分子生物学-第六章损伤与修复(A110)
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医学分子生物学 DNA的损伤和修复58页PPT
医学分子生物学 DNA 的损伤和修复
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而Байду номын сангаас鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而Байду номын сангаас鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
《损伤的修复》课件
通过基因技术，干预和调控细胞的修复和再生过程。
3 仿生技术
借鉴生物系统的结构和功能，利用先进的技术手段实现损伤修复和再生。
组织修复的过程
1
溶解旧组织
破损组织被清除，并为新组织的生成铺平开始增殖，填充损伤区域。
3
新组织生成
新的细胞和基质生成，恢复正常组织结构。
损伤的干扰
1 干扰因素
2 局限性
感染、缺血、疤痕形成和营养不良等因素 可能干扰损伤的修复过程。
某些类型的组织，如神经组织和心脏组织， 具有有限的修复能力。
《损伤的修复》PPT课件
本PPT课件将介绍损伤修复的过程和重要性。了解不同类型的损伤，细胞的反 应以及组织修复的关键步骤和干扰因素。探索损伤修复的应用和未来发展。
什么是损伤？
1 定义
损伤是指使组织或器官受到破坏或功能障碍的过程。
2 类型
损伤可以包括创伤性损伤、炎症性损伤和慢性损伤。
为什么需要修复损伤？
损伤修复是恢复受损组织或器官结构和功能的关键过程，有助于促进身体康复和维持正常生理功能。
细胞的应激反应
炎症反应
损伤后，机体会通过释放炎症介质来引发炎症反应，以清除损伤区的细胞残骸和病原体。
增殖反应
损伤后的细胞会通过增殖来填补损伤区，恢复正常组织结构和功能。
修复反应
受损的细胞会释放信号分子，促使周围细胞参与修复过程，以恢复损伤区域的结构和功能。
损伤修复的应用
手术创伤修复
理解创伤修复过程对提高手术 创伤愈合效果至关重要。
皮肤再生
通过了解皮肤损伤的修复，可 以促进皮肤再生和创伤疤痕的 治疗。
神经再生
研究神经损伤修复将有助于发 展创新的神经再生治疗方法。
3 仿生技术
借鉴生物系统的结构和功能，利用先进的技术手段实现损伤修复和再生。
组织修复的过程
1
溶解旧组织
破损组织被清除，并为新组织的生成铺平开始增殖，填充损伤区域。
3
新组织生成
新的细胞和基质生成，恢复正常组织结构。
损伤的干扰
1 干扰因素
2 局限性
感染、缺血、疤痕形成和营养不良等因素 可能干扰损伤的修复过程。
某些类型的组织，如神经组织和心脏组织， 具有有限的修复能力。
《损伤的修复》PPT课件
本PPT课件将介绍损伤修复的过程和重要性。了解不同类型的损伤，细胞的反 应以及组织修复的关键步骤和干扰因素。探索损伤修复的应用和未来发展。
什么是损伤？
1 定义
损伤是指使组织或器官受到破坏或功能障碍的过程。
2 类型
损伤可以包括创伤性损伤、炎症性损伤和慢性损伤。
为什么需要修复损伤？
损伤修复是恢复受损组织或器官结构和功能的关键过程，有助于促进身体康复和维持正常生理功能。
细胞的应激反应
炎症反应
损伤后，机体会通过释放炎症介质来引发炎症反应，以清除损伤区的细胞残骸和病原体。
增殖反应
损伤后的细胞会通过增殖来填补损伤区，恢复正常组织结构和功能。
修复反应
受损的细胞会释放信号分子，促使周围细胞参与修复过程，以恢复损伤区域的结构和功能。
损伤修复的应用
手术创伤修复
理解创伤修复过程对提高手术 创伤愈合效果至关重要。
皮肤再生
通过了解皮肤损伤的修复，可 以促进皮肤再生和创伤疤痕的 治疗。
神经再生
研究神经损伤修复将有助于发 展创新的神经再生治疗方法。
分子生物学：第6章 DNA损伤与修复
DNA损伤的后果
点突变 缺失 插入 到位或转座 断裂
* 突变可以是进化上的需要。有意义，无意义。
DNA Repair
DNA repair
• Direct repair • Excision repair • Mismatch repair • Recombination repair • SOS system
• 紫外线 • DNA被小于260nm波长紫外线照射时，形
成嘧啶二聚体。也能产生DNA断裂。
TT， CC， TC 二聚体
AT互换
• 1.Ultraviolet irradiation
• A- T became T-T
电离辐射引起DNA损伤
电离辐射产生电离辐射的直接和间接作用，导 致碱基改变、互换，脱落或修饰、脱氧核糖变化、 DNA单双链断裂 或交联（DNA-DNA,DNA-蛋白 质）。
O
RN
P
O
RN
O
N
N
O
RN
O
UV
P N CH3
O Photolyase
RN
CH3
CH3 O
N
CH3
O
)
胸嘧啶二聚体 ( T T )
1) Remove damaged region
2) Resynthesis （再合成） DNA
3) Ligation（结扎）
BER
• Special enzymes replace just the defective（错误的） base
DNA复制误差
核苷酸错误掺入： 掺入率 为10-10 DNA聚合酶使用核酸外切酶活性
C
A
碱基错配
自主突变
碱基异构突变：核苷酸上碱基互换 脱氨基：环外氨基脱落C变成U，A变成H,G变成X。 脱嘌呤和脱嘧啶：嘌呤和嘧啶水解 碱基修饰与断链：自由基CH3、O2 和细胞代谢物
损伤修复机制的分子生物学研究
损伤修复机制的分子生物学研究损伤是人类生活中不可避免的一部分，人体机能可以通过各种自我修复机制来恢复到原有状态。
身体受到损伤后，细胞会检测到损伤的信号，并通过一系列复杂的分子生物学机制来启动修复过程。
本文将会探讨人类身体当中的损伤修复机制的分子生物学研究。
细胞外基质(ECM)在组织修复中的作用组织中细胞外基质(ECM)是组成细胞之间的间质，也是细胞的外部环境。
人体内不同器官和组织的ECM分布和组成情况不同。
ECM是组织损伤和修复的重要组成模块，它具有结构、生物学细胞学、机械力学和信号传导四个方面的功能。
ECM提供了一个良好的细胞外环境，为组织细胞的成长、生长和迁移提供力量支撑。
ECM形态学的改变和成分的变化与许多欠吸氧、炎症和肉芽组织的形成相关联。
ECM的完整性维护和细胞-ECM间的相互作用可以通过激活分化和增值途径促进上皮的重建。
在肝脏和心血管损伤中，ECM成分的多样性和改变使得成纤维细胞等细胞继续分裂增殖，从而进行ECM模型的改变并促进组织修复。
生长因子和信号通路对组织修复的影响生长因子是诸如细胞因子和外泌因子等具有生物活性的多肽分子。
它们通过细胞表面受体介导复杂的信号传递途径来影响细胞增殖、分化、迁移和细胞凋亡。
生长因子在许多生物学过程中都发挥了重要的作用，包括细胞的身份识别、细胞命运的确定、组织发育、维护和修复。
在损伤修复过程中，生长因子模拟和激活异质性的细胞，例如神经元和心肌等，以及其它需要修复或替换的组织。
生长因子与细胞表面受体相互作用，导致特定的信号通路被激活，从而启动或抑制细胞自我修复过程。
特别的，转化生长因子β(TGF-β)在组织修复中发挥了重要的作用。
TGF-β是多种生物活性分子的组合，它们对于创伤修复有重要作用。
TGF-β可以激活成纤维细胞，从而合成和分泌的ECM分子。
在心肌梗塞后，TGF-β在诱导敬链前体和纤溶酶原激活剂抑制元(SERPINA5)等的细胞凋亡方面发挥了重要作用。
分子生物学DNA损伤与修复PPT教案
eotide excision repair, NER）
识别损伤对DNA双螺旋结构所造成的扭曲。 4步反应组成： 由特殊的蛋白质探测损伤，并引发一系列 蛋白质与损伤部位的有序结合。 由特殊的内切酶在损伤部位的两侧切开 DNA链，去除2个切口之间的带有损伤的 DNA片段，形成缺口。 由DNA pol填补缺口。 由DNA连接酶连接切口 。
• 真核细胞错配修复系统无MutH，也无半甲基化 标记母链。 • 错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺口 重组修复
双链断裂修复： ➢ 同源重组修复 ➢ 非同源末端连接的重组修复牛牛文档分享同源重组修复 （人）:
最简单、最常用的双链 断裂修复方式伤 DNA的复制事件之后
修复大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤。 ➢ 重组跨越损伤修复 ➢ 合成跨越损伤修复保留错误的修复。牛牛文档分享➢ 重组跨越损伤 修复
——复制后修复
RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、 XRCC4
大范围的损伤或复制 RecA蛋白、LexA蛋白、其他类型DNA的意义
The significance of DNA dam应
分子生物学DNA损伤与修复
会计学
1
目的与要求
学时：2 1.掌握：DNA 损伤的类型 2.掌握：DNA损伤修复的方式 3.了解：DNA损伤、修复的意义的DNA组成与结构的 变化称为DNA损伤（DNA damage）
电离辐射 烷化剂
➢ 自由基 ➢ 碱基类似物 ➢ 碱基修-A； 烯醇式-G）(T碱基类似物 ）
碱基修饰 • 亚硝酸盐氧化脱氨 （C→U）（
）
• SAM使G甲基化（G与T配对）（烷化剂）
嵌入染料 • 吖啶类化合物: 吖啶橙 (
)
• 黄曲霉素B （攻击碱基，书235页）
识别损伤对DNA双螺旋结构所造成的扭曲。 4步反应组成： 由特殊的蛋白质探测损伤，并引发一系列 蛋白质与损伤部位的有序结合。 由特殊的内切酶在损伤部位的两侧切开 DNA链，去除2个切口之间的带有损伤的 DNA片段，形成缺口。 由DNA pol填补缺口。 由DNA连接酶连接切口 。
• 真核细胞错配修复系统无MutH，也无半甲基化 标记母链。 • 错配修复系统利用冈崎片段连接前的DNA缺口 重组修复
双链断裂修复： ➢ 同源重组修复 ➢ 非同源末端连接的重组修复牛牛文档分享同源重组修复 （人）:
最简单、最常用的双链 断裂修复方式伤 DNA的复制事件之后
修复大范围的损伤或复制中来不及修复的损伤。 ➢ 重组跨越损伤修复 ➢ 合成跨越损伤修复保留错误的修复。牛牛文档分享➢ 重组跨越损伤 修复
——复制后修复
RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、 XRCC4
大范围的损伤或复制 RecA蛋白、LexA蛋白、其他类型DNA的意义
The significance of DNA dam应
分子生物学DNA损伤与修复
会计学
1
目的与要求
学时：2 1.掌握：DNA 损伤的类型 2.掌握：DNA损伤修复的方式 3.了解：DNA损伤、修复的意义的DNA组成与结构的 变化称为DNA损伤（DNA damage）
电离辐射 烷化剂
➢ 自由基 ➢ 碱基类似物 ➢ 碱基修-A； 烯醇式-G）(T碱基类似物 ）
碱基修饰 • 亚硝酸盐氧化脱氨 （C→U）（
）
• SAM使G甲基化（G与T配对）（烷化剂）
嵌入染料 • 吖啶类化合物: 吖啶橙 (
)
• 黄曲霉素B （攻击碱基，书235页）
分子生物学课件DNA的修复和转座
DNA修复和转座：在生 物技术中具有重要的研 究价值，如基因表达调 控、基因进化等
汇报人：
转座子元件（Transposable element）：可移动 的DNA序列，可在基因组中插入和删除
转座子复合体（Transposon complex）：由转座子和 转座酶组成的复合体，可在基因组中插入和删除
转座子家族（Transposon family）：具有相似序列 和功能的转座子集合
转座子：一பைடு நூலகம்可以在基因组中移动 的DNA序列
光修复：通过光修复酶修复受损的DNA
核酸内切酶：切 割DNA双链，形 成单链缺口
DNA聚合酶：填 补单链缺口，形 成新的DNA双链
连接酶：连接 DNA双链，形成 完整的DNA分子
拓扑异构酶：改变 DNA拓扑结构，使 DNA能够顺利复制 和转录
识别损伤：识别 DNA损伤的位置和 类型
切除损伤：切除损 伤的DNA片段
端粒缩短： DNA端粒 缩短，导 致细胞衰 老和死亡
碱基切除修复：切除受损的碱基，再通过 DNA聚合酶填补空缺
核苷酸切除修复：切除受损的核苷酸，再 通过DNA聚合酶填补空缺
重组修复：通过同源重组修复受损的DNA
非同源末端连接修复：通过非同源末端连 接酶修复受损的DNA
错配修复：通过错配修复酶修复受损的DNA
DNA修复：保 持遗传信息的 稳定性，避免
突变积累
DNA转座：增 加基因多样性， 促进生物进化
修复和转座： 共同作用，推
动生物进化
修复和转座： 对生物适应环 境变化具有重
要意义
DNA修复和转座是细 胞正常生理过程的一 部分，如果发生异常， 可能导致疾病发生。
DNA修复和转座异 常可能导致基因突 变，从而引发癌症 等疾病。
DNA损伤与修复
二、引发突变的因素 大量的突变属自发突变，发生频率 大量的突变属自发突变，
为10-9。
用生活环境中导致突变的因素，在实 用生活环境中导致突变的因素，
验室可以诱发突变，称为诱变， 验室可以诱发突变，称为诱变，导致 突变的因素称为诱变剂。 突变的因素称为诱变剂。主要有物理 和化学因素。 和化学因素。
(三)重排 三 重排(rearrangement) 重排
——DNA分子内发生较大片段的交换， 分子内发生较大片段的交换， 分子内发生较大片段的交换 也称为重组。 也称为重组。 移位的DNA可以在新位点上颠倒 可以在新位点上颠倒 移位的 方向反置（倒位），也可以在染色体 方向反置（倒位），也可以在染色体 ）， 之间发生交换重组。 之间发生交换重组。
(三) 突变导致死亡 三
突变发生在对生命至关重要的基因上，可 突变发生在对生命至关重要的基因上， 导致个体或细胞的死亡。 导致个体或细胞的死亡。
(四) 突变是某些疾病的发病基础 四
包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的病。有 包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的病。 些已知其遗传缺陷所在。 些已知其遗传缺陷所在。但大多数尚在研 究中。 究中。
(三)重组修复 三 重组修复
(recombination repairing)
(四)SOS修复 四 修复
当DNA损伤广泛难以继续复制 损伤广泛难以继续复制 时，应急而诱发产生的一系列复杂 的修复反应。 的修复反应。 各种与修复有关的基因， 各种与修复有关的基因，组成一 个称为调节子 调节子(regulon)的网络式调控 个称为调节子 的网络式调控 系统。 系统。 这种修复使DNA保留的错误较多， 保留的错误较多， 这种修复使 保留的错误较多 会引起较广泛、长期的突变。 会引起较广泛、长期的突变。
分子生物学第五、六章 DNA的损伤、修复、基因突变、重组与转座
核苷酸片段切除修复
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，则由核苷酸切除修复(nucleo tide-excision repair)系 统负责修复。
损伤发生后，首先由DNA切割酶(exci-nuclease)在 已损伤的核苷酸5’和3’位分别切开磷酸糖苷键，产 生一个由12～13个核苷酸(原核生物)或27～29个核 苷酸(人类或其他高等真核生物)的小片段，移去小 片段后由DNA聚合酶Ⅰ(原核)或ε(真核)合成新的片 段，并由DNA连接酶完成修复中的最后一道工序。
4.6 DNA的转座
转座子（transposon）：是在基因组中可 以移动的一段DNA序列。一个转座子由基因 组的一个位置转移到另一个位置的过程称为 转座或移位(transposition)。本质是由转 座子（可移位因子）介导的遗传物质重排现 象。
转座子是一些较短的DNA序列，可以转 移到细胞基因组的任何位置。由于它不 需要序列间具有同源性，也不是位点特 异性的，所以转座作用又被称为异常重 组。
A—I—C(非T) 下一轮C—G 导致AT—GC 引起突变 C—U –A(非G) 下一轮A—T 导致GC—AT 引起突变
亚硝酸盐、羟胺诱变剂
DNA聚合酶的“打滑”
DNA复制时， 无论模板还是新生链都会发生 碱基的环出现象，即DNA聚合酶发生“打滑”， 引起一个或数个碱基的插入或缺失。尤其是模 板上有几个相同的碱基情况。
4.4.3 基因突变的主要后果
生物功能丧失
获得新功能
癌症发生
作业
名词解释：
基因突变 无义突变 移码突变 回复突变
简答题：
课后思考题1和4
4.5 DNA的重组
DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合， 称为遗传重组或基因重组。重组产物称为重组体 DNA (recombinant DNA)。
医学分子生物学 DNA的损伤和修复PPT文档共58页
医学分子生物学 DNA的损伤和修复
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
谢谢！
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
谢谢！
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
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14
15
O
H N
CH3
O
H N
CH3
UV
H
O
O
CH3 CH3
N
H N
O
N
H
O
N
H
O
N HH N
O
Thymine
Thymine
Thymine dimer
OO
4
5
4
5
3
6
6
2
1
Fig. 21- Production of thymine dimer by ultraviolet light irradiation.
分子)吸收射线能量而产生具有很高反应活性 的自由基，进而损伤DNA。
18
电离辐射引起DNA损伤的机理
19
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(mobile charge interaction)
直接与DNA分子链发生作用，作用的靶 点是DNA分子中移动的电子。
27
(二) 碱基类似物、修饰剂对DNA的损 伤
人工合成的碱基类似物如5-溴尿嘧啶、5-氟尿 嘧啶、2-氨基腺嘌呤等，其结构与正常碱基相似 ，进入细胞后能替代正常碱基掺入到DNA链中而 干扰DNA复制合成，例如5-溴尿嘧啶的结构与胸 腺嘧啶十分相近，在酮式结构时与A配对，但更 容易成为烯醇式结构而与G配对，在DNA复制时 导致A-T转换为G-C。
28
碱基类似物、修饰剂对DNA的改变
5-BrdU （ 5-BrdU-A； 5-BrdU-G）
酮式
烯醇式
亚硝酸盐能使C脱氨基变成U （C→U）
羟胺能使T脱甲基变成C （T→C）
黄曲霉素B （攻击碱基）
29
DNA 损伤类型
碱基脱落 碱基修饰 & 去氨基化 链内交联 DNA-蛋白质 交联 DNA链断裂 DNA 重组
第六章 DNA损伤与修复 DNA damage and repair
汤立军 中南大学生命科学学院
分子生物学研究中心
1
哺乳动物细胞DNA损伤的发生频率
2
3
第一节 DNA损伤的原因及后果
复制错误 碱基脱落或部分脱落
活性氧族
紫外线 电离辐射
烷化剂 碱基类似物
修饰剂
自 发 性
物
化
理
学
因
因
素
素
DNA
病原生物基因的整合 4
一、DNA分子的自发性损伤
(一)DNA复制产生误差 大肠杆菌 碱基配对的错误率为10-1～10-2 DNA聚合酶校正后错误率为10-5 ～10-6 复制后经校正系统校正，错配率为10-9左右
5
（二）DNA的自发性化学变化 1. 碱基的异构互变 DNA分子中的4种碱基各自的异构体间 都可以自发地相互变化(例如酮式-烯醇式或 氨基-亚氨基之间的结构互变)，使配对碱基 间的氢键改变。
16
皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可 达每小时5×104／细胞，紫外线不能穿透皮肤 ，因此损伤只局限在皮肤中。此外，紫外线照 射还能引起DNA链断裂等损伤。
17
(二) 电离辐射引起的DNA损伤
电离辐射损伤DNA有直接和间接的效应， 直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损
伤； 间接效应是指DNA周围其他分子(主要是水
20
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
交联 包括DNA链交联和DNA-蛋白质交联
21
电离辐射导致DNA链的断 裂
单链断裂： 双链断裂：
22
三、化学因素引起的DNA损伤
(一)烷化剂对DNA的损伤
烷化剂是一类亲电子的化合物，很容易与生物 大分子的亲核位点起反应，使DNA发生各种类型 的损伤。
12
5.环出效应
13
二、物理因素引起的DNA损 伤
(一)紫外线照射引起的DNA损伤 当DNA受到最易被其吸收波长(～260 nm)的紫外
线照射时，同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成 二聚体，相邻的两个T、或两个C、或C与T间都可以环 丁基环(cyclobutane ring)连成二聚体，其中最容易 形成的是T-T二聚体。二聚体导致复制不能进行。
10
复制时可以插入任何核苷酸。 脱落碱基后的脱氧核糖3ˊ端的磷酸二酯
键易被水解，造成DNA链断裂。 在哺乳动物细胞基因组中，每天每个细
胞因N-糖苷键自发水解约丢失10 000个 嘌呤碱基和200个嘧啶碱基。
11
4．碱基修饰与链断裂
细胞在正常生理活动中产生的活性氧会造 成DNA损伤，产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲 基尿嘧啶等碱基修饰物，还可引起DNA单 链断裂等损伤。每个哺乳类细胞每天DNA 单链断裂发生的频率约为五万次。
互变异构效应引起不正常的碱基配对
8
2. 碱基的脱氨基作用
碱基的环外氨基有时会 自发脱落，从而胞嘧啶(C) 变成尿嘧啶(U)，腺嘌呤 (A)变成次黄嘌呤(H)、鸟 嘌呤（G）变成黄嘌呤(X) 等。复制时U与A配对、H 和X都与C配对就会导致子 代DNA序列的错误变化。
9
3．脱嘌呤与脱嘧啶
即碱基脱落，是指 从DNA上丢失了嘌呤 或嘧啶，形成无碱基 位点，称为AP部位 （apurine, apyrimidine site, AP）。
1．碱基烷基化
烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧 啶的N或O上, 烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化 。
23
24
(一)烷化剂对DNA的损伤
2.碱基脱落 烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落 形成DNA上的无碱基位点，复制时可以 插入任何核苷酸，造成序列的改变。
6
✓ 碱基T和G能够以酮式或烯醇 式两种互变异构的状态出现
✓碱基C和A能够以氨基式或亚 氨基式两种互变状态出现
✓ 一般生理条件下，碱基互变平 衡反应倾向于酮式或氨基式，故 A T和C G碱基配对
… ‥
碱基的互变异构效应
7
碱基T以稀有的烯醇式 形式，新合成链中T对 应的不再是A，而是G
碱基C以稀有的亚氨基形 式出现，在DNA复制到 达这一位置的瞬间，则 它对应的不是G，而是A
25
(一)烷化剂对DNA的损伤
3．断链 DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被
烷基化，结果形成不稳定的磷酸三酯键， 易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断 裂。
26
(一)烷化剂对DNA的损伤
4. 交联 烷化剂有两类， 一类是单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能 使一个位点烷基化； 另一类是双功能基烷化剂，如化学武器氮芥、硫 芥等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂 霉素等，某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此类，其 两个功能基可同时使两个位点烷基化。
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O
H N
CH3
O
H N
CH3
UV
H
O
O
CH3 CH3
N
H N
O
N
H
O
N
H
O
N HH N
O
Thymine
Thymine
Thymine dimer
OO
4
5
4
5
3
6
6
2
1
Fig. 21- Production of thymine dimer by ultraviolet light irradiation.
分子)吸收射线能量而产生具有很高反应活性 的自由基，进而损伤DNA。
18
电离辐射引起DNA损伤的机理
19
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(mobile charge interaction)
直接与DNA分子链发生作用，作用的靶 点是DNA分子中移动的电子。
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(二) 碱基类似物、修饰剂对DNA的损 伤
人工合成的碱基类似物如5-溴尿嘧啶、5-氟尿 嘧啶、2-氨基腺嘌呤等，其结构与正常碱基相似 ，进入细胞后能替代正常碱基掺入到DNA链中而 干扰DNA复制合成，例如5-溴尿嘧啶的结构与胸 腺嘧啶十分相近，在酮式结构时与A配对，但更 容易成为烯醇式结构而与G配对，在DNA复制时 导致A-T转换为G-C。
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碱基类似物、修饰剂对DNA的改变
5-BrdU （ 5-BrdU-A； 5-BrdU-G）
酮式
烯醇式
亚硝酸盐能使C脱氨基变成U （C→U）
羟胺能使T脱甲基变成C （T→C）
黄曲霉素B （攻击碱基）
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DNA 损伤类型
碱基脱落 碱基修饰 & 去氨基化 链内交联 DNA-蛋白质 交联 DNA链断裂 DNA 重组
第六章 DNA损伤与修复 DNA damage and repair
汤立军 中南大学生命科学学院
分子生物学研究中心
1
哺乳动物细胞DNA损伤的发生频率
2
3
第一节 DNA损伤的原因及后果
复制错误 碱基脱落或部分脱落
活性氧族
紫外线 电离辐射
烷化剂 碱基类似物
修饰剂
自 发 性
物
化
理
学
因
因
素
素
DNA
病原生物基因的整合 4
一、DNA分子的自发性损伤
(一)DNA复制产生误差 大肠杆菌 碱基配对的错误率为10-1～10-2 DNA聚合酶校正后错误率为10-5 ～10-6 复制后经校正系统校正，错配率为10-9左右
5
（二）DNA的自发性化学变化 1. 碱基的异构互变 DNA分子中的4种碱基各自的异构体间 都可以自发地相互变化(例如酮式-烯醇式或 氨基-亚氨基之间的结构互变)，使配对碱基 间的氢键改变。
16
皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可 达每小时5×104／细胞，紫外线不能穿透皮肤 ，因此损伤只局限在皮肤中。此外，紫外线照 射还能引起DNA链断裂等损伤。
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(二) 电离辐射引起的DNA损伤
电离辐射损伤DNA有直接和间接的效应， 直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损
伤； 间接效应是指DNA周围其他分子(主要是水
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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
交联 包括DNA链交联和DNA-蛋白质交联
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电离辐射导致DNA链的断 裂
单链断裂： 双链断裂：
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三、化学因素引起的DNA损伤
(一)烷化剂对DNA的损伤
烷化剂是一类亲电子的化合物，很容易与生物 大分子的亲核位点起反应，使DNA发生各种类型 的损伤。
12
5.环出效应
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二、物理因素引起的DNA损 伤
(一)紫外线照射引起的DNA损伤 当DNA受到最易被其吸收波长(～260 nm)的紫外
线照射时，同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成 二聚体，相邻的两个T、或两个C、或C与T间都可以环 丁基环(cyclobutane ring)连成二聚体，其中最容易 形成的是T-T二聚体。二聚体导致复制不能进行。
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复制时可以插入任何核苷酸。 脱落碱基后的脱氧核糖3ˊ端的磷酸二酯
键易被水解，造成DNA链断裂。 在哺乳动物细胞基因组中，每天每个细
胞因N-糖苷键自发水解约丢失10 000个 嘌呤碱基和200个嘧啶碱基。
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4．碱基修饰与链断裂
细胞在正常生理活动中产生的活性氧会造 成DNA损伤，产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲 基尿嘧啶等碱基修饰物，还可引起DNA单 链断裂等损伤。每个哺乳类细胞每天DNA 单链断裂发生的频率约为五万次。
互变异构效应引起不正常的碱基配对
8
2. 碱基的脱氨基作用
碱基的环外氨基有时会 自发脱落，从而胞嘧啶(C) 变成尿嘧啶(U)，腺嘌呤 (A)变成次黄嘌呤(H)、鸟 嘌呤（G）变成黄嘌呤(X) 等。复制时U与A配对、H 和X都与C配对就会导致子 代DNA序列的错误变化。
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3．脱嘌呤与脱嘧啶
即碱基脱落，是指 从DNA上丢失了嘌呤 或嘧啶，形成无碱基 位点，称为AP部位 （apurine, apyrimidine site, AP）。
1．碱基烷基化
烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧 啶的N或O上, 烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化 。
23
24
(一)烷化剂对DNA的损伤
2.碱基脱落 烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落 形成DNA上的无碱基位点，复制时可以 插入任何核苷酸，造成序列的改变。
6
✓ 碱基T和G能够以酮式或烯醇 式两种互变异构的状态出现
✓碱基C和A能够以氨基式或亚 氨基式两种互变状态出现
✓ 一般生理条件下，碱基互变平 衡反应倾向于酮式或氨基式，故 A T和C G碱基配对
… ‥
碱基的互变异构效应
7
碱基T以稀有的烯醇式 形式，新合成链中T对 应的不再是A，而是G
碱基C以稀有的亚氨基形 式出现，在DNA复制到 达这一位置的瞬间，则 它对应的不是G，而是A
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(一)烷化剂对DNA的损伤
3．断链 DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被
烷基化，结果形成不稳定的磷酸三酯键， 易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断 裂。
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(一)烷化剂对DNA的损伤
4. 交联 烷化剂有两类， 一类是单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能 使一个位点烷基化； 另一类是双功能基烷化剂，如化学武器氮芥、硫 芥等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂 霉素等，某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此类，其 两个功能基可同时使两个位点烷基化。