第二章DNA损伤、修复、突变和转座

1、DNA损伤、修复损伤、修复、突变和转座突变和转座第三节第三节 突变类型突变类型 第四节第四节 回复突变回复突变(抑制突变抑制突变)第五节第五节 突变剂和突变生成突变剂和突变生成 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 引起损伤的因素引起损伤的因素: 自发性损伤自发性损伤(复制复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、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) 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

2、素引起的损伤化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物）（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、链代）、碱基的插入或缺失、链的断裂、链交联（链内、链 间）、间）、嘧啶二聚体嘧啶二聚体等等等等 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、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

3、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 复制过程中的错配复制过程中的错配的修复的修复 DNA mismatch+ - A- -C-DNApol (= 10-8)经第二次校正经第二次校正= 10-11错配修复错配修复系统系统(MRSMismatch RepairSystem)1、错配修复碱基来源：、错配修复碱基来源：校正活性所漏校的碱基校正活性所漏校的碱基 使复制的保真性提高使复制的保真性提高102103倍倍2、错配修复系统（、错配修复系统（Mismatch repair system）

4、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(palindromic seq.)为为m6A甲基化敏感位点甲基化敏

5、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 外切核酸酶外切核酸酶切

6、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-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复一、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

7、聚体（二聚体（ ）、）、 CT二聚体（二聚体（ ）TTCCCT相邻的胸腺嘧啶相邻的胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体CCCCCCCC PR1、光复活（、光复活（photo reactivation ）-TT-AA-TT-AA-TT-AA-TT-AA- 复制前进行、不容易出错复制前进行、不容易出错 400 nm 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、二聚体修复的机制二、二聚体修复的机制2. 2. 切除修复切除修复ExisionExisionRepairRepair 复制前进行复制前

8、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ABA 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3. 3. 重组修复（重组修复（RecombinativeRecombinativeRepairRepair）后复制修复、后复制修复、E.coli的挽回系统的挽回系统E.coli 存活存活%U.V 计量计量w.t.

9、UvrA+ RecA+ uvr a-rec a-该系统存在的实验证据该系统存在的实验证据 Rec-A. gene 以某种方式参与以某种方式参与DNA损伤修复损伤修复 Rec修复系统比切除修复系统更有效修复系统比切除修复系统更有效 目前知道目前知道 Uvr系统负责切除二聚体系统负责切除二聚体 Rec系统负责消除没有被切除的二聚体系统负责消除没有被切除的二聚体 可能造成的后果可能造成的后果TT TTAA AATT TTTT TTAA AATT TT变性变性 E.coli (Rec-A, uvr-a-)D.S. DNAS.S. DNAU.V. 复制复制提取提取 变性变性复制过程越过二聚体而在相应新链

10、上留下缺口复制过程越过二聚体而在相应新链上留下缺口二聚体后起始二聚体后起始 修复时期的证明修复时期的证明 与与Rec-A蛋白引起的重组蛋白引起的重组(strand transfer)有关有关 TT dimer未被修复，仅表现在后代群体中未被修复，仅表现在后代群体中TT dimer 浓度的稀释浓度的稀释 链的非准确转移，导致突变机率的增加链的非准确转移，导致突变机率的增加 修复相关机制修复相关机制: 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

11、、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第三节第三节 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(mutantg

12、ene): 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 正性状正性状 1、从、从突变作用来源上定义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(amino 氨基氨基) A(imino 亚氨基亚氨基) C(a) C(i) G(keto 酮式酮式) G

13、(enol 烯醇式烯醇式) G(k) G(e,i) T(keto) T(enol-2) or T(enol-4) 碱基异构式引起碱基异构式引起DNA复制的错配复制的错配 G(k) C(a) 正确配对正确配对 A(a) T(k) 错误配对错误配对 G(k) T(e) A(a) C(i) A(i, anti) A(a, syn) A(i, anti) G(k, syn) G(e,i, anti) G(k, syn) G(e,i, anti) A(a, syn) A(i) C(a) G(e) T(k) A(a) T(k) A(a, anti) T(k, anti) C(i) C(a, anti) A

14、(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)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)点突变点突变碱基替代碱基替代、碱基插入、碱基缺失、碱基插入、碱基缺失 碱基替代（碱基替代（ conversion ）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 （

15、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（frameshift 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或缺失，或扁平碱性染料分子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密码子同义突变：没有改变产物氨基酸序列的密码子 错

16、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碱基替代对遗传信息的改变 -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（Am） 琥珀型（琥珀型（amber） UGA（Opal） 乳

17、石型（乳石型（Opal）5、从、从突变的表达类型突变的表达类型 上定义上定义-非条件型突变非条件型突变: -条件型突变条件型突变: 突变的表现突变的表现 = 突变基因型突变基因型 + 诱导条件诱导条件 （光，温敏感不育）（光，温敏感不育） 6、从突变效应上定义、从突变效应上定义 正向突变正向突变 回复突变回复突变:使突变体所失去的野生型性状得到恢复的第二次突变使突变体所失去的野生型性状得到恢复的第二次突变 真正的原位回复突变很少真正的原位回复突变很少 大部分为第二点的回复突变大部分为第二点的回复突变抑制突变抑制突变 7、突变位点存在于负责基因调控的序列中突变位点存在于负责基因调控的序列中 *

18、在启动子区域时在启动子区域时: 启动子上升突变启动子上升突变: 增强启动子对转录的发动作用的突变增强启动子对转录的发动作用的突变 启动子下降突变启动子下降突变: * 在操作子上或调节基因上在操作子上或调节基因上 组成型突变组成型突变: 产生组成型表达方式的操作子突变或调产生组成型表达方式的操作子突变或调 节基因的突变节基因的突变 突变的操作子不能被阻遏蛋白所识别突变的操作子不能被阻遏蛋白所识别 调节基因突变不能产生有活性的阻遏蛋白调节基因突变不能产生有活性的阻遏蛋白 两者之一都使结构基因失去了负向控制两者之一都使结构基因失去了负向控制 第四节第四节 回复突变回复突变 (抑制突变抑制突变)1、抑

19、制突变发生的部位、抑制突变发生的部位基因内抑制突变：抑制突变发生在正向突变的基因中基因内抑制突变：抑制突变发生在正向突变的基因中基因间抑制突变：抑制突变发生在正向突变基因外的其它基因间抑制突变：抑制突变发生在正向突变基因外的其它 基因中基因中wild typemutant (表现型表现型)正向突变正向突变 (low F.)回复突变回复突变 (very low F.正向的正向的110)间接抑制突变间接抑制突变: 不恢复正向突变基因蛋白质产物的功能不恢复正向突变基因蛋白质产物的功能,而而 是通过改变其它蛋白质的性质或表达水平是通过改变其它蛋白质的性质或表达水平 而补偿原来突变造成的缺陷而补偿原来突

20、变造成的缺陷,从而恢复野生型从而恢复野生型2、野生表型恢复作用的性质、野生表型恢复作用的性质直接抑制突变直接抑制突变: 通过恢复或部分恢复原来突变基因产物蛋通过恢复或部分恢复原来突变基因产物蛋 白质的功能而恢复野生表型白质的功能而恢复野生表型 3、回复突变的分子机制回复突变的分子机制a) AGC (Ser) ACC (Thr) AGC (Ser)b) AGC (Ser) AGG (Arg) AGT (Ser)c) AGC (Ser) AGG (Arg) GGG (Gly) if Ser Gly （1）基因内抑制突变）基因内抑制突变 (Intragenic suppression)第二位点引起的

21、基因内校正第二位点引起的基因内校正密码子间两次错义突变的互补密码子间两次错义突变的互补4、抑制突变的分子机制、抑制突变的分子机制 错义突变错义突变 移框突变移框突变错义突变错义突变造成野生型表型的丧失造成野生型表型的丧失 部分原因部分原因在于影响到蛋白质的空间结构在于影响到蛋白质的空间结构(正负电荷、疏水作用正负电荷、疏水作用)a、静电作用、静电作用b、疏水作用、疏水作用-UGG174-GGA210-(w.t.)(K) (G)回复突变回复突变(C) （G）-UGG 174-GGA210-UGG174-GGA210-UGC174-GAA210-活性结构活性结构无活性结构无活性结构CA无活性结构无

22、活性结构 (K) (E)移框突变的抑制突变移框突变的抑制突变(基因内第二点的插入或缺失基因内第二点的插入或缺失)（2）基因间的抑制突变）基因间的抑制突变无义突变无义突变-无义抑制突变无义抑制突变错义突变错义突变-错义抑制突变错义抑制突变移框突变移框突变-移框抑制突变移框抑制突变 发生在发生在 tRNA基因或与基因或与tRNA功能相关的基因上功能相关的基因上a a、基因间的无义抑制突变（、基因间的无义抑制突变（ Nonsense suppressor ）野生型野生型UAG、UGA、UAA三种无义抑制三种无义抑制 50赭石型无义抑制赭石型无义抑制tRNA产生的几率很低，且抑制效率很低产生的几率很低

23、，且抑制效率很低AGAUCUArgGlyGGACCUUCUGlyCCUGlyb b、基因间的错义抑制突变、基因间的错义抑制突变( ( Missense suppressor )Glyc、基因间移框抑制突变、基因间移框抑制突变总结：基因内和基因间的错义（无义）、移框抑制突变均总结：基因内和基因间的错义（无义）、移框抑制突变均 由相应的错义（无义）、移框突变抑制由相应的错义（无义）、移框突变抑制第六节第六节 突变剂和突变生成突变剂和突变生成1、碱基类似物（碱基类似物（Base analog）2-氨基嘌呤氨基嘌呤2-Amino purine5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶5-Bromine Uracil OO

24、BrNH25-BrU: G: A 烯醇式烯醇式enolenolBrOHHOBr 酮式酮式KetoKetoHOAGCTTCCTATCGAAGGATAGCTBCCTATCGAAGGAT酮式5-BrU的渗入AGCTBCCTATCGAAGGATAGCTCCCTATCGAGGGAT第二轮复制ATGC 转变转变AGCTBCCTATCGAGGGATAGCTTCCTATCGAAGGAT第一轮复制酮式到稀醇式的转变烯醇式渗入为烯醇式渗入为 GCAT 转变转变In DNABrU(k) BrU(e) (正常形式正常形式) (异构体异构体)BrU(k) BrU(e)难难易易A G G AT C C T 碱基类似物产生

25、的均为错义突变碱基类似物产生的均为错义突变 2、 碱基的化学修饰导致突变碱基的化学修饰导致突变又称化学突变剂：又称化学突变剂： 亚硝酸（亚硝酸（nitrous acid HNO2） 羟氨（羟氨（hydroxylamine HA） 甲磺酸乙酯（甲磺酸乙酯（ethyl mathanesulfonate EMS） N-甲基甲基-N-硝基硝基-N-亚硝基胍亚硝基胍 （N-mathyl-N-nitro-N-nitrosoguanidion NNG）产生错义突变产生错义突变NH2OH (Hydroxylamine HA 羟胺羟胺)C(i) A(a)HNHHOC(a)HAHNHHHOHNHHOHNHHOHN

26、HHON H3 3、嵌合剂的致突变作用、嵌合剂的致突变作用吖啶橙吖啶橙 (Acridine(Acridine Orange Orange AO) ) 扁平染料分子扁平染料分子溴化乙锭溴化乙锭 (Ethidium(Ethidium Bromide Bromide EB ) )-ATTTTTCG -TAAAAAGC-A TTTCG -T AAAGC-TAO T-AT EB TTTTCG-TA分子插入分子插入AOEB-ATTTCG -TAAAGC-ATXTTTTCG-TAX AAAAGC-XAAAAGC-结果产生移框突变结果产生移框突变5、 增变基因（增变基因（mutator gene ） w.t.

27、 维持遗传的稳定性维持遗传的稳定性mut. 随机引起其他各类基因的突变随机引起其他各类基因的突变4、 转座成分的致突变作用转座成分的致突变作用生物体内有些基因与整个基因组的突变频率直接相关生物体内有些基因与整个基因组的突变频率直接相关其突变时，整个基因组的突变频率明显上升其突变时，整个基因组的突变频率明显上升增变基因类别：增变基因类别：a、DNA polymerase 相关基因相关基因3 5 校正功能突变校正功能突变b、错配修复系统的基因、错配修复系统的基因MCE (mismatch correction enzyme)c、DNA 损伤修复系统基因损伤修复系统基因错配，损伤修复功能丧失错配，损

28、伤修复功能丧失 突变率升高突变率升高6、紫外线的致突变作用、紫外线的致突变作用-嘧啶二聚体嘧啶二聚体 (TT dimer )U.V.C T T A 脱氨氧化脱氨氧化 U.V.CU A(a)U.V.U.V.H2O H+ + OH-C(a) C(i) A(a) 脱嘌呤脱嘌呤造成的突变：碱基替代、缺失、重复、移框造成的突变：碱基替代、缺失、重复、移框7 7、 突变热点（突变热点（Mutation HotpointMutation Hotpoint）基因自发突变的频率是一定的基因自发突变的频率是一定的DNA分子上某些位点的突变频率大大平均数，分子上某些位点的突变频率大大平均数，这样的位点称为这样的位点

29、称为a) 重复序列重复序列 （repetitive seq. ）/ palindromic seq.e.g. Lac. Operon-CTGGCTGGCTGG- b) m5Cc) 不同诱变剂作用位点不同，转座子插入位点不同不同诱变剂作用位点不同，转座子插入位点不同UC m5CT脱氨氧化脱氨氧化复制时，模板与新生链间滑动错配复制时，模板与新生链间滑动错配缺失，插入突变缺失，插入突变复制期发生在新生链上不发生突变，复制期发生在新生链上不发生突变，若发生在模板链上很快突变若发生在模板链上很快突变非复制期突变频率非复制期突变频率50DNA 的损伤修复与突变的损伤修复与突变Mutagen (诱变剂）诱变

30、剂）完全修复完全修复DNA 损伤损伤碱基的化学反应碱基的化学反应损伤的修复损伤的修复突变突变突变生成突变生成 即可移动的即可移动的基因成分（可移动基因，基因成分（可移动基因，movable gene mobmovable gene mob），是指能够），是指能够在一个在一个DNADNA分子内部或两上分子内部或两上DNADNA分子之间移动的分子之间移动的DNADNA片段。在片段。在细菌中指在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动的细菌中指在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动的DNADNA片段（文献上有时形象地称其为是片段（文献上有时形象地称其为是跳跃基因跳跃基因，jumping jumpin

31、g genegene）。转位也是）。转位也是DNADNA重组的一种形式。重组的一种形式。 移动基因最早由美国冷泉港实验室（移动基因最早由美国冷泉港实验室（cold spring Harbor cold spring Harbor LaboratoryLaboratory）的女科学家）的女科学家B.MClintockB.MClintock于上个世纪于上个世纪4040年代晚期年代晚期在玉米中首次发现的。在玉米中首次发现的。6060年代，为年代，为J.A.ShapircJ.A.Shapirc研究大肠杆菌研究大肠杆菌高效突变实验证实。高效突变实验证实。19831983年荣获诺贝尔生物学医学奖。年荣获诺

32、贝尔生物学医学奖。（一）转位因子的种类及特征（一）转位因子的种类及特征 细菌的转位因子包插入序列，转座子及可转座的噬菌体。细菌的转位因子包插入序列，转座子及可转座的噬菌体。 1.1.插入序列（插入序列（insertion sequence,ISinsertion sequence,IS） ISIS的形体图的形体图TSTransposase geneTSIRIRTS target site靶位点靶位点Transposase gene 转位酶基因转位酶基因IR inverted repeated 反向（倒反向（倒转重复顺序）转重复顺序）（1 1），长度约，长度约700-2000bp700-2000

33、bp，按发现顺，按发现顺序序IS1IS1、IS2IS2命名，命名， 只携带转移的必需基因，不含有其它偏码蛋白质结构基因，只携带转移的必需基因，不含有其它偏码蛋白质结构基因，本身没有表型效应。本身没有表型效应。（2 2）（3 3）可以插入到可以插入到E.coliE.coli染色体的各个位置上，也染色体的各个位置上，也可以插入到质粒和某些噬菌体基因组上，甚至同一基因不同位可以插入到质粒和某些噬菌体基因组上，甚至同一基因不同位点上。这种插入作用可以双向进行，可以是正向，也可以是反点上。这种插入作用可以双向进行，可以是正向，也可以是反向插入向插入ISIS这种移动方式称为转位作用（这种移动方式称为转位作

34、用（transpositiontransposition）。）。 （4 4）* *IRIR（反向倒转重复序列）：（反向倒转重复序列）：GGAAGGTGGAAGGT、ACCTTC ACCTTC CCTTCCA CCTTCCA、TGGAAGGTGGAAGG2.2.转座子（转座子（transposon,Tntransposon,Tn）(1)Tn(1)Tn是一类较大的可移动成分，除是一类较大的可移动成分，除mob genemob gene外，尚含有其它基因，外，尚含有其它基因，如抗药基因等。如抗药基因等。TnTn是在研究抗药基因中发现的，由此知道抗药基是在研究抗药基因中发现的，由此知道抗药基因可在质粒之间，质粒与染色体之间或质粒与可转座的噬菌体之因可在质粒之间，质