河南科技大學遺傳學課件第五章DNA的損傷、修復和基因突變

1、 第第5 5章章 DNADNA的損傷、修復和基因突變的損傷、修復和基因突變（Chapter 5 DNA DamageChapter 5 DNA Damage、Repair and Gene MutationRepair and Gene Mutation） 河南科技大學農(nóng)學院河南科技大學農(nóng)學院 施江施江Molecular Biology Course第第5 5章章 DNADNA的損傷、修復和基因突變的損傷、修復和基因突變 5.1 DNA5.1 DNA的損傷的損傷 5.2 DNA5.2 DNA的修復的修復 5.3 5.3 基因突變基因突變Molecular Biology Course第一節(jié)第一

2、節(jié) DNADNA的損傷的損傷 一、一、DNADNA損傷的概念損傷的概念 二、二、DNADNA分子的自發(fā)性損傷分子的自發(fā)性損傷 三、物理因素引起的三、物理因素引起的DNADNA損傷損傷 四、化學因素引起的四、化學因素引起的DNADNA損傷損傷Welcome to Molecular Biology一、一、DNADNA損傷的概念損傷的概念是指在生物體生命是指在生物體生命過程中過程中DNADNA雙螺旋結構發(fā)生的任何改變。雙螺旋結構發(fā)生的任何改變。引起引起DNADNA損傷的因素：損傷的因素： 自發(fā)性損傷自發(fā)性損傷 物理因素引起的損傷物理因素引起的損傷 化學因素引起的損傷化學因素引起的損傷二、二、DNA

3、DNA分子的自發(fā)性損傷分子的自發(fā)性損傷 包括：包括： 互變異構移位互變異構移位 脫氨基作用脫氨基作用 DNADNA復制中的錯誤復制中的錯誤 堿基錯配堿基錯配 DNA DNA聚合酶的聚合酶的“打滑打滑” 活性氧引起的誘變活性氧引起的誘變 堿基丟失堿基丟失 1. 1. 互變異構移位互變異構移位(tautomeric(tautomeric shift) shift) DNA DNA堿基上的酮基或氨基都位于雜環(huán)上堿基上的酮基或氨基都位于雜環(huán)上N N原子鄰位，原子鄰位，能形成氨基能形成氨基- -亞氨基互變異構或酮式亞氨基互變異構或酮式- -烯醇式互變異構。烯醇式互變異構。 氨基氨基- -亞氨基互變異構亞

4、氨基互變異構酮式酮式- -烯醇式互變異構烯醇式互變異構堿基發(fā)生氨基堿基發(fā)生氨基- -亞氨基互變異構時，發(fā)生亞氨基互變異構時，發(fā)生A-CA-C、G-TG-T錯配。錯配。堿基發(fā)生酮式與烯醇式結構互變，堿基發(fā)生酮式與烯醇式結構互變， 發(fā)生發(fā)生A-CA-C、T-GT-G錯配。錯配。2. 2. 脫氨基脫氨基(deamination(deamination) )作用作用 胞嘧啶自發(fā)脫氨基的頻率為胞嘧啶自發(fā)脫氨基的頻率為每個細胞每天每個細胞每天200200個左右。個左右。自發(fā)脫氨基作用自發(fā)脫氨基作用引起的堿基轉換引起的堿基轉換 3. DNA3. DNA復制中的錯誤復制中的錯誤 堿基錯配堿基錯配 DNA DN

5、A聚合酶的聚合酶的“打滑打滑”4. 4. 活性氧引起的誘變活性氧引起的誘變 細胞代謝副產(chǎn)物細胞代謝副產(chǎn)物O O2-2-、H H2 2O O2 2等會造成堿基等會造成堿基損傷，引起堿基配對錯損傷，引起堿基配對錯誤。誤。 活性氧造成的堿基損傷活性氧造成的堿基損傷 5. 5. 堿基丟失堿基丟失 自發(fā)的脫嘌呤自發(fā)的脫嘌呤（depurinationdepurination）和脫嘧啶：和脫嘧啶：DNADNA分子在生理條件下可通過自發(fā)性水解，使嘌呤堿分子在生理條件下可通過自發(fā)性水解，使嘌呤堿和嘧啶堿從磷酸脫氧核糖骨架上脫落下來。和嘧啶堿從磷酸脫氧核糖骨架上脫落下來。 堿基脫落形成堿基脫落形成APAP位點（位

6、點（Apurinic Apurinic or Apyrimidinicor Apyrimidinic site site）。）。 熱和酸等都可使嘌呤和嘧啶從熱和酸等都可使嘌呤和嘧啶從DNADNA鏈的核糖磷鏈的核糖磷酸骨架上脫落，形成酸骨架上脫落，形成APAP位點位點。 在一個長壽命的哺乳動物細胞（如人神經(jīng)細在一個長壽命的哺乳動物細胞（如人神經(jīng)細胞）的整個生活周期中自發(fā)性脫落嘌呤數(shù)約為胞）的整個生活周期中自發(fā)性脫落嘌呤數(shù)約為10108 8個嘌呤堿，占細胞個嘌呤堿，占細胞DNADNA中總嘌呤數(shù)的中總嘌呤數(shù)的30%30%。 每個細胞每小時脫去的嘌呤堿和嘧啶堿數(shù)分每個細胞每小時脫去的嘌呤堿和嘧啶堿數(shù)分

7、別平均為別平均為580580個和個和2929個。個。三、物理因素引起的三、物理因素引起的DNADNA損傷損傷 1 1、紫外線引起的、紫外線引起的DNADNA損傷損傷 DNADNA分子損傷最早就是從研究紫外線分子損傷最早就是從研究紫外線(ultra (ultra violetviolet，UV)UV)的效應開始的。的效應開始的。 最容易形成的是最容易形成的是TTTT二聚體。二聚體。 人皮膚因受紫外線照射而形成二聚體的頻率可人皮膚因受紫外線照射而形成二聚體的頻率可達每小時達每小時5 510104 4個個/ /細胞，但只局限在皮膚中，因細胞，但只局限在皮膚中，因為紫外線不能穿透皮膚。為紫外線不能穿透

8、皮膚。 但微生物受紫外線照射后，就會影響其生存。但微生物受紫外線照射后，就會影響其生存。 UV2 2、電離輻射引起的、電離輻射引起的DNADNA損傷損傷 直接效應直接效應是是DNADNA直接吸收射線能量而遭損傷，直接吸收射線能量而遭損傷， 間接效應間接效應是指是指DNADNA周圍其他分子（主要是水分周圍其他分子（主要是水分子）吸收射線能量產(chǎn)生具有很高反應活性的自由基進子）吸收射線能量產(chǎn)生具有很高反應活性的自由基進而損傷而損傷DNADNA。 電離輻射可導致電離輻射可導致DNADNA分子的多種變化：分子的多種變化： 堿基變化堿基變化（堿基氧化修飾、過氧化物的形成、（堿基氧化修飾、過氧化物的形成、堿

9、基環(huán)的破壞和脫落等）堿基環(huán)的破壞和脫落等） 脫氧核糖變化脫氧核糖變化（脫氧核糖分解，最后會引起（脫氧核糖分解，最后會引起DNADNA鏈斷裂）鏈斷裂） DNA DNA鏈斷裂鏈斷裂 單鏈斷裂單鏈斷裂（single strand brokensingle strand broken） 雙鏈斷裂雙鏈斷裂（double strand brokendouble strand broken） 雖然單斷發(fā)生頻率為雙斷的雖然單斷發(fā)生頻率為雙斷的10-2010-20倍，但還比較倍，但還比較容易修復；容易修復；對單倍體細胞（如細菌）一次雙斷就是對單倍體細胞（如細菌）一次雙斷就是致死事件。致死事件。 交聯(lián)交聯(lián) DNA

10、DNA鏈間交聯(lián)鏈間交聯(lián) DNADNA蛋白質交聯(lián)蛋白質交聯(lián)四、化學因素引起的四、化學因素引起的DNADNA損傷損傷 烷化劑對烷化劑對DNADNA的損傷的損傷 堿基類似物對堿基類似物對DNADNA的損傷的損傷 堿基的修飾劑對堿基的修飾劑對DNADNA的損傷的損傷 嵌入染料對嵌入染料對DNADNA的損傷的損傷1. 1. 烷化劑對烷化劑對DNADNA的損傷的損傷 烷化劑是一類親電子的化合物，很容易烷化劑是一類親電子的化合物，很容易與生物體中大分子的親核位點起反應。與生物體中大分子的親核位點起反應。GCO-6-E-GTAT烷化劑烷化劑TAO-4-E-TGCG烷化劑烷化劑烷基化試劑：烷基化試劑： 硫芥硫芥

11、 氮芥氮芥 乙基甲烷磺酸乙基甲烷磺酸（ethyl mathanesulfonateethyl mathanesulfonate，EMSEMS） 乙基乙烷磺酸乙基乙烷磺酸（EESEES） 亞硝基胍亞硝基胍（NTGNTG） N-N-甲基甲基-N-N-硝基硝基-N-N-亞硝基胍亞硝基胍（N-mathyl-N-mathyl-N-nitro-N-nitrosoguanidionN-nitro-N-nitrosoguanidion，NNGNNG）烷化劑有兩類：烷化劑有兩類： 單功能烷化劑單功能烷化劑 雙功能烷化劑雙功能烷化劑化學武器如氮芥、硫芥等化學武器如氮芥、硫芥等 鏈內交聯(lián)鏈內交聯(lián) 鏈間交聯(lián)鏈間交聯(lián)

12、烷化劑造成的烷化劑造成的DNADNA損傷：損傷： 堿基烷基化堿基烷基化 堿基脫落堿基脫落 斷鏈斷鏈 交聯(lián)交聯(lián) 雙功能基烷化劑雙功能基烷化劑 DNADNA鏈內交聯(lián)鏈內交聯(lián) DNADNA鏈間交聯(lián)鏈間交聯(lián) DNADNA與蛋白質交聯(lián)與蛋白質交聯(lián) 氮芥引起氮芥引起DNADNA分子兩條鏈在鳥嘌呤上的交聯(lián)分子兩條鏈在鳥嘌呤上的交聯(lián)(a) (a) 交聯(lián)附近的總圖；交聯(lián)附近的總圖；(b) (b) 交聯(lián)部分結構圖交聯(lián)部分結構圖2. 2. 堿基類似物對堿基類似物對DNADNA的損傷的損傷 干擾干擾DNADNA復制合成。復制合成。ATABU酮酮BU烯醇烯醇GGCAT2-AP氨基氨基TC2-AP亞氨基亞氨基GC 3.

13、3. 堿基的修飾劑對堿基的修飾劑對DNADNA的損傷的損傷 某些化學誘變劑通過對某些化學誘變劑通過對DNADNA分子上堿基的修飾，分子上堿基的修飾，改變其配對性質。改變其配對性質。 脫氨基試劑：亞硝酸脫氨基試劑：亞硝酸（nitrous acid，HNO2，NA） 羥基化試劑：羥胺羥基化試劑：羥胺（hydroxylamine，NH2OH，HA）ATICGCHNO2GCAUATHNO2CG4-OH-CATANH2OH4. 4. 嵌入染料（嵌入染料（intercalated dyeintercalated dye）對）對DNADNA的損傷的損傷吖啶橙吖啶橙 (Acridine(Acridine Or

14、ange Orange，AO)AO)溴化乙錠溴化乙錠 (Ethidium(Ethidium Bromide Bromide，EB )EB )扁平染料分子扁平染料分子結果產(chǎn)生移碼突變結果產(chǎn)生移碼突變第二節(jié)第二節(jié) DNADNA的修復的修復 一、一、DNADNA修復的概念修復的概念 二、直接修復（損傷逆轉）二、直接修復（損傷逆轉） 三、切除修復三、切除修復 四、錯配修復四、錯配修復 五、重組修復五、重組修復 六、易錯修復和六、易錯修復和SOSSOS反應反應Welcome to Molecular Biology一、一、DNADNA修復的概念修復的概念 修復修復(DNA Repair)(DNA Rep

15、air)是指在是指在DNADNA損傷時，在多種酶的損傷時，在多種酶的作用下，細胞對損傷的反應。作用下，細胞對損傷的反應。 切除修復（切除修復（excision repairingexcision repairing，ERER） 錯配修復錯配修復(mismatch repair(mismatch repair，MMR)MMR) 直接修復（直接修復（direct repairdirect repair） 重組修復重組修復(recombination repair)(recombination repair) 易錯修復（易錯修復（SOSSOS修復）修復）二、直接修復（損傷逆轉）二、直接修復（損傷逆轉

16、） 直接修復（直接修復（direct repairdirect repair）是把被損傷的）是把被損傷的堿基回復到原來狀態(tài)的一種修復。堿基回復到原來狀態(tài)的一種修復。 有以下三種方式：有以下三種方式： 光修復（光修復（light repairlight repair） 烷基轉移酶直接修復烷基轉移酶直接修復 單鏈斷裂修復單鏈斷裂修復（1 1）光修復（）光修復（light repairlight repair）(2) (2) 烷基轉移酶（烷基轉移酶（AlkyltransferasesAlkyltransferases）直接修復）直接修復(3) (3) 單鏈斷裂修復單鏈斷裂修復三、切除修復（三、切除修

17、復（excision repairingexcision repairing） 在在DNADNA復制之前，在一系列酶的作用下，將復制之前，在一系列酶的作用下，將DNADNA分子中受損傷的部分切除后，以另一條完整的鏈為分子中受損傷的部分切除后，以另一條完整的鏈為模板，合成出切除部分，從而恢復模板，合成出切除部分，從而恢復DNADNA正常結構的過正常結構的過程。程。 包括：包括： 堿基的切除修復（堿基的切除修復（BERBER） 核苷酸的切除修復（核苷酸的切除修復（NERNER） 1. 1. 堿基切除修復堿基切除修復(Base (Base excision repairexcision repair

18、、BER)BER) 主要修復單個堿基主要修復單個堿基缺陷的損傷。缺陷的損傷。 短短- -補丁修復補丁修復（short-patch short-patch repairrepair） 長長- -補丁修復補丁修復（long-patch long-patch repairrepair） 堿基切除修復（堿基切除修復（BERBER）途徑中的重要糖苷酶：）途徑中的重要糖苷酶： 尿嘧啶尿嘧啶- -N N- -糖苷酶，從糖苷酶，從DNADNA中除去尿嘧啶堿基；中除去尿嘧啶堿基； 次黃嘌呤次黃嘌呤- -N N- -糖苷酶，從糖苷酶，從DNADNA中除去腺嘌呤脫氨中除去腺嘌呤脫氨后形成的次黃嘌呤；后形成的次黃嘌呤

19、； 33甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤DNADNA糖苷酶，可修復烷化劑產(chǎn)生糖苷酶，可修復烷化劑產(chǎn)生的損傷。的損傷。2. 2. 核苷酸片段切除修復核苷酸片段切除修復(Nucleotide (Nucleotide excision repairexcision repair，NER)NER) DNA DNA螺旋結構有較大損傷變形時，則以核螺旋結構有較大損傷變形時，則以核苷酸切除修復方式進行修復。苷酸切除修復方式進行修復。原核生物原核生物DNADNA損傷損傷切除修復過程：切除修復過程：原核細胞原核細胞NERNER系統(tǒng)蛋白質和酶的功能系統(tǒng)蛋白質和酶的功能 連接切口連接切口DNA連接酶連接酶填補缺口填補缺口DNA

20、 polI/II解鏈酶解鏈酶UvrD在損傷部位的在損傷部位的5-端切開端切開DNA鏈鏈UvrC識別損傷并在識別損傷并在3-端切開端切開DNA鏈鏈UvrB識別損傷并充當分子接頭識別損傷并充當分子接頭UvrA功能功能蛋白質蛋白質 著色性干皮病著色性干皮病（Xeroderma Xeroderma pigmentosumpigmentosum，XPXP）是一種切除修復是一種切除修復酶的缺陷。酶的缺陷。 患者對日光或紫外線特別敏感，患者對日光或紫外線特別敏感，對紫外線引起的對紫外線引起的DNADNA損傷不能修復，損傷不能修復，容易誘發(fā)皮膚癌。容易誘發(fā)皮膚癌。 至少有至少有7 7種不同基因的缺陷可種不同基

21、因的缺陷可導致導致XPXP。四、錯配修復四、錯配修復(Mismatch repair(Mismatch repair，MMR)MMR) 負責修復負責修復DNADNA復制過程中由于錯誤摻入而產(chǎn)生復制過程中由于錯誤摻入而產(chǎn)生的錯配。的錯配。 (1)(1) 識別錯配的堿基對。識別錯配的堿基對。 (2)(2) 對錯配的一對堿基要能準確區(qū)別哪一個是對錯配的一對堿基要能準確區(qū)別哪一個是錯的，哪一個是對的。錯的，哪一個是對的。 (3)(3) 切除錯誤的堿基，并進行修復合成。切除錯誤的堿基，并進行修復合成。錯配修復過程：錯配修復過程： 昂貴的代價用于保證昂貴的代價用于保證DNADNA的準確性。的準確性。五、重

22、組修復五、重組修復(recombination (recombination repair)repair) 重組修復過程重組修復過程： 重組修復不能完全去除損傷，損傷的重組修復不能完全去除損傷，損傷的DNADNA片段仍片段仍然保留在親代然保留在親代DNADNA鏈上，只是重組修復后合成的鏈上，只是重組修復后合成的DNADNA分子是不帶有損傷的。分子是不帶有損傷的。 但經(jīng)多次復制后，損傷就被但經(jīng)多次復制后，損傷就被“稀釋稀釋”了，在子代了，在子代細胞中只有一個細胞是帶有損傷細胞中只有一個細胞是帶有損傷DNADNA的。的。 重組修復機制的缺陷重組修復機制的缺陷, ,有可能導致腫瘤（乳腺癌）有可能導致

23、腫瘤（乳腺癌）發(fā)生。發(fā)生。六、易錯修復和六、易錯修復和SOSSOS反應反應 SOS SOS反應反應( SOS response)( SOS response)是細胞是細胞DNADNA受到損傷或受到損傷或復制系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下，細胞為求生存而產(chǎn)復制系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下，細胞為求生存而產(chǎn)生的一種應急反應。生的一種應急反應。 SOSSOS反應誘導的修復系統(tǒng)包括：反應誘導的修復系統(tǒng)包括： 避免差錯的修復避免差錯的修復（error free repairerror free repair）：錯）：錯配修復、直接修復、切除修復和重組修復。配修復、直接修復、切除修復和重組修復。 易產(chǎn)生差錯的修復易

24、產(chǎn)生差錯的修復（error prone repairerror prone repair）：）：易錯修復（易錯修復（SOSSOS修復）。修復）。DNADNA聚合酶聚合酶和和。SOSSOS反應：反應：0 0期：期：還沒有出現(xiàn)還沒有出現(xiàn)SOSSOS應答，應答，MMRMMR（錯配修復）。（錯配修復）。1 1期：期：NERNER（核苷酸片段切除修復）。（核苷酸片段切除修復）。2 2期：期：重組修復，主要是針對重組修復，主要是針對DNADNA雙鏈斷裂的修復。雙鏈斷裂的修復。3 3期：期：SOSSOS修復（易錯修復）。修復（易錯修復）。4 4期：期：凋亡。凋亡。RecARecA與與LexALexA組組成調

25、控成調控環(huán)路環(huán)路RecARecA在在SOSSOS反應反應中起核中起核心作用心作用未誘導的細胞未誘導的細胞 誘導的細胞誘導的細胞SOS repair 是一種錯誤傾向性極強的修復機制是一種錯誤傾向性極強的修復機制是進化中形成的是進化中形成的“ 竭盡全力，治病救人竭盡全力，治病救人” 的措施的措施（正常狀態(tài)下，（正常狀態(tài)下，SOS是關閉的）是關閉的）當當DNADNA復制度過難關后復制度過難關后RecA-p很快消失很快消失LexA gene onSOS off1、DNA的修復；的修復；2、導致變異。許多細胞的死亡只是為一些細導致變異。許多細胞的死亡只是為一些細胞的存活所付的代價。胞的存活所付的代價。第

26、三節(jié)第三節(jié) 基因突變基因突變 一、基因突變的概念一、基因突變的概念 二、基因突變的類型二、基因突變的類型 三、基因突變的主要后果三、基因突變的主要后果Welcome to Molecular Biology一、基因突變的概念基因突變的概念突變突變(Mutation)(Mutation)：是指遺傳物質發(fā)生可遺傳的變異。是指遺傳物質發(fā)生可遺傳的變異?；蛲蛔兓蛲蛔?Gene mutation)(Gene mutation)：基因的核苷酸順序或數(shù)：基因的核苷酸順序或數(shù)目發(fā)生改變。目發(fā)生改變。：染色體數(shù)目和結構的改變。：染色體數(shù)目和結構的改變。 自發(fā)突變（自發(fā)突變（spontaneous mutat

27、ionspontaneous mutation） 誘發(fā)突變（誘發(fā)突變（induced mutationinduced mutation，誘變）：堿，誘變）：堿基類似物、堿基的修飾劑、烷化劑、嵌入染料基類似物、堿基的修飾劑、烷化劑、嵌入染料 體細胞突變（體細胞突變（somatic mutationsomatic mutation） 生殖細胞突變（種系突變，生殖細胞突變（種系突變，germ-line germ-line mutationmutation） 誘變劑和致癌劑的檢測誘變劑和致癌劑的檢測（1 1）AmesAmes試驗試驗 使鼠傷寒沙門氏桿菌的營養(yǎng)缺陷型細菌與使鼠傷寒沙門氏桿菌的營養(yǎng)缺陷型細

28、菌與待測物一起培養(yǎng)，因回復突變而產(chǎn)生菌落，待測物一起培養(yǎng)，因回復突變而產(chǎn)生菌落，根據(jù)菌落的多少可判斷誘變力的強弱。根據(jù)菌落的多少可判斷誘變力的強弱。（2 2）DevoretDevoret試驗試驗 利用溶源菌被誘導產(chǎn)生噬菌斑的方法來檢利用溶源菌被誘導產(chǎn)生噬菌斑的方法來檢測致癌劑，簡化了檢測手段。測致癌劑，簡化了檢測手段。二、基因突變的類型二、基因突變的類型 點突變點突變(point mutation) 缺失缺失 (deletion) 插入插入 (insertion) 重排重排 (rearrangement)（一）點突變（堿基替換）（一）點突變（堿基替換） 點突變點突變(point mutatio

29、n)(point mutation) 是指是指DNADNA分子上發(fā)生了分子上發(fā)生了單個堿基的改變。單個堿基的改變。 特點：特點：具有很高的具有很高的回復率回復率。1. 1. 轉換轉換（transitiontransition）：發(fā)生在同型堿基之間，即發(fā)生在同型堿基之間，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。 Purine PuPurine Pu或者或者 Pyrimidine PyPyrimidine Py 2. 2. 顛換顛換（transversiontransversion） ：發(fā)生在異型堿基之間，發(fā)生在異型堿基之間，即嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤。即嘌呤變

30、嘧啶或嘧啶變嘌呤。 Pu PyPu Py或者或者Py PuPy Pu點突變從對遺傳信息的改變上定義分類：點突變從對遺傳信息的改變上定義分類： 同義突變（同義突變（consenseconsense mutation mutation，無聲突變、中性突變，無聲突變、中性突變，沉默突變）：沉默突變）：沒有改變產(chǎn)物氨基酸序列的密碼子。沒有改變產(chǎn)物氨基酸序列的密碼子。 錯義突變錯義突變( (missensemissense mutation) mutation) ：堿基序列的改變引堿基序列的改變引起了氨基酸序列的改變。起了氨基酸序列的改變。 滲漏突變滲漏突變(leaky mutation)：是突變基因是突變基因的產(chǎn)物尚有部分活性的錯義突變，是表型的產(chǎn)物尚有