第四章DNA损伤、修复和突变

1、第四章DNA损伤、修复和突变2 DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维护DNA分子的完整性对细胞至关重要。 外界环境和生物体内部的因素都经常会导致DNA分子的损伤或改变，而且与RNA及蛋白质可以在胞内大量合成不同，一般在一个原核细胞中只有一份DNA，在真核二倍体细胞中相同的DNA也只有一对，如果DNA的损伤或遗传信息的改变不能更正，对体细胞就可能影响其功能或生存，对生殖细胞则可能影响到后代。3 所以在进化过程中生物细胞所获得的修复DNA损伤的能力就显得十分重要，也是生物能保持遗传稳定性之奥秘所在。 在细胞中能进行修复的生物大分子也就只有DNA，反映了DNA对生命的重要性。 另一方面

2、，在生物进化中突变又是与遗传相对立统一而普遍存在的现象，DNA分子的变化并不是全部都能被修复成原样的，正因为如此生物才会有变异、有进化。 第四节第四节 突变类型突变类型 第五节第五节 回复突变回复突变(抑制突变抑制突变) 概述：损伤因素及其类型概述：损伤因素及其类型 第一节第一节 复制过程中的错配修复复制过程中的错配修复 第二节第二节 损伤修复损伤修复 第三节第三节 限制和修饰限制和修饰 引起损伤的因素引起损伤的因素: 自发性损伤自发性损伤(复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、 自发脱碱基、自发脱碱基、 细胞的代谢产物对细胞的代谢产物对DNA的损伤的损伤)

3、物理因素引起的损伤物理因素引起的损伤(电离辐射、紫外线电离辐射、紫外线) 化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物）化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物） 引起损伤的类型：引起损伤的类型： 碱基脱落、碱基（或核苷）改变、错误碱基（碱基的取代）、碱碱基脱落、碱基（或核苷）改变、错误碱基（碱基的取代）、碱基的插入或缺失、链的断裂、链交联（链内、链间）、嘧啶二聚体等基的插入或缺失、链的断裂、链交联（链内、链间）、嘧啶二聚体等等等 广义的修复系统：广义的修复系统： DNA聚合酶的校对功能聚合酶的校对功能(复制的范畴复制的范畴) 尿嘧啶尿嘧啶-N-糖苷酶修复系统糖苷酶修复系统 （复制时（复制时U的渗入、

4、的渗入、C脱氨氧化成脱氨氧化成U） 错配修复系统错配修复系统 损伤修复系统损伤修复系统(光复活、重组修复、光复活、重组修复、SOS修复等修复等) 限制修饰系统限制修饰系统-对付外源对付外源DNADNA的入侵的入侵第一节第一节 复制过程中的错配修复复制过程中的错配修复 DNA mismatch+ - A- -C-DNApol (= 10-8)经第二次校正经第二次校正= 10-11错配修复系统错配修复系统(MRSMismatch Repair System)1、错配修复碱基来源：校正活性所漏校的碱基。、错配修复碱基来源：校正活性所漏校的碱基。错配修复系统：错配修复系统：使复制使复制的保真性提高的保

5、真性提高102103倍倍9 如何识别新链和旧链？Methyl groupNot methylated yetParent NewGATCCTAGHemi-methylation2、错配修复系统（、错配修复系统（Mismatch repair system）DNA polymeraseHelicase SSB 外切核酸酶外切核酸酶 (和和) 连接酶连接酶MCE (mismatch correct enzyme) 3 subunits mutH, L, S dam geneDNA腺嘌呤甲基化酶腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶甲基化酶)扫描新生链中错配碱基扫描新生链中错配碱基识别新生链中非识别新生链中

6、非 m6A 的的GATC序列序列酶切含错配碱基的新生酶切含错配碱基的新生DNA区段区段 （1 1）组成）组成 DNADNA合成过程中的甲基化变化合成过程中的甲基化变化DNA中的中的GATC为为m6A甲基化敏感位点甲基化敏感位点平均每平均每2kb左右有一左右有一GATC seq.错配修复系统受甲基化的引导错配修复系统受甲基化的引导 甲基化程度的差异甲基化程度的差异a、MutH/MutS 扫描识别错配扫描识别错配 碱基和邻近的碱基和邻近的GATC序列序列 切点甲基化切点甲基化GATC中中 G的的5侧侧 DNA helicase II, SSB, exonuclease I去除包括错去除包括错 配碱

7、基的片段配碱基的片段 DNA polymerase III 和和 DNA ligase 填充缺口填充缺口昂贵的代价用于保证昂贵的代价用于保证DNADNA的准确性的准确性（2 2） 修复过程修复过程 单林娜 制作13 14 recognition step： distinguish the mother and daughter strands 母链和子链的识别母链和子链的识别单林娜 制作15 DNA helicase II, SSB, exonuclease I remove the DNA fragment including the mismatchDNA polymerase I &am

8、p; DNA ligase fill in the gap外切核酸酶外切核酸酶切割切点的切割切点的55端（错配碱基在切点的端（错配碱基在切点的55端）端） -3-3端（端（-3-3端）端）3、 尿嘧啶尿嘧啶-N-糖苷酶系统糖苷酶系统 ( ung system )修复尿嘧啶的来源：修复尿嘧啶的来源：dUTP的渗入的渗入 胞嘧啶的自发脱氨氧化胞嘧啶的自发脱氨氧化去氨基去氨基-TAGC-ATCG-TAGC-A CG-U-TAGC-ung-ase GCUAU-TAGC-A CG-AP内切酶内切酶(Apurinase)-TAGC-ATCG-DNApolLigase 第二节第二节 DNA损伤的修复损伤的修

9、复DNA的损伤的损伤某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于DNA，造成，造成DNA结构和功能的破坏，称为结构和功能的破坏，称为DNA的损伤的损伤. 21 DNADNA损伤的后果损伤的后果信号传导异常信号传导异常老化肿瘤疾病异常增生和代谢生理功能紊乱细胞死亡细胞增殖减少细胞增殖减少基因表达异常基因表达异常基因组不稳定基因组不稳定22 由紫外线、电离辐射、由紫外线、电离辐射、X X射线等引起的射线等引起的DNADNA损损伤。其中，伤。其中，X X

10、射线和电离辐射常常引起射线和电离辐射常常引起DNADNA链链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如成，如TTTT，TCTC，CCCC等二聚体。这些嘧啶二聚等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。而会引起复制障碍。 一、嘧啶二聚体的产生一、嘧啶二聚体的产生: 类型：类型：TT二聚体二聚体 （ ）、）、CC二聚体（二聚体（ ）、）、 CT二聚体（二聚体（ ）TTCCCT相邻的胞嘧啶相邻的胞嘧啶胞嘧啶二聚体胞嘧啶二聚体CCCCCCCC PR1 1、光复活、光复活 -TT-AA-TT

11、-AA-TT-AA-TT-AA- 复制前、不容易出错复制前、不容易出错260380nm蓝光、蓝光、PR 酶酶 (photo-reactivation enzyme) 光敏裂合酶（光敏裂合酶（photolyase）可见光激活可见光激活二、聚体修复的机制二、聚体修复的机制27 DNA RepairABA BCA B CA BCAB螺旋酶螺旋酶Pol 螺旋酶螺旋酶连接酶连接酶切切补补切切封封29 发色团发色团光复活酶光复活酶1、形成嘧啶二聚体、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于、光复合酶结合于损伤部位损伤部位3、酶被可见光激活、酶被可见光激活4、修复后酶被释放、修复后酶被释放31 3 3、切除修复、切

12、除修复ExisionRepair ExisionRepair 复制前进行复制前进行 不易出错不易出错UvrA, B, C gene 内切核酸酶内切核酸酶（Endonucleases） 外切核酸酶外切核酸酶 （Exonuclease） DNA pol Ligase 碱基切除修复碱基切除修复核苷酸切除修复核苷酸切除修复碱基切除修复碱基切除修复核苷酸切除修复核苷酸切除修复DNA损害损害33 DNA Repair 34 Exision repair (切除修复).是修复是修复DNA损伤最为普遍的方式。对多种损伤最为普遍的方式。对多种DNA损伤包损伤包括碱基脱落形成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基括碱基脱

13、落形成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链断裂等都能起修复作用。烷基化、单链断裂等都能起修复作用。 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细胞主要的DNA修复机制。修复机制。 修复过程需要多种酶的一系列作用，基本步骤如下修复过程需要多种酶的一系列作用，基本步骤如下图图 DNA Repair 碱基丢失碱基丢失碱基缺陷或错配碱基缺陷或错配结构缺陷结构缺陷切开切开核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切除切除DNA聚合酶聚合酶DNA连接连接酶酶AP核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切开切开修复修复连接连接糖苷酶糖苷酶插入酶

14、插入酶碱基取代碱基取代切除切除单林娜 制作36 单林娜 制作37 DNA Repair 38 damage recognitionXPC-hHR23, XPAXPB, XPDXPFERCC1, XPGunwindingnickingNER in eukaryotes3 5 核苷酸切除修复39 DNA聚合酶聚合酶DNA连接酶连接酶DNA解旋酶解旋酶human excinucleaseE.coli excinucleaseDNA损伤损伤人类核酸切除酶人类核酸切除酶40 DNA Repair 41 是一种常染色体隐性紊乱，在表是一种常染色体隐性紊乱，在表型上表现为对阳光极为敏感，极型上表现为对阳光极

15、为敏感，极易产生皮肤癌。易产生皮肤癌。XPXP患者缺乏对包患者缺乏对包括由紫外线引起的大块括由紫外线引起的大块DNADNA损伤损伤的核苷酸切除功能，至少有的核苷酸切除功能，至少有7 7种种不同基因的缺陷可导致不同基因的缺陷可导致XPXP。 4. 4. 重组修复重组修复 ( (链转移修复链转移修复) ) 复制后修复复制后修复 容易出错容易出错 RecA, DNApolymerae ligase二聚体后起始二聚体后起始 RecA 聚合酶、连接酶聚合酶、连接酶重组修复后的损伤位点可重组修复后的损伤位点可由其它机制进一步修复由其它机制进一步修复43 单林娜 制作44 DNADNA聚合酶越过阻碍聚合酶越

16、过阻碍, ,在下在下游重新起始复制游重新起始复制缺口由于母链和子链发生缺口由于母链和子链发生重组而被补上。重组而被补上。DNADNA聚合酶和连接酶填补聚合酶和连接酶填补缺口缺口Post-Replication Repair 45 嘧啶二嘧啶二聚体聚体46 48 SOS 修复无模板指导的修复无模板指导的DNA复制复制 大剂量的紫外线照射，大量的二聚体产生大剂量的紫外线照射，大量的二聚体产生 SOS系统诱导，错误潜伏的复制超系统诱导，错误潜伏的复制超越二聚体而进行越二聚体而进行错误碱基错误碱基4. 4. 易错修复（易错修复（SOSSOS修复修复 SOS repairSOS repair）RecA-

17、P; 三种功能三种功能a、 DNA 重组活性重组活性b、 与与S.S. DNA结合活性结合活性c、 少数蛋白的少数蛋白的proteinase活性活性当当DNA正常复制时正常复制时（无复制受阻，无（无复制受阻，无DNA损伤，损伤， 无无TT dimer） RecA-p不表现不表现proteinase活性活性SOS修复酶只有在细胞受到损伤时才存在(正常细胞中不存在）机制a、SOS系统以某种方式对pol进行修饰（改变校对亚基功能）b、由pol负责超越创伤复制结果大量的没有被错配修复系统和切除修复系统纠正的错误碱基导致突变错误倾向性存活下来总比死亡好当当DNA复制度过难关后复制度过难关后SOS rep

18、air 是一种错误倾向性极强的修复机制是一种错误倾向性极强的修复机制是进化中形成的是进化中形成的“ 竭尽全力，治病救人竭尽全力，治病救人” 的措施的措施（正常状态下，（正常状态下，SOS是关闭的）是关闭的）RecA-p很快消失很快消失LexA gene onSOS off未诱导的细胞未诱导的细胞靶基因靶基因lexA基因被基因被LexA 蛋白质部分阻遏蛋白质部分阻遏recA基因被基因被LexA 蛋白质部分阻遏蛋白质部分阻遏（40个不同的位点被阻遏）个不同的位点被阻遏）LexA(阻遏物阻遏物) RecA(辅蛋白酶辅蛋白酶)靶基因表达靶基因表达lexA靶基因表达靶基因表达 但产物被分解但产物被分解r

19、ecA大量表达大量表达RecA促使促使分解分解LexA诱导的细胞诱导的细胞单链单链DNAATP第三节第三节 限制和修饰限制和修饰 1、 限制修饰现象限制修饰现象(restriction and modificaion)50年代初年代初 Luria（T偶数噬菌体）偶数噬菌体） Bertani（） Weigle（P2噬菌体）噬菌体）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切断切断 菌体本身的菌体本身的DNA可受甲基化酶的保护可受甲基化酶的保护 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菌株各有自己的限

20、制修饰系统菌株各有自己的限制修饰系统 * 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-修饰系统来区别自己修饰系统来区别自己DNA和外源和外源DNA 2、限制修饰系统、限制修饰系统 根据其特征分为两大组根据其特征分为两大组(三大类三大类)第四节第四节 突变类型突变类型 染色体突变（染色体突变（Chromosome mutation ）chromosome number chromosome structure 核苷酸突变（核苷酸突变（ dNt point mutation ） 突变突变(mutation)：可以通过复制而遗传的：可以通过复制而遗传的DNA结构结构 的任何永久性改

21、变的任何永久性改变遗传状态遗传状态 突变体突变体(mutant)：携带突变的生物个体或群体或株系：携带突变的生物个体或群体或株系 突变基因突变基因(mutantgene): 存在突变位点的基因存在突变位点的基因野生型基因（野生型基因（wild type gene）：）： 表示方法表示方法 表现型表现型 Arg+ Arg- 基因型基因型 arg+ arg- 野生型野生型 正常性状正常性状 1、从突变作用来源上定义、从突变作用来源上定义 自发突变自然界的突变剂或偶然复制错误自发突变自然界的突变剂或偶然复制错误 诱变诱变 人为使用突变剂人为使用突变剂 碱基异构式引起碱基异构式引起DNA复制过程的错误

22、复制过程的错误 -自发突变自发突变 碱基异构式碱基异构式 A(a) T(k) A(a, anti) T(k, anti) C(i) C(a, anti) A(a) A(i, anti) 碱基异构式引起碱基异构式引起DNA的错配突变的错配突变 C(i) C(a )G(k, syn) G(k, syn) G(k, anti)G(k)G(k) C(a) 正确配对正确配对 A(a) T(k) 2、从序列改变多少上定义、从序列改变多少上定义 单点突变单点突变(point mutation) (点突变点突变) 多点突变多点突变(multiple mutation)点突变碱基替代、碱基插入、碱基缺失点突变碱

23、基替代、碱基插入、碱基缺失 碱基替代（碱基替代（ conversion 、substitution) ）凡是一个嘌呤被另一个嘌呤所取代，或者一个嘧啶被另一个嘧啶所取代的凡是一个嘌呤被另一个嘌呤所取代，或者一个嘧啶被另一个嘧啶所取代的置换称为转换（置换称为转换（transition）；一个嘌噙被另一个嘧啶所取代或一个嘧啶被）；一个嘌噙被另一个嘧啶所取代或一个嘧啶被另一个嘌呤所替代的置换称为颠换（另一个嘌呤所替代的置换称为颠换（transversion）。）。转换转换(transition)Py Py Pu Pu 颠换颠换(transvertion) Py Pu 核苷酸缺失或插入核苷酸缺失或插入

24、（dNt deletion or insertion ）= 3x dNt n x Amino acid = 3x dNt 移框（移框（Framshift ） 移框突变（移框突变（frame shift mutation）:一个或两个碱基的插入一个或两个碱基的插入 或缺失，或扁平碱性染料分子的嵌合也常引起移框突变或缺失，或扁平碱性染料分子的嵌合也常引起移框突变 3、从对阅读框的影响上定义、从对阅读框的影响上定义移码突变移码突变Examples of deletion mutations 4、从对遗传信息的改变上定义、从对遗传信息的改变上定义（点突变）（点突变） 同义突变：没有改变产物氨基酸序列的

25、密码子同义突变：没有改变产物氨基酸序列的密码子 错义突变：碱基序列的改变引起了氨基酸序列的改变错义突变：碱基序列的改变引起了氨基酸序列的改变 （中性突变、渗漏突变）（中性突变、渗漏突变） 无义突变：碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变无义突变：碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变 为蛋白合成的终止密码子为蛋白合成的终止密码子 碱基替代对遗传信息的改变无影响碱基替代对遗传信息的改变无影响 -同义突变同义突变 GAA GAG Glu -错义突变错义突变 GAA AAA Lys-无义突变无义突变 GAA TAA(stop) 无义突变类型无义突变类型UAA （Oc） 赭石型（赭石型（Ocher）UAG

26、（Am） 琥珀型（琥珀型（amber） UGA（Opal） 乳石型（乳石型（Opal）突变的回复和校正突变的回复和校正 正向突变和回复突变正向突变和回复突变 由于基因突变而使生物体的性状由野生型改变为突变型，则将这样的突变称作正向突变正向突变（forward mutation）。若已经发生了突变的生物体，经过第二次突变，其性状由突变型恢复到原来的野生型，则其第二次突变称回复突变回复突变（reverse mutation或back mutation）。回复突变可能是因为第一次突变形成的错误氨基酸，经第二次突变恢复成原来的氨基酸，或者性质相近的氨基酸，从而使突变体的蛋白质功能得到部分或完全恢复。

27、校正突变校正突变 校正突变（校正突变（suppressor mutation） 指发生在另外一个位点上，且能指发生在另外一个位点上，且能够中和或抵消起始突变的第二次突变，有时被称为假回复突变（够中和或抵消起始突变的第二次突变，有时被称为假回复突变（pseudo-reverse mutation）。校正突变可分为基因内校正、基因间校正和迂回校）。校正突变可分为基因内校正、基因间校正和迂回校正正3种类型。种类型。 （1） 基因内校正基因内校正 基因内校正（基因内校正（intragenic suppressors）的第二次突变与起始突变发生）的第二次突变与起始突变发生在相同的基因内，两次突变一般为同

28、一种类型。这一类校正突变一般是在相同的基因内，两次突变一般为同一种类型。这一类校正突变一般是通过恢复一个基因产物内通过恢复一个基因产物内2个残基（氨基酸残基或核苷酸残基）之间的结个残基（氨基酸残基或核苷酸残基）之间的结构联系来实现的。如一个蛋白质的正确折叠需要构联系来实现的。如一个蛋白质的正确折叠需要Lys3残基和残基和Glu50残基残基侧链之间的离子键，如果起始突变使侧链之间的离子键，如果起始突变使Lys3残基突变成残基突变成Glu3残基，将会导残基，将会导致蛋白质因不能正确折叠而丧失功能。若校正突变使致蛋白质因不能正确折叠而丧失功能。若校正突变使Glu50残基变成了残基变成了Lys50，则可以恢复，则可以恢复Glu残基与残基与Lys残基之间的离子