分子生物學第五章DNA的損傷修復和突變

分子生物學第五章DNA的損傷修復和突變第一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)突變類型第五節(jié)回復突變(抑制突變)第六節(jié)突變劑和突變生成

概述：損傷因素及其類型第一節(jié)復制過程中的錯配修復第二節(jié)損傷修復第三節(jié)限制和修飾第二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五

引起損傷的因素:?自發(fā)性損傷(復制中的損傷、堿基的自發(fā)性化學改變、自發(fā)脫堿基、細胞的代謝產(chǎn)物對DNA的損傷)?物理因素引起的損傷(電離輻射、紫外線)?化學因素引起的損傷（烷化劑、堿基類似物）引起損傷的類型：堿基脫落、堿基（或核苷）改變、錯誤堿基（堿基的取代）、堿基的插入或缺失、鏈的斷裂、鏈交聯(lián)（鏈內(nèi)、鏈間）、嘧啶二聚體等等第三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五

廣義的修復系統(tǒng)：?DNA聚合酶的校對功能(復制的范疇)?尿嘧啶-N-糖苷酶修復系統(tǒng)

（復制時U的滲入、C脫氨氧化成U）?錯配修復系統(tǒng)?損傷修復系統(tǒng)(光復活、重組修復、SOS修復等)

★限制修飾系統(tǒng)-----對付外源DNA的入侵第四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)復制過程中的錯配修復第五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五DNAmismatch+-----A------------C---DNApol(ξ=10-8)經(jīng)第二次校正ξ=10-11錯配修復系統(tǒng)(MRSMismatchRepairSystem)1、錯配修復堿基來源：校正活性所漏校的堿基使復制的保真性提高102～103倍第六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五2、錯配修復系統(tǒng)（Mismatchrepairsystem）DNApolymeraseHelicaseSSB外切核酸酶(Ⅰ和Ⅶ)連接酶MCE(mismatchcorrectenzyme)3subunitsmutH,L,SdamgeneDNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)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

（1）組成第七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五★DNA合成過程中的甲基化變化DNA中的GATC(palindromicseq.)為m6A甲基化敏感位點平均每2kb左右有一GATCseq.錯配修復系統(tǒng)受甲基化的引導第八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五

甲基化程度的差異a、MutH/MutS

掃描識別錯配堿基和鄰近的GATC序列

切點－－甲基化GATC中

G的5’側(cè)DNAhelicaseII,SSB,exonucleaseI去除包括錯配堿基的片段DNApolymeraseIII和

DNAligase填充缺口昂貴的代價用于保證DNA的準確性（2）修復過程第九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五外切核酸酶Ⅰ切割切點的5’端（錯配堿基在切點的5’端）

----------------Ⅶ----------------3’端（--------------------------3’端）第十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五3、尿嘧啶-N-糖苷酶系統(tǒng)(ungsystem

)修復尿嘧啶的來源：dUTP的滲入胞嘧啶的自發(fā)脫氨氧化第十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五DNA糖苷酶(glycosylase)能識別DNA受損核酸位點，特異性切開受損核苷酸上的糖苷鍵，在DNA鏈上形成去嘌呤或去嘧啶位點，稱為AP位點。DNA分子中一旦產(chǎn)生了AP位點，AP核酸內(nèi)切酶就會切開Ap位點附近的磷酸二酯鍵，并移去包括AP位點核苷酸在內(nèi)的小片段DNA。第十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五---TAGC------ATCG------TAGC------ACG---U---TAGC---ung-ase

①GCUAU---TAGC------ACG---AP內(nèi)切酶(Apurinase)②---TAGC------ATCG---DNApolLigase

③第十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五

第二節(jié)DNA損傷的修復第十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五一、嘧啶二聚體的產(chǎn)生

類型：TT二聚體（）、CC二聚體（）、

CT二聚體（）（P131頁）TTCCCT相鄰的胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚體CCCCCCCC第十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五第十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五PR1、光復活（photoreactivation）直接修復----TT--------AA--------TT--------AA--------TT--------AA--------TT--------AA----

復制前、不容易出錯400nm藍光、PR酶

(photo-reactivationenzyme)

光敏裂合酶（photolyase）可見光激活

二、二聚體修復的機制第十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五2.切除修復

復制前進行不易出錯

堿基切除修復核苷酸切除修復堿基切除修復(BaseExcisionRepairBER)DNA糖苷酶(glycosylase)識別損傷堿基并切開糖苷鍵Ap內(nèi)切酶切開Ap位點附近的磷酸二酯鍵DNAPolI除去DNA鏈的損傷部分(5’3’外切)并合成連接酶封閉第十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五核苷酸切除修復UvrABC核酸切割酶原核生物

12-13個核苷酸真核生物

27-29個核苷酸

DNApolΙLigase(NucleotideExcisionRepairNER)第十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五★Rec-A.gene

以某種方式參與DNA損傷修復?Rec修復系統(tǒng)比切除修復系統(tǒng)更有效

目前知道?Uvr系統(tǒng)負責切除二聚體?Rec系統(tǒng)負責消除沒有被切除的二聚體可能造成的后果3.重組修復（Recombinative—Repair）復制后修復、E.coli的挽回系統(tǒng)第二十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五TTTTAAAATTTTTTTTAAAATTTT變性

E.coli(Rec-A,uvr-a-)D.S.DNAS.S.DNAU.V.復制提取變性復制過程越過二聚體而在相應新鏈上留下缺口★二聚體后起始★修復時期的證明第二十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五●與Rec-A蛋白引起的重組(strandtransfer)有關(guān)●TTdimer未被修復，僅表現(xiàn)在后代群體中TTdimer

濃度的稀釋●鏈的非準確轉(zhuǎn)移，導致突變機率的增加修復相關(guān)機制:第二十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五

重組修復

(鏈轉(zhuǎn)移修復)

復制后修復容易出錯RecA,DNApolymeraeligase二聚體后起始RecA

聚合酶、連接酶重組修復后的損傷位點可由其它機制進一步修復第二十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五4.易錯修復（SOS修復SOSrepair）E.coliE.coliE.coliλ

8010100mut.100%50%10%

損壞的噬菌體DNA在E.coliA被修復

E.coli

的SOS修復能被U.V.誘導(A)SOS修復過程有非常高的突變頻率(易出錯)ABCUV復活或W復活（JeanWeigh）（1）實驗證據(jù)第二十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五（2）SOS修復機制SOS修復－－無模板指導的DNA復制

大劑量的紫外線照射，大量的二聚體產(chǎn)生SOS系統(tǒng)誘導，錯誤潛伏的復制超越二聚體而進行錯誤堿基第二十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五SOS修復只是SOS反應的一部分RecA在SOS反應反應中起核心作用RecA與LexA組成調(diào)控環(huán)路DNA損傷

SOSRecA受LexA的部分抑制第二十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五RecA-P;三種功能a、DNA重組活性b、與S.S.DNA結(jié)合活性c、少數(shù)蛋白的proteinase活性當DNA正常復制時（無復制受阻，無DNA損傷，無TTdimer）RecA-p不表現(xiàn)proteinase活性第二十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五當DNA復制受阻/DNAdamaged細胞內(nèi)原少量表達的RecA-p與S.S,DNA結(jié)合激活RecA-p的proteinase活性修復損傷LexA-p降解RecA-p高效表達SOSopen第二十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五當DNA復制度過難關(guān)后SOSrepair是一種錯誤傾向性極強的修復機制是進化中形成的“竭盡全力，治病救人”的措施（正常狀態(tài)下，SOS是關(guān)閉的）RecA-p很快消失LexAgeneonSOSoff第二十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)限制和修飾第三十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五1、限制－修飾現(xiàn)象(restrictionandmodificaion)50年代初Luria（T偶數(shù)噬菌體）Bertani（λ）

Weigle（P2噬菌體）第三十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五結(jié)論：?菌體限制修飾系統(tǒng)中的限制性內(nèi)切酶能將外來DNA切斷?菌體本身的DNA可受甲基化酶的保護

兩者稱為限制-修飾作用

*E.coliK菌株和B菌株各有自己的限制修飾系統(tǒng)*E.coliC菌株沒有細菌借助于限制-修飾系統(tǒng)來區(qū)別自己DNA和外源DNA第三十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五

自己DNA:限制模式相同的DNA

同株系的不同個體DNA、寄生于其中的質(zhì)粒和噬菌體居民DNA(residentDNA)：同一個細胞內(nèi)的不同類型的DNA，包括細胞DNA，質(zhì)粒DNA，噬菌體DNA等第三十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五2、限制－修飾系統(tǒng)

根據(jù)其特征分為三大類第三十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)突變類型

第三十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五

●染色體突變（Chromosomemutation

）chromosomenumber

chromosomestructure

●核苷酸突變（dNtpointmutation）

突變(mutation)：可以通過復制而遺傳的DNA結(jié)構(gòu)的任何永久性改變遺傳狀態(tài)第三十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五

突變體(mutant)：攜帶突變的生物個體或群體或株系

突變基因(mutantgene):存在突變位點的基因野生型基因（wildtypegene）：表示方法表現(xiàn)型Arg+Arg-

基因型arg+arg-

野生型正性狀第三十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五1、從突變作用來源上定義自發(fā)突變－－自然界的突變劑或偶然復制錯誤誘變－－人為使用突變劑★

堿基異構(gòu)式引起DNA復制過程的錯誤-----自發(fā)突變

堿基異構(gòu)式

A(amino氨基)A(imino亞氨基)

C(a)C(i)

G(keto酮式)G(enol烯醇式)

G(k)

G(e,i)

T(keto)

T(enol-2’)orT(enol-4’)

第三十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五堿基異構(gòu)式引起DNA復制的錯配

G(k)C(a)

正確配對A(a)

T(k)

錯誤配對G(k)T(e)

A(a)

C(i)

A(i,anti)A(a,syn)A(i,anti)G(k,syn)

G(e,i,anti)G(k,syn)G(e,i,anti)A(a,syn)

A(i)

C(a)

G(e)

T(k)

第三十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五A(a)

T(k)

A(a,anti)

T(k,anti)

C(i)

C(a,anti)

A(a)

A(i,anti)

堿基異構(gòu)式引起DNA的錯配突變

C(i)

C(a)G(k,syn)

G(k,syn)

G(k,anti)G(k)第四十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五2、從序列改變多少上定義單點突變(pointmutation)(點突變)

多點突變(multiplemutation)點突變－－－堿基替代、堿基插入、堿基缺失●堿基替代（conversion）轉(zhuǎn)換(transition)PyPy

Pu

Pu

顛換(transvertion)

Py

Pu

第四十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五●核苷酸缺失或插入（dNtdeletionorinsertion

）=3xdNt

±nxAminoacid

=3xdNt

移框（Framshift

）

移框突變（frameshiftmutation）:一個或兩個堿基的插入或缺失，或扁平堿性染料分子的插入會使DNA的閱讀框架（讀碼框）發(fā)生改變3、從對閱讀框的影響上定義移碼突變第四十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五Examplesofdeletionmutations

第四十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五4、從對遺傳信息的改變上定義（點突變）同義突變：沒有改變產(chǎn)物氨基酸序列的密碼子錯義突變：堿基序列的改變引起了氨基酸序列的改變無義突變：堿基的改變使代表某種氨基酸的密碼子變?yōu)榈鞍缀铣傻慕K止密碼子●堿基替代對遺傳信息的改變

---同義突變

GAA→GAGGlu第四十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五---錯義突變

GAA→AAALys---無義突變

GAA→TAA(stop)

無義突變類型UAA（Oc）赭石型（Ocher）UAG（Am）琥珀型（amber）UGA（Opal）乳石型（Opal）第四十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五5、從突變的表達類型上定義---非條件型突變:

---條件型突變:

突變的表現(xiàn)=突變基因型+誘導條件

（光，溫敏感不育）

6、從突變效應上定義正向突變回復突變:使突變體所失去的野生型性狀得到恢復的第二次突變真正的原位回復突變很少大部分為第二點的回復突變－－－－抑制突變第四十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五7、突變位點存在于負責基因調(diào)控的序列中

*在啟動子區(qū)域時:

啟動子上升突變:增強啟動子對轉(zhuǎn)錄的發(fā)動作用的突變啟動子下降突變:*在操作子上或調(diào)節(jié)基因上組成型突變:產(chǎn)生組成型表達方式（基因不受調(diào)控地表達）的操作子突變或調(diào)節(jié)基因的突變

突變的操作子不能被阻遏蛋白所識別調(diào)節(jié)基因突變不能產(chǎn)生有活性的阻遏蛋白

兩者之一都使結(jié)構(gòu)基因失去了負向控制

第四十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五第五節(jié)回復突變(抑制突變)第四十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五1、抑制突變發(fā)生的部位基因內(nèi)抑制突變：抑制突變發(fā)生在正向突變的基因中基因間抑制突變：抑制突變發(fā)生在正向突變基因外的其它基因中wildtypemutant(表現(xiàn)型)正向突變(lowF.)回復突變(verylowF.正向的1／10)第四十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五間接抑制突變:不恢復正向突變基因蛋白質(zhì)產(chǎn)物的功能,而是通過改變其它蛋白質(zhì)的性質(zhì)或表達水平而補償原來突變造成的缺陷,從而恢復野生型2、野生表型恢復作用的性質(zhì)直接抑制突變:通過恢復或部分恢復原來突變基因產(chǎn)物蛋白質(zhì)的功能而恢復野生表型第五十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五

3、回復突變的分子機制a)AGC(Ser)ACC(Thr)AGC(Ser)b)AGC(Ser)AGG(Arg)AGT(Ser)c)AGC(Ser)AGG(Arg)

GGG(Gly)ifSer≈Gly第五十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五

（1）基因內(nèi)抑制突變(Intragenicsuppression)第二位點引起的基因內(nèi)校正密碼子間兩次錯義突變的互補4、抑制突變的分子機制錯義突變移框突變錯義突變造成野生型表型的喪失－－－部分原因在于影響到蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)(正負電荷、疏水作用)第五十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五a、靜電作用第五十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五b、疏水作用第五十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五---UGG174----------GGA210---(w.t.)(K)(G)回復突變(C)

（G）----UGG174-----------GGA210--------UGG174----------GGA210--------UGC174-----------GAA210----活性結(jié)構(gòu)無活性結(jié)構(gòu)CA無活性結(jié)構(gòu)(K)(E)錯義突變的基因內(nèi)抑制突變第五十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五移框突變的抑制突變(基因內(nèi)第二點的插入或缺失)第五十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五（2）基因間的抑制突變無義突變---無義抑制突變錯義突變---錯義抑制突變移框突變---移框抑制突變

發(fā)生在

tRNA基因或與tRNA功能相關(guān)的基因上第五十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五a、基因間的無義抑制突變（Nonsensesuppressor）野生型UAG、UGA、UAA－－－三種無義抑制赭石型無義抑制tRNA產(chǎn)生的幾率很低，且抑制效率很低第五十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五AGAUCUArgGlyGGACCUUCUGlyCCUGlyb、基因間的錯義抑制突變(Missensesuppressor)Gly第五十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五c、基因間移框抑制突變總結(jié)：基因內(nèi)和基因間的錯義（無義）、移框抑制突變均由相應的錯義（無義）、移框突變抑制第六十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)突變類型第五節(jié)回復突變(抑制突變)第六節(jié)突變劑和突變生成

第一節(jié)復制過程中的錯配修復第二節(jié)損傷修復第三節(jié)限制和修飾第六十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五第六節(jié)突變劑和突變生成第六十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五1、堿基類似物（Baseanalog）2-氨基嘌呤2-Aminopurine5-溴尿嘧啶5-BromineUracilOOBrNH2第六十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五5-BrU:G:A

烯醇式enolBrOHHOBr

酮式KetoHOAGCTTCCTATCGAAGGATAGCTBCCTATCGAAGGAT酮式5-BrU的滲入AGCTBCCTATCGAAGGATAGCTCCCTATCGAGGGAT第二輪復制A·TG·C

轉(zhuǎn)變AGCTBCCTATCGAGGGATAGCTTCCTATCGAAGGAT第一輪復制酮式到稀醇式的轉(zhuǎn)變烯醇式滲入為G·CA·T

轉(zhuǎn)變第六十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五InDNABrU(k)>BrU(e)(正常形式)(異構(gòu)體)BrU(k)

BrU(e)難易AGGATCCT>堿基類似物產(chǎn)生的均為錯義突變第六十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五

2、堿基的化學修飾導致突變又稱化學突變劑：亞硝酸（nitrousacidHNO2）羥氨（hydroxylamineHA）甲磺酸乙酯（ethylmathanesulfonateEMS）

N-甲基-N’-硝基-N-亞硝基胍（N-mathyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidionNNG）產(chǎn)生－－－錯義突變第六十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期五NH2OH(Hydroxylamine

HA羥胺)C(i)A(a)HNHHOC(a)HAHNHHHOHNHHOHNHHOHNHHON