DNA的损伤、修复和基因突变

1、Review 1.DNA复制需要的物质？ 2.原核生物与真核生物复制的区别？ 3. DNA复制的特点？ DNA的3个主要功能 通过复制将遗传信息有亲代传递给子代。 通过转录使遗传信息在子代中得以表达。 通过变异在自然过程中获得新的遗传信息。 Chapter 6 DNA 的损伤、修复和基因突变 1 DNA 损伤的概念损伤的概念 2 DNA 的修复的修复 3 基因突变基因突变 本章主要内容本章主要内容 6.1 DNA损伤的概念损伤的概念 DNA损伤损伤 指在生物体生命过程中指在生物体生命过程中DNA双螺旋结构双螺旋结构 发生的任何改变。发生的任何改变。 单个单个碱基碱基的的改变改变 双螺旋结构双螺

2、旋结构的的异常扭曲异常扭曲 DNA damageDNA damage 自发损伤自发损伤 物理损伤物理损伤化学损伤化学损伤 生物因素损伤生物因素损伤 6.1.1 DNA分子的自发性损伤分子的自发性损伤 活活 性性 氧氧 引引 起起 的的 诱诱 变变 碱碱 基基 丢丢 失失 DNA 聚聚 合合 酶酶 的的 打打 滑滑 碱碱 基基 脱脱 氨氨 基基 作作 用用 碱碱 基基 之之 间间 的的 互互 变变 异异 构构 移移 位位 10-10 DNA结合蛋白结合蛋白 和其他因素和其他因素 碱基突变率碱基突变率DNA合成因素合成因素 10-510-6 10-110-2 有有DNA 聚合酶校正聚合酶校正 无无

3、DNA 聚合酶校正聚合酶校正 经过经过DNA聚合酶校正，单链结合蛋白等综合校对因素聚合酶校正，单链结合蛋白等综合校对因素 仍未被校正的仍未被校正的DNA的损伤，即为的损伤，即为DNA分子的分子的自发性损伤自发性损伤。 1.互变异构移位（互变异构移位（tautomeric shift） 碱基发生烯醇式-酮式结构互变时，氢原子位 置的可逆变化，是一种互变异构提变成另种异构 体，使碱基配对发生改变，这样在复制后的子链 上就可能出现错误。 H T N N O CH3 O Thymine H N Guanine G H N N N O N H H H A N H H N N N N Adenine H

4、cytosine O N H C N N H H A N H H N N N N Adenine H Rare imino form of adenine A H N N N N N H C N H N H N O H Rare imino form of cytosine cytosine O N H C N N H H N Guanine G H N N N O N H H H G N Rare enol form of guanine N H N N O N H H H Rare enol form of Thymine T N H3C H N O O H H T N N O CH3 O

5、 Thymine H G N Rare enol form of guanine N H N N O N H H H H T N N O CH3 O Thymine H 2.脱氨基作用脱氨基作用 是指C，A 和G分子结构中都含有环外氨基， 氨基有时会自发脱落，结果C变为U，A变为I，G 变为黄嘌呤（X），当DNA复制时，会在子链中 产生错误而导致损伤。 N Guanine G H N N N O N H H H A N H H N N N N Adenine H cytosine O N H C N N H H 常见的脱氨基诱变剂常见的脱氨基诱变剂 羟胺羟胺 亚硫酸盐：亚硫酸盐： 主要改变主要

6、改变DNA分子单链区的分子单链区的CU，也可以，也可以 使使A和和G脱去氨基。脱去氨基。 实验表明实验表明,用含用含NaHSO3 0.1%的饲料喂养的饲料喂养大白鼠大白鼠2 年，大白鼠发育受到抑制；用含年，大白鼠发育受到抑制；用含Na2SO3 0.1%的饲料的饲料 喂养大白鼠喂养大白鼠2年，年，大白鼠大白鼠出现神经炎出现神经炎,骨髓萎缩等病症骨髓萎缩等病症。 人一天摄入人一天摄入1g亚硫酸盐时不会明显危害，摄入亚硫酸盐时不会明显危害，摄入46g 可造成胃肠障碍，引起剧烈腹泻。慢性中毒，可引起头可造成胃肠障碍，引起剧烈腹泻。慢性中毒，可引起头 疼，肾脏障碍，红血球和血红蛋白减少等症状。疼，肾脏障

7、碍，红血球和血红蛋白减少等症状。 为使用多年之合法食品添加物，不仅是非常有效的酵为使用多年之合法食品添加物，不仅是非常有效的酵 素抑制剂、漂白剂、抗氧化剂、还原剂及防腐剂，且价格素抑制剂、漂白剂、抗氧化剂、还原剂及防腐剂，且价格 便宜。便宜。 亚硫酸盐广泛使用於脱水蔬菜、脱水水果、动物胶亚硫酸盐广泛使用於脱水蔬菜、脱水水果、动物胶 、糖蜜、糖飴、糖渍果实、虾类、贝类、水果酒、淀、糖蜜、糖飴、糖渍果实、虾类、贝类、水果酒、淀 粉等產品中。粉等產品中。 是指在DNA复制时，无论模板链或是新生 链都会发生碱基的环出（looping out）现象， 引起一个或数个碱基的插入或缺失。 这种错误易发生在模

8、板上有几个相同碱 基串联的部位。 3. DNA聚合酶聚合酶“打滑打滑” （slippage） 4. 活性氧引起的诱变活性氧引起的诱变 活性氧，活性氧，亦称氧自由基，亦称氧自由基，为氧分子电子数为氧分子电子数 大于大于O2的的O2。包括氧离子、过氧化物和自由基。包括氧离子、过氧化物和自由基 等有机物和无机物等有机物和无机物 。 7,8-二氢-8-氧代鸟嘌呤（8-oxoG，GO） GOC GOA GC AT 的颠换的颠换 H2O2 胸腺嘧啶乙二醇、胸苷乙二醇和羟甲基尿嘧啶 5. 碱基丢失碱基丢失 DNA分子在生理条件下可通过自发性水分子在生理条件下可通过自发性水 解，是嘌呤碱和嘧啶碱从磷酸脱氧核糖

9、骨架下解，是嘌呤碱和嘧啶碱从磷酸脱氧核糖骨架下 脱落下来。脱落下来。 一个哺乳动物细胞在一个哺乳动物细胞在37、20h 内通过内通过 自发水解可从自发水解可从DNA链上脱落约链上脱落约1000个嘌呤碱和个嘌呤碱和 500个嘧啶碱。个嘧啶碱。 6.1.2 物理因素引起的物理因素引起的DNA损伤损伤 1. 紫外线辐射紫外线辐射 具体的生成位置与频率与侧翼的碱基序列有一定关系。具体的生成位置与频率与侧翼的碱基序列有一定关系。 UV 环丁烷嘧啶二聚体环丁烷嘧啶二聚体 一条链上相邻一条链上相邻 的两个胸腺嘧啶的两个胸腺嘧啶 医院紫外消毒医院紫外消毒 紫外线的杀菌力与照射时间，距离，和强度有紫外线的杀菌力

10、与照射时间，距离，和强度有 关。一支关。一支30W的紫外灯挂在离地面的紫外灯挂在离地面2.5米高度，米高度， 照射时间照射时间30-60分钟，可消毒分钟，可消毒30-60立方米的空立方米的空 间。间。 杀死不同细菌所需要的照射量也不同：革兰氏杀死不同细菌所需要的照射量也不同：革兰氏 阴性无芽孢细菌最容易被杀死；葡萄球菌，链阴性无芽孢细菌最容易被杀死；葡萄球菌，链 球菌及芽孢等，则需要球菌及芽孢等，则需要5-10倍的照射量；真菌倍的照射量；真菌 孢子则需孢子则需50倍的照射量。倍的照射量。 3月月14日，日本东京电力公司福岛第一核电站日，日本东京电力公司福岛第一核电站3号机号机 组当地时间上午组

11、当地时间上午11点过后发生氢气爆炸。点过后发生氢气爆炸。NHK电视台画电视台画 面显示，现场冒出白烟。面显示，现场冒出白烟。 2.电离辐射电离辐射 直接效应直接效应 是指辐射对是指辐射对DNA分子直接积聚能量，分子直接积聚能量， 引起理化性质改变引起理化性质改变 间接效应间接效应 电离辐射对电离辐射对DNA存在的环境中其他存在的环境中其他 成分（主要是水）沉积能量，引起成分（主要是水）沉积能量，引起DNA 分子的变化分子的变化 是指引起一切物质电离的辐射总称， 其种类很多，高速带电粒子有粒子、 粒子、质子，不带电粒子有中子以及X射 线、射线 。 碱基损伤 单链断裂或者双链断裂 脱氧戊糖的破坏磷

12、酸二酯键的水解 电离辐射电离辐射 DNA-蛋白质的交联 DNA链间的交联 防护的三大原则间隔防护、距离防护、屏蔽防护防护的三大原则间隔防护、距离防护、屏蔽防护 肿瘤的放疗治疗肿瘤的放疗治疗 放射线如放射性同位素产生的、射 线和各类x射线治疗机或加速器产生的x射线、 电子线、质子束及其它粒子束等治疗恶性肿瘤 的一种方法 。放疗可以治疗原发位的癌症，也 可治疗转移性的癌症。在治疗部位，X光除了消 减癌细胞以外，也会影响正常细胞。就出现了 一系列的副反应。 主要有烷化剂，碱基类似物，亚硝酸盐，抗主要有烷化剂，碱基类似物，亚硝酸盐，抗 生素及类似物等。生素及类似物等。 常见的化学诱变剂常见的化学诱变剂

13、 化合物类别化合物类别作作 用用 点点分子改变分子改变 碱基类似物碱基类似物 如：如：5-BU A 5-BU G - A - - T - - G - - C - 羟胺类（羟胺类（NH2OH）T C - T - - A - - C - - G - 亚硝酸盐（亚硝酸盐（NO2）C U - G - - C - - A - - T - 烷化剂烷化剂 如：氮芥类，如：氮芥类，Nitromins G mG G mG DNA缺失缺失G 6.1.3化学因素引起的化学因素引起的DNA损伤损伤 烷基是一类仅含有碳、氢两种原子的链状有机官烷基是一类仅含有碳、氢两种原子的链状有机官 能团。它们是一系列同系物，其通式为

14、能团。它们是一系列同系物，其通式为CnH2n+1。常。常 见的有甲基见的有甲基CH3(对应于甲烷对应于甲烷)、乙基、乙基C2H5(对应于乙对应于乙 烷烷)、丙基、丙基C3H7(分为正丙基与异丙基分为正丙基与异丙基)等。等。 1.烷化剂对烷化剂对DNA的损伤的损伤 烷化剂是一类烷化剂是一类亲电子的化合物亲电子的化合物，极容易与生物，极容易与生物 体中的有机物大分子的亲和位点起反应。当烷化剂体中的有机物大分子的亲和位点起反应。当烷化剂 与与DNA作用时，能将作用时，能将烷基烷基转移到核酸的转移到核酸的碱基碱基上去上去。 烷化剂很容易将烷基加到烷化剂很容易将烷基加到DNA链中链中嘌呤或嘧啶的嘌呤或嘧

15、啶的N 或或O上，其中上，其中鸟嘌呤的鸟嘌呤的N7和和腺嘌呤的腺嘌呤的N3最容易受攻击，最容易受攻击， 烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化。例如鸟嘌呤烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化。例如鸟嘌呤N7被烷被烷 化后就不再与胞嘧啶配对，而改与胸腺嘧啶配对，结果会化后就不再与胞嘧啶配对，而改与胸腺嘧啶配对，结果会 使使GC转变成转变成AT 。 H T N N O CH3 O Thymine H N Guanine G H N N N O N H H H A N H H N N N N Adenine H cytosine O N H C N N H H 1 1 烷化剂的分类烷化剂的分类 单功能烷化剂单功能

16、烷化剂 如如:甲基甲烷碘酸甲基甲烷碘酸 双功能烷化剂双功能烷化剂 如：氮芥如：氮芥 主要用于主要用于恶性淋巴瘤恶性淋巴瘤及及癌性胸膜癌性胸膜、 心包及心包及腹腔积液腹腔积液。 2.2.碱基类似物对碱基类似物对DNADNA的损伤的损伤 是指是指一类结构与碱基相似一类结构与碱基相似的人工合成化合的人工合成化合 物，由于它们的结构与碱基相似，进入细胞后物，由于它们的结构与碱基相似，进入细胞后 能替代正常的碱基渗入到能替代正常的碱基渗入到DNA链中，链中，干扰干扰DNA 的正常合成的正常合成。 常见的碱基类似物有：常见的碱基类似物有： 5-溴尿嘧啶，溴尿嘧啶， 2-氨基嘌呤等氨基嘌呤等 5-溴尿嘧啶（

17、溴尿嘧啶（Bu）是胸腺嘧啶（）是胸腺嘧啶（T）的结构类似物）的结构类似物 。在含有。在含有Bu的培养基中培养大肠杆菌，得到少数突变的培养基中培养大肠杆菌，得到少数突变 体大肠杆菌，突变型大肠杆菌中的碱基数目不变，但（体大肠杆菌，突变型大肠杆菌中的碱基数目不变，但（ A+T）/（C+G)的碱基比例略小于原大肠杆菌，这表明的碱基比例略小于原大肠杆菌，这表明 Bu诱发突变的机制是诱发突变的机制是阻止碱基正常配对阻止碱基正常配对？还是？还是诱发诱发 DNA链发生碱基种类置换链发生碱基种类置换？为什么？为什么？ H 5-BuN N O Br O H 5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5bromouracil ）

18、一种是酮式，一种是烯醇式。酮式可与一种是酮式，一种是烯醇式。酮式可与A互补互补 配对，烯醇式可与配对，烯醇式可与G互补配对。互补配对。 H T N N O CH3 O H 6.2 DNA损伤修复损伤修复 主要修复主要修复单个碱基缺陷单个碱基缺陷的损伤。在一系列的损伤。在一系列 酶的作用下，将酶的作用下，将DNADNA分子中分子中受损伤的部位切除受损伤的部位切除， 以相应未损伤的另一条链作为模板，以相应未损伤的另一条链作为模板，合成新链合成新链 并填补切去的部分，之后再将其并填补切去的部分，之后再将其连接连接起来的过起来的过 程。程。 6. 2.1 切除修复切除修复 碱基切除修复碱基切除修复 核

19、苷酸片段切除修复核苷酸片段切除修复 DNA螺旋结构有较大损伤变性时，则以核苷酸片段螺旋结构有较大损伤变性时，则以核苷酸片段 切除修复。切除修复。 往往切除受损短片段。往往切除受损短片段。 切除酶切除酶（excisionase）切除损伤链片段。）切除损伤链片段。 UvrA，UvrB， UvrC 切割核苷酸 （uvrABC复合物） DNA聚合酶 I 催化聚合 延伸 DNA连接酶结合缺口 uvrA uvrB uvrA UvrC 大肠杆菌中核苷 酸片段切除修复 切除1213个 核苷酸片段 真核生物与原核生物的核酸片段切除修复真核生物与原核生物的核酸片段切除修复 Title1Title2Title3Ti

20、tle4 A B C D E F E 6.2.2 错配修复错配修复 (mismatch repair) 6.2.3 6.2.3 直接修复直接修复(direct repair)(direct repair) 光修复酶光修复酶 (photolyase) 光复活作用光复活作用 O6-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（甲基转移酶（MGMT）直接修复）直接修复 N H N N N O N H H H CH3 O6-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤 MGMT 将甲基转移到酶将甲基转移到酶 自身的半胱氨酸残自身的半胱氨酸残 基上，从而得以修基上，从而得以修 复。复。 MGMT存在于存在于酵酵 母和人类细胞母和人类

21、细胞中。中。 G C配对配对AT配对配对 单链断裂修复单链断裂修复 DNA单链断裂单链断裂是损伤的一种常见形式。是损伤的一种常见形式。 仅需要仅需要DNA连接酶连接酶参与，催化参与，催化DNA双螺旋结构中双螺旋结构中 双链之一的缺口处的双链之一的缺口处的5磷酸与相邻的磷酸与相邻的3羟基形成羟基形成 磷酸二酯键。磷酸二酯键。 6.2.4 重组修复（重组修复（recombination repair） 重组修复重组修复: 机体细胞对在机体细胞对在 复制时尚未修复复制时尚未修复 的的DNA损伤部位损伤部位 可以先复制再修可以先复制再修 复。复。 损伤类型：损伤类型： 含有嘧啶二聚体，含有嘧啶二聚体，

22、 烷化剂引起的交烷化剂引起的交 联和其他结构损联和其他结构损 伤的伤的DNA等。等。 复制前修复复制前修复: 切除修复一般切除修复一般 发生在下一轮发生在下一轮 DNA复制之前进复制之前进 行修复。行修复。 6.2.5 易错修复和易错修复和SOS反应反应 应急反应（应急反应（SOS response） SOS包括：包括：DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂损伤修复、诱变效应、细胞分裂 的抑制以及溶源性细菌释放噬菌体等，细胞癌变也与的抑制以及溶源性细菌释放噬菌体等，细胞癌变也与 SOS有关。有关。 许多能造成许多能造成DNA损伤损伤或或抑制抑制DNA 复制复制的过程能够的过程能够 引起一系列复杂的

23、引起一系列复杂的诱导效应诱导效应，这种效应称为应急反应。，这种效应称为应急反应。 SOS SOS反应是细胞反应是细胞DNADNA受到损伤或复制系统受到抑制受到损伤或复制系统受到抑制 的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施。的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施。 Weigle 效应效应 20 20世纪世纪5050年代，年代， WeigleWeigle发现经紫外光处照射过的发现经紫外光处照射过的 噬菌体，感染细菌后，噬菌体的存活率降低。然而这些噬噬菌体，感染细菌后，噬菌体的存活率降低。然而这些噬 菌体感染实现经过低剂量紫外线照射过的大肠杆菌，则存菌体感染实现经过低剂量紫外线照射过

24、的大肠杆菌，则存 活的噬菌体数大为增加，且存活的噬菌体中出现较多的突活的噬菌体数大为增加，且存活的噬菌体中出现较多的突 变型。这现象称变型。这现象称紫外线活化紫外线活化（UV reactivationUV reactivation），或称前），或称前 照射效应或照射效应或WeigleWeigle效应效应等。等。 SOS反应诱导的修复系统反应诱导的修复系统 避免差错的修复避免差错的修复 易产生差错的修复易产生差错的修复 错配修复错配修复直接修复直接修复 切除修复切除修复 重组修复重组修复 缺乏校对功能的缺乏校对功能的DNA 聚合酶聚合酶(,)，使之在，使之在DNA 链的损伤部位及时出现不配链的损

25、伤部位及时出现不配 对碱基，复制也能继续进行，对碱基，复制也能继续进行， 以保证细胞的存活。以保证细胞的存活。 DNA的修复的修复 导致变异导致变异 LexA lex A LexALexA Target gene rec A 未诱导的细胞未诱导的细胞 诱导的细胞诱导的细胞 lex A LexA LexA Target gene rec A signal LexA 6.3 基因突变基因突变 变异是DNA的核苷酸序列改变的结果，变异主要 包括DNA的损伤和错位得不到修复而引起的突变，以 及由于不同DNA分子之间的交换而引起的遗传重组。 基因突变（mutation）是在基因内的遗传物质发生可遗 传的

26、结构和数量的变化，通常产生一定的表型。 广义的突变包括染色体畸变和基因突变。 基因突变的概念基因突变的概念 遗传重组可导致可遗传的变异。 因此染色体畸变，基因突变，遗传重组是可遗传变异的基础。 6.3.1 基因突变的类型基因突变的类型 .碱基替换碱基替换 .插入突变插入突变 .缺失突变缺失突变 移码突变移码突变 1.按基因突变按基因突变 的形式分类的形式分类 6.3.1 基因突变的类型基因突变的类型-1 .碱基替换碱基替换 转换（转换（transition） 颠换（颠换（transversion） AT CG AT CG DNA错配碱基在复制后被固定下来，由原来的一错配碱基在复制后被固定下来，

27、由原来的一 个碱基对被另一个碱基对所取代，又称为点突变。个碱基对被另一个碱基对所取代，又称为点突变。 镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基亚基 N-val his leu thr pro val glu C 肽链肽链 CAC GTG 基因基因 点突变点突变 N-val his leu thr pro glu glu C 肽链肽链 CTC GAG 基因基因 正常成人正常成人Hb (HbA)亚基亚基 .插入突变插入突变 拷贝或复制移动拷贝或复制移动非拷贝移换非拷贝移换 基因的序列中插入了一个碱基或一段外来基因的序列中插入了一个碱基或一段外来DNA 导致的突变。导致的突变。 .

28、缺失突变缺失突变 指一个或多个碱基从一段指一个或多个碱基从一段DNA序列中被删除，序列中被删除， 或较长核苷酸序列丢失引起的突变，这种突变难或较长核苷酸序列丢失引起的突变，这种突变难 以被回复。以被回复。 frame-shift mutation 插入突变或者缺失突变都有可能造成插入突变或者缺失突变都有可能造成移码突变移码突变 Tyr Ser Pro Thr Glu Asn Ala Normal 5-UAC-AGU-CCU-ACA-GAA-AAC-GCU-3 1 base inserted 5-UAC-AGA-UCC-UAC-AGA-AAA-CGC-U-3 Arg Ser Tyr Arg Lys ArgTyr 3 base inserted 5-UAC-AGA-AAU-CCU-ACA-GAA-AAC-GCU-3 Tyr Arg Asp Pro Thr Glu Asn Ala 1 base deleted 5-UAC-GUC-CUA-CAG-AAA-ACG-CU-3 Tyr Val Leu Gln Lys Thr 3 base deleted 5-UAC-ACU-ACA-GAA-AAC-GCU-3 Tyr Thr