《的损伤修复》ppt课件

1、第十三章第十三章 DNA的损伤修复的损伤修复v第一节第一节 DNA损伤损伤v第二节第二节 DNA修复修复v第三节第三节 基因突变基因突变第一节第一节 DNA的损伤的损伤v DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维护护DNA分子的完好性对细胞至关重要。分子的完好性对细胞至关重要。v在细胞中能进展修复的生物大分子也就只需在细胞中能进展修复的生物大分子也就只需DNA。v在生物进化中突变又是与遗传相对立一致而普遍存在的景在生物进化中突变又是与遗传相对立一致而普遍存在的景象。象。1.自发性损伤自发性损伤1.1 DNA复制中的错误复制中的错误碱基配对的

2、错误频率约为碱基配对的错误频率约为10-4-10-5；DNA聚合酶本身具有校正作用：将不正确插聚合酶本身具有校正作用：将不正确插入的核苷酸切除掉，重新加上正确的核苷入的核苷酸切除掉，重新加上正确的核苷酸。这样，每掺入一个核苷酸，发生错误酸。这样，每掺入一个核苷酸，发生错误的时机有的时机有10-8-10-10。 1.2 碱基的自发性化学变化a. 碱基的异构互变DNA中的4种碱基各自的异构体间自发地相互变化(例如烯醇式与酮式碱基间的互变)，使碱基配对间的氢键改动。异构体间自发地相互变化构成导致下一世代中异构体间自发地相互变化构成导致下一世代中GC配对取代配对取代AT配对。配对。腺嘌呤的稀有互变异体

3、与胞嘧啶腺嘌呤的稀有互变异体与胞嘧啶胸腺嘧啶的稀有互变异构体与鸟嘌呤胸腺嘧啶的稀有互变异构体与鸟嘌呤b.碱基的脱氨基碱基的脱氨基(deamination)作用作用 碱基的环外氨基有时会自发零落，从而胞嘧啶碱基的环外氨基有时会自发零落，从而胞嘧啶会变成尿嘧啶、腺嘌呤会变成次黄嘌呤会变成尿嘧啶、腺嘌呤会变成次黄嘌呤(H)、鸟嘌呤会变成黄嘌呤鸟嘌呤会变成黄嘌呤(X)等。等。胞嘧啶自发脱氨基的频率约为每个细胞每天胞嘧啶自发脱氨基的频率约为每个细胞每天190个。个。 c.脱嘌呤depurination与脱嘧啶自发的水解可使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上零落下来。一个哺乳类细胞37，20h内DNA链

4、自发零落的嘌呤约1000个、嘧啶约500个，长寿命不复制繁衍的哺乳类细胞(如神经细胞)在整个生活期间自发脱嘌呤数约为108，约占细胞DNA中总嘌呤数的3%。 d.碱基修饰与链断裂细胞呼吸的副产物O2、H2O2等会呵斥DNA损伤，能产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，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5万次。DNA的甲基化、构造的其他变化等，这些损伤的积累可以导致老化。2. 物理要素引起的物理要素引起的DNA损伤损伤 2.1 紫外线引起的紫外线引起的DNA损伤损伤紫外线照射，同一条紫外线照射，同一条DNA链上相邻的嘧链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体，

5、相邻的两个啶以共价键连成二聚体，相邻的两个T、或两个或两个C、或、或C与与T间都可以环丁基环间都可以环丁基环(cyclobutane ring)连成二聚体。连成二聚体。 图图 胸腺嘧啶二聚体的构成胸腺嘧啶二聚体的构成v人皮肤因受紫外线照射而构成二聚体的频率可达每小时人皮肤因受紫外线照射而构成二聚体的频率可达每小时5104/细胞，只局限在皮肤中。细胞，只局限在皮肤中。v微生物受紫外线照射后，会影响其生存。微生物受紫外线照射后，会影响其生存。v紫外线照射还能引起紫外线照射还能引起DNA链断裂等损伤。链断裂等损伤。 2.2 电离辐射引起的DNA损伤直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损伤，间接效应是

6、指DNA周围其他分子(主要是水分子)吸收射线能量产生具有很高反响活性的自在基进而损伤DNA。电离辐射可导致DNA分子的多种变化： a.碱基变化主要是由OH-自在基引起，包括DNA链上的碱基氧化修饰、过氧化物的构成、碱基环的破坏和零落等。普通嘧啶比嘌呤更敏感。 b.脱氧核糖变化脱氧核糖变化脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与OH-反响，导致反响，导致脱氧核糖分解，引起脱氧核糖分解，引起DNA链断裂。链断裂。 c.DNA链断裂链断裂射线的直接和间接作用都可以使脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断射线的直接和间接作用都可以使脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开。开。单链断裂

7、单链断裂(single strand broken)，双链断裂双链断裂(double strand broken)。单链断裂发生频率为双链断裂的单链断裂发生频率为双链断裂的10-20倍，但比较容易修复；倍，但比较容易修复；对单倍体细胞来说对单倍体细胞来说(如细菌如细菌)一次双链断裂就是致死事件。一次双链断裂就是致死事件。 d.交联交联DNA链交联：同一条链交联：同一条DNA链上或两条链上或两条DNA链链上的碱基间可以共价键结合，上的碱基间可以共价键结合，DNA-蛋白质交联：组蛋白、染色质中的非组蛋白质交联：组蛋白、染色质中的非组蛋白、调控蛋白、与复制和转录有关的酶蛋白、调控蛋白、与复制和转录有

8、关的酶都会与都会与DNA共价键衔接。共价键衔接。3.化学要素引起的化学要素引起的DNA损伤损伤突变剂或致癌剂对突变剂或致癌剂对DNA的作用。的作用。3.1 烷化剂对烷化剂对DNA的损伤的损伤是一类亲电子的化合物，很容易与生物体中是一类亲电子的化合物，很容易与生物体中大分子的亲核位点起反响。大分子的亲核位点起反响。烷化剂的作用可使烷化剂的作用可使DNA发生各种类型的损伤：发生各种类型的损伤：a.碱基烷基化碱基烷基化 烷化剂如甲基黄酸乙脂烷化剂如甲基黄酸乙脂EMS,氮芥氮芥(NM),甲基黄酸甲脂甲基黄酸甲脂MMS,亚硝基胍亚硝基胍NG等，它们的作用是使碱基烷基等，它们的作用是使碱基烷基化，将烷基加

9、到化，将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的链中嘌呤或嘧啶的N或或O上；上；EMS使使G的第的第6位烷化，使位烷化，使T的第的第4位上烷化，结果产生的位上烷化，结果产生的O-6-E-G和和 O-4-E-T分别和分别和T、G配对，导致配对，导致G C对转换成对转换成A T对；对；T A对转换成对转换成C G b.碱基零落碱基零落 烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易零落构成烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易零落构成DNA上无碱基的上无碱基的位点，复制时可以插入任何核苷酸，呵斥序列的改动。位点，复制时可以插入任何核苷酸，呵斥序列的改动。c.断链断链 DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷化，构成不稳定的磷链的磷酸二

10、酯键上的氧也容易被烷化，构成不稳定的磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断裂。链断裂。 d.交联交联 烷化剂有两类烷化剂有两类:单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能使单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；一个位点烷基化；双功能基烷化剂，化学武器如氮芥、硫芥等，双功能基烷化剂，化学武器如氮芥、硫芥等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、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处等均属此类，其两个功能基可同时使两处烷基化，结果就能呵斥烷

11、基化，结果就能呵斥DNA链内、链内、DNA链链间，以及间，以及DNA与蛋白质间的交联。与蛋白质间的交联。 图图3氮芥引起氮芥引起DNA分子两条链在鸟嘌呤上的交联分子两条链在鸟嘌呤上的交联 (a)交联附近的总图；交联附近的总图；(b)交联部分构造图交联部分构造图3.2 碱基类似物对碱基类似物对DNA的损伤的损伤人工合成的一些碱基类似物，用作促突变剂或抗癌药物，如人工合成的一些碱基类似物，用作促突变剂或抗癌药物，如5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)、5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶(5-FU)、2-氨基腺嘌呤氨基腺嘌呤(2-AP)等。等。其构造与正常的碱基类似，进入细胞能替代正常的碱基参入其构造与正常的碱基类似

12、，进入细胞能替代正常的碱基参入到到DNA链中而干扰链中而干扰DNA复制合成。复制合成。其它诱发突变的化学物质或致癌剂：其它诱发突变的化学物质或致癌剂：例如亚硝酸盐能使例如亚硝酸盐能使C脱氨变成脱氨变成U，经过复制就可使，经过复制就可使DNA上的上的G-C变成变成A-T；羟胺能使羟胺能使T变成变成C，结果是，结果是A-T改成改成C-G；黄曲霉素黄曲霉素B也能专注攻击也能专注攻击DNA上的碱基导致序列的上的碱基导致序列的变化。变化。第二节第二节 DNA修复修复vDNA修复修复(DNA repairing)是细胞对是细胞对DNA受损伤后的一种反受损伤后的一种反响，这种反响可以使响，这种反响可以使DN

13、A构造恢复原样，重新能执行它原构造恢复原样，重新能执行它原来的功能；来的功能；v有时并非能完全消除有时并非能完全消除DNA的损伤，只是使细胞可以耐受这的损伤，只是使细胞可以耐受这种种DNA的损伤而能继续生存。的损伤而能继续生存。v修复系统：修复系统：v切除修复切除修复v回复修复回复修复 v错配修复错配修复vSOS修复修复 v重组修复重组修复v限制修饰系统限制修饰系统-对付外源对付外源DNA的入侵的入侵 1 切除修复切除修复(excision repair) 对多种对多种DNA损伤包括碱基零落构成的无碱基位点、嘧啶二聚损伤包括碱基零落构成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链断裂、交联等都能

14、起修复作用。体、碱基烷基化、单链断裂、交联等都能起修复作用。这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中，也是人体细胞主要这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中，也是人体细胞主要的的DNA修复机制。修复机制。需求多种酶作用，复制前进展需求多种酶作用，复制前进展 。1.1 核苷酸切除修复核苷酸切除修复1.1.1 大肠杆菌核苷酸切除修复有关的酶大肠杆菌核苷酸切除修复有关的酶 1 UvrABC内切酶或切除酶：内切酶或切除酶：需求需求ATP的结合但不需求的结合但不需求ATP水解；水解；是是uvrA，uvrB和和uvrC三个基因表达产物的复合物；三个基因表达产物的复合物；在损伤位置两侧各作一缺口在损伤位置两侧各作

15、一缺口UvrB在在3端，端，UvrC在在5端。端。2解链酶解链酶UvrD编码：编码： 去除去除UvrABC内切酶产生的寡核苷酸；内切酶产生的寡核苷酸；3DNA聚合酶聚合酶(DNA pol)4DNA衔接酶衔接酶(DNA Ligase) 人类核苷酸切除修复有关的基因人类核苷酸切除修复有关的基因:XPA，XPB，XPC，XPD，XPF，XPG缺陷缺陷 引起人类着色性干皮病。引起人类着色性干皮病。 临床表现临床表现 ：严重光敏感，皮癌，视力缺陷，神经错乱。：严重光敏感，皮癌，视力缺陷，神经错乱。切口切口切口切口1.1.2 核苷酸切除修复过程核苷酸切除修复过程 Deform ation of DNA U

16、vaA UvaB UvrA recognizes dam age & binds with UvrB UvaC UvaB UvrA released; UvrC binds UvaC UvaB UvrC nicks DNA on both sides of dam age Uva D UvrD unwinds region Fig. 21- The Uvr sistem operates in stages in which UvrA B recognizes dam age, UvrBC nicks the DNA , and UvrD unwinds the m arked reg

17、ion. Uvr系统在修复各阶系统在修复各阶段中的作用：段中的作用：UvrA识别损伤；识别损伤； UvrBC在在DNA上切上切一缺口；一缺口； UvrD解旋切口区域解旋切口区域的的DNA,并释放出并释放出切割的切割的DNA片段。片段。1.2 碱基切除修复碱基切除修复 1.2.1 碱基切除修复有关的酶碱基切除修复有关的酶 1) DNA糖基化酶糖基化酶DNA glycosylase): 识别识别DNA中损伤的或错误的碱基；水解中损伤的或错误的碱基；水解N-糖苷键去除碱基。糖苷键去除碱基。 2) AP内切酶内切酶Endonucleases ：有有35外切酶活性，切除外切酶活性，切除AP位点位点5端的

18、数个核苷酸。端的数个核苷酸。 DNA糖基化酶去除碱基后，产生一个糖基化酶去除碱基后，产生一个AP位点。位点。 AP内切酶识内切酶识别此位点并在别此位点并在AP位点的位点的5端产生一个切口。端产生一个切口。3) 脱氧核糖磷酸二酯酶脱氧核糖磷酸二酯酶dRpase：切除切除AP位点的脱氧核糖磷酸，产生一个核苷酸的缺口。位点的脱氧核糖磷酸，产生一个核苷酸的缺口。 4) DNA聚合酶：聚合酶：在缺口处进展修复，参与一个核苷酸。在在缺口处进展修复，参与一个核苷酸。在AP位点位点5端进展端进展广泛的修复合成。广泛的修复合成。5) DNA衔接酶：衔接最后一个切口。衔接酶：衔接最后一个切口。OHP5 3 5 3

19、 5 3 3 3 5 5 烷化碱基烷化碱基DNA糖苷酶糖苷酶切除的游离碱基切除的游离碱基OHP5 3 OHP-5 3 5 AP内切酶内切酶dRpase无嘌呤嘧啶位点无嘌呤嘧啶位点切除的切除的 5 -脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸AP内切酶的内切酶的3 -5外切酶活性外切酶活性 寡核苷酸切除产物寡核苷酸切除产物碱基切除修复过程3 P 根本步骤：根本步骤： 首先由核酸酶识别首先由核酸酶识别DNA的损伤位点，在损伤部位的的损伤位点，在损伤部位的5侧切侧切开磷酸二酯键。开磷酸二酯键。 由由53核酸外切酶将有损伤的核酸外切酶将有损伤的DNA片段切除。片段切除。 在在DNA聚合酶的催化下，以完好的互补链为模板，

20、按聚合酶的催化下，以完好的互补链为模板，按53方向方向DNA链，填补已切除的空隙。链，填补已切除的空隙。 由由DNA衔接酶将新合成的衔接酶将新合成的DNA片段与原来的片段与原来的DNA断链衔断链衔接起来。接起来。最终使最终使DNA恢复原来的构造。恢复原来的构造。 DNA损伤后切除修复损伤后切除修复2 回复修复回复修复/直接修复直接修复(direct repair)指无需去除碱基或核苷酸，只需一种酶经一步反响指无需去除碱基或核苷酸，只需一种酶经一步反响修复修复DNA损伤的修复机制。损伤的修复机制。较简单的修复方式，普通都能将较简单的修复方式，普通都能将DNA修复到原样。修复到原样。2.1 烷基的

21、转移烷基的转移O6甲基鸟嘌呤甲基转移酶甲基鸟嘌呤甲基转移酶(MGMT)，能直接将，能直接将DNA链鸟嘌呤链鸟嘌呤O6位上的甲基移到酶的半胱氨酸残基上位上的甲基移到酶的半胱氨酸残基上而修复损伤的而修复损伤的DNA。这个酶的修复才干并不很强，但在低剂量烷化剂作这个酶的修复才干并不很强，但在低剂量烷化剂作用下此酶有修复活性。用下此酶有修复活性。2.2 光修复光修复v由细菌中的由细菌中的DNA光解酶光解酶(photolyase)完成：完成：v此酶能特异性识别紫外线呵斥的核酸链上相邻嘧啶共价结合此酶能特异性识别紫外线呵斥的核酸链上相邻嘧啶共价结合的二聚体，并与其结合，这步反响不需求光；的二聚体，并与其结

22、合，这步反响不需求光；v结合后如受结合后如受300600nm波长的光照射，那么此酶就被激活，波长的光照射，那么此酶就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，然后酶从将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，然后酶从DNA链上释链上释放，放，DNA恢复正常构造。恢复正常构造。2.3 单链断裂的重接单链断裂的重接DNA单链断裂，其中一部分可仅由单链断裂，其中一部分可仅由DNA衔接酶衔接酶(ligase)参与而完全修复。参与而完全修复。双链断裂几乎不能修复。双链断裂几乎不能修复。2.4 碱基的直接插入碱基的直接插入DNA链上嘌呤的零落呵斥无嘌呤位点，能被链上嘌呤的零落呵斥无嘌呤位点，能被DNA嘌嘌呤插入酶

23、呤插入酶(insertase)识别结合，在识别结合，在K+存在的条件存在的条件下，催化游离嘌呤或脱氧嘌呤核苷插入，生成糖下，催化游离嘌呤或脱氧嘌呤核苷插入，生成糖苷键；苷键；所催化插入的碱基有高度专注性、与另一条链上的所催化插入的碱基有高度专注性、与另一条链上的碱基严峻配对，使碱基严峻配对，使DNA完全恢复。完全恢复。 3 错配修复错配修复mismatch repair 一种纠正复制后子链中错配碱基的修复方式。一种纠正复制后子链中错配碱基的修复方式。3.1 错配修复有关的蛋白和酶错配修复有关的蛋白和酶MutS蛋白：识别错配的碱基。蛋白：识别错配的碱基。 MutH蛋白：内切酶，在子链未甲基化的蛋

24、白：内切酶，在子链未甲基化的5-GATC-3序列序列接近鸟嘌呤的接近鸟嘌呤的5-端呵斥一个切口，使包括错配碱基在内的端呵斥一个切口，使包括错配碱基在内的数百个核苷酸得以切除。数百个核苷酸得以切除。MutL蛋白：将蛋白：将MutH和和MutS蛋白衔接成复合体。蛋白衔接成复合体。解链酶：解开解链酶：解开DNA双链。双链。单链结合蛋白：稳定单链模板。单链结合蛋白：稳定单链模板。DNA聚合酶：从聚合酶：从3-OH填补空缺。填补空缺。DNA 衔接酶：衔接切口。衔接酶：衔接切口。 CH3 G A T C C T AGGT G A T C5 3 C T A G3 5 GTCH3 CH3 G A T C C

25、T AGGTMutHMutSMutL切口切口 CH3 G A T C C T AGGT 5 3 CH3 G A T C5 3 C T A G3 5 TGDNADNA解链酶解链酶 核酸外切酶核酸外切酶 SSBSSBdNMPs CH3 G A T C C T AGGT 5 3 DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA衔接酶衔接酶dNTPs CH3 G A T C C T AGGC3.2 DNA错错配修复的模型配修复的模型MutSMutLMutSMutHMutS识别错配位点识别错配位点,并易位到并易位到GATC位点。位点。MutH在在GATC位点剪位点剪切非甲基化链，内切切非甲基化链，内切酶从酶从GA

26、TC到错配位到错配位点降解点降解DNA。3.3 错配修复的意义错配修复的意义 修复修复DNA复制过程中逃避了复制过程中逃避了DNA聚合酶校正作用的子链聚合酶校正作用的子链上的错配碱基。在子链合成后几分钟之内，上的错配碱基。在子链合成后几分钟之内，GATC尚未尚未甲基化，故能被甲基化，故能被MutH蛋白识别，结合并制造切口。蛋白识别，结合并制造切口。人类遗传性非多发性结直肠癌的病因是错配修复的基因缺人类遗传性非多发性结直肠癌的病因是错配修复的基因缺陷。陷。 mMLH1 突变谱突变谱 外显子外显子 基因突变基因突变 蛋白产物预测蛋白产物预测 16 165bp缺失缺失 外显子缺失外显子缺失16阅读框

27、内阅读框内 19 46bp缺失缺失 移码，氨基酸交换移码，氨基酸交换 19 46bp插入插入 羧基末端延伸羧基末端延伸 12 371bp缺失缺失 移码，不完好蛋白质移码，不完好蛋白质4 重组修复重组修复(recombinational repair)复制后修复复制后修复指由基因的同源重组介导的修复过程。指由基因的同源重组介导的修复过程。在某些情况下没有互补链可以直接利用，例如在在某些情况下没有互补链可以直接利用，例如在DNA复制时两条链曾经分开后发生复制时两条链曾经分开后发生DNA损伤，采损伤，采用重组修复。用重组修复。 作用：作用： 1修复修复DNA复制时子链的缺口。复制时子链的缺口。 2修

28、复双链断裂，单链缺口。修复双链断裂，单链缺口。 3修复双链交联。修复双链交联。修复步聚：修复步聚：受损伤的受损伤的DNA链复制时，产生的子代链复制时，产生的子代DNA在损伤的对应在损伤的对应部位出现缺口。部位出现缺口。 另一条母链另一条母链DNA与有缺口的子链与有缺口的子链DNA进展重组交换，将进展重组交换，将母链母链DNA上相应的片段填补子链缺口处，而母链上相应的片段填补子链缺口处，而母链DNA出出现缺口。现缺口。以另一条子链以另一条子链DNA为模板，经为模板，经DNA聚合酶催化合成一新聚合酶催化合成一新DNA片段填补母链片段填补母链DNA的缺口，最后由的缺口，最后由DNA衔接酶衔接，衔接酶

29、衔接，完成修补。完成修补。 DNA重组修复方式重组修复方式v重组修复不能完全去除损伤，损伤的重组修复不能完全去除损伤，损伤的DNA段落依然保管在段落依然保管在亲代亲代DNA链上；链上；v只是重组修复后合成的只是重组修复后合成的DNA分子是不带有损伤的，但经多分子是不带有损伤的，但经多次复制后，损伤就被次复制后，损伤就被“冲淡了，在子代细胞中只需一个细冲淡了，在子代细胞中只需一个细胞是带有损伤胞是带有损伤DNA的。的。5 SOS修复修复SOS修复是指修复是指DNA遭到严重损伤、细胞处于危急外形时所诱导遭到严重损伤、细胞处于危急外形时所诱导的一种的一种DNA修复方式，修复方式，修复结果只是能维持基

30、因组的完好性，提高细胞的生成率，但修复结果只是能维持基因组的完好性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复留下的错误较多，故又称为错误倾向修复(error prone repair)，细胞有较高的突变率。，细胞有较高的突变率。1SOS反响能诱导多种蛋白质的合成反响能诱导多种蛋白质的合成 RecA蛋白：严重的蛋白：严重的DNA损伤产生大量单链缺口，激活损伤产生大量单链缺口，激活RecA蛋蛋白的水解酶活性，促进白的水解酶活性，促进LexA阻遏蛋白的裂解和阻遏蛋白的裂解和SOS反响的诱反响的诱导。导。 LexA阻遏蛋白：调理一切阻遏蛋白：调理一切SOS基因的转录。基因的转录。 DN

31、A聚合酶聚合酶：受：受SOS反响的诱导。能进展跨损伤复制。反响的诱导。能进展跨损伤复制。2SOS修复是易错修复，导致突变添加。修复是易错修复，导致突变添加。 K SOS SOS反响的起始：反响的起始：K是经过是经过RecARecA的活化而引起。的活化而引起。K诱导信号诱导信号: : 可以由可以由DNADNA释放出的小分子组成的，或者是释放出的小分子组成的，或者是DNADNA本身某些构造变化。本身某些构造变化。KRreARreA的激活导致的激活导致LexALexA的基因产物的剪切。的基因产物的剪切。KLexALexA是一种小分子蛋白是一种小分子蛋白22KDa22KDa，具有蛋白酶活性，是，具有蛋

32、白酶活性，是很多支配子的阻遏物。很多支配子的阻遏物。KLexALexA被被RecARecA激活后又可导致激活后又可导致LexALexA自我催化它本身的裂解，自我催化它本身的裂解，这样这样LexALexA的阻遏功能失去了活性，并且同时诱导了它所结的阻遏功能失去了活性，并且同时诱导了它所结合的支配子。合的支配子。 和和SOSSOS反响有关的基因，包括反响有关的基因，包括RecARecA，lexA,UvrA,UvrB,umuClexA,UvrA,UvrB,umuC和和himAhimA。RecARecA也触发细胞中其它靶物质的剪切，包括各种原噬菌体的阻遏蛋白。也触发细胞中其它靶物质的剪切，包括各种原噬

33、菌体的阻遏蛋白。 DNA损伤损伤诱导信号诱导信号recA蛋白酶激活蛋白酶激活lexA阻遏物切断阻遏物切断 阻遏物蓄积阻遏物蓄积蛋白酶蛋白酶程度下降程度下降信号程度信号程度下降下降DNA修复修复lexA基因基因 recA基因基因 mRNA 支配子支配子 可诱导基因可诱导基因lexA阻遏物阻遏物 作用于作用于lexA阻遏物所控制的其他基因阻遏物所控制的其他基因lexA基因基因 recA基因基因 诱导基因诱导基因lexA阻遏物阻遏物 recA蛋白蛋白嘧啶二聚体嘧啶二聚体活化的活化的recA蛋白蛋白 切断的切断的lexA阻遏物阻遏物非诱导外形非诱导外形诱导外形诱导外形SOS修复中修复中 lexA-re

34、cA调理子调理子的作用机理的作用机理修复过程：修复过程：当当DNA两条链的损伤临近时，损伤不能被切除修复或重组修两条链的损伤临近时，损伤不能被切除修复或重组修复，这时在核酸内切酶、外切酶的作用下呵斥损伤处的复，这时在核酸内切酶、外切酶的作用下呵斥损伤处的DNA链空缺，链空缺，再由损伤诱导产生的一整套的特殊再由损伤诱导产生的一整套的特殊DNA聚合酶和聚合酶和SOS修复酶修复酶类，催化空缺部位类，催化空缺部位DNA的合成，的合成，补上去的核苷酸几乎是随机的，但依然坚持了补上去的核苷酸几乎是随机的，但依然坚持了DNA双链的完双链的完好性，使细胞得以生存。好性，使细胞得以生存。图图 SOS修复修复 6

35、 限制修饰系统限制修饰系统(restriction and modificaion)本世纪本世纪5050年代初，以年代初，以ArberArber等人对等人对噬菌体在大肠杆菌不同菌噬菌体在大肠杆菌不同菌株上的平板培育效应的研讨为根底，发现了原核生物体内存在株上的平板培育效应的研讨为根底，发现了原核生物体内存在着寄生控制的限制着寄生控制的限制(restriction)(restriction)和修饰和修饰(modification)(modification)系统。系统。结论：结论： 菌体限制修饰系统中的限制性内切酶能将外来菌体限制修饰系统中的限制性内切酶能将外来DNA切切断断, 菌体本身的菌体本

36、身的DNA可受甲基化酶的维护。可受甲基化酶的维护。 两者称为限制两者称为限制-修饰作用修饰作用 * E.coli K菌株和菌株和 B菌株各有本人的限制修饰系统菌株各有本人的限制修饰系统, * E.coli C菌株没有菌株没有;细菌借助于限制细菌借助于限制-修饰系统来区别本人修饰系统来区别本人DNA和外源和外源DNA。 本人本人DNA: 限制方式一样的限制方式一样的DNA 同株系的不同个体同株系的不同个体DNA、寄生于其中的质粒和噬菌体。、寄生于其中的质粒和噬菌体。 居民居民DNA(resident DNA)：同一个细胞内的不同类型的：同一个细胞内的不同类型的DNA， 包括细胞包括细胞DNA，质

37、粒，质粒DNA，噬菌体，噬菌体DNA等。等。核酸内切限制酶的类型及其主要特性核酸内切限制酶的类型及其主要特性特性特性I型型II型型III型型限制和修饰活性限制和修饰活性单一多功能的酶单一多功能的酶分开的核酸内切分开的核酸内切酶和甲基化酶酶和甲基化酶 具有一种共同亚基的具有一种共同亚基的双功能的酶双功能的酶核酸内切限制酶核酸内切限制酶的蛋白质构造的蛋白质构造3种不同的亚基种不同的亚基单一的成份单一的成份 2种不同的亚基种不同的亚基 切割位点切割位点在距寄主特异性位点在距寄主特异性位点至少至少700bp700bp的地方可以的地方可以随机地切割随机地切割位于寄主特异性位于寄主特异性位点或其附近位点或

38、其附近距寄主特异性位点距寄主特异性位点3 3，端端2426bp2426bp处处甲基化作用的位甲基化作用的位点点寄主特异性的位点寄主特异性的位点寄主特异性的位寄主特异性的位点点寄主特异性的位点寄主特异性的位点识别未甲基化的识别未甲基化的序列进展核酸内序列进展核酸内切酶切割切酶切割 能能 能能能能序列特异的切割序列特异的切割不是不是是是是是DNA克隆中的用克隆中的用途途无用无用非常有用非常有用用途不大用途不大I类限制性内切酶的特点类限制性内切酶的特点v1 I类限制性内切酶是异源多聚体，包含三个亚基R、M和S，其功能分别为限制性内切酶、甲基化酶和DNA特异位点识别。v2 I类限制性内切酶与DNA结合

39、依赖M亚基与辅助因子S-腺苷甲硫氨酸SAM的相互作用。v3 I类限制性内切酶与DNA分子结合后，根据该位点的甲基化外形发扬相应的酶活性，或修饰或切割。切割位点与识别位点相隔1-5kb。v4 I类限制性内切酶的种类较少，研讨的较多的有大肠杆菌的EcoK和EcoB。 I类限制性内切酶作用机制类限制性内切酶作用机制II类限制性内切酶特点类限制性内切酶特点v II类限制性内切酶由H.O.Smith等1970年首先在流感嗜血杆菌Rd型菌株中发现。目前已有400多种II类限制性内切酶被分别，它是分子量较小的单体蛋白，识别和切割双链DNA分子时仅需求Mg2+, 识别和切割位点的序列有严峻的特异性。II类限制

40、性内切酶作用机制类限制性内切酶作用机制III类限制性内切酶的特点类限制性内切酶的特点v III类限制性内切酶由R亚基和MS亚基组成，其中MS亚基具有位点识别和甲基化修饰双重活性。v 该类酶与DNA识别位点的结合严峻依赖ATP。修饰作用和切割作用取决于两个亚基之间的竞争。修饰作用在识别位点内进展。切割序列位于识别位点一侧假设干碱基对处，无序列特异性。v目前对真核细胞的目前对真核细胞的DNA修复的反响类型、参与修复的酶类和修复的反响类型、参与修复的酶类和修复机制了解还不多；修复机制了解还不多；vDNA损伤修复与突变、寿命、衰老、肿瘤发生、辐射效应、损伤修复与突变、寿命、衰老、肿瘤发生、辐射效应、某

41、些毒物的作用都有亲密的关系。某些毒物的作用都有亲密的关系。v例如着色性干皮病例如着色性干皮病(xeroderma pigmentosum)是第一个发是第一个发现的现的DNA修复缺陷性遗传病。修复缺陷性遗传病。第三节第三节 基因突变基因突变DNA损伤的后果突变损伤的后果突变 上述损伤会最终导致上述损伤会最终导致DNA分子构造的变化，分子构造的变化，这种这种DNA分子程度上的突变分子程度上的突变(mutation) ，是整体遗传突变的根底。是整体遗传突变的根底。突变突变mutation:是遗传物质中任何可检测是遗传物质中任何可检测的能遗传的改动，但不包括遗传重组。的能遗传的改动，但不包括遗传重组。

42、1 突变类型突变类型 体细胞突变体细胞突变somatic mutation:对于一个多细胞生对于一个多细胞生物来说，假设突变仅发生在体细胞中，那么这种物来说，假设突变仅发生在体细胞中，那么这种突变是不会传送给后代的。突变是不会传送给后代的。但假设突变发生在的生殖细胞中，那么这种突变就但假设突变发生在的生殖细胞中，那么这种突变就能经过配子传送给下一代，在后代个体的体细胞能经过配子传送给下一代，在后代个体的体细胞和生殖细胞中产生同样的突变，这种突变就叫做和生殖细胞中产生同样的突变，这种突变就叫做种系突变种系突变germ-lime mutations。突变可以发生在染色程度或者基因程度。染色体构突变

43、可以发生在染色程度或者基因程度。染色体构造和数目的改动叫做染色体畸变造和数目的改动叫做染色体畸变chromosomal aberration，也称为染色体突变，也称为染色体突变chromosome mutation。当染色体畸变涉及到基因组中染色体套数的改动称当染色体畸变涉及到基因组中染色体套数的改动称为基因组突变为基因组突变genome mutation，即整倍数改，即整倍数改动。动。发生在基因程度的突变称为基因突变发生在基因程度的突变称为基因突变gene mutation。诱变剂处置所诱发的突变称为诱发突变诱变剂处置所诱发的突变称为诱发突变induced mutation，自然发生的突变是

44、自发突变，自然发生的突变是自发突变spontaneous mutatiow。2 基因突变的类型基因突变的类型2.1 从碱基变化分：从碱基变化分：1点突变点突变(point mutation)指指DNA上单一碱基的变异。上单一碱基的变异。转换转换(transition)：嘌呤替代嘌呤：嘌呤替代嘌呤(A与与G之间的替代之间的替代)、嘧啶替、嘧啶替代嘧啶代嘧啶(C与与T之间的替代之间的替代)；颠换颠换(transvertion)：嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。：嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。 A G T C 转 换 颠 换 图 2 1 -1 转 换 与 颠 换 2 缺失缺失(deletion)指指DNA链上一个

45、或一段核苷酸的消逝。链上一个或一段核苷酸的消逝。3 插入插入(insertion)指一个或一段核苷酸插入到指一个或一段核苷酸插入到DNA链中。链中。4 倒位或转位倒位或转位(transposition)指指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处。另一处。5 双链断裂双链断裂已如前述，对单倍体细胞一个双链断裂就是致死性事件。已如前述，对单倍体细胞一个双链断裂就是致死性事件。2.2 从突变效应分：从突变效应分： 1移码突变移码突变(frame shift mutaion)：在为蛋白质编码的序：在为蛋白质编码的序列中如缺失及插入的

46、核苷酸数不是列中如缺失及插入的核苷酸数不是3的整倍数，那么发生的整倍数，那么发生读框挪动读框挪动(reading frame shift)，使其后所译读的氨基酸，使其后所译读的氨基酸序列全部混乱。序列全部混乱。移码突变大多数常产生无活性产物，移码突变大多数常产生无活性产物，有些移码突变会在基因内部构成终止密码子，从而使所生有些移码突变会在基因内部构成终止密码子，从而使所生成的多肽链长度变短成的多肽链长度变短 。S 2错义突变错义突变missense mutation是指是指DNA改动后改动后mRNA中相应密码子发生改动，编码另一种氨基酸，中相应密码子发生改动，编码另一种氨基酸，使蛋白质中的氨基

47、酸发生取代，可以减弱此蛋白的功使蛋白质中的氨基酸发生取代，可以减弱此蛋白的功能，以致影响到突变体的表型。能，以致影响到突变体的表型。S 3无义突变无义突变nonsense mutation是由是由DNA的碱基的碱基突变使突变使mRNA中产生了无义密码子，翻译时在相应的中产生了无义密码子，翻译时在相应的位点会导致提早终止平截或截短，产生一条不完好位点会导致提早终止平截或截短，产生一条不完好的多肽链，通常是没有功能的。的多肽链，通常是没有功能的。v校正突变：移码突变有时可由同一基因内的另一碱基的缺失校正突变：移码突变有时可由同一基因内的另一碱基的缺失或插入所抵消，但要求第二个移码突变发生在前一突变

48、位点或插入所抵消，但要求第二个移码突变发生在前一突变位点的下游。这样的第二个移码突变称为校正突变的下游。这样的第二个移码突变称为校正突变(suppressor mutation)。t 4中性突变中性突变neutral mutation是在基因中有一对碱基对发生交换，引是在基因中有一对碱基对发生交换，引起的起的mRNA中密码子的改动，但多肽链中相应位点发生的氨基酸的取代并中密码子的改动，但多肽链中相应位点发生的氨基酸的取代并不影响蛋白质的功能。不影响蛋白质的功能。t 5沉默突变沉默突变silent mutation或者同义突变：是中性突变中的一种特殊或者同义突变：是中性突变中的一种特殊情况。即在

49、基因中碱基对发生交换，改动了情况。即在基因中碱基对发生交换，改动了mRNA的密码子，结果蛋白质的密码子，结果蛋白质中相应位点是发生了一样氨基酸的取代，由于氨基酸的序列末发生变化，中相应位点是发生了一样氨基酸的取代，由于氨基酸的序列末发生变化，所以蛋白质仍具有野生型的功能。所以蛋白质仍具有野生型的功能。t 6回复突变回复突变reverse mutation分成两类：分成两类：t 正向突变正向突变forward mutation：其突变方向是从野生型向突变型；：其突变方向是从野生型向突变型；t 回复突变回复突变: 其突变方向是从突变型向野生型；回复突变可使突基因产生的其突变方向是从突变型向野生型；

50、回复突变可使突基因产生的无功能或有部分功能的多肽恢复部分功能或完全功能。无功能或有部分功能的多肽恢复部分功能或完全功能。t 突变的作用还可以经过其它位点的突变而得到减少或校正，这便是前面已突变的作用还可以经过其它位点的突变而得到减少或校正，这便是前面已讨论过的抑制突变讨论过的抑制突变suppressor mutation或者校正突变。或者校正突变。3 基因突变的后果基因突变的后果无影响无影响 改动基因型改动基因型(genotype)而不改动表现型而不改动表现型(phenotype)；产生遗传多态性产生遗传多态性DNA多态性，蛋白质多态性。多态性，蛋白质多态性。丧失某些功能；生物体构造和功能的异常引起疾病。丧失某些功能；生物体构造和功能的异常引起疾病。肿瘤肿瘤 癌症发生癌症发生生殖细胞基因突变传送至后代，导致遗传性疾病的发生。生殖细胞基因突变传送至后代，导致遗传性疾病的发生。致死性；致死性；进化进化 生物体获得新的性状，顺应环境的才干加强。发生了生物