1、第六章第六章DNA的損傷、修復與重組的損傷、修復與重組內容內容一、一、DNA損傷與突變損傷與突變二、二、DNA損傷的修復損傷的修復三、三、DNA的重組的重組一、一、DNA損傷與突變損傷與突變1.DNA突變和重組是基因組進化的驅動力。突變和重組是基因組進化的驅動力。突變突變(mutation)：是一個是一個DNA分子在堿基序列上發生分子在堿基序列上發生的可遺傳的變化的可遺傳的變化，表現在堿基的改變或堿基數目的表現在堿基的改變或堿基數目的增加或減少上。增加或減少上。突變體突變體(mutant)：不同于正常或野生型形式的個體。不同于正常或野生型形式的個體。如：如：His-酵母，白眼果蠅酵母，白眼果蠅

2、2. 突變的類型：突變的類型：a) 點突變：單個堿基的變化，堿基對既不增加也不減點突變：單個堿基的變化，堿基對既不增加也不減少，而是發生了少，而是發生了替換替換 (substitution)：轉換轉換(Transition)：嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶，嘌呤嘌呤嘌呤嘌呤A/TG/C, T/AC/G顛換顛換(Transversion)：嘧啶嘧啶嘌呤嘌呤，嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶A/TC/G，T/AG/Cb) 堿基對的插入和缺失堿基對的插入和缺失（indel）c) 染色體結構變異：片段缺失、重復、倒位、轉座等染色體結構變異：片段缺失、重復、倒位、轉座等一、一、DNA損傷與突變損傷與突變3. 突變的效應：突變的效應：

3、a) 沉默突變沉默突變(silent mutation)：不影響氨基酸序列。：不影響氨基酸序列。發生在非編碼區，非調節區或密碼子的第三位。發生在非編碼區，非調節區或密碼子的第三位。b) 中性突變中性突變(neutral mutation)：突變的密碼子編碼：突變的密碼子編碼不同但不同但性質相似性質相似的氨基酸。的氨基酸。c) 錯義突變錯義突變(missense mutation)：編碼的氨基酸序列：編碼的氨基酸序列發生改變，可能無作用也可能致死。發生改變，可能無作用也可能致死。一、一、DNA損傷與突變損傷與突變d) 無義突變無義突變(nonsense mutation)：形成新的終止密碼子：形

4、成新的終止密碼子，編碼截短了的蛋白。，編碼截短了的蛋白。e) 移碼突變移碼突變(frameshift mutation)：堿基的插入或缺失：堿基的插入或缺失引起讀碼框引起讀碼框（ORF）的改變。的改變。f) 溫度敏感突變溫度敏感突變(temperature-sensitive mutation)：突變：突變蛋白質在某一溫度有活性，在另一溫度下失活。蛋白質在某一溫度有活性，在另一溫度下失活。g) 滲漏突變滲漏突變 (leaky mutation)：某某些氨基酸的變化些氨基酸的變化使得使得蛋白活性顯著降低，蛋白活性顯著降低，但但不是完全喪失不是完全喪失。4. 突變產生的方式突變產生的方式一、一、D

5、NA損傷與突變損傷與突變(1) 自發突變和損傷自發突變和損傷(2) 物理誘變和化學誘變物理誘變和化學誘變(3) 轉座元件的插入導致突變轉座元件的插入導致突變(1) 自發突變和損傷自發突變和損傷：A. 堿基結構互變堿基結構互變酮式酮式(=O, =NH)烯醇式烯醇式(-OH, -NH2)，烯醇式烯醇式T與與G配對，烯醇式配對，烯醇式C與與A配對配對一、一、DNA損傷與突變損傷與突變A可以通過可以通過錯配修復機制進行修復。錯配修復機制進行修復。B. 復制錯誤未被復制錯誤未被DNA聚合酶所修復聚合酶所修復CA模板模板C. 脫氨基脫氨基如果未被修復，產生的如果未被修復，產生的U會在接下來的復制中與會在接

6、下來的復制中與A配對，產生配對，產生點突變點突變。模板模板CUD. 脫嘌呤脫嘌呤在嘌呤堿基和脫氧核糖之間的在嘌呤堿基和脫氧核糖之間的N-糖苷鍵斷裂糖苷鍵斷裂X模板模板A氧化堿基氧化堿基E. 活性氧導致堿基的氧化損傷活性氧導致堿基的氧化損傷在所有需氧細胞中由于超氧化物、氫過氧化物及羥基自由在所有需氧細胞中由于超氧化物、氫過氧化物及羥基自由基等活性氧的存在，會在正常條件下發生氧化損傷。基等活性氧的存在，會在正常條件下發生氧化損傷。8-氧化鳥嘌呤氧化鳥嘌呤2-氧化腺嘌呤氧化腺嘌呤5-羥甲基尿嘧啶羥甲基尿嘧啶(2) 物理誘變和化學誘變物理誘變和化學誘變A. 射線輻射射線輻射高能離子化輻射高能離子化輻射

7、（如如X射線，射線， 射線射線），使目標分子），使目標分子失去電子，引起失去電子，引起DNA發生廣泛的化學變異，包括發生廣泛的化學變異，包括斷鏈、堿基及五碳糖的損傷。斷鏈、堿基及五碳糖的損傷。非離子化輻射非離子化輻射可引起新的化學鍵形成，如可引起新的化學鍵形成，如紫外線紫外線引引起相鄰嘧啶堿基產生嘧啶二聚體。起相鄰嘧啶堿基產生嘧啶二聚體。一、一、DNA損傷與突變損傷與突變B. 堿基類似物堿基類似物堿基類似物是改變堿基配堿基類似物是改變堿基配對特性的正常堿基衍生物對特性的正常堿基衍生物，可誘發直接誘變。，可誘發直接誘變。在復制過程中結合可引起在復制過程中結合可引起點突變。點突變。舉例：舉例：T的

8、類似物的類似物5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶的酮式異構體與的酮式異構體與A配對，烯醇配對，烯醇式與式與G配對。配對。T/AC/G-轉換轉換C.亞硝酸的脫氨作用亞硝酸的脫氨作用通過氧化脫氨將氨基轉變通過氧化脫氨將氨基轉變為酮基為酮基。例如，例如，胞嘧啶脫氨變成尿胞嘧啶脫氨變成尿嘧啶，從而和腺嘌呤配對，嘧啶，從而和腺嘌呤配對，引起隨后復制中發生引起隨后復制中發生C/G向向T/A的轉換。的轉換。D. 烷化劑：烷化劑：可將甲基加入到核酸上的各個位點，導致配對錯可將甲基加入到核酸上的各個位點，導致配對錯誤或雙螺旋變形。誤或雙螺旋變形。MMS（甲基磺酸甲酯）、（甲基磺酸甲酯）、EMS（甲基磺（甲基磺酸乙酯酸乙酯 ）

9、、）、ENU (乙基亞硝基脲乙基亞硝基脲)7-甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤3-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤MMSENUO6-甲基鳥嘌呤甲基鳥嘌呤E. 嵌入劑嵌入劑吖啶橙、吖啶黃、原黃素等吖啶類都是三環結構，大致吖啶橙、吖啶黃、原黃素等吖啶類都是三環結構，大致類似于嘌呤嘧啶堿基對，可插入堿基對之間，使其中類似于嘌呤嘧啶堿基對，可插入堿基對之間，使其中一條一條DNA鏈形成一個鏈形成一個Loop，相鄰堿基對分開約一個堿基，相鄰堿基對分開約一個堿基的距離，導致復制后的的距離，導致復制后的DNA發生發生移碼突變移碼突變。(3) 轉座元件的插入導致突變轉座元件的插入導致突變轉座元件是數百到數千個堿基對的轉座元件是數百到數

10、千個堿基對的DNA片段，它的轉片段，它的轉座使被插入的基因發生突變座使被插入的基因發生突變。一、一、DNA損傷與突變損傷與突變二、二、DNA損傷的修復損傷的修復1. 直接修復（直接修復（ 光復活光復活 、轉甲基作用）、轉甲基作用） 無差錯修復無差錯修復2. 取代修復取代修復切除修復切除修復錯配修復錯配修復重組修復重組修復SOS修復修復無差錯修復無差錯修復有有差錯差錯傾向傾向修復修復1. 直接修復直接修復 A. 光復活光復活環丁烷嘧啶二聚體環丁烷嘧啶二聚體光復活酶光復活酶可見光可見光嘧啶單體嘧啶單體光復活對嘧啶二聚體是專一的，是損傷被光復活對嘧啶二聚體是專一的，是損傷被直接直接修復修復的一種例子

11、，是無差錯的。的一種例子，是無差錯的。二、二、DNA損傷的修復損傷的修復B. 轉甲基作用轉甲基作用從突變的從突變的O6-甲甲基鳥嘌呤上去除的基鳥嘌呤上去除的甲甲基基被轉移到被轉移到甲甲基轉移基轉移酶酶上后，使酶本身失活。因此，每個上后，使酶本身失活。因此，每個甲甲基轉移酶只能用基轉移酶只能用一次。一次。這種修復也是這種修復也是無差錯直接修復無差錯直接修復。A. 切除修復切除修復損傷部位被切除，然后由損傷部位被切除，然后由DNA聚合酶合成新的聚合酶合成新的DNA填填補，并由補，并由DNA連接酶封口。連接酶封口。兩種類型兩種類型：核苷酸切除修復（：核苷酸切除修復（NER）和堿基切除修復）和堿基切除

12、修復（BER）。）。2. 取代修復取代修復二、二、DNA損傷的修復損傷的修復無差錯修復無差錯修復當當DNA鏈上相應位置的鏈上相應位置的核苷酸核苷酸發生損傷，導致雙鏈間無發生損傷，導致雙鏈間無法形成氫鍵，則由核苷酸切除修復系統負責修復。法形成氫鍵，則由核苷酸切除修復系統負責修復。1) 核苷酸切除修復核苷酸切除修復:過程：過程：a) 內切核酸酶識別損傷區域，并在損傷區域的兩內切核酸酶識別損傷區域，并在損傷區域的兩端產生缺口端產生缺口 。b) 外切核酸酶去除切口間的外切核酸酶去除切口間的DNAc) 由由DNA聚合酶合成新的替代聚合酶合成新的替代DNAd) 由連接酶封合缺口由連接酶封合缺口1)2)3)

13、4)核苷酸切除修復原核：原核：12-13 bp; 真核：真核：27-29 bp 大腸桿菌大腸桿菌Uvr修復系統修復系統:UvrAB 識別損傷部位；識別損傷部位；UvrBC 在損傷在損傷DNA兩側產兩側產生缺口；生缺口；UvrD 解旋，釋放出損傷解旋，釋放出損傷DNA單鏈。單鏈。短修補：短修補：12 nt2) 堿基切除修復堿基切除修復a) 堿基專化的堿基專化的糖苷水解酶糖苷水解酶切除受損堿基，留下一個切除受損堿基，留下一個脫嘌呤或脫嘧啶脫嘌呤或脫嘧啶（AP）位點。）位點。b) AP內切核酸酶內切核酸酶識別識別AP位點，并引入切口。位點，并引入切口。c) 外切酶切除損傷外切酶切除損傷DNA。d)

14、由由DNA聚合酶和連接酶完成修復。聚合酶和連接酶完成修復。切除修復與轉錄相偶聯，因而被轉錄切除修復與轉錄相偶聯，因而被轉錄DNA的修復要快于未的修復要快于未被轉錄被轉錄DNA區域，這有助于區域，這有助于限制缺陷基因產物的生成限制缺陷基因產物的生成。二、二、DNA損傷的修復損傷的修復B. . 錯配修復錯配修復錯配修復是切除修復的一種特定形式，用于修復在錯配修復是切除修復的一種特定形式，用于修復在復制中錯配并漏過校正檢驗的任何堿基復制中錯配并漏過校正檢驗的任何堿基。復制中的復制中的錯配堿基錯配堿基存在于子代鏈中，因此必須在復存在于子代鏈中，因此必須在復制叉通過后，有一種能識別親本鏈與子代鏈的制叉通

15、過后，有一種能識別親本鏈與子代鏈的方法，以保證方法，以保證只從只從子代鏈中去除錯配堿基。子代鏈中去除錯配堿基。無差錯修復無差錯修復二、二、DNA損傷的修復損傷的修復a) 新生鏈的識別：親本鏈甲基化而子代鏈未甲基化，新生鏈的識別：親本鏈甲基化而子代鏈未甲基化，所以很容易區分。所以很容易區分。b) MutS和和MutL蛋白復合體識別蛋白復合體識別子代鏈中子代鏈中錯配的堿基錯配的堿基對并與之結合。對并與之結合。c) 該復合體隨后再與該復合體隨后再與MutH內切核酸酶相結合，后者內切核酸酶相結合，后者在子代鏈在子代鏈GATC附近的位點上特異性的產生缺刻。附近的位點上特異性的產生缺刻。d) 這個缺刻啟動

16、了對含有錯誤堿基區域的切除修復。這個缺刻啟動了對含有錯誤堿基區域的切除修復。過程：過程：MutS和和MutL蛋白復合體蛋白復合體MutH內切核酸酶內切核酸酶MutS識別并結合錯配位點識別并結合錯配位點MutL與與MutS結合結合MutS轉移至轉移至GATC位點位點MutL-MutS復合體與復合體與MutH結合并激活其內切酶結合并激活其內切酶活性活性MutH識別未甲基化的識別未甲基化的GATC位點并產生切口。位點并產生切口。MutSMutLMutHC. 重組修復重組修復又稱為又稱為復制后修復復制后修復，它發生在復制之后。，它發生在復制之后。機體細胞對在復制起始時尚未修復的機體細胞對在復制起始時尚

17、未修復的DNA損傷部位可以先復損傷部位可以先復制再修復，即先跳過該損傷部位，在新合成鏈中留下一個制再修復，即先跳過該損傷部位，在新合成鏈中留下一個對應于損傷序列的缺口。對應于損傷序列的缺口。該缺口由該缺口由DNA重組重組來修復：來修復：1) 先從同源先從同源DNA母鏈上將相應核苷酸序列片段移至子鏈缺口母鏈上將相應核苷酸序列片段移至子鏈缺口處，然后再由新合成的序列補上母鏈空缺。處，然后再由新合成的序列補上母鏈空缺。2) 大腸桿菌大腸桿菌中，中，recA基因編碼蛋白基因編碼蛋白RecA在重組修復系統中起在重組修復系統中起重要作用。重要作用。(RecA與同源重組有關與同源重組有關)容易出錯容易出錯二

18、、二、DNA損傷的修復損傷的修復鏈的非準確轉移，會導致突變機率的增加。鏈的非準確轉移，會導致突變機率的增加。重組修復重組修復D. SOS修復修復指指DNA受到嚴重損傷受到嚴重損傷、細胞處于危急狀態時所誘導的一細胞處于危急狀態時所誘導的一種種DNA修復方式，修復結果只是維持基因組的完整修復方式，修復結果只是維持基因組的完整性，提高細胞的存活率，但留下的錯誤較多，故又性，提高細胞的存活率，但留下的錯誤較多，故又稱為稱為錯誤傾向修復錯誤傾向修復，使細胞有較高的突變率。，使細胞有較高的突變率。SOS修復系統的調控修復系統的調控：a) LexA蛋白抑制蛋白抑制SOS修復相關基因的表達修復相關基因的表達b) 激活激活的的RecA可以可以酶解酶解LexA蛋白蛋白c) 被被LexA蛋白抑制的修復相關基因得以表達蛋白抑制的修復相關基因得以表達二、二、DNA損傷的修復損傷的修復 RecA在在SOS修修復中起核心作用復中起核心作用 RecA與與LexA組成組成調控環路調控環路DNA損傷損傷 SOS在在DN