1010MetabolismofNucleicAcid

1、10/22/20211第第10章章 核酸的代谢核酸的代谢10/22/20212核酸核酸种类种类分布分布性质性质结构结构功能功能复制复制遗传信息遗传信息传递、表达传递、表达核酸概况核酸概况基因表达基因表达调控调控转录转录翻译翻译基因突变与基因突变与重组重组研究研究方法方法10/22/20213第第10章章 核酸的代谢核酸的代谢(一一)dna的半保留复制的半保留复制(二二)rna的逆转录的逆转录(三三)pcr技术技术(四四)dna损伤的修复损伤的修复(五五)dna的突变的突变三、三、rna的生物合的生物合成和加工成和加工(一一)rna的转录的转录(二二)rna转录的抑制转录的抑制(三三)hnrna

2、的加工的加工一、一、 核酸降解和核苷核酸降解和核苷酸代谢酸代谢(一一)核酸和核苷酸的分解代核酸和核苷酸的分解代谢谢(二二)核苷酸合成的前体物质核苷酸合成的前体物质(三三)碱基中各原子的来源碱基中各原子的来源(四四)嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成(五五)嘧啶核苷酸的合成嘧啶核苷酸的合成(六六)脱氧核糖核苷酸的还原脱氧核糖核苷酸的还原合成合成二、二、 dna的复制和修的复制和修复复10/22/20214（一）核酸和核苷酸的分解代谢（一）核酸和核苷酸的分解代谢1、核酸的降解作用、核酸的降解作用戊糖代谢戊糖代谢进一步分解进一步分解3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键10/22/202152、核酸水解酶类、核

3、酸水解酶类核酸水解酶类（核酸水解酶类（）核酸酶核酸酶催化核酸中磷酸二酯键水解的酶类。催化核酸中磷酸二酯键水解的酶类。核糖核酸酶核糖核酸酶（ribonucleases, ribonucleases, rnasesrnases）脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶（deoxyribonucleases, deoxyribonucleases, dnasesdnases）只作用于只作用于dnadna的核酸酶。的核酸酶。外切核酸酶外切核酸酶(exonuclease(exonuclease) )切割多核苷酸链末端核苷酸残基的磷切割多核苷酸链末端核苷酸残基的磷酸二酯键的酶。酸二酯键的酶。内切核酸酶内切核酸酶(en

4、donuclease)(endonuclease)可以在多核苷酸链内不同位置水解磷酸可以在多核苷酸链内不同位置水解磷酸二酯碱的酶类。二酯碱的酶类。水解结果：水解结果：5-5-单磷酸和一个单磷酸和一个 3 -3 -羟基；羟基； 3 -3 -单磷酸和一单磷酸和一个个 5-5-羟基。羟基。10/22/20216核酸水解酶类（核酸水解酶类（）限制性内切酶限制性内切酶（restriction endonucleasesrestriction endonucleases）型限制性内切酶型限制性内切酶既催化宿主既催化宿主dnadna的甲基化，又切割没有甲基的甲基化，又切割没有甲基化的化的dna.dna.型限

5、制性内切酶型限制性内切酶只具有核酸酶的活性。只具有核酸酶的活性。限制性甲基化酶限制性甲基化酶（ restriction methylases restriction methylases ）催化在同一识别序列催化在同一识别序列处碱基的甲基化。处碱基的甲基化。半甲基化半甲基化dnadna刚复制时，只有一条链上的碱基被甲基化的现象。刚复制时，只有一条链上的碱基被甲基化的现象。回文结构回文结构双螺旋结构的双螺旋结构的dna,dna,其其5 35 3方向核苷酸残基序列方向核苷酸残基序列相同的现象。相同的现象。粘性末端粘性末端限制性内切酶将限制性内切酶将dnadna双链切开，形成的两条单链互补双链切开，

6、形成的两条单链互补的末端。的末端。10/22/20217磷酸二酯酶对核酸的水解位置磷酸二酯酶对核酸的水解位置10/22/202183、核苷酸的水解、核苷酸的水解磷酸单酯酶磷酸单酯酶专一性差，对一切核苷酸都能作用。专一性差，对一切核苷酸都能作用。核苷酸酶核苷酸酶指专一性强的磷酸单酯酶，只水解指专一性强的磷酸单酯酶，只水解3 -3 -核核苷酸或苷酸或 5-5-核苷酸的酶分别称作核苷酸的酶分别称作 3 -3 -核苷酸酶或核苷酸酶或5-5-核核苷酸酶。苷酸酶。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶两类。分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶两类。核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶分解核苷生成含氮碱基和戊糖磷酸酯

7、；分解核苷生成含氮碱基和戊糖磷酸酯；核核苷水解酶苷水解酶分解核苷形成含氮碱基和戊糖。分解核苷形成含氮碱基和戊糖。10/22/202194、嘌呤碱的分解、嘌呤碱的分解amp和和gmp降解至尿酸的途径降解至尿酸的途径amp腺苷impgmp次黄嘌呤核苷鸟苷次黄嘌呤鸟嘌呤黄嘌呤尿酸h2onh3amp脱氨酶h2opi5-核苷酶腺苷脱氨酶pi核糖-1-磷酸嘌呤核苷磷酸化酶嘌呤核苷磷酸化酶鸟嘌呤酶h2onh3h2o + o2h2o2黄嘌呤氧化酶或黄嘌呤脱氢酶h2o + nad+nadh+ h+h2opi5-核苷酶h2opi5-核苷酶h2onh3pi核糖-1-磷酸h2o + nad+黄嘌呤脱氢酶h2o + o

8、2黄嘌呤氧化酶或nadh+ h+h2o210/22/2021105、嘧啶碱的分解、嘧啶碱的分解三种嘧啶核苷酸降解至尿嘧啶和胸腺嘧啶三种嘧啶核苷酸降解至尿嘧啶和胸腺嘧啶cmpumpdtmph2opi5-核苷酸酶胞苷尿苷脱氧胸苷胞苷脱氨酶h2onh3pi核糖-1-磷酸尿苷磷酸化酶pi脱氧核糖 -1-磷酸胸苷磷酸化酶尿嘧啶胸腺嘧啶h2opi5-核苷酸酶h2opi5-核苷酸酶10/22/202111尿嘧啶和胸腺嘧啶分别降解至乙酰尿嘧啶和胸腺嘧啶分别降解至乙酰coa和琥珀酰和琥珀酰coa尿嘧啶胸腺嘧啶二氢尿嘧啶脱氢酶二氢尿嘧啶二氢胸腺嘧啶二氢嘧啶酶脲基丙酸脲基异丁酸脲基丙酸酶乙酰coa琥珀酰coa -a

9、la -氨基异丁酸nadph + h+nadp+h2oh2onh4+ + hco3-nadph + h+nadp+h2oh2onh4+ + hco3-10/22/202112（二）核苷酸合成的前体物质（二）核苷酸合成的前体物质 52-o3poch2ohhohohhohhohohohhohohohhch2-opo-oopo-oopo-oohnh2nnnnatp 核糖-5-磷酸（ 异构体）prpp合成酶hopo-oopo-oo-hh 52-o3poch25-磷酸核糖焦磷酸5-磷酸核糖焦磷酸的合成ampamp10/22/202113（三）碱基中各原子的来源（三）碱基中各原子的来源ncn4c5cc 6

10、ncn 712389glyco2aspgln10-甲酰四氢叶酸嘌呤环上各个原子的来源ncnccc 413265aspglnhco3- 从头合成途径嘧啶环中原子的来源10/22/202114（四）嘌呤核苷酸的合成（四）嘌呤核苷酸的合成1、嘌呤的从头合成途径、嘌呤的从头合成途径（1）次黄嘌呤核苷酸的合成途径）次黄嘌呤核苷酸的合成途径（2） imp转换为转换为amp和和gmp（3）嘌呤核苷酸从头合成途径的调控）嘌呤核苷酸从头合成途径的调控2、嘌呤核苷酸合成的补救途径、嘌呤核苷酸合成的补救途径10/22/202115四、嘌呤核苷酸的合成 1）次黄嘌呤的合成(1)次次黄黄嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的合合成成

11、途途径径10/22/202116(2)imp转换为转换为amp和和gmpimpaspgtpgdp + pi腺苷酸基琥珀酸腺苷酸基琥珀酸合成酶腺苷酸基琥珀酸裂解酶延胡索酸ampnad+nadh + h+h2oimp脱氢酶黄苷一磷酸h2o + atpppi + ampglnglugmp合成酶gmpimp转换为amp或gmp的途径10/22/202117(3)嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸从从头头合合成成途途径径的的调调控控嘌呤核苷酸合成的调控嘌呤核苷酸合成的调控核糖-5-磷酸prpp合成酶prpp谷氨酰氨-prpp 转酰氨酶（-）（-）（-）5-磷酸核糖胺从头合成途径 （210步） 合成imp（-）（-）（

12、-）腺苷酸基琥珀酸裂解酶腺苷酸基琥珀酸合成酶腺苷酸琥珀酸ampimp脱氢酶xmpgmp合成酶gmp（-）（-）（-）10/22/2021182、嘌呤核苷酸合成的补救途径、嘌呤核苷酸合成的补救途径ppiprppampimpppiprppgmp 腺嘌呤磷酸核糖 转移酶腺嘌呤核苷次黄嘌呤核苷次黄嘌呤次黄嘌呤 -鸟嘌呤磷酸核糖 转移酶鸟嘌呤核苷鸟嘌呤腺嘌呤核苷酸生物合成的补救途径10/22/202119（五）嘧啶核苷酸的合成（五）嘧啶核苷酸的合成1、嘧啶核苷酸的从头合成途径、嘧啶核苷酸的从头合成途径glnhco3-glu2atp + h2o2adp + pi氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸 天冬氨酸转氨甲酰

13、酶(atcase)piasp氨甲酰天冬氨酸h2o二氢乳清酸酶l-二氢乳清酸nad+nadh+h二氢乳清酸脱氢酶乳清酸prppppih2o2pi乳清酸磷酸核糖转移酶乳清苷-5-磷酸 乳清苷-5-磷酸 脱羧酶(乳清苷酸脱羧酶)hco3-h2o嘧啶核苷酸的从头合成途径umpncnccc 413265aspglnhco3- 从 头 合 成 途 径嘧 啶 环 中 原 子 的 来 源10/22/2021202、ctp的合成的合成umpatpadp尿苷酸激酶udpatpadp核苷二磷酸激酶utph2o + atpctp合成酶pi + adpglngluctputp转换成ctpmg2+mg2+umpatpad

14、p尿苷酸激酶udpatpadp核苷二磷酸激酶utph2o + atpctp合成酶pi + adpglngluctputp转换成ctpmg2+mg2+10/22/202121（六）脱氧核糖核苷酸的还原合成（六）脱氧核糖核苷酸的还原合成1、核糖核苷二磷酸还原生成脱氧核糖核苷二磷酸、核糖核苷二磷酸还原生成脱氧核糖核苷二磷酸nadph + h+nadp+fadfadh2hssh(还原型)(氧化型)ssss 氧化型硫氧还蛋白 还原型硫氧还蛋白hssh 还原型（活性）核糖核 苷还原酶 氧化型（失活）核糖核 苷还原酶核糖核苷 二磷酸 脱氧核糖核苷二磷酸h2ohsshss核糖核苷二磷酸还原生成脱氧核糖核苷二磷

15、酸10/22/2021222、dump合成合成dtmpdumpdtmp5,10-亚甲基四氢叶酸7,8-二氢叶酸glysernadph + h+nadp+四氢叶酸 丝氨酸羟甲基转移酶二氢叶酸 还原酶胸苷酸合成酶由dump合成dtmp氨基蝶呤结构类氨基蝶呤结构类似于似于4fh,为为4fh的竞争抑制剂的竞争抑制剂10/22/202123二、二、dna的复制和修复的复制和修复replication and repair of dna10/22/202124导导 言言dna 是遗传信息分子，生物体的遗传特征以密码是遗传信息分子，生物体的遗传特征以密码（code）的形式编码在）的形式编码在dna分子上，表

16、现为特定分子上，表现为特定的 核 苷 酸 排 列 顺 序 ； 并 且 通 过的 核 苷 酸 排 列 顺 序 ； 并 且 通 过 d n a 的 复 制的 复 制（replication）,把遗传信息由亲代传给子代。在把遗传信息由亲代传给子代。在后代的个体发育过程中，遗传信息自后代的个体发育过程中，遗传信息自dna转录转录(transcription)给给rna,然后通过然后通过rna翻译翻译（translation）成特异的蛋白质，以执行各种生物）成特异的蛋白质，以执行各种生物功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。*在某些情况下，在某些情况下，rna也

17、可以是遗传信息的基因携带也可以是遗传信息的基因携带者。者。10/22/202125导导 言言dna replication:就是指以原来的就是指以原来的dna分子为模板分子为模板（template）合成出相同分子的过程。）合成出相同分子的过程。transcription:就是在就是在dna分子上合成出与其核苷酸分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的顺序相对应的rna的过程。的过程。translation:就是在就是在rna控制下，根据核苷酸链上的控制下，根据核苷酸链上的每三个核苷酸决定一种氨基酸（三联体密码）的规每三个核苷酸决定一种氨基酸（三联体密码）的规则，合成具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过

18、程。则，合成具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。triplet code:决定一种氨基酸的三个相连的核苷酸决定一种氨基酸的三个相连的核苷酸序列的顺序。序列的顺序。10/22/202126（一）（一）dna的复制的复制1、原核生物的、原核生物的dna复制复制 染色体与质粒复制染色体与质粒复制2、线粒体与叶绿体、线粒体与叶绿体dna的复制的复制3、病毒遗传物质、病毒遗传物质dna或或rna的复制的复制4、真核生物、真核生物dna的自我复制的自我复制(self-replication)10/22/202127（一）（一）dna的复制的复制dna合成特点：合成特点：1.精确的进行精确的进行自我复制自

19、我复制（self-replication）；）；2.合成所需合成所需时间时间无误；无误；3.dna聚合酶催化整个基因组的复制过程；聚合酶催化整个基因组的复制过程；4 . d n a 的 复 制 是的 复 制 是 半 保 留 复 制半 保 留 复 制（semiconservative replication）。）。5.dna 的复制是的复制是双向双向同时进行和同时进行和半不连续半不连续(semidiscontinuty)的。的。6.dna的复制方向是的复制方向是53方向方向。10/22/2021281.精确的进行精确的进行自我复制自我复制（self-replication） dna的双螺旋结构的

20、双螺旋结构模型模型(1)右手双螺旋，右手双螺旋，5 3, 3 5(2)a a t, g t, g c c (3)交替的脱氧核糖和带负电荷的磷酸基团位于交替的脱氧核糖和带负电荷的磷酸基团位于双螺旋的外侧，糖环与碱基间几乎垂直。双螺旋的外侧，糖环与碱基间几乎垂直。(4)碱基位于双螺旋内侧碱基位于双螺旋内侧,与螺旋长轴垂直。与螺旋长轴垂直。(5)双螺旋直径双螺旋直径2（2.37）nm; 相邻碱基对距离为相邻碱基对距离为0.34（0.33）nm, 夹角夹角36（34.6）(6)每一个螺旋共有十个碱基对，螺距为每一个螺旋共有十个碱基对，螺距为3.4nm(7)具有深（大）沟和浅（小）沟。具有深（大）沟和浅

21、（小）沟。10/22/2021292.合成所需合成所需时间时间无误无误复制时间：复制时间：因为复制时，复制叉的移动速度大约为因为复制时，复制叉的移动速度大约为1 kbp/s，所以：，所以：人的基因组碱基对数：人的基因组碱基对数：3109碱基对（碱基对（bps）；）；全部复制时间则约全部复制时间则约8小时；小时；e. coli的碱基对数：的碱基对数：5106 bps,全部复制完的全部复制完的时间则约时间则约38分钟分钟。10/22/2021304.dna的的半保留复制半保留复制（semiconservative replication）。）。semiconservative replicatio

22、n:在在dna分子进行复制的过程分子进行复制的过程中，每个子代分子的新链合成中，每个子代分子的新链合成都以一条来自亲代的母链为模都以一条来自亲代的母链为模板合成，结果得到的每个板合成，结果得到的每个dna分子的两条链，一条来分子的两条链，一条来自亲代自亲代dna，另一条为新合，另一条为新合成的。这种复制方式即称作成的。这种复制方式即称作半半保留复制保留复制。pfpppf10/22/202131（1）dna的半保留复制的实验证明的半保留复制的实验证明a. meselson stahl 实验实验lb. 放射自显影实验放射自显影实验通过放射剂量的计算来推断。通过放射剂量的计算来推断。杂化杂化dna密

23、度轻密度轻dna密度重密度重dna在在15nh4cl中培养中培养在在nh4cl中培养中培养的第一代的第一代dna在在nh4cl中培养中培养的第二代的第二代dna10/22/202132（2）dna的双向复制的双向复制10/22/202133的半不连续复制的半不连续复制10/22/202134（3）dna聚合酶聚合酶 (dna polymerase)以完整以完整dna链作为模板，催化核苷酸链作为模板，催化核苷酸加到一个正在延伸的加到一个正在延伸的dna链上，从而合成链上，从而合成一条互补的一条互补的dna链的酶。链的酶。斯坦福大学医学院斯坦福大学医学院arthur kornberg 在在1956

24、年发现年发现dna聚合酶聚合酶i.10/22/202135（3）dna聚合酶聚合酶表：大肠杆菌和哺乳动物表：大肠杆菌和哺乳动物dna聚合酶的特征（聚合酶的特征（i）dna聚聚合酶合酶()主要功能主要功能*切去滞后链上的切去滞后链上的rna引物，并填充引物，并填充核苷酸。核苷酸。dna修复。修复。dna合成中链的延伸。（不能从头开合成中链的延伸。（不能从头开始聚合反应）始聚合反应）滞后链的合成。滞后链的合成。35外切外切酶活性酶活性有有有有有有没有没有*还有还有5 3外切酶的活性。外切酶的活性。10/22/202136（3）dna聚合酶聚合酶表：大肠杆菌和哺乳动物表：大肠杆菌和哺乳动物dna聚合

25、酶的特征（聚合酶的特征（ ）dna聚聚合酶合酶 ()( )主要功能主要功能前导链的合成前导链的合成dna修复修复dna修复修复线粒体的线粒体的dna的修复的修复3-5外切外切酶活性酶活性有有有有没有没有有有10/22/202137（4）dna两条链的合成两条链的合成1、前导链（前导链（leading strand）:在在dna的复制过程中，的复制过程中，新链聚合方向为新链聚合方向为5 3，即复制方向与复制叉移动方向相，即复制方向与复制叉移动方向相同的连续合成的子链。同的连续合成的子链。2、滞后链（滞后链（lagging strand）:以以5 3的亲链为模板，的亲链为模板，先以先以5 3方向合

26、成不连续的短方向合成不连续的短dna片段，最后在片段，最后在dna pol i的作用下连接成长的子链。的作用下连接成长的子链。3、冈崎片段（冈崎片段（okanzaki fragment）:dna合成中，滞合成中，滞后链合成时出现的小的后链合成时出现的小的dna片段，长度在片段，长度在10002000核苷酸核苷酸残基。残基。4、复制叉整体向一个方向延伸（速度复制叉整体向一个方向延伸（速度1000bps/s）。）。10/22/202138（5）冈崎片段的合成）冈崎片段的合成冈崎实验冈崎实验1968年，冈崎等人年，冈崎等人材料：噬菌体感染的大肠杆菌材料：噬菌体感染的大肠杆菌 含有含有3h标记的胸苷培

27、养基标记的胸苷培养基测定结果：测定结果：在短时间内，新合成的在短时间内，新合成的dna链中，有标记了的小链中，有标记了的小片段片段dna；时间长后，则连成大片段的；时间长后，则连成大片段的dna .10/22/202139合成过程：合成过程：a. 冈崎片段合成的开始冈崎片段合成的开始引发酶催化合成一个与滞后模板链互补引发酶催化合成一个与滞后模板链互补的约的约1012个核苷酸的个核苷酸的rna 片段片段(约每秒约每秒一个一个)rna引物。引物。10/22/202140b. rna的切除及冈崎片段的延伸的切除及冈崎片段的延伸dna pol i 以其以其5 3外切酶外切酶活性活性去除去除rna引物，

28、同时引物，同时填填充充在冈崎片段的空缺部位，将一个在冈崎片段的空缺部位，将一个新的脱氧核苷酸加新的脱氧核苷酸加到新到新的的dna链的链的3端，从而使得切口沿滞后链移动，端，从而使得切口沿滞后链移动，完成完成10或或12个脱氧核苷酸的聚合，脱离。个脱氧核苷酸的聚合，脱离。冈崎片段之间的这种同时合成和降解的过程称为冈崎片段之间的这种同时合成和降解的过程称为切口平切口平移（移（nick translation）.dna连接酶连接酶催化连接催化连接dna pol i 留下的片段之间的缺口。留下的片段之间的缺口。10/22/202141（6）复制叉移动的多酶复合物）复制叉移动的多酶复合物d n a p

29、o li i i聚 合 反 应解 旋 酶使 得 双 螺 旋d n a 解 旋 ， 与a t p 水 解 相 耦 联拓 扑 异 构 酶将 解 旋 后 产生 的 扭 转 张力 释 放单 链 结 合 酶防 止 解 开 的螺 旋 恢 复原 状d n a 引 发 酶沿 滞 后 链 在 有 规则 的 间 隔 内 合 成短 的 r n a 引 物多 蛋 白 复 合 体10/22/202142（7）dna合成的起始合成的起始e. coli的的dna复制复制起始点起始点为一个称作为一个称作oric的遗传位点。的遗传位点。oric区组成（区组成（245bps）4 copies重复序重复序列（列（ttatccaca

30、）+ 3 copies 富含富含a-t序序列列 (gatctnttntttt)10/22/202143（8）dna合成的终止合成的终止e. coli的复制终止在的复制终止在ter(minus)区，区，600bps.由由ter a, ter b, ter c, ter d、 ter e和和ter f六个六个dna序列构序列构成陷阱区，使得复制叉能进不能出。成陷阱区，使得复制叉能进不能出。ter f、ter b和和 ter c构成顺时针复制叉陷阱构成顺时针复制叉陷阱; ter a, ter d, ter e构成反时针复制叉陷阱构成反时针复制叉陷阱陷阱区是陷阱区是终止子利用物质（终止子利用物质（tu

31、s）蛋白质的接合部位。蛋白质的接合部位。tus-ter复合物形成，即可以通过阻止解旋酶解旋来封闭复制叉复合物形成，即可以通过阻止解旋酶解旋来封闭复制叉的通路。的通路。 tus-ter复合物质捕捉来自一个方向的复制叉，以复合物质捕捉来自一个方向的复制叉，以使得两个复制叉能够碰头。使得两个复制叉能够碰头。10/22/202144（二）（二）rna的逆转录的逆转录(reverse transciption)逆转录病毒的基因组是逆转录病毒的基因组是rna分子，感染宿分子，感染宿主细胞后，逆转录生成主细胞后，逆转录生成dna分子，逆转录分子，逆转录生成的生成的dna分子被立刻转录生产更多的病分子被立刻转

32、录生产更多的病毒毒rna，或与宿主细胞的，或与宿主细胞的dna结合，潜伏结合，潜伏于宿主后代中。于宿主后代中。逆转录酶逆转录酶(reverse transciptase)：具有具有rnaseh活性，即降解活性，即降解rna活性和活性和dna聚合聚合酶活性酶活性10/22/202145（三）（三）pcr技术技术（略）（略）pcr (polymerase chain reaction)聚聚合酶链式反应。合酶链式反应。1 9 8 5 年年 k a r y mullis发明，获得发明，获得1993年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。10/22/202146（三）（三）pcr技术技术关键酶关键酶taq polyme

33、rase， taq 聚合酶。聚合酶。具有热稳定性，在具有热稳定性，在7075时具有最高生物时具有最高生物活性。活性。过程过程：（dna + 引物）引物）加热（加热（ 95 ，变性，单变性，单链）、冷却（退火）、保温（延伸）链）、冷却（退火）、保温（延伸）结果：结果：n次后，得到次后，得到 2n dna.10/22/202147（四）（四）dna损伤的修复损伤的修复1. dna损伤的修复的必要性损伤的修复的必要性减少生物体的突变危险。减少生物体的突变危险。dna指导生物必需分子的合成，如果指导生物必需分子的合成，如果dna缺陷积缺陷积累，将导致细胞功能紊乱，甚至致死。累，将导致细胞功能紊乱，甚至

34、致死。dna损伤与突变的区别：损伤与突变的区别：dna损伤损伤形式多样形式多样，但发生在生物体内的许多，但发生在生物体内的许多dna损伤是损伤是可以修复的，只有严重的损伤才会致死。可以修复的，只有严重的损伤才会致死。逃过修复的损伤才会造成突变。逃过修复的损伤才会造成突变。突变突变是是dna核苷酸序列的核苷酸序列的可遗传可遗传变化，是遗传信息的变化，是遗传信息的永久永久改变。改变。10/22/202148dna损伤形式：损伤形式：包括包括:碱基修饰碱基修饰核苷酸删除和插入核苷酸删除和插入dna链的交联链的交联胸腺嘧啶二聚体的形成胸腺嘧啶二聚体的形成以及磷酸二酯键骨架的断裂等以及磷酸二酯键骨架的断

35、裂等。10/22/2021492、dna的损伤原因的损伤原因化学诱变剂、化学诱变剂、u.v.造成：造成：n-糖苷键水解、鸟苷或腺糖苷键水解、鸟苷或腺苷自发脱嘌呤形成脱氧核糖、胞嘧啶脱氨形成尿嘧苷自发脱嘌呤形成脱氧核糖、胞嘧啶脱氨形成尿嘧啶（往往自发发生）（人体内每天有啶（往往自发发生）（人体内每天有103/109bp发生发生脱嘌呤）脱嘌呤） 。离子辐射、离子辐射、u.v.造成：造成：胸腺嘧啶二聚体。导致含胸胸腺嘧啶二聚体。导致含胸腺嘧啶的链上腺嘧啶的链上dna骨架的结构改变，可能引起与互骨架的结构改变，可能引起与互补链上的相应的腺嘌呤残基之间的氢键断裂。补链上的相应的腺嘌呤残基之间的氢键断裂。

36、自然突变率：自然突变率：1 gene / 105106细胞代。细胞代。突变生物学意义之一：突变生物学意义之一：进化的驱动力，取决于进化的驱动力，取决于dna修复和基因的多样性之间的精细平衡。修复和基因的多样性之间的精细平衡。10/22/2021503、dna的修复的修复dna的修复类型：的修复类型：直接修复直接修复(direct repair)切除修复切除修复(excision repair)错配修复错配修复(mismacth repair)重组修复重组修复(recombination repair)易错修复易错修复(erro-prone repair):10/22/2021511）直接修复：

37、）直接修复：i.光复合酶的修复：光复合酶的修复：结合到胸腺嘧啶二聚体引起结合到胸腺嘧啶二聚体引起扭曲的双螺旋部位，在可见光扭曲的双螺旋部位，在可见光(400nm)存在下，存在下，光复合酶催化两个胸腺嘧啶碱基的分解，正常的光复合酶催化两个胸腺嘧啶碱基的分解，正常的a-t碱基对重新形成，光复合酶脱落。碱基对重新形成，光复合酶脱落。ii.甲基转移酶的修复甲基转移酶的修复修复烷基化损伤的修复烷基化损伤的dna，烷基化的碱基化会改变碱基的配对性质。，烷基化的碱基化会改变碱基的配对性质。如甲基化的鸟嘌呤在如甲基化的鸟嘌呤在o6-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤-dna甲基转甲基转移酶作用下，将这特殊的烷基化碱基的甲烷

38、基转移酶作用下，将这特殊的烷基化碱基的甲烷基转移到该酶的一个半胱氨酸巯基上，酶则失活；该移到该酶的一个半胱氨酸巯基上，酶则失活；该失活酶又刺激该转移酶基因表达产生新的烷基转失活酶又刺激该转移酶基因表达产生新的烷基转移修复酶移修复酶10/22/2021522）切除修复）切除修复(1)核苷酸的切除修复：核苷酸的切除修复：abc切除核酸酶将损切除核酸酶将损伤部位两侧切取含有损伤部位两侧切取含有损伤的伤的dna链，形成一链，形成一个单链缺口；个单链缺口；dna聚聚合酶按照互补链接口重合酶按照互补链接口重新形成新形成dna链；链；dna连接酶将新链与原来的连接酶将新链与原来的链连接。链连接。核苷酸的切除

39、修复核苷酸的切除修复10/22/202153(2)碱基切除修复碱基切除修复dna糖基化酶能识别糖基化酶能识别dna中的尿嘧啶、次黄中的尿嘧啶、次黄嘌呤和黄嘌呤等不正确嘌呤和黄嘌呤等不正确碱基。它们分别由胞嘧碱基。它们分别由胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤分啶、腺嘌呤和鸟嘌呤分别脱氨形成。别脱氨形成。 dna糖糖基化酶切除它们的基化酶切除它们的n-糖糖苷键，形成一个核苷酸苷键，形成一个核苷酸空隙，空隙，dna聚合酶重新聚合酶重新聚合正确的核苷酸，聚合正确的核苷酸，dna连接酶将切口封闭。连接酶将切口封闭。10/22/2021543)错配修复错配修复对对dna复制过程中的偶然错误碱基配对，复制过程中的偶然错

40、误碱基配对，e. coli由由muts, muth和和mutl系统校正。该系统只能校系统校正。该系统只能校正新合成的正新合成的dna。依据：依据：新合成的链中新合成的链中gatc序列中的序列中的a开始未被甲开始未被甲基化，而模板链的已经甲基化基化，而模板链的已经甲基化,造成甲基错配。造成甲基错配。muts能识别错配碱基，能识别错配碱基， muts-muth-mutl复合复合物形成；突变的链被解旋酶和内切核酸酶切去，物形成；突变的链被解旋酶和内切核酸酶切去，切除方向与错配碱基的相对位置有关；然后按甲切除方向与错配碱基的相对位置有关；然后按甲基化的亲本链重新合成和连接。基化的亲本链重新合成和连接。

41、10/22/2021554）重组修复）重组修复10/22/2021565)应急反应应急反应(sos)和易错修复和易错修复由能造成由能造成dna损伤或抑制复制的处理引起的一系列复杂的损伤或抑制复制的处理引起的一系列复杂的诱导效应，称为诱导效应，称为应急反应应急反应(sos response)。sos反应包括反应包括诱导诱导dna损伤修复、诱变效应、细胞分裂的损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制以及溶原性细菌释放噬菌体等等。抑制以及溶原性细菌释放噬菌体等等。 weigle效应效应(in 1950s):用紫外线照射过的用紫外线照射过的噬菌体感染事先噬菌体感染事先经低剂量紫外线照射的大肠杆菌，存活的噬菌

42、体数便大为经低剂量紫外线照射的大肠杆菌，存活的噬菌体数便大为增加，而且存活的噬菌体中出现较多的突变型。如果感染增加，而且存活的噬菌体中出现较多的突变型。如果感染的是未经的是未经u.v.照射的细菌，那么存活率和变异率都较低的照射的细菌，那么存活率和变异率都较低的现象。现象。 sos反应诱导的修复系统反应诱导的修复系统包括避免差错的修复包括避免差错的修复(error free repair)和易产生差错的修复和易产生差错的修复(errorprone repair)两类。两类。 10/22/202157不经诱导和不经诱导和sos反应修复的不同：反应修复的不同：错配修复、直接修复、切除修复和重组修复能

43、够错配修复、直接修复、切除修复和重组修复能够识别识别dna的损伤或错配碱基而加以消除，在它们的损伤或错配碱基而加以消除，在它们的修复过程中的修复过程中并不明显引入错配碱基并不明显引入错配碱基，因此，因此属于属于避免差错的修复。避免差错的修复。sos反应能反应能诱导诱导切除修复和重组修复中切除修复和重组修复中某些关键某些关键酶和蛋白质的产生酶和蛋白质的产生，使这些酶和蛋白质在细胞内，使这些酶和蛋白质在细胞内的含量升高，从而的含量升高，从而加强切除修复和重组修复加强切除修复和重组修复的能的能力。此外，力。此外，sos反应还反应还能诱导产生缺乏校对功能能诱导产生缺乏校对功能的的dna聚合酶聚合酶，它

44、能在，它能在dna损伤部位进行复制而损伤部位进行复制而避免了死亡，可是避免了死亡，可是却带来了高的变异率却带来了高的变异率。10/22/202158dna聚合酶聚合酶i与与dna聚合酶聚合酶和和v dna聚合酶聚合酶i具有具有3核酸外切酶活性而表现出校对功能，核酸外切酶活性而表现出校对功能，它在它在dna损伤部位进行复制时，由于新合成链的核苷酸不损伤部位进行复制时，由于新合成链的核苷酸不能和模板链的碱基配对而被切除，再次引入的核苷酸如还能和模板链的碱基配对而被切除，再次引入的核苷酸如还不能配对仍将被切除，这样不能配对仍将被切除，这样dna聚合酶就会在原地打转而聚合酶就会在原地打转而不前进，或是

45、脱落下来使不前进，或是脱落下来使dna链的合成中止。链的合成中止。sos诱导产生诱导产生dna聚合酶聚合酶和和v，它们不具有，它们不具有3核酸外切核酸外切酶校正功能，于是在酶校正功能，于是在dna链的损伤部位即使出现不配对碱链的损伤部位即使出现不配对碱基，复制仍能继续前进。基，复制仍能继续前进。生物生存的应对策略：生物生存的应对策略： sos反应中允许错配修复可增加存反应中允许错配修复可增加存活的机会。活的机会。 sos反应使细菌的细胞分裂受到抑制，结果长成丝状体的反应使细菌的细胞分裂受到抑制，结果长成丝状体的生理意义：生理意义：可能是在可能是在dna复制受到阻碍的情况下避免因细复制受到阻碍的

46、情况下避免因细胞分裂而产生不含胞分裂而产生不含dna的细胞，或者使细胞有更多进行重的细胞，或者使细胞有更多进行重组修复的机会。组修复的机会。sos反应主要包括两个方面：反应主要包括两个方面：dna修复和导致变异。修复和导致变异。 10/22/202159（四）（四）dna损伤的修复损伤的修复4、修复系统缺陷、修复系统缺陷：fanconi贫血病：贫血病：外切酶或连接酶活性低外切酶或连接酶活性低，表现为，表现为一种恶性肿瘤，机体对诱变剂的敏感性增加。一种恶性肿瘤，机体对诱变剂的敏感性增加。cockayne综合症：综合症：修复缺陷修复缺陷，引起光敏感性，病，引起光敏感性，病人生长慢，智力发育迟钝，侏

47、儒症。人生长慢，智力发育迟钝，侏儒症。着色性干皮病（着色性干皮病（xp）：）：光复活酶缺陷、或光复活酶缺陷、或dna糖糖基化酶缺陷，或两种解旋酶缺陷等。基化酶缺陷，或两种解旋酶缺陷等。患者皮肤和眼患者皮肤和眼睛对紫外光极端敏感，身体曝光部位有雀斑样色素睛对紫外光极端敏感，身体曝光部位有雀斑样色素沉着，易患皮肤癌。沉着，易患皮肤癌。10/22/202160（四）（四）dna损伤的修复损伤的修复4、修复系统缺陷、修复系统缺陷重组修复机制缺陷，有可能导致癌症。重组修复机制缺陷，有可能导致癌症。例：例：妇女的妇女的brca 1和和brca 2两个基因如果有缺陷，两个基因如果有缺陷，80的概率可能会发生

48、乳腺癌。实验表明，的概率可能会发生乳腺癌。实验表明，这两个基因编码的蛋白质这两个基因编码的蛋白质brcal和和brca2可以与重组蛋白可以与重组蛋白rad51相作用，很可能是参相作用，很可能是参与重组修复过程。与重组修复过程。 10/22/202161（五）（五）dna的突变的突变dna作为遗传物质的三个功能：作为遗传物质的三个功能：1、是通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；、是通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；2、是通过转录使遗传信息在子代得以表达；、是通过转录使遗传信息在子代得以表达；3、是通过变异在自然选择过程中获得新的遗传信、是通过变异在自然选择过程中获得新的遗传信息。息。变异变异是

49、是dna的核苷酸序列改变的结果，它包括由的核苷酸序列改变的结果，它包括由于于dna损伤和错配得不到修复而引起的突变，以损伤和错配得不到修复而引起的突变，以及由于不同及由于不同dna分子之间的交换而引起的遗传重分子之间的交换而引起的遗传重组。组。10/22/2021621、 突变的类型突变的类型1）碱基对的置换）碱基对的置换 (substitution) 2）移码突变）移码突变 (frame shift mutation) 10/22/2021631）碱基对的置换）碱基对的置换(substitution)置换置换(substitution)* dna错配碱基在复制后被错配碱基在复制后被固定下来，

50、由原来的一个碱基对被另一碱基对所取固定下来，由原来的一个碱基对被另一碱基对所取代，又称为代，又称为点突变点突变。碱基对置换包括碱基对置换包括转换和颠换转换和颠换两种两种类型：类型：转换转换(transition)两种嘧啶之间互换，或两种嘌两种嘧啶之间互换，或两种嘌呤之间互换。呤之间互换。颠换颠换(transversion)在嘌呤与嘧啶之间，或嘧啶在嘌呤与嘧啶之间，或嘧啶与嘌呤之间的互换。与嘌呤之间的互换。易错修复可以发生颠换。易错修复可以发生颠换。嘌呤嘌呤嘧嘧啶啶嘧嘧啶啶转换转换颠换颠换颠换颠换颠换颠换嘌呤嘌呤颠换颠换10/22/2021641、突变的类型、突变的类型三联体密码子发生突变导致蛋

51、白质中原来三联体密码子发生突变导致蛋白质中原来的氨基酸被另一种氨基酸取代，称为的氨基酸被另一种氨基酸取代，称为错义错义突变突变(missense mutation)。同义突变同义突变(missense mutation)三联体密三联体密码子发生突变码子发生突变,但是氨基酸没有变化的突变。但是氨基酸没有变化的突变。当氨基酸密码子变为终止密码子时，称为当氨基酸密码子变为终止密码子时，称为无义突变无义突变(nonsense mutation)，它导致翻译，它导致翻译提前结束而常使产物失活。提前结束而常使产物失活。10/22/2021652移码突变移码突变(frame shift mutation)移

52、码突变移码突变(frame shift mutation)由于一由于一个或多个非三整倍数的核苷酸对个或多个非三整倍数的核苷酸对插入插入(insertion)或或缺失缺失(deletion)，而使编码区该，而使编码区该位点后的三联体密码子阅读框架改变，导位点后的三联体密码子阅读框架改变，导致后面的氨基酸都发生错误。致后面的氨基酸都发生错误。通常该基因产物会完全失活；如出现终止通常该基因产物会完全失活；如出现终止密码子则使翻译提前结束。密码子则使翻译提前结束。10/22/202166 2、诱变剂的作用、诱变剂的作用 在自然条件下发生的突变称为在自然条件下发生的突变称为自发突变自发突变(sponta

53、neous mutation)。自发的突变率是非常低的，大肠杆菌和自发的突变率是非常低的，大肠杆菌和果蝇的基因突变率都在果蝇的基因突变率都在10-10左右。左右。能够提高突变率的物理或化学因子称为能够提高突变率的物理或化学因子称为诱变剂诱变剂(mutagen)。10/22/202167 2、诱变剂的作用、诱变剂的作用 最常见的诱变剂最常见的诱变剂有以下几类：有以下几类：碱基类似物碱基类似物(base analog)碱基的修饰剂碱基的修饰剂嵌入染料嵌入染料u.v.和电离辐射和电离辐射10/22/202168（1）碱基类似物）碱基类似物(base analog)碱基类似物引起的突变：碱基类似物引起

54、的突变：与与dna正常碱基结构正常碱基结构类似的化合物，能在类似的化合物，能在dna复制时取代正常碱基复制时取代正常碱基掺入并与互补链上碱基配对。掺入并与互补链上碱基配对。这些类似物易发生互变异构这些类似物易发生互变异构(tautomerization)，在复制时改变配对的碱基，于是在复制时改变配对的碱基，于是引起碱基对的引起碱基对的置换置换。所有碱基类似物引起的置换都是转换，而不是所有碱基类似物引起的置换都是转换，而不是颠换。颠换。10/22/202169（1）碱基类似物）碱基类似物(base analog)例例1：5溴尿嘧啶溴尿嘧啶(bu)是胸腺嘧啶的类似物，在是胸腺嘧啶的类似物，在通常情

55、况下它以通常情况下它以酮式酮式(keto)结构存在，能结构存在，能与腺嘌呤与腺嘌呤配对；但它有时以配对；但它有时以烯醇式烯醇式(enol)结构存在，结构存在，与鸟嘌与鸟嘌呤呤配对。配对。5溴尿嘧啶中溴原子负电性很强，其烯溴尿嘧啶中溴原子负电性很强，其烯醇式发生率要高得多，显著提高诱变的能力。醇式发生率要高得多，显著提高诱变的能力。结结果使果使at对转变为对转变为gc对；而在相反的情况下使对；而在相反的情况下使gc对转变成对转变成at对对*。例例2：2氨基嘌呤氨基嘌呤(ap)是腺嘌呤的类似物，正常是腺嘌呤的类似物，正常状态下与胸腺嘧啶配对，但以罕见的亚氨基状态状态下与胸腺嘧啶配对，但以罕见的亚氨

56、基状态存在时却与胞嘧啶配对。因此，存在时却与胞嘧啶配对。因此，能引起能引起at对转换对转换为为gc对，以及对，以及gc对转换为对转换为at对对*。10/22/202170（2）碱基的修饰剂）碱基的修饰剂(base modifier)碱基的修饰剂：碱基的修饰剂：某些化学诱变剂通过对某些化学诱变剂通过对dna碱基的修饰作用，碱基的修饰作用，而改变其配对性质。而改变其配对性质。例如：例如：亚硝酸亚硝酸能脱去碱基上的氨基。能脱去碱基上的氨基。腺嘌呤脱氨后成为次黄嘌呤腺嘌呤脱氨后成为次黄嘌呤(i)，它与胞嘧啶配对，而不是与，它与胞嘧啶配对，而不是与原来的胸腺嘧啶配对原来的胸腺嘧啶配对*。胞嘧啶脱氨后成为

57、尿嘧啶胞嘧啶脱氨后成为尿嘧啶，它与腺嘌呤配对，它与腺嘌呤配对*。dna经过两次复制后，分别由于腺嘌呤和胞嘧啶脱氨，而使经过两次复制后，分别由于腺嘌呤和胞嘧啶脱氨，而使at对转换为对转换为gc对，或对，或gc对转换为对转换为at对。对。鸟嘌呤脱氨鸟嘌呤脱氨后成为黄嘌呤后成为黄嘌呤(x)，它仍与胞嘧啶配对，因此经，它仍与胞嘧啶配对，因此经过过dna复制后即恢复正常，复制后即恢复正常，并不引起碱基对置换并不引起碱基对置换。10/22/202171（2）碱基的修饰剂）碱基的修饰剂(base modifier)羟胺羟胺(nh2oh) 只与胞嘧啶作用，生成只与胞嘧啶作用，生成4羟胺胞嘧啶羟胺胞嘧啶(hc)

58、，而与腺嘌呤配对，结，而与腺嘌呤配对，结果果gc对变为对变为at对对*。10/22/202172（2）碱基的修饰剂）碱基的修饰剂(base modifier)烷化剂烷化剂(alkylating agent)是极强的化学诱变剂，其中较常见的包括是极强的化学诱变剂，其中较常见的包括氮芥、氮芥、硫芥、乙基甲烷磺酸硫芥、乙基甲烷磺酸(ems)、乙基乙烷磺酸、乙基乙烷磺酸(ees)和亚硝基胍和亚硝基胍(ntg)等。等。烷化剂使烷化剂使dna碱基上的氮原子烷基化，最常见的是鸟嘌呤上碱基上的氮原子烷基化，最常见的是鸟嘌呤上第第7位氮原子的烷基化，位氮原子的烷基化，引起分子电荷分布的变化而改变碱引起分子电荷分

59、布的变化而改变碱基配对性质。基配对性质。如如7-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤(mg)与胸腺嘧啶配对。而直接与配对有关位置的烷化可与胸腺嘧啶配对。而直接与配对有关位置的烷化可以完全阻断碱基配对以完全阻断碱基配对*。氮芥氮芥是二是二(氯乙基氯乙基)胺胺的衍生物，的衍生物，硫芥硫芥是二是二(氯乙基氯乙基)的硫醚。的硫醚。氮芥、硫芥氮芥、硫芥能能使使dna同一条链或两条不同链上鸟嘌呤连接成二聚体。同一条链或两条不同链上鸟嘌呤连接成二聚体。dna两条链的交两条链的交联阻止了正常的修复，因此交联剂往往是强致癌剂。联阻止了正常的修复，因此交联剂往往是强致癌剂。亚硝基胍亚硝基胍在适宜条件下可使大肠杆菌每一个细胞都发生

60、一个以上的突变，在适宜条件下可使大肠杆菌每一个细胞都发生一个以上的突变，典型的变化是在典型的变化是在dna复制叉部位出现多个紧相靠近的一簇突变。因此精复制叉部位出现多个紧相靠近的一簇突变。因此精确控制培养条件和加入亚硝基胍的时间与剂量可选择性地使细胞确控制培养条件和加入亚硝基胍的时间与剂量可选择性地使细胞dna特特殊片段发生突变。殊片段发生突变。烷化后的嘌呤和脱氧核糖结合的糖苷键变得不稳定，容易使烷化后的嘌呤和脱氧核糖结合的糖苷键变得不稳定，容易使嘌呤脱落。嘌呤脱落。n糖苷酶也能将其水解除掉。糖苷酶也能将其水解除掉。10/22/202173（3）嵌入染料）嵌入染料(intercalating