突变修复与重组

突变修复与重组第1页，共93页，星期日，2025年，2月5日第一节突变第二节修复第三节重组本章要点：突变的概念、类型DNA修复的主要方式

了解重组的分子基础第2页，共93页，星期日，2025年，2月5日一、突变的主要类型

突变是DNA碱基序列水平上的永久的、可遗传的改变。

广义的突变包括染色体畸变和基因突变狭义的突变通常指基因突变

第一节：突变（mutation)根据突变发生的细胞类型：体细胞突变(Somaticmutation)

生殖细胞突变(Germ-linemutation)根据突变发生的细胞类型、对基因功能的影响、突变的方式、发生的原因等可对突变进行不同的分类可遗传给后代仅表现于当代，癌症第3页，共93页，星期日，2025年，2月5日根据对基因功能的影响功能获得突变（gainoffunctionmutation):

使基因功能增强或不受抑制的突变。

功能失活突变（lossoffunctionmutation)：使基因功能失活或显著下降的突变。根据突变的表达类型

非条件型突变:

在任何条件下均可表现的突变

条件型突变:

突变的表现=突变基因型+诱导条件

第4页，共93页，星期日，2025年，2月5日根据突变的方式：缺失（deletion），DNA序列上缺失一个或多个碱基

碱基替换（basesubstitution），DNA分子中一个碱基被另一个碱基替代

倒位（inversion），一段碱基序列发生倒转，但仍保留在原来的位置上

又称点突变插入（insertion），DNA序列中插入一个或多个碱基重复（duplication），一段碱基序列发生一次重复易位（translocation），一段碱基序列从原来的位置移出，并插入到基因组的另一位置第5页，共93页，星期日，2025年，2月5日碱基替换：

根据碱基变化的不同，可以分为：转换（transition)：嘌呤与嘌呤之间，或嘧啶与嘧啶之间的替换颠换（transversion）：嘌呤与嘧啶之间的替换。第6页，共93页，星期日，2025年，2月5日缺失、插入缺失和插入常导致移码突变（frameshiftmutations），结果产生截短的或异常的多肽链。第7页，共93页，星期日，2025年，2月5日根据对遗传信息的影响1同义突变(samesensemutation)：碱基替换改变密码子但并不改变氨基酸

如GAU→GAC，但仍是天冬氨酸DNA的容错机制。2错义突变（missensemutation）：指碱基替换改变密码子并改变氨基酸。

错义突变使蛋白质一级结构改变，导致蛋白质活性和功能不同程度的改变。一般性质相似的氨基酸替换对蛋白质的影响小，而性质不同的氨基酸的替换可能强烈的影响蛋白质的功能。例如人的镰刀性贫血症（HbS)。密码子的简并性第8页，共93页，星期日，2025年，2月5日正常人红细胞镰刀状贫血病人的红细胞第9页，共93页，星期日，2025年，2月5日

CTTCAT谷氨酸缬氨酸第10页，共93页，星期日，2025年，2月5日3无义突变（nonsensemutation):碱基替换使编码氨基酸的密码子突变为终止密码子，mRNA在翻译时提前终止，形成的肽链不完全，一般没有活性。中性突变（neuralmutation):

不影响蛋白质正常功能的错义突变同义突变与中性突变又称为：无声突变或沉默突变（silentmutation)4通读（readingthrough):碱基替换使终止密码子突变为编码氨基酸的密码子，转录出的mRNA在翻译时不能适时终止。第11页，共93页，星期日，2025年，2月5日按突变发生的原因分类

自发突变(spontaneousmutation):在自然状况下发生的突变。

诱发突变(inducedmutation):外界因素诱发引起的突变。自发突变的分子基础

DNA复制错误

自发损伤

转座因子第12页，共93页，星期日，2025年，2月5日DNA复制错误遗传物质是DNA,DNA复制是半保留复制,如果发生错误,引起碱基替换(basesubstitution),造成DNA遗传信息的改变。从而导致基因突变。

正常情况下,A-T配对,氨基态的腺嘌呤(A)只与胸腺嘧啶(T)配对,但有时可转变成稀有的亚氨基形式,可以与胞嘧啶配对,形成A-C,再经一次复制,DNA分子中的A-T对变成了G-C对.

第13页，共93页，星期日，2025年，2月5日自发损伤(spontaneouslesions)

自然产生的DNA损伤引起突变1.脱嘌呤：最为常见，DNA分子中碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏，从而引起鸟嘌呤(G)或腺嘌呤(A)从DNA分子上脱落下来。常引起缺失或插入突变2.氧化性损伤：个体自然产生的氧化基，氧化物如超氧自由基,氢氧自由基及过氧化基等，能对DNA造成氧化性损伤，引起突变。第14页，共93页，星期日，2025年，2月5日3.脱氨基：腺嘌呤（A)脱氨基变为次黄嘌呤（H）ATGC胞嘧啶（C）脱氨基变为尿嘧啶（U）GCAT第15页，共93页，星期日，2025年，2月5日诱发突变的分子基础

诱变剂可以取代碱基，改变碱基或破坏碱基，使DNA发生错配，而引起基因突变。生物因素(黄曲霉素等)诱变剂的分类：物理诱变剂（电离辐射等）化学诱变剂（碱基类似物、脱氨剂、烷化剂、嵌入剂等）第16页，共93页，星期日，2025年，2月5日(1)物理诱变剂

紫外线X－射线和γ－射线嘧啶二聚体胸腺嘧啶紫外线：波长为100～400nm的电磁辐射，非电离辐射，直接作用于DNA。X-射线和γ-射线：电离辐射直接作用于DNA，对DNA产生损伤产生多种突变，并且常常造成DNA重排，例如缺失、倒转和移位。作用于水分子以及其他分子产生离子和自由基，自由基对DNA分子产生广泛损伤。第17页，共93页，星期日，2025年，2月5日(2)化学诱变剂

1碱基类似物：

与碱基结构类似，可替代正常碱基掺入DNA分子，引起碱基替换。

如5-溴尿嘧啶（BU）是胸腺嘧啶T的类似物，可掺入DNA分子中。

酮式BU与A配对，而烯醇式与G配对容易引起G-C对与A-T对的互相转换。。碱基类似物还有5-溴脱氧尿苷（BrdU），5-尿嘧啶，5-氯尿嘧啶及其脱氧核苷，2-氨基嘌呤（2-AP）等第18页，共93页，星期日，2025年，2月5日AGCTTCCTATCGAAGGATAGCTBCCTATCGAAGGATBaseanalogincorporationAGCTBCCTATCGAGGGATAGCTTCCTATCGAAGGAT1stroundofreplicationAGCTBCCTATCGAAGGATAGCTCCCTATCGAGGGAT2ndroundofreplicationA·T

G·Ctransition第19页，共93页，星期日，2025年，2月5日2.脱氨剂(Deaminationagents）除去碱基上的氨基，改变其配对性质第20页，共93页，星期日，2025年，2月5日3.烷化剂(Alkylating）

使DNA中的碱基发生烷化作用，引起特异性错配，或脱嘌呤。

包括芥子气，甲磺酸已酯（EMS），亚硝基胍(NG)等。如EMS,使G的N位置带有已基（已烷化），成为7-已基鸟嘌呤，不与C配对而与T配对，使G-C转换成A-T。第21页，共93页，星期日，2025年，2月5日4.嵌入剂（intercalatingagents）吖啶类化合物是一种平面三环分子，其大小和形状与一个碱基对相似，插入DNA分子中两个相邻的碱基之间，使得原来相邻的碱基对分开一定的距离，致使DNA在复制时增加或缺失一个碱基，造成移码突变。

吖啶橙（acridineorange）、原黄素(proflavine)和溴化乙啶（ethidiumbromide）第22页，共93页，星期日，2025年，2月5日

黄曲霉素B1(AFB1)：霉变的花生等食物中含有大量的AFB1，AFB1是一种强致癌剂。可在G的N-T位形成一个加成复合物即产生无嘌呤位点，使GC颠换为T-A，引起基因突变。可导致肝癌。第23页，共93页，星期日，2025年，2月5日二、正向突变、回复突变与突变的校正正向突变（forwardmutation）：

改变了野生型性状的突变，使性状由野生型变为突变型。回复突变（reversemutation）：

使突变型性状恢复到野生型性状的突变。大多数回复突变都发生在另一位点。因此，这样的突变并未恢复野生型的序列，只是其表型被抑制了。第二点突变可以发生在同一基因上，也可以发生在不同的基因上，前者称为基因内抑制，后者称为基因间抑制。第24页，共93页，星期日，2025年，2月5日1.基因内抑制氨基酸上所带的电荷影响蛋白质构象第25页，共93页，星期日，2025年，2月5日第26页，共93页，星期日，2025年，2月5日第27页，共93页，星期日，2025年，2月5日第28页，共93页，星期日，2025年，2月5日氨基酸侧链的大小影响构象第29页，共93页，星期日，2025年，2月5日2．基因间抑制如：无义突变的表型可被tRNA基因的突变所抑制基因间抑制常发生在tRNA或tRNA功能相关基因上。第30页，共93页，星期日，2025年，2月5日AGAUCUArgGlyGGACCUUCUGlyCCUGly错义抑制突变(Missensesuppressor)Gly第31页，共93页，星期日，2025年，2月5日基因间移码抑制突变

基因内和基因间的错义（无义）、移码抑制突变均由相应的错义（无义）、移码突变抑制第32页，共93页，星期日，2025年，2月5日突变热点（hotspot），

突变可以发生在基因组中的任一位点。但是在基因组中，也存在一些位点，这些位点发生突变的几率比随机分布所估计的要高出许多，可能是预期的10倍或100倍，这些位点被称为突变热点，发生在热点上的突变常常是相同的。大多数突变热点是DNA分子中的5－甲基胞嘧啶位点。第33页，共93页，星期日，2025年，2月5日5mC处的突变率明显高于其它碱基处第34页，共93页，星期日，2025年，2月5日

增变基因（mutatorgene）：

突变后可使整个基因组中的突变率明显上升的基因。增变基因大多与DNA复制或修复有关。第35页，共93页，星期日，2025年，2月5日一系列物理或化学因素可以对DNA造成化学损伤。这些因素包括化学诱变剂、辐射以及DNA分子自发的化学反应等。有些类型的DNA损伤，如胸腺嘧啶二聚体或DNA骨架的断裂，使得DNA不能再作为复制和转录的模板。第二节DNA的修复第36页，共93页，星期日，2025年，2月5日另一些损伤产生了改变了的碱基，它们不会阻止复制和转录的进行，但是可引起错配，在下一轮复制之后导致DNA序列的永久改变。例如，胞嘧啶通过脱氨作用转化为尿嘧啶，产生U∶G错配，在下一轮复制之后，一条子代DNA分子上的C∶

G被

T∶A所取代。细胞在进化过程中，形成了多种修复机制，以保证在损伤阻遏复制或者产生突变之前就识别并修复损伤。

第37页，共93页，星期日，2025年，2月5日一、光复活（Photoreactivation）

在可见光存在的情况下，DNA光解酶（DNAphotolyase）把环丁烷嘧啶二聚体分解为单体。DNA光解酶,又称光复活酶（photoreactivatingenzyme）。光解酶在暗中结合到环丁烷二聚体上，吸收300～350nm的光后被激活，裂解二聚体后与DNA分子脱离。从光复活修复过程可以看出，光解酶不是将嘧啶二聚体替换掉，而是将两个嘧啶环之间的非正常化学键切开，恢复到原来的形式。由于这种修复作用只在可见光下才可发生，所以这种修复机制称为光复活。

第38页，共93页，星期日，2025年，2月5日第39页，共93页，星期日，2025年，2月5日二、烷基的转移一些酶可将烷基从核苷酸转移到自身的多肽链上，例如，在人类细胞中发现有一种O6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶，能直接将DNA链鸟嘌呤O6位上的甲基移到蛋白质的半胱氨酸残基上而修复损伤的DNA。第40页，共93页，星期日，2025年，2月5日第41页，共93页，星期日，2025年，2月5日核苷酸切除修复需要移去一段包括损伤在内的核苷酸序列，然后再通过DNA合成把余下的单链缺口填补上。它可以修复一系列损伤，包括环丁烷二聚体、6－4光产物和链间交联等引起的DNA变形（majordistortion）。尽管这些损伤也可以通过途径进行修复，但NER是它们的主要修复手段。其他能够引起DNA产生显著变形的损伤也可以通过该途径进行修复。但是，这种机制不能修复DNA上的错配碱基，以及仅造成DNA微小变形的碱性类似物和甲基化碱基。三、核苷酸切除修复第42页，共93页，星期日，2025年，2月5日

修复过程需要多种酶的一系列作用，其中包括UvrA,UvrB,UvrC和UvrD。由2个UvrA亚基和1个UvrB亚基构成的复合体，非特异性地结合在DNA分子上，并沿DNA分子滑动，对DNA进行扫描，其中UvrA负责检测螺旋中的扭曲，一旦抵达扭曲部位，UvrA就会退出复合体。UvrB募集UvrC,UvrC具有核酸内切酶活性，它切断损伤位点两侧的磷酸二酯键，3’切割点距损伤位点4－5个核苷酸，5’切割点距损伤位点8个核苷酸。第43页，共93页，星期日，2025年，2月5日UvrD与5’端的切点结合。UvrD是一种解旋酶（又称DNAhelicaseII），它解开两个切点之间的DNA双螺旋，导致一段短的带有损伤的ssDNA和UvrC被释放出来，此时UvrB仍结合于另一条单链DNA分子上，可能是防止单链被降解,也可能是指导DNA聚合酶I与缺口的3’OH结合，合成一段新的核苷酸片断填补缺口，同时释放出UvrB,最后一个磷酸二酯键由DNA连接酶催化形成。第44页，共93页，星期日，2025年，2月5日核苷酸的切除修复DNA解螺旋酶第45页，共93页，星期日，2025年，2月5日核苷酸切除修复（2）光解酶uvrB、uvrA蛋白结合uvrB产生3’-端切口uvrC产生5’-端切口DNA聚合酶Ⅰ或ⅡDNA连接酶uvrD切除第46页，共93页，星期日，2025年，2月5日四、碱基切除修复DNA糖基化酶（glycosylases）能够切断脱氨碱基、甲基化碱基和氧化碱基等非正常碱基与脱氧核糖之间的糖苷键，在DNA上产生一个无嘌呤（apurinic）或无嘧啶（apyrimidinic）位点（AP位点）。细胞胞内的AP核酸内切酶，附着在AP位点上，并在AP位点的5’-端切断磷酸二酯键，形成一个游离的3’－OH末端。DNA聚合酶I利用其5’-3’外切酶活性切去AP位点以及其下游的一段核苷酸序列，同时延伸3’-OH末端填补缺口。最后的切口由DNA连接酶封闭。第47页，共93页，星期日，2025年，2月5日第48页，共93页，星期日，2025年，2月5日错配修复一旦在DNA复制过程中发生错配，通过该系统几乎能完全修正。该系统对DNA复制忠实性贡献很大。修复过程：识别错配，复合物的形成，甲基化及非甲基化链的切开，DNA外切酶切除含错配的部分DNA链，DNA聚合酶III合成新链。五、错配修复（mismatchrepair）第49页，共93页，星期日，2025年，2月5日

当新合成的DNA链上出现错配的碱基对时，2分子MutS识别并结合错配的碱基对。接着2分子的MutL蛋白结合到MutS－DNA复合体上。DNA分子通过MutS－MutL复合体在两个方向上的滑动形成一个回环。一旦遇到半甲基化的GATC序列，MutS－MutL便募集MutH。MutH在子链GATC序列的5’端切断磷酸二酯键，产生一个3’－羟基末端和一个5’－磷酸末端(...pN-3'-OH+pGpApTpC....)。核酸外切酶在解旋酶（UvrD）及Ssb蛋白的协作下，从切口处开始去除一段包括错配碱基在内的一段碱基序列。最后，DNA聚合酶III和DNA连接酶根据亲本链的序列填补子链上被切除的部分，包括错配的碱基。第50页，共93页，星期日，2025年，2月5日第51页，共93页，星期日，2025年，2月5日第52页，共93页，星期日，2025年，2月5日六重组修复1.概念:通过对DNA的复制和同源链的重组，来完成对损伤部位的修复，又称复制后修复。2.特点:①修复过程伴随DNA的复制和重组；②仅修复新合成的不完整的单链，原先的损伤单链仍然保留；③部分重组蛋白的精确性差，修复的出错率较高。3.重组修复过程：(1)复制：以损伤单链为模板复制时，越过损伤部位，对应位点留下缺口；未损伤单链复制成完整双链。(2)重组：缺口单链与完整同源单链重组，缺口转移到完整链，使损伤单链的互补链完整，损伤单链仍然保留。(3)再合成：转移后的缺口以新互补链为模板聚合补齐。第53页，共93页，星期日，2025年，2月5日返回第54页，共93页，星期日，2025年，2月5日七SOS修复1.概念：是在DNA分子受损伤的范围较大而且复制受到抑制时出现的一种应急修复作用。2.过程①当DNA损伤较大时(如产生很多的T=T)，正常的DNA多聚酶复制到损伤位点时，其活性受到抑制；②短暂抑制后产生一种新的DNA多聚酶，催化损伤部位DNA的复制，由于新的DNA多聚酶的修复校正功能较低，新合成的碱基错配频率较高，易引起突变。3.特点：①修复系统需要在DNA分子受损伤的范围较大而且复制受到抑制时才能够启动。②修复系统对错配碱基的修复校正功能低下，从而增加突变的频率。第55页，共93页，星期日，2025年，2月5日③在紧急情况下，细胞通过一定水平的变异来换取细胞的幸存，有利于细胞逃生。

4.SOS系统的启动：通过操纵子(结构基因、启动子、操纵基因、调节基因)来实现：A.SOS基因：recA基因、UvrA、UvrB、UmuC等，也称din基因(damageinduciblegene)，为操纵子的结构基因；B.lex基因：阻遏蛋白基因，正常情况下结合在操纵基因上；C.recA基因：重组蛋白基因，应急状态下启动蛋白质水解酶活性，水解阻遏蛋白，使din基因高效表达，从而启动SOS修复系统。第56页，共93页，星期日，2025年，2月5日返回第57页，共93页，星期日，2025年，2月5日DNA损伤和修复的生物学意义避免基因组的不稳定性、癌症和细胞死亡是至关重要的。DNA修复途径可以识别和修复特异的DNA损伤，保证生物物种的遗传稳定性。第58页，共93页，星期日，2025年，2月5日与DNA修复有关的人类遗传疾病：着色性干皮病(Xerodermapigmentosum)

遗传性大肠癌(Hereditarynonpolyposiscoloncancer；HNPCC)第59页，共93页，星期日，2025年，2月5日着色性干皮病

(Xerodermapigmentosum)

是一种隐性遗传性疾病，有些呈性连锁遗传。因核酸内切酶异常造成DNA修复障碍所致。临床以光暴露部位色素增加和角化及癌变为特征。

1.幼年发病，常有家族发病史。2.面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，伴毛细血管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤痕。皮肤干燥。数年内发生基底细胞癌、鳞癌及恶性黑素瘤。3.皮肤和眼对日光敏感。4.病情随年龄逐渐加重，多数患者于20岁前因恶性肿瘤而死亡。5.组织病理晚期出现表皮非典型性增生、日光角化及鳞癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。第60页，共93页，星期日，2025年，2月5日着色性干皮病Xerodermapigmentosum第61页，共93页，星期日，2025年，2月5日着色性干皮病患儿脸部着色性干皮病背部着色性干皮病组织切片第62页，共93页，星期日，2025年，2月5日着色性干皮病的治疗避免紫外线照射避免肿瘤致病因子对症治疗第63页，共93页，星期日，2025年，2月5日遗传性大肠癌中错配修复基因突变的概率

MSH2~30%MLH1~30%PMS1(rare)PMS2

(rare)MSH6(rare)Unknown~30%SporadicFamilialHNPCCFAPRareCRC

syndromesLiuBetal.NatMed2:169,1996第64页，共93页，星期日，2025年，2月5日第三节：重组同源重组位点特异性重组转座重组第65页，共93页，星期日，2025年，2月5日同源遗传重组Holliday模型断裂交换分支移动切开第66页，共93页，星期日，2025年，2月5日(二)重组有关的酶依赖RecBCD起始的重组模型:RecBCD有依赖ATP的核酸外切酶、核酸内切酶和解螺旋酶活性，当DNA断裂时，它结合在其游离端，使其解旋并降解，直至酶移动到chi位点（GCTGGTGG)，在其3＇侧4-6核苷酸处将链切断，产生3＇游离单链，随后单链与RecA结合，开始同源区重组。第67页，共93页，星期日，2025年，2月5日RecA蛋白的丝状聚合体与DNA的相互作用RecA蛋白的带状图解RecA蛋白的丝状聚合体，每一圈螺旋由6个RecA蛋白单体构成，其中一个单体由红色标出。第68页，共93页，星期日，2025年，2月5日RecA蛋白引起DNA同源重组的模型第69页，共93页，星期日，2025年，2月5日在大肠杆菌中由RuvA,RuvB和RuvC蛋白参与的同源重组。（a）RuvA四聚体的图解。四个亚基形成的结构像四个花瓣的花。（b）RuvA/RuvB的作用：（左）RuvA四聚体结合到Holliday位点；（中）RuvB六聚体结合到杂合双螺旋的两对面，DNA穿过其中心，RuvB六聚体的作用像马达，促进超螺旋分叉点通过复合体移动。（右）RuvC结合到Holliday位点，由其核酸酶活性切断核酸链，切割位点由剪切体辨认。（c）RuvA四聚体的电荷分布，蓝色表示正电荷，红色表示负电荷，注意正电荷位于四聚体的表面，有四个负电荷区域位于其中心。（d）假设的RuvA四聚体与Holliday位点结合的结构模型。第70页，共93页，星期日，2025年，2月5日二、特异位点重组第71页，共93页，星期日，2025年，2月5日细菌的特异位点重组沙门氏菌两种鞭毛蛋白表达的调控第72页，共93页，星期日，2025年，2月5日免疫球蛋白基因的重组IgG的分子结构第73页，共93页，星期日，2025年，2月5日（1）（2）（3）（4）（5）第74页，共93页，星期日，2025年，2月5日重组位点有7和9nt的信号序列,中间间隔12或23bp。第75页，共93页，星期日，2025年，2月5日免疫球蛋白基因重组的模型重组酶（RAC1/RAC2)复合体与重组信号序列结合复合体使编码序列与重组信号序列之间的双连断裂，编码序列的末端形成发夹结构。重组信号序列结合形成环状结构。编码序列连接前经过加工，连接位点不十分确定，增加了免疫球蛋白的多样性。DNA依赖性蛋白激酶(DNA-PK)和DNA连接酶参与了加工和连接过程。9碱基序列7碱基序列第76页，共93页，星期日，2025年，2月5日在不同的核苷酸位点重组可以生成不同的蛋白质第77页，共93页，星期日，2025年，2月5日三、转座重组McClintock的重要发现第78页，共93页，星期日，2025年，2月5日转座子具有反向末端重复序列以及在靶部位两侧产生的同向重复序列。在该例中靶序列为5bp，转座子末端由9bp反向重复序列组成，数字1-9指序列重复碱基对。*两侧正向重复***末端反向重复**(一)细菌的转座因子1.插入因子第79页，共93页，星期日，2025年，2月5日2.组合型转座子：两个插入序列之间夹着一段序列（可以是某个基因，如抗性基因）。两个插入序列可以同向或反向排列，有时均有转座活性，有时只有一个有转座活性。3.复合型转座子：插入序列被转座酶基因取代，图示为Tn3(TnA家族）的结构。两端为38bp的反向重复，其两侧为5bp的靶序列，tnpA编码转座酶，tnpR编码的蛋白质可以作为解离酶（使转座子与受体DNA形成的共整合体重组和解离），也可以作为阻遏蛋白调节tnpA和tnpR两个基因的表达，res为解离的控制位点，TnpR蛋白结合于其上发挥调控作用。第80页，共93页，星期日，2025年，2月5日两个IS10组件构成一个复合转座子，它能使位于他们之间的任何DNA易位。当Tn10是一个小的圆形分子的一部分时，IS10重复序列可转座至环状分子的任一侧。4.转座的方式转座子可用不同的方式转座，转座因子插入