DNA的损伤与修复.ppt

分子生物学工作内容：第五章DNA损伤与修复作者：生科四班学生陈29650819周红40908200李茜40908201李姆40908202李婷40908203，第五章DNA损伤与修复， 1.DNA损伤的产生2 .基因突变3.DNA损伤的修复4 .损伤超过5.DNA修复缺陷与癌的关系，概况、遗传物质DNA具有较高的稳定性，但细胞内外环境的各种因素仍可引起DNA损伤。 如果DNA损伤不能有效修复，就会给DNA分子带来遗传的永久结构变化，称为突变(mutation )。 少数突变可能对细胞有利。 然而，大部分突变是有害的。 细胞有多种形式的修复系统，能及时修复大部分损伤。 研究DNA损伤和修复机制具有两个方面的实际意义。 一是防止DNA损伤是预防多种疾病的有效方法。 其二，在育种工作中，要诱发突变筛选出优良性状的菌株和微生物菌株。 5.1DNA损伤的发生、碱的变化如果是2种嘌呤或2种嘧啶的交换，就称为过渡。 如果发生嘌呤与嘧啶的交换，则称为“上变化”(transversions )。 引起DNA损伤的因素很多，包括DNA分子本身在复制过程中发生的自发性变化、细胞内各种代谢物质和外部理化因素造成的损伤。 5.1.1DNA分子的自发损伤、DNA的自发损伤可发生在复制过程中，也可由细胞自身产生的活性氧和代谢产物。 根据DNA损伤情况和导致DNA损伤的原因，可将DNA自发损伤分为6类。 5.1.1.1互变异构位移、互变异构位移(tautomericshift )可引起碱基为烯醇式-酮式结构的互变异构，碱基对发生变化，复制的子链可能出错。 在生理条件下，碱基主要以酮式和氨基的形式存在，但也会发生瞬间互变异构，可能引起碱基的不匹配。 如图所示，a以稀有亚氨基的形式出现时，与c成对，经过DNA的双重复制，在1/4的子分子中，A-T成对为G-C成对。 因此，在DNA复制时，如果在铸型中出现烯醇式或亚氨基异构体，则有可能在亚链中产生错配的碱基对。 5.1.1.2自发脱氨基、DNA分子中碱的环外氨基可能自发脱落，结果c为u，a为I，g为x (黄嘌呤)。 在DNA复制中，母链的上述变化会导致子链产生错误而损伤。 AI-C，下一个G-C，引起ATGC变化的CU-A，下一个T-A，引起GCAT突变的GX-C，下一个G-C，损伤不扩大。 5.1.1.3DNA复制的滑移，在DNA复制时，会发生模板链和新生链碱基的循环现象，有时被称为DNA聚合酶的“滑移”。 如图所示，在第一次复制中，新生链的一个或者几个碱基环出，在第二次复制中插入相同数量的碱基。 在第一次复制中，铸型链的一个或者几个碱的环出现，在第二次复制中会引起相同数量的碱的缺失。 这样的错误容易发生在模板上碱串联反复的部位，但这些部位即使发生碱的环出，后面的碱也很合适。 5.1.1.4活性氧损伤DNA，活性氧指反应活性高的含氧自由基和H2O2，许多含氧自由基可在细胞正常代谢过程中生成。 含氧自由基引起碱的氧化，如7，8 -二氢-8-氧杂鸟嘌呤(7，7，8-oxog，GO )为氧化碱，与c或a配对，引起G-CT-A的取代，DNApolI和DNApolII的校正活性无法修正其错配5.1.1.5碱基丢失，DNA在生理条件下自发水解，嘌呤碱基和嘧啶碱基从磷酸脱氧核糖骨架上脱落。 细胞一旦发热或pH降低，就会进行脱嘌呤反应，强致癌剂黄曲霉毒素B1也会进行脱嘌呤反应。5.1.1.6碱的烷基化，细胞内的一些天然烷基化试剂，如S-腺苷甲硫氨酸，使DNA分子中的一些碱甲基化，引起碱的失配，经DNA复制，形成碱对的变化。 5.1.2物理因素引起的DNA损伤，DNA分子容易吸收波长260nm左右的紫外线(UV )，大量的UV照射使DNA分子的单链相邻的两个嘧啶共价键合，形成环丁基嘧啶二聚体。 邻接的两个t或两个c，以及c和t之间可以形成嘧啶二聚体，但最容易形成的是T-T二聚体和6-4光产物，电离辐射会引起DNA的直接损伤或间接损伤，如x射线或射线。 DNA链的切断是随着照射量的增大而进行的。 DNA双链中只有单链被切断的叫做单链切断，双链在同一个地方或接近的地方同时被切断的叫做双链切断。 5.1.3化学因素引起的DNA损伤可以改变多种天然或合成的有机和无机化学物质与DNA反应的结构。 诱发DNA损伤的化学物质称为化学诱变剂(mutagen )，常见的化学诱变剂大致可分为3类，5.1.3.1碱基类似物、碱基类似物(baseanalog )在DNA复制时可以置换正常碱基和结晶链碱基，配合人DNA。 2 -氨基嘌呤(AP )是腺嘌呤的类似物，通常与胸腺嘧啶配对，在少数的亚氨基状态下存在时可以与胞嘧啶配对，将at变为GC，反之则可以将GC变为at。 5.1.3.2碱基修饰剂，某些化学物质通过DNA分子上碱基修饰(basemodification )改变其对的性质。 例如亚硝酸脱离与碱环结合的氨基，腺嘌呤脱氨基形成肌苷(I )，后者与胞嘧啶成对，与胸腺嘧啶不成对。 胞嘧啶脱氨后变成尿嘧啶，与腺嘌呤配对。 羟胺(NH2OH )和DNA分子上碱的作用特异性强，仅与胞嘧啶作用，生成4羟胺胞嘧啶(HC )，后者与腺嘌呤配对。 结果表明，GC对成为at对，烷基化剂可以使DNA碱上的氮原子烷基化，最常见的是鸟嘌呤的第6位氮原子的烷基化，改变碱对的性质，如6 -甲基鸟嘌呤(MG )和胸腺嘧啶对。 如果与对象直接相关的基因被烷基化，则可以完全隔绝复制时的碱基对。 作为一般烷基化剂，可以举出二甲基亚硝基胺和二乙基亚硝基胺、亚硝基胍(NTG )化合物、n，n-亚硝基-N-甲基亚硝基胍等亚硝基化合物、乙基亚硝基脲等亚硝基化合物、烷基硫酸盐化合物、二甲基硫酸盐、乙基甲基5.1.3.3由于嵌入式染料，如吖啶橙、原黄素、溴化物等染料可以插入DNA分子的碱基对之间，所以被称为嵌入式染料(intercalateddye )。 这些扁平分子刚插入DNA后就占据了一个碱基的位置，碱基对之间的距离约为1倍的话，DNA的两个链就会错开。 细胞内存在完整的DNA损伤修复系统，保证遗传物质的稳定性。 不同类型的DNA损伤可在不同路径修复。 根据修复的机制，DNA损伤的修复一般分为直接修复、切除修复、双链断裂修复、易出错的修复和重组修复等。 1、突变点突变是DNA单位分子中发生的碱基对的变化，又称单纯突变或单一部位突变，其最主要的形式是碱基对的置换，可分为转化和交换两种类型。 在某些情况下，在单一部位发生的少数核苷酸的缺失和插入也被认为是点突变。 突变的结果取决于其发生。 5.2基因突变是指，从、分子水平来看，基因突变是指基因在结构上发生碱基对的组成和序列顺序的变化。 基因非常稳定，细胞分裂时可以正确复制自我，但这种隐性是相对的。在一定条件下，基因从原始存在形式突然转变为另一种新存在形式，在一个部位突然出现新基因，该基因被称为突变基因而不是原始基因。 并且，在后代的表现中，突然出现了祖先所没有的新性状。 细胞内修复系统能及时修复大部分DNA损伤，但修复系统不完善。 如果损伤在下一个DNA复制之前没有被修复的话，有时会被固定传递给子细胞，有时容易出错的交叉损伤合成会产生新的错误，最终会被遗留下来。 因此，生物体不可避免地会发生这种突变，将一定的基因、基因组、细胞或个体称为突变体。 单细胞生物能将新产生的突变基因直接传递给后代，而多细胞生物能否将突变传递给后代取决于突变是生殖细胞还是体细胞。 如果突变发生在生殖细胞中，可以传递给后代。 如果是体细胞的话，只要后代没有被突变体细胞克隆，就不会传给后代。突变的类型5.2.1突变的类型5.2.2突变的恢复和修正5.2.3突变诱导剂和致癌剂的检测，点突变又称单碱置换(singlebasesubstitution )，是指由单碱修饰引起的突变。 分为变换和交换两种。 转换：嘌呤与嘌呤之间的置换，或嘧啶与嘧啶之间的置换。 取代：嘌呤与嘧啶之间的取代。 点突变带来的结果取决于其发生位置和具体的突变方式。 在基因组的垃圾DNA中发生，由于其碱基序列没有编码调节基因表达的功能，所以不能产生任何结果。 在一个基因启动子或其他基因表达调控区发生时，可能影响基因表达的有： (1)基因编码并存，因此突变密码子编码相同的氨基酸通常不影响蛋白质的结构或功能，因此称为沉默突变或同义突变(2)错觉突变(missensemutation ) :碱基对的置换将具有mRNA的密码子转化为编码其他氨基酸的密码子的突变称为错觉突变。 错误的突变是体内某些蛋白质和酶引起结构和功能异常的原因。 假设人正常血红蛋白链的第六位是谷氨酸，其密码子为GAA或GAG，第二碱基a被u取代时为GUA或GUG，谷氨酸被缬氨酸取代，形成异常血红蛋白HbS，个体发生鳞状细胞贫血，产生突变效果例如Cys的密码子变异为TGC，变为终止密码子TGA。 通读突变：突变导致终止密码子变为氨基酸密码子时，mRNA在翻译时通读，肽链变长，突变变长。 突变发生在蛋白质基因的内含子序列中，一般不影响表达产物。 但是，有时会影响个别基因的转录、转录后的加工和翻译等。 突变发生在基因表达调控区，可能影响记忆表达的效率，完全关闭基因表达，引起生物表型的变化。编码变异：正常的DNA分子中，碱缺失或3倍以上，在这个位置之后的一系列编码中发生位错错误的现象称为编码变异。 例如，原来的mRNA是由GAA、GAA、GAA、gaa密码子合成的肽链是谷氨酸的多肽。 在最前端增加1个g的话，mRNA由GGA、AGA、AGA、aga这样的密码子合成的肽链成为甘氨酸最前端精氨酸的多肽。 编码变异的结果引起该段的肽链变化，肽链的变化引起蛋白质性质的变化，最终引起性状的变异。 严重的关系到个人的死亡。隐性突变和显性突变的隐性突变：在真核生物中，只发生在同源染色体中的一个上，另一个同源染色体上正常基因的产物可以抵消或中和突变基因对细胞功能的可能性变化。 突变在同源染色体上发生的两个等位基因突变可以改变生物的表型。 显性突变：真核生物有几个基因，同源染色体的某些等位基因发生突变，就会引起生物表型的变化。 校正、突变的分类1 )基因内校正2 )基因间校正3 )迂回校正5.2.3突变诱导剂和致癌剂的检测，基因突变使生物体性状从野生型变为突变型称为正向突变。 恢复突变(reversemutation):突变体(mutant )经第二次突变完全或部分恢复为原基因型和表型。 完全恢复是由于突变的碱基顺序经过第二次突变变为原来的碱基顺序，故又称真正的恢复突变。 部分恢复是由于第二次突变发生于不同部位，结果部分恢复了原表型。 修正突变，也称为第二部位突变(secondsitemutation )或基因内校准(intagendasuppression ) :指发生于不同部位且可中和或抵消第一突变的第二突变。诱变剂和致癌剂检测自然条件下发生的变异称为自发变异，其发生频率非常低，大肠杆菌和果蝇的自发变异率均为10左右。 提高突变率的诱变剂主要有物理诱变剂和化学诱变剂两种。 物理诱导剂通过吸收离子辐射如x射线和r射线，引起靶分子的电子迁移，使DNA产生广泛损伤。 化学诱导剂主要通过碱的修饰、碱对的插入和缺失而起作用。 原癌基因：控制细胞分裂的基因发生突变而致癌的基因称为原癌基因。 抑癌基因：表达的产物具有抑癌作用的基因。Ames试验污染物对人体的潜在危害，引起人们普遍关注。 世界上已经发展了一百多种短期快速测试方法，测定了污染物的遗传毒性效应。 目的与原理鼠伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphimurium )组氨酸营养缺陷型(his-)菌株在含有微量组氨酸的培养基中，除极少数自发恢复突变的细胞外，通常只分裂几次，形成只有显微镜才能看到的微菌落。 受诱变剂作用后，大量细胞发生突变，自我合成组氨酸，发育成肉眼可见的菌落。 有些化学物质在代谢活化后才有变化的作用，在测试系统中加入哺乳动物微粒体酶可以弥补体外测试代谢活化系统的不足。 由于化学物质诱发突变的作用与致癌作用之间有着密切的关系，因此，该法目前已广泛应用于癌症物质的筛选中。 程序和方法Ames试验的常规方法有斑点试验和平板混入试验。 1、菌株鉴定用于检测的菌株必须鉴定基因型和生物学性状，满足要求。 目前推荐的菌株TA97、TA98、TA100和TA102自发性类似，为阴性。 的双曲馀弦值。 在鉴定前进行增殖培养。 鉴定结果确定，同时培养野生型电视菌株作为检测菌基因型对照。 增菌培养用牛肉糊剂的蛋白胨液体培养基在接种后37、100r/min下振荡培养12小时左右，细菌生长相为对数期末，含菌数为1109个/ml2109个/ml。 2 .斑点试验检测菌增菌培养后