基因突變與dna的損傷及

1、第四章 基因突變與DNA損傷、修復(fù),遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變而引起的遺傳 信息改變，均可稱為突變? mutation）,在復(fù)制過(guò)程中發(fā)生的DNA突變稱為DNA損傷（DNA damage）,從分子水平來(lái)看，突變就是DNA分子上堿基的改變。,在DNA復(fù)制過(guò)程中，仍難免會(huì)存在少量未被校正的差錯(cuò)。此外，DNA還會(huì)受到各種物理和化學(xué)因素的損傷。這些差錯(cuò)和損傷如果不被修復(fù)，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的細(xì)胞學(xué)后果生物細(xì)胞中形成了多種多樣的DNA修復(fù)系統(tǒng),第

2、一節(jié)　DNA的損傷,DNA損傷,正常DNA分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,化學(xué)結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu),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(lián),DNA與蛋白質(zhì)交聯(lián),,一、DNA的自發(fā)性損傷,E cloi,錯(cuò)配10-1—10-2,校正10-1０,,1、脫嘌呤和脫嘧啶,哺乳動(dòng)物,,2、堿基的脫氨基,3、堿基的互變異構(gòu),4、細(xì)胞正常代謝產(chǎn)物對(duì)DNA的損傷,8-氧鳥(niǎo)嘌呤,2-氧腺嘌呤,5-羥甲基尿嘧啶,二、物理因素

3、導(dǎo)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(lián)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(xué)因素導(dǎo)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(lián),單功能烷化劑：甲基磺酸甲酯,DNA鏈內(nèi)交聯(lián),DNA鏈間交聯(lián),2、烷化劑導(dǎo)致的DNA損傷,3、堿基類似物：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

4、物。如：5-溴尿嘧啶（與A或G配對(duì)）、 2-氨基嘌呤（與T或C配對(duì)）,DNA損傷的后果：①點(diǎn)突變、②缺失、③插入、④倒位或轉(zhuǎn)位、⑤雙鏈斷裂 對(duì)生物可能產(chǎn)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(xiàn)型；④發(fā)生了有利于物種生存的結(jié)果，使生物進(jìn)化。,第二節(jié)　DNA損傷的修復(fù),DNA損傷的修復(fù)：是指DNA受到損傷后，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)。DNA

5、是細(xì)胞中唯一具修復(fù)系統(tǒng)的生物大分子。,一、直接修復(fù)直接修復(fù)：指的是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。是生物體內(nèi)最簡(jiǎn)單的修復(fù)方式，屬于無(wú)差錯(cuò)直接修復(fù)。,（1）光修復(fù)或光復(fù)活：光修復(fù)：利用可見(jiàn)光能量將DNA中的嘧啶二聚體通過(guò)光解作用恢復(fù)為單體，從而恢復(fù)DNA正常結(jié)構(gòu)的DNA修復(fù)過(guò)程。這是最早發(fā)現(xiàn)的DNA修復(fù)方式。DNA中的嘧啶二聚體可通過(guò)可見(jiàn)光(300～600nm)的光解作用而恢復(fù)為單體。催化這一過(guò)程

6、的酶為光復(fù)活酶或光裂合酶。,基本步驟如圖所示：①此酶能特異性識(shí)別紫外線造成的核酸鏈上相鄰嘧啶共價(jià)結(jié)合的二聚體，并與其結(jié)合，這步反應(yīng)不需要光；②結(jié)合后如受300-600nm波長(zhǎng)的光照射，則光復(fù)活酶就被激活，將二聚體分解為兩個(gè)正常的嘧啶單體，③然后酶從DNA鏈上釋放，DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)。,（2）斷裂鏈的重接DNA單鏈斷裂是常見(jiàn)的損傷，其中一部分可僅由DNA連接酶參與而完全修復(fù)。此酶在各類生物各種細(xì)胞中都普遍存在，修復(fù)反應(yīng)容易進(jìn)行。但

7、雙鏈斷裂缺幾乎不能修復(fù)。,（3）直接插入嘌呤DNA鏈上嘌呤的脫落造成無(wú)嘌呤位點(diǎn)，能被DNA嘌呤插入酶識(shí)別結(jié)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(yán)格配對(duì)，使DNA完全恢復(fù)。,（4）烷基的轉(zhuǎn)移修復(fù)在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)有一種O6甲基鳥(niǎo)嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶，能直接將甲基從DNA鏈鳥(niǎo)嘌呤O6位上的甲基移到蛋白質(zhì)的半胱氨酸殘基上而修復(fù)損傷的DNA。這個(gè)酶的修復(fù)能力并不很強(qiáng)，但在低劑

8、量烷化劑作用下能誘導(dǎo)出此酶的修復(fù)活性。,二、切除修復(fù)： 切除修復(fù)：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，重新合成切去的部分，使DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)的過(guò)程。,修復(fù)的基本步驟： 識(shí)別——切除——修補(bǔ)——連接修復(fù)過(guò)程中需要多種酶；修復(fù)主要有兩種方式：堿基切除修復(fù)和核苷酸切除修復(fù)。,基本步驟如圖所示：①首先由核酸酶識(shí)別DNA的損傷位點(diǎn)，在損傷部位的5’側(cè)切開(kāi)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(bǔ)鏈為模板，按5’—3’方向DNA鏈，填補(bǔ)已切除的空隙。④由DNA連接酶將新合成的DNA片段與原來(lái)的DNA斷鏈連接起來(lái)。,三、錯(cuò)配修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)：按模板的遺傳信息來(lái)修復(fù)錯(cuò)配堿基的修復(fù)方式。錯(cuò)配堿基的修復(fù)會(huì)使復(fù)制的保真性提高102～103倍。現(xiàn)已在大腸桿菌、酵母和哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了這一系統(tǒng)。,修復(fù)時(shí)首先要區(qū)別模板鏈和新合成的DNA鏈，這是通過(guò)堿基的甲基化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

10、半甲基化DNA成為識(shí)別模板鏈和新合成鏈的基礎(chǔ)。錯(cuò)配修復(fù)發(fā)生在GATC的鄰近處，故這種修復(fù)也稱為甲基指導(dǎo)的錯(cuò)配修復(fù)。錯(cuò)配修復(fù)機(jī)制目前還不完全清楚。所有錯(cuò)配都可由這一系統(tǒng)修復(fù)，但其中以G－T錯(cuò)配修復(fù)更為有效，C－C錯(cuò)配的修復(fù)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(fù)制后修復(fù)在DNA損傷未被切除或修復(fù)的情況下使細(xì)胞恢復(fù)DNA復(fù)制，等到復(fù)制完成后再通過(guò)其他機(jī)理修復(fù)殘留的損傷，這種修復(fù)方式稱為復(fù)制后修復(fù)。,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。完整的另一條母鏈DNA與

12、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。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)。,重組修復(fù)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(fù)后合成的DNA分子是不帶有損傷的，但經(jīng)多次復(fù)制后，損傷就被“沖淡”了，在子代細(xì)胞中只有一個(gè)細(xì)胞是帶有損傷DNA的。,五、SOS修復(fù)“SOS”是

13、國(guó)際上通用的緊急呼救信號(hào)。SOS修復(fù)～是指DNA受到嚴(yán)重?fù)p傷或復(fù)制系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下細(xì)胞所采取的一種DNA修復(fù)方式。,當(dāng)DNA兩條鏈的損傷鄰近時(shí)，損傷不能被切除修復(fù)或重組修復(fù)。誘導(dǎo)產(chǎn)生一整套特殊DNA聚合酶──SOS修復(fù)酶類，催化空缺部位DNA的合成，補(bǔ)上去的核苷酸幾乎是隨機(jī)的，終于保持了DNA雙鏈的完整性，使細(xì)胞得以生存。但這種修復(fù)帶給細(xì)胞很高的突變率。,第三節(jié) 基因突變與生物進(jìn)化,基因突變：DNA分子堿基序列水平上發(fā)生的永

14、久、可遺傳的變化。人類遺傳性疾病已發(fā)現(xiàn)4000多種，其中不少與DNA修復(fù)缺陷有關(guān)，這些DNA修復(fù)缺陷的細(xì)胞表現(xiàn)出對(duì)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(fā)育,致死,有利生存和發(fā)育,生物學(xué)效應(yīng),生物群體的遺傳多樣性,遺傳性疾病,促進(jìn)生物進(jìn)化,生物個(gè)體發(fā)育過(guò)程中死亡,,3.1 突變的類型,1、堿基對(duì)的置換（substitution） 轉(zhuǎn)換(Transition)： 最普通的一種點(diǎn)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(duì)被AT對(duì)替換，或者相反。 顛換(Transversion)： 另一種不常見(jiàn)的點(diǎn)突變，嘌呤被嘧啶代替或者相反，如AT對(duì)變成了TA、CG對(duì)。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(diǎn)區(qū)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(duì)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(fā)生在密碼子的第三位堿基位置，但所編碼的氨基酸并沒(méi)改變，這種突變稱同義突變。,(2)、錯(cuò)義突變 基因編碼序列中堿基的置換發(fā)生在密碼子的第1或第2位堿基，導(dǎo)致密碼子改變，并編碼另一種氨基酸，這種突變稱錯(cuò)義突變。,(3)、無(wú)義突變： 指基因編碼序

17、列中堿基置換使氨基酸密碼子轉(zhuǎn)變?yōu)榻K止密碼子的突變稱為無(wú)義突變。,（4）、終止密碼子突變 指基因的終止密碼子發(fā)生堿基的置換轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N氨基酸密碼子，致使轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程不能正常終止，形成異常蛋白質(zhì)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(dǎo)致不能正常轉(zhuǎn)錄和翻譯，無(wú)表達(dá)產(chǎn)物的突變稱起始密碼子突變。,二、突變的意義1、突變是進(jìn)化的分子基礎(chǔ)2、突變可產(chǎn)生遺傳多樣性3、致死性突變可用于消滅有害病原體