第十一章 DNA的生物合成課件

第六章基因突變與DNA的損傷與修復

作為一種能決定生命狀態(tài)存在和延續(xù)的生物大分子，DNA在遺傳過程中必需保持高度的精確性和完整性，而且這種性能是細胞中任何一種分子都無法與之相比的。盡管如此，在DNA復制過程中，仍難免會存在少量未被校正的差錯。此外，DNA還會受到各種物理和化學因素的損傷。這些差錯和損傷如果不被修復，將會第六章基因突變與DNA的損傷與修復作為一種能決定生命狀態(tài)存1

產生嚴重的細胞學后果，因為DNA分子本身是無法替代的，一個細胞通常只有1-2套基因組DNA，而不像蛋白質和RNA分子那樣，能利用DNA中的遺傳信息不斷產生新的分子來替代受損傷的分子。所以，維護DNA遺傳信息的穩(wěn)定性對生物細胞來說是極其重要的。在漫長的生命進化過程中，生物體不僅演化出能糾正產生嚴重的細胞學后果，因為DNA分子本身是無法替代的，一個2

復制錯誤的“校正”系統(tǒng)，而且在細胞中形成了多種多樣的DNA修復系統(tǒng)，能對各種DNA的損傷進行修復，恢復DNA正常的超螺旋結構，以保持每個世代遺傳信息的穩(wěn)定性。極少數(shù)不能修復的DNA損傷將會導致基因的突變，其中一部分突變將有利于物種的進化，而另一部分突變將導致細胞發(fā)生變異和死亡。復制錯誤的“校正”系統(tǒng)，而且在細胞中形成了多種多樣的DNA3一、DNA的損傷由自發(fā)的或環(huán)境的因素引起DNA一級結構的任何異常的改變稱為DNA的損傷。常見的DNA的損傷包括堿基脫落、堿基修飾、交聯(lián)，鏈的斷裂，重組等。一、DNA的損傷由自發(fā)的或環(huán)境的因素引起DNA一級結構的任何4（一）引起DNA損傷的因素：

1．自發(fā)因素：

1)．脫嘌呤和脫嘧啶在生理條件下，DNA分子通過自發(fā)水解經常發(fā)生脫嘧啶和脫嘌呤反應，使嘌呤堿和嘧啶堿從DNA分子的脫氧核糖-磷酸骨架上脫落下來。例如，在腺嘌呤和鳥嘌呤的N-9及脫氧核糖C-1′之間的N-糖苷鍵常發(fā)生自發(fā)水解反應而斷裂，從而失去嘌呤堿基，使該嘌呤堿基所編碼的遺傳信息丟失。Lindahl估計，一個哺乳動物（一）引起DNA損傷的因素：5

細胞在37℃條件下，20小時內通過自發(fā)水解可從DNA鏈上脫落約10000個嘌呤堿和500個嘧啶堿。在一個長壽命的非復制的哺乳動物細胞（如人的神經細胞）的整個生活中自發(fā)脫嘌呤數(shù)約為108個嘌呤堿，它們占細胞DNA中總嘌呤數(shù)的3%。每個細胞每小時脫去的嘌呤堿和嘧啶堿分別約為580個和29個。自發(fā)脫嘧啶反應一般頻率很低。細胞在37℃條件下，20小時內通過自發(fā)水解可從DNA鏈上脫6

2）．堿基的脫氨基作用堿基中的胞嘧啶（C）、腺嘌呤（A）和鳥嘌呤（G）都含有環(huán)外氨基，氨基有時會自發(fā)脫落，從而使胞嘧啶變?yōu)槟蜞奏ぃ║），腺嘌呤變?yōu)榇吸S嘌呤（I）,鳥嘌呤變?yōu)辄S嘌呤（X）。這些脫氨基產物的配對性質與原來的堿基不同，即U與A配對，I和X均與C配對。而且DNA復制時，它們將會在子鏈中產生錯誤而導致DNA損傷。例如，胞嘧啶自發(fā)水解脫氨變成尿2）．堿基的脫氨基作用7

嘧啶后，如果未被修復，產生的尿嘧啶會在接下來的復制中與腺嘌呤配對，從而產生點突變。DNA分子以這種方式產生尿嘧啶很可能就是DNA含有胸腺嘧啶而不是尿嘧啶的原因。因為這樣可使DNA分子中發(fā)現(xiàn)的任何尿嘧啶，均可被一種稱為尿嘧啶DNA糖化酶所切除，并由胞嘧啶所替代。胞嘧啶自發(fā)脫氨基成為尿嘧啶的頻率估計約為每小時每個細胞8次，即每天每個細胞192次。嘧啶后，如果未被修復，產生的尿嘧啶會在接下來的復制中與腺嘌8

3）．堿基的互變異構

DNA中的四個堿基都可能自發(fā)地使氫原子改變位置而產生互變異構體，從而使堿基的配對形式發(fā)生改變。如腺嘌呤的稀有互變異構體與胞嘧啶配對，胸腺嘧啶的稀有互變異構體與鳥嘌呤配對。當DNA復制時，如果模板鏈上存在著這樣形式的互變異構體，在子鏈上就可以產生錯誤，造成DNA損傷。例如稀有堿基腺嘌呤和胞嘧啶，或稀有堿基胸腺嘧啶與3）．堿基的互變異構9

鳥嘌呤形成氫鍵，便可導致下一世代中G-C配對取代A-T配對（圖6-1）。4）．細胞正常代謝產物對DNA的損傷

在所有需氧細胞中，細胞呼吸作用產生的副產物超氧陰離子（O2-）和H2O2非常活躍，由于這些超氧化物、氫過氧化物及羥基自由基（·OH）等活性氧的存在，導致DNA在正常條件下發(fā)生氧化損傷。這些自由基可在許多位點上攻擊DNA，產生一系列特性變化了的氧化產物，鳥嘌呤形成氫鍵，便可導致下一世代中G-C配對取代A-T配對10

如8-氧化鳥嘌呤，2-氧化腺嘌呤和5-羥甲基尿嘧啶等（見圖6-2）。而且電離輻射引起水分解所產生的羥基自由基，會提高這些氧化產物的水平。氧自由基對DNA的損傷是由金屬離子，尤其是鐵離子所介導的，因此，螯合劑、自由基清除劑、超氧化物歧化酶、二氧化物酶和過氧化物酶活力的增強，都能降低氧自由基的毒性。如8-氧化鳥嘌呤，2-氧化腺嘌呤和5-羥甲基尿嘧啶等（見圖11

此外，葡萄糖和6-磷酸葡萄糖，可能還有其他的糖分子也能和DNA反應，產生明顯的結構和生物學改變，這些改變的累積可導致細胞老化。除上述自發(fā)性損傷外，DNA分子還會自發(fā)產生單鏈斷裂、鏈間交聯(lián)和形成一些甲基加合物等。此外，葡萄糖和6-磷酸葡萄糖，可能還有其他的糖分子也能和D12

2．物理因素：由紫外線、電離輻射、X射線等引起的DNA損傷。其中，X射線和電離輻射常常引起DNA鏈的斷裂，而紫外線常常引起嘧啶二聚體的形成，如TT，TC，CC等二聚體。這些嘧啶二聚體由于形成了共價鍵連接的環(huán)丁烷結構，因而會引起復制障礙。

2．物理因素：133．化學因素：

(1)脫氨劑：如亞硝酸與亞硝酸鹽，可加速C脫氨基生成U，A脫氨基生成I。

3．化學因素：14

(2)烷基化劑：這是一類帶有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起堿基或磷酸基的烷基化，甚至可引起鄰近堿基的交聯(lián)。

(3)DNA加合劑：如苯并芘，在體內代謝后生成四羥苯并芘，與嘌呤共價結合引起損傷。

(4)堿基類似物：如5-FU，6-MP等，可摻入到DNA分子中引起損傷或突變。

(5)斷鏈劑：如過氧化物，含巰基化合物等，可引起DNA鏈的斷裂。

(2)烷基化劑：這是一類帶有活性烷基的化合物，可提供15二、DNA損傷的修復

人們對DNA的修復機理進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)在生物體內存在多種修復途徑，如能糾正復制錯誤的尿嘧啶－N－糖基修復酶系統(tǒng)和錯配修復系統(tǒng)，以及能修復環(huán)境因素和體內化學物質造成DNA分子損傷的光復活修復系統(tǒng)、切除修復系統(tǒng)、重組修復系統(tǒng)和SOS修復系統(tǒng)等。DNA分子的雙螺旋結構是其損傷修復的重要基礎，因為DNA的互補雙鏈可保證其一股鏈上的損傷被切除后，能從另一股鏈上獲得修復所需要的信息。

二、DNA損傷的修復人們對DNA的修復機理進行了深入研究，16（一）直接修復：

1．光復活：（lightrepairing）：這是一種廣泛存在的修復作用。光復活能夠修復任何嘧啶二聚體的損傷。其修復過程為：光復活酶（photo-lyase)識別嘧啶二聚體并與之結合形成復合物→在300～600nm可見光照射下，酶獲得能量，將嘧啶二聚體的丁酰環(huán)打開，使之完全修復→光復活酶從DNA上解離。

（一）直接修復：17

2．斷裂鏈的重接：DNA斷裂形成的缺口，可以在DNA連接酶的催化下，直接進行連接而封閉缺口。

3．直接插入嘌呤當DNA鏈上的嘌呤堿基受到損傷時，常會被糖基化酶水解脫落生成無嘌呤位點（apurinicsite,AP位點）。近年來人們發(fā)現(xiàn)一種酶能對這種損傷進行直接修復，這種酶被稱為DNA嘌呤插入酶（insertase）。此酶首先與無嘌呤位點相結合，并在K＋存在下催化游離的嘌呤堿基或脫氧核苷與DNA無嘌呤部位形成糖苷鍵。2．斷裂鏈的重接：18而且插入酶所插入的堿基具有高度的專一性，例如，在雙鏈DNA中與C相對應的AP位點上，插入酶只催化G插入，而在與T相對應的AP位點上，插入酶只催化A插入。插入酶的這種專一性保證了遺傳信息的正確修復和遺傳的穩(wěn)定性，而且嘌呤插入酶的存在預示著很可能還存在一種能催化嘧啶堿基直接插入到DNA鏈中嘧啶缺失位點的酶。而且插入酶所插入的堿基具有高度的專一性，例如，在雙鏈DNA中19

4．烷基轉移修復在轉甲基酶的催化下，將DNA上的被修飾的甲基去除。此時，轉甲基酶自身被甲基化而失活。4．烷基轉移修復20（二）切除修復(excisionrepairing)：這也是一種廣泛存在的修復機制，可適用于多種DNA損傷的修復。該修復機制可以分別由兩種不同的酶來發(fā)動，一種是核酸內切酶，另一種是DNA糖苷酶。

（二）切除修復(excisionrepairing)：21第十一章DNA的生物合成課件22（三）、錯配修復DNA復制是一個高保真過程，但其正確性畢竟不是絕對的，復制產物中仍會存在少數(shù)未被校出的錯配堿基。通過對錯配堿基的修復將使復制的精確性提高102-103倍。現(xiàn)已在大腸桿菌、酵母和哺乳動物中都發(fā)現(xiàn)了錯配修復系統(tǒng)。復制第十一章DNA的生物合成課件23

錯配中的錯配堿基存在于新合成的子代鏈中，錯配修復是按模板的遺傳信息來修復錯配堿基的。因此，該修復系統(tǒng)必須有一種能在復制叉通過之后識別模板鏈與新合成DNA鏈的機制，以保證只從新合成的DNA鏈中去除錯配堿基。在大腸桿菌中主要通過對模板鏈的甲基化來區(qū)分新合成的DNA鏈。大腸桿菌中存在一種Dam甲基化酶，它通常首先對DNA模板鏈錯配中的錯配堿基存在于新合成的子代鏈中，錯配修復是按模板的24

的5′-GATC序列中腺嘌呤的N6位置進行甲基化，當復制完成后，在短暫的時間內（幾秒或幾分鐘），只有模板鏈是甲基化的，而新合成的鏈是非甲基化的。正是子代DNA鏈中的這種暫時半甲基化，可以作為一種鏈的識別標志，以區(qū)別模板鏈和新合成的鏈，從而使存在于GATC序列附近的復制錯配將按親代鏈為模板進行修復。幾分鐘后新合成鏈也將在Dam的5′-GATC序列中腺嘌呤的N6位置進行甲基化，當復制25

甲基化酶作用下被甲基

化，從而成為全甲基化DNA。一旦兩條鏈都被甲基化，這種錯配修復過程幾乎不再發(fā)生。由于甲基化DNA成為識別模板鏈和新合成鏈的基礎，且錯配修復發(fā)生在GATC的鄰近處，故這種修復也稱為甲基指導的錯配修復（methyl-directedmismatchrepair）。甲基化酶作用下被甲基

化，從而成為全甲基化DNA。一旦兩條26（四）．重組修復(recombinationrepairing)：這是DNA的復制過程中所采用的一種有差錯的修復方式。

（四）．重組修復(recombinationrepairi27

（五）．SOS修復：這是一種在DNA分子受到較大范圍損傷并且使復制受到抑制時出現(xiàn)的修復機制，以SOS借喻細胞處于危急狀態(tài)。DNA分子受到長片段高密度損傷，使DNA復制過程在損傷部位受到抑制。

損傷誘導一種特異性較低的新的DNA聚合酶，以及重組酶等的產生。

由這些特異性較低的酶繼續(xù)催化損傷部位DNA的復制，復制完成后，保留許多錯誤的堿基，從而造成突變。

（五）．SOS修復：28三、基因突變與生物進化

突變是在DNA分子堿基序列水平上所發(fā)生的一種永久性、可遺傳的變化，它是與遺傳保守性相對立而又相互統(tǒng)一的自然現(xiàn)象。生物進化始于基因突變（mutation），并通過基因突變的積累和遺傳導致生物種屬的演化。

三、基因突變與生物進化突變是在DNA分子堿基序列水平上29（一）、基因突變的類型堿基序列發(fā)生改變的基因我們稱之為突變基因（mutantgene）。攜帶突變基因的生物個體或群體或株系通常稱為突變體（mutant）。基因沒有發(fā)生變化而表現(xiàn)正常的生物個體則稱為野生型（wildtype）。突變及其在機體中的后效也可用基因型（genetype）和表現(xiàn)型（phenotype）兩個術語來表述，前者（一）、基因突變的類型30

用于描述突變及其所處基因；后者用于描述突變在機體中的后果。此外，按照突變生成的過程可將突變分為自發(fā)突變（spontaneousmutation）和誘發(fā)突變（inducedmutation，簡稱誘變）兩種類型。由于自然界中突變劑的作用或由于偶然的復制錯誤而產生的突變都屬于自發(fā)突變。由于人們使用突變劑處理生物體而產生突變則是誘變。從不同角度用于描述突變及其所處基因；后者用于描述突變在機體中的后果。31

看，基因突變可以分為許多相互聯(lián)系的類別。目前人們最了解和最常見的基因突變主要有以下兩類：1、堿基置換突變指基因中一個或少數(shù)幾個堿基被替代的突變。最簡單的堿基置換突變是點突變，即DNA序列上單個堿基的改變。如前述鐮刀型紅細胞貧血病人的血紅蛋白中，β鏈第6為谷氨酸被纈氨酸取代，其編碼鏈看，基因突變可以分為許多相互聯(lián)系的類別。目前人們最了解和最32

DNA序列中的谷氨酸密碼子GAG被置換為纈氨酸密碼子GTG，兩者之間僅發(fā)生了一個堿基的改變。點突變如果是嘌呤與嘌呤之間，嘧啶與嘧啶之間發(fā)生互換，稱之為轉換（transversion）；如果是嘌呤與嘧啶之間發(fā)生互換，稱之為顛換（transition）。此外，點突變的表型效應是多樣化的，根據(jù)點突變發(fā)生的性質和部位的不同，可進一步將其化分為以下幾種類型：DNA序列中的谷氨酸密碼子GAG被置換為纈氨酸密碼子GTG33

1）、同義突變（cosensemutation）：也稱沉寂或沉默突變（silentmutation）。由于遺傳密碼具有簡并性，即同一氨基酸可由兩種或兩種以上密碼子編碼，而且同義密碼間通常只有第3位堿基不同。如果點突變發(fā)生在第3位堿基位置，那么它就不會影響摻進蛋白質中的氨基酸，這也就是在某些情況下，DNA編碼序列中堿基的取代雖然導致了某一1）、同義突變（cosensemutation）：也稱沉34

密碼子的改變，但所編碼的氨基酸并未改變的原因。換言之，同義突變不會造成蛋白質一級結構的變化，但可形成基因多態(tài)性。除此之外，如果突變發(fā)生在DNA的非編碼區(qū)或非調節(jié)區(qū)，則該突變也將是沉默突變，而且群體中許多沉默及非致死突變的積累會產生遺傳多態(tài)性，即在“正?！盌NA及其蛋白質序列中可接受的變異。密碼子的改變，但所編碼的氨基酸并未改變的原因。換言之，同義35

2）、錯義突變（missensemutation）：基因編碼序列中堿基的置換如果發(fā)生在密碼子的第1或第2位堿基上，導致某密碼子改變，并編碼另一種氨基酸，則是錯義突變。錯義突變有可導致蛋白質結構與功能的變化，也可能僅有蛋白質結構的變化，而對其功能影響甚微。因為大多數(shù)蛋白質可以耐受其氨基酸序列中某些非活性必需氨基酸的改變，特別是2）、錯義突變（missensemutation）：基因36

當堿基變化導致兩種性質相近的氨基酸發(fā)生替換時，如密碼子CTT變?yōu)锳TT，導致亮氨酸殘基被異亮氨酸殘基所取代，往往可使蛋白質活性不受影響。但是，如果蛋白質結構或功能活性的關鍵部位發(fā)生了氨基酸的改變，則極有可能產生突變體或造成致死性后果。鐮刀型紅細胞貧血癥就是典型實例。當堿基變化導致兩種性質相近的氨基酸發(fā)生替換時，如密碼子CT37

3）、無義突變（nonsensemutation）：指基因編碼序列中堿基置換使氨基酸密碼子轉變?yōu)榻K止密碼子的突變。這種突變可導致mRNA的轉錄及翻譯過程提前終止，產生比原肽鏈截短并缺失了C末端的蛋白質產物。所以，無義突變常對編碼蛋白質的活性有嚴重影響，容易產生突變體表型。3）、無義突變（nonsensemutation）：指基38

4）、終止密碼子突變（mutationofterminationcodon）：指基因的終止密碼子發(fā)生堿基置換轉變?yōu)橐环N氨基酸密碼子，致使轉錄和翻譯過程不能正常終止，結果形成一種比原肽鏈延長的異常蛋白質的突變。4）、終止密碼子突變（mutationoftermin39

5）、起始密碼子突變（mutationofinitiationcodon）：指基因中起始密碼子被置換，導致不能正常轉錄和翻譯，無表達產物的突變。上述大部分發(fā)生在基因編碼序列中的點突變，可引起蛋白質結構改變，但一般不影響基因的表達，少數(shù)情況下可伴有基因表達水平的降低?；虻姆蔷幋a序列也可發(fā)生堿基置換突變，如啟動子、增強子、內含子等區(qū)域內的突變，均可影響基因表達及表達調控。5）、起始密碼子突變（mutationofinitia40

2、缺失和插入突變（deletionandinsertionmutation）指在DNA編碼區(qū)內丟失或增加3或3的倍數(shù)個核苷酸而導致的基因突變。這類突變的效應是使基因翻譯至突變處時丟失或增加1個或數(shù)個氨基酸，而突變位點后的氨基酸序列并無改變。但是，如果插入或缺失涉及的核苷酸數(shù)目不等于3的倍數(shù)，將會造成突變點后全部密碼子閱讀框架2、缺失和插入突變（deletionandinsert41

移位，進而翻譯產生的氨基酸序列與正常蛋白質完全不同，或者使肽鏈合成提前終止或延長，產生無正常功能的異常蛋白質，這種基因突變稱為移碼突變。移碼突變的結果是所翻譯出的蛋白質序列從突變點起至C末端都完全被改變了，若此突變發(fā)生在有重要功能的基因中，?？蓪е律飩€體死亡。移位，進而翻譯產生的氨基酸序列與正常蛋白質完全不同，或者使42（三）、突變的意義基因突變的效應是多種多樣的。人們一般容易誤認為突變對生命都具有危害作用。其實就其后果而言，突變在生物界普遍存在是有其積極意義的。

1、突變是進化的分子基礎從生物進化史看，進化過程是突變不斷發(fā)生所造成的，突變?yōu)檫M化提供了最根本、最原始的材料，沒有突變就（三）、突變的意義43

不可能有現(xiàn)今五彩繽紛的生物世界。遺傳學家甚至認為，沒有突變就不會有遺傳學。在進化過程中，DNA序列一定要經歷改變，新序列必需加入到生物的基因組中，才可能使生物進化發(fā)展。雖然在一個短暫的歷史時期內，人類很難親眼看到某一物種的自然演變過程，而只能看到長期突變積累所造成的結果。但是通過化石的比較研究，人們發(fā)現(xiàn)不同生物物種的歷史存在狀態(tài)是不同的。有的不可能有現(xiàn)今五彩繽紛的生物世界。遺傳學家甚至認為，沒有突變44

物種隨著時間的推移發(fā)生了顯著的形態(tài)結構變化，從一個物種變成了另一個物種；有的原始種群產生了劇烈的形態(tài)結構的歧化，由一個物種演變出兩個以至更多的物種；有的物種在歷史的演進過程中滅絕消失。此外，同一物種個體間存在的差異也表明，突變在自然界普遍存在。大量研究結果表明，動植物及微生物中很多單位性狀內的差別，都來自物種隨著時間的推移發(fā)生了顯著的形態(tài)結構變化，從一個物種變成45

該生物進化過程中的基因突變。例如，水稻由非糯性變?yōu)榕葱?，小麥由高稈變?yōu)榘挼刃誀疃际腔蛲蛔兊慕Y果。又如流感病毒就有很多不同遺傳變異型的毒株，不同毒株的感染方式、毒性大小有可能相差很大，因而給流感的預防帶來相當大的困難。

該生物進化過程中的基因突變。例如，水稻由非糯性變?yōu)榕葱?，?6

2、突變可產生遺傳多態(tài)性

多態(tài)性（polymophism）一詞是用來描述個體之間基因型差別現(xiàn)象的。只有基因型改變而沒有可察覺表型改變的突變，是導致DNA多態(tài)性形成的原因。如前所述的簡并密碼子中第三位堿基的