第六章 DNA的損傷與修復

1、DNA的損傷與修復的損傷與修復The damage and repair of DNAn單個堿基的改變單個堿基的改變n雙螺旋結(jié)構的異常扭曲雙螺旋結(jié)構的異常扭曲DNA損傷的概念：損傷的概念：n修復修復DNA損傷的能力是生物能保持遺傳穩(wěn)定性損傷的能力是生物能保持遺傳穩(wěn)定性所在；所在；nDNA分子的變化并不是全部都能被修復成原樣分子的變化并不是全部都能被修復成原樣的，因此生物才會有變異、有進化。的，因此生物才會有變異、有進化。DNA損傷修復的重要性損傷修復的重要性5.1 DNA損傷的原因損傷的原因5.1.1 DNA分子自發(fā)性損傷分子自發(fā)性損傷1. DNA復制中的錯誤復制中的錯誤 堿基配對的錯誤概率約

2、為堿基配對的錯誤概率約為10-1_10-2；在；在DNA聚合酶聚合酶的校對作用下，錯配概率降到的校對作用下，錯配概率降到10-5_10-6 ； 再經(jīng)過再經(jīng)過DNA結(jié)合蛋白和其他因素作用下，錯配率仍結(jié)合蛋白和其他因素作用下，錯配率仍在在10-10。 （1）堿基的異構互變）堿基的異構互變 DNA每種堿基有幾種形式，稱互變異構體，每種堿基有幾種形式，稱互變異構體，異構體中原子的位置及原子之間的鍵有所不同。異構體中原子的位置及原子之間的鍵有所不同。 堿基各自的異構體間可以自發(fā)發(fā)生變化（烯堿基各自的異構體間可以自發(fā)發(fā)生變化（烯醇式與酮基間互變）醇式與酮基間互變）; A=C T=G 上述配對發(fā)生在上述配對

3、發(fā)生在DNA復制時，會造成子代復制時，會造成子代DNA序列與親代序列與親代DNA不同的錯誤損傷不同的錯誤損傷.同型異構體轉(zhuǎn)換同型異構體轉(zhuǎn)換= O -OH同型異構體轉(zhuǎn)換同型異構體轉(zhuǎn)換-NH2 -NH異構互變造成的復制損傷異構互變造成的復制損傷（2）堿基的脫氨基作用）堿基的脫氨基作用 堿基的環(huán)外氨基自發(fā)脫落，堿基的環(huán)外氨基自發(fā)脫落，C變?yōu)樽優(yōu)閁，A變?yōu)榇吸S變?yōu)榇吸S嘌呤（嘌呤（H ），），G變?yōu)辄S嘌呤（變?yōu)辄S嘌呤（X） 。 復制時，復制時，U與與A配對、配對、H和和X都與都與C配對會導致子代配對會導致子代DNA序列的錯誤變化。序列的錯誤變化。（3） 脫嘌呤與脫嘧啶脫嘌呤與脫嘧啶 (堿基丟失堿基丟失)

4、 自發(fā)水解使嘌呤和嘧啶從自發(fā)水解使嘌呤和嘧啶從DNA鏈的核糖磷酸骨架上脫落。鏈的核糖磷酸骨架上脫落。 哺乳類動物細胞，在哺乳類動物細胞，在30C下，下，20h內(nèi)內(nèi)DNA鏈自發(fā)脫落嘌呤鏈自發(fā)脫落嘌呤約約1000個，嘧啶約個，嘧啶約500個。個。（4）活性氧引起的堿基修飾與鏈斷裂）活性氧引起的堿基修飾與鏈斷裂 細胞呼吸的副產(chǎn)物細胞呼吸的副產(chǎn)物O2-, H2O2造成造成DNA損傷，產(chǎn)損傷，產(chǎn)生一些堿基修飾物（胸腺嘧啶乙二醇、羥甲基尿嘧生一些堿基修飾物（胸腺嘧啶乙二醇、羥甲基尿嘧啶等），還可引起啶等），還可引起DNA單鏈斷裂等損傷單鏈斷裂等損傷; 這些損失這些損失的積累可導致老化。的積累可導致老化。2

5、. 物理因素引起的物理因素引起的DNA損傷損傷（1）紫外線（）紫外線（UV）引起的）引起的DNA損傷損傷 DNA受到大劑量紫外線（受到大劑量紫外線（260nm）照射時，同一條鏈照射時，同一條鏈上相鄰的上相鄰的嘧啶以共價鍵連成二聚體嘧啶以共價鍵連成二聚體；TT, CC, CT之間都之間都可形成二聚體?？尚纬啥垠w。復制時，此處產(chǎn)生復制時，此處產(chǎn)生空耗過程，空耗過程，DNA不不能復制，細胞不能能復制，細胞不能分裂，導致凋亡。分裂，導致凋亡。紫外線引起的紫外線引起的DNA損傷損傷最易形成胸腺嘧啶二聚體（最易形成胸腺嘧啶二聚體（TT）（2）電輻射引起的）電輻射引起的DNA損傷損傷 堿基變化堿基變化 細

6、胞中的水經(jīng)輻射解離后產(chǎn)生大量細胞中的水經(jīng)輻射解離后產(chǎn)生大量OH-自由基，自由基，使使DNA鏈上的鏈上的堿堿基氧化修飾、形成過氧化物的、基氧化修飾、形成過氧化物的、導致導致堿堿基環(huán)的破壞和脫落等?；h(huán)的破壞和脫落等。 脫氧核糖變化脫氧核糖變化 脫氧核糖上的每個碳原子和羥基上的氫都能與脫氧核糖上的每個碳原子和羥基上的氫都能與OH-反應，導致脫氧核糖分解，最后會引起反應，導致脫氧核糖分解，最后會引起DNA鏈鏈斷裂。斷裂。 DNA鏈斷裂鏈斷裂 脫氧核糖破壞或磷酸二酯鍵斷開而導致脫氧核糖破壞或磷酸二酯鍵斷開而導致DNA鏈斷裂。鏈斷裂。一條鏈斷裂稱單鏈斷裂（一條鏈斷裂稱單鏈斷裂（single strand

7、 broken）；DNA雙鏈在同一處或相近處斷裂稱為雙鏈斷裂（雙鏈在同一處或相近處斷裂稱為雙鏈斷裂（double strand broken ） 膠聯(lián)膠聯(lián)（binding） 同一條同一條DNA鏈上或兩條鏈上或兩條DNA鏈上的鏈上的堿堿基間以共價鍵基間以共價鍵結(jié)合；結(jié)合；DNA與蛋白質(zhì)之間也以共價鍵相連；組蛋白、染與蛋白質(zhì)之間也以共價鍵相連；組蛋白、染色質(zhì)中的非組蛋白、調(diào)控蛋白、與復制和轉(zhuǎn)錄有關的酶色質(zhì)中的非組蛋白、調(diào)控蛋白、與復制和轉(zhuǎn)錄有關的酶都會與都會與DNA以共價鍵連接。以共價鍵連接。 膠聯(lián)膠聯(lián)是細胞受電離輻射后在顯微鏡下看到的染色體是細胞受電離輻射后在顯微鏡下看到的染色體畸變的分子基礎，

8、會影響細胞的功能和畸變的分子基礎，會影響細胞的功能和DNA復制。復制。輻射引起輻射引起DNADNA分子結(jié)構的多種變化分子結(jié)構的多種變化（2）烷基劑對）烷基劑對DNA的損傷的損傷（1）堿基類似物、修飾劑對）堿基類似物、修飾劑對DNA的損傷的損傷（3）嵌合劑對）嵌合劑對DNA的損傷。的損傷。 3. 化學因素引起的化學因素引起的DNA損傷損傷(1) 堿基類似物對堿基類似物對DNA的損傷的損傷 某些化學物質(zhì)和正常的堿基在結(jié)構上類似，有時會替代某些化學物質(zhì)和正常的堿基在結(jié)構上類似，有時會替代正常堿基而摻入正常堿基而摻入DNA分子，一旦這些堿基類似物進人分子，一旦這些堿基類似物進人DNA后，由于它們的配對

9、能力不同于正常堿基，便引起后，由于它們的配對能力不同于正常堿基，便引起DNA復制復制過程中其對應位置上插入不正確堿基。過程中其對應位置上插入不正確堿基。 例如例如 5-5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（BUBU）和）和 5-5-溴脫氧尿嘧啶（溴脫氧尿嘧啶（BrdUBrdU）是）是T T結(jié)結(jié)構類似物。細菌在含構類似物。細菌在含BUBU的培養(yǎng)基中培養(yǎng)時，部分的培養(yǎng)基中培養(yǎng)時，部分DNADNA中的中的T T被被BUBU取代，取代，BUBU有兩種互變異構體，一種是酮式結(jié)構（第有兩種互變異構體，一種是酮式結(jié)構（第6 6位上有一個位上有一個酮基），它可以代替酮基），它可以代替T T而摻入而摻入DNADNA，并與，并

10、與A A配對；當配對；當BUBU發(fā)生互變異發(fā)生互變異構成為烯醇式（第構成為烯醇式（第6 6位上是一個羥基）后，就容易和位上是一個羥基）后，就容易和G G配對。配對。 通常以酮式存在，有時也以烯醇式存在。當通常以酮式存在，有時也以烯醇式存在。當BUBU先以酮式摻先以酮式摻入入DNADNA，繼而又變成烯醇式時，進一步復制使，繼而又變成烯醇式時，進一步復制使DNADNA中中 A- TA- T對變成對變成 G- CG- C對。同樣道理也引起對。同樣道理也引起 G- CG- C向向 A- TA- T的轉(zhuǎn)換，的轉(zhuǎn)換，BUBU可以使細菌可以使細菌的突變率提高近萬倍。的突變率提高近萬倍。 除除BU外，還有外，

11、還有5-溴脫氧尿苷、溴脫氧尿苷、5-氟尿嘧啶、氟尿嘧啶、5-氯尿嘧氯尿嘧啶及它們的脫氧核苷。啶及它們的脫氧核苷。 另一種被廣泛應用的堿基類似物是另一種被廣泛應用的堿基類似物是2-氨基嘌呤（氨基嘌呤（2-AP），是一種腺嘌呤），是一種腺嘌呤A類似物，可和胸腺嘧啶類似物，可和胸腺嘧啶T配對?？膳鋵??？稍俸桶奏ぴ俸桶奏 配對，配對，產(chǎn)生產(chǎn)生A-T 、G-C的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換，或，或2-AP以和以和胞嘧啶胞嘧啶C 配對形式進入配對形式進入DNA后再和胸腺嘧啶后再和胸腺嘧啶T 配對后產(chǎn)生配對后產(chǎn)生G-C、A-T的轉(zhuǎn)換。的轉(zhuǎn)換。(2) 烷化劑引起的烷化劑引起的DNA損傷（特異性錯配）損傷（特異性錯配） 某

12、些誘變劑不摻入某些誘變劑不摻入DNA，而通過改變堿基的結(jié)構從而引起，而通過改變堿基的結(jié)構從而引起特異性錯配，如烷化劑（是一類親電子的化合物，具有一個或特異性錯配，如烷化劑（是一類親電子的化合物，具有一個或多個活性烷基）。它們的誘變作用是使多個活性烷基）。它們的誘變作用是使DNA中的堿基烷化。中的堿基烷化。 活性烷基不穩(wěn)定，能轉(zhuǎn)移到其他分子的電子密度較高的位活性烷基不穩(wěn)定，能轉(zhuǎn)移到其他分子的電子密度較高的位置上，并置換其中的氫原子，使其成為不穩(wěn)定的物質(zhì)。置上，并置換其中的氫原子，使其成為不穩(wěn)定的物質(zhì)。 烷化劑的種類很多，常見的有甲磺酸乙酯（烷化劑的種類很多，常見的有甲磺酸乙酯（EMS）、亞硝）、

13、亞硝基胍（基胍（NG）和芥子氣等。）和芥子氣等。 EMS能使鳥嘌呤的能使鳥嘌呤的 N位置上有乙基，成為位置上有乙基，成為7一乙基鳥嘌一乙基鳥嘌呤。與胸腺嘧啶配對，故呤。與胸腺嘧啶配對，故能使能使G-C轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成A-T。 烷化劑的另一作用是烷化劑的另一作用是脫嘌呤脫嘌呤。例如烷基在鳥嘌呤。例如烷基在鳥嘌呤N位上位上活化糖苷鍵引起斷裂，使嘌呤從活化糖苷鍵引起斷裂，使嘌呤從DNA鏈上脫掉，產(chǎn)生缺口。鏈上脫掉，產(chǎn)生缺口。復制時，與缺口對應的位點上可能配上任一堿基，從而引復制時，與缺口對應的位點上可能配上任一堿基，從而引起轉(zhuǎn)換或顛換；而且去嘌呤后的起轉(zhuǎn)換或顛換；而且去嘌呤后的DNA容易發(fā)生斷裂，引起容

14、易發(fā)生斷裂，引起缺失或其他突變。缺失或其他突變。(3) 嵌合劑的致突變作用。嵌合劑的致突變作用。 嵌合染料是另一類重要的嵌合染料是另一類重要的DNA修飾劑。包括丫啶橙修飾劑。包括丫啶橙（acridine orange）、原黃素（）、原黃素（proflavin）、叮黃素）、叮黃素（acriflavine）等染料。）等染料。 這些試劑為平面分子，其分子大小與堿基對大小差不這些試劑為平面分子，其分子大小與堿基對大小差不多，可以嵌入到多，可以嵌入到DNA雙鏈堿基對之間，在嵌入位置上引起雙鏈堿基對之間，在嵌入位置上引起單個堿基對的插入或缺失突變。嵌合染料也能嵌入單鏈單個堿基對的插入或缺失突變。嵌合染料也

15、能嵌入單鏈DNA的堿基之間，這些突變都會引起閱讀框的改變，造成的堿基之間，這些突變都會引起閱讀框的改變，造成移碼突變。移碼突變。概念：概念： 由各種誘變劑誘發(fā)的由各種誘變劑誘發(fā)的DNA的突變。每一種誘變劑有其對的突變。每一種誘變劑有其對應的特異性（如對應的特異性（如對G-C，A-T轉(zhuǎn)換）和對特定的突變位點的轉(zhuǎn)換）和對特定的突變位點的偏好，例如：甲磺酸乙酯（偏好，例如：甲磺酸乙酯（EMS）和紫外線（）和紫外線（UV）“偏好偏好” G-C， A-T轉(zhuǎn)換，黃曲霉素轉(zhuǎn)換，黃曲霉素B1（AFB1）則偏好于）則偏好于C-G，A-T顛換。顛換。 誘變機制：誘變機制：誘變劑通過誘變劑通過3種機制誘發(fā)突變：取代

16、種機制誘發(fā)突變：取代DNA中的一個堿基；中的一個堿基；改變一個堿基使之發(fā)生錯配；破壞一個堿基使之在正常情況改變一個堿基使之發(fā)生錯配；破壞一個堿基使之在正常情況下無法配對。下無法配對。4. 誘發(fā)突變誘發(fā)突變誘發(fā)突變與人類的癌癥誘發(fā)突變與人類的癌癥 黃曲霉素（黃曲霉素（AFB）引起肝癌，紫外線（）引起肝癌，紫外線（UV）照射）照射會導致皮膚癌。會導致皮膚癌。 腫瘤抑制基因是一種編碼抑制腫瘤形成的蛋白質(zhì)腫瘤抑制基因是一種編碼抑制腫瘤形成的蛋白質(zhì)基因。如果發(fā)生突變則會致癌。對南非和東亞肝癌病基因。如果發(fā)生突變則會致癌。對南非和東亞肝癌病人的人的P53基因的分析發(fā)現(xiàn)，基因的分析發(fā)現(xiàn)，AFB特異性誘導特異

17、性誘導GT顛換，顛換，引起引起P53發(fā)生突變，而在同一地區(qū)的肺癌、腸癌和乳發(fā)生突變，而在同一地區(qū)的肺癌、腸癌和乳腺癌的病人中未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。腺癌的病人中未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。黃曲霉素黃曲霉素B1（aflatoxin B1，AFB1） 一種很強的致癌劑。一種很強的致癌劑。 在鳥嘌呤在鳥嘌呤 N7位置上形成一加成復合物后產(chǎn)生無嘌呤位位置上形成一加成復合物后產(chǎn)生無嘌呤位點。修復要求點。修復要求SOS系統(tǒng)參與。系統(tǒng)參與。SOS越過無嘌呤位點并在這些位越過無嘌呤位點并在這些位點對應處選擇性插入腺嘌呤，使鳥嘌呤殘基脫嘌呤的試劑偏向點對應處選擇性插入腺嘌呤，使鳥嘌呤殘基脫嘌呤的試劑偏向于產(chǎn)生于產(chǎn)生G-C T-A顛換。

18、顛換。 現(xiàn)代生活環(huán)境使人可能接觸各種各樣藥品、化妝品、食物現(xiàn)代生活環(huán)境使人可能接觸各種各樣藥品、化妝品、食物防腐劑、殺蟲劑、工業(yè)用試劑、污染物等，其中很多化合物已防腐劑、殺蟲劑、工業(yè)用試劑、污染物等，其中很多化合物已被證明具有致癌性質(zhì)。被證明具有致癌性質(zhì)。研究表明在研究表明在175種已知的致癌劑中，有種已知的致癌劑中，有157種是誘變劑。這種是誘變劑。這些物質(zhì)是通過誘導體細胞突變而致癌的。例如食物防腐劑些物質(zhì)是通過誘導體細胞突變而致癌的。例如食物防腐劑AF-2。食物熏蒸劑二溴乙烯、抗血吸蟲藥物、多種染發(fā)添加劑以及工食物熏蒸劑二溴乙烯、抗血吸蟲藥物、多種染發(fā)添加劑以及工業(yè)化合物氯乙烯等都具致癌性

19、。業(yè)化合物氯乙烯等都具致癌性。因而要靠科學治理環(huán)境，保護環(huán)境就是保護人類自身。因而要靠科學治理環(huán)境，保護環(huán)境就是保護人類自身。 5.1.2 DNA損傷的后果損傷的后果導致導致DNA分子結(jié)構變化（亦即發(fā)生突變）分子結(jié)構變化（亦即發(fā)生突變）生物體在表型上突變生物體在表型上突變1. 突變類型突變類型(1) 點突變（點突變（point mutation）DNA單一堿基的變異單一堿基的變異轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換（transition）：）：嘌呤與嘌呤、嘧啶與嘧啶之間替換嘌呤與嘌呤、嘧啶與嘧啶之間替換顛換（顛換（transvertion）：）：嘌呤與嘧啶之間的替代嘌呤與嘧啶之間的替代突變的多方向性和復等位基因突變的多

20、方向性和復等位基因 一個基因內(nèi)有很多突變位點，所以，一個基因的突變也有一個基因內(nèi)有很多突變位點，所以，一個基因的突變也有多方向性，從而導致一個基因可以有兩個以上的等位形式多方向性，從而導致一個基因可以有兩個以上的等位形式復等位基因。復等位基因。(2) 缺失（缺失（deletion）/ 插入插入（insertion）DNA鏈上一個或一段核苷酸的消失或加入。鏈上一個或一段核苷酸的消失或加入。移碼突變（移碼突變（frame-shift mutation）： 例如在例如在 E.coli的的lacl基因中發(fā)現(xiàn)一種基因中發(fā)現(xiàn)一種 4個堿基序列個堿基序列(CTGG)在野生型中連續(xù)重復了在野生型中連續(xù)重復了

21、3次。次。J. Miller等人研究了這個基因突變等人研究了這個基因突變熱點（熱點（hot Spots）產(chǎn)生的原因。發(fā)現(xiàn)某些熱點是由重復序列引）產(chǎn)生的原因。發(fā)現(xiàn)某些熱點是由重復序列引起的。所謂熱點即一個基因中比其他位點更容易發(fā)生突變的位起的。所謂熱點即一個基因中比其他位點更容易發(fā)生突變的位點。點。 由于插入或缺失突變引起由于插入或缺失突變引起DNA的閱讀框（的閱讀框（ORF）發(fā)生改）發(fā)生改變，從而產(chǎn)生不同蛋白質(zhì)的過程。變，從而產(chǎn)生不同蛋白質(zhì)的過程。(3) 倒位倒位 (inversion) 或轉(zhuǎn)位（或轉(zhuǎn)位（translocation） DNA重組使其中一段核苷酸倒置，或從一處遷移到另一處。重組使

22、其中一段核苷酸倒置，或從一處遷移到另一處。(4) 雙鏈斷裂雙鏈斷裂2. 突變后果突變后果（1）致死性）致死性: 突變發(fā)生在對生命至關重要的基因上，突變發(fā)生在對生命至關重要的基因上，可導致個體或細胞的死亡?？蓪е聜€體或細胞的死亡。致死突變：嚴重影響生物體生活力，導致個致死突變：嚴重影響生物體生活力，導致個體死亡的突變。體死亡的突變?？煞譃轱@性致死突變（雜合態(tài)即可致死）和可分為顯性致死突變（雜合態(tài)即可致死）和隱性致死突變（純合態(tài)才致死）。隱性致死突變（純合態(tài)才致死）。（2）基因功能的改變）基因功能的改變 突變是某些疾病的發(fā)病基礎突變是某些疾病的發(fā)病基礎 包括遺傳病、腫瘤及有遺傳傾向的病。包括遺傳病

23、、腫瘤及有遺傳傾向的病。 有些已知其遺傳缺陷所在。有些已知其遺傳缺陷所在。 但大多數(shù)尚在研究中。但大多數(shù)尚在研究中。 突變影響生物的代謝過程，導致一個特定生突變影響生物的代謝過程，導致一個特定生化功能的改變或喪失。如微生物的營養(yǎng)缺陷型?；δ艿母淖兓騿适?。如微生物的營養(yǎng)缺陷型。 突變導致生物體外觀上可見的形態(tài)結(jié)突變導致生物體外觀上可見的形態(tài)結(jié)構的改變。例如果蠅的紅眼構的改變。例如果蠅的紅眼白眼突變：白眼突變：（3）突變導致基因型改變）突變導致基因型改變: 這種突變只有基因型的改變，而沒有可察覺的表這種突變只有基因型的改變，而沒有可察覺的表型改變。型改變。多態(tài)性多態(tài)性 (polymorphism

24、)： 是用來描述個體之間的基因型差別現(xiàn)象。利用是用來描述個體之間的基因型差別現(xiàn)象。利用DNA多態(tài)性分析技術，可識別個體差異和種、株間差多態(tài)性分析技術，可識別個體差異和種、株間差異。異。 控制一些次要性狀基因即使發(fā)生突變，也不會影控制一些次要性狀基因即使發(fā)生突變，也不會影響生物的正常生理活動，仍能保持其正常的生活力和響生物的正常生理活動，仍能保持其正常的生活力和繁殖力，為自然選擇保留下來。繁殖力，為自然選擇保留下來。突變是進化、分化的分子基礎突變是進化、分化的分子基礎:進化過程是突變的不斷發(fā)生所造成的。沒進化過程是突變的不斷發(fā)生所造成的。沒有突變就沒有今天的五彩繽紛的世界。有突變就沒有今天的五彩

25、繽紛的世界。遺傳學家認為：沒有突變就不會有遺傳學。遺傳學家認為：沒有突變就不會有遺傳學。大量的突變都屬于由遺傳過程自然發(fā)生的，大量的突變都屬于由遺傳過程自然發(fā)生的，叫自發(fā)突變或自然突變（叫自發(fā)突變或自然突變（spontaneous mutation）。）。5.2 DNA突變修復機制突變修復機制1. 尿嘧啶糖基酶系統(tǒng)（復制錯誤的修復）尿嘧啶糖基酶系統(tǒng)（復制錯誤的修復）現(xiàn)象：現(xiàn)象：U和和A在復制中配對在復制中配對 C自發(fā)脫氨基氧化而生成自發(fā)脫氨基氧化而生成U修復機制：尿嘧啶修復機制：尿嘧啶N糖基酶系統(tǒng)糖基酶系統(tǒng)參與的酶：參與的酶：尿嘧啶尿嘧啶N糖基酶糖基酶 AP內(nèi)切核酸酶內(nèi)切核酸酶 (AP end

26、onucleases ) DNA聚合酶聚合酶 II DNA連接酶連接酶脫嘌呤脫嘌呤/ 嘧啶位點（嘧啶位點（AP 位點位點) 修復機制：修復機制：尿嘧啶尿嘧啶N糖基酶系統(tǒng)糖基酶系統(tǒng)2. 錯配修復系統(tǒng)（錯配修復系統(tǒng)（mismatch repair system） 現(xiàn)象：復制中的錯配；現(xiàn)象：復制中的錯配； A的甲基化是錯配修復系統(tǒng)的識別標記的甲基化是錯配修復系統(tǒng)的識別標記 GA*TC；沿著新生沿著新生DNA鏈，有一個甲基化梯度，靠近復制叉程度鏈，有一個甲基化梯度，靠近復制叉程度最小，親本鏈甲基化程度高且均一最小，親本鏈甲基化程度高且均一修復機制：修復機制： 錯配修復系統(tǒng)錯配修復系統(tǒng)參與的酶：參與的酶

27、： 錯配矯正酶錯配矯正酶 DNA聚合酶聚合酶 DNA連接酶連接酶修復機制：錯配修復系統(tǒng)修復機制：錯配修復系統(tǒng)修復機制：修復機制：錯配修復系統(tǒng)錯配修復系統(tǒng)DNA的半甲基化的半甲基化 光修復（光修復（photoreactivation） （主要對胸腺嘧啶二聚體而言）（主要對胸腺嘧啶二聚體而言）修復機制：在修復機制：在可見光可見光（300 600nm）活化之下，由光復活酶活化之下，由光復活酶（ photo reactivating enzyme， PR）催化胸腺嘧啶二聚體分解為催化胸腺嘧啶二聚體分解為單體。單體。參與的酶：光復活酶（參與的酶：光復活酶（PR） 光復活酶修復：波長光復活酶修復：波長40

28、0400nmnm可見光激活可見光激活 光復活是針對紫外線引起光復活是針對紫外線引起DNA損傷而形成的胸損傷而形成的胸腺嘧啶二聚體，在損傷部位進行修復的修復途徑。腺嘧啶二聚體，在損傷部位進行修復的修復途徑。光復活作用在可見光的活化下，由光復活酶，又稱光復活作用在可見光的活化下，由光復活酶，又稱光解酶催化胸腺嘧啶二聚體分解成為單體。光解酶催化胸腺嘧啶二聚體分解成為單體。 PR酶先與酶先與DNA鏈上的胸腺嘧啶二聚體結(jié)合成鏈上的胸腺嘧啶二聚體結(jié)合成復合物；復合物以某種方式吸收可見光，并利用光復合物；復合物以某種方式吸收可見光，并利用光能切斷二聚體之間的兩個能切斷二聚體之間的兩個C-C鍵，使胸腺嘧啶二聚

29、鍵，使胸腺嘧啶二聚體變?yōu)閮蓚€單體，恢復正常，而后體變?yōu)閮蓚€單體，恢復正常，而后PR酶就從酶就從DNA上解離下來。上解離下來。過去認為，光復活酶存在于細菌和低等真核生物體內(nèi)。研過去認為，光復活酶存在于細菌和低等真核生物體內(nèi)。研究發(fā)現(xiàn)在鳥類和有袋類中也有存在。究發(fā)現(xiàn)在鳥類和有袋類中也有存在。 BMSutherland（1974）報道，在人類白細胞中發(fā)現(xiàn)光）報道，在人類白細胞中發(fā)現(xiàn)光復活酶。隨后發(fā)現(xiàn)存在于人類的成纖維細胞和淋巴細胞中。說復活酶。隨后發(fā)現(xiàn)存在于人類的成纖維細胞和淋巴細胞中。說明這種酶在生物界分布廣泛，這一修復機制在哺乳動物中也起明這種酶在生物界分布廣泛，這一修復機制在哺乳動物中也起重要

30、作用。重要作用。 在在Ecoli中，光復活酶（中，光復活酶（471aa ）是由）是由Phr基因編碼，酶基因編碼，酶在暗處不能起作用，還需要其他的酶來修復在暗處不能起作用，還需要其他的酶來修復 UV損傷。在植物和損傷。在植物和果蠅中也發(fā)現(xiàn)能逆轉(zhuǎn)果蠅中也發(fā)現(xiàn)能逆轉(zhuǎn)6-4光生成物的光解酶。光復活的修復功能光生成物的光解酶。光復活的修復功能雖然普遍存在，但主要是原核生物中的一種修復方式。雖然普遍存在，但主要是原核生物中的一種修復方式。4. 切除修復切除修復 (excision repair) “切補切封切補切封” 一種一種修復內(nèi)切酶修復內(nèi)切酶識別胸腺嘧啶二聚體，并在二聚體識別胸腺嘧啶二聚體，并在二聚體

31、前的糖磷酸骨架上作一切口；前的糖磷酸骨架上作一切口； Pol II 在在3OH末端聚合一條新的末端聚合一條新的DNA鏈，并同時鏈，并同時置換掉大約置換掉大約20個核苷酸的個核苷酸的DNA片段；片段； DNA連接酶封合新合成的連接酶封合新合成的DNA片段和原有片段和原有DNA鏈間鏈間的切割。的切割。修復機制：修復機制：“切補切封切補切封” 切除修復（切除修復（excision repair）也稱核苷酸外切修）也稱核苷酸外切修復，此系統(tǒng)在幾種酶的協(xié)同作用下，先在損傷的任復，此系統(tǒng)在幾種酶的協(xié)同作用下，先在損傷的任一端打開磷酸二酯鍵，然后外切掉一段寡核苷酸；一端打開磷酸二酯鍵，然后外切掉一段寡核苷酸

32、；留下的缺口由修復性合成來填補，再由連接酶連接。留下的缺口由修復性合成來填補，再由連接酶連接。 由于這些酶的作用不需可見光激活，也叫由于這些酶的作用不需可見光激活，也叫暗修暗修復復。切除修復不僅能消除由紫外線引起的損傷，也。切除修復不僅能消除由紫外線引起的損傷，也能消除由電離輻射和化學誘變劑引起的其他損傷。能消除由電離輻射和化學誘變劑引起的其他損傷。切除修復一般發(fā)生在下一輪切除修復一般發(fā)生在下一輪DNA復制之前，又稱復制之前，又稱復復制前復制制前復制。5. 重組修復（重組修復（recombination repair ) 這是一種越過損傷部位進行修復的途徑。重組修復這是一種越過損傷部位進行修復

33、的途徑。重組修復（recombinational repair）是對尚未修復的損傷）是對尚未修復的損傷 DNA先復先復制再修復，又稱制再修復，又稱復制后修復復制后修復。 以胸腺嘧啶二聚體為例，含有二聚體的以胸腺嘧啶二聚體為例，含有二聚體的DNA仍可進行復仍可進行復制，但復制到二聚體時要暫停一下，然后越過此處障礙，制，但復制到二聚體時要暫停一下，然后越過此處障礙，在二聚體的后面又以未知的機制開始復制，這種起始復制在二聚體的后面又以未知的機制開始復制，這種起始復制可能不需引發(fā)。可能不需引發(fā)。 這樣在合成的子鏈上留下一個大缺口，而其互補鏈則復這樣在合成的子鏈上留下一個大缺口，而其互補鏈則復制成完整的

34、雙鏈。然后由完整雙鏈中的母鏈與帶缺口的子制成完整的雙鏈。然后由完整雙鏈中的母鏈與帶缺口的子鏈發(fā)生重組。鏈發(fā)生重組。重組修復重組修復 重組修復中最重要的一步是重組。重組修復中最重要的一步是重組。 大腸桿菌中，當大腸桿菌中，當DNA受到損傷（形成嘧啶二受到損傷（形成嘧啶二聚體時）能誘導產(chǎn)生一種重組蛋白，重組修復中聚體時）能誘導產(chǎn)生一種重組蛋白，重組修復中的重組是在這種蛋白的參與下進行的。的重組是在這種蛋白的參與下進行的。 它的精確性較低，所以重組修復易產(chǎn)生差錯，它的精確性較低，所以重組修復易產(chǎn)生差錯，從而引起突變從而引起突變, 所以又叫所以又叫突變型修復突變型修復。 前面所說的光復活修復和切除修復

35、則被認為前面所說的光復活修復和切除修復則被認為是是無誤差的修復過程無誤差的修復過程。6. SOS修復（應急反應）修復（應急反應）特點：一種旁路系統(tǒng)，允許新生特點：一種旁路系統(tǒng)，允許新生DNA鏈越過胸腺嘧啶鏈越過胸腺嘧啶 二聚體而生長；二聚體而生長； 保真度降低；保真度降低； “好死不如賴活著好死不如賴活著”SOS系統(tǒng)只在細胞受到嚴重損傷或復制系統(tǒng)受到抑制系統(tǒng)只在細胞受到嚴重損傷或復制系統(tǒng)受到抑制時才出現(xiàn)時才出現(xiàn) 參與的酶：參與的酶：recA酶酶 LexA酶酶 這個系統(tǒng)是在這個系統(tǒng)是在DNA分子受到大范圍的損傷情況下分子受到大范圍的損傷情況下防止細胞死亡而誘導出的一種應急措施，是使細胞通防止細胞

36、死亡而誘導出的一種應急措施，是使細胞通過一定水平的變異來換取最后幸存手段。過一定水平的變異來換取最后幸存手段。 借用國際通用的緊急呼救信號（借用國際通用的緊急呼救信號（save our souls）“SOS”命名，表示細胞受到危急狀態(tài)時的修復方式。命名，表示細胞受到危急狀態(tài)時的修復方式。 SOS反應的起始：反應的起始：v是通過是通過RecA的活化而引起。的活化而引起。v誘導信號誘導信號: 可能由可能由DNA釋放出的小分子組成的，或者是釋放出的小分子組成的，或者是DNA本身某些結(jié)構變化。本身某些結(jié)構變化。vLexA是一種小分子蛋白（是一種小分子蛋白（22KDa），具有蛋白酶活性，），具有蛋白酶活

37、性，是很多操縱子的阻遏物。是很多操縱子的阻遏物。 vRecA的激活導致的激活導致LexA的基因產(chǎn)物的剪切。的基因產(chǎn)物的剪切。vLexA被被RecA激活后又可導致激活后又可導致LexA自我催化引起自身的裂自我催化引起自身的裂解，這樣解，這樣LexA的阻遏功能失去了活性，并且同時誘導了的阻遏功能失去了活性，并且同時誘導了它所結(jié)合的操縱子。它所結(jié)合的操縱子。 和和SOSSOS反應有關的基因，包括反應有關的基因，包括RecARecA，lexA, UvrA, UvrB, umuC lexA, UvrA, UvrB, umuC 和和 himAhimA。RecARecA也觸發(fā)細胞中其它靶物質(zhì)的剪切，包括各種

38、原噬菌體的阻遏蛋白。也觸發(fā)細胞中其它靶物質(zhì)的剪切，包括各種原噬菌體的阻遏蛋白。 NoImage圖圖 SOS修復修復 由于由于SOS修復是一種錯誤修復，修復是一種錯誤修復，SOS系統(tǒng)可造成系統(tǒng)可造成很高的突變率，在哺乳動物中也有類似機制，可能與很高的突變率，在哺乳動物中也有類似機制，可能與癌變有關，因此受到高度重視，對于其修復的機制還癌變有關，因此受到高度重視，對于其修復的機制還有許多問題有待于進一步研究。有許多問題有待于進一步研究。5.3 限制與修飾（限制與修飾（restriction and modification） 50年代初發(fā)現(xiàn)細菌能將外來年代初發(fā)現(xiàn)細菌能將外來DNA片段在某些專片段在

39、某些專一位點上切斷，從而保證其不為外來噬菌體所感染，一位點上切斷，從而保證其不為外來噬菌體所感染，而其自身的染色體而其自身的染色體DNA由于被一種特殊的酶所修飾由于被一種特殊的酶所修飾而得以保護，這種現(xiàn)象叫做限制修飾而得以保護，這種現(xiàn)象叫做限制修飾 。實實 驗：驗： 從從3種不同菌株繁殖出來的噬菌體后代，接種到種不同菌株繁殖出來的噬菌體后代，接種到同樣菌株，接種率達同樣菌株，接種率達100； 如接種到不同菌株上，情況便不同；如接種到不同菌株上，情況便不同； k在在B株株上接種效率只有上接種效率只有10-4，B在在 k株上也只有株上也只有10-4； 如將生存下來的噬菌體接種到第一輪同樣的菌如將生

40、存下來的噬菌體接種到第一輪同樣的菌株中，如株中，如k B B, 則接種效率為則接種效率為100。 本世紀本世紀50年代初年代初，以，以Arber等人對等人對噬菌體在大腸桿菌不噬菌體在大腸桿菌不同菌株上的平板培養(yǎng)效應的研究為基礎，發(fā)現(xiàn)了原核生物體內(nèi)同菌株上的平板培養(yǎng)效應的研究為基礎，發(fā)現(xiàn)了原核生物體內(nèi)存在著寄生控制的限制存在著寄生控制的限制(restriction)和修飾和修飾(modification)系統(tǒng)。系統(tǒng)。restriction and modification推論：推論： 含有一種限制修復系統(tǒng)，限制酶能夠?qū)⑼鈦砗幸环N限制修復系統(tǒng)，限制酶能夠?qū)⑼鈦鞤NA切斷；切斷；修飾酶（甲基化酶）

41、通過將自身腺嘌呤甲基化，或?qū)仔揎椕福谆福┩ㄟ^將自身腺嘌呤甲基化，或?qū)奏ぜ谆瘜ψ陨磬ぜ谆瘜ψ陨鞤NA進行修飾，因此不會將自身進行修飾，因此不會將自身DNA降解降解掉；掉； 當外來噬菌體進入大腸桿菌后，絕大部分被限制酶所降當外來噬菌體進入大腸桿菌后，絕大部分被限制酶所降解，極少數(shù)被甲基化酶所修飾而幸存下來；修飾后的噬菌解，極少數(shù)被甲基化酶所修飾而幸存下來；修飾后的噬菌體再進入大腸桿菌，不會被降解。體再進入大腸桿菌，不會被降解。細菌為對付外來細菌為對付外來DNA和保護自己和保護自己DNA而演化來的。而演化來的。1968年年Smith等人從流感嗜血桿菌株中分離出兩個類內(nèi)切酶，等人從流

42、感嗜血桿菌株中分離出兩個類內(nèi)切酶，Hind II和和Hind III，為基因工程技術的誕生奠定了基礎。，為基因工程技術的誕生奠定了基礎。 自己自己DNA: 限制模式相同的限制模式相同的DNA。包括同株系的不同個體。包括同株系的不同個體DNA、寄生于其中的質(zhì)粒和噬菌體。、寄生于其中的質(zhì)粒和噬菌體。 居民居民DNA(resident DNA)：同一個細胞內(nèi)的不同類型的：同一個細胞內(nèi)的不同類型的DNA，包括細胞包括細胞DNA，質(zhì)粒，質(zhì)粒DNA，噬菌體，噬菌體DNA等。等。三類限制性內(nèi)切酶：三類限制性內(nèi)切酶：按照亞基組成、酶切位置、識別位點、輔按照亞基組成、酶切位置、識別位點、輔助因子等因素劃分助因子等因素劃分I類限制性內(nèi)切酶的特點類限制性內(nèi)切酶的特點v1） I類限制性內(nèi)切酶是異源多聚體，包含三個亞基類限制性內(nèi)切酶是異源多聚體，包含三個亞基R、M和和S，其功能分別為限制性內(nèi)切酶、甲基化酶和其功能分別為限制性內(nèi)切酶、甲基化酶和DNA特異位點識別。特異位點識別。v2） I類限制性內(nèi)切酶與類限制性內(nèi)切酶與DNA結(jié)合依賴結(jié)合依賴M亞基與輔助因子亞基與輔助因子S-腺腺苷甲硫氨酸（苷甲硫氨酸（SAM）的