第二章 电离辐射的分子生物学效应

5’端上游顺序代表无转录活性片段。
四、DNA修复基因
• 1、原核细胞的修复基因占基因组总 量1％。 • 2、酵母有三组RAD基因（radiation sensitive 的前三个字母） • 3、人类基因：1）XRCC （X-ray repair cross complementing）基 因；2）ERCC
二、DNA的损伤修复机制
• 1、回复修复
• 细胞对DNA的某些损伤可以用很简单的 方式加以修复在单一基因产物的催化下， 一步反应就可以完成。这种修复方式叫回 复。
1）酶学光复活
• • 光复活酶或DNA光解酶 它的作用分成三个步骤：①酶与DNA 中的二聚体部位相结合；②吸收波长为 260～380 nm的近紫外光，酶被激活，使 二聚体解聚；③酶从DNA链上释放，DNA 恢复正常结构。
第五节
• • • • •
辐射所致RNA结构与功 能的变化
RNA的种类 1、核糖体RNA (ribosomal RNA，rRNA) 2、信使RNA （messenger RNA, mRNA) 3、转运RNA (transfer RNA, tRNA) *真核细胞转录产物，一类分子大小不均一 的核RNA－不均一核RNA(hn-RNA)
随后修复的慢）
•
与PLDR有关
X线(20 Gy)照射后三株细胞的DNA双链断裂修复 ○人成纤维细胞，▲CHO,●人肾癌细胞TO25
• 3、碱基损伤的修复
• • 种类多，分析较困难 以嘧啶二聚体为模型，能修复但 只能部分修复。

DNA修复合成
• DNA期外合成或程序外DNA合成 （unscheduled DNA synthesis,UDS）： DNA合成适于损伤后即刻，随时间延 长而增加，但与细胞周期没有关系， 是一种修复合成。
1)碱基切除：
• 特点是切除受损伤的碱基。主要过 程是水解受损伤的碱基与脱氧核糖磷酸 链之间的N—糖苷键。反应由一类糖基化 酶催化。 • 也即：糖基化酶→APS→内、外切酶去除 残基。 • 整个修复过程可分以下几步。
2）核甘酸切成（一段寡核苷酸）
• • • • • 首先由一个酶系统识别损伤； 然后在损伤两侧各水解一个磷酸二酯键； 释放出一段寡核苷酸； 填补缺损区 连接酶重新完成连接。
照射剂量， （J/m2 ） 修复时间 （h） 探测片段 ESS清除率 （％）
5 10 20 20 20
24 8 8 26 8
总DNA DHFR基因 DHFR基因 DHFR基因 5’上游顺序
16 58 47 72 10
*ESS代表酶敏感位点，实际上间接反映嘧啶二聚体的存在
二氢叶酸还原酶（DHFR）的基因代表活性基因
三级结构（tertiary structure）
主要针对球状蛋白质而言 是指整条多肽链由二级结构元件构建成的总三维 结构，包括一级结构中相距远的肽段之间的几何相互 关系,骨架和侧链在内的所有原子的空间排列。 球状蛋白质，侧链基团的定位是根据它们的极性 安排的 蛋白质特定的空间构象是由氢键、离子键、偶极 与偶极间的相互作用、疏水作用等作用力维持的，疏 水作用是主要的作用力。 有些蛋白质还涉及到二硫键。
辐射对RNA生物合成的总趋势：
RNA合成抑制程度<DNA合成抑制 程度 不同的RNAwk.baidu.com成敏感性不同，核 内RNA敏感性>胞浆内RNA
一、辐射对总RNA生物合成的影响
• RNA合成过程 RNA聚合物＋ DNA特异部位 导入RNA链上 第一个核甘酸 链延伸 体外照射 增多 细胞照射 整体照射 核内>胞浆 减弱
3）嘌呤的直接插入
• • 嘌呤插入酶 受损嘌呤→APS →插入嘌呤（糖苷键）
K+ 糖基化酶 嘌呤插入酶
• 2、切除修复
• 将损伤的部位（或连同其附近的一定 部位）切除，然后用正确配对的、完好 的碱基替代修复。有多种酶和基因参与 • 过程：识别（损伤位点）→切除→修复 （补）→连接
酶和蛋白质 DNA聚合酶 DNA连接酶
绿猴细胞经损伤因子处理后αDNA与主 体DNA修复合成的比值
损伤因子 UV254 NA-AAF AMT 异补骨脂内酯 αDNA/主体DNA 0.84 0.59 0.27 0.29
NA-AAF:N-乙氧基－2－乙酰氨基芴 AMT：4’－氨基甲基三甲呋苯吡喃酮
• 2、活性基因中的修复
CHO细胞基因组中不同部位的DNA切除修复
2）DNA单链断裂重接
• DNA单链断裂中有一部分是通过简单 的重接而修复的，只需要一种酶——DNA 连接酶(ligase)参加，因此也属于直接 回复。 • DNA连接酶能催化DNA双螺旋结构中 一条链缺口处的5’磷酸根与相邻的一个3’ 羟基形成磷酸二酯健。连接所需的能量 ATP(如动物细胞)。
• 2、tRNA • tRNA前体由RNA聚合酶Ⅲ合成 • 聚合酶对射线敏感 • tRNA对射线不敏感 • 3、rRNA • 沉降系数越大对射线约敏感
第六节
蛋白质和酶的辐射生物效应
• 一、辐射对蛋白质和酶的结构和功能的影响 • 1、蛋白质的一级结构（primary stucture)
肽键
1、多肽链的氨基酸残基的排列顺序 2、基因上遗传密码的排列顺序决定的 3、通过肽键连接 即：每一种蛋白质分子都有自己特有 的氨基酸的组成和排列顺序即一级结构， 由这种氨基酸排列顺序决定它的特定的空 间结构，也就是蛋白质的一级结构决定了 蛋白质的二级三级等高级结构，这就是荣 获诺贝尔奖的著名的Anfinsen 原理。
损伤DNA的切除修复
三、基因组修复的不均一性
• 特点 • 1）转录活性DNA修复优于静止的基 因 • 2）转录链优于非转录链－修复与转 录偶联
• 1、重复序列中的DNA修复
• 灵长类细胞基因组中存在一种高度重复 顺序，在非洲绿猴细胞中此顺序占总 DNA的15％一20％，碱基组成与总DNA 相近，长度为172bP，没有转录功能。
• 一、DNA损伤修复和突变
在各种损伤修复中，DSB引起的 修复，易导致基因突变。
二、癌基因和肿瘤抑制基因 • 1、癌基因＝病毒癌基因＋原癌基因 • 原癌基因（proto-oncogene）：在正 常细胞内，调控细胞增殖和分化的 重要基因，当受到物理、化学、病 毒等生物因素作用被活化而失调时， 才会导致正常细胞的恶性转化。 • 原癌基因发生异常，使细胞发生恶 性转化→细胞癌基因（c-onc）
• 辐射对DNA复制和转录的影响均可不同程 度的影响蛋白质合成，对其翻译过程产 生效应。 • 抑制与激活并存
三、辐射对蛋白质分解代谢的影响 • 分解代谢增强：IR→细胞溶酶体破 坏→组织蛋白酶释放→Pr降解↑ • 蛋白质代谢产物↑ • 如：尿中肌酸、牛黄酸、尿素等↑
第九节
辐射致癌的分子基础
目前明确认识到： 1、DNA是主要的靶分子（致癌过程） 2、肿瘤的发生起源于单细胞突变 3、肿瘤的发生过程伴有遗传学的变化(Ph1） 4、肿瘤的发生是多阶段过程： 包括：启动→促进→发展 5、辐射致癌和化学致癌的机理不同：前者诱 发细胞突变或恶性转变；后者损伤DNA.
一、不同类型DNA损伤的修复
• 1、DNA单链断裂的修复 • 绝大多数正常细胞都能修复单链 断裂 • DNA修复与时间呈指数关系，修 复速率依赖于温度 • 与SLDR有关
CHO细胞DNA单链断裂重接修复曲线
• 2、DNA双链断裂的修复 • 断裂后即刻，细胞内酶修复系 统启动。修复速率的快慢与水平的 高低直接决定损伤的残留以及细胞 的转归。（部分修复：早期修复快，
•
修 复
SOS
• 4、错配修复
• 错配修复是生物维持生命、保持物种稳定的— 种重要功能。从细菌、酵母直至哺乳动物都普 遍具有此修复机理。 • 在修复、重组的过程中或外界损伤因子的作用 下都有可能发生错配。在修复过程中首先要识 别错配碱基对。 • 然后需要分辨错配的哪一侧属于母链，哪一侧 属于新合成的错误链。最后修复。 • 错配纠正过程是很复杂的，至少需要10种活性 因子参加。
1、辐射对蛋白质结构和功能的影响
一级结构主要是肽键断裂，其次巯基氧化、 二硫键还原、旁侧羟基被氧化等。 高级结构主要是肽键氢键、侧链氢键、 离子键和疏水键的改变。 一级结构的改变必然影响高级结构，导 致蛋白质的功能改变，酶活性改变。
二、辐射对蛋白质和酶生物合成的影响
• DNA→→→mRNA→→→Protein
第二章
电离辐射的分子生物学效应
第四节
DNA辐射损伤的修复及其 遗传学控制
• 亚致死损伤修复（sublethal damage repair,SLDR）：将预定的照射剂量分 次给予，生物效应明显减轻，表明在 两次照射间隔中细胞有所修复，这种 修复称作SLDR • 潜在致死性损伤修复（potentially lethal damage repair, PLDR)：照射后改变细 胞所处的状态和环境，如延长接种或 给予不良的营养和环境条件，均能提 高存活率。
• 原癌基因的激活：原癌基因转变为 细胞癌基因的过程。 • 原癌基因的激活方式：①插入激活； ②点突变（piont mutation)；③基 因扩增；④染色体易位；⑤两种以 上癌基因联合作用
胰岛素的一级结构及不同动物胰岛素在A链中的差异
蛋白质二级结构（secondary structure）
多肽链借助于氢键沿一维方向排列成 具有周期性结构的构象，是多肽链局部的 空间结构（构象），主要有α－螺旋、β －折叠、β－转角等几种形式，它们是构 成蛋白质高级结构的基本要素。
RNase的某些二级结构
5’ 3’ 5’ 3’
3’ 5’ 3’ 5’
5’ 3’ 5’ 3’
3’ 5’ 3’
5’
损 伤 后 重 组 修 复
DNA
5’
3’
3’ 5’ 3’
5’
3’ 5’
• 2）SOS修复
细胞DNA受到损伤或复制系统受 到抑制，产生一种调控信号，解除 对许多基因的抑制，这些基因的产 物参与修复过程。 • SOS修复过程是在损伤信号诱导 下发生的，又称可诱导的DNA修复 • 修复过程容易发生错误，故又 称易错修复
增多
相似
阻止
相似
释放出新的RNA链和 RNA聚合酶
减少
相似
二、辐射对几种主要RNA的影响
• 1、不均一核RNA（hnRNA)和mRNA • hnRNA：分子大小不均一 • 90％核内代谢 • 10％转变为mRNA • 辐射效应对基因组中等重复和单一顺序区 最为明显 单一顺序区含大部分蛋白质基因 • 中等重复顺序区含组蛋白、tRNA和rRNA基 因 • hnRNA及其产物mRNA碱基顺序改变后果严重
胰 岛 素 的 三 级 结 构
溶 菌 酶 结分 构子 的 三 级
四级结构（quaternary structure）
四级结构是指在亚基和亚基之间通过疏 水作用等次级键结合成为有序排列的特定的 空间结构。 亚基通常由一条多肽链组成，有时含两 条以上的多肽链，单独存在时一般没有生物 活性。
血红蛋白的四级结构
E．coli的核苷酸切除修复机理。
• 在E．coli中，UvrA，UvrB，UvrC三种蛋白是必 需的。而且必须同时存在才能发挥作用，所以 也叫UvrABC切除核酸酶。UvrA是一种腺苷三磷 酸酶，是损伤识别蛋白。它与UvrB 结合成A2B1 复合物，结合在损伤区，使DNA解旋、扭曲，并 引起UvrB构象改变，与损伤部位形成紧密的结 合。然后UvrA与UvrB—DNA复合物解离，后者成 为UvrC特异结合靶。 UvrB 在损伤的3’侧作一 内切，随而复合物构象改变， UvrC 得以在5’ 侧作第二个切口。解旋酶 Ⅱ(UvrD)使寡聚核苷 酸片段及UvrC从DNA链上释放，然后DNA聚合酶 Ⅰ取代UvrB。修补缺损区；最后由连接酶连接 补片。
• 3、损伤的“耐受”
• DNA分子的损伤有时不能立即修复。 特别是在复制已经开始，而损伤又在复 制叉附近时，细胞会通过另一些机制， 使复制能进行下去，待复制完成后，再 通过某种机制修复残留的损伤。复制时 损伤并未消除，故称“耐受”
复
• 包括重组修复（复制后修复）、SOS修
1）、重组修复
• 当DNA双链发生严重损伤时需要另一种机 理来完成正确的修复。一种情况是两条 链同时受到损伤；另一种情况是单链损 伤尚未修复时发生了复制，造成对应于 损伤位置的新链缺乏正确模板；此时需 要重组酶系将另一段未受损伤的双链DNA 移到损伤位置附近，提供正确的模板， 进行重组。这便是重组修复。