分子生物学SectionF

1、SECTION FDNA damage, repair,and recombinationMolecular BiologyCourseF1 Mutagenesis (诱变）诱变）Mutation: replication fidelity, mutagens, mutagenesisF2 DNA damageDNA lesions:oxidative damage, alkylation, bulky adductsF3 DNA repairPhotoreaction, alkyltransferase, excision repair,mismatch repairF4 Recombina

2、tionHomologous recombination, site-specificrecombination, transpositionF1 Mutagenesis (诱变）诱变）1.Mutation（突变）（突变）2.Replication fidelity3.Mutagens（诱变剂）（诱变剂）: chemical & physical4.Mutagenesis: direct & indirectDNA damage, repair,and recombinationDNA damage, repair,and recombinationPermanent, heritable a

3、lterationsin the base sequence of DNAReasons1. Spontaneous errors in DNA replication or meiotic recombination2. A consequence of the damaging effects of physical or chemical mutagens on DNAF1-1 Mutation（突变）（突变）Transition（转换）（转换） : 嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶 AG T CTransversion（颠换）（颠换）: 嘌呤与嘧啶互换嘌呤与嘧啶互换 A T

4、 or C T A or G G T or C C A or GPoint mutation(点突变）点突变） (a single base change)Noncoding DNANonregulatory DNA3rd position of a codonEffects of a point mutationSilent mutation（沉默突变）（沉默突变）PhenotypiceffectsNoMissense mutation（错义突变）（错义突变）Coding DNA altered AAYes or NoCoding DNA stop codon runcated protei

5、nNonsense mutation（无义突变）（无义突变）YesInsertions or deletions一个或多个碱基的增加或缺失一个或多个碱基的增加或缺失Frameshift mutations（移码突变）（移码突变）结果是所翻译出的蛋白质序列从突变点起至结果是所翻译出的蛋白质序列从突变点起至C C末端都完全被改变末端都完全被改变DNA damage, repair,and recombinationF1-2 Replication fidelityImportant for preserve the genetic information from one generation t

6、o the nextMutation relevant1. Spontaneous errors in DNA replication is very rare, one error per 1010 base in E. coli.F1 Mutagenesis (诱变）诱变）1. DNA polymerase: Watson-Crick base pairing2. 3- 5proofreading exonuclease.3. RNA priming: proofreading the 5end of thelagging strand4. Mismatch repair（错配修复）（错配

7、修复） (F3)Molecular mechanisms for thereplication fidelityF1-3&4: Mutagens（诱变剂）（诱变剂）Mutation relevant Cause DNA damage that can be converted to mutations.DNA damage, repair,and recombinationPhysical mutagens（物理诱变剂）（物理诱变剂） High-energy ionizing radiation: X-rays Nonionizing radiation : UV lightF1-3&4: M

8、utagens（诱变剂）（诱变剂）其实其实X射线在我们的日常生活中是无处不在的。射线在我们的日常生活中是无处不在的。电视、电脑、手机、电视、电脑、手机、微波炉微波炉，就连大自然赐予人类的，就连大自然赐予人类的太阳光太阳光和和月亮光月亮光线也存在着线也存在着X射线。射线。而日常生活中有些物体的而日常生活中有些物体的X射线危害也是不能忽视的，例如不要让小射线危害也是不能忽视的，例如不要让小孩子太接近家中正在工作中的孩子太接近家中正在工作中的微波炉微波炉；选用建筑材料时要仔细挑选，；选用建筑材料时要仔细挑选，像辐射较大的像辐射较大的花岗石花岗石就要慎用；平时也不要就要慎用；平时也不要长时间看电视长时

9、间看电视或使用或使用电脑电脑，如果是工作所需，尽可能做到工作一、两个小时就让自己休息十分钟。如果是工作所需，尽可能做到工作一、两个小时就让自己休息十分钟。另外另外,尽量不要连续在短期内做尽量不要连续在短期内做多次多次X射线检查射线检查,如果做了如果做了,就要注意就要注意吃吃些维生素些维生素补充一下补充一下,例如猕猴桃例如猕猴桃,海带海带,红薯等红薯等.Chemical mutagens（化学诱变剂）（化学诱变剂） Base analogs（碱基类似物）（碱基类似物） Nitrous acid（亚硝酸）（亚硝酸） Alkylating agents（烷化剂）（烷化剂） F1-3&4: Mutag

10、ens（诱变剂）（诱变剂）F1-3&4: Mutagenesis（诱变）（诱变）The molecular processin which the mutation is generated.Direct mutagenesis(直接诱变）直接诱变）Indirect mutagenesis（间接诱变）（间接诱变）DNA damage, repair,and recombination起因于起因于DNA中存在稳定的、具改变了的配中存在稳定的、具改变了的配对特性的未修复的碱基。对特性的未修复的碱基。Direct mutagenesisDNA damage, repair,and recombina

11、tionDNA的复制使得这的复制使得这种损伤固定下来成种损伤固定下来成为为永久的永久的，可遗传可遗传的的。5溴尿嘧啶溴尿嘧啶-T类似物类似物烯醇式烯醇式酮基异构体酮基异构体间接诱变间接诱变 损伤发生在移动的复制叉之前损伤发生在移动的复制叉之前,不可能修复不可能修复. | 子链产生致命的缺口子链产生致命的缺口 | 转移损伤转移损伤DNA合成合成-随便插入碱基随便插入碱基,容忍错误容忍错误间接诱变：损伤间接诱变：损伤DNA聚合酶只是为了保证染色体的完聚合酶只是为了保证染色体的完整性在损伤对应的位点插入错误的碱基。整性在损伤对应的位点插入错误的碱基。F1 Mutagenesis (诱变）诱变）1.M

12、utation（突变）（突变）2.Replication fidelity3.Mutagens（诱变剂）（诱变剂）: chemical & physical4.Mutagenesis: direct & indirectDNA damage, repair,and recombination诱变剂诱变剂自发自发-碱基化学碱基化学失活失活小的温和小的温和的改变的改变完全修复完全修复错配错配修复修复复制叉之前复制叉之前 突变突变间接诱间接诱变变直接诱变直接诱变F2 DNA损伤损伤致死致死F3 修复修复F2 DNA damageDNA 损伤损伤氧化性损伤氧化性损伤烷基化烷基化聚化加合物聚化加合物DN

13、A damage, repair &recombinationF2-1 DNA lessionsAn alteration to the normal chemical orphysical structure of the DNAF2 DNA damage外源物质：化学试剂外源物质：化学试剂 射线射线 致突变和致死致突变和致死自发性自发性 1. Deamination (转氨作用）转氨作用）:CU 2. Depurination (脱瞟呤作用脱瞟呤作用) : 3. Depyrimidine (脱嘧啶作用脱嘧啶作用)F2 DNA damageF2-2 Oxidative damage氧化性损伤

14、氧化性损伤定义：定义：在所有需氧细胞中由于超氧化物、在所有需氧细胞中由于超氧化物、氢过氧化物及最重要的羟基自由基等活氢过氧化物及最重要的羟基自由基等活性氧的存在，会在正常条件下攻击性氧的存在，会在正常条件下攻击DNA，产生一系列特性变化了的氧化产物。产生一系列特性变化了的氧化产物。F2 DNA damageF2-3 Alkylation烷基化烷基化烷化剂可以将烷基加入到核酸上的各种位点。烷化剂可以将烷基加入到核酸上的各种位点。这些损伤中的部分会在这些损伤中的部分会在DNA复制及转录复制及转录时时干扰干扰DNA解旋解旋F2 DNA damageF2-4 Bulky adducts聚化加合物聚化加

15、合物 嘧啶二聚体嘧啶二聚体These lesions disrupt the normal function of the DNA-不能正常配对不能正常配对F2 DNA damageDNA lesions that distort the double helix andcause localized denaturation,煤焦油中致癌物煤焦油中致癌物; 黄曲霉毒素黄曲霉毒素B1F3 DNA repairPhotoreactivation (光复活作用光复活作用)Alkyltransferase (烷基转移酶烷基转移酶)Exision repair (切割修复切割修复)Mismatch r

16、epair (错配修复错配修复)DNA damage, repair,and recombinationPhotoreactivation (光复活光复活)在可见光存在的情况下，在可见光存在的情况下，DNA光解酶（光光解酶（光复活酶）复活酶）可将环丁烷嘧啶二聚体分解为可将环丁烷嘧啶二聚体分解为单体。单体。Direct reversal of a lesion and is error-freeF3 DNA repairAlkyltransferase (烷基转移酶烷基转移酶)The alkyl group is transferred to the proteinitself and inac

17、tivate it.F3 DNA repair烷基转移酶烷基转移酶能直接从突变的能直接从突变的O6 烷基烷基鸟嘌呤上去除烷基。鸟嘌呤上去除烷基。-致死性保护致死性保护Exision repair (切除修复切除修复)核苷酸切除修复（核苷酸切除修复（NER)碱基切除修复（碱基切除修复（BER)F3 DNA repair核苷酸切除修复（核苷酸切除修复（NER)内切核酸酶内切核酸酶在损伤部位两边在损伤部位两边各切除精确数目的碱基各切除精确数目的碱基 UvrABC内切核酸酶内切核酸酶 -嘧啶二聚体嘧啶二聚体损伤部位切除，留下缺口损伤部位切除，留下缺口DNA聚合酶聚合酶DNA连接酶连接酶大损伤大损伤F3

18、 DNA repair Exision repair (切除修复切除修复)碱基切除修复（碱基切除修复（BER)DNA糖基化酶糖基化酶识别修饰碱基，识别修饰碱基，切除糖苷键，留下脱嘌呤或切除糖苷键，留下脱嘌呤或脱嘧啶（脱嘧啶（AP)/自发碱基丢失自发碱基丢失AP内切核酸酶内切核酸酶在该位点切开，在该位点切开，其外切核酸酶活性继续切除其外切核酸酶活性继续切除一个缺口一个缺口DNA聚合酶，聚合酶，DNA连接酶连接酶B*AP修饰碱基修饰碱基F3 DNA repairF3 DNA repair Exision repair (切除修复切除修复)Mismatch repair (错配修复错配修复)错配修复

19、错配修复是切除修复的一种特定形式，用是切除修复的一种特定形式，用于修复在复制中错配并漏过校正检验的于修复在复制中错配并漏过校正检验的任何碱基。任何碱基。F3 DNA repairMutS和和MutL蛋白复合体识别错配碱基蛋白复合体识别错配碱基MutH内切核酸酶与之结合，在子代链特内切核酸酶与之结合，在子代链特异性的产生缺刻异性的产生缺刻DNA聚合酶，聚合酶，DNA连接酶连接酶半甲基化：亲本链甲基化，子代链未被甲半甲基化：亲本链甲基化，子代链未被甲基化（基化（正常正常GACT中中A甲基化）甲基化）F3 DNA repair Mismatch repair (错配修复错配修复)错配修复机制错配修复

20、机制F4 Recombination（重组）（重组）1.Homologous recombination2.Site-specific recombination3.Transposition（转座）（转座）DNA damage, repair,and recombination1.Homologous recombination同源重组同源重组也称也称一般重组一般重组，涉及两个，涉及两个DNA分子间同分子间同源区域的交换。源区域的交换。双倍体双倍体真核生物真核生物：减数分裂过程：减数分裂过程单倍体单倍体原核生物原核生物： Holliday 模型模型DNA damage, repair,and

21、 recombination双倍体双倍体真核生物真核生物同源重组同源重组1. Homologous chromosomes line up in meiosis (when)2. The nonsister chromatids exchange equivalent sections (what)DNA damage, repair,and recombination单倍体单倍体原核生物原核生物同源重组同源重组(E.coli)(where)1. 发生在部分已复制发生在部分已复制DNA之间之间2. 发生在染色体发生在染色体DNA与获取的外源与获取的外源DNA之间之间Between the tw

22、o homologous DNA duplexHolliday model (How)DNA damage, repair,and recombinationrecA-dependent 细菌同源重组细菌同源重组同源同源DNA序列序列1.核酸酶和核酸酶和RecBCD蛋蛋白复合体在特定序列白复合体在特定序列chi产生产生缺口缺口2.含有含有5端切口的单链端切口的单链DNA被被RecA蛋白蛋白包裹包裹形成形成RecAssDNA细细丝丝33553.细丝交换，寻找相对的细丝交换，寻找相对的DNA双螺旋上的相应区域（双螺旋上的相应区域（侵入侵入）4.切口被封好，形成四分支切口被封好，形成四分支的的Hol

23、liday结构结构5.分支迁移分支迁移DNA damage, repair,and recombination6.解决解决Holliday拆分拆分fggABbaABabfABabAbaB复制后修复机制复制后修复机制a. Replication encounter aDNA lesionb. Skip the lesion & reinitiateon the side of the lesionc. Fill the daughter strandgap by replacing it withthe correspondingsection from theparental sister s

24、trandd. post-replication repairof the left lesion同源重组可使未修复损伤的同源重组可使未修复损伤的DNA恢复原来的完整性恢复原来的完整性2.Site-specific recombination位点专一性重组位点专一性重组1. 非同源非同源DNA的特异片段之间的交换的特异片段之间的交换 (what)2. 由能识别特异由能识别特异DNA序列的蛋白质介导序列的蛋白质介导 (how)DNA damage, repair,and recombination噬菌体插入噬菌体插入1. 两者两者DNA上的连接位点处有上的连接位点处有15bp的序列相同的序列相同

25、2. 整合酶整合酶 (Int): 形成形成7个个bp突出端的交错切口。突出端的交错切口。3. Int and 整合宿主因子整合宿主因子IHF (细菌编码细菌编码): recombination and insertion附附：l-encoded 切除酶切除酶 (XIS): excision of the phage DNADNA damage, repair,and recombinationCGGCACTTGACATAGGCCGTGAACTGTATC3.Transposition ( 转座作用）转座作用）转座子转座子：是一些较短的：是一些较短的DNA序列，可以序列，可以转移进细胞基因组的几乎

26、任何位置。转移进细胞基因组的几乎任何位置。转座作用：转座作用：又被称为异常重组又被称为异常重组.1. 被转座子插入的基因一般会被转座子插入的基因一般会失活失活2. 转座子诱变是转座子诱变是产生突变产生突变的一个有效方法的一个有效方法DNA damage, repair,and recombination影响：影响： IS （插入序列（插入序列, insertion sequences） 长长12个个kb；末端反向重复序列；末端反向重复序列(20bp)；转座酶基因；转座酶基因 复合转座子复合转座子, composite transposons 两端两端IS组件组件; 2-10kb; 抗生素基因（抗生素基因（内酰氨酶）内酰氨酶） TnA家族家族 （Tn3 type transposons, TnA family） 两端无两端无IS组件组件; 525kb;