基因突變與DNA的損傷及

1、第四章 基因突變與DNA損傷、修復(fù) 遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變而引起的遺傳 信息改變，均可稱為突變 mutation） 在復(fù)制過程中發(fā)生的DNA突變稱為DNA損傷（DNA damage） 從分子水平來看，突變就是DNA分子上堿基的改變。 在DNA復(fù)制過程中，仍難免會存在少量未被校正的差錯。此外，DNA還會受到各種物理和化學(xué)因素的損傷。這些差錯和損傷如果不被修復(fù)，將會產(chǎn)生嚴重的細胞學(xué)后果 生物細胞中形成了多種多樣的DNA修復(fù)系統(tǒng)第一節(jié)DNA的損傷DNA損傷正常DNA分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)發(fā)生改變射線化學(xué)試劑DNA堿基雜環(huán) NC環(huán)外基團化學(xué)結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)改變DNA損傷單鏈斷裂雙鏈斷裂糖基化堿基修飾DNA

2、鏈間交聯(lián)DNA與蛋白質(zhì)交聯(lián)一、DNA的自發(fā)性損傷E cloi錯配10-110-2校正10-11、脫嘌呤和脫嘧啶哺乳動物29/cellhr脫嘧啶脫嘌呤580/cellhr912、堿基的脫氨基（次黃嘌呤）（黃嘌呤）3、堿基的互變異構(gòu)氨基亞氨基羰基烯醇基4、細胞正常代謝產(chǎn)物對DNA的損傷O2H2o2OH8-氧鳥嘌呤2-氧腺嘌呤5-羥甲基尿嘧啶二、物理因素導(dǎo)致的DNA損傷紫外線UV：主要是形成嘧啶二聚體；電離輻射：引起DNA堿基損傷、鏈的斷裂、DNA交聯(lián)等HNO2Nitrous acid1、亞硝酸：使胞嘧啶脫氨生在尿嘧啶，A脫氨基生成I。 三、化學(xué)因素導(dǎo)致的DNA損傷烷化劑：堿基烷基化；堿基脫落；斷鏈

3、；交聯(lián)單功能烷化劑：甲基磺酸甲酯雙功能烷化劑：可同時和DNA中兩個不同的親核位點反應(yīng)DNA鏈內(nèi)交聯(lián)DNA鏈間交聯(lián)2、烷化劑導(dǎo)致的DNA損傷3 3、堿基類似物：結(jié)構(gòu)與堿基相似，可改變堿基配對特性的正常堿基衍生物或人工合成的化合物。 如：5-5-溴尿嘧啶（與A A或G G配對）、 2- 2-氨基嘌呤（與T T或C C配對） DNA損傷的后果：點突變、缺失、插入、倒位或轉(zhuǎn)位、雙鏈斷裂 對生物可能產(chǎn)生4種后果：致死性；喪失某些功能；改變基因型而不改變表現(xiàn)型；發(fā)生了有利于物種生存的結(jié)果，使生物進化。第二節(jié)DNA損傷的修復(fù) DNA損傷的修復(fù)：是指DNA受到損傷后，細胞內(nèi)發(fā)生的使DNA的化學(xué)組成和核苷酸序列

4、重新恢復(fù)或使細胞對DNA損傷產(chǎn)生耐受的一系列反應(yīng)。 DNA是細胞中唯一具修復(fù)系統(tǒng)的生物大分子。 一、直接修復(fù) 直接修復(fù)：指的是不需要移去任何堿基或核苷酸就可以將損傷逆轉(zhuǎn)到正常狀態(tài)的修復(fù)機制。 是生物體內(nèi)最簡單的修復(fù)方式，屬于無差錯直接修復(fù)。（1）光修復(fù)或光復(fù)活：光修復(fù)：利用可見光能量將DNA中的嘧啶二聚體通過光解作用恢復(fù)為單體，從而恢復(fù)DNA正常結(jié)構(gòu)的DNA修復(fù)過程。 這是最早發(fā)現(xiàn)的DNA修復(fù)方式。DNA中的嘧啶二聚體可通過可見光(300600nm)的光解作用而恢復(fù)為單體。 催化這一過程的酶為光復(fù)活酶或光裂合酶。 基本步驟如圖所示：此酶能特異性識別紫外線造成的核酸鏈上相鄰嘧啶共價結(jié)合的二聚體，

5、并與其結(jié)合，這步反應(yīng)不需要光；結(jié)合后如受300-600nm波長的光照射，則光復(fù)活酶就被激活，將二聚體分解為兩個正常的嘧啶單體，然后酶從DNA鏈上釋放，DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)。（2）斷裂鏈的重接 DNA單鏈斷裂是常見的損傷，其中一部分可僅由DNA連接酶參與而完全修復(fù)。此酶在各類生物各種細胞中都普遍存在，修復(fù)反應(yīng)容易進行。但雙鏈斷裂缺幾乎不能修復(fù)。（3）直接插入嘌呤 DNA鏈上嘌呤的脫落造成無嘌呤位點，能被DNA嘌呤插入酶識別結(jié)合，在K+存在的條件下，催化游離嘌呤或脫氧嘌呤核苷插入生成糖苷鍵，且催化插入的堿基有高度專一性、與另一條鏈上的堿基嚴格配對，使DNA完全恢復(fù)。（4）烷基的轉(zhuǎn)移修復(fù) 在細胞中發(fā)現(xiàn)

6、有一種O6甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶，能直接將甲基從DNA鏈鳥嘌呤O6位上的甲基移到蛋白質(zhì)的半胱氨酸殘基上而修復(fù)損傷的DNA。這個酶的修復(fù)能力并不很強，但在低劑量烷化劑作用下能誘導(dǎo)出此酶的修復(fù)活性。二、切除修復(fù)： 切除修復(fù)：指在一系列酶的作用下，將DNADNA分子中受損傷部分切除，然后以另一條完整的互補鏈為模板，重新合成切去的部分，使DNADNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)的過程。 修復(fù)的基本步驟： 識別切除修補連接 修復(fù)過程中需要多種酶； 修復(fù)主要有兩種方式：堿基切除修復(fù)和核苷酸切除修復(fù)。 基本步驟如圖所示：首先由核酸酶識別DNA的損傷位點，在損傷部位的5側(cè)切開磷酸二酯鍵。由53核酸外切酶將有損傷的DNA片段切除

7、。在DNA聚合酶的催化下，以完整的互補鏈為模板，按53方向DNA鏈，填補已切除的空隙。由DNA連接酶將新合成的DNA片段與原來的DNA斷鏈連接起來。三、錯配修復(fù) 錯配修復(fù)：按模板的遺傳信息來修復(fù)錯配堿基的修復(fù)方式。 錯配堿基的修復(fù)會使復(fù)制的保真性提高102103倍。 現(xiàn)已在大腸桿菌、酵母和哺乳動物中發(fā)現(xiàn)了這一系統(tǒng)。 修復(fù)時首先要區(qū)別模板鏈和新合成的DNADNA鏈，這是通過堿基的甲基化來實現(xiàn)的。半甲基化DNADNA成為識別模板鏈和新合成鏈的基礎(chǔ)。 錯配修復(fù)發(fā)生在GATCGATC的鄰近處，故這種修復(fù)也稱為甲基指導(dǎo)的錯配修復(fù)。 錯配修復(fù)機制目前還不完全清楚。所有錯配都可由這一系統(tǒng)修復(fù)，但其中以G G

8、T T錯配修復(fù)更為有效，C CC C錯配的修復(fù)為弱。GATC sequences are targets for the Dam methylase after replication. During the period before this methylation occurs, the nonmethylated strand is the target for repair of mismatched bases. mismatch repair 四、復(fù)制后修復(fù) 在DNA損傷未被切除或修復(fù)的情況下使細胞恢復(fù)DNA復(fù)制，等到復(fù)制完成后再通過其他機理修復(fù)殘留的損傷，這種修復(fù)方式稱為復(fù)制后

9、修復(fù)。受損傷的DNA鏈復(fù)制時，產(chǎn)生的子代DNA在損傷的對應(yīng)部位出現(xiàn)缺口。完整的另一條母鏈DNA與有缺口的子鏈DNA進行重組交換，將母鏈DNA上相應(yīng)的片段填補子鏈缺口處，而母鏈DNA出現(xiàn)缺口。以另一條子鏈DNA為模板，經(jīng)DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填補母鏈DNA的缺口，最后由DNA連接酶連接，完成修補。 重組修復(fù)不能完全去除損傷，損傷的DNA段落仍然保留在親代DNA鏈上，只是重組修復(fù)后合成的DNA分子是不帶有損傷的，但經(jīng)多次復(fù)制后，損傷就被“沖淡”了，在子代細胞中只有一個細胞是帶有損傷DNA的。五、SOS修復(fù) “SOS”是國際上通用的緊急呼救信號。 SOS修復(fù)是指DNA受到嚴重損傷或復(fù)制系

10、統(tǒng)受到抑制的緊急情況下細胞所采取的一種DNA修復(fù)方式。 當(dāng)DNA兩條鏈的損傷鄰近時，損傷不能被切除修復(fù)或重組修復(fù)。 誘導(dǎo)產(chǎn)生一整套特殊DNA聚合酶SOS修復(fù)酶類，催化空缺部位DNA的合成，補上去的核苷酸幾乎是隨機的，終于保持了DNA雙鏈的完整性，使細胞得以生存。但這種修復(fù)帶給細胞很高的突變率。第三節(jié) 基因突變與生物進化 基因突變：DNADNA分子堿基序列水平上發(fā)生的永久、可遺傳的變化。 人類遺傳性疾病已發(fā)現(xiàn)40004000多種，其中不少與DNADNA修復(fù)缺陷有關(guān)，這些DNADNA修復(fù)缺陷的細胞表現(xiàn)出對輻射和致癌劑的敏感性增加?；蛲蛔冚p為有害或有利不利于生存和發(fā)育致死有利生存和發(fā)育生物學(xué)效應(yīng)生

11、物群體的遺傳多樣性遺傳性疾病促進生物進化生物個體發(fā)育過程中死亡3.1 突變的類型1、堿基對的置換（substitution） 轉(zhuǎn)換(Transition)： 最普通的一種點突變，指一種嘧啶被另一種嘧啶代替，一種嘌呤被另一種嘌呤代替。使GC對被AT對替換，或者相反。 顛換(Transversion)： 另一種不常見的點突變，嘌呤被嘧啶代替或者相反，如AT對變成了TA、CG對。2、移碼突變（frameshift mutation） 由堿基的缺失或插入造成。Note: 突變集中在熱點區(qū)域。 DNA突突變的類型變的類型 -T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G- -A-G-C-C-G-A-C-A-

12、T-G-C-轉(zhuǎn)換 -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-顛換堿基對的置換(substitution)移碼突變(framesshift mutation)堿基置換突變：（1 1）同義突變：沉默突變 突變發(fā)生在密碼子的第三位堿基位置，但所

13、編碼的氨基酸并沒改變，這種突變稱同義突變。(2)(2)、錯義突變 基因編碼序列中堿基的置換發(fā)生在密碼子的第1 1或第2 2位堿基，導(dǎo)致密碼子改變，并編碼另一種氨基酸，這種突變稱錯義突變。(3)(3)、無義突變： 指基因編碼序列中堿基置換使氨基酸密碼子轉(zhuǎn)變?yōu)榻K止密碼子的突變稱為無義突變。（4）、終止密碼子突變 指基因的終止密碼子發(fā)生堿基的置換轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N氨基酸密碼子，致使轉(zhuǎn)錄和翻譯過程不能正常終止，形成異常蛋白質(zhì)的突變稱終止密碼子突變。（5 5）、起始密碼子突變 指基因中起始密碼子被置換，導(dǎo)致不能正常轉(zhuǎn)錄和翻譯，無表達產(chǎn)物的突變稱起始密碼子突變。二、突變的意義1 1、突變是進化的分子基礎(chǔ)2 2、突

14、變可產(chǎn)生遺傳多樣性3 3、致死性突變可用于消滅有害病原體4 4、突變可創(chuàng)造新類型物種5 5、突變是某些疾病的發(fā)病原因思考題：1 1、什么是 DNADNA損傷？ DNADNA損傷有哪些類型？結(jié)果對生物細胞會有些什么影響？ 2 2、什么是 DNADNA損傷的修復(fù)？對DNADNA損傷的修復(fù)有哪些方式，各有什么特點？3 3、敘述對DNADNA損傷的光修復(fù)過程。4 4、什么是基因突變？基因突變有哪些類型？基因突變有什么意義？一、DNA的自發(fā)性損傷E cloi錯配10-110-2校正10-13、堿基的互變異構(gòu)氨基亞氨基羰基烯醇基烷化劑：堿基烷基化；堿基脫落；斷鏈；交聯(lián)單功能烷化劑：甲基磺酸甲酯雙功能烷化劑：可同時和DNA中兩個不同的親核位點反應(yīng)DNA鏈內(nèi)交聯(lián)DNA鏈間交聯(lián)2、烷化劑導(dǎo)致的DNA損傷烷化劑：堿基烷基化；堿基脫落；斷鏈；交聯(lián)單功能烷化劑：甲基磺酸甲酯雙功能烷化劑：可同時和DNA中兩個不同的親核位點反應(yīng)DNA鏈內(nèi)交聯(lián)DNA鏈間交聯(lián)2、烷化劑導(dǎo)致的DNA損傷烷化劑：堿基烷基化；堿基脫落；斷鏈；交聯(lián)單功能烷化劑：甲基磺酸甲酯雙功能烷化劑：可同時和DNA中兩個不同