第六章 2DNA的损伤、修复和基因突变ppt课件.ppt

第6章DNA的损伤 修复和基因突变 Chapter6DNADamage RepairandGeneMutation 河南科技大学农学院施江 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 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 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 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 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 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 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 自发脱氨基作用引起的碱基转换 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 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 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 ApurinicorApyrimidinicsite 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 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 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 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 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 DNA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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 酶切 AP内切核酸酶在损伤部位旁边切一个缺口 修补 DNA聚合酶 填补 连接 DNA连接酶连接 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 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 短 补丁修复 short patchrepair 长 补丁修复 long patchrepair 原核生物DNA损伤切除修复 识别 UvrA UvrB辨认及结合DNA损伤部位 UvrA释放 UvrC结合上来 切除 UvrB UvrC在损伤部位的两侧切开 UvrD使被切开的部分解旋 释放被损伤的链 修补和连接 DNA pol 和连接酶填补空隙和连接 原核细胞NER系统蛋白质和酶的功能 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 6 2 5易错修复和SOS反应 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 和 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 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 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 当DNA复制度过难关后 1 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 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 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 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 Py2 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 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 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 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 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 2 碱基的修饰剂 某些化学诱变剂通过对DNA分子上碱基的修饰 改变其配对性质 又称化学突变剂 脱氨基试剂 亚硝酸 nitrousacid HNO2 NA 羟基化试剂 羟胺 hydroxylamine NH2OH HA 烷基化试剂 硫芥 氮芥 乙基甲烷磺酸 ethylmathanesulfonate EMS N 甲基 N 硝基 N 亚硝基胍 N mathyl N nitro N nitrosoguanidion NNG 3 嵌入染料吖啶橙 AcridineOrange AO 溴化乙锭 EthidiumBromide EB 扁平染料分子结