分子生物學課件-2

第十章

DNA的損傷、修復和基因突變MolecularBiologyCourse2005.9《Cell》122卷第5期DNAMismatchandRepair

DNA的損傷:

基本概念、引起損傷的因素、損傷機理DNA修復：概念與原理、幾種修復系統(tǒng)（切除、錯配、直接、重組、SOS）基因突變：突變類型、誘變劑作用與檢測、突變的生物學功能主要內(nèi)容·重點·難點DNA損傷DNA損傷是生物體生命過程中的DNA雙鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生的任何改變。（1）單個堿基的改變——序列改變（2）雙鏈結(jié)構(gòu)的異常扭曲——影響復制和轉(zhuǎn)錄損傷原因（1）復制過程中發(fā)生自發(fā)性損傷（2）細胞內(nèi)各種代謝物導致（3）外界物理、化學因素引起1.DNA分子自發(fā)性損傷(1)互變異構(gòu)移位：堿基發(fā)生“酮式—烯醇式”或“氨基—亞氨基”結(jié)構(gòu)互變時，使堿基配對發(fā)生改變，復制子鏈上可能出錯。GuanineThymineKETOform酮式ENOLform烯醇式TautomericformsoftheDNAbasesTautomericformsoftheDNAbasesAdenineCytosineAMINOform氨基型IMINOform亞氨基型異構(gòu)體MutationcausedbytautomerofcytosineCytosineCytosineGuanineAdeninecytosinemispairswithadenineresultinginatransitionmutationNormaltautomericformRareiminotautomericform(2)堿基的脫氨作用A、G、C分子中的環(huán)外氨基自發(fā)脫落，使C?U、A?I(次黃嘌呤)、G?X(黃嘌呤)，DNA復制時子鏈產(chǎn)生錯誤而損傷。A?IC—G使AT變成GCC?UA—T使GC變成ATG?XC無變化羥胺、亞硫酸鹽（C?U）——體外誘變劑(3)DNA聚合酶的“打滑”DNA復制時模板或新生鏈常發(fā)生堿基的環(huán)出(loopingout)——DNA聚合酶的“打滑（slippage）”引起一個或數(shù)個堿基的插入或缺失。(4)活性氧引起的突變:

細胞內(nèi)的活性氧使嘌呤和嘧啶分子發(fā)生氧化損傷。(5)堿基丟失:

在生理條件下DNA分子自發(fā)性水解,使堿基從磷酸脫氧核糖骨架上脫落?！癘2-” hyperoxide“H2O2” Peroxide“OH?” hydroxyl2.物理因素引起的DNA損傷UV照射——引起DNA形成嘧叮二聚體（TT、CC、TC）。電離輻射——分直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。

(1)輻射使DNA分子直接積聚能量，改變理化性質(zhì)——直接效應(yīng)

(2)輻射使DNA存在環(huán)境中的其它成分（水）積聚能量，活性氧引起DNA變化——間接效應(yīng)氧化損傷3.化學因素引起的DNA損傷(1)烷化劑對DNA損傷將烷基加到DNA的堿基上去(親核位點,NO)(2)堿基類似物對DNA的損傷5-溴尿嘧啶(5-BU)DNA的修復缺除修復：切除受損的堿基或DNA片段。錯配修復：利用細胞錯配修復系統(tǒng)修復。直接修復：把損傷的堿基回復到原來狀態(tài)。重組修復：對復制時尚未修復的DNA損傷部位進行先復制再修復。易錯修復：SOS反應(yīng)能誘導允許錯配的復制，屬于易錯修復,出現(xiàn)高突變率。1.切除修復系統(tǒng)(1)單堿基切除修復（1）特異性的酶識別損傷部位（2）DNA糖苷酶切除并釋放堿基（3）DNA聚合酶和連接酶修復損傷。AglycosylaserecognizesthemispairandremovesA.Afail-safeglycosylasealsoremovesTfromT:Gmispairs,asifitknowshowTisproduced.

Fail-safesystems(最后保險系統(tǒng))切除酶3’第5個磷酸二脂鍵5’第8個磷酸二脂鍵(2)核苷酸片段切除修復切除修復過程總結(jié)2.錯配修復系統(tǒng)MutSisadimer.Onemonomerinteractswiththemismatchspecifically,andtheothernonspecifically.MutS能識別DNA的錯配位點,并導致其本身和與鏈結(jié)合的變化問題1HowdoestheE.colimismatchrepairsystemknowwhichofthetwomismatchednucleotidetoreplace?ThenewlysynthesizedstrandisnotmethylatedbyDammethylaseinafewminutesafterthesynthesis.GATC序列問題2WhichexonucleasesareusedtoremovessDNAbetweenthenickcreatedbyMutHandthemismatch?EukaryoticcellsalsorepairmismatchesanddosousinghomologstoMutS(MSH)andMutL(MLH).

李國民博士是利用純化后的人源蛋白在體外對5’方向存在缺口的錯配DNA進行了修復。將真核系統(tǒng)錯配修復系統(tǒng)中MutLα的作用機理進行了進一步的闡明。

3.直接修復系統(tǒng)(1)光復活作用

(2)甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（MGMT）DNA鏈烷基化損傷MGMT失活成為MGMT基因轉(zhuǎn)錄激活物4.重組修復

重組修復的主要步驟有：

1．復制

含有TT或其他結(jié)構(gòu)損傷的DNA仍然可以正常的進行復制，但當復制到損傷部位時，子代DNA鏈中與損傷部位相對應(yīng)的位置出現(xiàn)切口，新合成的子鏈比未損傷的DNA鏈要短。

2．重組

完整的母鏈與有缺口的子鏈重組，缺口由母鏈來的核苷酸片段彌補。

3．再合成

重組后母鏈中的缺口通過DNA多聚酶的作用合成核酸片段，然后由連接酶將新片段與舊鏈連接，至此重組修復完成。UV損傷重組修復的酶系統(tǒng)1重組2修復重組基因RecA編碼一種重組蛋白RecA蛋白，MW=38000具有交換DNA鏈的活性基因RecBCD編碼多功能酶具有解旋酶，核酸酶和ATP酶的活性。5.易錯修復——SOS反應(yīng)指DNA損傷時，應(yīng)急而誘導產(chǎn)生的修復作用，稱為SOS修復。在正常情況下，修復蛋白的合成是處于低水平狀態(tài)的，這是由于它們的mRNA合成受到阻遏蛋白LexA的抑制。當DNA受到嚴重損傷時，recA以其蛋白酶的功能水解破壞LexA，從而誘導了十幾種SOS基因的活化，促進了此十幾種修復蛋白的合成。SOS修復是指DNA受到嚴重損傷、細胞處于危急狀態(tài)時所誘導的一種DNA修復方式，修復結(jié)果只是能維持基因組的完整性，提高細胞的生成率，但留下的錯誤較多，故又稱為易錯修復，使細胞有較高的突變率。當DNA兩條鏈的損傷鄰近時，損傷不能被切除修復或重組修復，DNA聚合酶I具有3‘外切核酸酶活性，使損傷處的DNA鏈空缺。SOS誘導DNA聚合酶IV和V，不具備校對功能，催化空缺部位DNA的合成，補上去的核苷酸幾乎是隨機的，仍然終于保持了DNA雙鏈的完整性，使細胞得以生存。但這種修復帶給細胞很高的突變率。SOSrepair修復的結(jié)果1DNA損傷的修復2導致修復

基因突變可遺傳變異的基礎(chǔ)：染色體畸變、基因突變和遺傳重組基因內(nèi)的遺傳物質(zhì)發(fā)生可遺傳的結(jié)構(gòu)和數(shù)量的變化——基因突變帶有突變基因的細胞或個體——突變體1.基因突變的類型點突變—DNA錯配堿基在復制后被固定下來，原來的一對堿基被另一對堿基取代。轉(zhuǎn)換—兩種嘧?；騼煞N嘌呤間的互換。顛換：嘧叮與嘌呤或嘌呤與嘧叮間互換。轉(zhuǎn)換顛換插入突變——基因的序列中插入了一對堿基或一段外來DNA導致的突變。（1）拷貝移位：先復制再插入另一位點；（2）非拷貝移位：序列直接移動。同義突變—無聲突變—中性突變

CTA——CTG——天冬氨酸錯義突變

UUC（Phe）——UUA（Leu）

無義突變

TAC（Tyr）——TAA錯位突變?nèi)笔蛔儩B漏突變回復突變TypesofbasepairmutationsCATGCACCTGTACCAGTACGTGGACATGGTCATCCACCTGTACCAGTAGGTGGACATGGTtransition(T-AtoC-G)transversion(T-AtoG-C)CATCACCTGTACCAGTAGTGGACATGGTdeletionCATGTCACCTGTACCAGTACAGTGGACATGGTinsertionbasepairsubstitutions轉(zhuǎn)換transition:pyrimidinetopyrimidine,purinetopurine顛換transversion:pyrimidinetopurinenormalsequencedeletionsandinsertionscaninvolveoneormorebasepairsCATTCACCTGTACCAGTAAGTGGACATGGT2.突變的原因與誘變劑的作用自發(fā)突變——自然條件下發(fā)生的突變能提高突變率的物理或化學因子——誘變劑（1）堿基類似物——5-BU、2-AP（2）堿基修飾劑——亞硝酸、羥胺、烷化劑等ChemicalmutagensDeaminationbynitrousacidDerivationbyhydroxylamine(羥胺）TheformationofaquarternarynitrogendestabilizesthedeoxyribosidebondandthebaseisreleasedfromdeoxyriboseAlkylationbydimethylsulfatecausesdepurinationcytosine能與A結(jié)合嵌入染料

扁平的稠環(huán)分子插入到DNA分子堿基對間，占據(jù)一對堿基位置，造