理解DNA損傷修復(fù)的基本過程掌握DNA損傷與修復(fù)的機(jī)制了解突變的類型及其意義學(xué)習(xí)目的和要求三、DNA的損傷和修復(fù)與基因突變2010年10月22日DNA損傷是指正常DNA分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)在某些物理因素、化學(xué)因素（如射線和化學(xué)試劑)以及細(xì)胞自發(fā)產(chǎn)生的基因毒素等干擾作用下發(fā)生改變的現(xiàn)象。(一)DNA的損傷DNA單鏈斷裂雙鏈斷裂糖基氧化堿基修飾DNA鏈間交聯(lián)DNA與蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)……1、DNA的自發(fā)性損傷由DNA內(nèi)在的化學(xué)活性以及細(xì)胞中存在的正常活性化分子所致。常見的DNA自發(fā)性損傷類型（1）脫嘌呤和脫嘧啶自發(fā)的水解可使嘌呤和嘧啶從DNA鏈的核糖磷酸骨架上脫落下來。一個(gè)哺乳類細(xì)胞在37℃條件下，20h內(nèi)DNA鏈上自發(fā)脫落的嘌呤約1000個(gè)、嘧啶約500個(gè)；估計(jì)一個(gè)長(zhǎng)壽命不復(fù)制繁殖的哺乳類細(xì)胞（如神經(jīng)細(xì)胞）在整個(gè)生活期間自發(fā)脫嘌呤數(shù)約為108，這占細(xì)胞DNA中總嘌呤數(shù)約3%。

概念（2）堿基的脫氨基作用堿基的環(huán)外氨基有時(shí)會(huì)自發(fā)脫落，從而胞嘧啶會(huì)變成尿嘧啶、腺嘌呤會(huì)變成次黃嘌呤（H）、鳥嘌呤會(huì)變成黃嘌呤（X）等，遇到復(fù)制時(shí)，U與A配對(duì)、H和X都與C配對(duì)就會(huì)導(dǎo)致子代DNA序列的錯(cuò)誤變化。胞嘧啶自發(fā)脫氨基的頻率約為每個(gè)細(xì)胞每天190個(gè)。（3）堿基的互變異構(gòu)DNA中的4種堿基各自的異構(gòu)體間都可以自發(fā)地相互變化（例如烯醇式與酮式堿基間的互變），這種變化就會(huì)使堿基配對(duì)間的氫鍵改變，可使腺嘌呤能配上胞嘧啶、胸腺嘧啶能配上鳥嘌呤等，如果這些配對(duì)發(fā)生在DNA復(fù)制時(shí)，就會(huì)造成子代DNA序列與親代DNA不同的錯(cuò)誤性損傷。（4）細(xì)胞正常代謝產(chǎn)物對(duì)DNA的損傷細(xì)胞呼吸的副產(chǎn)物O2-、H2O2等會(huì)造成DNA損傷，能產(chǎn)生胸腺嘧啶乙二醇、羥甲基尿嘧啶等堿基修飾物，還可能引起DNA單鏈斷裂等損傷，每個(gè)哺乳類細(xì)胞每天DNA單鏈斷裂發(fā)生的頻率約為5萬次。此外，體內(nèi)還可以發(fā)生DNA的甲基化，結(jié)構(gòu)的其他變化等，這些損傷的積累可能導(dǎo)致老化。(1)高能離子化輻射（如X射線、γ射線）(2)非離子化輻射（如紫外線）2、物理因素導(dǎo)致的DNA損傷3、化學(xué)因素導(dǎo)致的DNA損傷引起DNA損傷的化學(xué)因素主要有兩大類：

烷化劑和堿基類似物。

（1）烷化劑導(dǎo)致的DNA損傷烷化劑是一類親電子的化合物，極容易與生物體內(nèi)的有機(jī)物大分子（如核酸和蛋白質(zhì)）的親核位點(diǎn)起反應(yīng)，可將烷基（如甲基）加入到生物大分子的親核位點(diǎn)上。烷化劑對(duì)核DNA作用時(shí)，就可以將烷基加到核酸的堿基上去。DNA鏈上的磷酸二酯鍵被烷化則形成不穩(wěn)定的磷酸三酯鍵，可能在糖與磷酸間發(fā)生水解作用，導(dǎo)致DNA鏈的斷裂。（2）堿基類似物導(dǎo)致的DNA損傷堿基類似物是一類結(jié)構(gòu)與堿基相似，可改變堿基配對(duì)特性的正常堿基衍生物或人工合成的化合物。它們進(jìn)入細(xì)胞以后，便能替代正常的堿基而摻入到DNA鏈中，干擾了DNA的正常合成。最常見的堿基類似物是5-溴尿嘧啶（5-BU）。DNA損傷的修復(fù)是指DNA受到損傷后，組織細(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(duì)DNA損傷產(chǎn)生耐受的一系列反應(yīng)。1、直接修復(fù)（教材P.55）直接修復(fù)是指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。它屬于無差錯(cuò)直接修復(fù)，也是生物體內(nèi)最簡(jiǎn)單的一種修復(fù)方式。(二)DNA損傷的修復(fù)光復(fù)活作用是最早發(fā)現(xiàn)的一種高度專一的修復(fù)方式，它只作用于紫外線引起的DNA嘧啶二聚體的損傷修復(fù)。光修復(fù)酶(Photoreactivatingenzyme)或光裂合酶(Photolyase)（1）光復(fù)活光復(fù)活酶催化的光復(fù)活反應(yīng)形成嘧啶二聚體光復(fù)合酶結(jié)合于損傷部位酶被可見光激活修復(fù)后酶被釋放（2）斷裂鍵的連接（3）直接插入嘌呤（4）烷基轉(zhuǎn)移修復(fù)DNA連接酶DNA嘌呤插入酶

E.coli細(xì)胞中存在一種酶叫O6-甲基鳥嘌呤轉(zhuǎn)移酶，該酶可直接從突變的O6—烷基鳥嘌呤上除去烷基，酶作用后即失活。它也屬于無差錯(cuò)直接修復(fù)。2、切除修復(fù)（教材P.53-54）切除修復(fù)是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，重新合成切除的部分，使DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)的過程。切除修復(fù)需要多種酶的參與，并且修復(fù)過程比較復(fù)雜，基本步驟包括識(shí)別、切除、修補(bǔ)和連接。（1）堿基切除修復(fù)DNA糖苷酶AP核酸內(nèi)切酶DNA聚合酶DNA連接酶AP位點(diǎn):無嘌呤（apurinic）和無嘧啶（apyrimidinic）位點(diǎn)（2）核苷酸切除修復(fù)3、錯(cuò)配修復(fù)（教材P.52-53）上一次課在講DNA復(fù)制的忠實(shí)性時(shí)已經(jīng)講過。一種特殊的切除修復(fù)，它是按模板的遺傳信息來修復(fù)錯(cuò)配堿基的，因此修復(fù)時(shí)首先要區(qū)別模板鏈和新合成的DNA鏈。它通過堿基的甲基化來實(shí)現(xiàn)的。大腸桿菌DNA的5/—GATC序列中A的N6都是甲基化的（Dam甲基化酶負(fù)責(zé)），復(fù)制后的一個(gè)短暫時(shí)間內(nèi)，新合成鏈的GATC中的A未被甲基化，故子代DNA暫時(shí)是半甲基化的，這是識(shí)別的基礎(chǔ)。錯(cuò)配的堿基被MutS和MutL組合的復(fù)合體識(shí)別并與之結(jié)合，再與MutH內(nèi)切核酸酶結(jié)合，后者在子代鏈GATC附近的位點(diǎn)上產(chǎn)生缺刻，啟動(dòng)對(duì)損傷區(qū)的切除修復(fù)。4、重組修復(fù)（復(fù)制后修復(fù)）（教材P.54-55）①受損傷的DNA鏈復(fù)制時(shí)，產(chǎn)生的子代DNA在損傷的對(duì)應(yīng)部位出現(xiàn)缺口。②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。③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)。5、SOS修復(fù)（教材P.55-56）SOS反應(yīng)（SOSresponse）：能造成DNA損傷或抑制復(fù)制的處理所引起的一系列復(fù)雜的誘導(dǎo)效應(yīng)，稱為應(yīng)急反應(yīng)。包括誘導(dǎo)出現(xiàn)的DNA損傷修復(fù)、誘變效應(yīng)、細(xì)胞分裂的抑制等。突變是在DNA分子堿基序列水平上所發(fā)生的一種永久性、可遺傳的變化，它是與遺傳保守性既相對(duì)立又相統(tǒng)一的自然現(xiàn)象。基因突變的影響（1）產(chǎn)生輕微的、不易被察覺的有害或有利的生物學(xué)效應(yīng)，或者形成生物群體的遺傳多態(tài)性；（2）產(chǎn)生不利于個(gè)體生存和發(fā)育，但可遺傳的生物學(xué)效應(yīng)，導(dǎo)致遺傳性疾病；（4）產(chǎn)生致死性突變，導(dǎo)致生物個(gè)體在發(fā)育過程中死亡，因而不能將突變傳遞給后代。（3）產(chǎn)生有利于個(gè)體生存和發(fā)育，且可遺傳的生物學(xué)效應(yīng)，促使生物進(jìn)化；(三)基因突變1、基因突變的類型外界因素如某些化學(xué)物質(zhì)［誘變劑］、紫外線、電離輻射等也可能誘導(dǎo)基因突變的發(fā)生DNA復(fù)制錯(cuò)誤造成堿基的替換、插入或缺失等（1）堿基置換突變 堿基置換突變指基因中的一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)堿基被替 代的突變。最簡(jiǎn)單的堿基置換突變就是點(diǎn)突變，即DNA 序列上單個(gè)堿基的改變。轉(zhuǎn)換(transition)：Py與Py，Pu與Pu之間變換，多見顛換(transversion)：Py與Pu之間變換，少見①同義突變 沉默突變（silentmutation）----氨基酸不變②錯(cuò)義突變（missensemutation）：氨基酸改變③無義突變（nonsensemutation）：形成新的終止密碼的突變無義突變錯(cuò)義突變的例子——鐮狀細(xì)胞貧血癥編碼血紅蛋白b肽鏈上一個(gè)決定谷氨酸的密碼子GAA變成了GUA，使得b肽鏈上的谷氨酸變成了纈氨酸，引起了血紅蛋白的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了根本的改變④終止密碼子突變⑤起始密碼子突變指原有的終止密碼子突變成氨基酸密碼子指原有的起始密碼子突變成氨基酸密碼子UAG,UAA,UGAAUG（2）缺失和插入突變?cè)斐煞g過程中其下游的三聯(lián)密碼子都被錯(cuò)讀，產(chǎn)生完全錯(cuò)誤的肽鏈或肽鏈合成提前終止。2、突變的意義（1）突變是進(jìn)化的分子基礎(chǔ)（2）突變可產(chǎn)生遺傳多態(tài)性（3）致死突變可用于消滅有害病原體（4）突變可創(chuàng)造新類型物種（5）突變是某些疾病的發(fā)病原因理解各類轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu)特征和轉(zhuǎn)座作用的機(jī)制。學(xué)習(xí)目的和要求四、DNA的轉(zhuǎn)座（教材P.56-64）基本概念轉(zhuǎn)座子每次移動(dòng)時(shí)攜帶著轉(zhuǎn)座必需的基因一起在基因組內(nèi)躍遷，所以轉(zhuǎn)座子又稱跳躍基因（jumpinggene）。轉(zhuǎn)座子（transposon或transposableelement，Tn）就是基因組上可自主復(fù)制和位移的DNA片段，它們可以直接從基因組內(nèi)的一個(gè)位點(diǎn)移到另一個(gè)位點(diǎn)，發(fā)生轉(zhuǎn)座重組，從而改變?nèi)旧w的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)移過程叫轉(zhuǎn)座。（一）轉(zhuǎn)座子的類型和結(jié)構(gòu)特征類型：簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)座子和復(fù)合轉(zhuǎn)座子結(jié)構(gòu)特征：（1）結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)或多個(gè)開放閱讀框，其中有一個(gè)編碼轉(zhuǎn)座酶的基因，這種酶催化轉(zhuǎn)座子插入新的位置；（2）兩端有20-40bp的反向末端重復(fù)序列，末端重復(fù)序列是轉(zhuǎn)座所必需的，因?yàn)樗鼈兪寝D(zhuǎn)座酶所識(shí)別的底物。1、插入序列（insertionsequence,IS元件）最小的轉(zhuǎn)位因子，＜2kb，不攜帶任何已知與插入功能無關(guān)的基因區(qū)域不含有任何宿主基因細(xì)菌染色體或質(zhì)粒DNA的正常組成部分。一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞常帶有少于10個(gè)IS序列。轉(zhuǎn)座子常常被定位到特定的基因中，造成該基因突變。IS序列都是可以獨(dú)立存在的單元，帶有介導(dǎo)自身移動(dòng)的蛋白。2、復(fù)合轉(zhuǎn)座子一類帶有某些抗藥性基因（或其他宿主基因）的轉(zhuǎn)座子，其兩翼往往是兩個(gè)相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某個(gè)功能基因兩端時(shí)就可能產(chǎn)生復(fù)合轉(zhuǎn)座子。一旦形成復(fù)合轉(zhuǎn)座子，IS序列就不能再單獨(dú)移動(dòng)，因?yàn)樗鼈兊墓δ鼙恍揎椓耍荒茏鳛閺?fù)合體移動(dòng)。（二）轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座機(jī)制和轉(zhuǎn)座模式1、轉(zhuǎn)座機(jī)制

轉(zhuǎn)座子插到新的位點(diǎn)上產(chǎn)生交錯(cuò)切口，所形成的突出單鏈末端與轉(zhuǎn)座子兩端的反向重復(fù)序列相連，然后由DNA聚合