第五章 DNA损伤修复和基因突变基因突变.pdf

第五章第五章第五章第五章 DNADNADNADNA损伤修复损伤修复损伤修复损伤修复 和基因突变和基因突变和基因突变和基因突变 1 DNA损伤损伤 DNA损伤的定义损伤的定义 DNA双螺旋结构的任何变化 双螺旋结构的任何变化 DNA损伤种类 损伤种类 1 碱基的改变 改变序列 改变遗传信息 2 结构的异常扭曲 影响DNA的复制或转录 生理性伤害 碱基的改变 改变序列 改变遗传信息 2 结构的异常扭曲 影响DNA的复制或转录 生理性伤害 DNA损伤的原因 一 DNA分子的自发性损伤 任一碱基的突变率 10任一碱基的突变率 10 9 9 10 10 10 10 代 任一基因的突变率 10 代 任一基因的突变率 10 5 5 10 10 6 6 代 基因组的突变率 3 代 基因组的突变率 3 1010 3 3 代 代 1 互变异构 烯醇式 互变异构 烯醇式 酮式 氨基酮式 氨基 亚氨基亚氨基 4种碱基自发地使氢原子改变位置 改变 碱基的配对 例 种碱基自发地使氢原子改变位置 改变 碱基的配对 例 A A C T T G 酮式烯醇式 氨基亚胺基 2 脱氨基作用 脱氨基作用 A I C AT GC C U A GC AT G X C 3 活性氧的诱变 活性氧的诱变 GO 8 oxoG 是一种氧化碱基 是一种氧化碱基 7 8二 氢 二 氢 8氧代鸟嘌呤 与氧代鸟嘌呤 与 C 或或A GC TA H O 产生胸腺嘧啶乙二醇 胸苷乙 二醇和羟甲基尿嘧啶 不能修复 产生胸腺嘧啶乙二醇 胸苷乙 二醇和羟甲基尿嘧啶 不能修复 4 DNA聚合酶的聚合酶的 打滑打滑 无论模板链或新生链会发生碱基环出无论模板链或新生链会发生碱基环出 5 碱基丢失 碱基丢失 自发性水解是嘌呤碱与嘧啶碱从磷酸脱 氧核糖骨架脱落下来 人的神经细胞 自发性水解是嘌呤碱与嘧啶碱从磷酸脱 氧核糖骨架脱落下来 人的神经细胞 108个嘌呤 整个生命周 期 个嘌呤 整个生命周 期 二 理化因素引起的二 理化因素引起的DNA损伤 损伤 紫外线 紫外线 形成嘧啶二聚体 形成嘧啶二聚体 T常见常见 TT T2 TT 280nm 240nm 电离辐射 电离辐射 直接作用于DNA 作用环境成分从而间接作用于DNA 直接作用于DNA 作用环境成分从而间接作用于DNA 主要产生的结果 使DNA的链断裂或交 联 主要产生的结果 使DNA的链断裂或交 联 DNA与DNA DNA与蛋白 DNA与DNA DNA与蛋白 烷化剂的影响 烷化剂的影响 烷化剂 亲电子化合物烷化剂 亲电子化合物 DNA中的亲核位点 中的亲核位点 A N1 N3 N6 N7 G N1 N2 N3 N7 O6 T N3 O2 O4 C N3 N4 O2 烷化剂的类型 烷化剂的类型 单功能烷化剂 甲基甲烷碘酸 单功能烷化剂 甲基甲烷碘酸 双功能烷化剂 氮芥 双功能烷化剂 氮芥 碱基类似物对碱基类似物对DNA的损伤 的损伤 替代作用 例 替代作用 例 5 BU A TA BU A T G BU A T A T A BU G C G CG BU G C A BU G C G C A BU A T 5 溴脱氧尿嘧啶引起溴脱氧尿嘧啶引起A T G C和和 G C A T的诱变机制的诱变机制 化学试剂诱变 化学试剂诱变 改变改变DNA分子中的碱基形成氢键 分子中的碱基形成氢键 例如 亚硝酸 盐 例如 亚硝酸 盐 C A G U H X 脱氨基脱氨基 U A H C和和X C G和和X都与都与C配对 配对 请描述亚硝酸 盐 的诱变机制 请描述亚硝酸 盐 的诱变机制 2 DNA2 DNA的修复的修复的修复的修复 对于生命状态的存在和延续来说 DNA分子要求保 持高度的精确性和完整性 在长期的进化中生物体 不仅演化出能纠正偶然的复制错误的系统 而且还 存在着能修复环境因素和体内化学物质造成的DNA 分子的损伤系统 对于生命状态的存在和延续来说 DNA分子要求保 持高度的精确性和完整性 在长期的进化中生物体 不仅演化出能纠正偶然的复制错误的系统 而且还 存在着能修复环境因素和体内化学物质造成的DNA 分子的损伤系统 复制修复 复制修复 DNA聚合酶的3DNA聚合酶的3 5 5 的校对功能 碱基切 除修复系统 尿嘧啶 N 糖基酶修复系统 错配 修复系统 的校对功能 碱基切 除修复系统 尿嘧啶 N 糖基酶修复系统 错配 修复系统 损伤修复 损伤修复 光复活修复系统 切除修复系统 重组 修复系统 SOS修复系统 光复活修复系统 切除修复系统 重组 修复系统 SOS修复系统 2 1复制修复复制修复 2 1 1 碱基切除修复碱基切除修复 所有细胞中都带有不同类型 能识别受损核酸位 点的糖苷水解酶 它能特异性切除受损核苷酸上 的N 糖苷键 在DNA链上形成去嘌呤或去嘧 啶位点 统称为AP位点 所有细胞中都带有不同类型 能识别受损核酸位 点的糖苷水解酶 它能特异性切除受损核苷酸上 的N 糖苷键 在DNA链上形成去嘌呤或去嘧 啶位点 统称为AP位点 一类DNA糖苷水解酶一般只对应与某一特定类型 的损伤 如尿嘧啶糖苷水解酶就特异性识别DNA 中胞嘧啶自发脱氨形成尿嘧啶 而不会水解RNA 分子中尿嘧啶上的N 糖苷键 一类DNA糖苷水解酶一般只对应与某一特定类型 的损伤 如尿嘧啶糖苷水解酶就特异性识别DNA 中胞嘧啶自发脱氨形成尿嘧啶 而不会水解RNA 分子中尿嘧啶上的N 糖苷键 DNA分子中一旦产生了AP位点 AP核酸内切酶就 会把受损核苷酸的糖苷 磷酸键切开 并移去包 括AP位点核苷酸在内的小片段DNA 由DNA聚合酶 I合成新的片段 最终由DNA连接酶把两者连成新 的被修复的DNA链 这一过程称为碱基切除修复 DNA分子中一旦产生了AP位点 AP核酸内切酶就 会把受损核苷酸的糖苷 磷酸键切开 并移去包 括AP位点核苷酸在内的小片段DNA 由DNA聚合酶 I合成新的片段 最终由DNA连接酶把两者连成新 的被修复的DNA链 这一过程称为碱基切除修复 如 如 尿嘧啶 N 糖基酶修复系统 尿嘧啶 N 糖基酶尿嘧啶 N 糖基酶 AP内切核酸酶AP内切核酸酶 Pol IPol I DNA连接酶DNA连接酶 糖基化酶糖基化酶 将非正常碱基从脱氧核糖上切除 留 下的 将非正常碱基从脱氧核糖上切除 留 下的 洞洞 称为称为AP位点 位点 apurinic or apyrimidinic AP核酸内切酶识别此位 点 切割形成缺口 核酸内切酶识别此位 点 切割形成缺口 DNA聚合酶合成丢失 的以及邻近的核苷酸 聚合酶合成丢失 的以及邻近的核苷酸 2 1 2错配修复系统错配修复系统 错配修复 mismatch repair 对DNA复制忠 实性的贡献率达10 错配修复 mismatch repair 对DNA复制忠 实性的贡献率达10 2 2 10 10 3 3 DNA子链中的错 配几乎完全被修正 这充分反映了母链的 重要性 DNA子链中的错 配几乎完全被修正 这充分反映了母链的 重要性 该系统识别该系统识别母链母链的根据来自Dam甲基化酶 它能使位于5 的根据来自Dam甲基化酶 它能使位于5 G GA ATC序列中腺苷酸的TC序列中腺苷酸的6 6N位甲基 化 N位甲基 化 一旦复制叉通过复制起始位点 母链就会 在开始DNA合成前的几秒至几分钟内被甲 基化 一旦复制叉通过复制起始位点 母链就会 在开始DNA合成前的几秒至几分钟内被甲 基化 只要两条DNA链上碱基配对出现错误 错 配修复系统就会根据 只要两条DNA链上碱基配对出现错误 错 配修复系统就会根据 保存母链 修正子 链 保存母链 修正子 链 的原则 找出错误碱基所在的DNA链 并在对应于母链甲基化腺苷酸上游鸟苷酸 的5 的原则 找出错误碱基所在的DNA链 并在对应于母链甲基化腺苷酸上游鸟苷酸 的5 位置切开子链 再根据错配碱基相对 于DNA切口的方位修复路径 合成新的子 链片段 位置切开子链 再根据错配碱基相对 于DNA切口的方位修复路径 合成新的子 链片段 错配矫正酶错配矫正酶 DNA聚合酶聚合酶 DNA ligase 错配校正酶 错配校正酶 错配校正酶 错配校正酶 Mismatch correction enzyme Mismatch correction enzyme mutH mutL mutS基因编码 对新合成 的DNA分子进行扫描 去除错配碱基 mutH mutL mutS基因编码 对新合成 的DNA分子进行扫描 去除错配碱基 切除附近有GATC 序列的含错配碱基的 DNA 并要求A 是未甲基化的 切除附近有GATC 序列的含错配碱基的 DNA 并要求A 是未甲基化的 2 2DNA的损伤修复体系的损伤修复体系 生物体内外的许多因素都能造成DNA分子结构的损伤 如 生物体内外的许多因素都能造成DNA分子结构的损伤 如电离辐射 紫外线 烷化剂 氧化剂电离辐射 紫外线 烷化剂 氧化剂等 一种因素可 能造成多种类型的损伤 一种类型的损伤也可能来自不 同因素的作用 等 一种因素可 能造成多种类型的损伤 一种类型的损伤也可能来自不 同因素的作用 胸腺嘧啶二聚体的产生 在化学和物理因素的作用 下 产生了碱基的衍生物 由于相邻的胸腺嘧啶产生二 聚体 胸腺嘧啶二聚体的产生 在化学和物理因素的作用 下 产生了碱基的衍生物 由于相邻的胸腺嘧啶产生二 聚体 两个碱基平面被环丁基所扭转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 同时氢键结合力也显著减弱 这样当有嘧 啶二聚体的DNA为模板复制时 POL III将两个腺嘌呤核 苷酸加上去 但由于不能很好地形成氢键 然后又由 3 引起双螺旋构型 的局部变化 同时氢键结合力也显著减弱 这样当有嘧 啶二聚体的DNA为模板复制时 POL III将两个腺嘌呤核 苷酸加上去 但由于不能很好地形成氢键 然后又由 3 5 5 的校对功能而将之水解 这样DNA复制毫无进展 但要消耗ATP 的校对功能而将之水解 这样DNA复制毫无进展 但要消耗ATP 光解酶光解酶光解酶光解酶 它能特异地和嘧啶二聚体结合 在可见光 下催化光化合反应 使环丁烷环回复到两个独 立的嘧啶 这一过程叫 它能特异地和嘧啶二聚体结合 在可见光 下催化光化合反应 使环丁烷环回复到两个独 立的嘧啶 这一过程叫光复合作用光复合作用 DNA在光解酶的作用下 把在光或经紫外光照 射下形成的 DNA在光解酶的作用下 把在光或经紫外光照 射下形成的环丁烷胸腺嘧啶二聚体及6 4光化物 还原为单体 环丁烷胸腺嘧啶二聚体及6 4光化物 还原为单体 O O6 6 甲基鸟嘌呤甲基转移酶修复甲基鸟嘌呤甲基转移酶修复 它能作用于甲基化的鸟嘌呤 将甲基转移 到酶的一个氨基酸残基上 每次反应需要一个 酶分子 防止形成G T配对 O6 甲基转移酶使甲基转移酶使O6 甲基化鸟嘌呤恢复成鸟嘌呤甲基化鸟嘌呤恢复成鸟嘌呤 切除修复切除修复 Excision repair Excision repair 一般DNA的两条链只有一条受损伤 可将 损伤部分切除 根据互补链的序列对其进行修 复 1 UvrABC核酸内切酶 重组修复 重组修复 Recombination repairRecombination repair 复制后的修复 涉及的基因大多是细 胞内正常的遗传重组所需的基因 recA recBCD等 复制后的修复 涉及的基因大多是细 胞内正常的遗传重组所需的基因 recA recBCD等 SOSSOS修复修复修复修复 是一种旁路系统 为DNA的损伤所诱导 其修 复的结果是导致突变 是倾向差错的修复 在未经诱导的 是一种旁路系统 为DNA的损伤所诱导 其修 复的结果是导致突变 是倾向差错的修复 在未经诱导的E coilE coil细胞中 全部SOS反应有 关的基因都受到 细胞中 全部SOS反应有 关的基因都受到LexALexA蛋白的阻遏 蛋白的阻遏 只有当DNA 受损时才会激活RecA蛋白的蛋白酶活性 降 解LexA蛋白 只有当DNA 受损时才会激活RecA蛋白的蛋白酶活性 降 解LexA蛋白 使SOS系统的基因表达 其中也 包括与诱变作用有关的基因 使SOS系统的基因表达 其中也 包括与诱变作用有关的基因 一个正常的生物体叫作一个正常的生物体叫作野生型 wild type WT 野生型 wild type WT 如果DNA发生改变 就会使生物体的某 些性状有所改变 这种改变了性状的生 物体相对于正常的生物体来说 就成为 如果DNA发生改变 就会使生物体的某 些性状有所改变 这种改变了性状的生 物体相对于正常的生物体来说 就成为 突变体 mutant 突变体 mutant 3 3 基因突变基因突变基因突变基因突变 所有的组织都有可能随机地与环境反应产生 突变 这种突变叫做自发突变 spontaneous mutagenesis 自发突变的发生率对每个组织来说都是特征 性的 这种特征是背景水平 background lever 的突变 使用了诱变剂的突变叫诱发突变 induced mutagenesis 3 13 1 突变的本质及类别突变的本质及类别突变的本质及类别突变的本质及类别 突变从本质上讲就是DNA序列的改变 可 以是单个碱基发生改变 或插入或缺失 也可 以是大的片段插入或缺失 或结构重排等 突变从本质上讲就是DNA序列的改变 可 以是单个碱基发生改变 或插入或缺失 也可 以是大的片段插入或缺失 或结构重排等 碱基改变 1 由一个嘌呤碱基变为另一个嘌呤 碱基 或一个嘧啶碱基变为另一个嘧啶碱 基的突变叫转换 transition 转换 transition 2 由一个嘌呤碱基变为一个嘧 啶碱基或由一个嘧啶碱基变为一个嘌呤碱 基的突变叫颠换 transversion 颠换 transversion 由单个碱基改变所造成的突变是 可逆的 它可以恢复原来的碱基排列 这 种碱基逆向改变叫回复突变回复突变 次黄嘌呤次黄嘌呤 Lac I 复制平均错误率10 9 DNA复制中的错误水平10 7 10 11 研究发现有一些基因的突变可以大 大提高整个基因组其它基因的突变率 这些 基因被称为增变基因增变基因 mutator genes 多个碱基改变造成的突变多个碱基改变造成的突变 转座子插入 重组错误转座子插入 重组错误 突变如何对表型产生影响突变如何对表型产生影响突变如何对表型产生影响突变如何对表型产生影响 同义突变同义突变 synonymous mutation 指没有改变 产物氨基酸序列的密码子变化 与密码子的简 并性有关 错义突变错义突变 missense mutation 指碱基序列的 改变引起了产物氨基酸序列的改变 无义突变无义突变 nonsense mutation或null mutation 指 某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变 为蛋白质合成的终止密码子 导致肽链合成过 早终止 正常红血细胞 上 和镰刀细正常红血细胞 上 和镰刀细胞 病人的红血细胞 下 病人的红血细胞 下 移码突变移码突变 frameshift mutation 在基因编码区插入 缺失一个或两个碱基都能引 起移码突变 扁平的碱性染料分子的嵌合也常引 起移码突变 移码突变不但改变了产物的氨基酸 组成 而且会出现蛋白质合成的过早终止 如果 移码突变发生在必需基因上 常常是致死的 如 插入或缺失三个碱基 则阅读框架不变 其产物 常常有活性或有部分活性 在基因编码区插入 缺失一个或两个碱基都能引 起移码突变 扁平的碱性染料分子的嵌合也常引 起移码突变 移码突变不但改变了产物的氨基酸 组成 而且会出现蛋白质合成的过早终止 如果 移码突变发生在必需基因上 常常是致死的 如 插入或缺失三个碱基 则阅读框架不变 其产物 常常有活性或有部分活性 3 1 43 1 4 回复突变和抑制突变回复突变和抑制突变回复突变和抑制突变回复突变和抑制突变 真正的原位回复突变很少 大多数回复突变 都是第二点突变抑制了第一次突变造成的表型 使野生表现型得以恢复或部分恢复 又称 真正的原位回复突变很少 大多数回复突变 都是第二点突变抑制了第一次突变造成的表型 使野生表现型得以恢复或部分恢复 又称抑制突 变 抑制突 变 suppressor mutation 发生在正向突变的基因之中 叫基因内抑制突 变 发生在其它基因之中 叫基因间抑制突变 基因间抑制突变总是发生在tRNA基因或与tRNA功 能有关的基因上 这些基因又称为 suppressor mutation 发生在正向突变的基因之中 叫基因内抑制突 变 发生在其它基因之中 叫基因间抑制突变 基因间抑制突变总是发生在tRNA基因或与tRNA功 能有关的基因上 这些基因又称为抑制基因抑制基因 suppressor genes suppressor genes tRNA基因的突变 tRNA基因的突变 3 23 2 诱发突变的机制诱发突变的机制诱发突变的机制诱发突变的机制 自然界的诱变剂很多 主要有物理诱变 剂和化学诱变剂 如 自然界的诱变剂很多 主要有物理诱变 剂和化学诱变剂 如紫外线 紫外线 X射线 射 线 快中子 烷化剂和碱基类似物 射线 射 线 快中子 烷化剂和碱基类似物等 等 诱变剂诱变剂 物理诱变剂 物理诱变剂 如紫外线 射线 如紫外线 射线 x 射线 快中子等 射线 快中子等 生物诱变剂 生物诱变剂 如噬菌体 转座子等 如噬菌体 转座子等 化学诱变剂 化学诱变剂 直接作用于直接作用于DNA模板的诱变剂 如亚硝 酸 烷化剂 模板的诱变剂 如亚硝 酸 烷化剂 碱基类似物 如碱基类似物 如5 溴尿嘧啶 溴尿嘧啶 移码诱变剂 如普鲁黄 二氨基丫啶 移码诱变剂 如普鲁黄 二氨基丫啶 二甲基亚硝酸 二乙基亚硝酸 亚硝基胍 二甲基亚硝酸 二乙基亚硝酸 亚硝基胍 3 2 1直接作用于直接作用于DNA模板的诱变剂模板的诱变剂 如亚硝酸 烷化剂和甲磺酸乙酯 EMS 等 3 2 2 碱基类似物碱基类似物 在DNA复制时渗入并与互补链上的碱基生成氢 键而配对 如5 溴尿嘧啶 T类似物 2 氨基嘌 呤 A类似物