遺傳毒理學損傷與修復

遺傳毒理學損傷與修復第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第一節(jié)DNA的突變和損傷1.1突變的概念1.2突變的類型1.3突變的原因1.4突變的后果第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二1.1DNA突變的概念突變：發(fā)生在DNA分子上可遺傳的永久性結構變化通常稱為突變。突變體：帶有一個特定突變的基因、基因組、細胞或個體。

生命和生物多樣性依賴于突變與突變修復之間的良好平衡。第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二1.2突變的類型1、點突變：DNA分子中一個堿基對替換另一個堿基對，也稱堿基對的置換（substitution）。

轉換(Transition)：最普通的一種點突變，嘧啶嘧啶，嘌呤嘌呤。

AGTC

顛換(Transversion)：另一種不常見的點突變，嘌呤嘧啶。ATTACG第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二堿基替換導致mRNA中密碼子的改變，多肽鏈中氨基酸發(fā)生影響，可能出現幾種不同的效應：同義突變（synonymousmutation）:由于密碼子具有兼并性，單個堿基置換后密碼子所編碼的是同一種氨基酸，表型不改變。正常同義突變AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTG

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二錯義突變（Missensemutation）:DNA分子中的堿基置換后，形成新的密碼子，從而導致所編碼的氨基酸發(fā)生改變，產生活性降低、無活性或無功能的蛋白質。正常錯義突變AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TCA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheSerArgAsnPro第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二無義突變（Nonsensemutation）:DNA分子中的堿基置換后，使編碼一個氨基酸的密碼子變?yōu)椴痪幋a任何氨基酸的終止密碼子（UAA、UAG、UGA），肽鏈合成提前終止，產生短的、沒有活性的多肽片段。正常無義突變AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TGA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPhe終止

ArgAsnPro第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二終止密碼突變（Terminationcodonmutation）:當DNA分子中的一個終止密碼發(fā)生突變，使多肽鏈的合成繼續(xù)進行下去，一直延長至下一個終止密碼子時停止，產生延長的異常多肽鏈，稱延長突變（elongationM）?；貜屯蛔儯和蛔凅w經過第二次突變又完全的或部分的恢復為原來的基因型和表現型。完全恢復是由于堿基順序經過第二次突變后又變?yōu)樵瓉淼膲A基順序，故亦稱真正的回復突變；部分恢復是由于第二次突變發(fā)生在另一部位上，其結果是部分恢復原來的表現型，亦稱為第二位點突變（secondsitemutation）或基因內校正（intragenicsuppression）。第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二抑制基因突變（Suppressorgenemutation）：基因內部不同位置上的不同堿基發(fā)生了兩次突變，其中一次抑制了另一次突變的遺傳效應。例：血紅蛋白病單純β6谷氨酸纈氨酸血紅蛋白病，致死同時β6谷氨酸纈氨酸+β73天冬氨酸天冬酰胺

HbHarlem，臨床癥狀較輕，原因是β73突變抑制了β6的突變效應。

第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二2、插入和缺失移碼突變（frameshiftmutation）：DNA編碼序列中插入（增加）或缺失一個或幾個堿基，其下游閱讀框發(fā)生改變，導致氨基酸順序及蛋白質異?；驘o活性，稱為移碼突變。

-插入突變：DNA分子中插入一個或幾個堿基對。

-缺失突變：DNA分子中缺失一個或多個堿基對。半胱絲氨谷氨纈氨半胱精氨賴氨亮氨DNATGC

TCG

CAA

GTT

GA

TGC

CGC

AAG

TTG

插入或缺失會造成其下游三聯密碼子錯讀，生成完全不同的肽鏈。

改變讀碼框缺失T第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二整碼突變（Codonmutation）：DNA鏈的密碼之間插入或缺失一個或幾個密碼子，導致肽鏈增加了或減少了一個或幾個氨基酸，稱為整碼突變或稱密碼子插入或缺失。如：AAGGACCCGGCG------正常密碼子順序

AAGGACAAA

CCGGCG-----插入

AAGGACGCG---缺失

第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二

舉例

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

-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(framesshiftmutation)轉換顛換插入缺失第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二3、動態(tài)突變動態(tài)突變：鄰近基因或位于基因序列中的單核苷酸重復拷貝數，在一代代傳遞過程中會發(fā)生明顯的增加，如(CGG)n、(CAG)n等，從而導致某些遺傳疾病的發(fā)病。該突變可遺傳并產生表型效應——引起疾病，多為神經系統疾病。代表疾?。篐utington舞蹈病(CAG)n、強制性肌營養(yǎng)不良，脆性X綜合癥(CCG)n。第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二動態(tài)突變正常動態(tài)突變（CAG三核苷酸重復）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多態(tài)受累個體：n>50copies多者幾百~幾千copies隨著世代傳遞長度增加，發(fā)病年齡提前，病情加重。第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二1.3突變的原因兩個概念：自發(fā)突變（spontaneousmutation)：由于正常的細胞活動，或細胞與環(huán)境的隨機相互作用，這些過程所引起的生物DNA序列的改變。誘發(fā)突變（inducedmutation):

特定的化學或物理因素引起的DNA序列改變。Note:所有突變都包含DNA序列的改變第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二1.3.1DNA分子的自發(fā)性損傷1、DNA復制中的錯誤以DNA為模板按堿基配對進行DNA復制是一個嚴格而精確的事件，但也不是完全不發(fā)生錯誤的。正常情況下，大腸桿菌復制過程中的錯配率為10－10左右。

第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二2、DNA的自發(fā)性變化生物體內DNA分子可以由于各種原因發(fā)生變化，至少有：①堿基的異構互變：例如，腺嘌呤（A）的互變異構體（A’）可以與胞嘧啶（C）配對，模板鏈上存在這些異構體的時候，子代鏈上就可能發(fā)生錯誤，形成損傷。②脫嘌呤與脫嘧啶，使脫氧核糖和堿基G（A）或T（C）連接的糖苷鍵被打斷，從而失去G、A或T、C。③堿基的脫氨基作用：如C脫氨基后形成了U，在復制過程中將與A配對，從而引起GCAT轉換突變。

GAACU

T突變脫氨基復制第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二3、轉座子的插入轉座子

(transposon或transposableelement)是基因組內相對獨立的、可移動序列，它們不必借用噬菌體或質粒的形式就可以從基因組的一個部位直接轉移到另一個部位，這個過程稱為轉座（transposition）。轉座子每次移動時攜帶著轉座必需的基因一起在基因組內躍遷，所以轉座子又稱跳躍基因（jumpinggene）。第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二轉座子特點轉座以很低的頻率發(fā)生，而且轉座子的插入是隨機的。轉座子有時插入到一個結構基因或基因調節(jié)序列內，引起基因表達的改變。轉座子也可以引起基因組序列的重排，它們的移動也和進化有關?，F在認為轉座子存在于地球上所有的生物。第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二1.3.2物理因素引起的DNA損傷1、紫外線引起的DNA損傷當DNA受到最易被其吸收波長（～260nm）的紫外線照射時，主要是使同一條DNA鏈上相鄰的嘧啶以共價鍵連成嘧啶二聚體。2、電離輻射引起的DNA損傷電離輻射損傷DNA有直接效應和間接效應兩種途徑，直接效應是DNA直接吸收射線能量而遭損傷；間接效應是指DNA周圍其他分子（主要是水分子）吸收射線能量產生具有很高反應活性的自由基進而損傷DNA。損傷包括：①堿基變化;②脫氧核糖變化;③DNA鏈斷裂;④交聯。第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二1.3.3化學因素引起的DNA損傷1、烷化劑對DNA的損傷

如甲基磺酸乙酯EMS，烷化劑能在DNA上的四個堿基發(fā)生作用，使其增加烷基側鏈，其最大的特異性是在鳥嘌呤的6位氧上增加一個烷基側鏈導致與T錯配，從而在下個復制周期中產生GCAT轉換。第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二2、羥胺HA：

NH2OH也是一種特定誘發(fā)GCAT轉換的誘變劑。能在胞嘧啶4位上的氨基氮上發(fā)生羥基化作用，產生N4羥基胞嘧啶，它能像T那樣與A配對，產生GC

AT轉換。第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二3、亞硝酸鹽能使胞嘧啶（C）脫氨變成尿嘧啶（U），經過復制就可使DNA上的G-C變成A-T對，誘發(fā)GCAT；亞硝酸鹽還能誘發(fā)腺嘌呤（A）脫氨基形成次黃嘌呤H，H能和C配對，誘發(fā)ATGC轉換突變。

亞硝酸鹽可誘發(fā)兩個方向上的轉換。第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二4、堿基類似物、修飾劑對DNA的損傷

如:人工可以合成一些堿基類似物用作促突變劑或抗癌藥物，如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氟尿嘧啶（5-FU）、2-氨基腺嘌呤（2-AP）等。第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二胸腺嘧啶類似物——5溴尿嘧啶（5-BU），由于胸腺嘧啶中5’CH3被Br取代會導致5BU變換異構體，使其堿基的配對能力發(fā)生變化。酮式烯醇式酮式腺嘌呤烯醇式鳥嘌呤第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二轉換突變AT——GCAAG

GT5-BUT

5-BUC

CGC——ATGGAAC5-BUC

5-BUTT摻入異構體復制突變摻入異構體復制突變第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二1.4突變的后果根據基因突變對機體的影響，有以下幾種情況：中性突變：變異后果輕微，對機體效應不明顯。造成個體間的生物化學組成的遺傳學差異，一般對機體無影響；如：ABO血型，HLA，同功酶等。有利于個體生存生育；如Hbs突變基因雜合子比正常純合子對抗瘧疾。產生遺傳易感性；如：腫瘤易感性。引起遺傳病。每個健康人均由5-6個有害突變。致死突變：造成死胎、自然流產、生后夭折。第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第二節(jié)DNA損傷的修復機制

為了保證遺傳信息的高度穩(wěn)定性，生物細胞在進化過程中形成了一系列多步驟的修復機制。目前對DNA損傷和修復的研究還不多，僅限于輻射－生物反應方面。第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二2.1DNA直接修復2.2錯配修復2.3切除修復堿基切除修復(baseexcisionrepair,BER)

核苷酸切除修復(nucleotideexcisionrepair,NER)2.4SOS反應誘導的修復2.5重組修復第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二2.1直接（回復）修復（directrepair）生物體內存在多種DNA損傷以后而并不需要切除堿基或核苷酸的機制，這種修復方式稱為DNA的直接修復。直接修復即簡單地把損傷的堿基回復到原來狀態(tài)的修復，可分為以下幾種：1.O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶直接修復通過從O6-甲基鳥嘌呤上把甲基直接轉移到酶的半胱氨酸殘基上來直接回復DNA的損傷。酶第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二DNA甲基轉移酶O6-甲基轉移酶使O6-甲基化鳥嘌呤恢復成鳥嘌呤第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二2.光解酶復活（photoreactivation）——

光裂合酶（photolyase）酶學光復活過程是修復UV導致的環(huán)丁烷嘧啶二聚體的直接機制，這種修復具有高度的專一性。3.單鏈斷裂修復DNA單鏈斷裂是損傷的一種常見形式，可以通過DNA連接酶的重接而修復。第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二光復活作用環(huán)丁烷嘧啶二聚體LightUV引起的光損傷嘧啶二聚體能被光裂合酶修復，該酶能在暗處和嘧啶二聚體結合，形成酶和DNA復合體，在光照條件下，復合體分解，使嘧啶二聚體分解為原先正常的堿基。第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二2.2錯配修復（Mismatchrepair)

大腸桿菌中的DNA腺嘌呤甲基化（DAM）修復途徑原核細胞內存在Dam甲基化酶，能使位于5’GATC序列中腺苷酸甲基化。復制后DNA在短期內（數分鐘）為半甲基化的GATC序列，一旦發(fā)現錯配堿基，即將未甲基化鏈切除一段包含錯誤堿基的序列，并以甲基化的鏈為模板進行修復。第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二參與錯配修復的酶與蛋白質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連接酶；SSB第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二DNA甲基化酶第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二2.3切除修復（暗復活）1.堿基切除修復（baseexciserepair，BER）BER可以去除因脫氨基或堿基丟失，無氧射線輻射或內源性物質引起的環(huán)氮類的甲基化等因素產生的DNA損傷。BER是維持DNA穩(wěn)定的重要修復方式。第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二AP核酸內切酶修復途徑單個嘌呤或嘧啶脫去后的位點成為AP位點。細胞中自發(fā)產生AP位點的頻率很高。由一種專門在AP位點上切割的酶切斷DNA上的磷酸二酯鍵，然后再啟動由DNA外切酶、DNA聚合酶Ⅰ和連接酶參與的切除修復過程。第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二

糖基化酶是損傷特異性的，細胞中有多種具有不同特異性的DNA糖基化酶糖基化酶通過水解糖苷鍵去除受損堿基切除后在DNA上形成AP位點，再經過AP核酸內切酶途徑修復。DNA糖基化酶（glycosylate）修復途徑第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二2、核苷酸切除修復(nucleotide-excisionrepair，NER)

當DNA鏈上相應位置的核苷酸發(fā)生損傷，導致雙鏈之間無法形成氫鍵，在一系列酶的作用下，將DNA分子中受損傷部分切除掉，并以完整的那一條鏈為模板，合成出切去的部分，然后使DNA恢復正常結構的過程。

NER可以修復UV照射形成的嘧啶二聚體，還能消除體內產生的各種嘌呤和嘧啶加合物。NER的關鍵特征是對損傷的DNA鏈的兩端進行切割。

NER在已研究過的真核生物中都很相似，說明其在進化過程中高度保守。

第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第四十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第四十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二在人類中這是一種重要的修復途徑。著色性干皮癥是由于缺乏切除修復酶造成的遺傳性缺陷，正常人的皮膚細胞和該缺陷者的皮膚細胞在培養(yǎng)時對UV的敏感性有很大差異，具有該缺陷的人在30歲之前就易死于皮膚癌。第四十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二2.4SOS反應誘導的修復