第五章 DNA的損傷、修復(fù)和突變

第五章DNA損傷、修復(fù)和突變第四節(jié)突變類型第五節(jié)回復(fù)突變(抑制突變)第六節(jié)突變劑和突變生成概述：損傷因素及其類型第一節(jié)復(fù)制過程中的錯配修復(fù)第二節(jié)損傷修復(fù)第三節(jié)限制和修飾引起損傷的因素:?自發(fā)性損傷(復(fù)制中的損傷、堿基的自發(fā)性化學(xué)改變、自發(fā)脫堿基、

細(xì)胞的代謝產(chǎn)物對DNA的損傷)?物理因素引起的損傷(電離輻射、紫外線)?化學(xué)因素引起的損傷（烷化劑、堿基類似物）引起損傷的類型：堿基脫落、堿基（或核苷）改變、錯誤堿基（堿基的取代）、堿基的插入或缺失、鏈的斷裂、鏈交聯(lián)（鏈內(nèi)、鏈間）、嘧啶二聚體等等廣義的修復(fù)系統(tǒng)：?

DNA聚合酶的校對功能(復(fù)制的范疇)?尿嘧啶-N-糖苷酶修復(fù)系統(tǒng)（復(fù)制時U的滲入、C脫氨氧化成U）?錯配修復(fù)系統(tǒng)?損傷修復(fù)系統(tǒng)(光復(fù)活、重組修復(fù)、SOS修復(fù)等)★限制修飾系統(tǒng)-----對付外源DNA的入侵第一節(jié)復(fù)制過程中的錯配的修復(fù)+

-----A------

------C---DNA

mismatch

DNApol

(ξ

=

10-8)

經(jīng)第二次校正ξ

=

10-11MismatchRepairSystem)1、錯配修復(fù)堿基來源：校正活性所漏校的堿基，使復(fù)制的保真性提高102～103倍

錯配修復(fù)

系統(tǒng)(MRSHelicaseSSB外切核酸酶

(Ⅰ和Ⅶ)連接酶dam

geneDNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)DNA

polymerase錯配修復(fù)蛋白：

3

subunits

mutH,

L,

S

識別新生鏈中非m6A的GATC序列

掃描新生鏈中錯配堿基

酶切含錯配堿基的新生DNA區(qū)段2、錯配修復(fù)系統(tǒng)（Mismatch

repair

system）

（1）組成★DNA合成過程中的甲基化變化DNA中的GATC(palindromic

seq.)為m6A甲基化敏感位點平均每2kb（44=256）左右有一GATC

seq.錯配修復(fù)系統(tǒng)受甲基化的引導(dǎo)b、甲基化程度的差異，MutH在新生鏈上造成一個切口a、

MutS/MutH分別掃描識別錯配堿基和鄰近的GATC序列c、DNAhelicase

II（UvrD）,SSB,

exonuclease

I(5’)去除包括錯配堿基的片段e、DNApolymerase

III

和DNA

ligase

填充缺口（2）修復(fù)過程MutS-DNA復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)ATPDNA錯配堿基在切點的3’端，外切核酸酶Ⅶ切割錯配堿基在切點的5’端，外切核酸酶Ⅰ切割

Thereconstitutedhumanmismatch-repairsystem3、

尿嘧啶-N-糖苷酶系統(tǒng)

(

ung

system

)修復(fù)尿嘧啶的來源：dUTP的滲入(胞嘧啶的自發(fā)脫氨氧化)錯配堿基尿嘧啶

N

糖苷酶第二節(jié)DNA損傷的修復(fù)一、嘧啶二聚體的產(chǎn)生類型：TT二聚體（TT）、CC二聚體（CC）、CT二聚體（CT）UltravioletphotonsharmtheDNAmoleculesoflivingorganismsindifferentways.Inonecommondamageevent,adjacentThyminebasesbondwitheachother,insteadofacrossthe"ladder".Thismakesabulge,andthedistortedDNAmoleculedoesnotfunctionproperly.----TT--------AA----?

400

nm

藍(lán)光、PR

酶

(photo-reactivation

enzyme)

光敏裂合酶（photolyase）

----TT----

----AA----

----TT----

----AA----可見光激活

----TT----

----AA----

PR二、二聚體修復(fù)的機制

1、光復(fù)活（photo

reactivation

）

1949年已發(fā)現(xiàn)細(xì)菌光復(fù)活現(xiàn)象，可見光（最有效400nm）可激活光

復(fù)活酶，此酶能分解由于紫外線形成的嘧啶二聚體。高等哺乳動物

沒有此酶。

?

復(fù)制前、不容易出錯1.光裂合酶識別并結(jié)合在二聚體部位2.發(fā)色團吸收370nm的可見光，形成FADH-自由基3.FADH-自由基影響二聚體電子分布，二聚體解開發(fā)色團2.

切除修復(fù)Exision—Repair

1）nucleotide?復(fù)制前進(jìn)行?不易出錯核苷酸切除修復(fù)?UvrA、B、

C、D

gene?

DNA

pol?

LigaseUvrA檢測錯配的堿基（螺旋的扭曲）UvrB使DNA變性；3‘切割UvrC：產(chǎn)生切口損傷位點5‘側(cè)8nt；誘導(dǎo)損傷位點3’側(cè)4或5nt1UvrD解旋酶2）Base

excision

repair錯配/受損堿基堿基切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)3.重組修復(fù)（Recombinative—Repair）

后復(fù)制修復(fù)、E.coli的挽回系統(tǒng)E.coli存活%w.t.

UvrA+

RecA+uvr

a-rec

a-

U.V計量該系統(tǒng)存在的實驗證據(jù)★

Rec-A.

gene

以某種方式參與DNA損傷修復(fù)?

Rec修復(fù)系統(tǒng)比切除修復(fù)系統(tǒng)更有效目前知道?

Uvr系統(tǒng)負(fù)責(zé)切除二聚體?

Rec系統(tǒng)負(fù)責(zé)消除沒有被切除的二聚體可能造成的后果TTTTAAAATTTTTTAATTAATTTT變性D.S.

DNAS.S.

DNAU.V.復(fù)制提取變性復(fù)制過程越過二聚體而在相應(yīng)新鏈上留下缺口

★二聚體后起始

★

修復(fù)時期的證明E.coli

(Rec-A,

uvr-a-)●●●與Rec-A蛋白引起的重組(strand

transfer)有關(guān)

TT

dimer未被修復(fù)，僅表現(xiàn)在后代群體中TT

dimer

濃度的稀釋

鏈的非準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致突變機率的增加修復(fù)相關(guān)機制:

重組修復(fù)(鏈轉(zhuǎn)移修復(fù))?復(fù)制后修復(fù)?容易出錯?RecA,

DNApolymerae?ligase二聚體后起始RecA重組修復(fù)后的損傷位點可由其它機制進(jìn)一步修復(fù)

聚合酶、連接酶DNA

repair

in

replication

forka.b.c.d.ReplicationencounteraDNAlesionSkipthelesion&re-initiateonthesideofthelesionFillthedaughter

strand

gapbyreplacingitwiththecorrespondingsectionfromtheparentalsisterstrandpost-replicationrepairoftheleftlesion4.易錯修復(fù)（SOS修復(fù)SOS

repair）?損壞的噬菌體DNA在E.coli

A被修復(fù)??E.

coli的SOS修復(fù)能被U.V.誘導(dǎo)(A&

B)SOS修復(fù)過程有非常高的突變頻率(易出錯)E.coliE.coliλ8010100mut.

100%50%10%AB

E.coliC（1）實驗證據(jù)

紫外線激活反應(yīng)（UV

reactivation

）

/

W激活反應(yīng)（W

reactivation

50年代（Jean

Weigh）（2）SOS修復(fù)機制SOS修復(fù)－－無模板指導(dǎo)的DNA復(fù)制大劑量的紫外線照射，大量的二聚體產(chǎn)生SOS系統(tǒng)誘導(dǎo)，錯誤潛伏的復(fù)制超越二聚體而進(jìn)行錯誤堿基

SOS修復(fù)只是SOS反應(yīng)的一部分

RecA在SOS反應(yīng)反應(yīng)中起核心作用

RecA與LexA組成調(diào)控環(huán)路

DNA損傷

RecA受LexA的部分抑制RecA-P;三種功能a、DNA重組活性b、與S.S.

DNA結(jié)合活性c、少數(shù)蛋白的proteinase活性當(dāng)DNA正常復(fù)制時（無復(fù)制受阻，無DNA損傷，無TT

dimer）RecA-p不表現(xiàn)proteinase活性

FigureThestructureofRecAprotein.(a)RibbondiagramoftheRecAmonomer.NotetheADPboundatthesitenearhelicesCandD.(b)RecAfilament.FourturnsofahelicalfilamentthathassixRecAmonomersperturn.ARecAmonomerishighlightedinred.(Adapted

from

figures

2

and

3

in

Roca,

A.I.,

and

Cox,

M.M.,

1997.RecA

protein:Structure,

function,

and

role

in

recombinational

DNA

repair.ProgressinNucleicAcidResearchandMolecualrBiology56:127-223.

Photos

courtesy

ofMichael

M.

Cox,

University

of

Wisconsin)當(dāng)DNA復(fù)制受阻/

DNA

damaged細(xì)胞內(nèi)原少量表達(dá)的RecA-p與S.S,

DNA結(jié)合

激活RecA-p的proteinase活性修復(fù)損傷

LexA-p降解RecA-p高效表達(dá)SOS

open當(dāng)DNA復(fù)制度過難關(guān)后

RecA-p很快消失

SOS

repair

是一種錯誤傾向性極強的修復(fù)機制,是進(jìn)化中形成的“

竭盡全力，治病救人”

的措施。（正常狀態(tài)下，SOS是關(guān)閉的）LexAgene

onSOS

off第三節(jié)

限制和修飾1、限制－修飾現(xiàn)象(restriction

and

modificaion)50年代初Luria（T偶數(shù)噬菌體）Bertani（λ）Weigle（P2噬菌體）結(jié)論：?菌體限制修飾系統(tǒng)中的限制性內(nèi)切酶能將外來DNA切斷?菌體本身的DNA可受甲基化酶的保護(hù)兩者稱為限制-修飾作用*

E.coli

K菌株和B菌株各有自己的限制修飾系統(tǒng)*

E.coli

C菌株沒有細(xì)菌借助于限制-修飾系統(tǒng)來區(qū)別自己DNA和外源DNA自己DNA:限制模式相同的DNA同株系的不同個體DNA、寄生于其中的質(zhì)粒和噬菌體居民DNA(resident

DNA)：同一個細(xì)胞內(nèi)的不同類型的DNA，包括細(xì)胞DNA，質(zhì)粒DNA，噬菌體DNA等2、限制－修飾系統(tǒng)根據(jù)其特征分為兩大組(三大類)第四節(jié)突變類型●染色體突變（Chromosome

mutation

）chromosome

numberchromosome

structure●核苷酸突變（

dNt

point

mutation

）

突變(mutation)：可以通過復(fù)制而遺傳的DNA結(jié)構(gòu)的任何永久性改變遺傳狀態(tài)突變體(mutant)：攜帶突變的生物個體或群體或株系突變基因(mutantgene):存在突變位點的基因

野生型基因（wild

type

gene）：

表示方法表現(xiàn)型基因型

Arg+

arg+野生型

Arg-

arg-突變型

1、從突變作用來源上定義

自發(fā)突變－－自然界的突變劑或偶然復(fù)制錯誤

誘變－－人為使用突變劑★堿基異構(gòu)式引起DNA復(fù)制過程的錯誤-----自發(fā)突變

堿基異構(gòu)式C(a)G(k)C(i)G(e,i)A(amino氨基)G(keto酮式)T(keto)

A(imino亞氨基)

G(enol烯醇式)T(enol-2’)

or

T(enol-4’)堿基異構(gòu)式引起DNA復(fù)制的錯配G(k)C(a)正確配對A(a)T(k)

A(i,

anti)G(e,i,

anti)A(a,

syn)

G(k,

syn)A(i,

anti)

G(e,i,

anti)G(k,

syn)

A(a,

syn)錯誤配對A(a)

A(i)C(i)

C(a)G(k)G(e)T(e)T(k)anti)A(a)A(a,

anti)T(k,

anti)C(i)堿基異構(gòu)式引起DNA的錯配突變

A(a)C(i)

C(a)T(k)A(i,

anti)

G(k,

syn)C(a,

anti)

G(k,

syn)G(k)

2、從序列改變多少上定義

單點突變(point

mutation)

(點突變)

多點突變(multiple

mutation)

點突變－－－堿基替代、堿基插入、堿基缺失●堿基替代（conversion）轉(zhuǎn)換(transition)PyPu顛換(transvertion)PyPu嘌呤Purine

Pu嘧啶pyrimidine

Py●核苷酸缺失或插入（dNt

deletion

or

insertion）=

3x

dNt=

3x

dNt±n

xAmino

acid

移框（Framshift）或缺失，或扁平堿性染料分子

3、從對閱讀框的影響上定義移框突變（frameshift

mutation）:一個或兩個堿基的插入移碼突變Examples

of

deletion

mutations4、從對遺傳信息的改變上定義（點突變）

同義突變：沒有改變產(chǎn)物氨基酸序列的密碼子

錯義突變：堿基序列的改變引起了氨基酸序列的改變

（中性突變、滲漏突變）

無義突變：堿基的改變使代表某種氨基酸的密碼子變

為蛋白合成的終止密碼子

●堿基替代對遺傳信息的改變---同義突變GAA→

GAGGlu---錯義突變GAA→AAALys---無義突變

無義突變類型

UAA（Oc）

UAG（Am）

UGA（Opal）GAA→

TAA(stop)

赭石型（Ocher）

琥珀型（amber）

乳石型（Opal）5、從突變的表達(dá)類型

上定義

---非條件型突變:---條件型突變:突變的表現(xiàn)=突變基因型+誘導(dǎo)條件

（光，溫敏感不育）6、從突變效應(yīng)上定義

正向突變

回復(fù)突變:使突變體所失去的野生型性狀得到恢復(fù)的第二次突變

真正的原位回復(fù)突變很少

大部分為第二點的回復(fù)突變－－－－抑制突變7、突變位點存在于負(fù)責(zé)基因調(diào)控的序列中*

在啟動子區(qū)域時:

啟動子上升突變:增強啟動子對轉(zhuǎn)錄的發(fā)動作用的突變

啟動子下降突變:*

在操作子上或調(diào)節(jié)基因上組成型突變:產(chǎn)生組成型表達(dá)方式的操作子突變或調(diào)

節(jié)基因的突變突變的操作子不能被阻遏蛋白所識別調(diào)節(jié)基因突變不能產(chǎn)生有活性的阻遏蛋白兩者之一都使結(jié)構(gòu)基因失去了負(fù)向控制第五節(jié)回復(fù)突變(抑制突變)wild

typemutant

(表現(xiàn)型)正向突變(low

F.)

回復(fù)突變(very

low

F.正向的1／10)1、抑制突變發(fā)生的部位

基因內(nèi)抑制突變：抑制突變發(fā)生在正向突變的基因中

基因間抑制突變：抑制突變發(fā)生在正向突變基因外的其它

基因中間接抑制突變:不恢復(fù)正向突變基因蛋白質(zhì)產(chǎn)物的功能,而是通過改變其它蛋白質(zhì)的性質(zhì)或表達(dá)水平而補償原來突變造成的缺陷,從而恢復(fù)野生型2、野生表型恢復(fù)作用的性質(zhì)直接抑制突變:通過恢復(fù)或部分恢復(fù)原來突變基因產(chǎn)物蛋白質(zhì)的功能而恢復(fù)野生表型3、回復(fù)突變的分子機制a)

AGC

(Ser)

ACC

(Thr)

AGC

(Ser)b)

AGC

(Ser)

AGG

(Arg)

AGT

(Ser)c)

AGC

(Ser)

AGG

(Arg)

GGG

(Gly)if

Ser≈Gly4、抑制突變的分子機制

（1）基因內(nèi)抑制突變(Intragenic

suppression)錯義突變移框突變

第二位點引起的基因內(nèi)校正

密碼子間兩次錯義突變的互補錯義突變造成野生型表型的喪失－－－部分原因在于影響到蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)

(正負(fù)電荷、疏水作用)a、靜電作用b、疏水作用（G）

(K)

(G)

---UGG174----------GGA210---(w.t.)----UGG

174-----------GGA210----

回復(fù)突變----UGC174-----------GAA210----

活性結(jié)構(gòu)

(C)無活性結(jié)構(gòu)C無活性結(jié)構(gòu)----UGG174----------GGA210----

(K)

(E)移框突變的抑制突變(基因內(nèi)第二點的插入或缺失)（2）基因間的抑制突變無義突變---無義抑制突變錯義突變---錯義抑制突變移框突變---移框抑制突變發(fā)生在tRNA基因或與tRNA功能相關(guān)的基因上a、基因間的無義抑制突變（

Nonsense

suppressor

）

野

生

型UAG、UGA、UAA－－－三種無義抑制50％赭石型無義抑制tRNA產(chǎn)生的幾率很低，且抑制效率很低UCU

GlyCCU

Glyb、基因間的錯義抑制突變(

Missense

suppressor

)

GGA

CCU

Gly

AGA

UCU

Arg

Glyc、基因間移框抑制突變總結(jié)：基因內(nèi)和基因間的錯義（無義）、移框抑制突變均由相應(yīng)的錯義（無義）、移框突變抑制第六節(jié)突變劑和突變生成1、堿基類似物（Base

analog）2-氨基嘌呤2-Amino

purine

5-溴尿嘧啶

5-Bromine

Uracil

OBr

ONH25-Bromouracil（5-溴尿嘧啶）usuallyfavorstheketo（酮式）tautomerthatmimicsthebasepairingpropertiesofthymine,butitfrequentlyshiftstotheenol（烯醇式）form,whereuponitcanbase-pairwithguanine,causingaT-AtoC-Gtransition.酮式到稀醇:G:ABrOHHO

烯醇式enolBr酮式Keto

5-BrUHO

AGCTTCCTA

TCGAAGGAT酮式5-BrU的滲入AGCTBCCTATCGAGGGAT

AGCTTCCTA

TCGAAGGAT第二輪復(fù)制

AGCTBCCTA

TCGAAGGAT第一輪復(fù)制

式的轉(zhuǎn)變

AGCTBCCTA

AGCTCCCTA

TCGAAGGAT

TCGAGGGAT

A·T

G·C轉(zhuǎn)變烯醇式滲入為

G·C

A·T

轉(zhuǎn)變Point

mutations

due

to

base

mispairings(a)Anexamplebasedontautomeric（異構(gòu)體）properties.Therareiminotautomerofadeninebase-pairswithcytosineratherthanthymine.(1)ThenormalA-Tbasepair.(2)TheA*-Cbasepairispossiblefortheadeninetautomerinwhichaprotonhasbeentransferredfromthe6-NH2ofadeninetoN-1.(3)PairingofCwiththeimino（亞胺基）tautomerofA(A*)leadstoatransitionmutation(A-TtoG-C)appearinginthenextgeneration.

(b)AinthesynconformationpairingwithG(Gisintheusualanticonformation).(c)TandCformabasepairbyH-bondinginteractionsmediatedbyawatermolecule.>

BrU(k)

>

BrU(e)(正常形式)

(異構(gòu)體)BrU(k)BrU(e)In

DNA

難易ATG

GC

CA

T堿基類似物產(chǎn)生的均為錯義突變2、堿基的化學(xué)修飾導(dǎo)致突變又稱化學(xué)突變劑：亞硝酸（nitrous

acid

HNO2）羥氨（hydroxylamine

HA）甲磺酸乙酯（ethyl

mathanesulfonate

EMS）N-甲基-N’-硝基-N-亞硝基胍（N-mathyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidion

NNG）產(chǎn)生－－－錯義突變NH2