分子生物学导论第章DNA的突变和修复

第3章DNA的突变与修复当前1页，总共81页。本次内容1、DNA的突变2、DNA的修复3、DNA的转座当前2页，总共81页。DNA的损伤自发复制错误：10－9自发脱嘌呤、脱嘧啶、脱氨基、自发水解细胞呼吸副产品——自由基损伤碱基紫外线损伤（最易形成TT二聚体）电离辐射损伤

碱基破坏、戊糖分解、链断裂、DNA交联化学损伤碱基类似物，致癌化学品（EB）当前3页，总共81页。1、突变1.1单碱基变化1.2结构畸变1.3突变热点1.4诱变剂当前4页，总共81页。一个正常的生物体叫作野生型（wildtype,WT）,如果DNA发生改变，就会使生物体的某些性状有所改变，这种改变了性状的生物体相对于正常的生物体来说，就成为突变体（mutant）。

当突变发生在体细胞中时，突变只能作用于携带该细胞（或该细胞的后裔细胞）的个体；当突变发生在性细胞中时，突变可遗传给下一代。当前5页，总共81页。所有的组织都有可能随机地与环境反应产生突变，这种突变叫做自发突变（spontaneousmutagenesis）。

是DNA复制中（或参与DNA复制的其他事件中）的差错或环境伤害的结果。突变是罕见事件，对好的表型有害的自发突变在进化过程中被淘汰。自发突变的发生率对每个组织来说都是特征性的，这种特征是背景水平（backgroundlever，本底水平）的突变。

突变的本底水平指一个生物体的基因组中序列变化积聚的速率。使用了诱变剂的突变叫诱发突变（inducedmutagenesis）当前6页，总共81页。突变为生物进化提供了物质基础。突变有多种形式，从大片段DNA的插入（或缺失）一直到单个碱基的突变。突变可以自发产生，也可以通过诱变剂的诱发产生。任何生物体的突变率取决于，突变的发生及其被消除之间的平衡。按平均数而言，碱基突变率是每代10-9～10-10，即1000bp的基因以每代的概率突变，细菌基因组的突变率是每代3×10-3。当前7页，总共81页。1.1单碱基变化（点突变）常见的单碱基突变是转换（transition），即：一个嘧啶变成另一个嘧啶，或是一个嘌呤变成另一个嘌呤，也就是C→T，A→G；或反过来（viceversa）。

另一种不常见的形式是颠换（trans-version），即：一个嘌呤被一个嘧啶替代，或反过来，结果AT变成了TA或CG。转换和颠换造成点突变（pointmutation）。当前8页，总共81页。

转换颠换发生频率当前9页，总共81页。1.2DNA结构变化插入（insertion）指DNA链中插入一段碱基对（一对或少数几对碱基），使基因的功能或阅读框发生变化的情况。移码（frameshift）：如果1个（或2个）碱基插入到某基因的蛋白质编码区5’端，插入点后的密码发生错误，使原来的编码区编码另一种不同的蛋白质。如果插入3个额外碱基，插入点之后的密码序列不会改变。当前10页，总共81页。正常基因CATCATCAT--------------------

hishishis-------------功能蛋白插入一个碱基CATTCATCAT------------------

hisserser-------------非功能蛋白插入三个碱基CATTAT

CATCAT--------------

histyrhishis---------功能蛋白碱基插入与三联密码插入一个碱基造成移码；三个则插入点后密码序列不变。当前11页，总共81页。缺失（deletion）指DNA链中丢失一对或几对碱基，使基因的功能或阅读框发生变化的情况。

正常HbACNUCU

AAAUACCGUUAA---ThrSerLysTyrArgTer突变HbACNUCAAAUACCGUU----ThrSerAsnThrVal血红蛋白基因编码区中单个碱基缺失,造成合成一条较长的α链.当前12页，总共81页。

小结当前13页，总共81页。

当前14页，总共81页。通读(readthrough):在终止密码子上的移码，会使翻译过程通过原来的终止密码子继续进行下去。缺失和插入可能会造成翻译提前终止、通读或者产生其它非功能蛋白。较大片段的缺失、插入插入因子、转座等当前15页，总共81页。1.3突变热点热点（hotspot）是基因组的一个位点，这里的突变频率大大提高，比相邻位点通常高出一个数量级。

许多热点是由修饰碱基产生的。。修饰碱基（modifiedbase）除了合成DNA的T、C、A、G（或合成RNA的U、C、A、G）以外的所有碱基；它们是由核酸合成后的化学修饰所产生的。5-甲基胞嘧啶是热点的常见原因，它可自发地脱氨基形成胸腺嘧啶。当前16页，总共81页。

1.4

诱变剂

1.4.1物理诱变剂物理诱变剂：紫外线，γ－射线，x－射线，快中子等；当前17页，总共81页。1.4.2化学诱变剂1、碱基类似物

5-溴尿嘧啶（5BU）、2-氨基嘌呤（2AP）2、碱基修饰剂（脱氨因子、羟基化因子、烷化剂）

亚硝酸、羟氨、MMS3、嵌入剂（移码诱变剂）

溴化乙锭（EB）、原黄素当前18页，总共81页。

5-溴尿嘧啶BrDuAT→GCGC→AT当前19页，总共81页。

亚硝基化试剂亚硝基胍二甲基-亚硝化剂二乙基-亚硝化剂当前20页，总共81页。

当前21页，总共81页。亚硝酸当前22页，总共81页。

去氨基去氨基5-甲基-胞嘧啶胞嘧啶C胸腺嘧啶T转换当前23页，总共81页。

当前24页，总共81页。

腺嘌呤G烷基化试剂，如MMS胞嘧啶C胸腺嘧啶TO6-甲基腺嘌呤GC→AT当前25页，总共81页。本次内容1、DNA的突变2、DNA的修复3、DNA的转座当前26页，总共81页。大肠杆菌中DNA的修复系统SOS系统DNA的修复，导致变异当前27页，总共81页。光裂合酶（DNA光解酶，photolyase）把环丁烷胸腺嘧啶二体、

6-4光化物还原成单体O6-甲基鸟嘌呤转甲基酶2.1直接修复当前28页，总共81页。

当前29页，总共81页。甲基转移酶O6-甲基鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸当前30页，总共81页。2.2错配修复错配修复系统保存母链，修正子链如何识别母链？识别母链：甲基化

Dam甲基化酶能使母链在开始复制前几秒钟内被甲基化。（甲基化位点：GATC中的A的N6位甲基化。）当前31页，总共81页。

1

发现错配碱基2母链：甲基化子链：未甲基化当前32页，总共81页。根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图a.发现碱基错配。b.在水解ATP的作用下，MutS,MutL与碱基错配位点的DNA双链相结合。c.MutS-MutL在DNA双链上移动，发现甲基化DNA后由MutH切开非甲基化的子链。当前33页，总共81页。碱基错配修复过程示意图当前34页，总共81页。当错配碱基位于切口3’下游端时，在MutL-MutS、解链酶II、DNA外切酶VII的作用下从错配碱基3’下游端开始切除单链DNA直到错配位点，并在PolIII和SSB的作用下合成新的子链片段。当前35页，总共81页。若错配碱基位于切口的5’上游端，则在DNA外切酶I或X的作用下切除单链DNA直到错配位点，再合成新的子链片段。5’5’5’3’3’3’当前36页，总共81页。2.3切除修复碱基切除修复

AP位点：糖苷水解酶能特异性切除受损核苷酸上的N-β-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。核苷酸切除修复

DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键。当前37页，总共81页。DNA分子中常见的几种核苷酸非酶促转变反应a.脱氨基反应当前38页，总共81页。

DNA分子中常见的几种核苷酸非酶促转变反应b.脱嘌呤反应（N-β糖苷键被水解）当前39页，总共81页。DNA分子中一旦产生了AP位点，内切酶就会把受损核苷酸的糖苷-磷酸键切开，移去AP位点附近小片段DNA，并由DNA聚合酶I和DNA连接酶共同完成修复。DNArepairbybaseexcision碱基受损DNA糖苷酶AP位点AP核酸内切酶当前40页，总共81页。DNArepairbynucleotideexcision损伤发生后，首先由DNA切割酶在已损伤的核苷酸5’和3’位分别切开磷酸糖苷键，产生并移去DNA小片段，然后由DNA聚合酶合成新片段，并由DNA连接酶完成修复中的最后步骤。受损核苷酸DNA切割酶修复因子当前41页，总共81页。大肠杆菌和人类细胞中的核苷酸切除修复过程示意图当前42页，总共81页。2.4重组修复（Recombinationrepair）遗传信息有缺损的子代DNA分子通过遗传重组的方式加以弥补，即从同源DNA的母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后用再合成的序列来补上母链的空缺。当前43页，总共81页。DNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制DNA聚合酶DNA连接酶重组当前44页，总共81页。2.5SOS反应SOSresponse&DNArepairSOS反应：是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的应急效应。SOS反应诱导的修复系统包括避免差错修复(errorfreerepair)和易产生差错修复(error-pronerepair)SOS反应能诱导切除修复和重组修复中某些关键酶和蛋白质的产生，使其含量上升，加强切除修复和重组修复的能力。另外，还能诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合酶，能在DNA损伤部位复制而避免了死亡，但是带来高变异率。当前45页，总共81页。本次内容1、DNA的突变2、DNA的修复3、DNA的转座当前46页，总共81页。DNA的转座，或称移位（transposition），是由可移位因子（transposableelement）介导的遗传物质重排现象。当前47页，总共81页。

转座子（转座元件）

（transposon，Tn，transposableelement）

存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。

是基因组中可移动的单独的序列；能把自己运送到其他的位置上。

一个转座子由基因组的一个位置移到另一个位置的过程称为转座。促进转座的酶称为转座酶，转座子常常编码它自己的转座酶；转座子每次移动时携带转座必需的基因在转座酶的帮助下一起在基因组内跃迁，所以转座子又称为跳跃基因（jumpinggene)。当前48页，总共81页。转座以很低的频率发生；转座子的插入是随机的，不依赖于转座子和靶位点之间任何序列的同源性（有时有程度不同的倾向性）；转座子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内并引起基因表达改变。转座子的特点当前49页，总共81页。3.1.1插入序列（insertionalsequence，IS）最简单的转座子，不含任何宿主基因，只含有为其自身转座所需的（转座酶）基因。IS元件是细菌染色体和质粒的正常组成。λ::IS1

倒(反)向末端重复(invertedterminalrepeat)某些转座子两端取向相反的短的相关序列(或相同序列)。

顺(正)向重复(invertedterminalrepeat)

一个DNA分子内取向相同的同一序列（或密切相关序列）的两份到多份拷贝。

转座酶（transposase）为转座子插入新位置提供酶活性。

3.1转座子的分类和结构特征当前50页，总共81页。

当前51页，总共81页。

当前52页，总共81页。

转座完成后，靶位点形成两个拷贝，位于转座子的两端，形成同向重复序列（directrepeats）。当前53页，总共81页。

当前54页，总共81页。IS元件结构识别：其末端是倒转重复序列，邻近末端的旁侧存在宿主DNA的短正向重复序列。多数IS元件在宿主DNA的多个位点插入，但也有些有其偏爱的特异宿主位点。除IS1外的所有IS元件都含有单一的长编码区。此区编码转座酶。不同转座元件的转座频率不同。一般为每代10-3～10-4次/元件。IS序列的结构特征当前55页，总共81页。3.1.2复合转座子(compositetransposon)有些转座子除转座功能外，中心区还携带抗药性(或其它)标记，两侧有IS元件“臂”，而被称为复合转座子。在复合转座子中，IS序列不能单独移动。大部分情况下，IS序列决定和调节复合转座子的转座能力。当前56页，总共81页。两端的IS1序列相同、同向重复（IS1末端的反向重复区、转座酶编码区相同）Tn9转座子CamR当前57页，总共81页。Tn903转座子两端的IS903序列相同、反向重复（IS末端的反向重复区、转座酶编码区相同）kanR当前58页，总共81页。名称左末端中心区（抗药标记）右末端Tn10IS10L无功能terRIS10R有功能Tn5IS50L无功能kanRIS50R有功能两端的IS序列不相同、反向重复（IS的转座酶编码区高度同源但不相同）Tn10、Tn5转座子当前59页，总共81页。3.1.3TnA家族

无IS序列，两翼带有38bp的倒转重复序列。mRNA靶位点复制靶位点复制左倒转重复（38bp）右倒转重复（38bp）转座酶解离酶β-内酰胺酶当前60页，总共81页。3.2转座的作用机制特征：受体分子中有一段很短的（3-12bp）、称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。不同转座子的靶序列长度不同，但特定转座子复制的靶序列长度是一样的。如IS1两翼有9个碱基对的靶序列，Tn3两端总有5bp的靶序列。当前61页，总共81页。

转座子靶位点两翼的正向重复是因交错切割所产生的突出末端与转座子相连而形成

靶序列的复制源于特定内切酶所形成的粘性末端。当前62页，总共81页。当前63页，总共81页。转座复制性转座：TnA

整个转座子被复制，

移动和转位的是原转座子的拷贝。非复制性转座：IS、Mu、Tn5原始转座子作为可移动的实体直接被移位。当前64页，总共81页。当前65页，总共81页。当前66页，总共81页。3.3转座作用的遗传学效应插入突变如插入操纵子前，造成极性突变，使结构基因表达失活产生新基因转座子的抗药基因染色体畸变缺失、倒位引起生物进化构成新的操纵子或表达单元当前67页，总共81页。当前68页，总共81页。当前69页，总共81页。当前70页，总共81页。3.4真核生物中的转座子3.4.1玉米中的转座子玉米的控制元件形成转座子家族当前71页，总共81页。

每个控制元件家族都含有自主成员和非自主成员，自主成分可以转座，非自主成分不能独立转座。自主和非自主这样的配对组合成分可以分成4个以上的家族。玉米中主要控制元件家族当前72页，总共81页。同一家族的自主性因子能为非自