dna損傷與修復(fù)

1、DNA損傷：在生物體生命過程中DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生的任何改變。內(nèi)源因素：DNA復(fù)制錯誤、細胞代謝活動產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)（如自由基、烷化劑）的攻擊。外源因素：紫外線、放射線、污染物、香煙燃燒剩余物和病毒等。,第五章 DNA的損傷、修復(fù)和基因突變,DNA存儲著生物體賴以生存和繁衍的遺傳信息，維護DNA分子的完整性對細胞至關(guān)緊要；修復(fù)DNA損傷的能力是生物能保持遺傳穩(wěn)定性所在；DNA分子的變化并不是全部都能被修復(fù)成原樣的，因此生物才會有變

2、異、有進化,,。,DNA損傷修復(fù)的重要性,第一節(jié) 基因結(jié)構(gòu)異常的分子機制,一、DNA一級結(jié)構(gòu)變異的分子機制,DNA一級結(jié)構(gòu)改變的主要原因 引起DNA一級結(jié)構(gòu)改變的原因主要有兩類： 一類是復(fù)制時堿基的偶然性錯配，由此引起的突變稱為自發(fā)性突變（spontaneous mutation）。這種突變頻率極低，約為10-9，即每合成109核苷酸可能會有一次堿基與模板不相配的錯誤。 另一類是體內(nèi)代謝過程中產(chǎn)

3、生的自由基由某些環(huán)境因素引起的DNA一級結(jié)構(gòu)改變，由此引起的突變稱為誘發(fā)突變（induced mutagenesis）。,（一）誘發(fā)因素,能引起突變的理化因素或物質(zhì)稱為誘變劑（mutagen），主要有以下一些類型：1、堿基和核苷酸類似物，如5-氟尿嘧啶（5-Fu）、6-巰基嘌呤（6-MP）等。2、烷化劑，如氮芥、環(huán)磷酰胺。3、抗生素類，如放線菌素D、絲裂霉素、博來霉素 等。4、染色劑，如吖啶黃、二氨基吖啶等。5、亞硝酸鹽。

4、6、電離輻射和紫外線照射。,（二）誘變劑的作用機制,1、堿基類似物誘發(fā)突變 堿基和核苷酸類似物，如5-氟尿嘧啶（5-Fu）、6-巰基嘌呤（6-MP），能取代正常的堿基而摻入到DNA當中去，并通過互變異構(gòu)引起復(fù)制錯誤，或摻入到RNA影響RNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯。,2、烷化劑引起染色體損傷 烷化劑，如氮芥和環(huán)磷酰胺的分子有一個或多個活性烷基，可使DNA分子中的鳥嘌呤N7烷化后除去，留下缺失堿基后的空隙。,如：甲基磺酸乙酯

5、[EMS，CH3SO2(OC2H5)] 硫酸二乙酯 [DES，SO2(OC2H5)2]EMS、MMS等烷化劑都帶有1個或多個活潑的烷基，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(jié)合能力,3、抗生素類，使DNA失去模板作用 抗生素類，如放線菌素D、絲裂霉素和博來霉素能與DNA上脫氧鳥苷形成復(fù)合物，使DNA失去模板作用，抑制DNA聚合酶。,絲裂霉素為細胞毒藥物，在DNA的兩條鏈之間形成共價鍵，使雙鏈不

6、能分開。這種作用效應(yīng)是不可逆的，具殺菌作用。但是由于缺乏選擇性，其毒性很大，不能用作抗微生物劑，但作為抗腫瘤劑。,4、染色劑與雙螺旋結(jié)合，引起DNA變構(gòu) 染色劑，如吖啶黃和二氨基吖啶，通過與雙螺旋結(jié)合引起DNA變構(gòu)，并激活修復(fù)性核酸內(nèi)切酶，影響DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。,5、亞硝酸鹽可以除去DNA分子堿基上的氨基基團 亞硝酸鹽可以除去DNA中任何一個帶有氨基基團的堿基上氨基基團，使DNA上堿基脫氨，則C、A、G變成U

7、、H（次黃嘌呤）、X（黃嘌呤），導(dǎo)致復(fù)制轉(zhuǎn)錄中堿基配對錯誤。,6、電離輻射和紫外線照射 電離輻射可導(dǎo)致DNA鏈的斷裂；紫外線照射引起兩個相鄰堿基之間發(fā)生二聚化，尤其是相鄰胸腺嘧啶之間形成T-T交聯(lián)，阻礙復(fù)制與轉(zhuǎn)錄。,二、突變類型及其遺傳效應(yīng),（一）突變類型,根據(jù)DNA分子的改變，突變可以分為四類 1、點突變 DNA大分子一個堿基的變異，又可以分為轉(zhuǎn)換和顛換兩種，嘌呤取代嘌呤，嘧啶取代嘧啶稱為轉(zhuǎn)換（transitio

8、n），有4種轉(zhuǎn)換形式，即A→G、G→A、T→C、C→T。嘌呤取代嘧啶或嘧啶取代嘌呤稱為顛換（transversion），有8種顛換形式。 2、缺失 一個堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失。 3、插入 一個原來沒有的堿基或一段原來沒有的核苷酸鏈插入DNA大分子中間。 4、倒位 DNA鏈內(nèi)重組，使其中一段方向反置。,（二）突變的遺傳效應(yīng),1、遺傳密碼的改變 從DNA堿基序列改變多少可以分成單點突

9、變和多點突變。 從對閱讀框的影響來看，如果插入或缺失1個或2個堿基，可以改變閱讀框架，這種突變往往是致死的。如果缺失或插入3個堿基，則閱讀框架不變，其產(chǎn)物常常有活性或有部分活性。 從對遺傳信息改變來看，點突變中堿基替代突變可以分成同義突變、錯義突變和無義突變。 （1）同義突變（same sense mutation）是指沒有改變產(chǎn)物氨基酸序列的密碼子變化，不影響蛋白質(zhì)表型。 （2）

10、錯義突變（missense mutation）則引起了產(chǎn)物氨基酸序列的改變。 （3）無義突變（nonsense mutation）是指某個堿基改變使代表某種氨基酸的密碼子變?yōu)榈鞍踪|(zhì)合成的終止密碼子。無義突變還可以由移框突變、插入突變和缺失突變造成。,2、對mRNA剪接的影響 如果點突變發(fā)生在內(nèi)含子的剪接位點，可以產(chǎn)生兩種影響 （1）使原有的剪接位點消失； （2）產(chǎn)生新的剪接位點。 無論是哪一種形式，都可以導(dǎo)致

11、mRNA的錯誤剪接，產(chǎn)生異常的mRNA。最終產(chǎn)生異常的表達產(chǎn)物。數(shù)個堿基缺失，片斷缺失均有可能造成剪接位點的缺失。 3、蛋白質(zhì)肽鏈中的片斷缺失（1）無義突變和DNA片斷的缺失都可以導(dǎo)致肽鏈中的片斷缺失，致使基因編碼的蛋白質(zhì)失去原有的功能。（2）移碼突變不僅使翻譯后的肽鏈中氨基酸序列發(fā)生改變，而且也導(dǎo)致肽鏈中的大片斷缺失。因為移碼使閱讀框發(fā)生改變后，在結(jié)構(gòu)基因中往往出現(xiàn)多個終止密碼子，無法翻譯出全長的肽鏈。,,,,,,損傷的DNA可

12、以修復(fù),直接修復(fù)：如光復(fù)活酶,普遍存在在生物機體中,可以把嘧啶二聚體恢復(fù)正常狀態(tài)。切除修復(fù)：找出損傷位置并切除，進行修復(fù)合成并連接。重組修復(fù)： 先復(fù)制再修復(fù)。子代鏈在對應(yīng)模板鏈的損傷 處留下缺口，先將同源母鏈DNA上相應(yīng)的核苷酸片段轉(zhuǎn)移替補，然后再合成一段序列填充缺口。SOS系統(tǒng)：復(fù)雜的應(yīng)急反應(yīng)。既有避免差錯的修復(fù)又有引起差錯的修復(fù)，后者有高變異率但也增加了生存機會。,,DNA損傷的修復(fù)：是對已發(fā)生分子改變的補償措施，使其回復(fù)為

13、原來的天然狀態(tài)。,第二節(jié) DNA的修復(fù),切除修復(fù),重組修復(fù),,,脫嘌呤、脫氨和形成胸腺嘧啶二聚體都可能造成DNA損傷 DNA損傷常見形式是通過N-糖苷鍵的水解，鳥嘌呤或腺嘌呤的自發(fā)脫嘌呤作用形成脫氧核糖。據(jù)估計人體內(nèi)細胞中每天每109堿基對就有多達103堿基對發(fā)生脫嘌呤。另一種類型損傷是胞嘧啶脫氨形成尿嘧啶，如果不能校正，在DNA復(fù)制后，一個C-G堿基對就將變成一個A-T堿基對了。,胞嘧啶脫氨如不校正將導(dǎo)致： G

14、-C突變?yōu)锳-T,C,U,U A,紫外線和離子輻射誘導(dǎo)有可能形成胸腺嘧啶二聚體。一個胸腺嘧啶的C-5、C-6與相鄰胸腺嘧啶上同樣位置的碳之間形成一個環(huán)丁基環(huán)，結(jié)果使得DNA骨架的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，有可能引起與互補鏈上的相應(yīng)的腺嘌呤殘基之間的氫鍵斷裂。,胸腺嘧啶形成的示意圖,在E.coli中存在4種基本的修復(fù)系統(tǒng) E.coli中存在的4種基本類型的DNA修復(fù)系統(tǒng)：直接修復(fù)，核苷酸切除修復(fù)、堿基切除修復(fù)和錯配修復(fù)。1.直接修復(fù)

15、 某些損傷的核苷酸和錯配的堿基可以被某些蛋白質(zhì)識別和修復(fù)。他們不切斷DNA或切除堿基而是直接實施修復(fù)，這樣的損傷修復(fù)機制稱為直接修復(fù)。 DNA損傷之一的胸腺嘧啶二聚體可以通過直接修復(fù)機制修復(fù)。胸腺嘧啶二聚體是紫外線輻射造成的，光激活酶可以結(jié)合胸腺嘧啶二聚體引起的扭曲了的雙螺旋部位。在可見光存在下，光激活酶催化兩個胸腺嘧啶堿基再生，正常的A-T堿基對重新形成，然后光復(fù)活酶從已修復(fù)好的DNA上脫落。,光修復(fù)（light rep

16、airing）,通過光復(fù)活酶修復(fù)胸腺嘧啶二聚體的過程,胸腺嘧啶二聚體其他兩種修復(fù)策略（暗修復(fù)+重組修復(fù)）,A. 核苷酸切除修復(fù) 修復(fù)酶是由基因uvrA、uvrB和uvrC分別編碼的三個亞基組成的，所以該酶又稱為ABC切除核酸酶。 首先ABC切除核酸酶從損傷部位的兩側(cè)切去含有損傷的DNA鏈，結(jié)果都出現(xiàn)一個單鏈缺口。然后在DNA聚合酶催化下按照互補鏈填充缺口，切口最后通過DNA連接酶連接。,2、切除修復(fù)（excision

17、repairing）,,(1)由特異內(nèi)切核酸酶識別損傷，并在損傷前的糖—磷酸骨架上切開一個裂口。裂口處有3‘-OH和含有損傷區(qū)的5’端。 (2)DNA聚合酶以3‘-OH為引物，以另一條完好的互補鏈為模板進行修復(fù)，合成一段新片段 (3)損傷區(qū)被DNA聚合酶的5‘-3‘外切酶活性作用切除。 (4)新合成的DNA片段和原存在的DNA部分由連接酶催化相連。,是一種多酶的催化過程，包括4個步驟：,參與的酶有 核酸內(nèi)切

18、酶，DNApolⅠ　,DNA連接酶,,B. 堿基切除修復(fù) DNA糖基化酶是一個能識別DNA中象尿嘧啶、次黃嘌呤和黃嘌呤那樣的不正確堿基的酶，這些堿基都是由胞嘧啶、腺嘌呤和鳥嘌呤分別脫氨形成的。這樣變型的堿基可以通過DNA糖基化酶切斷N-糖苷鍵除去，這樣一來在DNA中制造了脫嘌呤或脫嘧啶的部位，通常將這樣的部位稱之AP位點。 每種DNA糖基化酶通常對一種類型的堿基損傷特異。例如尿嘧啶糖基化酶就可以除

19、去由于胞嘧啶脫氨形成的尿嘧啶，形成一個AP位點。然后一個稱為AP內(nèi)切核酸酶切去含有AP位點的脫氧核糖-5-磷酸，出現(xiàn)一個核苷酸空隙。然后在DNA聚合酶作用下重新放置一個正確的核苷酸，最后通過DNA連接酶將切口封閉。,尿嘧啶糖基化酶系統(tǒng)的修復(fù)過程,3. 錯配修復(fù) 偶爾錯誤的DNA復(fù)制會導(dǎo)致新合成的鏈與模板鏈之間的一個錯誤的堿基配對。這樣的錯誤可以通過E.coli中的3個蛋白質(zhì)（MutS、MutH和MutL）校正。該修復(fù)系統(tǒng)只能校正

20、新合成的DNA，其主要依據(jù)是新合成的鏈中GATC序列中的A（腺苷酸殘基）開始未被甲基化。GATC中A甲基化與否常用來區(qū)別新合成的鏈（未甲基化）和模板鏈（甲基化）。這一區(qū)別很重要，因為修復(fù)酶需要識別兩個核苷酸殘基中的哪一個是錯配的，否則如果將正確的核苷酸除去就會導(dǎo)致突變。未甲基化的GATC序列不需要緊靠著錯配堿基，因為錯配堿基與GATC序列之間的間隔的DNA序列可以被外切核酸酶切除，是從3ˊ還是從5ˊ方向切除取決于不正確堿基的相對位置。,

21、錯配修復(fù),4.重組修復(fù),,,,,RecA,DNA pol,,切除修復(fù),重組修復(fù)：,☆ DNA于復(fù)制時會越過受損區(qū)域進行復(fù)制,☆ 經(jīng)重組修復(fù)，受損的DNA仍然存在于子代的一個細胞中。,☆ 重組修復(fù)不會浪費時間， 重組修復(fù)可讓負傷的DNA在細胞中仍可照常進行分裂。,5.SOS修復(fù)：前面介紹的DNA損傷修復(fù)功能可以不經(jīng)誘導(dǎo)而產(chǎn)生，然而許多能造成DNA損傷或抑制復(fù)制的處理均能引起一系列復(fù)雜的誘導(dǎo)效應(yīng)，稱為應(yīng)急反應(yīng)（SOS response）

22、。SOS反應(yīng)包括誘導(dǎo)出現(xiàn)的DNA損傷修復(fù)效應(yīng)、誘變效應(yīng)、細胞分裂的抑制以及溶原性細菌釋放噬菌體等。細胞的癌變也可能與SOS反應(yīng)有關(guān)。 SOS反應(yīng)是細胞DNA受到損傷或復(fù)制系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下，為求得生存而出現(xiàn)的應(yīng)急反應(yīng)。SOS反應(yīng)誘導(dǎo)的修復(fù)系統(tǒng)包括避免差錯的修復(fù)（error free repair）和傾向差錯的修復(fù)（error prone repair）兩類。光復(fù)活、切除修復(fù)能夠識別DNA的損傷或錯配堿基而加以消除，在它們的

23、修復(fù)過程中并不引入錯配堿基，因此屬于避免差錯的修復(fù)。SOS修復(fù)能誘導(dǎo)切除修復(fù)和重組修復(fù)中某些關(guān)鍵酶和蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，使這些酶和蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)的含量升高，從而加強切除修復(fù)和重組修復(fù)的能力。此外，SOS反應(yīng)還能誘導(dǎo)產(chǎn)生缺乏校對功能的DNA聚合酶，它能在DNA損傷部位進行復(fù)制而避免了死亡，可是卻帶來了高的變異率。SOS的誘變效應(yīng)與此有關(guān)。,SOS 修復(fù),Irradiation of bacteria before virus infection

24、 enhanced repair of damaged viral genes but led to mutations.,,,UV,,UV’d T4 phage,E. coli,,Few surviving phage,,,UV’d T4 phage,E. coli,,Higher frequency of surviving phage, but many mutants.,SOS 修復(fù)誘導(dǎo) DNA 聚合酶活性,LexA (一種D

25、NA結(jié)合抑制蛋白), umuC 和 umuD, 編碼 DNA聚合酶活性,允許復(fù)制跨過 損傷位點, 常插入一個或幾個 A堿基.,AGCTAGTCAT/TCAGTC,AGCTAGTCAT/TCAGTCTCGATCANNNNGTCAG,,Replication stopsat T/T dimer,Error-prone polymerase allowsreplication to proceed, albeit inaccurat

26、ely,SOS response:,,,,,RecA-P的三種功能,當DNA復(fù)制受阻/ DNA damaged,當DNA復(fù)制度過難關(guān)后,SOS反應(yīng)廣泛存在于原核生物和真核生物，它是生物在不利環(huán)境中求得生存的一種基本功能。SOS反應(yīng)主要包括兩個方面：DNA修復(fù)和導(dǎo)致變異。在一般環(huán)境中突變常是不利的，可是在DNA受到損傷和修復(fù)被抑制的特殊條件下，生物發(fā)生突變將是有利于它的生存。因此SOS反應(yīng)可能在生物進化中起著重要作用。然而在另一方面，大多