DNA的損傷和修復(fù)課件

1、 第一節(jié) DNA損傷的概念、類型、意義第1頁，共75頁。 一 DNA損傷的概念DNA損傷 (DNA damage) ： 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（gene mutation）： 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）第2頁，共75頁?；蛲蛔?nèi)舭l(fā)生在體細(xì)胞，則影響其功能和生存。 可導(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。 可遺傳注意第3頁，共75頁?；蛲蛔?/p>

2、的形式插入替換缺失重排第4頁，共75頁。 (一)點(diǎn)突變 (point mutation)指DNA分子上一個堿基對的變異：堿基替換 base substitution1. 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 第5頁，共75頁。點(diǎn)突變-鐮刀型紅細(xì)胞貧血正常紅細(xì)胞鐮刀型紅細(xì)胞第6頁，共75頁。血紅蛋白HB基因發(fā)生堿基對置換，導(dǎo)致紅細(xì)胞形狀改變。第7頁，共75頁。 (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

3、片段缺失：一個堿基對或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失1 2 3 4 1 2 3 4 5 插入第8頁，共75頁。 框移突變 (frame-shift mutation): 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C 5 GAG UAC AUG UC 谷 酪 蛋 絲第9頁，共75頁。 (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(diǎn)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。第10頁，共75頁。 二、突變的意義(后果) 1.產(chǎn)

4、生新基因，出現(xiàn)新性狀。 功能獲得或功能喪失是生物變異的根本來源 為生物進(jìn)化提供了原始的材料。 第11頁，共75頁。 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。 第12頁，共75頁。 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。第13頁，共75頁。 三、

5、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（spontaneous mutation）。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。 第14頁，共75頁。 物理因素： 紫外線和各種電離輻射（、 、X射線）第15頁，共75頁。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)鼐用袷芎溯椛溆绊懀[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第16頁，共75頁。 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

6、因突變。太空椒的培育利用了可遺傳的變異：基因突變 第17頁，共75頁。 你周圍的工作、工具、設(shè)備 哪些有輻射？電腦、電視、手機(jī)、放射科第18頁，共75頁。 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)A5-BU G羥胺類 (NH2OH)T C亞硝酸鹽 (NO2-)C U烷化劑 (如：氮芥類)G mG第19頁，共75頁。1、普遍性 在自然界各物種中普遍存在。 2、隨機(jī)性 基因突變的發(fā)生在時間上、個體上、基因上，都是隨機(jī)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)

7、了物種基因的相對穩(wěn)定性。 高等動植物10-510-8，細(xì)菌10-410-10 （由于環(huán)境的惡化，基因突變的頻率越來越高）四、基因突變特性第20頁，共75頁。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第21頁，共75頁。 五、突變的類型第22頁，共75頁。 （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

8、突變。第23頁，共75頁。 （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(shí)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。第24頁，共75頁。 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(jī)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

9、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。第25頁，共75頁。 （三）按其發(fā)生的原因:1)自發(fā)突變（spontaneous mutation）： 2)誘發(fā)突變（induced mutation）： 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。 第26頁，共75頁。 （四）按突變的形式:替換（base substitution)缺失（deletion）插入（insertion）重排（rearrangement）第27頁，

10、共75頁。 第二節(jié) DNA損傷的機(jī)制第28頁，共75頁。 一 DNA自發(fā)損傷的機(jī)制1 DNA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(jī)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 A T G C第29頁，共75頁。 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

11、DNA復(fù)制中的堿基錯配。第30頁，共75頁。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。第31頁，共75頁。胞嘧啶次黃嘌呤腺嘌呤次黃嘌呤第32頁，共75頁。例2: 胞嘧啶脫氨基后變成尿嘧啶。第33頁，共75頁。鳥嘌呤G 黃嘌呤X例3： 鳥嘌呤G黃嘌呤X第34頁，共75頁。 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(diǎn)無堿基存在。 這些空缺位點(diǎn)稱無堿基位點(diǎn)（apurine site）,簡稱AP位點(diǎn)。 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

12、呤容易脫落且速度較快，是嘧啶的20倍。第35頁，共75頁。 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。正常正常第36頁，共75頁。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 TACATAC異構(gòu)復(fù)制第37頁，共75頁。 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。 核苷酸：磷酸-戊糖-含氮堿基 磷酯鍵 N糖苷鍵 核苷酸與核苷酸之間是磷酸二酯鍵 核苷第38頁，共75頁。 二、物理

13、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。第39頁，共75頁。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5104/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。TTA A第40頁，共75頁。 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

14、損傷DNA。結(jié)果：堿基脫落、堿基破壞、嘧啶二聚體形成、 DNA單鏈或雙鏈斷裂、DNA交聯(lián)。 第41頁，共75頁。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！第42頁，共75頁。DNA交聯(lián)損傷類型： 鏈內(nèi)交聯(lián)：同一DNA鏈上堿基共價結(jié)合，如嘧啶二聚體形成 鏈間交聯(lián)：不同DNA鏈間的堿基共價結(jié)合 DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)：DNA與蛋白質(zhì)間以共價鍵相連 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

15、變的分子基礎(chǔ)，會影響細(xì)胞的功能和DNA復(fù)制。 第43頁，共75頁。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)第44頁，共75頁。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），直接加到堿基N或O上而影響其結(jié)構(gòu)。損傷類型： 堿基錯配 如：鳥嘌呤G烷基化后不與胞嘧啶C配對，而改為與T配對。 嘌呤脫落 DNA鏈的斷裂或交聯(lián) 第45頁，共75頁。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。導(dǎo)致堿基替換。如5-溴尿嘧

16、啶（5-BU）、5-氟尿嘧啶（5-FU）、2-氨基嘌呤（2-AP） 第46頁，共75頁。 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替換為G-C.或G-C替換為A-T.酮式烯醇式第47頁，共75頁。 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.T2-AP.CG.CG.C2-AP.C 2-AP.T A.T第48頁，共75頁。 3.堿基對類似物 吖啶橙、吖啶黃素、原黃素等堿基對類似物，為平面三環(huán)結(jié)構(gòu)，插入后導(dǎo)致移碼突變。第49頁，共75頁。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

17、啶U, 兩輪復(fù)制后DNA分子中的G-C轉(zhuǎn)變?yōu)锳-T第50頁，共75頁。實(shí)驗中使用的許多生化試劑、同位素，其實(shí)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51頁，共75頁。 第三節(jié) DNA損傷的修復(fù)修復(fù) (repair)： 指針對已發(fā)生的缺陷而進(jìn)行的補(bǔ)救機(jī)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)。 第52頁，共75頁。 (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。第53頁，共75頁。 1光修復(fù) (light repai

18、r)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：高等哺乳動物和人沒有！第54頁，共75頁。2）過程 第55頁，共75頁。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)。第56頁，共75頁。3 堿基的直接插入 DNA鏈的AP位點(diǎn)能被嘌呤插入酶(insertase)識別結(jié)合，催化和另一條鏈上堿基互補(bǔ)的游離嘌呤插入AP位點(diǎn)，DNA完全修復(fù)。第57頁，共75頁。嘌

19、呤插入酶 專一性強(qiáng)。與AP內(nèi)切酶協(xié)同作用，修復(fù)脫嘌呤。專門從雙鏈DNA被AP內(nèi)切酶切開處，插入嘌呤。不與單鏈DNA作用。如果互補(bǔ)鏈上也無堿基時，該酶不工作。第58頁，共75頁。 也叫“無嘌呤內(nèi)切核酸酶”或“無堿基內(nèi)切酶”。 它特異切開無堿基核糖上的磷酸二酯鍵使鏈斷裂. T A C P P P P AP內(nèi)切酶第59頁，共75頁。(二)切除修復(fù) (excission repair)DNA損傷最普遍的修復(fù)形式。 尤其是哺乳類動物 針對多種DNA損傷： AP位點(diǎn)、嘧啶二聚體、鏈斷裂、堿基烷基化等 定義：多步驟多酶參與的過程 在DNA內(nèi)切酶、外切酶、DNA聚合酶、DNA連接酶等多種酶的共同作用下，先將D

20、NA受損部位切除，然后以另一條鏈為模板，合成一段正確配對的堿基序列來修補(bǔ)缺口。第60頁，共75頁。識別損傷位點(diǎn)并在兩側(cè)切開切除兩切口間核苷酸片段DNA合成DNA連接第61頁，共75頁。核酸酶：切割核酸的磷酸二酯鍵。核酸內(nèi)切酶：有堿基序列特異性。 從多核苷酸鏈中間開始切割核酸。 產(chǎn)物是寡核苷酸。核酸外切酶：有末端特異性。 從多核苷酸鏈5，-端或3，-端開始切割。 產(chǎn)物是單個核苷酸。第62頁，共75頁。（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。63注意第63頁，共75頁。 切除方式：依據(jù)修復(fù)內(nèi)容不同 堿基切除修復(fù)（base excisio

21、n repair，BER.） -切除的是單個堿基： 堿基丟失、錯配、脫氨、環(huán)氮類甲基化 -特征：首先要N-糖苷酶識別并切除損傷堿基，留下AP位點(diǎn)核苷酸切除修復(fù)（nucleotide excision repair，NER） -切除的是一段寡核苷酸 -特征：首先要核酸內(nèi)切酶對DNA鏈損傷部位兩端識別并進(jìn)行切割。第64頁，共75頁。堿基缺陷或錯配的修復(fù)核苷酸損傷的修復(fù)第65頁，共75頁。 著色性干皮?。▁eroderma pigmentosis，XP） 是一種切除修復(fù)有缺陷的遺傳性疾病。 在研究其發(fā)病機(jī)制時，發(fā)現(xiàn)一些相關(guān)的基因，稱為XPA、XPB、XPC等。這些基因的表達(dá)產(chǎn)物與Uvr類蛋白有同源序列，也起辨認(rèn)和切除損傷DNA作用的。XP病人是由于XP基因有缺陷，不能修復(fù)紫外線照射引起的DNA損傷，因此易發(fā)生皮膚癌。 暴露皮膚暗棕色斑、干燥、角化及癌變。 第66頁，共75頁。(三)重組修復(fù)(recombination repairing) 當(dāng)DNA損傷較大、較嚴(yán)重，無法及時修復(fù)或缺乏切除修復(fù)酶系統(tǒng)，可跳躍損傷部位復(fù)制，子鏈形成缺口，復(fù)制結(jié)束后，在重組基因rec編碼的酶（Rec蛋白）、DNA聚合酶、DNA連接酶等的作用下，將無損母鏈的DNA片段移到子鏈缺口，進(jìn)行重組修復(fù)。 發(fā)生在復(fù)制后，故又稱“復(fù)制后修復(fù)” 第67頁，共75頁。重組基因