第六章DNA的損傷修復和基因突變

第六章DNA的損傷修復和基因突變第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一第6章DNA的損傷、修復和基因突變

6.1DNA損傷的概念

6.2DNA的修復

6.3

基因突變第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6.1DNA損傷的概念DNA損傷(DNAdamage)：是指在生物體生命過程中DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生的任何改變。包括：（1）單個堿基的改變通過復制過程改變子代的遺傳信息。（2）雙螺旋結(jié)構(gòu)的異常扭曲對DNA復制或轉(zhuǎn)錄可產(chǎn)生生理性傷害。第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一引起DNA損傷的因素：

（1）自發(fā)性損傷(復制中的損傷、堿基的自發(fā)性化學改變、自發(fā)脫堿基、細胞的代謝產(chǎn)物對DNA的損傷)；

（2）物理因素引起的損傷(電離輻射、紫外線)；

（3）化學因素引起的損傷（烷化劑、堿基類似物）。第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6.1.1DNA分子的自發(fā)性損傷

是指DNA在復制過程中堿基配對時產(chǎn)生的誤差，經(jīng)過DNA聚合酶“校正”和單鏈結(jié)合蛋白等綜合校對因素作用下仍未被校正的DNA的損傷。包括：

1.互變異構(gòu)移位

2.脫氨基作用

3.DNA復制中的錯誤◆堿基錯配◆DNA聚合酶的“打滑”

4.活性氧引起的誘變

5.堿基丟失

第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一1.互變異構(gòu)移位

DNA堿基上的酮基或氨基都位于雜環(huán)上N原子鄰位，能形成氨基-亞氨基互變異構(gòu)或酮式-烯醇式互變異構(gòu)。

氨基-亞氨基互變異構(gòu)酮式-烯醇式互變異構(gòu)第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一堿基發(fā)生氨基-亞氨基互變異構(gòu)時，發(fā)生A-C、G-T錯配。堿基發(fā)生酮式與烯醇式結(jié)構(gòu)互變，發(fā)生A-C、T-G錯配。每條新生DNA鏈上這種由堿基異構(gòu)化所導致的突變率在10-8～10-9。第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一2.脫氨基作用堿基的環(huán)外NH2有時會自發(fā)脫落，使C→U、A→次黃嘌呤（H）、G→黃嘌呤（X），DNA復制時，U-A、I-C、X-C配對，導致子代DNA序列錯誤。胞嘧啶自發(fā)脫氨基的頻率為每個細胞每天200個左右。第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一自發(fā)脫氨基作用引起的堿基轉(zhuǎn)換

第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一3.DNA聚合酶的“打滑”

DNA聚合酶易在模板上有幾個相同堿基串聯(lián)（微衛(wèi)星）的部位打滑，聚合酶在模板鏈上的滑移易于造成缺失，在生長鏈上的滑移易于造成插入。第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一4.活性氧引起的誘變

細胞代謝副產(chǎn)物O2-、H2O2等會造成堿基損傷，產(chǎn)生胸腺嘧啶乙二醇、羥甲基尿嘧啶等堿基修飾物，引起堿基配對錯誤?；钚匝踉斐傻膲A基損傷

第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一5.堿基丟失

自發(fā)的脫嘌呤和脫嘧啶：DNA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。據(jù)統(tǒng)計，一個哺乳動物細胞在37℃，20小時內(nèi)通過自發(fā)水解可從DNA鏈上脫落約1000個嘌呤堿和500個嘧啶堿。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108個嘌呤堿，占細胞DNA中總嘌呤數(shù)的30%。每個細胞每小時脫去的嘌呤堿和嘧啶堿數(shù)分別平均為580個和29個。堿基脫落形成AP位點。熱和酸等都可使嘌呤和嘧啶從DNA鏈的核糖磷酸骨架上脫落，形成AP位點（Apurinicor

Apyrimidinicsite

）。第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6.1.2物理因素引起的DNA損傷

1、紫外線引起的DNA損傷

DNA分子損傷最早就是從研究紫外線(ultraviolet,UV)的效應(yīng)開始的。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二聚體，其中最容易形成的是TT二聚體。第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

人皮膚因受紫外線照射而形成二聚體的頻率可達每小時5×104個/細胞，但只局限在皮膚中，因為紫外線不能穿透皮膚。但微生物受紫外線照射后，就會影響其生存。

UV第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一2、電離輻射引起的DNA損傷電離輻射損傷DNA有直接和間接的效應(yīng)，直接效應(yīng)是DNA直接吸收射線能量而遭損傷，間接效應(yīng)是指DNA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(yīng)活性的自由基進而損傷DNA。電離輻射可導致DNA分子的多種變化：

①堿基變化主要是由OH-自由基引起，包括DNA鏈上的堿基氧化修飾、過氧化物的形成、堿基環(huán)的破壞和脫落等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。

②脫氧核糖變化脫氧核糖上的每個碳原子和羥基上的氫都能與OH-反應(yīng)，導致脫氧核糖分解，最后會引起DNA鏈斷裂。

第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

③DNA鏈斷裂

DNA雙鏈中一條鏈斷裂稱單鏈斷裂（singlestrandbroken），DNA雙鏈在同一處或相近處斷裂稱為雙鏈斷裂（doublestrandbroken）。雖然單斷發(fā)生頻率為雙斷的10-20倍，但還比較容易修復；對單倍體細胞（如細菌）一次雙斷就是致死事件。

④交聯(lián)

DNA分子中一條鏈上堿基與另一條鏈上的堿基以共價鍵結(jié)合時稱DNA鏈間交聯(lián)。DNA與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合，稱為DNA蛋白質(zhì)交聯(lián)。第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6.1.3化學因素引起的DNA損傷1.烷化劑對DNA的損傷烷化劑有兩類，一類是單功能烷化劑，只能使一個位點烷基化；另一類為雙功能烷化劑，如氮芥，可同時使兩處烷基化，如果這兩個位點在同一條鏈上，則產(chǎn)生鏈內(nèi)交聯(lián)，如果兩個受作用堿基位于兩條核苷酸鏈上，則形成鏈間交聯(lián)。

烷化劑的作用可使DNA發(fā)生各種類型的損傷：

①堿基烷基化烷化劑很容易將烷基加到DNA鏈中嘌呤或嘧啶的N或O上，烷基化的嘌呤堿基配對會發(fā)生變化，例如鳥嘌呤N7被烷化后就不再與胞嘧啶配對、而改與胸腺嘧啶配對，結(jié)果會使G-C轉(zhuǎn)變成A-T。第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

②堿基脫落烷化堿基的糖苷鍵不穩(wěn)定，容易脫落形成DNA上無堿基的位點，復制時可以插入任何核苷酸，造成序列的改變。

③斷鏈DNA鏈的磷酸二酯鍵上的氧也容易被烷化，結(jié)果形成不穩(wěn)定的磷酸三酯鍵，易在糖與磷酸間發(fā)生水解，使DNA鏈斷裂。

④交聯(lián)雙功能基烷化劑——化學武器如氮芥、硫芥等、一些抗癌藥物如環(huán)磷酰胺、苯丁酸氮芥、絲裂霉素等、某些致癌物如二乙基亞硝胺等均屬此類，其兩個功能基可同時使兩處烷基化，結(jié)果就能造成DNA鏈內(nèi)、DNA鏈間、以及DNA與蛋白質(zhì)間的交聯(lián)。第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一氮芥引起DNA分子兩條鏈在鳥嘌呤上的交聯(lián)

(a)交聯(lián)附近的總圖；(b)交聯(lián)部分結(jié)構(gòu)圖第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一2.堿基類似物對DNA的損傷

堿基類似物是一類結(jié)構(gòu)與堿基相似的人工合成的化合物，由于其結(jié)構(gòu)與正常的堿基相似，進入細胞后能替代正常的堿基參入到DNA鏈中而干擾DNA復制合成。第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一ATABU酮BU烯醇GGCAT2-AP氨基TC2-AP亞氨基GC第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6.2DNA的修復

修復是指在DNA損傷時，細胞對損傷的反應(yīng)。目前已知有五種DNA修復系統(tǒng)：

1、切除修復

2、直接修復

3、錯配修復

4、重組修復

5、易錯修復（SOS修復）第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6.2.1切除修復（excisionrepairing）

也叫復制前修復、暗修復，該修復過程發(fā)生在DNA復制之前，在一系列酶的作用下，將DNA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DNA正常結(jié)構(gòu)的過程。切除修復又包括：

1、堿基的切除修復（BER）

2、核苷酸的切除修復（NER）第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一1.堿基切除修復(Baseexcisionrepair、BER)

主要修復單個堿基缺陷的損傷。包括4步反應(yīng)：①識別切除堿基：

DNA糖苷酶識別切除改變的堿基，產(chǎn)生無堿基的位點；②酶切：AP內(nèi)切核酸酶在損傷部位旁邊切一個缺口；③修補：DNA聚合酶Ⅰ填補；④連接：DNA連接酶連接。第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

堿基切除修復（BER）途徑中的重要糖苷酶：

(1)

尿嘧啶-N-糖苷酶，從DNA中除去尿嘧啶堿基；

(2)

次黃嘌呤-N-糖苷酶，從DNA中除去腺嘌呤脫氨后形成的次黃嘌呤；

(3)

3—甲基腺嘌呤DNA糖苷酶，可修復烷化劑產(chǎn)生的損傷。第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一2.核苷酸片段切除修復(Nucleotideexcisionrepair，NER)

DNA螺旋結(jié)構(gòu)有較大損傷變形時，則以核苷酸切除修復方式進行修復。暗修復（darkrepair）。①短-補丁修復（short-patchrepair）②長-補丁修復（long-patchrepair）第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一原核生物DNA損傷切除修復：①識別：UvrA，UvrB辨認及結(jié)合DNA損傷部位。②UvrA釋放，UvrC結(jié)合上來。③切除：UvrB、UvrC在損傷部位的兩側(cè)切開。④UvrD使被切開的部分解旋，釋放被損傷的鏈。⑤修補和連接：DNA-polⅠ和連接酶填補空隙和連接。第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一原核細胞NER系統(tǒng)蛋白質(zhì)和酶的功能

蛋白質(zhì)功能UvrA識別損傷并充當分子接頭UvrB識別損傷并在3'-端切開DNA鏈UvrC在損傷部位的5'-端切開DNA鏈UvrD解鏈酶DNApolI/II填補缺口DNA連接酶連接切口第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一著色性干皮病（Xerodermapigmentosum）是一種切除修復酶的缺陷。患者對日光或紫外線特別敏感，對紫外線引起的DNA損傷不能修復，容易誘發(fā)皮膚癌。第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6.2.2錯配修復(Mismatchrepair，MMR)

負責修復DNA復制過程中由于錯誤摻入而產(chǎn)生的錯配。是一種復制后修復。(1)

識別錯配的堿基對。(2)

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。錯配修復能區(qū)分新鏈及模板鏈。區(qū)分方式是用Dam甲基化酶在模板鏈GATC中的A（N-6）上甲基化修飾。因此錯配修復也稱甲基指導的錯配修復。(3)

切除錯誤的堿基，并進行修復合成。原則是保存母鏈，修正子鏈。第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一②掃描（區(qū)別）：在水解ATP的作用下，MutS、MutL在DNA雙鏈上移動，發(fā)現(xiàn)甲基化DNA，DNA由此形成突環(huán)。①識別：MutS二聚體識別并結(jié)合到DNA錯配堿基部位；MutL二聚體與MutS二聚體結(jié)合，形成四聚體。③切除：MutH內(nèi)切核酸酶結(jié)合到MutSL上，由MutH切開非甲基化的子鏈。DNAhelicaseII,SSB,exonucleaseI去除包括錯配堿基的1000個核苷酸片段。④修補：DNApolymeraseIII和DNAligase填充缺口。昂貴的代價用于保證DNA的準確性。錯配修復過程：

第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

如果MutH的切點在錯配堿基的5′端，則由外切核酸酶VII或核酸酶RecJ來降解含有錯配堿基的片段。如果MutH的切點在錯配堿基的3′端，將由外切核酸酶I或X從3′→5′方向水解含有錯配堿基的片段。最后由DNApolIII和連接酶分別填補缺口和連接切口。第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6.2.3直接修復（損傷逆轉(zhuǎn)）

直接修復（directrepair）是把被損傷的堿基回復到原來狀態(tài)的一種修復。有以下三種方式：（1）光復活作用在可見光（400nm）存在的條件下，在光復活酶作用下將UV引起嘧啶二聚體分解為單體的過程。光復活是原核生物中的一種主要修復形式（單細胞生物到鳥類均有此酶，這種修復方式對植物體特別重要，而哺乳動物無此酶）。第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一(2)O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(MGMT)直接修復以防止形成G—T配對。

MGMT能防止DNA鏈烷基化導致的死亡和突變效應(yīng)。

MGMT存在于酵母和人類細胞中。第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一(3)單鏈斷裂修復

只需要DNA連接酶參與，屬于直接修復。

DNA連接酶催化DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中雙鏈之一的缺口處的5′磷酸與相鄰的3′羥基形成磷酸二酯鍵。第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6.2.4重組修復(recombinationrepair)

也稱復制后修復、鏈轉(zhuǎn)移修復、同源重組修復

①復制：受損傷的DNA鏈復制時，產(chǎn)生的子代DNA在損傷的對應(yīng)部位出現(xiàn)缺口。②重組：在RecA酶的作用下，完整母鏈DNA與有缺口子鏈DNA進行重組交換，將母鏈上相應(yīng)片段填補子鏈缺口處，而母鏈出現(xiàn)缺口。

③再合成：以另一條子鏈DNA為模板，經(jīng)DNApol合成一新DNA片段填補母鏈DNA缺口，最后由DNAligase連接完成修補。第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

重組修復不能完全去除損傷，損傷的DNA片段仍然保留在親代DNA鏈上，只是重組修復后合成的DNA分子是不帶有損傷的。但經(jīng)多次復制后，損傷就被“稀釋”了，在子代細胞中只有一個細胞是帶有損傷DNA的。重組修復機制的缺陷,有可能導致腫瘤發(fā)生。第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6.2.5易錯修復和SOS反應(yīng)第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一SOS反應(yīng)(SOSresponse)是細胞DNA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)生的一種應(yīng)急反應(yīng)。SOS反應(yīng)誘導的修復系統(tǒng)包括：

1、避免差錯的修復（errorfreerepair）：錯配修復、直接修復、切除修復和重組修復。

2、易產(chǎn)生差錯的修復（errorpronerepair）：易錯修復（SOS修復）。SOS反應(yīng)可誘導產(chǎn)生DNA聚合酶Ⅳ和Ⅴ，它們不具有3′核酸外切酶校正功能，但在DNA鏈的損傷部位即使出現(xiàn)不配對的堿基，仍然能催化核苷酸的聚合，使復制繼續(xù)進行。這種情況下允許錯配可增加細胞存活的機會。第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一SOS反應(yīng)：0期：還沒有出現(xiàn)SOS應(yīng)答，MMR（錯配修復）。1期：NER（核苷酸片段切除修復）。2期：重組修復，主要是針對DNA雙鏈斷裂的修復。3期：SOS修復（易錯修復）。4期：凋亡。第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一RecA與LexA組成調(diào)控環(huán)路RecA在SOS反應(yīng)中起核心作用未誘導的細胞

誘導的細胞第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一當DNA復制度過難關(guān)后SOSrepair是一種錯誤傾向性極強的修復機制是進化中形成的“竭盡全力，治病救人”的措施（正常狀態(tài)下，SOS是關(guān)閉的）RecA-p很快消失LexAgeneonSOSoff1、DNA的修復；2、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。第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6.3基因突變突變：是指遺傳物質(zhì)發(fā)生可遺傳的變異?；蛲蛔儯℅enemutation）：基因的核苷酸順序或數(shù)目發(fā)生改變。：染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)的改變。第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6.3.1基因突變的類型（1）點突變(pointmutation)（2）缺失

(deletion)（3）插入

(insertion)（4）重排

(rearrangement)：倒位或移位第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一（一）點突變（堿基替換）點突變(pointmutation)

是指DNA分子上發(fā)生了單個堿基的改變。點突變的特征是它具有很高的回復率。1.轉(zhuǎn)換：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。Purine→Pu或者Pyrimidine→Py

2.顛換：發(fā)生在異型堿基之間，即嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤。Pu→Py或者Py→Pu第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一從對遺傳信息的改變上定義

同義突變（無聲突變、中性突變，沉默突變）：沒有改變產(chǎn)物氨基酸序列的密碼子。

錯義突變：堿基序列的改變引起了氨基酸序列的改變。

滲漏突變：是突變基因的產(chǎn)物尚有部分活性的錯義突變，是表型界于野生型與完全突變型之間的某種狀態(tài)。

第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一

回復突變:使突變體在表型上回復到野生型狀態(tài)的突變。

無義突變：堿基的改變使代表某種氨基酸的密碼子變?yōu)榈鞍缀铣傻慕K止密碼子。

突變熱點（MutationHotpoint）：基因自發(fā)突變的頻率是一定的，DNA分子上某些位點的突變頻率大于平均數(shù)，這樣的位點稱為突變熱點。第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一（二）缺失缺失：一個堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上丟失。特點：回復突變率極低。插入：原來沒有的一個堿基或一段核苷酸鏈插入到DNA大分子中間。特點：回復突變率極低。移碼突變（框移突變）是指三聯(lián)體密碼的閱讀方式改變，造成蛋白質(zhì)氨基酸排列順序發(fā)生改變。

缺失或插入都可導致移碼突變

。（三）插入第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一（四）重排

DNA分子內(nèi)較大片段的顛倒、重復、交換，稱為重排或重組。第51頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一5.3.2誘變劑的作用1、堿基類似物（Baseanalog）：

是與DNA正常堿基類似的化合物，也能在DNA復制時取代正常堿基摻入并與互補鏈的堿基配對。但這些類似物易發(fā)生互變異構(gòu)，在復制時改變配對性質(zhì)，引起堿基對轉(zhuǎn)換。5