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文檔簡介

1、第第11章章 DNA損傷修復和基因突變損傷修復和基因突變 只有保持低水平的突變率,才能保證遺傳物質在世代間 的穩(wěn)定傳遞。 在生殖細胞中發(fā)生高突變幾率,則會毀滅這個物種;在 體細胞中發(fā)生高突變幾率,則會毀滅這一個體。 如果遺傳物質在世代間能夠絕對忠實地遺傳,將失去推 動生物進化的遺傳變異。 因此,生命及其生物多樣性的存在有賴于突變與修復之 間保持一個恰當?shù)钠胶狻T谶@章,我們主要學習引發(fā)突 變的原因,以及回復或糾正系統(tǒng),從而確保遺傳物質受 到最低程度的損傷。 一、基因突變 名詞解釋: 誘變劑:能誘發(fā)產(chǎn)生突變的物理和化學因素; 突變:遺傳物質中不是由于遺傳重組產(chǎn)生的任何的 可遺傳的改變,這種改變能產(chǎn)

2、生一個突變表型; 突變體:指攜帶突變的生物個體或群體; 野生型:指沒有發(fā)生突變的基因; 突變型:指相對的某一性狀的野生型基因發(fā)生突變 后,所表現(xiàn)出來的性狀發(fā)生改變的表現(xiàn)型; 基因突變是DNA分子的堿基對序列發(fā)生改變的過程, 這種改變可以是較為簡單的單個堿基對的置換、插 入、缺失;也可以是較為復雜的某條染色體片斷的 重排、重復、缺失。突變可以自發(fā)發(fā)生,包括由自 然界的射線或復制時的錯誤引發(fā);突變也可以利用 誘變劑在實驗條件下誘發(fā)。 (一). 可遺傳突變的分類 染色體突變 l染色體結構的變化:缺失、重復、倒位、易位 l染色體數(shù)目的變化:整倍體、非整倍體 1. 根據(jù)堿基改變的數(shù)目分類 染色體突變 D

3、NA點突變堿基的替換 轉換:4種 嘌呤 to 嘌呤 嘧啶 to 嘧啶 顛換:8種 嘌呤 to 嘧啶 嘧啶 to 嘌呤 AG TC AG TC 2. 根據(jù)編碼的氨基酸的順序的改變分類: 同義突變: 錯義突變: 無義突變: 移碼突變: F點突變的表型效應 同義突變(Synonymous mutation):基因突變導致 mRNA密碼子第三位堿基改變,但基因產(chǎn)物的序列不發(fā) 生改變; DNADNA 5-TCTCAA 3-AGAGTT TTTACG- 3AAA AAATGC- 5TTT 5-TCTCAA 3-AGAGTT TTTACG- 3AAG AAATGC- 5TTC 5-UCUCAAUUUACG-

4、 3AA A mRNA LysPhe ThrSer Glnpolypeptide 5-UCUCAAUUUACG- 3AA G LysPhe ThrSer Gln AAA AAA AAG AAG(LysLys) 5-TCTCAA 3-AGAGTT TTTACG- 3 AAATGC- 5 AA TT G C F點突變的表型效應 錯義突變(Missense mutation):基因突變導致mRNA密 碼子堿基被置換,導致基因編碼的氨基酸被替換,或功能 性的RNA序列發(fā)生改變。 DNADNA 5-TCTCAA 3-AGAGTT TTTACG- 3 AAATGC- 5 AA TT A T 5-UCUCA

5、AUUUACG- 3AAA mRNA LysPhe ThrSer Glnpolypeptide 5-UCUCAAUUUACG- 3AAG GluPhe ThrSer Gln AAA AAA(LysLys) GAAGAA(GluGlu) 5-TCTCAA 3-AGAGTT TTTACG- 3 AAATGC- 5 AA TT T A F點突變的表型效應 無義突變(Nonsense mutation):基因突變導致mRNA 密碼子堿基被置換成終止密碼子,引起多肽鏈合成的終止。 DNADNA 5-TCTCAA 3-AGAGTT TTTACG- 3 AAATGC- 5 AA TT A T 5-UCUCA

6、AUUUACG- 3AAA mRNA LysPhe ThrSer Glnpolypeptide 5-UCUCAAUUUACG- 3AAU StopSer Gln AAA AAA(LysLys) UAAUAA(StopStop) 突變改變了mRNA上的密碼子讀碼框 3x dNt 移碼突變 GCUGCUGCUGCUGCUGCUGCUGCUGCUGCUCUGCUGCUGCUGCUGCUG AlaAlaAlaAlaLeuLeu LeuLeuLeuLeu AlaAlaAlaAlaAlaAla Deletion = 3x dNt= 3x dNt n x n x 氨基酸氨基酸 GCUGCUUGCUGCUGC

7、UGCA AUGUGC CA AUU GCUGCUGCUGCUGCGCA A AlaAlaAlaAlaCysCysCys Cys MeMe t t AlaAlaAla Ala HisHis 移碼突變:基因突變導致mRNA密碼子堿基被置換,引 起突變點之后的氨基酸順序全部發(fā)生改變。 F點突變的表型效應 正向突變:其突變方向是從野生型向突變型; 回復突變:其突變方向是從突變型向野生型; 3.根據(jù)突變表型和野生型比較,將點突變分為: 突變熱點:DNA分子上每一個部分發(fā)生突變的頻率 并不相同,在某些位點發(fā)生突變的頻率遠遠高于平均 數(shù),這些位點稱為突變熱點。 自發(fā)突變是在不添加任何誘變試劑的情況下發(fā)生的

8、, 是由復制錯誤(或在DNA復制過程中其他事件)或 環(huán)境損傷引發(fā)的。 1. 自發(fā)突變 vDNA復制的錯誤 vDNA自發(fā)的化學改變 v轉座子的移動 (三).基因突變的分子機制 u復制中的損傷:指復制中堿基配對時發(fā)生誤差經(jīng) 過DNA pol校正和SSB等綜合因素作用下仍存在 的DNA損傷。 u增變基因(mutator): 是與DNA復制、 DNA損傷修復以及錯配校正相關的基因。當這些 與保證DNA穩(wěn)定遺傳的相關基因突變后,必然會 增加其他基因的突變頻率。 (1).DNA 復制中的損傷 增變基因類別: DNA 聚合酶相關基因 3 5 編碼功能的基因 錯配修復系統(tǒng)的基因 MCE (mismatch c

9、orrection enzyme) DNA 損傷修復系統(tǒng)基因 錯配修復功能喪失 突變率升高 修復過程是基因突變的重要來源 修復過程是基因突變的重要來源 (2).堿基自發(fā)的化學改變 u 化學結構的變化 互變異構移位 脫嘌呤或脫氨基作用 u氧化作用損傷堿基 過氧化氫、羥基(-OH) 互變異構移位 嘌呤和嘧啶環(huán)中芳香族化合物的結構和它的OH 和 NH2 電荷豐富特性可導致異構體的產(chǎn)生,導致H的位 置移動。 自發(fā)點突變多半是由于嘌呤或嘧啶堿中氫原子的互變異 構移位引起的。在DNA復制中,這種移位會引起堿基配 對的改變。 imino form imino form 亞氨基形式亞氨基形式 amino fo

10、rm amino form 氨基形式氨基形式 NH2 N H H 腺嘌呤 NH N H H enolenol form form 烯醇烯醇式式ketoketo form form 酮酮式式 鳥嘌呤 O N H H2N OH N H H2N enolenol form form 烯醇烯醇式式ketoketo form form 酮酮式式 胸腺嘧啶 O N O CH3 H H OH N O CH3 H 胞嘧啶 NH2 N O H NH N O H H imino form imino form 亞氨基形式亞氨基形式amino form amino form 氨基形式氨基形式 A A(a a)= T

11、= T(k k););GG(k k) C C(a a) A A(a a)= = C C(i i); GG(k k) T T(e e) A A(i i)= = C C(a a);); GG(e e) T T(k k) 模板鏈中的稀有同分異構體與非互補的堿基配對, 在下一輪復制時,堿基對中錯配的堿基分開,然后 進行正常的堿基互補配對,最終導致置換突變。 A(a) T(k) A(a, anti) T(k, anti) C(i) C(a, anti) A(a) A(a, anti) 堿基異構式引起DNA的錯配突變 C(i) C(a) G(k, syn) G(k, syn) G(k, anti) G(k

12、) 脫嘌呤或脫氨基作用 p脫嘌呤:指在完整的雙螺旋DNA分子中失去含氮的 堿基,經(jīng)常是失去嘌呤。這些位點被稱為嘌呤位點 (AP位點) 。 O CH2 OHH 1 9 CH2 H O O P OH O O NH2 G p脫氨基作用是從堿基上去除一個氨基基團。 NH2 O H HH2 2OO NH2 O O H CU HH2 2OO NH2 NH2 O H CH3 O O H CH3 T5mC 突變熱點 物理誘變劑 高能電離輻射X、 非電離輻射紫外線 2.誘導突變 化學誘變劑 抑制堿基合成:5-氨基尿嘧啶 堿基類似物:5-BrU、2-AP 堿基修飾劑:NA、HA、烷化劑 嵌入試劑:吖啶橙AO、EB

13、 衛(wèi)星搭載誘變衛(wèi)星搭載誘變: : 高真空、強輻射、微重力高真空、強輻射、微重力 dNtdNt電荷及結構改變電荷及結構改變 p(1).電離輻射 射線和x射線的能量較高 直接影響DNA分子,引起堿基結構改變 p (2). 紫外線 紫外線照射會引起同一條紫外線照射會引起同一條DNADNA鏈上相鄰的嘧啶堿基發(fā)鏈上相鄰的嘧啶堿基發(fā) 生共價交聯(lián)而形成嘧啶二聚體生共價交聯(lián)而形成嘧啶二聚體(TTTT)。)。 CC、CT、TC二聚體同樣可以通過紫外線產(chǎn)生, 但是數(shù)量很少。 O O CH3 H O O CH3 H O O CH3 H O O CH3 H O O 1 2 3 4 5 6 5 6 p(3).堿基類似物

14、 堿基類似物結構與DNA中的正確堿基相似 5溴尿嘧啶是T的類似物,這種堿基替代物的出現(xiàn) 可以以烯醇式的形式與G配對。 O O Br H enolenol form form 烯醇烯醇式式ketoketo form form 酮酮式式 OH O Br H O H N H H G (k)G (k) H 5-BrU (e)5-BrU (e) O O Br H H A A(a a) N H H H H 5-BrU (K) O O Br H H 錯配 u復制的錯誤:可以導致AT向GC的轉換突變 A (a) T T (k) 5-BrU(k) A (a) 5-BrU(k)5-BrU(e) G (k) G (

15、k) C (a) u摻入錯誤: GC向AT的轉換突變。 G (k) C (a) G (k) 5-BrU(e) 錯配 5-BrU(e)5-BrU(k) A (a) A (a) T T (k) 5BrU5BrU誘發(fā)誘發(fā) 復制錯誤復制錯誤 的突變頻率低于誘發(fā)的突變頻率低于誘發(fā) 摻入錯誤摻入錯誤 的突變頻率的突變頻率. . 2-AP2-AP H N H H H O O CH3 H T (k)T (k) 2-氨基嘌呤(2-AP)是另一種腺嘌呤類似物,也有氨 式a和亞氨式i兩種異構體。 正常情況下可發(fā)生2-APa=T。但在DNA復制的過程 中C偶爾會取代T,發(fā)生2-APi Ca。 p(4).堿基修飾劑 u

16、脫氨基試劑: HNO2 u羥基化試劑: NH2OH u烷基化試劑: EMS、MMS HNOHNO2 2 GG N H H O H H O H H H O N O H H H xanthine黃嘌呤黃嘌呤 NH2 O H O O H HNOHNO2 2 C CUU H H H N H H A A p Nitrous acid (HNO2)脫氨基試劑 CG CG T TA A p Nitrous acid Nitrous acid (HNOHNO2 2) p NH2OH (HA 羥胺,羥基化試劑) O H C C NH H NHNH2 2OHOH H H N H H A A HO O H H N-

17、 O H HNOHNO2 2 A A H H C C N H H HypoxanthineHypoxanthine H H H ONH H A AT T GCGC CGCG T TA A 次黃嘌呤次黃嘌呤 uEMS(EMS(甲基磺酸乙酯甲基磺酸乙酯 ) ) ,MMS (MMS (甲基磺酸甲基磺酸 甲酯甲酯) )等烷化劑都帶有等烷化劑都帶有1 1個或多個活潑的個或多個活潑的 烷基,這些烷基能夠加入堿基的許多位烷基,這些烷基能夠加入堿基的許多位 置形成烷基化堿基,改變氫鍵的結合能置形成烷基化堿基,改變氫鍵的結合能 力。力。 p Alkylation agents 烷基化試劑 EMS (Ethyl

18、methane sulfanate) 乙基甲烷磺酸乙基甲烷磺酸 O H3C S O OCH2CH3 MMS(methyl methane sulfanate) 甲基甲烷磺酸甲基甲烷磺酸 O H3C S O OCH3 SM (Sulfur Mustards gas) 硫芥子氣硫芥子氣 H S CHCH2 2CHCH2 2ClCl CHCH2 2CHCH2 2ClCl Nitrogen Mustards gas 氮芥子氣氮芥子氣 H3C N CHCH2 2CHCH2 2ClCl CHCH2 2CHCH2 2ClCl 嵌入劑是含有幾個多元環(huán)的扁平分子。易于在 DNA復制過程中插入到dNMP分子之間。

19、 能與DNA中同樣是扁平分子的嘌呤或嘧啶堿基結 合,就如在雙螺旋中的堿基相互結合或堆積那樣。 EB (Ethidium Bromide,溴化乙錠) p (5).嵌入劑 AO (Acridine Orange,吖啶橙 ) Proflavin 原黃素 NH2H2N C2H5 Ethidium Bromide H2NNH2 H 原黃素 (CH3)2NN(CH3)2 H Acridine Orange AO (Acridine Orange) AO (Acridine Orange) 扁平分子扁平分子 EB (Ethidium Bromide)EB (Ethidium Bromide) -ATTTTT

20、CG - -TAAAAAGC- -A TTTCG - -T AAAGC- TAO T -AT EB TTTTCG- -TA 分子插入分子插入 AO E B -ATTTCG - -TAAAGC- -ATXTTTTCG- -TAX AAAAGC- X AAAAGC - 5 基因突變的一般特征基因突變的一般特征 基因突變表現(xiàn)出以下的普遍特征:基因突變表現(xiàn)出以下的普遍特征: |(1) (1) 突變的重演性和可逆性突變的重演性和可逆性 |(2) (2) 突變的多方向性與復等位基因突變的多方向性與復等位基因 |(3) (3) 突變的有害性和有利性突變的有害性和有利性 |(4) (4) 突變的稀有性突變的稀

21、有性 基因的定點誘變 oligo-dNt 介導的定介導的定 點誘變點誘變 合成與目標基因某區(qū)合成與目標基因某區(qū) 段互補,并含突變位段互補,并含突變位 點的點的oligo-dNt 可穩(wěn)定遺傳的定點突 變基因 二、保證遺傳穩(wěn)定性的機制 DNA損傷修復 DNA損傷是指DNA結構發(fā)生的任何改變。 (一). 避免差錯的DNA損傷修復 光復活反應 切除修復 重組修復 校讀作用錯配修復 交聯(lián)的修復 (二).傾向錯誤的DNA損傷修復 應急修復系統(tǒng)(SOS) (一). 避免差錯的DNA損傷修復 1.光復活修復復制前修復、直接修復 修復發(fā)生在320-370nm(藍光)的可見光中。 C GCA ATA GT TA

22、TC GCA ATA GT TA TC GCA ATA GT TA T + 光復活酶通過生色基團(N,N-二甲基四氫葉酸)吸收 光能,將能量傳遞給FAD, FADH2通過電子轉移引發(fā) 二聚體的裂解。 主要用來修復胸腺嘧啶二聚體 A G C G T A T C G C A T CH3 uDNA損傷的直接修復 HS Enzyme + A G C G T A T C G C A T + O6-甲基鳥嘌呤甲基轉移酶可防止烷化劑所致的死亡和突 變效應。 通過把甲基從O6-甲基鳥嘌呤上直接轉移到酶 的Cys殘基上直接修復DNA損傷。反應完成后酶失活。 EnzymeS CH3 2. 切除修復復制前修復 u堿

23、基切除修復(BER) u核苷酸切除修復(NER) F切除修復是指在一系列酶的作用下,切除錯誤的堿 基或錯誤核苷酸,然后以另一條完整的互補鏈為模板, 重新合成切去的部分,使損傷DNA恢復正常結構的 過程。是生物體主要的修復方式。 堿基切除修復(BER) -尿嘧啶 N-糖苷酶修復 (1)糖苷酶切斷糖苷鍵, 釋放出損傷堿基,產(chǎn)生 AP位點 (2)AP內(nèi)切酶在AP位點 切開磷酸二酯鍵 (3)外切酶進一步切割 (4)DNA聚合酶、 DNA連接酶填充缺口 5 3 53 U* 53 AP 位點 53 ungase 53 AP內(nèi)切核酸酶 53 53 53 5 5 3 3 進一步酶切 DNA Pol 和連接酶

24、堿基切除修復(BER) uN-糖苷酶與DNA損傷修復 N-糖苷酶有很多種,如E.coli的3-甲基腺嘌呤 -DNA糖苷酶,對于7-甲基鳥嘌呤、3-甲基鳥 嘌呤和7-甲基腺嘌呤也有作用。 3-甲基腺嘌呤-DNA糖苷酶,專門作用于3- 甲基腺嘌呤。 UvrB A UvrB AA UvrB AA UvrB A (in E.coli)核苷酸切除修復uvrA、B、C 5 UvrB 3 C Nick Nick 53 5353 UvrAB識別嘧啶二聚體和較大的損傷并與之結合,DNA骨架彎曲。 UvrA離開復合體, UvrB和UvrC結合,在損傷的5側和3側產(chǎn)生切口。 UvrD(解旋酶)將損傷鏈釋放出來,DN

25、A pol填補缺口。 著色性干皮病(XP) 切除修復缺陷的遺傳病 XP病人細胞對嘧啶二聚 體和烷基化的清除能力降 低,不能修復紫外線照射 引起的DNA損傷,表現(xiàn)為 皮膚光敏和早發(fā)性肉瘤。 跳過損傷部位 新鏈產(chǎn)生的缺口由母鏈通過重 組方式彌補 原損傷部位并沒有切除, 但在后代逐漸稀釋 3. 重組修復復制后修復 RecA蛋白引起的DNA鏈的交換 4. 校讀作用錯配修復系統(tǒng)MRS DNA mismatch + + - A A- - - -C C- DNA pol (= 10-8) 經(jīng)第二次校正= 10-11 Mismatch Repair System p Dam甲基轉移酶, 由dam基因編碼,催化

26、5-GATC- 3中A的甲基化,保證DNA免受限制性核酸內(nèi)切酶Mbo I的切斷,同時在DNA復制時也起一定的輔助作用。 p MCE-錯配修復酶 :Mut HLS 掃描新生鏈中錯配堿基 識別新生鏈中非 m6A 的GATC序列 酶切含錯配堿基的新生DNA區(qū)段 mutS MCE scanning endonuclease Polymerase ligase GATC GATC CTAG CTAG T C GATC GATC CTAG CTAG T GATC GATC CTAG CTAG T A mutH mutL MutH內(nèi)切核酸酶與MutSL結合,切割未甲基化的鏈, 從GATC到錯配位點之間的序列

27、被切除。 若錯配位于切割點5側,未甲基化鏈由核酸內(nèi)切酶從 斷裂點按35方向對DNA鏈進行降解直至 除去錯配 堿基。 若錯配位于切割點3側,未甲基化鏈由核酸外切酶或 RecJ蛋白從斷裂點按53方向對DNA鏈進行降解直至 除去錯配堿基。 所有錯配都可由這一系統(tǒng)修復,但其中以 G-T錯配修復更為有效,C-C錯配的修復為弱。 由于要降解和置換1000或更多堿基對,這 種修復代價顯然是高的,但這也說明修復的重 要,細胞為此不惜代價。 Jeam Weigle 發(fā)現(xiàn):Weigle復活效應或W-效應 UV 感染 細菌(用UV照射過) 存活率高 噬菌體 細菌(UV未照射過) 存活率低 這些效應是經(jīng)紫外線誘導產(chǎn)生

28、的,稱為SOS反應 SOS反應:當生物處于極度逆境下,DNA分子受到 較大范圍損傷,細胞會應急產(chǎn)生一系列負責的誘導 效應。 高頻突變被SOS修復 傾向差錯修復(Error-prone) 5. 應急修復反應-SOS反應 DNA 損傷 50 X 誘導信號 RecA 降解 LexA SOS UmuC 突變 LexA RecA,UmuC等11個基因 Neg. repression -UVDNA損傷信號(S.S. DNA tail or 5Nt S.S.DNA) lexArecAumuC lexArecA umuC 紫外線/絲 裂霉素C 少量表達 高效表達 1) 誘導前 2) 誘導 RecA消除LexA

29、的阻遏后,首先轉錄uvrA、sulA等基因, 切除修復加強;SulA則抑制細胞分裂。 LexA的進一步分解,使更多SOS網(wǎng)絡中的基因表達。 RecA蛋白: 兩種功能 與單鏈DNA結合活性與DNA重組有關 蛋白酶活性:可分解LexA蛋白;只有當少量的 RecA與受損的單鏈結合后,此活性被激活。 LexA蛋白: 阻遏蛋白 能阻遏與SOS反應有關的一系列基因。 RecA蛋白酶活性很 快降低 lexA基因高水平 表達 SOS 基 因關閉 3) 恢復狀態(tài) 誘導信號去除 細胞恢復 正常狀態(tài) 當DNA復制受阻/ DNA damaged 能量大量消耗 細胞內(nèi)原少量表達的RecA與S.S, DNA結合 激活RecA的蛋白酶活性 修復損傷修復損傷 LexA-p降解 RecA-p高效表達 50 times up SOS open SOS反應: DNA復制時遇到損傷位點并不停下或跳過,而是 繼續(xù)向前復制,但并不保證堿基配對的準確性。是 一種但求保命的應急行為。又稱為差錯傾向修復 修復過程復雜,涉及l(fā)exA、recA、uvr等20多種 基因產(chǎn)物。 2. RecA蛋白起作用的修復機制是(蛋白起

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