1、DNA的损伤与修复,概述：损伤因素及其类型4.1 复制过程中的错配修复4.2 损伤修复4.3 限制和修饰4.4 突变类型4.5 回复突变(抑制突变)4.6 突变剂和突变生成,引起损伤的因素: 自发性损伤(复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、 自发脱碱基、 细胞的代谢产物对DNA的损伤) 物理因素引起的损伤(电离辐射、紫外线) 化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物） 引起损伤的类型： 碱基脱落、碱基（或核苷）改变、错误碱基（碱基的取 代）、碱基的插入或缺失、链的断裂、链交联（链内、链 间）、嘧啶二聚体等等,DNA的损伤、修复和突变,广义的修复系统： DNA聚合酶的校对功能(复制的范畴) 尿嘧啶
2、-N-糖苷酶修复系统 （复制时U的渗入、C脱氨氧化成U） 错配修复系统 损伤修复系统(光复活、重组修复、SOS修复等), 限制修饰系统-对付外源DNA的入侵,4.1 复制过程中的错配的修复,DNApol (= 10-8)经第二次校正= 10-11,错配修复系统(MRSMismatch RepairSystem),1、错配修复碱基来源：校正活性所漏校的碱基 使复制的保真性提高102103倍, DNA合成过程中的甲基化变化,DNA中的GATC(palindromic seq.)为m6A甲基化敏感位点,平均每2kb左右有一GATC seq.,错配修复系统受甲基化的引导,甲基化程度的差异,a、MutH
3、/MutS 扫描识别错配 碱基和邻近的GATC序列 切点甲基化GATC中 G的5侧,DNA helicase II, SSB, exonuclease I去除包括错 配碱基的片段,DNA polymerase III 和 DNA ligase 填充缺口,昂贵的代价用于保证DNA的准确性,（2） 修复过程,外切核酸酶切割切点的5端（错配碱基在切点的5端） -3端（-3端）,3、 尿嘧啶-N-糖苷酶系统 ( ung system ),修复尿嘧啶的来源：dUTP的渗入 胞嘧啶的自发脱氨氧化,-TAGC-ATCG-,-TAGC-A CG-,U,ung-ase ,G,C,U,A,-TAGC-A CG-,
4、AP内切酶(Apurinase),-TAGC-ATCG-,4.2 DNA损伤的修复,一、嘧啶二聚体的产生,相邻的胸腺嘧啶,胸腺嘧啶二聚体,1、光复活（photo reactivation ）,-TT-AA-,复制前、不容易出错,二、二聚体修复的机制,400 nm 蓝光、PR 酶 (photo-reactivation enzyme) 光敏裂合酶（photolyase）,碱基切除修复,2. 切除修复ExisionRepair,复制前进行 不易出错,UvrA, B, C gene 内切核酸酶（Endonucleases） 外切核酸酶 （Exonuclease） DNA pol Ligase,螺旋酶
5、,Pol 螺旋酶,连接酶,切,补,切,封,3. 重组修复（RecombinativeRepair）,后复制修复、E.coli的挽回系统,该系统存在的实验证据, Rec-A. gene 以某种方式参与DNA损伤修复, Rec修复系统比切除修复系统更有效,目前知道 Uvr系统负责切除二聚体 Rec系统负责消除没有被切除的二聚体 可能造成的后果, 与Rec-A蛋白引起的重组(strand transfer)有关, TT dimer未被修复，仅表现在后代群体中TT dimer 浓度的稀释, 链的非准确转移，导致突变机率的增加,修复相关机制:,重组修复 (链转移修复),复制后修复 容易出错,RecA,
6、DNApolymerae ligase,二聚体后起始,RecA,聚合酶、连接酶,重组修复后的损伤位点可由其它机制进一步修复,4. 易错修复（SOS修复 SOS repair）, 80 10 100mut. 100% 50% 10%,损坏的噬菌体 DNA 在E.coli A被修复 E. coli 的SOS修复能被U.V.诱导 (A & B) SOS 修复过程有非常高的突变频率(易出错),UV 复活或 W复活（Jean Weigh）,（1） 实验证据,（2） SOS 修复机制,SOS 修复无模板指导的DNA复制,大剂量的紫外线照射，大量的二聚体产生,SOS系统诱导，错误潜伏的复制超越二聚体而进行,
7、SOS 修复只是SOS反应的一部分,RecA在SOS反应反应中起核心作用,RecA与LexA组成调控环路,RecA受LexA的部分抑制,RecA-P; 三种功能,当DNA复制受阻/ DNA damaged,当DNA复制度过难关后,1、 限制修饰现象(restriction and modificaion),50年代初 Luria（T偶数噬菌体） Bertani（） Weigle（P2噬菌体）,4.3 限制和修饰,结论：, 菌体限制修饰系统中的限制性内切酶能将外来DNA切断 菌体本身的DNA可受甲基化酶的保护 两者称为限制-修饰作用,* E.coli K菌株和 B菌株各有自己的限制修饰系统 *
8、E.coli C菌株没有,细菌借助于限制-修饰系统来区别自己DNA和外源DNA,自己DNA: 限制模式相同的DNA 同株系的不同个体DNA、寄生于其中的质粒和噬菌体 居民DNA(resident DNA)：同一个细胞内的不同类型的DNA， 包括细胞DNA，质粒DNA，噬菌体DNA等,2、限制修饰系统,根据其特征分为两大组(三大类), 染色体突变（Chromosome mutation ）,chromosome number chromosome structure, 核苷酸突变（ dNt point mutation ）,突变(mutation)：可以通过复制而遗传的DNA结构 的任何永久性改
9、变,遗传状态,4.4 突变类型,突变体(mutant)：携带突变的生物个体或群体或株系,突变基因(mutantgene): 存在突变位点的基因,野生型基因（wild type gene）：,表示方法 表现型 Arg+ Arg- 基因型 arg+ arg- 野生型 正性状,1、从突变作用来源上定义 自发突变自然界的突变剂或偶然复制错误 诱变 人为使用突变剂, 碱基异构式引起DNA复制过程的错误 -自发突变,碱基异构式,碱基异构式引起DNA复制的错配,C(i),C(a, anti),碱基异构式引起DNA的错配突变,C(i),C(a),G(k, syn),G(k, syn),G(k, anti),G
10、(k),2、从序列改变多少上定义 单点突变(point mutation) (点突变) 多点突变(multiple mutation),点突变碱基替代、碱基插入、碱基缺失, 碱基替代（ conversion ）, 核苷酸缺失或插入 （dNt deletion or insertion ）,移框突变（frameshift mutation）:一个或两个碱基的插入 或缺失，或扁平碱性染料分子插入，又叫移码突变,3、从对阅读框的影响上定义,Examples of deletion mutations,4、从对遗传信息的改变上定义（点突变） 同义突变：没有改变产物氨基酸序列的密码子 错义突变：碱基序列
11、的改变引起了氨基酸序列的改变 （中性突变、渗漏突变） 无义突变：碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变 为蛋白合成的终止密码子, 碱基替代对遗传信息的改变,无义突变类型,UAA （Oc） 赭石型（Ocher）,UAG（Am） 琥珀型（amber）,UGA（Opal） 乳石型（Opal）,5、从突变的表达类型 上定义,-非条件型突变:,-条件型突变:,突变的表现 = 突变基因型 + 诱导条件,（光，温敏感不育）,6、从突变效应上定义 正向突变 回复突变:使突变体所失去的野生型性状得到恢复的第二次突变 真正的原位回复突变很少 大部分为第二点的回复突变抑制突变,7、突变位点存在于负责基因调控的序列中,
12、* 在启动子区域时: 启动子上升突变: 增强启动子对转录的发动作用的突变 启动子下降突变: * 在操作子上或调节基因上 组成型突变: 产生组成型表达方式的操作子突变或调 节基因的突变 突变的操作子不能被阻遏蛋白所识别 调节基因突变不能产生有活性的阻遏蛋白 两者之一都使结构基因失去了负向控制,1、抑制突变发生的部位,基因内抑制突变：抑制突变发生在正向突变的基因中基因间抑制突变：抑制突变发生在正向突变基因外的其它 基因中,wild type,mutant (表现型),4.5 回复突变 (抑制突变),间接抑制突变: 不恢复正向突变基因蛋白质产物的功能,而 是通过改变其它蛋白质的性质或表达水平 而补偿
13、原来突变造成的缺陷,从而恢复野生型,2、野生表型恢复作用的性质,直接抑制突变: 通过恢复或部分恢复原来突变基因产物蛋 白质的功能而恢复野生表型,3、回复突变的分子机制,a) AGC (Ser) ACC (Thr) AGC (Ser),b) AGC (Ser) AGG (Arg) AGT (Ser),c) AGC (Ser) AGG (Arg) GGG (Gly) if Ser Gly,（1）基因内抑制突变 (Intragenic suppression),第二位点引起的基因内校正密码子间两次错义突变的互补,4、抑制突变的分子机制,错义突变 移框突变,错义突变造成野生型表型的丧失 部分原因在于影
14、响到蛋白质的空间结构,(正负电荷、疏水作用),a、静电作用,b、疏水作用,回复突变,(C) （G）,-UGG 174-GGA210-,-UGG174-GGA210-,-UGC174-GAA210-,C,A,(K) (E),移框突变的抑制突变(基因内第二点的插入或缺失),（2）基因间的抑制突变,无义突变-无义抑制突变错义突变-错义抑制突变移框突变-移框抑制突变,发生在 tRNA基因或与tRNA功能相关的基因上,a、基因间的无义抑制突变（ Nonsense suppressor ）,野生型,UAG、UGA、UAA三种无义抑制 50,赭石型无义抑制tRNA产生的几率很低，且抑制效率很低,b、基因间的
15、错义抑制突变( Missense suppressor ),c、基因间移框抑制突变,总结：基因内和基因间的错义（无义）、移框抑制突变均 由相应的错义（无义）、移框突变抑制,本节小结,基因内的抑制突变基因间的抑制突变直接抑制突变间接抑制突变分子机制基因内的抑制突变基因间的抑制突变,错义无义移码,错义移码,1、碱基类似物（Base analog）,2-氨基嘌呤2-Amino purine,5-溴尿嘧啶5-Bromine Uracil,4.6 突变剂和突变生成,5-BrU,: G,: A,ATGC 转变,烯醇式渗入为 GCAT 转变,2、 碱基的化学修饰导致突变,又称化学突变剂： 亚硝酸（nitro
16、us acid HNO2） 羟氨（hydroxylamine HA） 甲磺酸乙酯（ethyl mathanesulfonate EMS） N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍 （N-mathyl-N-nitro-N-nitrosoguanidion NNG）,产生错义突变,NH2OH (Hydroxylamine HA 羟胺),HN,H,H,O,H,N,H,HO,N,H,3、嵌合剂的致突变作用,吖啶橙 (Acridine Orange AO),扁平染料分子,溴化乙锭 (Ethidium Bromide EB ),-ATTTTTCG -TAAAAAGC-,-AT EB TTTTCG-TA,分子插入,
17、X,AAAAGC-,结果产生移框突变,5、 增变基因（mutator gene ）,一种误称,4、 转座成分的致突变作用,生物体内有些基因与整个基因组的突变频率直接相关其突变时，整个基因组的突变频率明显上升,增变基因类别：,6、 突变热点（Mutation Hotpoint）,基因自发突变的频率是一定的,DNA分子上某些位点的突变频率大大平均数，这样的位点称为,a) 重复序列 （repetitive seq. ）/ palindromic seq.,b) m5C,c) 不同诱变剂作用位点不同，转座子插入位点不同,复制期发生在新生链上不发生突变，若发生在模板链上很快突变非复制期突变频率50,DNA 的损伤修复与突变,Mutagen (诱变剂）,完全修复,DNA 损伤,碱基的化学反应,损伤的修复,突变,突变生成,本节小结,碱基类似物碱基的化学修饰嵌合剂转座因子的致突变作用增变基因突变热点,
