第5章DNA的損傷、修復和基因突變（Chapter5DNADamage、RepairandGeneMutation）

河南科技大學農(nóng)學院施江MolecularBiologyCourse第5章DNA的損傷、修復和基因突變5.1DNA的損傷5.2DNA的修復5.3基因突變MolecularBiologyCourse第一節(jié)DNA的損傷一、DNA損傷的概念二、DNA分子的自發(fā)性損傷三、物理因素引起的DNA損傷四、化學因素引起的DNA損傷WelcometoMolecularBiology一、DNA損傷的概念DNA損傷(DNAdamage)：是指在生物體生命過程中DNA雙螺旋結構發(fā)生的任何改變。●單個堿基的改變通過復制過程改變子代的遺傳信息。●雙螺旋結構的異常扭曲對DNA復制或轉(zhuǎn)錄可產(chǎn)生生理性傷害。引起DNA損傷的因素：●自發(fā)性損傷●物理因素引起的損傷●化學因素引起的損傷二、DNA分子的自發(fā)性損傷包括：●互變異構移位●脫氨基作用●DNA復制中的錯誤◆堿基錯配◆DNA聚合酶的“打滑”●活性氧引起的誘變●堿基丟失

1.互變異構移位(tautomericshift)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-亞氨基互變異構或酮式-烯醇式互變異構。

氨基-亞氨基互變異構酮式-烯醇式互變異構堿基發(fā)生氨基-亞氨基互變異構時，發(fā)生A-C、G-T錯配。堿基發(fā)生酮式與烯醇式結構互變，發(fā)生A-C、T-G錯配。2.脫氨基(deamination)作用胞嘧啶自發(fā)脫氨基的頻率為每個細胞每天200個左右。自發(fā)脫氨基作用引起的堿基轉(zhuǎn)換

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

細胞代謝副產(chǎn)物O2-、H2O2等會造成堿基損傷，引起堿基配對錯誤。活性氧造成的堿基損傷

5.堿基丟失●自發(fā)的脫嘌呤（depurination）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。●堿基脫落形成AP位點（Apurinicor

Apyrimidinicsite）。●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。●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。三、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)的效應開始的。●最容易形成的是TT二聚體。●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。

UV2、電離輻射引起的DNA損傷

●

直接效應是DNA直接吸收射線能量而遭損傷，

●間接效應是指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（堿基氧化修飾、過氧化物的形成、堿基環(huán)的破壞和脫落等）

②脫氧核糖變化（脫氧核糖分解，最后會引起DNA鏈斷裂）

③DNA鏈斷裂

●單鏈斷裂（singlestrandbroken）

●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)

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DNA鏈間交聯(lián)

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DNA蛋白質(zhì)交聯(lián)四、化學因素引起的DNA損傷●烷化劑對DNA的損傷●堿基類似物對DNA的損傷●堿基的修飾劑對DNA的損傷●嵌入染料對DNA的損傷1.烷化劑對DNA的損傷●烷化劑是一類親電子的化合物，很容易與生物體中大分子的親核位點起反應。GCO-6-E-GTAT烷化劑TAO-4-E-TGCG烷化劑烷基化試劑：●硫芥●氮芥●乙基甲烷磺酸（ethylmathanesulfonate，EMS）●乙基乙烷磺酸（EES）●

亞硝基胍（NTG）●N-甲基-N′-硝基-N-亞硝基胍（N-mathyl-N′-nitro-N-nitrosoguanidion，NNG）烷化劑有兩類：●單功能烷化劑●雙功能烷化劑——化學武器如氮芥、硫芥等鏈內(nèi)交聯(lián)鏈間交聯(lián)

烷化劑造成的DNA損傷：①堿基烷基化②堿基脫落③斷鏈④交聯(lián)雙功能基烷化劑●DNA鏈內(nèi)交聯(lián)●DNA鏈間交聯(lián)●DNA與蛋白質(zhì)交聯(lián)

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)部分結構圖2.堿基類似物對DNA的損傷干擾DNA復制合成。ATABU酮BU烯醇GGCAT2-AP氨基TC2-AP亞氨基GC

3.堿基的修飾劑對DNA的損傷

某些化學誘變劑通過對DNA分子上堿基的修飾，改變其配對性質(zhì)。脫氨基試劑：亞硝酸（nitrousacid，HNO2，NA）羥基化試劑：羥胺（hydroxylamine，NH2OH，HA）ATICGCHNO2GCAUATHNO2CG4-OH-CATANH2OH4.嵌入染料（intercalateddye）對DNA的損傷吖啶橙(AcridineOrange，AO)溴化乙錠(EthidiumBromide，EB)扁平染料分子結果產(chǎn)生－－移碼突變第二節(jié)DNA的修復一、DNA修復的概念二、直接修復（損傷逆轉(zhuǎn)）三、切除修復四、錯配修復五、重組修復六、易錯修復和SOS反應WelcometoMolecularBiology一、DNA修復的概念

修復(DNARepair)是指在DNA損傷時，在多種酶的作用下，細胞對損傷的反應。●切除修復（excisionrepairing，ER）

●錯配修復(mismatchrepair，MMR)

●直接修復（directrepair）

●重組修復(recombinationrepair)●易錯修復（SOS修復）二、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：●光修復（lightrepair）●烷基轉(zhuǎn)移酶直接修復●單鏈斷裂修復（1）光修復（lightrepair）(2)烷基轉(zhuǎn)移酶（Alkyltransferases）直接修復(3)單鏈斷裂修復三、切除修復（excisionrepairing）

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正常結構的過程。包括：●堿基的切除修復（BER）●核苷酸的切除修復（NER）1.堿基切除修復(Baseexcisionrepair、BER)

主要修復單個堿基缺陷的損傷。●短-補丁修復（short-patchrepair）●長-補丁修復（long-patchrepair）堿基切除修復（BER）途徑中的重要糖苷酶：

●尿嘧啶-N-糖苷酶，從DNA中除去尿嘧啶堿基；●

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—甲基腺嘌呤DNA糖苷酶，可修復烷化劑產(chǎn)生的損傷。2.核苷酸片段切除修復(Nucleotideexcisionrepair，NER)

DNA螺旋結構有較大損傷變形時，則以核苷酸切除修復方式進行修復。原核生物DNA損傷切除修復過程：原核細胞NER系統(tǒng)蛋白質(zhì)和酶的功能

連接切口DNA連接酶填補缺口DNApolI/II解鏈酶UvrD在損傷部位的5'-端切開DNA鏈UvrC識別損傷并在3'-端切開DNA鏈UvrB識別損傷并充當分子接頭UvrA功能蛋白質(zhì)●著色性干皮病（Xerodermapigmentosum，XP）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。●至少有7種不同基因的缺陷可導致XP。四、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。(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。

(3)

切除錯誤的堿基，并進行修復合成。錯配修復過程：

昂貴的代價用于保證DNA的準確性。五、重組修復(recombinationrepair)重組修復過程：●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（乳腺癌）發(fā)生。六、易錯修復和SOS反應SOS反應(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)生的一種應急反應。