基因突变与dna损失修复ppt课件

第13章 基因突变与DNA损失修复 本章将讲述 1、点突变及其分子效应 2、点突变的诱发机制 3、自发突变 4、动态突变 5、DNA损失修复机制 6、基因突变的检测 13.1 13.1.1 点突变及其分子效应 点突变的类型 基因突变（Gene mutation）：一个基因内DNA序列结构 的改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换等。这 种突变是一种遗传物质的可遗传的改变，通常从一个等位基因 变为另一个新的等位基因。 点 突 变（point mutations）:影响基因中（DNA中）的 一单个碱基对的那 些基因突变。 点突变的类型 （1） 碱基替换（base substution） 一对碱基替换另一对碱基所造成的突变，可分为： 转换（transition） 替换发生在同 类碱基之间，即一种嘌呤替换另一种嘌呤， 一种嘧啶替换另一种嘧啶。 转换突变的四种类型： ATGC TACG GCAT CGTA 颠换（transversion） 不同类型的碱基间的替换，即嘌 呤被替换成嘧啶，或是相反。这种替换较为少见。 八种类型的颠换突变： ATCG ATTA GCTA GCCG TAGC TAAT CGAT CGGC （2） 碱基的增加及缺失 通常称为插入缺失（insertion and deletion， indel ） 。插入缺失突变指的是一个碱基对被插入或从DNA中被删除 ，有时也可能一次同时发生碱基对的插入和缺失。 13.1.2点突变的分子效应 （1） 突变发生在基因编码区 在蛋白质水平上可造成： 同义突变（ synonymous mutation）某基因的一个 碱基对的变化改变了mRNA中的一个密码子，该密码子与原密 码子一样编码相同的氨基酸，产生的蛋白质仍为野生型功能 。若碱基替换发生在密码子的第三位时，由于密码子的简并 性，并不能产生错误的氨基酸，故同义突变又称为沉默突变 （ silent mutation） 。 例：由ATGC转换突变而产生的一个沉默突变使密码子 从5-AAA-3变为5-AAG-3，这两种密码子都是Lys的专用密 码子 图13-1 错义突变（missense mutation）: 由于单个碱基替换导致肽链中的氨基酸发生改变。 在DNA中一对碱基的改变引起一个mRNA密码的改变，结果使 得多肽链中原来的一个氨基酸，变为另一个氨基酸，导致表型 的改变。如图132C，一对碱基ATGC转换突变，使得 DNA从5-AAA-3变成5-GAA-3mRNA密码子从 3-TTT-53-CTT-5图132 5-AAA-3（Lysine） 5-GAA-3（Glutamic acid 谷氨酸）。 例如：人的-hemoglobin基因在第六个密码子上一对核苷酸的 变化导致-hemoglobin链的一个氨基酸替换（GluVal），若 该个体是突变的纯合子，他将是镰刀形贫血病患者，HbAHbs 图133 移码突变（frameshift mutation）: 由基因内增加或减少一个或多个碱基对所引起的密码子 的改变。（当只含有一个碱基的变化时，这种移码突变为 点突变）。 例如：增加或减少一个碱基对，移动了mRNA阅读框一个 碱基，结果一个不正确的氨基酸被加到多肽链突变后的位 点。图135 通常，移码突变得到新的密码子产生一个较短的蛋白质或造 成对正常终止密码子的通读（readthrough），得到比正常 蛋白质更长的蛋白质，二种情况都是无功能的蛋白质。 （2） 突变发生在基因的非编码区 调节区和非编码区的DNA序列，在DNA水平上，它们 包括RNA多聚酶及其相关因子和特定转录因子的结合位点。 在RNA水平上则包括核糖体结合位点，真核生物mRNA 外 显子交接区5和3端拼接位点以及调节mRNA进入细胞特 定区域和组分的翻译调节和定位信号位点。 结合位点一旦被破坏很可能改变基因在特定时间、组织 或特定环境反应中的表达量，某些结合位点的突变可能完全 阻遏基因正常表达的必经步骤，如果RNA聚合酶或剪接因子 （ splicing factor）的接合位点发生突变则可使基因产物完 全失活或阻断其产生。调节位点的突变通常只改变产生蛋白 质的数量而不是其结构。区分特定基因在DNA水平的改变与 在表型水平上的改变是十分重要的，在基因的非编码区发生 的许多点突变，往往只引起细小的或完全没有表型上的改变 ，这些点突变通常发生在调节蛋白结合位点之间的DNA 序 列，这些序列可能与基因功能无关或位于基因内的重复区。 13.1.3基因突变的多向性和可逆性 同一个基因可以向不同的方向突变，但在染色体上的座 位不变。 例如：果蝇X染色体上的基因WW（白眼） We（曙红眼)） (Wb,Wbf,Wa,Wc,Wt,Wx等） 这些基因都是等位的，影响同一种性状眼睛颜色， 彼此间不能交换和重组，它们是同一个基因向不同方向发生 突变而产生的复等位基因的起源。 此外，当某个基因A突变成a以后，也可以再向反方向发生突 变，回复成原来的A，并使表型恢复原状，这叫回复突变（ reverse mutations/ reversion/back mutation） 突变 A 回复 a AAA(Lys) wild-type forward GAA (Glu) reverse mutant AAA(Lys) wild-type Exact reversion 正向突变（Forward mutation）是引起基因型从野生型变为 突变型的突变。 回复突变（reverse mutation）是使得基因型从突变型为野生 型的突变。 Equivalent reversion (等价回复突变) UCC(Ser)forwardUGC(Cys)reverseAGC(Ser) wild-typeMutantwild-type 一种突变的效应可由另一种抑制基因突变 （suppressor mutation）来减少或取消， 即：在不同于原来的位点的突变（也叫第二或第二点 突变Second-site mutation） r/x (=FCO) Reversion r/x (=FCO) r/y suppressor 一个抑制基因突变并不导致一个原来突变的回复，而是遮蔽 或补偿最初突变的效应，也就是说，真正的原位回复突变很 少（回复到野生型的DNA序列），而大多数是第二点突变。 原来的突变位点依然存在，而它的表型效应被基因组第二位 点的突变所抑制，因而称为抑制基因突变。 两种：基因内抑制基因突变（Intragenic Suppressors） 基因间抑制基因突变（intergenic Suppressors） 不论是基因内的还是基因间的抑制起作用都产生有功能 或有部分功能的蛋白质，这样，只有在原来的突变和抑制基 因突变都存在于相同的细胞内时可能恢复蛋白质的功能。 功能缺失型突变与功能获得型突变 由于突变导致基因功能的丧失或减弱，这种突变称为功能 缺失型突变（loss-of-function mutation ）。 如果由于DNA序列的插入、丢失或重要的碱基替换造成的 蛋白质功能的完全丧失，或导致转录产物的提前终止，使得基 因功能完全丧失，则称为零突变或剔除突变（null mutations or knockout mutations）。 如果基因突变仅造成基因表达水平或基因产物活性的降低 ，这种突变称为亚效突变（hypomorphic mutation）或渗漏突 变（leaky mutation）。 如果这个基因的突变导致表型变异，那么零突变表型变异 应该是完全彻底的，而亚效突变的表型取得于基因表达水平或 基因产物活性降低的程度，介于零突变与野生型之间。功能缺 失突变一般是隐性突变。 功能获得型突变（gain-of-function mutation） 这种突变赋予了蛋白质异常的活性，并可能产生新的表型。很多这 类突变发生在基因的调节序列而不是编码区，因而其后果有多种情况。 如果基因表达的空间方式被改变，即基因表达产物在基因原来不表达 的部位积累，这种表达方式叫异位表达（ectopic expression）。基因 的异位表达经常导致超出预期的表型变化，例如在果蝇任何非眼组织（ 腿、嘴、腹和翅等）异位表达eyeless可导致复眼的部分组织以及完整的 眼色素的产生。如果一个基因在个体基因组中具有多个拷贝，功能缺失 型突变一般不造成明显的表型变异，因为突变拷贝的功能会被其它正常 的拷贝所弥补。而功能获得型突变则可以使基因原来的功能互相叠加， 表型更加明显。 13.2 物理因素 化学因素 突变发生的原因和机制 诱发突变 1927年 H.J.Muller 用X射线处理果蝇精子, 果蝇后代的突变率可以成百上千倍地增加。 证明X射线可以诱发突变 同一时期，Stadler用X射线和射线处理 大麦和玉米种子，也得到了相似结果。 1945年第一颗原子弹爆炸，人们才开始认识 到Muller发现的重要意义。 1946年Muller获诺贝尔物理奖 （1）DNA复制错误 链 滑 动 （strand-slippage） Because the same short homologous unit (CA, for example) is repeated over and over again, DNA polymerase may develop a stutter during replication, that is, it may slip and make a second copy of the same dinucleotide, or skip over a dinucleotide. 在DNA的复制过程中由于DNA的错误环出自发地产生碱基的 插入和缺失突变 e- （2）辐射和诱变 生物体接触的辐射线：X射线、射线、射线、 射线、以及中子和质子等。 粒子辐射：射线、射线、和不同能量的中子、质子等。 电磁波辐射：射线、X射线 辐射穿透细胞使细胞里原子中的电子从它们的 轨道中撞击出来形成离子 电离辐射（ionizing radiation） 对细胞的物理学效应： (电离辐射的直接作用) e+ X射线、射线或带电粒子生物体从细胞中各种原子成 分的外层击出电子产生很多离子对引起细胞内（或DNA） 原子或分子的电离和激发引起遗传物质的改变。 H2O 同时产生对细胞的辐射化学效应： 细胞内物质吸收辐射的能量（主要是水分）： H2O 电离辐射 e- (正离子) （自由离子） e- + H2O H2O- (负离子) 射解作用 进一步反应： H2 O H2O+ H+ + OH H2O- OH- + H 形成离子和自由基 自由基能互相反应，并能和其他分子发生反应 总起来称为辐射的间接作用： H OH H2O H H H2 OH OH H2O2 H O2 HO2 当过氧化氢，其它有机过氧化物和这些自由基（H 和OH ）与细胞中的 核酸、蛋白质、酶等大分子物质发生化学变化时，水的射解就具有生物效 应了。 氧化物及其过氧基（HO2） 大分子表面核酸 转移 蛋白 酶 将会使大分子发生有损于活细胞结构的化学变化。 射线的物理效应化学效应对细胞的遗传学效应是： 诱导染色体断裂、染色体重排以及造成点突变。 可将辐射对遗传物质的诱变作用机理概括如下： 直接作用间接作用直接或间接作用 物理学效应电离或激发水的射解，形成 化学效应 H 、OH 、H2O2、HO2 及其它氧化物 生物化学效应 （遗传学效应）点突变、染色体畸变酶的变化 生物效应体细胞或不育死亡 性细胞突变 氧化损伤 过氧化物原子团（O2-） （H2O2 ），（-OH）等需氧代谢的副产物都是有活性 的氧化剂， 它们可导致DNA的氧化损伤， T氧化后产生T乙二醇， G氧化后产生8-氧-7,8二氢脱氧鸟嘌呤、8-氧鸟嘌呤(8- O-G)或“ GO”， GO可和A错配，导致GT。 电离辐射的遗传学效应在大多数生物中有两个重要结论： 电离辐射可诱发基因突变和染色体断裂，它们的频率跟辐射剂 量成正比。 例： 2000r 6的X连锁隐性致死 4000r 12的X连锁隐性致死 在相当范围内存在着线性关系 辐射效应有累加作用 低强度长期照射（慢照射）与高强度短期照射（急性照射），诱发的 突变数一样。连续照射与间歇数小时的分次照射，产生的突变数也一样。 大多数生物中，在总剂量相同的情况下，用低剂量率处理的多表现生 长正常，而过高的剂量率处理的常引起生长异常或死亡。 建议：在日常生活中应尽量避免和照射源的不必要接触， 而在诱变研究实践中，要多考虑到剂量率的作用。 果蝇精子 (3) 紫外线和诱变 紫外线（ultraviolet light）属非电离辐射（nonionizing）， 即它没有足够的能量来诱导离子化。但紫外线是一种诱变剂， 在足够高的剂量时，它仍能杀死细胞。 医院用紫外线作为灭菌剂（sterilizing agent）。 紫外线引起突变，因为DNA中嘌呤和嘧啶碱基在紫外分布区 （254260nm）有一个非常强的紫外光吸收，在该波长UV 光诱发基因突变主要是通过引起DNA中光化学变化。 紫外照射的能量X射线的能量紫外线的穿透能力有限: 30可穿透玉米花粉壁，8可穿过鸡蛋的卵黄膜，这很难保 证实验群体中每一细胞都接受同样的辐射能量，紫外线很少用 作高等生物的诱变剂，而多用在微生物、生殖细胞、花粉粒以 及培养中的细胞等。 太阳-非常强的UV照射，但多数紫外线被大气层 中的臭氧层所屏蔽。 人类的日光浴晒黑皮肤，过度的照射引起损伤。 紫外线照对DNA效应之一是在DNA双螺旋的相同链的 相邻的嘧啶分子间或在相反链上的嘧啶分子间形成异 常的化学键，多数诱导的是邻近的胸腺嘧啶-形成胸 腺嘧啶二聚体（thymine dimers）TT少数CC、 7.7 CT和TC二聚体。这些异常配对在DNA链中产生膨胀 （凸 出部分）7.8，破坏As与相反链Ts的碱基配对。 两个碱基平面被环丁基所扭转，引起双螺旋构型的局 部变化，同时氢键的减弱。 TT阻碍DNA双链的分开和下一步的复制。 TT的DNA模板DAN复制，pol将两个腺嘌呤核苷酸加进 去不能形成正确的氢键被pol 35校对而切除 反反复复发生，产生空耗过程。 即：大量的dATP被分解，而DNA复制毫无进展，但蛋白 质仍在不断合成，而DNA不能复制，细胞也不能分裂，最 后导致细胞死亡。 对于胸腺嘧啶二聚体，主要有五种修复途径： 光复合、切除修复、重组修复、SOS修复、二聚体糖基酶 修复。 三 类 (4) 化学诱变剂（chemical Mutagens） 基碱类似物（Base analogs） 基碱修饰剂（Base modifying agents） 嵌入剂 （Intercalating agents） 碱基类似物 其分子结构极其相似于DNA分子中的正常碱 基，故可以结合进复制的DNA链中去。 引起突变的原因是：它们能够以互变异构体的状态形式存 在。一种普通状态（酮式）和 一种稀有状态（烯醇式） 两种状态中的每一种状态与DNA的一种不同的碱基配对，结 果产生碱基对替换突变（substitution mutation） 5溴尿嘧啶 5溴尿嘧啶 酮式烯醇式 例如：两种常见的碱基类似物诱变剂： 5溴尿嘧啶（5-bromouracil, 5Bu） 2氨基嘌呤（2-aminopurine, 2AP） 5Bu类似胸腺嘧啶（T），只是以Br原子取代了甲基。 正常状态：5Bu类似于T，将只与DNA中的A配对 Bu=A 稀有状态：5Bu类似于C，它只与G配对 Bu=G 一旦5Bu被插入DNA中，它就通过在二种形式 （酮式和稀有的烯醇式）之间的转变来引起突变。 5Bu诱导的突变可经5Bu第二次处理回复，碱基类似物2氨基 嘌呤（2AP）作为诱变剂起作用基本上象5Bu那种方式起作用 7.10 2AP也是以正常状态和稀有状态存在。 正常状态 :2AP类似于A，但是在嘌呤环上不同 的是有一个氨基。正常状态与T配对。 稀有状态: 2AP类似于G，与C配对，象5BU那样，2AP诱 导碱基转换突变，可以从AT GC或GCAT， 取决于它最初整合进入DNA时的状态。 注意：因为以上所涉及的突变在两种情况下都是转换，所以 5Bu能够使由2AP诱导的突变回复，反之亦然。 碱基替代的遗传学效应主要是影响遗传信息的传递。 由于单个碱基被代换可以产生: 链终止突变 错义突变 错义突变的抑制突变 最终表现遗传的变异 并不是所有的碱基类似物都是诱变剂。 AZT（azidothymidine，叠氮胸腺嘧啶）是一种已批准治 疗AIDS（acquired immunodeficiency syndrome 获得性免疫 缺损综合症）病人的药物，AZT是碱基T的类似物，但不是诱变 剂，因为它并不引起碱基对变化。 AIDS病毒，HIV1（human immunodeficiency virus-1） 是一种反转录病毒：HIV1 RNAcDNA 在基因组DNA中指导新的病毒整合进寄主基因组DNA中 AZT在病毒RNA cDNA步骤中作为反转录酶的一种底物。 AZT并不是细胞DNA多聚酶的好底物，所以，它并不使宿主 DNA合成受到影响。 AZT作为一种选择毒性（selective poison）抑制病毒cDNA的 产生。这样阻碍新的病毒合成，因cDNA必须合成后才能整合进 宿主基因组，才能编码病毒成分。 叠氮胸苷 (抗病毒药)名称(英) ：Zidovudine (AZT) 别名 ：叠氮脱氧胸苷;叠氮胸腺嘧啶脱氧核甙;齐多呋定 适应症 ：用于治疗艾滋病获得性免疫缺陷综合征（AIDS）。病人有合并症（卡氏 肺囊虫病或其他感染）时尚需应用对症的其他药物联合治疗。 用量用法 成人常用量：次200，每小时次，按时间给药。有贫血的病人：可按 次100给药。 注意事项 1.有骨髓抑制作用，可引起意外感染、疾病痊愈延缓和牙龈出血等。在用药期间 要进行定期查血。嘱咐病人在使用牙刷、牙签时要防止出血。 2.可改变味觉，引 起唇、舌肿胀和口腔溃疡。 3.叶酸和维生素12 缺乏者更易引起血象变化。 4. 在肝脏中代谢，肝功能不足者易引起毒性反应。5.遇有发生喉痛、发热、寒战、 皮肤灰白色、不正常出血、异常疲倦和衰弱等情况，应注意到骨髓抑制的发生。 6.对醋氨酚、乙酰水杨酸、苯二氮卓类、西咪替丁、保泰松、吗啡、磺胺药等都 抑制本品的葡萄糖醛酸化，而降低清除率，应避免联用。 7.与阿昔维络（无环鸟 甘）联用可引起神经系统毒性，如昏睡、疲劳等。 8.丙磺舒抑制本品的葡萄糖醛 酸化，并减少肾排泄，可引起中毒危险。 储存、有效期 制剂 胶囊：每胶囊剂100。 碱基修饰剂（Base-Modifying Agents） （或叫直接诱变剂） 与碱基类似物不同，许多化学物质作为诱 变剂，通过直接地修饰碱基的化学结构和化学 性质。 主要有三种类型 脱氨基剂 （Deaminating agent） 羟 化 剂 （Hydroxylating agent） 烷 化 剂 （Alkylating agent） 1）脱氨基剂：能使碱基上的氨基脱落下来，从而改变碱基 的结构和配对特性。 亚硝酸（Nitrous acid,HNO2） 是应用最广的一种脱氨 基剂，它的作用主要是使胞嘧啶脱氨基变成尿嘧啶，腺嘌呤 脱氨基变成次黄嘌呤（Hypoxanthine,H），鸟嘌呤脱氨基变 成黄嘌呤（Xanthine,X）。(7.11) 不过鸟嘌呤（G）脱氨基后变成黄嘌呤实际上并没有诱变 效应，因为黄嘌呤的配对特性同G一样，仍同C配对。 7.11 返回 2）羟化剂(7.11) 羟胺（hydroxylamine）：NH2OH是一种典型 的羟化剂，能使胞嘧啶的氨基羟化带上羟基， 变成羟化胞嘧啶。结果使GC转换成AT。羟胺 的诱变作用十分专一，几乎只引起GCAT， 所以由羟氨诱导的突变不能用羟氨来回复。 3）烷化剂 （7.12) 烷化剂是带有一个或几个不稳定烷基的化合物，能同碱基 起作用，使之带上烷基（CH3，CH2CH3），继而引起复制时 碱基错配。（specific Mispairing）（7.11) 烷化剂种类很多，比较常用的有： 甲基硫酸乙酯（Methyl methane sulfonate MMS） 乙基硫酸乙酯（Ethyl methane sulfonate EMS） 亚硝基胍（Nitrosoguanidine,NG）等 例如：MMS能使鸟嘌呤第6位上的酮基氧原子带上甲基CH3，能 使胸腺嘧啶第4位酮基上的氧原子带上甲基。 EMS则使它们分别带上乙基CH2CH3 最终使GCAT，TACG （转换） 烷化剂的另一个作用可能是脱嘌呤，即：使嘌呤烷化后同糖 的结合键断裂，使它从DNA长链上脱落下来，造成一个空档。等 到复制时，与空档相当的地方就可以配上任何一种碱基，引起转 换和颠换。 嵌入剂（Intercalating Agents）/intercalator 嵌入诱变剂包括: 硫酸原黄素（proflavin）、 吖啶（Acridine）、溴化乙淀（Ethidium bromide）， ICR170，ICR191等，它们通过将自身插入到DNA双螺旋 的分子结构中，从而引起DNA分子拉长和歪斜，最终导致碱基的增 加和减少（造成DNA分子拓扑态的改变）。 7.14 如果嵌入剂插在DNA链邻近碱基对之间，作为模板合成新的 DNA，一个额外的碱基（如图中随机选择G）必须要插在嵌入剂相对 的链上。在多次复制后，嵌入剂丢失，结果由于插入了一对碱基产 生移码突变。如果嵌入剂插在新合成的DNA链中，当嵌入剂丢失 后，DNA复制，结果缺失一个碱基对，也产生一个移码突变。 7.13 13.4 动态突变 13.4.1动态突变及其机制 动态突变（ dynamic mutation）:是在基因的编码区、3或5 UTR、启动子区、内含子区出现三核苷酸重复，及其他长短不等的小卫 星、微卫星序列的重复拷贝数，在减数分裂或体细胞的有丝分裂过程中 发生扩增而造成遗传物质的不稳定状态。 三核苷酸重复,如(CAG)n、(CCG)n、(CTG)n、(CGG)n等的重复数（n ）不断增加使拷贝数改变后的基因的可突变性（ mutability）不同于 拷贝数改变前的基因。 动态突变也可称为基因组不稳定性（genomic instability） 这类特殊的突变可造成基因功能丧失或获得异常改变的产物，从而 导致人类的多种疾病，这种情况最初是在人类神经系统疾病相关的基因 中发现的。 研究发现，一些遗传病的发生与某些核苷酸串联重复的 拷贝数大大增加有密切的关系。由于这种拷贝数的改变随着 世代的传递而不断扩大、扩增，因此这种改变被认为是一种 动态的突变。 长期以来，都认为单基因遗传病的发生都是某一基因， 及其与之相关的调控顺序中单个碱基的点突变所引起，这种 突变在一定的条件下保持相对稳定的突变频率，所以这种突 变被认为是一种静态的突变。动态突变的发现，使人们对遗 传病的发生机制有了新的认识。关于三核苷酸重复拷贝数扩 增突变引起疾病的作用机制，还没有一个很完整的解释。 13.4.2 动态突变与人类疾病 与动态突变有关的人类疾病最少有20种以上，其中以三核苷酸重复 的异常扩增引起的神经退行性疾病为多，具有下列特征： 除了都具有三核苷酸重复数目的异常增加外，致病基因序列之 间没有同源性。例如，(CAG)n扩增引起的导致的脊髓小脑共济失调，各 个基因都具有(CAG)n 的拷贝扩增外，序列之间无同源性，提示其内在 功能各不相同； 即使都是由（CAG)n 扩增引起的疾病，但病变仅选择性地累及 特定的细胞； 遗传早现现象，在同一家系中，随着致病基因在后续世代中的 传递，后代个体的发病年龄会越来越早，病情愈来愈严重。 三核苷酸重复拷贝扩增的致病机制 动态突变引起疾病的机制，有如下几种假说： 毒性多聚谷氨酰胺（ poly-Gln）假说 即基因产物的毒性积累 在基因的编码区CAG密码子的正常重复编码多聚谷氨 酰胺，若CAG重复数目超过了一定阈值，则增加了多聚谷氨 酰胺的长度，神经细胞中的转谷氨酰胺酶以富含谷氨酰胺 的蛋白质作为反应底物，与其他蛋白质交联形成不溶性包 膜而积累在细胞中，导致细胞死亡，或是谷氨酰胺增加的 蛋白质不能被正常降解，对细胞产生了毒性。 蛋白质交联形成不溶性包膜 CAG-CAG-CAG-. 富含谷氨酰氨的蛋白质其它蛋白质 转谷氨酰氨酶 不溶性包膜 影响神经细胞功能 例如Huntington舞蹈病是由于基因HD（Huntington diseases，HD）中5-CAG- 3序列重复次数:正常的635 次 36121个拷贝后，使多聚谷氨酰胺的长度大大增加，产 生了对细胞的毒性作用，累及神经细胞的正常功能而致病。 研究发现，在小鼠模型中，（CAG）n的大量扩增在其生 命的中期出现，并在整个生命过程中持续不断地发生，而且， （CAG）n 的重复长度越长，则预示出现症状的时间越早，即 发病年龄愈小。这种三核苷酸序列重复长度与所影响的疾病的 发病年龄的相关现象称为遗传早现（ anticipation） 。 甘油醛磷酸脱氢酶活性被抑制假说 糖酵解产生的能 量是脑细胞行使正常功能所必需。糖酵解中的一种关键性酶 是甘油醛磷酸脱氢酶(GAPDH)，若其活性被抑制，脑细胞 则无法获得足够的能量而失去功能。研究发现，亨廷顿病基 因（HD基因）产生的蛋白质以及齿状核红核和苍白球丘脑下 部核萎缩的致病基因的蛋白产物都可通过多聚谷氨酰胺与 GAPDH结合使其失活。实验证明，当多聚谷氨酰胺分子中谷 氨酰胺少于60个时，情况正常，超过60个就可抑制GAPDH的 活性。由此推测，上述多种神经退行性疾病的致病原因之一 可能是（CAG）n的异常重复使脑细胞失去充分能量所致。 三核苷酸重复拷贝扩增的致病机制 能量供应不足 甘油醛磷酸脱氢酶（GAPDH） 糖 糖 脑所需能量 GAPDH病人的poly gln 缺乏脑所需能量 多聚谷氨酰胺干扰转录因子假说 据最近研究报道，多 聚谷氨酰胺干扰Sp1转录因子中谷氨酰胺富含区与TFD 的 转录因子的亚基 TAF30中对应的谷氨酰胺富含区之间的 相互作用。干扰的结果影响了大脑神经元中神经递质受体基 因的转录。推断其他基因中由于（CAG）n的扩增所产生的多 聚谷氨酰胺片段也可能通过破坏转录因子与TAF 30之间的 正常的相互作用而导致神经退行性疾病的发生。 FMR-1的5端（CGG）n过度扩增假说 引起脆性X染色体 综合症的基因FMR-1（fragile X mental retardation 1） 有17个外显子，全长38kb，在其5端UTR有一个为精氨酸编 码的（CGG）n 三核苷酸重复序列，其重复数目相当可变。 正常人群中（CGG）n 的重复次数在59以下，当（CGG）60 200处于无症状阶段称为前突变。如果（CGG）n过度扩增， 当n 200，并在基因邻近的5端CpG岛异常甲基化使FMR-1 基因转录后沉默，发展成的智力低下等脆性X综合症发病的 动态突变阶段称为全突变（full mutation） 三核苷酸重复拷贝扩增的致病机制 蛋白质翻译受阻 FMR1 基因表达的蛋白，是正常人智力 发育中的重要功能蛋白。如果FMR1 基因 存在有过量的重复序列，产生的mRNA不 能与完整的核糖体结合，阻止了FMR蛋白 生成，导致脆性X染色体综合症。 脆性位点是染色体上在 特殊条件下易断裂的位点，可 能为收缩或缝隙。在人类染色 体上已发现一系列的脆性位点 。其中研究最详尽的位于X 染 色体上，目前发现其与智障有 关。脆性X综合症为X连锁遗传 ，出现几率在男婴中为1/2500 ，主要成因可能是因为CGG三 核苷片段重复数目的变化。 13.5 DNA 损伤修复机制 DNA的修复系统 如果所有DNA损伤都不修复，细胞将很快死亡，这是因为致 死突变的积累和依赖于DNA完整性的一些关键过程被抑制(这些过 程包括复制和转录)。细胞发展了众多的机制来处理DNA损伤，这 可被分为以下几类： 直接修复（Direct repair）:Photoreactivation 切除修复（Exicision repair）系统 错配修复（Mismatch repair）系统 重组修复系统(Recombination repair) /挽回系统（retrieval system） 差错倾向修复（error prone repair）/ SOS修复系统等 忍耐（Tolerance）系统 13.5 13.5.1 DNA 损伤修复机制 光复活修复 Photoreactivation （光复活） uses a white-light-dependent enzyme to split cyclobutane pyrimidine dimers formed by ultraviolet light. 在可见光的激活下，光修复酶结合于胸腺嘧啶二聚体处，并催化解 聚为单体的过程。不同的生物体利用不同的类似酶。 图13-9胸腺嘧啶二聚体的形成（a）及光复活修复（b） 13.5.2 切除修复 （1） 切除修复（excision repair） 切除修复是在DNA内切酶、DNA聚合酶、DNA外切酶、DNA连接酶等共 同作用下，将DNA分子受损伤的部分切除，并以完整的一条链为模板， 合成切除的部分使DNA恢复正常结构的过程。 切除修复过程中，损伤的DNA链由切除酶（excinuclease）切除，此 酶也是一种核酸内切酶。编码内切酶是由多个亚基组成的Uvr基因。在E .coli中，Uvr ABC 切除酶包括3种亚基，UvrA，UvrB和UvrC。 大肠杆菌中的UvrA可识别DNA损伤部位，引导UvrB和UvrC 与其结合 形成复合体。由UvrC 完成对DNA 单链的切割，12个碱基的DNA链由解链 酶作用脱离，然后由DNA聚合酶以互补链合成DNA，DNA连接酶封闭 其缺口，从而完成DNA损伤修复。 图1310大肠杆菌的切除修复 人的着色性干皮症（xeroderma pigmentosum），患者不能接受太阳的紫外线 ，否则在皮肤暴露部位就会诱发皮肤癌，通过 深入研究发现，该病患者皮肤细胞中的切除修 复酶系统存在缺陷，不能对UV诱发的大量DNA 损伤进行有效的修复，特别是人的抑癌基因 p53发生突变就会促进癌症的发生。 从7例病患组织细胞中鉴定出这些癌变均 起因于hRAD30基因的点突变，该基因编码参 与核苷酸切除修复蛋白。由于点突变产生无义 密码或移码读框从而编码残缺的或无功能的蛋 白，使患者对太阳光变得极度敏感。 （2） DNA 糖苷酶修复及AP 核酸酶修复途径 Apurinic and apyrimidinic endonuclease 是细胞维持所必需的，因为自发地脱嘌呤作用经 常发生，在DNA链上无嘌呤和无嘧啶位点叫做 AP位点。AP核酸内切酶可以通过剪切AP位点上 的磷酸二酯键使链断裂，进一步由外切酶、DNA pol I 和连接酶进一步进行修复。 DNA糖苷酶（ DNA glycosylase）并不水解 磷脂链，但可以水解糖苷键。如果碱基发生修饰 而发生结构改变可由DNA糖苷酶水解产生无嘌呤 或无嘧啶位点，两者皆称为AP位点。这些AP位 点就可以由AP核酸内切酶修复途径完成修复（ 图13-11)。 图13-11大肠杆菌AP位点的修复 The base excision repair pathway 13.5.3 错配修复系统 错配修复系统（ DNA mismatch repair system， MMR）可能在DNA重组过程中对于杂种DNA错配碱基的修 复和由此产生的基因转换发挥一定的作用，现在已知许多生 物包括人类中均存在具有一定方向性的错配修复体系。 主要用于对应的DNA链上不互补的碱基，错配是由于在 DNA复制中新生链上的碱基与互补链上的碱基不互补产生的 。通常错配系统倾向于修复新生链上的碱基。 在E.coli复制中发生错配时，错配的核苷酸只是其碱基 不能与母链配对，核苷酸本身的结构是正常的，因此对正确 母链和错配子链的区分至关重要： 亲本链上带有甲基刚合成的子链尚未甲基化 dam 基因Dam 甲基化酶， 靶位点 GATC CTAG 序列上的A成为 6-m-A,此半甲基化位点被用来作为复制中母链的标志，同样用于与 复制相关的修复。（图VIIp447） E.coli 错配修复系统包括9个蛋白成分，其中有MutS、MutL、 与MutH（图VII p488） MutS识别错误配对的碱基并与其结合（MutS二聚体）、MutL 和MutH蛋白按顺序加入，并与Muts协同作用。MutH在含有错配 碱基的单链上切口，在螺旋酶II作用下解开双螺旋。随后在一种双 向性外切酶的作用下依次从切口处切除，直到切除错误的核苷酸。 再由DNA pol III 填充空隙，进行修复合成，最后由连接酶连接。 由于切口和错配核苷酸相距很远（12kb）,故这种修复是一种长 片段修复。 13.5.4 复制后修复重组修复系统 也称补偿系统、复制后修复（post-replication repair） 或重组修复（recombination-repair） 该系统用于DNA复制时模板链上含有损伤的碱基的特定情况 其修复过程与遗传重组过程相似。 例如当DNA复制时TT存在，使损伤位点不能作为模板，复制被迫跳跃过去。 DNA pol III接近TT时，停止合成互补链，然后又在更下游的位置开始合成，因 此在新生链上留下一段缺口。 两个双链DNA分子之间通过同源重组，缺口由正常的DNA链为模板，进行新 一轮的复制。因此，损伤仅存在于原来的双链中，而以后复制产生的DNA分子 将不再有损伤的DNA存在。 recA突变几乎完全丧失重组能力和修复能力 RecB蛋白具有在DNA分子之间交换DNA链的功能，同时在重组修复中又有单链 交换的功能。 Uvr系统是负责切除大量的TT，而Rec系统是负责清除那些末被切除的二聚体 。这些遗漏的二聚体虽数量不多，但常常是致命的。 13.5.5 SOS 修复 （1） SOS 修复（SOS repair） 这也称差错倾向修复（error prone repair），是细胞中的DNA 受 到大规模损伤，严重影响其生存，在其他修复难以见效的情况下，被诱 发出来的一种高效修复系统，这种修复是为了保命也就管不了修补的片 段是否正确,这也是生物为了维持其生命的延续，不得已采取的一种以 牺牲遗传物质的忠实性，冒着产生大量基因突变风险的“保命”措施。 表现特点:细胞内原有的修复酶（切除修复、重组修复）合成量增加 诱导产生的修复酶（SOS聚合酶）来修复损伤部位 （2） SOS 反应 机体受到大剂量的诱变产生大规模DNA损伤时，可产生一系列复杂 的诱导效应，称为应急反应（ SOS response） ，包括生长抑制、分裂 停止、呼吸受阻、整合在宿主基因组上的原噬菌体释放、细胞正常生长 发育的许多基因关闭，同时有一些应激状态下的新基因开放等，这些基 因使机体DNA损伤得以高效修复，细菌又可逐渐回复到正常状态。 （3） SOS 修复的机制 一般认为SO S 修复可通 过两种机制对DNA 损伤进行 修复，即通过式修复与切除 式修复（图13-13） 。这两种 修复均可造成损伤位点产生 突变，是名副其实的倾向差 错式修复。 图1313SOS修复机制 通过式修复 当DNA 上的损伤无法通过其他修复途径完成时， 可诱导产生一种新的DNA聚合酶，该酶不会对损伤部位新合成的碱基配 对状态进行严格的检查，就可通过该损伤部位。在这一过程中诱变点上 往往会加上一个不配对的碱基，从而导致基因突变。正常的DNA 多聚酶 由于有严格的配对检查和校正系统，当发现DNA损伤部位所新加碱基不 能正确配对时就由DNA合成活性转为3 5外切活性，切去该不配 对碱基，如此反复循环造成空转和DNA合成停止，如果不能修复对机体 可能是致死的。 切除式修复如果DNA双链上均有损伤，而且距离较近，机体可 能先对其中一条链采取切除式修复，一个位点修复正常，另一个则产生 错误，再对另一条链切除式修复，又会保留这个基因突变。也可能在复 制后由外切酶的作用下扩大缺口，发生通过式修复产生错误，形成新的 突变。 SOS修复使细胞内原有切除修复和重组修复酶系合成增 加，这与recA和lexA两个基因的调控有关: LexA是一个调节基因，其产物LexA是一个阻遏物，它除 了抑制自身基因的表达，还阻遏修复基因（如uvrA、uvrB 、uveC、recA和SOS基因damage inducible genes (din :recA、lexA 、umvA、B、C、himA)等）的转录。 而recA基因产物RecA具有几种功能，它可被许多损伤 DNA的因子或抑制的DNA所激活，由此RecA可触发SOS反 应。RecA除了具有重组活性外，还可被损伤产生的单链 DNA激活，具有对阻遏物LexA的内切活性，使之产生两个 片段而失去阻遏活性。 但当UV细胞DNA受到损伤产生大量的TT 二聚体。此时细胞内原有低水平的修复酶是不能 或不完全修复的，于是在对应链上留下空隙，随 之出现单链部分。RecA蛋白与单链DNA结合后 ，其切割活性被激活，激活的RecA首先将LexA 蛋白切成两半，导致LexA对recA基因和一系列修 复酶基因转录的阻遏作用被解除，由