基因突變與dna的損傷及

1、第四章 基因突變與DNA損傷、修復,遺傳物質的結構改變而引起的遺傳 信息改變，均可稱為突變? mutation）,在復制過程中發生的DNA突變稱為DNA損傷（DNA damage）,從分子水平來看，突變就是DNA分子上堿基的改變。,在DNA復制過程中，仍難免會存在少量未被校正的差錯。此外，DNA還會受到各種物理和化學因素的損傷。這些差錯和損傷如果不被修復，將會產生嚴重的細胞學后果生物細胞中形成了多種多樣的DNA修復系統,第

2、一節　DNA的損傷,DNA損傷,正常DNA分子的化學結構與物理結構發生改變,化學結構與物理結構,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,DNA與蛋白質交聯,,一、DNA的自發性損傷,E cloi,錯配10-1—10-2,校正10-1０,,1、脫嘌呤和脫嘧啶,哺乳動物,,2、堿基的脫氨基,3、堿基的互變異構,4、細胞正常代謝產物對DNA的損傷,8-氧鳥嘌呤,2-氧腺嘌呤,5-羥甲基尿嘧啶,二、物理因素

3、導致的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交聯等,Nitrous acid,,1、亞硝酸：使胞嘧啶脫氨生在尿嘧啶，A脫氨基生成I。,三、化學因素導致的DNA損傷,烷化劑：①堿基烷基化；②堿基脫落；③斷鏈；④交聯,單功能烷化劑：甲基磺酸甲酯,DNA鏈內交聯,DNA鏈間交聯,2、烷化劑導致的DNA損傷,3、堿基類似物：結構與堿基相似，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

4、物。如：5-溴尿嘧啶（與A或G配對）、 2-氨基嘌呤（與T或C配對）,DNA損傷的后果：①點突變、②缺失、③插入、④倒位或轉位、⑤雙鏈斷裂 對生物可能產生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型；④發生了有利于物種生存的結果，使生物進化。,第二節　DNA損傷的修復,DNA損傷的修復：是指DNA受到損傷后，細胞內發生的使DNA的化學組成和核苷酸序列重新恢復或使細胞對DNA損傷產生耐受的一系列反應。DNA

5、是細胞中唯一具修復系統的生物大分子。,一、直接修復直接修復：指的是不需要移去任何堿基或核苷酸就可以將損傷逆轉到正常狀態的修復機制。是生物體內最簡單的修復方式，屬于無差錯直接修復。,（1）光修復或光復活：光修復：利用可見光能量將DNA中的嘧啶二聚體通過光解作用恢復為單體，從而恢復DNA正常結構的DNA修復過程。這是最早發現的DNA修復方式。DNA中的嘧啶二聚體可通過可見光(300～600nm)的光解作用而恢復為單體。催化這一過程

6、的酶為光復活酶或光裂合酶。,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結合的二聚體，并與其結合，這步反應不需要光；②結合后如受300-600nm波長的光照射，則光復活酶就被激活，將二聚體分解為兩個正常的嘧啶單體，③然后酶從DNA鏈上釋放，DNA恢復正常結構。,（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。此酶在各類生物各種細胞中都普遍存在，修復反應容易進行。但

7、雙鏈斷裂缺幾乎不能修復。,（3）直接插入嘌呤DNA鏈上嘌呤的脫落造成無嘌呤位點，能被DNA嘌呤插入酶識別結合，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格配對，使DNA完全恢復。,（4）烷基的轉移修復在細胞中發現有一種O6甲基鳥嘌呤甲基轉移酶，能直接將甲基從DNA鏈鳥嘌呤O6位上的甲基移到蛋白質的半胱氨酸殘基上而修復損傷的DNA。這個酶的修復能力并不很強，但在低劑

8、量烷化劑作用下能誘導出此酶的修復活性。,二、切除修復： 切除修復：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鏈為模板，重新合成切去的部分，使DNA恢復正常結構的過程。,修復的基本步驟： 識別——切除——修補——連接修復過程中需要多種酶；修復主要有兩種方式：堿基切除修復和核苷酸切除修復。,基本步驟如圖所示：①首先由核酸酶識別DNA的損傷位點，在損傷部位的5’側切開磷酸二酯鍵。②由5’—3’核

9、酸外切酶將有損傷的DNA片段切除。③在DNA聚合酶的催化下，以完整的互補鏈為模板，按5’—3’方向DNA鏈，填補已切除的空隙。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。,三、錯配修復錯配修復：按模板的遺傳信息來修復錯配堿基的修復方式。錯配堿基的修復會使復制的保真性提高102～103倍?，F已在大腸桿菌、酵母和哺乳動物中發現了這一系統。,修復時首先要區別模板鏈和新合成的DNA鏈，這是通過堿基的甲基化來實現的。

10、半甲基化DNA成為識別模板鏈和新合成鏈的基礎。錯配修復發生在GATC的鄰近處，故這種修復也稱為甲基指導的錯配修復。錯配修復機制目前還不完全清楚。所有錯配都可由這一系統修復，但其中以G－T錯配修復更為有效，C－C錯配的修復為弱。,GATC sequences are targets for the Dam methylase after replication. During the period before this methyl

11、ation occurs, the nonmethylated strand is the target for repair of mismatched bases.,mismatch repair,四、復制后修復在DNA損傷未被切除或修復的情況下使細胞恢復DNA復制，等到復制完成后再通過其他機理修復殘留的損傷，這種修復方式稱為復制后修復。,受損傷的DNA鏈復制時，產生的子代DNA在損傷的對應部位出現缺口。完整的另一條母鏈DNA與

12、有缺口的子鏈DNA進行重組交換，將母鏈DNA上相應的片段填補子鏈缺口處，而母鏈DNA出現缺口。以另一條子鏈DNA為模板，經DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填補母鏈DNA的缺口，最后由DNA連接酶連接，完成修補。,重組修復不能完全去除損傷，損傷的DNA段落仍然保留在親代DNA鏈上，只是重組修復后合成的DNA分子是不帶有損傷的，但經多次復制后，損傷就被“沖淡”了，在子代細胞中只有一個細胞是帶有損傷DNA的。,五、SOS修復“SOS”是

13、國際上通用的緊急呼救信號。SOS修復～是指DNA受到嚴重損傷或復制系統受到抑制的緊急情況下細胞所采取的一種DNA修復方式。,當DNA兩條鏈的損傷鄰近時，損傷不能被切除修復或重組修復。誘導產生一整套特殊DNA聚合酶──SOS修復酶類，催化空缺部位DNA的合成，補上去的核苷酸幾乎是隨機的，終于保持了DNA雙鏈的完整性，使細胞得以生存。但這種修復帶給細胞很高的突變率。,第三節 基因突變與生物進化,基因突變：DNA分子堿基序列水平上發生的永

14、久、可遺傳的變化。人類遺傳性疾病已發現4000多種，其中不少與DNA修復缺陷有關，這些DNA修復缺陷的細胞表現出對輻射和致癌劑的敏感性增加。,基因突變,輕為有害或有利,不利于生存和發育,致死,有利生存和發育,生物學效應,生物群體的遺傳多樣性,遺傳性疾病,促進生物進化,生物個體發育過程中死亡,,3.1 突變的類型,1、堿基對的置換（substitution） 轉換(Transition)： 最普通的一種點突變，指一

15、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（frameshift mutation） 由堿基的缺失或插入造成。Note: 突變集中在熱點區域。,DNA突變的類型,,野生型基因,-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G- -A-G-

16、C-T-G-A-C-A-T-G-C-,堿基對的置換(substitution),移碼突變(framesshift mutation),,堿基置換突變：（1）同義突變：沉默突變 突變發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。,(2)、錯義突變 基因編碼序列中堿基的置換發生在密碼子的第1或第2位堿基，導致密碼子改變，并編碼另一種氨基酸，這種突變稱錯義突變。,(3)、無義突變： 指基因編碼序

17、列中堿基置換使氨基酸密碼子轉變為終止密碼子的突變稱為無義突變。,（4）、終止密碼子突變 指基因的終止密碼子發生堿基的置換轉變為一種氨基酸密碼子，致使轉錄和翻譯過程不能正常終止，形成異常蛋白質的突變稱終止密碼子突變。,（5）、起始密碼子突變 指基因中起始密碼子被置換，導致不能正常轉錄和翻譯，無表達產物的突變稱起始密碼子突變。,二、突變的意義1、突變是進化的分子基礎2、突變可產生遺傳多樣性3、致死性突變可用于消滅有害病原體