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文檔簡(jiǎn)介

1、基因突變和DNA修復(fù)突變(Mutation, 即基因突變)指細(xì)胞中的遺傳基因(通常指存在于細(xì)胞核中的脫氧核糖核酸)發(fā)生的改變。它包括單個(gè)堿基改變所引起的點(diǎn)突變,或多個(gè)堿基的缺失、重復(fù)和插入。原因可以是細(xì)胞分裂時(shí)遺傳基因的復(fù)制發(fā)生錯(cuò)誤、或受化學(xué)物質(zhì)、輻射或病毒的影響。突變通常會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞運(yùn)作不正?;蛩劳?,甚至可以在較高等生物中引發(fā)癌癥。但同時(shí),突變也被視為物種進(jìn)化的“推動(dòng)力”:不理想的突變會(huì)經(jīng)天擇過程被淘汰,而對(duì)物種有利的突變則會(huì)被累積下去。一、突變幾乎任何導(dǎo)致DNA損傷的因素都能夠?qū)е翫NA突變,前提是它們?cè)斐傻膿p傷在DNA復(fù)制之前還沒有被細(xì)胞內(nèi)的修復(fù)系統(tǒng)修復(fù),因此,可以這樣認(rèn)為,導(dǎo)致DNA損傷

2、的原因在某種意義上就是導(dǎo)致DNA突變的原因。由內(nèi)在因素引起的突變被稱為自發(fā)性突變,由外在因素引發(fā)的突變被稱為誘發(fā)突變。各種導(dǎo)致DNA突變的內(nèi)外因素總稱為突變?cè)?、突變的起因細(xì)胞內(nèi)源的因素環(huán)境因素 -例如化學(xué)試劑、污染物和UV線疾病治療-例如離子輻射和化療1、突變的起因細(xì)胞內(nèi)源因素復(fù)制錯(cuò)誤(P496) DNA合成過程中出現(xiàn)堿基錯(cuò)配而引起了堿基替換。 互變異構(gòu)體 復(fù)制滑移 DNA本身的不穩(wěn)定脫嘌呤/脫嘧啶堿基的自發(fā)脫氨基活性氧的作用 DNA, 蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的氧化(互變異構(gòu)體)烯醇式的T和G的配對(duì) 復(fù)制打滑引起的移框突變 脫嘌呤比脫嘧啶更容易在DNA分子上產(chǎn)生AP位點(diǎn)大腸桿菌 -1 次脫嘌呤/ 基

3、因組/ 復(fù)制嗜熱水生菌 -300次脫嘌呤/ 基因組/ 復(fù)制哺乳動(dòng)物細(xì)胞-10 000次脫嘌呤/ 基因組/ 復(fù)制脫嘌呤/脫嘧啶DNA分子上的自發(fā)脫嘌呤作用和自發(fā)脫氨基作用活性氧(ROS)由正常的細(xì)胞代謝產(chǎn)生線粒體利用細(xì)胞 85% O2,是ROS的主要來源導(dǎo)致DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)損傷常見的形式:過氧化氫 (H2O2)超氧化物自由基 (O2-)羥基自由基 (HO)過氧亞硝基陰離子 (O=NOO-) 烷過氧化物 (ROOH)烷氧自由基 (RO)活性氧的堿基修飾作用 自發(fā)脫氨基和活性氧作用引起的堿基轉(zhuǎn)換 環(huán)境(誘變)因素 (P500)化學(xué)試劑 堿基類似物、脫氨劑、烷化劑、嵌入劑物理因素 UV、離子輻射

4、(-射線 、x-射線)、高溫誘變劑誘發(fā)的點(diǎn)突變 堿基類似物誘發(fā)的點(diǎn)突變 鳥嘌呤的甲基化導(dǎo)致堿基錯(cuò)配 溴化乙錠誘變效應(yīng)嵌入試劑誘發(fā)的移框突變 紫外線引起的堿基損傷 離子輻射引起的DNA鏈斷裂 DNA損傷的因素和損傷的主要類型損傷類型實(shí)例/原因堿基丟失自發(fā)脫堿基(熱、酸),脫嘌呤脫嘧啶堿基修飾形成堿基復(fù)合物,例如,8-羥基脫氧鳥嘌呤(離子輻射或活性氧),6-烷基鳥嘌呤(烷基化試劑)堿基交聯(lián)嘧啶二聚體和6-4光產(chǎn)物(UV)堿基轉(zhuǎn)換CU,AI(自發(fā)脫氨基)堿基錯(cuò)配GT(4種dNTP濃度不平衡、堿基的互變異構(gòu)或堿基之間的差別不足)DNA鏈斷裂因磷酸二酯鍵被破壞引起單鏈斷裂或雙鏈斷裂(離子輻射或特殊的化學(xué)

5、試劑),因脫氧核糖環(huán)3號(hào)位發(fā)生斷裂引起的DNA鏈斷裂(博來霉素)DNA鏈間交聯(lián)互補(bǔ)雙鏈之間產(chǎn)生交聯(lián)(雙功能試劑的作用)DNA與蛋白質(zhì)的交聯(lián)UV突變的類型點(diǎn)突變是指DNA 分子某一位點(diǎn)上所發(fā)生的一種堿基對(duì)變成另外一種堿基對(duì)的突變。移碼突變是指在一個(gè)蛋白質(zhì)基因的編碼區(qū)發(fā)生的一個(gè)或多個(gè)核苷酸(非3的整數(shù)倍)的缺失或插入。 2、突變的影響突變對(duì)基因組的影響(P503)同義突變(synonymous mutation)錯(cuò)義突變(missense mutation)無義突變(nonsense mutation)通讀突變(readthrough mutation)移碼突變(frameshift mutati

6、on)堿基突變的幾種方式 移框突變 突變對(duì)多細(xì)胞生物的影響DNA突變可能是隱性的,也可能是顯性的。單倍體不足:突變后,正常的等位基因所編碼的蛋白不足以 維持正常的應(yīng)有的生物學(xué)功能 。功能獲得:賦予蛋白異常活性,很多發(fā)生在調(diào)控序列。突變對(duì)微生物的影響選擇性突變: 在選擇性培養(yǎng)基上能快速鑒別與區(qū)分的突變。非選擇性突變:無法用選擇性或鑒別性培養(yǎng)基來鑒別與區(qū)分的微生物突變。由野生型菌株(wild type strain)通過基因突變而喪失合成一種或幾種生長(zhǎng)因子的能力。在培養(yǎng)野生型菌株的基本培養(yǎng)基不能生長(zhǎng),但可在加入對(duì)應(yīng)的生長(zhǎng)因子后能從基本培養(yǎng)基中篩選出。營(yíng)養(yǎng)缺陷型(P506)原始或出發(fā)菌株對(duì)某種化學(xué)或

7、物理因子無抗性經(jīng)基因突變后成為具有抗性可在加有相應(yīng)理化因子的平板中選擇抗性突變型出發(fā)菌株經(jīng)突變?cè)谀撤N條件下可生長(zhǎng),而在另一種條件下不能生長(zhǎng)繁殖。例:E. Coli Ts突變株,即溫度敏感突變株, 有些菌株在37 oC下生長(zhǎng)正常,卻不能在42 oC下生長(zhǎng); T4噬菌體的某些突變株在25 oC下具有感染性,而37 oC下喪失條件致死突變型即由突變而產(chǎn)生個(gè)體或菌落形態(tài)所發(fā)生的非選擇性突變例: 孢子有無或顏色變化、鞭毛有無或莢膜有無的突變,有時(shí)可引起菌落表觀改變而具有選擇性。形態(tài)突變型基因突變導(dǎo)致菌體抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生變化類型多:細(xì)胞壁成份改變或喪失、莢膜改變或喪失及鞭毛的有無等。抗原性突變型由基因突變所致

8、的獲得代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量高于出發(fā)菌株之變異株,常稱產(chǎn)量突變株或高產(chǎn)菌株(high producing mutant)。產(chǎn)量性狀是多基因與復(fù)雜因素的綜合結(jié)果,故獲取高產(chǎn)菌株是一個(gè)逐步累積、變異機(jī)理十分復(fù)雜探索過程。分為:正變株(plus mutant)、負(fù)變株(minus mutant)產(chǎn)量變異型高頻突變是非正常基因修復(fù)的結(jié)果達(dá)爾文進(jìn)化論與拉馬克進(jìn)化論 程序性突變與隨機(jī)突變區(qū)別3、高頻突變和程序性突變(508)二、DNA的修復(fù)(P510)直接修復(fù)切除修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)雙鏈斷裂修復(fù) (包括非同源末端連接和重組修復(fù))損傷跨越DNA是唯一一種在發(fā)生損傷以后可以被完全修復(fù)的分子,而其他生物大分子在受到損傷以后要么

9、被降解,要么被取代。當(dāng)然,并不是發(fā)生在DNA分子上的所有損傷都能修復(fù)。如果受到的損傷不能及時(shí)被修復(fù),可導(dǎo)致細(xì)胞的癌變和早衰。直接修復(fù)嘧啶二聚體的直接修復(fù)由DNA光裂合酶催化。此酶直接識(shí)別和結(jié)合嘧啶二聚體。然后,利用輔基捕捉到的光能,將嘧啶二聚體打開,最后再與DNA解離。但是胎盤類哺乳動(dòng)物卻沒有這種酶。烷基化堿基的直接修復(fù)由特定的烷基轉(zhuǎn)移酶催化 DNA鏈斷裂的直接修復(fù)由DNA連接酶催化。 嘧啶二聚體的直接修復(fù) 烷基化堿基的直接修復(fù) 切除修復(fù)切除修復(fù)先切除損傷的堿基或核苷酸,然后,重新合成正常的核苷酸,最后,再經(jīng)連接酶重新連接,將原來的切口縫合。整個(gè)切除修復(fù)過程包括識(shí)別、切除、重新合成和重新連接。

10、切除修復(fù)又分為堿基切除修復(fù)(BER)和核苷酸切除修復(fù)(NER),兩者的主要差別在于識(shí)別損傷的機(jī)制上,前者是直接識(shí)別具體的受損傷的堿基,而后者并不識(shí)別具體的損傷,而是識(shí)別損傷對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)造成的扭曲。堿基切除修復(fù)DNA 糖苷酶切除受損傷的堿基 短修補(bǔ)是主要途徑,約占80%90%,只需合成屬于AP位點(diǎn)的1個(gè)正常的核苷酸長(zhǎng)修補(bǔ)是次要途徑,約占10%20%,為短修補(bǔ)途徑的備用途徑,要合成1小段寡聚核苷酸尿嘧啶的切除修復(fù) DNA糖苷酶都是沿著DNA小溝掃描DNA,當(dāng)找到受損傷的堿基后即與DNA結(jié)合,并導(dǎo)致DNA結(jié)構(gòu)發(fā)生歪曲,以便將損傷的堿基擠出雙螺旋,進(jìn)入它的活性中心被切割真核細(xì)胞的堿基切除修復(fù) 核

11、苷酸切除修復(fù)NER最初的切點(diǎn)是損傷部位附近的3,5-磷酸二酯鍵,主要用來修復(fù)因UV、絲裂霉素 C和順鉑等因素造成的比較大的損傷,如嘧啶二聚體、6-4光產(chǎn)物或體積較大的堿基加合物以及鏈間交聯(lián)等導(dǎo)致DNA結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲并影響到DNA復(fù)制的損傷,此外,約20%堿基的氧化性損傷也由它修復(fù)。在修復(fù)過程中,損傷以寡聚核苷酸的形式被切除。由于NER識(shí)別損傷的機(jī)制并非針對(duì)損傷本身,而是損傷對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)造成的扭曲,因此,NER能夠使用相同的機(jī)制和幾乎同一套修復(fù)蛋白去修復(fù)一系列性質(zhì)并不相同的損傷。NER在所有的生物具有相同的步驟:識(shí)別損傷由特殊的蛋白質(zhì)完成,并由此引發(fā)一系列的蛋白質(zhì)與受損傷DNA的有序結(jié)合;切

12、除損傷特殊的內(nèi)切酶在損傷部位的兩側(cè)切開DNA鏈,隨后兩個(gè)切口之間帶有損傷的DNA片段被去除;修復(fù)合成DNA聚合酶以另外一條鏈為模板,合成已被切除的序列;縫合切口由DNA連接酶催化。受到ATP水解的驅(qū)動(dòng),2個(gè)UvrA與1個(gè)UvrB形成三聚體復(fù)合物(UvrA2UvrB1);該復(fù)合物與DNA隨機(jī)結(jié)合后,沿著DNA鏈移動(dòng),以探測(cè)損傷的位置。當(dāng)遇到嘧啶二聚體時(shí),通過水解ATP,造成損傷部位的DNA雙螺旋發(fā)生局部解鏈和進(jìn)一步彎曲,致使UvrB與損傷部位形成更緊密的接觸;UvrA在ATP水解后離開復(fù)合物,留下UvrB橫跨損傷部位;大腸桿菌的核苷酸切除修復(fù)UvrC被UvrB招募到損傷部位后激活UvrB的核酸內(nèi)

13、切酶活性,UvrB在距離嘧啶二聚體的下游4nt的位置切開DNA鏈;與此同時(shí),UvrC的核酸內(nèi)切酶活性被UvrB激活,在距離嘧啶二聚體的上游7nt的位置切開DNA鏈;大腸桿菌的核苷酸切除修復(fù)在解鏈酶UvrD的作用下,ATP被水解,包含嘧啶二聚體的DNA片段發(fā)生解鏈而離開雙螺旋,UvrC也隨之而去;最后,DNA聚合酶I或II填補(bǔ)空缺;DNA連接酶則縫合切口。大腸桿菌的核苷酸切除修復(fù)真核生物兩類核苷酸切除修復(fù)全局性基因組NER和轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)性NER全局性基因組NER負(fù)責(zé)修復(fù)整個(gè)基因組的損傷,速度慢,效率低。轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)性NER專門負(fù)責(zé)修復(fù)那些正在轉(zhuǎn)錄的基因在模板鏈上的損傷,速度快,效率高。兩類NER的主要差

14、別在于識(shí)別損傷的機(jī)制上,至于損傷識(shí)別以后發(fā)生的修復(fù)反應(yīng)并無本質(zhì)上的不同。轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)性NER由RNA聚合酶識(shí)別損傷,當(dāng)RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄到受損傷部位而前進(jìn)受阻的時(shí)候,轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)系統(tǒng)即被起動(dòng)。全局性NER和轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)性NER 錯(cuò)配修復(fù)(P516)錯(cuò)配修復(fù) (MMR)系統(tǒng)主要用來修復(fù)DNA分子上錯(cuò)配堿基對(duì),此外,還能修復(fù)一些因“復(fù)制打滑”而誘發(fā)的核苷酸插入或缺失損傷。錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)必須能保證只會(huì)將子鏈上錯(cuò)誤的堿基切除,而不會(huì)把母鏈中本來就正確的堿基切除。大腸桿菌的MMR系統(tǒng)利用甲基化來區(qū)分子鏈和母鏈的,因此,大腸桿菌內(nèi)修復(fù)復(fù)制中產(chǎn)生的錯(cuò)配堿基的系統(tǒng)又稱為甲基化導(dǎo)向的錯(cuò)配修復(fù)。至于其它細(xì)菌和真核細(xì)胞如何區(qū)分子鏈

15、和母鏈的尚不清楚。大腸桿菌MMR作用的主要步驟首先由MutS識(shí)別并結(jié)合除了C-C以外的錯(cuò)配堿基對(duì),MutL隨后結(jié)合;在錯(cuò)配堿基對(duì)兩側(cè)的DNA通過MutS作相向移動(dòng);MutH與MutL和GATC位點(diǎn)結(jié)合;MutH的核酸內(nèi)切酶活性被MutS/MutL激活,在非甲基化GATC的5端切開子鏈;UvrD作為解鏈酶,催化被切開的含有錯(cuò)配堿基的子鏈與母鏈的分離,SSB則與母鏈上處于單鏈狀態(tài)的區(qū)域結(jié)合,特殊的外切酶將游離出來的含有錯(cuò)配堿基的單鏈DNA進(jìn)行水解。如果MutH的切點(diǎn)在錯(cuò)配堿基的3端,將由外切核酸酶I從35方向水解。如果MutH的切點(diǎn)在在錯(cuò)配堿基的5端,則由外切核酸酶VII和 RecJ 來降解;DN

16、A聚合酶III和連接酶分別進(jìn)行缺口的修復(fù)合成和切口的縫合。參與錯(cuò)配修復(fù)的蛋白質(zhì)和酶的名稱和功能大腸桿菌酵母哺乳動(dòng)物大腸桿菌中蛋白質(zhì)的功能MutS Msh2,Msh6,Msh3Msh1Msh4,Msh5Msh2,Msh6,Msh3不明Msh4,Msh5識(shí)別錯(cuò)配堿基,具有弱的ATP酶活性。 Mlh1 Pms1 Mlh2,Mlh3 Mlh1 Pms2 Pms1調(diào)節(jié)MutS和MutH之間的相互作用,與UvrD作用。MutH 不明不明結(jié)合半甲基化的GATC位點(diǎn),序列和甲基化特異性內(nèi)切酶,剪切非甲基化GATC的5-端。UvrD 不明不明解鏈酶II,催化被切開的含有錯(cuò)配堿基的子鏈與母鏈的分離。雙鏈斷裂修復(fù)同源重組修復(fù)利用細(xì)胞內(nèi)一些促進(jìn)同源重組的蛋白質(zhì)來從同源染色體那里獲得合適的修復(fù)斷裂的信息,這一種方式的精確性較高;非同源末端連接(NHEJ)修復(fù)在無序列同源的情況下,讓斷裂的末端重新連接起來,這種方式容易發(fā)生錯(cuò)誤,是人類修復(fù)雙鏈斷裂的主要方式。DNA雙鏈斷裂的重組修復(fù) 哺乳動(dòng)物細(xì)胞DNA雙鏈斷裂的非同源末端連接 損傷跨越 重組跨越使用同源重組的方法將DNA模板進(jìn)行交換以避免損傷對(duì)復(fù)制的抑制,從而使復(fù)制能夠繼續(xù)下去,而隨后的復(fù)制仍然使用細(xì)胞內(nèi)高保真的聚合酶,因此忠實(shí)性并無下降,故此途徑被視為一種無錯(cuò)的系統(tǒng)??缭胶铣捎址Q為(TL

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