遗传毒理学损伤与修复

关于遗传毒理学损伤与修复第一节DNA的突变和损伤1.1突变的概念1.2突变的类型1.3突变的原因1.4突变的后果第2页,共55页，2024年2月25日，星期天1.1DNA突变的概念突变：发生在DNA分子上可遗传的永久性结构变化通常称为突变。突变体：带有一个特定突变的基因、基因组、细胞或个体。

生命和生物多样性依赖于突变与突变修复之间的良好平衡。第3页,共55页，2024年2月25日，星期天1.2突变的类型1、点突变：DNA分子中一个碱基对替换另一个碱基对，也称碱基对的置换（substitution）。

转换(Transition)：最普通的一种点突变，嘧啶嘧啶，嘌呤嘌呤。

AGTC

颠换(Transversion)：另一种不常见的点突变，嘌呤嘧啶。ATTACG第4页,共55页，2024年2月25日，星期天碱基替换导致mRNA中密码子的改变，多肽链中氨基酸发生影响，可能出现几种不同的效应：同义突变（synonymousmutation）:由于密码子具有兼并性，单个碱基置换后密码子所编码的是同一种氨基酸，表型不改变。正常同义突变AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTG

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro第5页,共55页，2024年2月25日，星期天错义突变（Missensemutation）:DNA分子中的碱基置换后，形成新的密码子，从而导致所编码的氨基酸发生改变，产生活性降低、无活性或无功能的蛋白质。正常错义突变AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TCA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheSerArgAsnPro第6页,共55页，2024年2月25日，星期天无义突变（Nonsensemutation）:DNA分子中的碱基置换后，使编码一个氨基酸的密码子变为不编码任何氨基酸的终止密码子（UAA、UAG、UGA），肽链合成提前终止，产生短的、没有活性的多肽片段。正常无义突变AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TGA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPhe终止

ArgAsnPro第7页,共55页，2024年2月25日，星期天终止密码突变（Terminationcodonmutation）:当DNA分子中的一个终止密码发生突变，使多肽链的合成继续进行下去，一直延长至下一个终止密码子时停止，产生延长的异常多肽链，称延长突变（elongationM）。回复突变：突变体经过第二次突变又完全的或部分的恢复为原来的基因型和表现型。完全恢复是由于碱基顺序经过第二次突变后又变为原来的碱基顺序，故亦称真正的回复突变；部分恢复是由于第二次突变发生在另一部位上，其结果是部分恢复原来的表现型，亦称为第二位点突变（secondsitemutation）或基因内校正（intragenicsuppression）。第8页,共55页，2024年2月25日，星期天抑制基因突变（Suppressorgenemutation）：基因内部不同位置上的不同碱基发生了两次突变，其中一次抑制了另一次突变的遗传效应。例：血红蛋白病单纯β6谷氨酸缬氨酸血红蛋白病，致死同时β6谷氨酸缬氨酸+β73天冬氨酸天冬酰胺HbHarlem，临床症状较轻，原因是β73突变抑制了β6的突变效应。

第9页,共55页，2024年2月25日，星期天2、插入和缺失移码突变（frameshiftmutation）：DNA编码序列中插入（增加）或缺失一个或几个碱基，其下游阅读框发生改变，导致氨基酸顺序及蛋白质异常或无活性，称为移码突变。

-插入突变：DNA分子中插入一个或几个碱基对。

-缺失突变：DNA分子中缺失一个或多个碱基对。半胱丝氨谷氨缬氨半胱精氨赖氨亮氨DNATGC

TCG

CAA

GTT

GA

TGC

CGC

AAG

TTG

插入或缺失会造成其下游三联密码子错读，生成完全不同的肽链。

改变读码框缺失T第10页,共55页，2024年2月25日，星期天整码突变（Codonmutation）：DNA链的密码之间插入或缺失一个或几个密码子，导致肽链增加了或减少了一个或几个氨基酸，称为整码突变或称密码子插入或缺失。如：AAGGACCCGGCG------正常密码子顺序

AAGGACAAA

CCGGCG-----插入

AAGGACGCG---缺失

第11页,共55页，2024年2月25日，星期天

举例

-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-转换

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换碱基对的置换(substitution)移码突变(framesshiftmutation)转换颠换插入缺失第12页,共55页，2024年2月25日，星期天3、动态突变动态突变：邻近基因或位于基因序列中的单核苷酸重复拷贝数，在一代代传递过程中会发生明显的增加，如(CGG)n、(CAG)n等，从而导致某些遗传疾病的发病。该突变可遗传并产生表型效应——引起疾病，多为神经系统疾病。代表疾病：Hutington舞蹈病(CAG)n、强制性肌营养不良，脆性X综合症(CCG)n。第13页,共55页，2024年2月25日，星期天动态突变正常动态突变（CAG三核苷酸重复）AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAAsAGT

CAG

CAG

CAG

CAG

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnGlnGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAAs正常人：n=6~50多态受累个体：n>50copies多者几百~几千copies随着世代传递长度增加，发病年龄提前，病情加重。第14页,共55页，2024年2月25日，星期天1.3突变的原因两个概念：自发突变（spontaneousmutation)：由于正常的细胞活动，或细胞与环境的随机相互作用，这些过程所引起的生物DNA序列的改变。诱发突变（inducedmutation):

特定的化学或物理因素引起的DNA序列改变。Note:所有突变都包含DNA序列的改变第15页,共55页，2024年2月25日，星期天1.3.1DNA分子的自发性损伤1、DNA复制中的错误以DNA为模板按碱基配对进行DNA复制是一个严格而精确的事件，但也不是完全不发生错误的。正常情况下，大肠杆菌复制过程中的错配率为10－10左右。

第16页,共55页，2024年2月25日，星期天2、DNA的自发性变化生物体内DNA分子可以由于各种原因发生变化，至少有：①碱基的异构互变：例如，腺嘌呤（A）的互变异构体（A’）可以与胞嘧啶（C）配对，模板链上存在这些异构体的时候，子代链上就可能发生错误，形成损伤。②脱嘌呤与脱嘧啶，使脱氧核糖和碱基G（A）或T（C）连接的糖苷键被打断，从而失去G、A或T、C。③碱基的脱氨基作用：如C脱氨基后形成了U，在复制过程中将与A配对，从而引起GCAT转换突变。

GAACU

T突变脱氨基复制第17页,共55页，2024年2月25日，星期天3、转座子的插入转座子

(transposon或transposableelement)是基因组内相对独立的、可移动序列，它们不必借用噬菌体或质粒的形式就可以从基因组的一个部位直接转移到另一个部位，这个过程称为转座（transposition）。转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所以转座子又称跳跃基因（jumpinggene）。第18页,共55页，2024年2月25日，星期天第19页,共55页，2024年2月25日，星期天转座子特点转座以很低的频率发生，而且转座子的插入是随机的。转座子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内，引起基因表达的改变。转座子也可以引起基因组序列的重排，它们的移动也和进化有关。现在认为转座子存在于地球上所有的生物。第20页,共55页，2024年2月25日，星期天1.3.2物理因素引起的DNA损伤1、紫外线引起的DNA损伤当DNA受到最易被其吸收波长（～260nm）的紫外线照射时，主要是使同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成嘧啶二聚体。2、电离辐射引起的DNA损伤电离辐射损伤DNA有直接效应和间接效应两种途径，直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损伤；间接效应是指DNA周围其他分子（主要是水分子）吸收射线能量产生具有很高反应活性的自由基进而损伤DNA。损伤包括：①碱基变化;②脱氧核糖变化;③DNA链断裂;④交联。第21页,共55页，2024年2月25日，星期天1.3.3化学因素引起的DNA损伤1、烷化剂对DNA的损伤

如甲基磺酸乙酯EMS，烷化剂能在DNA上的四个碱基发生作用，使其增加烷基侧链，其最大的特异性是在鸟嘌呤的6位氧上增加一个烷基侧链导致与T错配，从而在下个复制周期中产生GCAT转换。第22页,共55页，2024年2月25日，星期天2、羟胺HA：

NH2OH也是一种特定诱发GCAT转换的诱变剂。能在胞嘧啶4位上的氨基氮上发生羟基化作用，产生N4羟基胞嘧啶，它能像T那样与A配对，产生GC

AT转换。第23页,共55页，2024年2月25日，星期天3、亚硝酸盐能使胞嘧啶（C）脱氨变成尿嘧啶（U），经过复制就可使DNA上的G-C变成A-T对，诱发GCAT；亚硝酸盐还能诱发腺嘌呤（A）脱氨基形成次黄嘌呤H，H能和C配对，诱发ATGC转换突变。

亚硝酸盐可诱发两个方向上的转换。第24页,共55页，2024年2月25日，星期天4、碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤

如:人工可以合成一些碱基类似物用作促突变剂或抗癌药物，如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氟尿嘧啶（5-FU）、2-氨基腺嘌呤（2-AP）等。第25页,共55页，2024年2月25日，星期天胸腺嘧啶类似物——5溴尿嘧啶（5-BU），由于胸腺嘧啶中5’CH3被Br取代会导致5BU变换异构体，使其碱基的配对能力发生变化。酮式烯醇式酮式腺嘌呤烯醇式鸟嘌呤第26页,共55页，2024年2月25日，星期天转换突变AT——GCAAG

GT5-BUT

5-BUC

CGC——ATGGAAC5-BUC

5-BUTT掺入异构体复制突变掺入异构体复制突变第27页,共55页，2024年2月25日，星期天1.4突变的后果根据基因突变对机体的影响，有以下几种情况：中性突变：变异后果轻微，对机体效应不明显。造成个体间的生物化学组成的遗传学差异，一般对机体无影响；如：ABO血型，HLA，同功酶等。有利于个体生存生育；如Hbs突变基因杂合子比正常纯合子对抗疟疾。产生遗传易感性；如：肿瘤易感性。引起遗传病。每个健康人均由5-6个有害突变。致死突变：造成死胎、自然流产、生后夭折。第28页,共55页，2024年2月25日，星期天第二节DNA损伤的修复机制

为了保证遗传信息的高度稳定性，生物细胞在进化过程中形成了一系列多步骤的修复机制。目前对DNA损伤和修复的研究还不多，仅限于辐射－生物反应方面。第29页,共55页，2024年2月25日，星期天2.1DNA直接修复2.2错配修复2.3切除修复碱基切除修复(baseexcisionrepair,BER)

核苷酸切除修复(nucleotideexcisionrepair,NER)2.4SOS反应诱导的修复2.5重组修复第30页,共55页，2024年2月25日，星期天2.1直接（回复）修复（directrepair）生物体内存在多种DNA损伤以后而并不需要切除碱基或核苷酸的机制，这种修复方式称为DNA的直接修复。直接修复即简单地把损伤的碱基回复到原来状态的修复，可分为以下几种：1.O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶直接修复通过从O6-甲基鸟嘌呤上把甲基直接转移到酶的半胱氨酸残基上来直接回复DNA的损伤。酶第31页,共55页，2024年2月25日，星期天DNA甲基转移酶O6-甲基转移酶使O6-甲基化鸟嘌呤恢复成鸟嘌呤第32页,共55页，2024年2月25日，星期天2.光解酶复活（photoreactivation）——

光裂合酶（photolyase）酶学光复活过程是修复UV导致的环丁烷嘧啶二聚体的直接机制，这种修复具有高度的专一性。3.单链断裂修复DNA单链断裂是损伤的一种常见形式，可以通过DNA连接酶的重接而修复。第33页,共55页，2024年2月25日，星期天光复活作用环丁烷嘧啶二聚体LightUV引起的光损伤嘧啶二聚体能被光裂合酶修复，该酶能在暗处和嘧啶二聚体结合，形成酶和DNA复合体，在光照条件下，复合体分解，使嘧啶二聚体分解为原先正常的碱基。第34页,共55页，2024年2月25日，星期天2.2错配修复（Mismatchrepair)

大肠杆菌中的DNA腺嘌呤甲基化（DAM）修复途径原核细胞内存在Dam甲基化酶，能使位于5’GATC序列中腺苷酸甲基化。复制后DNA在短期内（数分钟）为半甲基化的GATC序列，一旦发现错配碱基，即将未甲基化链切除一段包含错误碱基的序列，并以甲基化的链为模板进行修复。第35页,共55页，2024年2月25日，星期天参与错配修复的酶与蛋白质Dam甲基化酶；MutH、MutL、MutS多肽；解螺旋酶Ⅱ；DNA聚合酶Ⅲ；外切酶Ⅰ、Ⅹ、Ⅶ；RecJ核酸酶DNA连接酶；SSB第36页,共55页，2024年2月25日，星期天DNA甲基化酶第37页,共55页，2024年2月25日，星期天第38页,共55页，2024年2月25日，星期天2.3切除修复（暗复活）1.碱基切除修复（baseexciserepair，BER）BER可以去除因脱氨基或碱基丢失，无氧射线辐射或内源性物质引起的环氮类的甲基化等因素产生的DNA损伤。BER是维持DNA稳定的重要修复方式。第39页,共55页，2024年2月25日，星期天AP核酸内切酶修复途径单个嘌呤或嘧啶脱去后的位点成为AP位点。细胞中自发产生AP位点的频率很高。由一种专门在AP位点上切割的酶切断DNA上的磷酸二酯键，然后再启动由DNA外切酶、DNA聚合酶Ⅰ和连接酶参与的切除修复过程。第40页,共55页，2024年2月25日，星期天第41页,共55页，2024年2月25日，星期天

糖基化酶是损伤特异性的，细胞中有多种具有不同特异性的DNA糖基化酶糖基化酶通过水解糖苷键去除受损碱基切除后在DNA上形成AP位点，再经过AP核酸内切酶途径修复。DNA糖基化酶（glycosylate）修复途径第42页,共55页，2024年2月25日，星期天第43页,共55页，2024年2月25日，星期天2、核苷酸切除修复(nucleotide-excisionrepair，NER)

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，在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出切去的部分，然后使DNA恢复正常结构的过程。

NER可以修复UV照射形成的嘧啶二聚体，还能消除体内产生的各种嘌呤和嘧啶加合物。NER的关键特征是对损伤的DNA链的两端进行切割。

NER在已研究过的真核生物中都很相似，说明其在进化过程中高度保守。

第44页,共55页，2024年2月25日，星期天第45页,共55页，2024年2月25日，星期天第46页,共55页，2024年2月25日，星期天在人类中这是一种重要的修复途径。着色性干皮症是由于缺乏切除修复酶造成的遗传性缺陷，正常人的皮肤细胞和该缺陷者的皮肤细胞在培养时对UV的敏感性有很大差异，具有该缺陷的人在30岁之前就易死于皮肤癌。第47页,共55页，2024年2月25日，星期天2.4SOS反应诱导的修复（易错修复）

SOSresponse&DNArepairSOS反应：细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的应急效应。SOS反应诱导的修复系统包括