分子生物学3DNA的修复和转座

1、DNA作为遗传物质的两个特性： 稳定性: maintaining individual and species 变异性:for evolution 2.5 DNA2.5 DNA的损伤和修复的损伤和修复 在进化过程中生物细胞所获得的修复在进化过程中生物细胞所获得的修复DNADNA损伤的能力是生物能保持遗传损伤的能力是生物能保持遗传 稳定性的关键。细胞中能进行修复的生物大分子只有稳定性的关键。细胞中能进行修复的生物大分子只有DNADNA，表明，表明DNADNA对生对生 物的重要性。物的重要性。 在生物进化中，变异与遗传是普遍存在的既对立又统一的矛盾，在生物进化中，变异与遗传是普遍存在的既对立又统一

2、的矛盾，DNADNA分子分子 的变化并不是全部都可被修复的，因此生物才有变异和进化。的变化并不是全部都可被修复的，因此生物才有变异和进化。 DNA变异的三个主要来源： DNADNA复制不准确性复制不准确性 外界环境或内部因素对遗传物质的损外界环境或内部因素对遗传物质的损 伤伤 转座子（转座子（Transposon Transposon ）元件的插入造）元件的插入造 成成 2.5.12.5.1DNA DNA 变异或损伤的来源变异或损伤的来源 （1 1）DNADNA复制不准确性 DNA复制是严格而精确的事件，但也可能发生错误。虽然有碱基互补配对 和 pol的校正作用，但错配率仍有10 -10 左右

3、。 染色体上有些位点是热点，复制错误率高染色体上有些位点是热点，复制错误率高 These mutation-prone sequences are repeats of simple di-, tri- or tetranucleotide sequences, which are known as . Mutations arise not only from errors in replication but also from damage to the DNA. Some damage is caused, as we shall see, by environmental facto

4、rs, such as radiation and so-called mutagens（诱变 剂）, which are chemical agents that increase the rate of mutation But DNA also undergoes spontaneous damage depends on an aqueous environment （2 2）外界环境或内部因素对）外界环境或内部因素对DNADNA的损伤的损伤 电离辐射电离辐射 Ionizing （x-and -rays）and nonionizing （UV） radiation produce a

5、variety of DNA lesions. 受到紫外线照射时，DNADNA链上相邻的嘧啶以共价键连接形 成二聚体。(P56,(P56,图2-322-32） 化学因素化学因素 烷化剂烷化剂：硫酸二甲酯，甲烷磺酸甲酯等使碱基烷化，导：硫酸二甲酯，甲烷磺酸甲酯等使碱基烷化，导 致复制时碱基错配。致复制时碱基错配。 如鸟嘌呤如鸟嘌呤 被烷化后，被烷化后， 与配对，与配对， 使转使转 变为。变为。 硝酸盐硝酸盐：亚硝酸盐：亚硝酸盐 能使能使C C脱氨变成脱氨变成U U， 经过复制就可使经过复制就可使 DNADNA上的上的G-CG-C变成变成 A-TA-T对。对。 DNA is also subjec

6、t to attack from reactive oxygen species (for example, O2-. H2O2, and OH). 活性氧的攻击活性氧的攻击 碱基类似物碱基类似物：如溴尿嘧啶（：如溴尿嘧啶（5-BU5-BU），）， - -氟尿嘧啶氟尿嘧啶(5-FU)(5-FU)等，它们的结构等，它们的结构 与碱基相似，进入细胞能代替正常的与碱基相似，进入细胞能代替正常的 碱基参入到碱基参入到DNADNA连中而干扰连中而干扰DNADNA的复制。的复制。 5-BU5-BU与与T T结结 构相似，在酮构相似，在酮 式时，与式时，与A A配配 对；它呈烯醇对；它呈烯醇 式结构，与式结

7、构，与G G 配对。在复制配对。在复制 时导致时导致A-TA-T转转 换为换为G-CG-C 酮式 嵌入试剂可以导致一个甚至几个碱基对的插入或缺失 The Ames test（艾姆斯氏试验） (检查化学物质潜在的致癌作用，可以从其诱变能力方便 的估计) 碱基自发改变造成的损伤碱基自发改变造成的损伤 碱基的互构异变碱基的互构异变，会使碱基间发生错配，使，会使碱基间发生错配，使 A-C,G-TA-C,G-T。 DNADNA的水解或脱的水解或脱-NH2-NH2：碱基环外的碱基环外的-NH2-NH2有时有时 会发生自行脱落，使会发生自行脱落，使CU,AI (CU,AI (次黄嘌次黄嘌 呤），呤）， GX

8、 (GX (黄嘌呤）；复制时黄嘌呤）；复制时U-AU-A， I- CI- C， I -X I -X 配对，导致子代配对，导致子代DNADNA序列错序列错 误误. . 最常见和最重要的水解损伤是胞嘧啶的脱氨 基。（P54,图2-30) 脱氨基作用使腺嘌呤转变为次黄嘌呤 （ hypoxanthine，I）, which hydrogen bonds to cytosine rather than to thymine; 鸟嘌呤转变为黄嘌呤 (xanthine), which continues to pair with cytosine, though with only two hydrogen

9、 bonds. DNA 也会自发水解C-N糖苷键而发生脱嘌呤 作用 （depurination）, 在 DNA分子中产 生无碱基位点。 DNA 复制错误和DNA损伤会导致以 下两种结果： Some kinds of damage, such as thymine dimers or nicks and breaks in the DNA backbone, prevent its use as a template for replication and transcription. Other kinds of damage create altered bases that have no

10、 immediate structural consequence on replication but cause mispairing; these can result in a permanent alteration to the DNA sequence after replication. The two challenge for the cell: First, it must scan the genome to detect errors in synthesis and damage to the DNA. Second, it must repair the lesi

11、ons and do so in a way that, if possible, restores the original DNA sequence. 2.5.22.5.2 复制错误及损伤修复复制错误及损伤修复 细胞有一套用来检验错配并对之进行修复的机制。细胞有一套用来检验错配并对之进行修复的机制。 DNA修复系统修复系统功能功能 错配修复恢复错配 切除修复（碱基、核苷酸）切除突变的碱基和核苷酸片段 重组修复复制后的修复，重新启动停滞的复制叉 DNA直接修复修复嘧啶二体或甲基化DNA SOS系统DNA的修复，导致变异 存在于E.Coli中的DNA修复系统 The mismatch repa

12、ir system faces two challenges： First, it must scan the genome for mismatches. Because mismatches are transient (they are eliminated following a second round of replication when they result in mutations), the mismatch repair system must rapidly find and repair mismatches. Second, the system must cor

13、rect the mismatch accurately; that is. it must replace the misincorporated nucleotide in the newly synthesized strand and not the correct nucleotide in the parental strand. 保证DNA复制高保真的最后责任由错配修复系统承担。 2.5.2.12.5.2.1 错配修复错配修复 错配由错配修复蛋白MutS 的二聚体来检测，从错 配引起骨架的扭 曲变形上识别。 错配修复更正新引入的错 配碱基。 helicase UvrD. 错配修复

14、能将逃脱校正阅览的错误去除错配修复能将逃脱校正阅览的错误去除 系统识别母链的依 据来自Dam甲基化 酶，它能使位于5- GATC序列中A的N6 位甲基化。 A的甲基化是错配修 复系统的识别标志。 eukaryotes have multiple MutS-like proteins(MSH) with different specificities. For example, one is specific for simple mismatches, whereas another recognizes small insertions or deletions resulting slip

15、page during DNA replication. 最近研究表明，最近研究表明， MutS MutS 类似物类似物(MSH) (MSH) 与复与复 制体上的滑动夹元件（制体上的滑动夹元件（PCNA PCNA ）相互作用，）相互作用， 因此可被引到后滞链因此可被引到后滞链DNADNA不连续合成的部不连续合成的部 位上。与滑动夹的相互作用也可能将错配位上。与滑动夹的相互作用也可能将错配 修复蛋白引到前导链的修复蛋白引到前导链的3 3( (生长中生长中) )端。端。 2.5.2.2 DNA损伤的直接逆转损伤的直接逆转 An example of repair by simple reversa

16、l of damage is photoreactivation光复活作用. In photoreactivation, the enzyme DNA photolyase光裂解酶 captures energy from light and uses it to break the covalent bonds linking adjacent pyrimidines. Another example of direct reversal is the removal of the methyl group from the methylated base O6-methylguanine

17、a methyltransferase (甲基化转移酶)removes the methyl group from the guanine residue by transferring it to one of its own cysteine residues(半胱氨酸残基)。 This repair process is expensive, the enzyme seems to be irreversible inactivated, so we call it a “suicide enzyme” to denote the fact that it “dies” in perfo

18、rming its function. 2.5.2.3 Excision repair system 切除修 复系统 碱基切除修复系统 核苷酸切除修复系统 碱基切除修复系统 识别受损核酸位点的糖苷水解酶，能特异性切 除受损核苷酸上的N-糖苷键，在DNA链上 形成AP位点； AP核酸内切酶切开受损核苷酸的糖苷-磷酸键， 移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA； 一类DNA糖苷水解酶只对应于某一特定类型 的损伤。 核苷酸切除修复系统 当DNA链上相应位置的核 苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，则由此系统 负责修复。 Unlike base excision repair, the nucl

19、eotide excision repair enzymes do not recognize any particular lesion. Rather, this system works by recognizing distortions（扭曲，变形） to the shape of the double helix, such as those caused by a thymine dimer or by the presence of a bulky chemical adduct on a base. Nucleotide Excision Repair Enzymes Cle

20、ave Damaged DNA on Either Side of the Lesion Four protein UvrA,UvrB,UvrC and UvrD are required in this process. UvrA is responsible for detecting the distortion of the double helix. 2.5.2.4 Recombination Repairs system 重组修复系统重组修复系统 切除修复用未受损的DNA链作为模板，合成相应的 DNA以代替另一条链上已受损的DNA 片段。未受损 的DNA链为受损链的恢复提供了正确的

21、遗传信息。 如果DNA双螺旋的两条链都受损， DNA如何恢复正 常? 由双链断裂修复途径（Double-strand break （DSB） repair pathway）进行。从姐妹染色体中 取回正确的遗传信息,又称同源重组修复。 2.5.2.5 SOS2.5.2.5 SOS反应反应 SOS修复是指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持 基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复（error-prone repair），使细胞有较高的突变率。 SOS 反应是细胞DNA受到损伤或复制系统 受到抑制的紧急情况下，为求得生

22、存而出现的 紧急效应。 SOS 反应诱导的修复系统包括避 免差错的修复系统（如错配修复、直接修复、 切除修复）和易产生差错的修复系统酶，包括 修复酶， 对DNA的辐射或其它损伤反应; SOS 反应是由RecA 蛋白和LexA阻遏物相互 作用引起的。 有一种异常的重组类型，是一段DNA 序列 插入到另一段DNA 序列中，而不依赖于序 列同源性。 这种使某些元件从一个位置向其他位置的移 动方式是转座(transposition)。转座中涉及 的机制依赖于DNA 链的切割和重接，因此 与重组过程联系起来。 转座重组会破坏染色体上基因的排列顺序。 2.6 DNA的转座 一种可以由染色体的一个位置转移到

23、另一位置的遗传因子，也 就是一段可以发生转座(transposition)的DNA，又称为转座子 (transposon)。 转座子可反复插入到基因组中的许多位点,可以基因组的一个位 点转移到另一个位点,从一个复制子转移到另一个复制子。 2.6.1 2.6.1 转座子概念转座子概念 2.6.2 2.6.2 转座子的发现转座子的发现 20世纪40年代，美国遗传学家McClintock B在研究 玉米的遗传因子时发现，某些基因活性受到一些 能在不同染色体间转移的控制因子 （controlling element）所决定。这一发现与 当时传统的遗传学观点相抵触，因而不被学术界 所普遍接受。 6060

24、年代后期，美国青年细菌学家年代后期，美国青年细菌学家Shapiro JShapiro J在大肠杆菌中发现在大肠杆菌中发现 一种由插入序列所引起的多效突变，之后又在不同实验室发现一种由插入序列所引起的多效突变，之后又在不同实验室发现 一系列可转移的抗药性转座子，才重新引起人们重视。一系列可转移的抗药性转座子，才重新引起人们重视。 19831983年年McClintockMcClintock被授予诺贝尔生理学与医学奖，距离她公布被授予诺贝尔生理学与医学奖，距离她公布 玉米控制因子的时间已有玉米控制因子的时间已有3232年之久。年之久。 所有生物的基因组中均有转座子。所有生物的基因组中均有转座子。

25、基因组序列的比较分析发现：基因组序列的比较分析发现： First, transposon-related sequences can make up huge fractions of the genome of an organism. For example, more than 50% of both the human and maize玉米 genomes are composed of transposonrelated DNA sequence. Second, the transposon content in different genomes is highly varia

26、ble 2.6.3 2.6.3 转座子的特点转座子的特点 1)1) 转座子是不必借助同源序列就可以移动的片断转座子是不必借助同源序列就可以移动的片断, ,即转座作用与即转座作用与 供体和受体的序列无关供体和受体的序列无关; ; 2)2) 原核生物和真核生物都有转座子原核生物和真核生物都有转座子; ; 3)3) 转座序列可沿染色体移动转座序列可沿染色体移动, ,甚至在不同染色体间跳跃甚至在不同染色体间跳跃( (跳跃基跳跃基 因因) ) 转座的位置通常或多或少是随机的。转座的位置通常或多或少是随机的。 当转座子插入一个基因内时，该基因失活，如果是当转座子插入一个基因内时，该基因失活，如果是 重要的

27、基因就可能导致细胞死亡。因此转座必须重要的基因就可能导致细胞死亡。因此转座必须 受到控制，并且频率都很低。受到控制，并且频率都很低。 转座子对基因组而言是一个不稳定因素，它可导致转座子对基因组而言是一个不稳定因素，它可导致 宿主序列删除、倒位或易位，并且其在基因组宿主序列删除、倒位或易位，并且其在基因组 中成为中成为“可移动的同源区可移动的同源区”。位于不同位点的两。位于不同位点的两 个拷贝转座子之间可以发生交互重组，从而造成个拷贝转座子之间可以发生交互重组，从而造成 基因组不同形式的重排。有些转座子与基因组的基因组不同形式的重排。有些转座子与基因组的 关系犹如寄生，它们的功能只是为了自身的扩

28、增关系犹如寄生，它们的功能只是为了自身的扩增 与繁衍，因此被称为是自私的与繁衍，因此被称为是自私的DNADNA。 2.6.4 2.6.4 转座子的分类和结构特征转座子的分类和结构特征 1.插入序列（插入序列（insertional sequence, IS） 123456789转座酶、调控蛋白987654321 是简单的转座子，除转座所需基因外不携带任何标记 基因，它的存在只能借助插入位点有关基因的失活来 判断，或者通过分子杂交和测序来检测。 插入序列是最小的转座因子。所有插入序列的两端都 有反向重复(inverted repeats)。反向重复为转座酶识别 所需，通常重复序列长度为15-25

29、bp。 重复序列有时只是相似，并非相同。 （1）含短的末端反向重复序列; （2）含编码转座酶的基因; （3）靶位点存在 5-9 bp 的短 正向重复序列。 转座子除编码转座功能有关的基因外，还携带抗性 或其他标记基因。 转座子按其结构又分为两类：一类是 ,由个别模件组合而成， 通常包括两个插入序列作为两臂，中间为标记基因。 另一类为,含有转 座酶基因、解离酶(resolvase)基因以及标记基因， 两端为反向重复，无插入序列。 2. 复合型转座子（复合型转座子（composite transposon） 2.6.5 真核生物的转座子真核生物的转座子 原核与真核生物转座因子的异同点： 相同点：转

30、座依赖于转座酶，转座因子的两端有被转座酶识别的 反向重复序列，转座的靶位点是随机的，靶位点交错切开，插 入转座因子后经修复形成两侧正向重复序列。 不同点：原核生物的转录和翻译几乎是同时进行的， 真核生物由于核结构的存在而使此两过程在空间上 和时间上都被分隔开了。因此，真核生物细胞内只 要存在转座酶，任何序列片段具有该酶识别的反向 重复末端均可发生转移，而无需由被转移序列自身 编码这些酶。 真核生物的转座因子家族中只保留少数拷贝具有编 码转座酶基因的活性，而多数拷贝中发生程度不同 的删除，失去转座酶基因活性，但保留了两端的反 向重复序列。原核生物的转座酶主要作用于产生它 的转座子，表现出顺式显性

31、（cis dominance）,真 核生物则无此特性，这也是二者最明显的差别。 2.6.6 2.6.6 转座作用的机制转座作用的机制 复制型：复制粘贴 非复制型：剪切粘贴 2.6.72.6.7 转座的遗传效应和意义转座的遗传效应和意义 转座的遗传效应 转座引起插入突变转座引起插入突变 转座插入基因后，使基因突变失活；转座插入基因后，使基因突变失活； 当转座因子自发插入细菌的操纵子时，可阻止它所在基因的转录和翻译。当转座因子自发插入细菌的操纵子时，可阻止它所在基因的转录和翻译。 转座产生新的基因转座产生新的基因 转座子带有抗性基因，如抗药性基因转座子带有抗性基因，如抗药性基因ampc,ampc,

32、可产生两方面的效应：插入突变，可产生两方面的效应：插入突变， 出现抗药基因。出现抗药基因。 转座引起染色体畸变转座引起染色体畸变 在一个染色体或者不同的染色体上如果有同一个转在一个染色体或者不同的染色体上如果有同一个转 座子的座子的2 2个拷贝，通过某种方式的重组后造成染色体个拷贝，通过某种方式的重组后造成染色体 断裂、缺失、倒位及易位等，使基因突变和重排的断裂、缺失、倒位及易位等，使基因突变和重排的 重要原因。重要原因。 转座引起生物进化转座引起生物进化 使原来相距甚远的基因组合在一起，构建使原来相距甚远的基因组合在一起，构建 成一个操纵子或表达单元，可能产生新的生成一个操纵子或表达单元，可能产生新的生 物