第六章DNA的损伤修复和基因突变

第六章DNA的损伤修复和基因突变第一页，共五十八页，编辑于2023年，星期一第6章DNA的损伤、修复和基因突变

6.1DNA损伤的概念

6.2DNA的修复

6.3

基因突变第二页，共五十八页，编辑于2023年，星期一6.1DNA损伤的概念DNA损伤(DNAdamage)：是指在生物体生命过程中DNA双螺旋结构发生的任何改变。包括：（1）单个碱基的改变通过复制过程改变子代的遗传信息。（2）双螺旋结构的异常扭曲对DNA复制或转录可产生生理性伤害。第三页，共五十八页，编辑于2023年，星期一引起DNA损伤的因素：

（1）自发性损伤(复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、自发脱碱基、细胞的代谢产物对DNA的损伤)；

（2）物理因素引起的损伤(电离辐射、紫外线)；

（3）化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物）。第四页，共五十八页，编辑于2023年，星期一6.1.1DNA分子的自发性损伤

是指DNA在复制过程中碱基配对时产生的误差，经过DNA聚合酶“校正”和单链结合蛋白等综合校对因素作用下仍未被校正的DNA的损伤。包括：

1.互变异构移位

2.脱氨基作用

3.DNA复制中的错误◆碱基错配◆DNA聚合酶的“打滑”

4.活性氧引起的诱变

5.碱基丢失

第五页，共五十八页，编辑于2023年，星期一1.互变异构移位

DNA碱基上的酮基或氨基都位于杂环上N原子邻位，能形成氨基-亚氨基互变异构或酮式-烯醇式互变异构。

氨基-亚氨基互变异构酮式-烯醇式互变异构第六页，共五十八页，编辑于2023年，星期一碱基发生氨基-亚氨基互变异构时，发生A-C、G-T错配。碱基发生酮式与烯醇式结构互变，发生A-C、T-G错配。每条新生DNA链上这种由碱基异构化所导致的突变率在10-8～10-9。第七页，共五十八页，编辑于2023年，星期一2.脱氨基作用碱基的环外NH2有时会自发脱落，使C→U、A→次黄嘌呤（H）、G→黄嘌呤（X），DNA复制时，U-A、I-C、X-C配对，导致子代DNA序列错误。胞嘧啶自发脱氨基的频率为每个细胞每天200个左右。第八页，共五十八页，编辑于2023年，星期一自发脱氨基作用引起的碱基转换

第九页，共五十八页，编辑于2023年，星期一3.DNA聚合酶的“打滑”

DNA聚合酶易在模板上有几个相同碱基串联（微卫星）的部位打滑，聚合酶在模板链上的滑移易于造成缺失，在生长链上的滑移易于造成插入。第十页，共五十八页，编辑于2023年，星期一4.活性氧引起的诱变

细胞代谢副产物O2-、H2O2等会造成碱基损伤，产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，引起碱基配对错误。活性氧造成的碱基损伤

第十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期一第十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期一5.碱基丢失

自发的脱嘌呤和脱嘧啶：DNA分子在生理条件下可通过自发性水解，使嘌呤碱和嘧啶碱从磷酸脱氧核糖骨架上脱落下来。据统计，一个哺乳动物细胞在37℃，20小时内通过自发水解可从DNA链上脱落约1000个嘌呤碱和500个嘧啶碱。在一个长寿命的哺乳动物细胞（如人神经细胞）的整个生活周期中自发性脱落嘌呤数约为108个嘌呤碱，占细胞DNA中总嘌呤数的30%。每个细胞每小时脱去的嘌呤碱和嘧啶碱数分别平均为580个和29个。碱基脱落形成AP位点。热和酸等都可使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落，形成AP位点（Apurinicor

Apyrimidinicsite

）。第十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期一6.1.2物理因素引起的DNA损伤

1、紫外线引起的DNA损伤

DNA分子损伤最早就是从研究紫外线(ultraviolet,UV)的效应开始的。当DNA受到最易被其吸收波长（～260nm）的紫外线照射时，主要是使同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体，其中最容易形成的是TT二聚体。第十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期一

人皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每小时5×104个/细胞，但只局限在皮肤中，因为紫外线不能穿透皮肤。但微生物受紫外线照射后，就会影响其生存。

UV第十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期一2、电离辐射引起的DNA损伤电离辐射损伤DNA有直接和间接的效应，直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损伤，间接效应是指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应活性的自由基进而损伤DNA。电离辐射可导致DNA分子的多种变化：

①碱基变化主要是由OH-自由基引起，包括DNA链上的碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。

②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OH-反应，导致脱氧核糖分解，最后会引起DNA链断裂。

第十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期一

③DNA链断裂

DNA双链中一条链断裂称单链断裂（singlestrandbroken），DNA双链在同一处或相近处断裂称为双链断裂（doublestrandbroken）。虽然单断发生频率为双断的10-20倍，但还比较容易修复；对单倍体细胞（如细菌）一次双断就是致死事件。

④交联

DNA分子中一条链上碱基与另一条链上的碱基以共价键结合时称DNA链间交联。DNA与蛋白质以共价键结合，称为DNA蛋白质交联。第十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期一6.1.3化学因素引起的DNA损伤1.烷化剂对DNA的损伤烷化剂有两类，一类是单功能烷化剂，只能使一个位点烷基化；另一类为双功能烷化剂，如氮芥，可同时使两处烷基化，如果这两个位点在同一条链上，则产生链内交联，如果两个受作用碱基位于两条核苷酸链上，则形成链间交联。

烷化剂的作用可使DNA发生各种类型的损伤：

①碱基烷基化烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的N或O上，烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化，例如鸟嘌呤N7被烷化后就不再与胞嘧啶配对、而改与胸腺嘧啶配对，结果会使G-C转变成A-T。第十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期一

②碱基脱落烷化碱基的糖苷键不稳定，容易脱落形成DNA上无碱基的位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。

③断链DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷化，结果形成不稳定的磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断裂。

④交联双功能基烷化剂——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、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烷基化，结果就能造成DNA链内、DNA链间、以及DNA与蛋白质间的交联。第十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期一氮芥引起DNA分子两条链在鸟嘌呤上的交联

(a)交联附近的总图；(b)交联部分结构图第二十页，共五十八页，编辑于2023年，星期一2.碱基类似物对DNA的损伤

碱基类似物是一类结构与碱基相似的人工合成的化合物，由于其结构与正常的碱基相似，进入细胞后能替代正常的碱基参入到DNA链中而干扰DNA复制合成。第二十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期一ATABU酮BU烯醇GGCAT2-AP氨基TC2-AP亚氨基GC第二十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期一6.2DNA的修复

修复是指在DNA损伤时，细胞对损伤的反应。目前已知有五种DNA修复系统：

1、切除修复

2、直接修复

3、错配修复

4、重组修复

5、易错修复（SOS修复）第二十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期一6.2.1切除修复（excisionrepairing）

也叫复制前修复、暗修复，该修复过程发生在DNA复制之前，在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤的部分切除后，以另一条完整的链为模板，合成出切除部分，从而恢复DNA正常结构的过程。切除修复又包括：

1、碱基的切除修复（BER）

2、核苷酸的切除修复（NER）第二十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期一1.碱基切除修复(Baseexcisionrepair、BER)

主要修复单个碱基缺陷的损伤。包括4步反应：①识别切除碱基：

DNA糖苷酶识别切除改变的碱基，产生无碱基的位点；②酶切：AP内切核酸酶在损伤部位旁边切一个缺口；③修补：DNA聚合酶Ⅰ填补；④连接：DNA连接酶连接。第二十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期一

碱基切除修复（BER）途径中的重要糖苷酶：

(1)

尿嘧啶-N-糖苷酶，从DNA中除去尿嘧啶碱基；

(2)

次黄嘌呤-N-糖苷酶，从DNA中除去腺嘌呤脱氨后形成的次黄嘌呤；

(3)

3—甲基腺嘌呤DNA糖苷酶，可修复烷化剂产生的损伤。第二十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期一2.核苷酸片段切除修复(Nucleotideexcisionrepair，NER)

DNA螺旋结构有较大损伤变形时，则以核苷酸切除修复方式进行修复。暗修复（darkrepair）。①短-补丁修复（short-patchrepair）②长-补丁修复（long-patchrepair）第二十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期一原核生物DNA损伤切除修复：①识别：UvrA，UvrB辨认及结合DNA损伤部位。②UvrA释放，UvrC结合上来。③切除：UvrB、UvrC在损伤部位的两侧切开。④UvrD使被切开的部分解旋，释放被损伤的链。⑤修补和连接：DNA-polⅠ和连接酶填补空隙和连接。第二十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期一原核细胞NER系统蛋白质和酶的功能

蛋白质功能UvrA识别损伤并充当分子接头UvrB识别损伤并在3'-端切开DNA链UvrC在损伤部位的5'-端切开DNA链UvrD解链酶DNApolI/II填补缺口DNA连接酶连接切口第二十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期一第三十页，共五十八页，编辑于2023年，星期一着色性干皮病（Xerodermapigmentosum）是一种切除修复酶的缺陷。患者对日光或紫外线特别敏感，对紫外线引起的DNA损伤不能修复，容易诱发皮肤癌。第三十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期一6.2.2错配修复(Mismatchrepair，MMR)

负责修复DNA复制过程中由于错误掺入而产生的错配。是一种复制后修复。(1)

识别错配的碱基对。(2)

对错配的一对碱基要能准确区别哪一个是错的，哪一个是对的。错配修复能区分新链及模板链。区分方式是用Dam甲基化酶在模板链GATC中的A（N-6）上甲基化修饰。因此错配修复也称甲基指导的错配修复。(3)

切除错误的碱基，并进行修复合成。原则是保存母链，修正子链。第三十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期一②扫描（区别）：在水解ATP的作用下，MutS、MutL在DNA双链上移动，发现甲基化DNA，DNA由此形成突环。①识别：MutS二聚体识别并结合到DNA错配碱基部位；MutL二聚体与MutS二聚体结合，形成四聚体。③切除：MutH内切核酸酶结合到MutSL上，由MutH切开非甲基化的子链。DNAhelicaseII,SSB,exonucleaseI去除包括错配碱基的1000个核苷酸片段。④修补：DNApolymeraseIII和DNAligase填充缺口。昂贵的代价用于保证DNA的准确性。错配修复过程：

第三十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期一

如果MutH的切点在错配碱基的5′端，则由外切核酸酶VII或核酸酶RecJ来降解含有错配碱基的片段。如果MutH的切点在错配碱基的3′端，将由外切核酸酶I或X从3′→5′方向水解含有错配碱基的片段。最后由DNApolIII和连接酶分别填补缺口和连接切口。第三十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期一6.2.3直接修复（损伤逆转）

直接修复（directrepair）是把被损伤的碱基回复到原来状态的一种修复。有以下三种方式：（1）光复活作用在可见光（400nm）存在的条件下，在光复活酶作用下将UV引起嘧啶二聚体分解为单体的过程。光复活是原核生物中的一种主要修复形式（单细胞生物到鸟类均有此酶，这种修复方式对植物体特别重要，而哺乳动物无此酶）。第三十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期一(2)O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶(MGMT)直接修复以防止形成G—T配对。

MGMT能防止DNA链烷基化导致的死亡和突变效应。

MGMT存在于酵母和人类细胞中。第三十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期一(3)单链断裂修复

只需要DNA连接酶参与，属于直接修复。

DNA连接酶催化DNA双螺旋结构中双链之一的缺口处的5′磷酸与相邻的3′羟基形成磷酸二酯键。第三十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期一6.2.4重组修复(recombinationrepair)

也称复制后修复、链转移修复、同源重组修复

①复制：受损伤的DNA链复制时，产生的子代DNA在损伤的对应部位出现缺口。②重组：在RecA酶的作用下，完整母链DNA与有缺口子链DNA进行重组交换，将母链上相应片段填补子链缺口处，而母链出现缺口。

③再合成：以另一条子链DNA为模板，经DNApol合成一新DNA片段填补母链DNA缺口，最后由DNAligase连接完成修补。第三十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期一

重组修复不能完全去除损伤，损伤的DNA片段仍然保留在亲代DNA链上，只是重组修复后合成的DNA分子是不带有损伤的。但经多次复制后，损伤就被“稀释”了，在子代细胞中只有一个细胞是带有损伤DNA的。重组修复机制的缺陷,有可能导致肿瘤发生。第三十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期一6.2.5易错修复和SOS反应第四十页，共五十八页，编辑于2023年，星期一SOS反应(SOSresponse)是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急反应。SOS反应诱导的修复系统包括：

1、避免差错的修复（errorfreerepair）：错配修复、直接修复、切除修复和重组修复。

2、易产生差错的修复（errorpronerepair）：易错修复（SOS修复）。SOS反应可诱导产生DNA聚合酶Ⅳ和Ⅴ，它们不具有3′核酸外切酶校正功能，但在DNA链的损伤部位即使出现不配对的碱基，仍然能催化核苷酸的聚合，使复制继续进行。这种情况下允许错配可增加细胞存活的机会。第四十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期一SOS反应：0期：还没有出现SOS应答，MMR（错配修复）。1期：NER（核苷酸片段切除修复）。2期：重组修复，主要是针对DNA双链断裂的修复。3期：SOS修复（易错修复）。4期：凋亡。第四十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期一RecA与LexA组成调控环路RecA在SOS反应中起核心作用未诱导的细胞

诱导的细胞第四十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期一当DNA复制度过难关后SOSrepair是一种错误倾向性极强的修复机制是进化中形成的“竭尽全力，治病救人”的措施（正常状态下，SOS是关闭的）RecA-p很快消失LexAgeneonSOSoff1、DNA的修复；2、导致变异。许多细胞的死亡只是为一些细胞的存活所付的代价。第四十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期一6.3基因突变突变：是指遗传物质发生可遗传的变异。基因突变（Genemutation）：基因的核苷酸顺序或数目发生改变。：染色体数目和结构的改变。第四十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期一6.3.1基因突变的类型（1）点突变(pointmutation)（2）缺失

(deletion)（3）插入

(insertion)（4）重排

(rearrangement)：倒位或移位第四十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期一（一）点突变（碱基替换）点突变(pointmutation)

是指DNA分子上发生了单个碱基的改变。点突变的特征是它具有很高的回复率。1.转换：发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。Purine→Pu或者Pyrimidine→Py

2.颠换：发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。Pu→Py或者Py→Pu第四十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期一从对遗传信息的改变上定义

同义突变（无声突变、中性突变，沉默突变）：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。

渗漏突变：是突变基因的产物尚有部分活性的错义突变，是表型界于野生型与完全突变型之间的某种状态。

第四十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期一

回复突变:使突变体在表型上回复到野生型状态的突变。

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。

突变热点（MutationHotpoint）：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于平均数，这样的位点称为突变热点。第四十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期一（二）缺失缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上丢失。特点：回复突变率极低。插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。特点：回复突变率极低。移码突变（框移突变）是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。

缺失或插入都可导致移码突变

。（三）插入第五十页，共五十八页，编辑于2023年，星期一（四）重排

DNA分子内较大片段的颠倒、重复、交换，称为重排或重组。第五十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期一5.3.2诱变剂的作用1、碱基类似物（Baseanalog）：

是与DNA正常碱基类似的化合物，也能在DNA复制时取代正常碱基掺入并与互补链的碱基配对。但这些类似物易发生互变异构，在复制时改变配对性质，引起碱基对转换。5-