分子生物学：第六章 DNA的损伤、修复与重组

1、第六章第六章DNA的损伤、修复与重组的损伤、修复与重组内容内容一、一、DNA损伤与突变损伤与突变二、二、DNA损伤的修复损伤的修复三、三、DNA的重组的重组一、一、DNA损伤与突变损伤与突变1.DNA突变和重组是基因组进化的驱动力。突变和重组是基因组进化的驱动力。突变突变(mutation)：是一个是一个DNA分子在碱基序列上发生分子在碱基序列上发生的可遗传的变化的可遗传的变化，表现在碱基的改变或碱基数目的表现在碱基的改变或碱基数目的增加或减少上。增加或减少上。突变体突变体(mutant)：不同于正常或野生型形式的个体。不同于正常或野生型形式的个体。如：如：His-酵母，白眼果蝇酵母，白眼果蝇

2、2. 突变的类型：突变的类型：a) 点突变：单个碱基的变化，碱基对既不增加也不减点突变：单个碱基的变化，碱基对既不增加也不减少，而是发生了少，而是发生了替换替换 (substitution)：转换转换(Transition)：嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶，嘌呤嘌呤嘌呤嘌呤A/TG/C, T/AC/G颠换颠换(Transversion)：嘧啶嘧啶嘌呤嘌呤，嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶A/TC/G，T/AG/Cb) 碱基对的插入和缺失碱基对的插入和缺失（indel）c) 染色体结构变异：片段缺失、重复、倒位、转座等染色体结构变异：片段缺失、重复、倒位、转座等一、一、DNA损伤与突变损伤与突变3. 突变的效应：突变的效应：

3、a) 沉默突变沉默突变(silent mutation)：不影响氨基酸序列。：不影响氨基酸序列。发生在非编码区，非调节区或密码子的第三位。发生在非编码区，非调节区或密码子的第三位。b) 中性突变中性突变(neutral mutation)：突变的密码子编码：突变的密码子编码不同但不同但性质相似性质相似的氨基酸。的氨基酸。c) 错义突变错义突变(missense mutation)：编码的氨基酸序列：编码的氨基酸序列发生改变，可能无作用也可能致死。发生改变，可能无作用也可能致死。一、一、DNA损伤与突变损伤与突变d) 无义突变无义突变(nonsense mutation)：形成新的终止密码子：形

4、成新的终止密码子，编码截短了的蛋白。，编码截短了的蛋白。e) 移码突变移码突变(frameshift mutation)：碱基的插入或缺失：碱基的插入或缺失引起读码框引起读码框（ORF）的改变。的改变。f) 温度敏感突变温度敏感突变(temperature-sensitive mutation)：突变：突变蛋白质在某一温度有活性，在另一温度下失活。蛋白质在某一温度有活性，在另一温度下失活。g) 渗漏突变渗漏突变 (leaky mutation)：某某些氨基酸的变化些氨基酸的变化使得使得蛋白活性显著降低，蛋白活性显著降低，但但不是完全丧失不是完全丧失。4. 突变产生的方式突变产生的方式一、一、D

5、NA损伤与突变损伤与突变(1) 自发突变和损伤自发突变和损伤(2) 物理诱变和化学诱变物理诱变和化学诱变(3) 转座元件的插入导致突变转座元件的插入导致突变(1) 自发突变和损伤自发突变和损伤：A. 碱基结构互变碱基结构互变酮式酮式(=O, =NH)烯醇式烯醇式(-OH, -NH2)，烯醇式烯醇式T与与G配对，烯醇式配对，烯醇式C与与A配对配对一、一、DNA损伤与突变损伤与突变A可以通过可以通过错配修复机制进行修复。错配修复机制进行修复。B. 复制错误未被复制错误未被DNA聚合酶所修复聚合酶所修复CA模板模板C. 脱氨基脱氨基如果未被修复，产生的如果未被修复，产生的U会在接下来的复制中与会在接

6、下来的复制中与A配对，产生配对，产生点突变点突变。模板模板CUD. 脱嘌呤脱嘌呤在嘌呤碱基和脱氧核糖之间的在嘌呤碱基和脱氧核糖之间的N-糖苷键断裂糖苷键断裂X模板模板A氧化碱基氧化碱基E. 活性氧导致碱基的氧化损伤活性氧导致碱基的氧化损伤在所有需氧细胞中由于超氧化物、氢过氧化物及羟基自由在所有需氧细胞中由于超氧化物、氢过氧化物及羟基自由基等活性氧的存在，会在正常条件下发生氧化损伤。基等活性氧的存在，会在正常条件下发生氧化损伤。8-氧化鸟嘌呤氧化鸟嘌呤2-氧化腺嘌呤氧化腺嘌呤5-羟甲基尿嘧啶羟甲基尿嘧啶(2) 物理诱变和化学诱变物理诱变和化学诱变A. 射线辐射射线辐射高能离子化辐射高能离子化辐射

7、（如如X射线，射线， 射线射线），使目标分子），使目标分子失去电子，引起失去电子，引起DNA发生广泛的化学变异，包括发生广泛的化学变异，包括断链、碱基及五碳糖的损伤。断链、碱基及五碳糖的损伤。非离子化辐射非离子化辐射可引起新的化学键形成，如可引起新的化学键形成，如紫外线紫外线引引起相邻嘧啶碱基产生嘧啶二聚体。起相邻嘧啶碱基产生嘧啶二聚体。一、一、DNA损伤与突变损伤与突变B. 碱基类似物碱基类似物碱基类似物是改变碱基配碱基类似物是改变碱基配对特性的正常碱基衍生物对特性的正常碱基衍生物，可诱发直接诱变。，可诱发直接诱变。在复制过程中结合可引起在复制过程中结合可引起点突变。点突变。举例：举例：T的

8、类似物的类似物5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶的酮式异构体与的酮式异构体与A配对，烯醇配对，烯醇式与式与G配对。配对。T/AC/G-转换转换C.亚硝酸的脱氨作用亚硝酸的脱氨作用通过氧化脱氨将氨基转变通过氧化脱氨将氨基转变为酮基为酮基。例如，例如，胞嘧啶脱氨变成尿胞嘧啶脱氨变成尿嘧啶，从而和腺嘌呤配对，嘧啶，从而和腺嘌呤配对，引起随后复制中发生引起随后复制中发生C/G向向T/A的转换。的转换。D. 烷化剂：烷化剂：可将甲基加入到核酸上的各个位点，导致配对错可将甲基加入到核酸上的各个位点，导致配对错误或双螺旋变形。误或双螺旋变形。MMS（甲基磺酸甲酯）、（甲基磺酸甲酯）、EMS（甲基磺（甲基磺酸乙酯酸乙酯 ）

9、、）、ENU (乙基亚硝基脲乙基亚硝基脲)7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤3-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤MMSENUO6-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤E. 嵌入剂嵌入剂吖啶橙、吖啶黄、原黄素等吖啶类都是三环结构，大致吖啶橙、吖啶黄、原黄素等吖啶类都是三环结构，大致类似于嘌呤嘧啶碱基对，可插入碱基对之间，使其中类似于嘌呤嘧啶碱基对，可插入碱基对之间，使其中一条一条DNA链形成一个链形成一个Loop，相邻碱基对分开约一个碱基，相邻碱基对分开约一个碱基的距离，导致复制后的的距离，导致复制后的DNA发生发生移码突变移码突变。(3) 转座元件的插入导致突变转座元件的插入导致突变转座元件是数百到数千个碱基对的转座元件是数百到数

10、千个碱基对的DNA片段，它的转片段，它的转座使被插入的基因发生突变座使被插入的基因发生突变。一、一、DNA损伤与突变损伤与突变二、二、DNA损伤的修复损伤的修复1. 直接修复（直接修复（ 光复活光复活 、转甲基作用）、转甲基作用） 无差错修复无差错修复2. 取代修复取代修复切除修复切除修复错配修复错配修复重组修复重组修复SOS修复修复无差错修复无差错修复有有差错差错倾向倾向修复修复1. 直接修复直接修复 A. 光复活光复活环丁烷嘧啶二聚体环丁烷嘧啶二聚体光复活酶光复活酶可见光可见光嘧啶单体嘧啶单体光复活对嘧啶二聚体是专一的，是损伤被光复活对嘧啶二聚体是专一的，是损伤被直接直接修复修复的一种例子

11、，是无差错的。的一种例子，是无差错的。二、二、DNA损伤的修复损伤的修复B. 转甲基作用转甲基作用从突变的从突变的O6-甲甲基鸟嘌呤上去除的基鸟嘌呤上去除的甲甲基基被转移到被转移到甲甲基转移基转移酶酶上后，使酶本身失活。因此，每个上后，使酶本身失活。因此，每个甲甲基转移酶只能用基转移酶只能用一次。一次。这种修复也是这种修复也是无差错直接修复无差错直接修复。A. 切除修复切除修复损伤部位被切除，然后由损伤部位被切除，然后由DNA聚合酶合成新的聚合酶合成新的DNA填填补，并由补，并由DNA连接酶封口。连接酶封口。两种类型两种类型：核苷酸切除修复（：核苷酸切除修复（NER）和碱基切除修复）和碱基切除

12、修复（BER）。）。2. 取代修复取代修复二、二、DNA损伤的修复损伤的修复无差错修复无差错修复当当DNA链上相应位置的链上相应位置的核苷酸核苷酸发生损伤，导致双链间无发生损伤，导致双链间无法形成氢键，则由核苷酸切除修复系统负责修复。法形成氢键，则由核苷酸切除修复系统负责修复。1) 核苷酸切除修复核苷酸切除修复:过程：过程：a) 内切核酸酶识别损伤区域，并在损伤区域的两内切核酸酶识别损伤区域，并在损伤区域的两端产生缺口端产生缺口 。b) 外切核酸酶去除切口间的外切核酸酶去除切口间的DNAc) 由由DNA聚合酶合成新的替代聚合酶合成新的替代DNAd) 由连接酶封合缺口由连接酶封合缺口1)2)3)

13、4)核苷酸切除修复原核：原核：12-13 bp; 真核：真核：27-29 bp 大肠杆菌大肠杆菌Uvr修复系统修复系统:UvrAB 识别损伤部位；识别损伤部位；UvrBC 在损伤在损伤DNA两侧产两侧产生缺口；生缺口；UvrD 解旋，释放出损伤解旋，释放出损伤DNA单链。单链。短修补：短修补：12 nt2) 碱基切除修复碱基切除修复a) 碱基专化的碱基专化的糖苷水解酶糖苷水解酶切除受损碱基，留下一个切除受损碱基，留下一个脱嘌呤或脱嘧啶脱嘌呤或脱嘧啶（AP）位点。）位点。b) AP内切核酸酶内切核酸酶识别识别AP位点，并引入切口。位点，并引入切口。c) 外切酶切除损伤外切酶切除损伤DNA。d)

14、由由DNA聚合酶和连接酶完成修复。聚合酶和连接酶完成修复。切除修复与转录相偶联，因而被转录切除修复与转录相偶联，因而被转录DNA的修复要快于未的修复要快于未被转录被转录DNA区域，这有助于区域，这有助于限制缺陷基因产物的生成限制缺陷基因产物的生成。二、二、DNA损伤的修复损伤的修复B. . 错配修复错配修复错配修复是切除修复的一种特定形式，用于修复在错配修复是切除修复的一种特定形式，用于修复在复制中错配并漏过校正检验的任何碱基复制中错配并漏过校正检验的任何碱基。复制中的复制中的错配碱基错配碱基存在于子代链中，因此必须在复存在于子代链中，因此必须在复制叉通过后，有一种能识别亲本链与子代链的制叉通

15、过后，有一种能识别亲本链与子代链的方法，以保证方法，以保证只从只从子代链中去除错配碱基。子代链中去除错配碱基。无差错修复无差错修复二、二、DNA损伤的修复损伤的修复a) 新生链的识别：亲本链甲基化而子代链未甲基化，新生链的识别：亲本链甲基化而子代链未甲基化，所以很容易区分。所以很容易区分。b) MutS和和MutL蛋白复合体识别蛋白复合体识别子代链中子代链中错配的碱基错配的碱基对并与之结合。对并与之结合。c) 该复合体随后再与该复合体随后再与MutH内切核酸酶相结合，后者内切核酸酶相结合，后者在子代链在子代链GATC附近的位点上特异性的产生缺刻。附近的位点上特异性的产生缺刻。d) 这个缺刻启动

16、了对含有错误碱基区域的切除修复。这个缺刻启动了对含有错误碱基区域的切除修复。过程：过程：MutS和和MutL蛋白复合体蛋白复合体MutH内切核酸酶内切核酸酶MutS识别并结合错配位点识别并结合错配位点MutL与与MutS结合结合MutS转移至转移至GATC位点位点MutL-MutS复合体与复合体与MutH结合并激活其内切酶结合并激活其内切酶活性活性MutH识别未甲基化的识别未甲基化的GATC位点并产生切口。位点并产生切口。MutSMutLMutHC. 重组修复重组修复又称为又称为复制后修复复制后修复，它发生在复制之后。，它发生在复制之后。机体细胞对在复制起始时尚未修复的机体细胞对在复制起始时尚

17、未修复的DNA损伤部位可以先复损伤部位可以先复制再修复，即先跳过该损伤部位，在新合成链中留下一个制再修复，即先跳过该损伤部位，在新合成链中留下一个对应于损伤序列的缺口。对应于损伤序列的缺口。该缺口由该缺口由DNA重组重组来修复：来修复：1) 先从同源先从同源DNA母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后再由新合成的序列补上母链空缺。处，然后再由新合成的序列补上母链空缺。2) 大肠杆菌大肠杆菌中，中，recA基因编码蛋白基因编码蛋白RecA在重组修复系统中起在重组修复系统中起重要作用。重要作用。(RecA与同源重组有关与同源重组有关)容易出错容易出错二

18、、二、DNA损伤的修复损伤的修复链的非准确转移，会导致突变机率的增加。链的非准确转移，会导致突变机率的增加。重组修复重组修复D. SOS修复修复指指DNA受到严重损伤受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一细胞处于危急状态时所诱导的一种种DNA修复方式，修复结果只是维持基因组的完整修复方式，修复结果只是维持基因组的完整性，提高细胞的存活率，但留下的错误较多，故又性，提高细胞的存活率，但留下的错误较多，故又称为称为错误倾向修复错误倾向修复，使细胞有较高的突变率。，使细胞有较高的突变率。SOS修复系统的调控修复系统的调控：a) LexA蛋白抑制蛋白抑制SOS修复相关基因的表达修复相关基因的表达b) 激活激活的的RecA可以可以酶解酶解LexA蛋白蛋白c) 被被LexA蛋白抑制的修复相关基因得以表达蛋白抑制的修复相关基因得以表达二、二、DNA损伤的修复损伤的修复 RecA在在SOS修修复中起核心作用复中起核心作用 RecA与与LexA组成组成调控环路调控环路DNA损伤损伤 SOS在在DN