致细胞不受控制地增损伤导致神经元功能障碍和死亡，最终导机体衰老的重要原因之一殖，形成肿瘤致神经系统退化癌症DNA损伤累积是癌症发生的重要原因癌症细胞中DNA修复机制可能出现缺，例如，BRCA基因突变导致DNA修陷，导致基因组不稳定，促进癌细胞复缺陷，增加患乳腺癌和卵巢癌风险生长理解DNA损伤与修复机制，有助于研发新的癌症治疗方法，例如靶向DNA修复蛋白，增强化疗药物的效果神经退行性疾病阿尔茨海默病帕金森病老年痴呆症的主要病因，影响记运动障碍疾病，导致震颤、僵硬忆、思考和行为和行动迟缓肌萎缩性侧索硬化症（亨廷顿舞蹈症）ALS遗传性疾病，导致运动、认知和影响神经元，导致肌肉无力和瘫情绪障碍痪加速性衰老端粒缩短损伤积累线粒体功能障碍DNA每次细胞分裂，端粒都会缩短，最终导致细DNA损伤无法修复，导致细胞功能障碍，线粒体是细胞的能量工厂，功能障碍会导致胞衰老加速衰老能量代谢紊乱，加速衰老损伤检测技术DNA印迹PCR Southern12PCR技术可以检测DNA损伤Southern印迹可以检测DNA引起的突变和断裂损伤引起的片段缺失或插入测序3测序可以识别DNA损伤造成的碱基变化或序列缺失PCR管仪凝胶电泳PCR PCR包含DNA模板、引物和酶控制温度循环，进行DNA扩增分离和检测PCR产物印迹Southern原理步骤应用Southern印迹是一种用于检测特定DNA Southern印迹包括以下步骤DNA提取Southern印迹可用于基因突变检测、基序列的技术它利用DNA探针与靶DNA、酶切、凝胶电泳、转膜、杂交和检测因表达分析、基因组拷贝数变异分析等研片段杂交，并通过放射性自显影或化学发究领域光检测探针信号测序测序是确定DNA序列的技术它可以用于通过比较正常和受损DNA序列，可以识别测序技术正在迅速发展，为我们提供更深入识别DNA损伤并确定修复机制的有效性出特定基因组区域的损伤或修复缺陷的了解DNA损伤和修复过程修复缺陷与疾病DNA遗传性疾病癌症某些DNA修复基因的突变会导致遗传性疾病，例如雷德-斯特恩伯DNA修复缺陷会导致细胞积累大量基因突变，增加患癌风险格症候群，可卡因综合征，乙型地中海贫血等神经退行性疾病加速性衰老DNA修复缺陷会影响神经细胞功能，导致神经退行性疾病，例如DNA修复缺陷会导致细胞衰老加速，增加患老年疾病的风险阿尔茨海默病，帕金森病等雷德斯特恩伯格症候群-遗传性疾病基因突变12一种罕见的常染色体隐性遗传由ATM基因突变引起，该基疾病，导致DNA修复缺陷因负责修复双链DNA断裂症状3患者常表现出免疫缺陷、发育迟缓和癌症易感性可卡因综合征遗传性疾病修复缺陷DNA可卡因综合征是一种罕见的遗传患者的DNA修复能力受损，导致性疾病，由编码DNA修复蛋白的细胞更容易受到DNA损伤的累积基因突变引起临床表现患者表现出多种症状，包括智力障碍、生长迟缓、面部畸形和免疫缺陷乙型地中海贫血遗传性疾病症状多样12由β-珠蛋白基因突变引起，导从轻微贫血到严重的生命危胁致红血球合成不足，取决于突变的类型和程度影响骨骼3患者的骨骼可能出现异常，如骨骼增生或骨骼变形修复的调控机制DNA转录因子信号通路通过调控修复相关基因的表达来控制例如，ATM/ATR通路感知DNA损伤修复过程，并启动修复信号传导染色质重塑通过染色质结构的改变，使修复酶能够更容易地接近受损的DNA转录因子调控基因表达参与修复过程转录因子是与DNA结合的蛋白质，它们能识别特定的DNA序列，一些转录因子直接参与DNA修复，例如p53和NF-κB，它们可以诱并通过调节基因的转录来控制基因的表达导DNA修复基因的表达，促进DNA修复信号通路损伤信号关键蛋白细胞命运DNA损伤后，细胞会启动一系列信号通路例如，ATM、ATR、Chk

1、Chk2等蛋白信号通路最终决定细胞的命运，修复损伤，激活下游的修复蛋白和调节基因表达，这些蛋白在识别、修复DNA损伤以及调、进入休眠或凋亡控细胞周期中发挥重要作用染色质重塑结构改变调节基因表达参与修复DNA DNA染色质重塑可以改变DNA的结构，使其通过改变DNA的结构，染色质重塑可以染色质重塑可以帮助DNA修复酶进入受更易于或更难于被蛋白质结合和访问影响基因的表达，从而影响细胞的生长损的DNA区域，促进修复过程的进行、发育和功能修复异常与肿瘤治疗DNA靶向修复蛋白合成致死免疫治疗DNA通过抑制肿瘤细胞中参与DNA修复的关键针对DNA修复缺陷的肿瘤细胞，可以选择利用免疫检查点抑制剂，增强机体免疫系蛋白，可以增强肿瘤细胞对化疗药物或放性地使用抑制DNA修复通路的药物，导致统对肿瘤细胞的识别和杀伤能力，并改善疗的敏感性，提高治疗效果肿瘤细胞死亡，而正常细胞则不受影响肿瘤微环境，提高治疗效率靶向修复蛋白DNA抑制剂抑制剂抑制剂PARP ATMATR抑制PARP1,影响BRCA突变细胞修复DNA抑制ATM，导致DNA损伤修复缺陷，增加抑制ATR，影响DNA复制修复，增加肿瘤双链断裂，增加对化疗的敏感性肿瘤细胞对放疗的敏感性细胞对化疗的敏感性合成致死靶向依赖性肿瘤细胞特异性抑制正常细胞中的某个基因，可合成致死可以用于选择性地杀死能会导致细胞死亡，但如果另一肿瘤细胞，而对正常细胞的影响个基因也被抑制，则会导致更严较小重的细胞死亡治疗潜力合成致死是一种很有前景的肿瘤治疗策略，它可以克服传统的化疗和放疗的耐药性免疫治疗利用免疫系统来识别和攻击肿瘤细胞针对肿瘤特异性抗原的疫苗可以增强机体对肿瘤的免疫反应免疫检查点抑制剂可以阻断肿瘤逃避免疫监视的机制总结与展望DNA损伤与修复是一个复杂的生物学过程，对维持基因组稳定性和细胞功能至关重要深入研究DNA损伤的机制和修复途径，对于理解癌症、衰老和神经退行性疾病等疾病的发生发展至关重要，也有助于开发新的治疗策略。