分子生物学课件-2

第十章

DNA的损伤、修复和基因突变MolecularBiologyCourse2005.9《Cell》122卷第5期DNAMismatchandRepair

DNA的损伤:

基本概念、引起损伤的因素、损伤机理DNA修复：概念与原理、几种修复系统（切除、错配、直接、重组、SOS）基因突变：突变类型、诱变剂作用与检测、突变的生物学功能主要内容·重点·难点DNA损伤DNA损伤是生物体生命过程中的DNA双链结构发生的任何改变。（1）单个碱基的改变——序列改变（2）双链结构的异常扭曲——影响复制和转录损伤原因（1）复制过程中发生自发性损伤（2）细胞内各种代谢物导致（3）外界物理、化学因素引起1.DNA分子自发性损伤(1)互变异构移位：碱基发生“酮式—烯醇式”或“氨基—亚氨基”结构互变时，使碱基配对发生改变，复制子链上可能出错。GuanineThymineKETOform酮式ENOLform烯醇式TautomericformsoftheDNAbasesTautomericformsoftheDNAbasesAdenineCytosineAMINOform氨基型IMINOform亚氨基型异构体MutationcausedbytautomerofcytosineCytosineCytosineGuanineAdeninecytosinemispairswithadenineresultinginatransitionmutationNormaltautomericformRareiminotautomericform(2)碱基的脱氨作用A、G、C分子中的环外氨基自发脱落，使C￫U、A￫I(次黄嘌呤)、G￫X(黄嘌呤)，DNA复制时子链产生错误而损伤。A￫IC—G使AT变成GCC￫UA—T使GC变成ATG￫XC无变化羟胺、亚硫酸盐（C￫U）——体外诱变剂(3)DNA聚合酶的“打滑”DNA复制时模板或新生链常发生碱基的环出(loopingout)——DNA聚合酶的“打滑（slippage）”引起一个或数个碱基的插入或缺失。(4)活性氧引起的突变:

细胞内的活性氧使嘌呤和嘧啶分子发生氧化损伤。(5)碱基丢失:

在生理条件下DNA分子自发性水解,使碱基从磷酸脱氧核糖骨架上脱落。“O2-” hyperoxide“H2O2” Peroxide“OH•” hydroxyl2.物理因素引起的DNA损伤UV照射——引起DNA形成嘧叮二聚体（TT、CC、TC）。电离辐射——分直接效应和间接效应。

(1)辐射使DNA分子直接积聚能量，改变理化性质——直接效应

(2)辐射使DNA存在环境中的其它成分（水）积聚能量，活性氧引起DNA变化——间接效应氧化损伤3.化学因素引起的DNA损伤(1)烷化剂对DNA损伤将烷基加到DNA的碱基上去(亲核位点,NO)(2)碱基类似物对DNA的损伤5-溴尿嘧啶(5-BU)DNA的修复缺除修复：切除受损的碱基或DNA片段。错配修复：利用细胞错配修复系统修复。直接修复：把损伤的碱基回复到原来状态。重组修复：对复制时尚未修复的DNA损伤部位进行先复制再修复。易错修复：SOS反应能诱导允许错配的复制，属于易错修复,出现高突变率。1.切除修复系统(1)单碱基切除修复（1）特异性的酶识别损伤部位（2）DNA糖苷酶切除并释放碱基（3）DNA聚合酶和连接酶修复损伤。AglycosylaserecognizesthemispairandremovesA.Afail-safeglycosylasealsoremovesTfromT:Gmispairs,asifitknowshowTisproduced.

Fail-safesystems(最后保险系统)切除酶3’第5个磷酸二脂键5’第8个磷酸二脂键(2)核苷酸片段切除修复切除修复过程总结2.错配修复系统MutSisadimer.Onemonomerinteractswiththemismatchspecifically,andtheothernonspecifically.MutS能识别DNA的错配位点,并导致其本身和与链结合的变化问题1HowdoestheE.colimismatchrepairsystemknowwhichofthetwomismatchednucleotidetoreplace?ThenewlysynthesizedstrandisnotmethylatedbyDammethylaseinafewminutesafterthesynthesis.GATC序列问题2WhichexonucleasesareusedtoremovessDNAbetweenthenickcreatedbyMutHandthemismatch?EukaryoticcellsalsorepairmismatchesanddosousinghomologstoMutS(MSH)andMutL(MLH).

李国民博士是利用纯化后的人源蛋白在体外对5’方向存在缺口的错配DNA进行了修复。将真核系统错配修复系统中MutLα的作用机理进行了进一步的阐明。

3.直接修复系统(1)光复活作用

(2)甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（MGMT）DNA链烷基化损伤MGMT失活成为MGMT基因转录激活物4.重组修复

重组修复的主要步骤有：

1．复制

含有TT或其他结构损伤的DNA仍然可以正常的进行复制，但当复制到损伤部位时，子代DNA链中与损伤部位相对应的位置出现切口，新合成的子链比未损伤的DNA链要短。

2．重组

完整的母链与有缺口的子链重组，缺口由母链来的核苷酸片段弥补。

3．再合成

重组后母链中的缺口通过DNA多聚酶的作用合成核酸片段，然后由连接酶将新片段与旧链连接，至此重组修复完成。UV损伤重组修复的酶系统1重组2修复重组基因RecA编码一种重组蛋白RecA蛋白，MW=38000具有交换DNA链的活性基因RecBCD编码多功能酶具有解旋酶，核酸酶和ATP酶的活性。5.易错修复——SOS反应指DNA损伤时，应急而诱导产生的修复作用，称为SOS修复。在正常情况下，修复蛋白的合成是处于低水平状态的，这是由于它们的mRNA合成受到阻遏蛋白LexA的抑制。当DNA受到严重损伤时，recA以其蛋白酶的功能水解破坏LexA，从而诱导了十几种SOS基因的活化，促进了此十几种修复蛋白的合成。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，故又称为易错修复，使细胞有较高的突变率。当DNA两条链的损伤邻近时，损伤不能被切除修复或重组修复，DNA聚合酶I具有3‘外切核酸酶活性，使损伤处的DNA链空缺。SOS诱导DNA聚合酶IV和V，不具备校对功能，催化空缺部位DNA的合成，补上去的核苷酸几乎是随机的，仍然终于保持了DNA双链的完整性，使细胞得以生存。但这种修复带给细胞很高的突变率。SOSrepair修复的结果1DNA损伤的修复2导致修复

基因突变可遗传变异的基础：染色体畸变、基因突变和遗传重组基因内的遗传物质发生可遗传的结构和数量的变化——基因突变带有突变基因的细胞或个体——突变体1.基因突变的类型点突变—DNA错配碱基在复制后被固定下来，原来的一对碱基被另一对碱基取代。转换—两种嘧叮或两种嘌呤间的互换。颠换：嘧叮与嘌呤或嘌呤与嘧叮间互换。转换颠换插入突变——基因的序列中插入了一对碱基或一段外来DNA导致的突变。（1）拷贝移位：先复制再插入另一位点；（2）非拷贝移位：序列直接移动。同义突变—无声突变—中性突变

CTA——CTG——天冬氨酸错义突变

UUC（Phe）——UUA（Leu）

无义突变

TAC（Tyr）——TAA错位突变缺失突变渗漏突变回复突变TypesofbasepairmutationsCATGCACCTGTACCAGTACGTGGACATGGTCATCCACCTGTACCAGTAGGTGGACATGGTtransition(T-AtoC-G)transversion(T-AtoG-C)CATCACCTGTACCAGTAGTGGACATGGTdeletionCATGTCACCTGTACCAGTACAGTGGACATGGTinsertionbasepairsubstitutions转换transition:pyrimidinetopyrimidine,purinetopurine颠换transversion:pyrimidinetopurinenormalsequencedeletionsandinsertionscaninvolveoneormorebasepairsCATTCACCTGTACCAGTAAGTGGACATGGT2.突变的原因与诱变剂的作用自发突变——自然条件下发生的突变能提高突变率的物理或化学因子——诱变剂（1）碱基类似物——5-BU、2-AP（2）碱基修饰剂——亚硝酸、羟胺、烷化剂等ChemicalmutagensDeaminationbynitrousacidDerivationbyhydroxylamine(羟胺）TheformationofaquarternarynitrogendestabilizesthedeoxyribosidebondandthebaseisreleasedfromdeoxyriboseAlkylationbydimethylsulfatecausesdepurinationcytosine能与A结合嵌入染料

扁平的稠环分子插入到DNA分子碱基对间，占据一对碱基位置，造