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第二章 电离辐射的分子生物学效应

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 。. 一、不同类型 DNA 损伤的修复. 1 、 DNA 单链断裂的修复

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第二章 电离辐射的分子生物学效应

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Presentation Transcript

  1. 第二章 电离辐射的分子生物学效应

  2. 第四节 DNA辐射损伤的修复及其遗传学控制

  3. 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。

  4. 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

  5. CHO细胞DNA单链断裂重接修复曲线

  6. 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，随后修复的慢） • 与PLDR有关

  7. 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

  8. 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。

  9. 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。

  10. 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。

  11. 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。

  12. 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)。

  13. K+ 糖基化酶 嘌呤插入酶 • 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）

  14. 酶和蛋白质 DNA聚合酶 DNA连接酶 • 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

  15. 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。

  16. 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。

  17. 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。

  18. 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” • 包括重组修复（复制后修复）、SOS修复

  19. 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。

  20. DNA损伤后重组修复 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’

  21. 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

  22. SOS修复

  23. 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。

  24. 损伤DNA的切除修复

  25. 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

  26. 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。

  27. 绿猴细胞经损伤因子处理后αDNA与主体DNA修复合成的比值绿猴细胞经损伤因子处理后αDNA与主体DNA修复合成的比值 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

  28. 2、活性基因中的修复

  29. CHO细胞基因组中不同部位的DNA切除修复 *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 5’端上游顺序代表无转录活性片段。

  30. 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

  31. 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)

  32. 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RNA合成敏感性不同，核内RNA敏感性>胞浆内RNA

  33. 一、辐射对总RNA生物合成的影响 • RNA合成过程 体外照射 细胞照射 整体照射 RNA聚合物＋ 增多 核内>胞浆 减弱 DNA特异部位 导入RNA链上 增多 相似 第一个核甘酸 链延伸 阻止 相似 释放出新的RNA链和减少 相似 RNA聚合酶

  34. 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

  35. 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

  36. 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

  37. 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。

  38. 胰岛素的一级结构及不同动物胰岛素在A链中的差异胰岛素的一级结构及不同动物胰岛素在A链中的差异

  39. 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。

  40. RNase的某些二级结构

  41. 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。

  42. 胰岛素的三级结构 溶菌酶分子的三级结构

  43. 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。

  44. 血红蛋白的四级结构

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