基因突變與DNA的損傷及

基因突變與DNA的損傷及第1頁/共44頁

遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變而引起的遺傳信息改變，均可稱為突變mutation）

在復(fù)制過程中發(fā)生的DNA突變稱為DNA損傷（DNAdamage）

從分子水平來看，突變就是DNA分子上堿基的改變。第2頁/共44頁在DNA復(fù)制過程中，仍難免會(huì)存在少量未被校正的差錯(cuò)。此外，DNA還會(huì)受到各種物理和化學(xué)因素的損傷。這些差錯(cuò)和損傷如果不被修復(fù)，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的細(xì)胞學(xué)后果生物細(xì)胞中形成了多種多樣的DNA修復(fù)系統(tǒng)第3頁/共44頁第一節(jié)DNA的損傷DNA損傷正常DNA分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)發(fā)生改變射線化學(xué)試劑DNA堿基雜環(huán)

NC環(huán)外基團(tuán)化學(xué)結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)改變DNA損傷單鏈斷裂雙鏈斷裂糖基化堿基修飾DNA鏈間交聯(lián)DNA與蛋白質(zhì)交聯(lián)第4頁/共44頁一、DNA的自發(fā)性損傷Ecloi

錯(cuò)配10-1—10-2校正10-1０第5頁/共44頁1、脫嘌呤和脫嘧啶哺乳動(dòng)物29/cell·hr脫嘧啶脫嘌呤580/cell·hr91第6頁/共44頁2、堿基的脫氨基（次黃嘌呤）（黃嘌呤）第7頁/共44頁3、堿基的互變異構(gòu)氨基亞氨基羰基烯醇基第8頁/共44頁4、細(xì)胞正常代謝產(chǎn)物對DNA的損傷O·2H2o2·OH8-氧鳥嘌呤2-氧腺嘌呤5-羥甲基尿嘧啶第9頁/共44頁二、物理因素導(dǎo)致的DNA損傷紫外線UV：主要是形成嘧啶二聚體；電離輻射：引起DNA堿基損傷、鏈的斷裂、DNA交聯(lián)等第10頁/共44頁HNO2Nitrousacid1、亞硝酸：使胞嘧啶脫氨生在尿嘧啶，A脫氨基生成I。

三、化學(xué)因素導(dǎo)致的DNA損傷第11頁/共44頁烷化劑：①堿基烷基化；②堿基脫落；③斷鏈；④交聯(lián)單功能烷化劑：甲基磺酸甲酯雙功能烷化劑：可同時(shí)和DNA中兩個(gè)不同的親核位點(diǎn)反應(yīng)DNA鏈內(nèi)交聯(lián)DNA鏈間交聯(lián)2、烷化劑導(dǎo)致的DNA損傷第12頁/共44頁3、堿基類似物：結(jié)構(gòu)與堿基相似，可改變堿基配對特性的正常堿基衍生物或人工合成的化合物。如：5-溴尿嘧啶（與A或G配對）、2-氨基嘌呤（與T或C配對）第13頁/共44頁DNA損傷的后果：①點(diǎn)突變、②缺失、③插入、④倒位或轉(zhuǎn)位、⑤雙鏈斷裂對生物可能產(chǎn)生4種后果：①致死性；②喪失某些功能；③改變基因型而不改變表現(xiàn)型；④發(fā)生了有利于物種生存的結(jié)果，使生物進(jìn)化。第14頁/共44頁第二節(jié)DNA損傷的修復(fù)DNA損傷的修復(fù)：是指DNA受到損傷后，細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的使DNA的化學(xué)組成和核苷酸序列重新恢復(fù)或使細(xì)胞對DNA損傷產(chǎn)生耐受的一系列反應(yīng)。DNA是細(xì)胞中唯一具修復(fù)系統(tǒng)的生物大分子。第15頁/共44頁一、直接修復(fù)直接修復(fù)：指的是不需要移去任何堿基或核苷酸就可以將損傷逆轉(zhuǎn)到正常狀態(tài)的修復(fù)機(jī)制。是生物體內(nèi)最簡單的修復(fù)方式，屬于無差錯(cuò)直接修復(fù)。第16頁/共44頁（1）光修復(fù)或光復(fù)活：光修復(fù)：利用可見光能量將DNA中的嘧啶二聚體通過光解作用恢復(fù)為單體，從而恢復(fù)DNA正常結(jié)構(gòu)的DNA修復(fù)過程。這是最早發(fā)現(xiàn)的DNA修復(fù)方式。DNA中的嘧啶二聚體可通過可見光(300～600nm)的光解作用而恢復(fù)為單體。催化這一過程的酶為光復(fù)活酶或光裂合酶。第17頁/共44頁基本步驟如圖所示：①此酶能特異性識別紫外線造成的核酸鏈上相鄰嘧啶共價(jià)結(jié)合的二聚體，并與其結(jié)合，這步反應(yīng)不需要光；②結(jié)合后如受300-600nm波長的光照射，則光復(fù)活酶就被激活，將二聚體分解為兩個(gè)正常的嘧啶單體，③然后酶從DNA鏈上釋放，DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)。第18頁/共44頁（2）斷裂鏈的重接DNA單鏈斷裂是常見的損傷，其中一部分可僅由DNA連接酶參與而完全修復(fù)。此酶在各類生物各種細(xì)胞中都普遍存在，修復(fù)反應(yīng)容易進(jìn)行。但雙鏈斷裂缺幾乎不能修復(fù)。第19頁/共44頁（3）直接插入嘌呤DNA鏈上嘌呤的脫落造成無嘌呤位點(diǎn)，能被DNA嘌呤插入酶識別結(jié)合，在K+存在的條件下，催化游離嘌呤或脫氧嘌呤核苷插入生成糖苷鍵，且催化插入的堿基有高度專一性、與另一條鏈上的堿基嚴(yán)格配對，使DNA完全恢復(fù)。第20頁/共44頁（4）烷基的轉(zhuǎn)移修復(fù)在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)有一種O6甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶，能直接將甲基從DNA鏈鳥嘌呤O6位上的甲基移到蛋白質(zhì)的半胱氨酸殘基上而修復(fù)損傷的DNA。這個(gè)酶的修復(fù)能力并不很強(qiáng)，但在低劑量烷化劑作用下能誘導(dǎo)出此酶的修復(fù)活性。第21頁/共44頁二、切除修復(fù)：

切除修復(fù)：指在一系列酶的作用下，將DNA分子中受損傷部分切除，然后以另一條完整的互補(bǔ)鏈為模板，重新合成切去的部分，使DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)的過程。第22頁/共44頁修復(fù)的基本步驟：識別——切除——修補(bǔ)——連接修復(fù)過程中需要多種酶；修復(fù)主要有兩種方式：堿基切除修復(fù)和核苷酸切除修復(fù)。第23頁/共44頁基本步驟如圖所示：①首先由核酸酶識別DNA的損傷位點(diǎn)，在損傷部位的5’側(cè)切開磷酸二酯鍵。②由5’—3’核酸外切酶將有損傷的DNA片段切除。③在DNA聚合酶的催化下，以完整的互補(bǔ)鏈為模板，按5’—3’方向DNA鏈，填補(bǔ)已切除的空隙。④由DNA連接酶將新合成的DNA片段與原來的DNA斷鏈連接起來。第24頁/共44頁三、錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)：按模板的遺傳信息來修復(fù)錯(cuò)配堿基的修復(fù)方式。錯(cuò)配堿基的修復(fù)會(huì)使復(fù)制的保真性提高102～103倍?，F(xiàn)已在大腸桿菌、酵母和哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了這一系統(tǒng)。第25頁/共44頁修復(fù)時(shí)首先要區(qū)別模板鏈和新合成的DNA鏈，這是通過堿基的甲基化來實(shí)現(xiàn)的。半甲基化DNA成為識別模板鏈和新合成鏈的基礎(chǔ)。錯(cuò)配修復(fù)發(fā)生在GATC的鄰近處，故這種修復(fù)也稱為甲基指導(dǎo)的錯(cuò)配修復(fù)。錯(cuò)配修復(fù)機(jī)制目前還不完全清楚。所有錯(cuò)配都可由這一系統(tǒng)修復(fù)，但其中以G－T錯(cuò)配修復(fù)更為有效，C－C錯(cuò)配的修復(fù)為弱。第26頁/共44頁GATCsequencesaretargetsfortheDammethylaseafterreplication.Duringtheperiodbeforethismethylationoccurs,thenonmethylatedstrandisthetargetforrepairofmismatchedbases.mismatchrepair第27頁/共44頁四、復(fù)制后修復(fù)在DNA損傷未被切除或修復(fù)的情況下使細(xì)胞恢復(fù)DNA復(fù)制，等到復(fù)制完成后再通過其他機(jī)理修復(fù)殘留的損傷，這種修復(fù)方式稱為復(fù)制后修復(fù)。第28頁/共44頁受損傷的DNA鏈復(fù)制時(shí)，產(chǎn)生的子代DNA在損傷的對應(yīng)部位出現(xiàn)缺口。完整的另一條母鏈DNA與有缺口的子鏈DNA進(jìn)行重組交換，將母鏈DNA上相應(yīng)的片段填補(bǔ)子鏈缺口處，而母鏈DNA出現(xiàn)缺口。以另一條子鏈DNA為模板，經(jīng)DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填補(bǔ)母鏈DNA的缺口，最后由DNA連接酶連接，完成修補(bǔ)。第29頁/共44頁重組修復(fù)不能完全去除損傷，損傷的DNA段落仍然保留在親代DNA鏈上，只是重組修復(fù)后合成的DNA分子是不帶有損傷的，但經(jīng)多次復(fù)制后，損傷就被“沖淡”了，在子代細(xì)胞中只有一個(gè)細(xì)胞是帶有損傷DNA的。第30頁/共44頁五、SOS修復(fù)“SOS”是國際上通用的緊急呼救信號。SOS修復(fù)～是指DNA受到嚴(yán)重?fù)p傷或復(fù)制系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下細(xì)胞所采取的一種DNA修復(fù)方式。第31頁/共44頁當(dāng)DNA兩條鏈的損傷鄰近時(shí)，損傷不能被切除修復(fù)或重組修復(fù)。誘導(dǎo)產(chǎn)生一整套特殊DNA聚合酶──SOS修復(fù)酶類，催化空缺部位DNA的合成，補(bǔ)上去的核苷酸幾乎是隨機(jī)的，終于保持了DNA雙鏈的完整性，使細(xì)胞得以生存。但這種修復(fù)帶給細(xì)胞很高的突變率。第32頁/共44頁第三節(jié)基因突變與生物進(jìn)化基因突變：DNA分子堿基序列水平上發(fā)生的永久、可遺傳的變化。人類遺傳性疾病已發(fā)現(xiàn)4000多種，其中不少與DNA修復(fù)缺陷有關(guān)，這些DNA修復(fù)缺陷的細(xì)胞表現(xiàn)出對輻射和致癌劑的敏感性增加。第33頁/共44頁基因突變輕為有害或有利不利于生存和發(fā)育致死有利生存和發(fā)育生物學(xué)效應(yīng)生物群體的遺傳多樣性遺傳性疾病促進(jìn)生物進(jìn)化生物個(gè)體發(fā)育過程中死亡第34頁/共44頁3.1突變的類型1、堿基對的置換（substitution）轉(zhuǎn)換(Transition)：最普通的一種點(diǎn)突變，指一種嘧啶被另一種嘧啶代替，一種嘌呤被另一種嘌呤代替。使GC對被AT對替換，或者相反。

顛換(Transversion)：另一種不常見的點(diǎn)突變，嘌呤被嘧啶代替或者相反，如AT對變成了TA、CG對。2、移碼突變（frameshiftmutation）由堿基的缺失或插入造成。Note:突變集中在熱點(diǎn)區(qū)域。第35頁/共44頁

DNA突變的類型

-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-轉(zhuǎn)換

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-顛換堿基對的置換(substitution)移碼突變(framesshiftmutation)第36頁/共44頁堿基置換突變：（1）同義突變：沉默突變突變發(fā)生在密碼子的第三位堿基位置，但所編碼的氨基酸并沒改變，這種突變稱同義突變。第37頁/共44頁(2)、錯(cuò)義突變基因編碼序列中堿基的置換發(fā)生在密碼子的第1或第2位堿基，導(dǎo)致密碼子改變，并編碼另一種氨基酸，這種突變稱錯(cuò)義突變。第38頁/共44頁(3)、無義突變：指基因編碼序列中堿基置換使氨基酸密碼子轉(zhuǎn)變?yōu)榻K止密碼子的突變稱為無義突變。第39頁/共44頁（4）、終止密碼子突變指基因的終止密碼子發(fā)生堿基的置換轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N氨基酸密碼子，致使轉(zhuǎn)錄和翻譯過程不能正常終止，形成異常蛋白質(zhì)的突變稱終止密碼子突變。第40頁/共44頁（5）、起始密碼子突變指基因中起始密碼子被置換，導(dǎo)致不能正常轉(zhuǎn)錄和翻譯，無表達(dá)產(chǎn)物的突變稱起始密碼子突變。第41頁/共44頁二、突變的意義1、突變是進(jìn)化的分子基