第二章染色体与dna4损伤、修复与转座

理解 DNA损伤修复的基本过程 掌握 DNA损伤与修复的机制 了解突变的类型及其意义学习目的和要求三、 DNA的损伤和修复与基因突变DNA损伤 是指正常 DNA分子的化学结构或物理结构在某些物理因素、化学因素（如射线和化学试剂 )以及细胞自发产生的基因毒素等干扰作用下发生改变的现象。 (一 )DNA的损伤DNA单链断裂双链断裂糖基氧化碱基修饰DNA链间交联DNA与蛋白质之间的交联 1、 DNA的自发性损伤 由 DNA内在的化学活性以及细胞中存在的正常活性化分子所致。 常见的 DNA自发性损伤类型 （ 1）脱嘌呤和脱嘧啶自发的水解可使嘌呤和嘧啶从 DNA链的核糖磷酸骨架上脱落下来。一个哺乳类细胞在 37 条件下， 20h内 DNA链上自发脱落的嘌呤约 1000个、嘧啶约 500个；估计一个长寿命不复制繁殖的哺乳类细胞（如神经细胞）在整个生活期间自发脱嘌呤数约为 108，这占细胞 DNA中总嘌呤数约 3%。 概念（ 2）碱基的脱氨基作用碱基的环外氨基有时会自发脱落，从而胞嘧啶会变成尿嘧啶、腺嘌呤会变成次黄嘌呤（ H）、鸟嘌呤会变成黄嘌呤（ X）等，遇到复制时， U与 A配对、 H和 X都与 C配对就会导致子代 DNA序列的错误变化。胞嘧啶自发脱氨基的频率约为每个细胞每天 190个。（ 3）碱基的互变异构DNA中的 4种 碱 基各自的异构体间都可以自发地相互变化（例如烯醇式与酮式 碱 基间的互变），这种变化就会使 碱 基配对间的氢键改变，可使腺嘌呤能配上胞嘧啶、胸腺嘧啶能配上鸟嘌呤等，如果这些配对发生在 DNA复制时，就会造成子代 DNA序列与亲代 DNA不同的错误性损伤。（ 4）细胞正常代谢产物对 DNA的损伤细胞呼吸的副产物 O2-、 H2O2等会造成 DNA损伤，能产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等 碱 基修饰物，还可能引起 DNA单链断裂等损伤，每个哺乳类细胞每天 DNA单链断裂发生的频率约为 5万次。此外，体内还可以发生 DNA的甲基化，结构的其他变化等，这些损伤的积累可能导致老化。(1)高能离子化辐射（如 X射线、 射线） (2)非离子化辐射（如紫外线） 2、物理因素导致的 DNA损伤3、化学因素导致的 DNA损伤引起 DNA损伤的化学因素主要有两大类：烷化剂 和 碱基类似物 。 （ 1）烷化剂导致的 DNA损伤烷化剂 是一类亲电子的化合物，极容易与生物体内的有机物大分子（如核酸和蛋白质）的亲核位点起反应，可将烷基（如甲基）加入到生物大分子的亲核位点上。烷化剂对核 DNA作用时，就可以将烷基加到核酸的碱基上去。 DNA链上的磷酸二酯键被烷化则形成不稳定的磷酸三酯键，可能在糖与磷酸间发生水解作用，导致 DNA链的断裂。（ 2）碱基类似物导致的 DNA损伤碱基类似物 是一类结构与碱基相似，可改变碱基配对特性的正常碱基衍生物或人工合成的化合物。 它们进入细胞以后，便能替代正常的碱基而掺入到 DNA链中，干扰了 DNA的正常合成。最常见的碱基类似物是 5-溴尿嘧啶（ 5-BU）。DNA损伤的修复 是指 DNA受到损伤后，组织细胞内发生的使 DNA的化学组成和核苷酸序列重新恢复或使细胞对 DNA损伤产生 耐受 的一系列反应。 1、直接修复 （教材 P.55）直接修复是指不需要移去任何碱基或核苷酸就可以将损伤逆转到正常状态的修复机制。它属于无差错直接修复，也是生物体内最简单的一种修复方式。 (二 )DNA损伤的修复光复活作用 是最早发现的一种高度专一的修复方式，它只作用于紫外线引起的 DNA嘧啶二聚体的损伤修复。光修复酶 (Photoreactivating enzyme)或光裂合酶 (Photolyase)（ 1）光复活光复活酶催化的光复活反应 形成嘧啶二聚体 光复合酶结合于损伤部位 酶被可见光激活 修复后酶被释放（ 2）断裂键的连接（ 3）直接插入嘌呤（ 4）烷基转移修复DNA连接酶 DNA嘌呤插入酶 E.coli细胞中存在一种酶叫 O6-甲基鸟嘌呤转移酶，该酶可直接从突变的 O6 烷基鸟嘌呤上除去烷基，酶作用后即失活。它也属于无差错直接修复。 2、切除修复 （教材 P.53-54）切除修复 是指在一系列酶的作用下，将 DNA分子中受损伤部分切除，然后以另一条完整的互补链为模板，重新合成切除的部分，使 DNA恢复正常结构的过程。 切除修复需要多种酶的参与，并且修复过程比较复杂，基本步骤包括识别、切除、修补和连接。 （ 1）碱基切除修复DNA糖苷酶 AP核酸内切酶 DNA聚合酶 DNA连接酶AP位点 :无嘌呤（ apurinic） 和 无嘧啶（ apyrimidinic）位点（ 2）核苷酸切除修复 3、错配修复 （教材 P.52-53）上一次课在讲 DNA复制的忠实性时已经讲过。 一种特殊的切除修复，它是按模板的遗传信息来修复错配碱基的，因此修复时首先要区别模板链和新合成的 DNA链。它通过碱基的甲基化来实现的。大肠杆菌 DNA的 5/GATC序列中 A的 N6都是甲基化的（ Dam甲基化酶负责），复制后的一个短暂时间内，新合成链的 GATC中的 A 未被甲基化，故子代 DNA暂时是半甲基化的，这是识别的基础。错配的碱基被 MutS和 MutL组合的复合体识别并与之结合，再与 MutH内切核酸酶结合，后者在子代链 GATC附近的位点上产生缺刻，启动对损伤区的切除修复。4、重组修复（ 复制后修复） （教材 P.54-55） 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。 完整的另一条母链 DNA与有缺口的子链 DNA进行重组交换，将母链 DNA上相应的片段填补子链缺口处，而母链 DNA出现缺口。 以另一条子链 DNA为模板，经DNA聚合酶催化合成一新 DNA片段填补母链 DNA的缺口，最后由DNA连接酶连接，完成修补。5、 SOS修复 （教材 P.55-56）SOS反应（ SOS response）：能造成 DNA损伤或抑制复制的处理所引起的一系列复杂的诱导效应，称为应急反应。包括诱导出现的 DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制等。突变 是在 DNA分子碱基序列水平上所发生的一种永久性、可遗传的变化，它是与遗传保守性既相对立又相统一的自然现象。 基因突变的影响（ 1） 产生轻微的、不易被察觉的有害或有利的生物学效应，或者形成生物群体的遗传多态性；（ 2） 产生不利于个体生存和发育，但可遗传的生物学效应，导致遗传性疾病；（ 4） 产生致死性突变，导致生物个体在发育过程中死亡，因而不能将突变传递给后代。 （ 3） 产生有利于个体生存和发育，且可遗传的生物学效应，促使生物进化；(三 )基因突变1、基因突变的类型外界因素如某些化学物质诱变剂、紫外线、电离辐射等也可能诱导基因突变的发生DNA复制错误造成碱基的替换、插入或缺失等（ 1）碱基置换突变碱基置换突变 指基因中的一个或少数几个碱基被替代的突变。最简单的碱基置换突变就是点突变，即 DNA序列 上单个碱基的改变。 转换 (transition)：Py与 Py， Pu与 Pu之间变换，多见颠换 (transversion)：Py与 Pu之间变换，少见 同义突变沉默突变（ silent mutation） -氨基酸不变 错义突变（ missense mutation）：氨基酸改变 无义突变（ nonsense mutation）：形成新的终止密码的突变无义突变 错义突变的例子 镰状细胞贫血症编码血红蛋白 b肽链上一个决定谷氨酸的密码子 GAA变成了 GUA， 使得 b肽链上的谷氨酸变成了缬氨酸，引起了血红蛋白的结构和功能发生了根本的改变 终止密码子突变 起始密码子突变指原有的终止密码子突变成氨基酸密码子指原有的起始密码子突变成氨基酸密码子UAG,UAA,UGA AUG （ 2）缺失和插入突变造成翻译过程中其下游的三联密码子都被错读，产生完全错误的肽链或肽链合成提前终止。2、突变的意义（ 1）突变是进化的分子基础（ 2）突变可产生遗传多态性（ 3）致死突变可用于消灭有害病原体（ 4）突变可创造新类型物种（ 5）突变是某些疾病的发病原因 理解各类转座子的结构特征和转座作用的机制。学习目的和要求四、 DNA的转座（教材 P.56-64）基本概念转座子 （ transposon或 transposable element， Tn） 就是基因组上可自主复制和位移的 DNA片段，它们可以直接从基因组内的一个位点移到另一个位点，发生转座重组，从而改变染色体的结构。转座子的转移过程叫 转座 。转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所以转座子又称 跳跃基因 （ jumping gene）。（一）转座子的类型和结构特征类型 ：简单转座子和复合转座子 结构特征 ：（ 1） 结构中含有一个或多个开放阅读框，其中有一个编码转座酶的基因，这种酶催化转座子插入新的位置；（ 2） 两端有 20-40bp的反向末端重复序列，末端