DNA的損傷和修復(fù)課件

DNA的損傷與修復(fù)

第一節(jié)DNA損傷的概念、類型、意義一DNA損傷的概念DNA損傷(DNAdamage)：DNA復(fù)制過程中發(fā)生的DNA核苷酸序列的改變。從分子水平看，指DNA分子堿基順序或數(shù)目的改變。DNA損傷又稱基因突變（genemutation）：由于DNA分子中發(fā)生堿基對的替換、插入和缺失等,從而引起基因結(jié)構(gòu)上發(fā)生堿基對組成或排列順序的改變。時間：DNA復(fù)制時期，即細(xì)胞分裂間期（有絲分裂和減數(shù)分裂）

基因突變?nèi)舭l(fā)生在體細(xì)胞，則影響其功能和生存?？蓪?dǎo)致疾病甚至癌變或死亡。不遺傳若發(fā)生在生殖細(xì)胞，則可能影響后代。可遺傳注意基因突變┯┯┯┯

ＡＴＧＣ

ＴＡＣＧ

┷┷┷┷┯┯┯┯┯

ＡＴＡＧＣ

ＴＡＴＣＧ

┷┷┷┷┷┯┯┯

ＡＧＣ

ＴＣＧ

┷┷┷┯┯┯┯

ＡＣＧＣ

ＴＧＣＧ

┷┷┷┷插入替換缺失┯┯┯┯

ＡＧＴＣ

ＴＣＡＧ

┷┷┷┷重排

(一)點突變(pointmutation)

——指DNA分子上一個堿基對的變異（替換）。

1.轉(zhuǎn)換(transition)：

同型堿基間的置換:嘌呤代替另一嘌呤，嘧啶代替另一嘧啶

2.

顛換(transversion)：

異型堿基間的置換：嘌呤變嘧啶，嘧啶變嘌呤

(二)插入(insertion)和缺失(deletion)插入：DNA大分子上多了一個堿基對或一段核苷酸片段缺失：一個堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失123412345插入

框移突變(frame-shiftmutation):

缺失和插入引起的三聯(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。

正常 5′……GCA

GUA

CAU

GUC…… 丙纈組纈缺失C5′……GAG

UAC

AUG

UC…… 谷酪蛋絲

(三)重排(rearrangement)

指DNA分子內(nèi)發(fā)生較大片段的交換，也稱為重組。移位的DNA可以在新位點上顛倒方向反置（倒位），也可以在染色體之間發(fā)生交換重組。

二、突變的意義1.產(chǎn)生新基因，出現(xiàn)新性狀。是生物變異的根本來源，為生物進(jìn)化提供了原始的材料。

2.突變僅改變基因型而無可察覺的表型改變基因多態(tài)性

(polymophism)：指群體中個體間基因型的差別現(xiàn)象。本質(zhì)上講，多態(tài)性的產(chǎn)生在于基因突變，一般發(fā)生在基因序列中非編碼區(qū)。對個體而言，基因多態(tài)性堿基序列終生不變，并世代相傳。

3.突變導(dǎo)致死亡突變?nèi)舭l(fā)生在對生命至關(guān)重要的基因上，可導(dǎo)致個體或細(xì)胞的死亡。4.突變是某些疾病的發(fā)病基礎(chǔ)

包括遺傳病、腫瘤及有遺傳傾向的疾病。有些疾病已知其遺傳缺陷所在。但大多數(shù)尚在研究中。

三、引發(fā)突變的因素內(nèi)部因素：大量的突變都屬于由遺傳過程自然發(fā)生的，叫自發(fā)突變或自然突變（spontaneousmutation）。發(fā)生頻率為10-9。 外部因素：主要有物理和化學(xué)因素。這些因素可誘發(fā)突變，稱誘變劑。

物理因素：紫外線和各種電離輻射（α、β、

γ、X射線）引起突變的原因---人類史上的災(zāi)難1945.8日本廣島、長崎原子彈事件，當(dāng)?shù)鼐用袷芎溯椛溆绊?，腫瘤、白血病的發(fā)病率明顯增高。1986.4前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站爆炸2011.3，日本福島核電站泄漏2公斤重的太空茄經(jīng)歷過太空遨游的辣椒種子，經(jīng)宇宙射線照射大多發(fā)生了遺傳性基因突變。太空椒的培育利用了可遺傳的變異：基因突變

化學(xué)因素：常見的化學(xué)誘變劑化合物類別分子改變堿基類似物(如：5-BU)A→5-BU→G羥胺類(NH2OH)T→C亞硝酸鹽(NO2-)C→U烷化劑(如：氮芥類)G→mG1、普遍性在自然界各物種中普遍存在。

2、隨機性

基因突變的發(fā)生在時間上、個體上、基因上，都是隨機的。

體細(xì)胞和生殖細(xì)胞均可發(fā)生基因突變。生殖細(xì)胞突變頻率高于體細(xì)胞。體細(xì)胞突變在顯性或純合狀態(tài)才能表現(xiàn)，出現(xiàn)嵌合體。3、低頻性突變率是很低的。反應(yīng)了物種基因的相對穩(wěn)定性。高等動植物10-5～10-8，細(xì)菌10-4～10-10

（由于環(huán)境的惡化，基因突變的頻率越來越高）四、基因突變特性4、可逆性

回復(fù)突變率一般低于正突變率。

5、多害少利性正突變回復(fù)突變野生型基因突變型

五、突變的類型

（一）從突變的表型：1）形態(tài)突變：突變影響生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

2）生化突變：突變影響生物的代謝過程，導(dǎo)致某特定生化功能的改變或喪失。3）致死突變：突變影響生物個體的生活力。

顯性致死：雜合態(tài)即有致死效應(yīng)。隱性致死：純合態(tài)時才有致死效應(yīng)

4）條件致死突變：

在某些條件下致死，而在另些條件下成活的突變。

（二）從對遺傳信息的改變:1）同義突變:堿基置換后，原密碼子變成了另一個密碼子，但由于密碼子的兼并性，因而改變前、后密碼子所編碼的氨基酸不變，故實際上不會發(fā)生突變效應(yīng)。同義突變約占堿基置換突變總數(shù)的25﹪。2）無義突變:

某個編碼氨基酸的密碼子突變?yōu)榻K止密碼子，多肽鏈合成提前終止，產(chǎn)生沒有生物活性的多肽片段，稱為無義突變。

3）錯義突變:堿基序列的改變使一個密碼子變成編碼另一種氨基酸的密碼子，引起了氨基酸序列的改變。錯義突變可導(dǎo)致機體某蛋白結(jié)構(gòu)及功能異常，從而引起疾病。

嚴(yán)重影響蛋白活性甚至完全失活，影響表現(xiàn)型。如果該基因是必須基因，則稱為致死突變。產(chǎn)物仍有部分活性，表型介于野生型與突變型之間，稱滲漏突變。不影響或基本不影響蛋白活性，無明顯表型變化，稱中性突變。

（三）按其發(fā)生的原因:1)自發(fā)突變（spontaneousmutation）：

2)誘發(fā)突變（inducedmutation）：

人們有意識地利用物理、化學(xué)誘變因素引起的突變。自發(fā)突變型和誘發(fā)突變間沒本質(zhì)上的不同，誘變劑的作用也只是提高了基因的突變率。

（四）按突變的形式:替換（basesubstitution)缺失（deletion）插入（insertion）重排（rearrangement）

第二節(jié)DNA損傷的機制

一DNA自發(fā)損傷的機制1DNA復(fù)制時的堿基錯配正常生理條件下，DNA復(fù)制過程中堿基錯配經(jīng)DNA聚合酶“校讀”和錯配修復(fù)系統(tǒng)“校改”后仍然存在的堿基錯配。A=C錯配G=T錯配大腸桿菌:無修復(fù)機制時---錯配率10-2

DNA聚合酶“校讀“后---10-6錯配修復(fù)系統(tǒng)的校改后----

10-10

ATG

C

2堿基的自發(fā)損傷a堿基脫氨：DNA分子的自發(fā)脫氨指胞嘧啶、腺嘌呤和鳥嘌呤所攜帶的環(huán)外氨基（-NH2）所發(fā)生的自發(fā)丟失現(xiàn)象。通常發(fā)生在pH和溫度改變時。溫度升高加快脫氨。堿基脫氨對DNA的損傷主要表現(xiàn)為DNA復(fù)制中的堿基錯配。

例1：腺嘌呤A

→次黃嘌呤H脫氨它們原有的C-NH2，→脫氨→C=O→堿基品種變化→DNA復(fù)制中堿基錯配→DNA變異。胞嘧啶次黃嘌呤腺嘌呤次黃嘌呤例2:胞嘧啶Ｃ脫氨基后變成尿嘧啶Ｕ。

鳥嘌呤G黃嘌呤X例3：鳥嘌呤G→黃嘌呤X

b脫嘌呤---堿基脫落

堿基和脫氧核糖間的糖苷鍵破壞，引起一個鳥嘌呤或腺嘌呤從DNA分子上自發(fā)脫落或水解，造成某些位點無堿基存在。這些空缺位點稱無堿基位點（apurinesite）,簡稱AP位點。

嘧啶堿基與脫氧核糖間的糖苷鍵穩(wěn)定程度高，不易脫落。生理條件下，嘌呤容易脫落且速度較快，是嘧啶的20倍。

C堿基的互變異構(gòu)

由于堿基氫原子位置的可逆性變化，導(dǎo)致基因發(fā)生酮式-烯醇式或氨式-亞氨式間的結(jié)構(gòu)互變。導(dǎo)致A-C錯配或G-T錯配。正常正常如：腺嘌呤A的互變異構(gòu)體A’可與胞嘧啶C配對，致A-C錯配。AT異構(gòu)

A’

TA’CATAC異構(gòu)復(fù)制

3自由基對DNA的氧化損傷O2.，OH.，H2O2等如：造成DNA鏈上脫氧戊糖C-3或C-5磷脂鍵斷裂。自由基還可引起堿基損傷或脫落。

二、物理因素引起的DNA損傷1紫外線（UV）

DNA損傷主要是形成嘧啶二聚體。DNA同一條鏈上，相鄰的嘧啶受誘變因素作用，以環(huán)丁酰二聚體形式共價相連。如TT、TC、CC等二聚體。嘧啶二聚體的形成，減弱了雙鏈間氫鍵作用，引起了DNA變形。人皮膚因紫外線照射形成二聚體的頻率可達(dá)每小時5×104/細(xì)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。紫外線照射還能引起DNA鏈斷裂等損傷。TTAA

2.電離輻射直接效應(yīng)：DNA直接吸收射線能量而遭損傷。間接效應(yīng)：DNA周圍其他分子（主要是水分子）吸收射線能量產(chǎn)生高活性自由基進(jìn)而損傷DNA。結(jié)果：DNA的堿基損傷、DNA鏈斷裂、交聯(lián)。

DNA鏈斷裂：電離輻射引起的嚴(yán)重?fù)p傷，斷鏈數(shù)隨照射劑量而增加。單鏈斷裂雙鏈斷裂

單斷發(fā)生頻率為雙斷的10-20倍，但還比較容易修復(fù)；對單倍體細(xì)胞（如細(xì)菌）一次雙斷就是致死事件。損傷嚴(yán)重的碎片DNA無法修復(fù)，不屬于突變的問題，而是細(xì)胞走向死亡！交聯(lián)包括DNA鏈交聯(lián)和DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)。同一條DNA鏈上或兩條DNA鏈上的鹼基間可以共價鍵結(jié)合，DNA與蛋白質(zhì)之間也會以共價鍵相連這些交聯(lián)是細(xì)胞受電離輻射后在顯微鏡下看到的染色體畸變的分子基礎(chǔ)，會影響細(xì)胞的功能和DNA復(fù)制。DNA鏈的交聯(lián)：這種“X”型的交聯(lián)，導(dǎo)致染色體畸變，細(xì)胞容易死亡。兩條雙鏈DNA損傷交聯(lián)三、化學(xué)因素對DNA的損傷1.烷化劑：甲磺酸乙酯(EMS)、亞硝基胍(NG)烷化劑分子的一個或多個活性烷基（甲基或乙基），可直接加到堿基N或O上而影響其結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致堿基錯配。如：鳥嘌呤G烷基化后不再與胞嘧啶C配對，而改為與T配對。烷化劑使嘌呤脫落。烷化劑使DNA鏈的斷裂或交聯(lián)。2.堿基類似物結(jié)構(gòu)與堿基相似的人工合成化合物，進(jìn)入細(xì)胞后能替代正常堿基摻入到DNA鏈中，干擾了DNA的正常合成。如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氟尿嘧啶（5-FU）、2-氨基嘌呤（2-AP）

5-BU是胸腺嘧啶(T)的結(jié)構(gòu)類似物，

酮式結(jié)構(gòu)易與A配對；烯醇式結(jié)構(gòu)易與G配對。兩輪復(fù)制后,A-T轉(zhuǎn)變?yōu)镚-C.或G-C轉(zhuǎn)變?yōu)锳-T.酮式烯醇式

2-AP是腺嘌呤A的類似物，既可與T配對，也可與C配對。A.T→2-AP.T→2-AP.C→G.CG.C→2-AP.C→2-AP.T→A.T

3.堿基對類似物

吖啶橙、吖啶黃素、原黃素等堿基對類似物，易造成移碼突變。4亞硝酸

亞硝酸可引起DNA分子中堿基脫氨。如胞嘧啶C脫氨成為尿嘧啶U,兩輪復(fù)制后DNA分子中的G-C轉(zhuǎn)變?yōu)锳-T實驗中使用的許多生化試劑、同位素，其實是誘變劑蔬菜、水果上的農(nóng)藥；洗衣粉中熒光劑、烷化劑，食品中的防腐劑……不僅，影響我們的蛋白、酶；而且對我們的基因也有很大的危害！希望大家要警惕這種潛伏期長的癌變因素！

第三節(jié)DNA損傷的修復(fù)修復(fù)(repairing)：指針對已發(fā)生的缺陷而進(jìn)行的補救機制。目前已知有4種酶修復(fù)系統(tǒng)：直接修復(fù)、切除修復(fù)、重組修復(fù)、SOS修復(fù)。

(一)直接修復(fù)修復(fù)酶識別出損傷部位直接修復(fù)，不用切除DNA或切除堿基。

1光修復(fù)(lightrepairing)1）

1949年發(fā)現(xiàn)細(xì)菌光復(fù)活現(xiàn)象

可見光（最佳波長400nm）激活光復(fù)活酶，分解嘧啶二聚體從低等的單細(xì)胞生物至鳥類都有光復(fù)活酶；遺憾的是：高等哺乳動物沒有！2）過程

2鏈斷裂的重接DNA單鏈斷裂是常見的損傷，其中一部分可僅由DNA連接酶(lingase)參與直接修復(fù)。DNA連接酶在各類生物各種細(xì)胞都普遍存在。修復(fù)反應(yīng)容易進(jìn)行DNA雙鏈斷裂幾乎不能修復(fù)。3堿基的直接插入DNA鏈的AP位點能被DNA嘌呤插入酶（insertase）識別結(jié)合，催化和另一條鏈上堿基互補的游離嘌呤插入AP位點，DNA完全修復(fù)。(二)切除修復(fù)

(excissionrepairing)DNA損傷最普遍的修復(fù)形式。針對多種DNA損傷：

AP位點、嘧啶二聚體、鏈斷裂、堿基烷基化等

多步驟多酶參與的過程：

在DNA內(nèi)切酶、外切酶、DNA聚合酶、DNA連接酶等共同作用下，將DNA受損部位部分切除，并以另一條鏈為模板，合成修復(fù)。識別損傷位點并在兩側(cè)切開切除兩切口間核苷酸片段DNA合成DNA連接（1）切除修復(fù)利用的是化學(xué)能ATP，也叫暗修復(fù)。（2）修復(fù)發(fā)生在復(fù)制前。（3）修復(fù)的對象是親代DNA。60注意堿基缺陷或錯配的修復(fù)核苷酸損傷的修復(fù)

著色性干皮病（xerodermapigmentosis，XP）

切除修復(fù)有缺陷的遺傳性疾病。XP病人是由于XP基因有缺陷，缺乏核酸內(nèi)切酶，不能修復(fù)紫外線照射引起的DNA損傷，易發(fā)生皮膚癌。暴露皮膚暗棕色斑、干燥、角化及癌變。

(三)重組修復(fù)(recombinationrepairing)當(dāng)DNA損傷較大，無法及時修復(fù)或缺乏切除修復(fù)酶