遺傳毒理學(xué)損傷與修復(fù)

關(guān)于遺傳毒理學(xué)損傷與修復(fù)第一節(jié)DNA的突變和損傷1.1突變的概念1.2突變的類型1.3突變的原因1.4突變的后果第2頁,共55頁，2024年2月25日，星期天1.1DNA突變的概念突變：發(fā)生在DNA分子上可遺傳的永久性結(jié)構(gòu)變化通常稱為突變。突變體：帶有一個特定突變的基因、基因組、細(xì)胞或個體。

生命和生物多樣性依賴于突變與突變修復(fù)之間的良好平衡。第3頁,共55頁，2024年2月25日，星期天1.2突變的類型1、點(diǎn)突變：DNA分子中一個堿基對替換另一個堿基對，也稱堿基對的置換（substitution）。

轉(zhuǎn)換(Transition)：最普通的一種點(diǎn)突變，嘧啶嘧啶，嘌呤嘌呤。

AGTC

顛換(Transversion)：另一種不常見的點(diǎn)突變，嘌呤嘧啶。ATTACG第4頁,共55頁，2024年2月25日，星期天堿基替換導(dǎo)致mRNA中密碼子的改變，多肽鏈中氨基酸發(fā)生影響，可能出現(xiàn)幾種不同的效應(yīng)：同義突變（synonymousmutation）:由于密碼子具有兼并性，單個堿基置換后密碼子所編碼的是同一種氨基酸，表型不改變。正常同義突變AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTG

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnPro第5頁,共55頁，2024年2月25日，星期天錯義突變（Missensemutation）:DNA分子中的堿基置換后，形成新的密碼子，從而導(dǎo)致所編碼的氨基酸發(fā)生改變，產(chǎn)生活性降低、無活性或無功能的蛋白質(zhì)。正常錯義突變AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TCA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheSerArgAsnPro第6頁,共55頁，2024年2月25日，星期天無義突變（Nonsensemutation）:DNA分子中的堿基置換后，使編碼一個氨基酸的密碼子變?yōu)椴痪幋a任何氨基酸的終止密碼子（UAA、UAG、UGA），肽鏈合成提前終止，產(chǎn)生短的、沒有活性的多肽片段。正常無義突變AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TGA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPhe終止

ArgAsnPro第7頁,共55頁，2024年2月25日，星期天終止密碼突變（Terminationcodonmutation）:當(dāng)DNA分子中的一個終止密碼發(fā)生突變，使多肽鏈的合成繼續(xù)進(jìn)行下去，一直延長至下一個終止密碼子時停止，產(chǎn)生延長的異常多肽鏈，稱延長突變（elongationM）?；貜?fù)突變：突變體經(jīng)過第二次突變又完全的或部分的恢復(fù)為原來的基因型和表現(xiàn)型。完全恢復(fù)是由于堿基順序經(jīng)過第二次突變后又變?yōu)樵瓉淼膲A基順序，故亦稱真正的回復(fù)突變；部分恢復(fù)是由于第二次突變發(fā)生在另一部位上，其結(jié)果是部分恢復(fù)原來的表現(xiàn)型，亦稱為第二位點(diǎn)突變（secondsitemutation）或基因內(nèi)校正（intragenicsuppression）。第8頁,共55頁，2024年2月25日，星期天抑制基因突變（Suppressorgenemutation）：基因內(nèi)部不同位置上的不同堿基發(fā)生了兩次突變，其中一次抑制了另一次突變的遺傳效應(yīng)。例：血紅蛋白病單純β6谷氨酸纈氨酸血紅蛋白病，致死同時β6谷氨酸纈氨酸+β73天冬氨酸天冬酰胺HbHarlem，臨床癥狀較輕，原因是β73突變抑制了β6的突變效應(yīng)。

第9頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2、插入和缺失移碼突變（frameshiftmutation）：DNA編碼序列中插入（增加）或缺失一個或幾個堿基，其下游閱讀框發(fā)生改變，導(dǎo)致氨基酸順序及蛋白質(zhì)異?；驘o活性，稱為移碼突變。

-插入突變：DNA分子中插入一個或幾個堿基對。

-缺失突變：DNA分子中缺失一個或多個堿基對。半胱絲氨谷氨纈氨半胱精氨賴氨亮氨DNATGC

TCG

CAA

GTT

GA

TGC

CGC

AAG

TTG

插入或缺失會造成其下游三聯(lián)密碼子錯讀，生成完全不同的肽鏈。

改變讀碼框缺失T第10頁,共55頁，2024年2月25日，星期天整碼突變（Codonmutation）：DNA鏈的密碼之間插入或缺失一個或幾個密碼子，導(dǎo)致肽鏈增加了或減少了一個或幾個氨基酸，稱為整碼突變或稱密碼子插入或缺失。如：AAGGACCCGGCG------正常密碼子順序

AAGGACAAA

CCGGCG-----插入

AAGGACGCG---缺失

第11頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

舉例

-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-轉(zhuǎn)換

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-顛換堿基對的置換(substitution)移碼突變(framesshiftmutation)轉(zhuǎn)換顛換插入缺失第12頁,共55頁，2024年2月25日，星期天3、動態(tài)突變動態(tài)突變：鄰近基因或位于基因序列中的單核苷酸重復(fù)拷貝數(shù)，在一代代傳遞過程中會發(fā)生明顯的增加，如(CGG)n、(CAG)n等，從而導(dǎo)致某些遺傳疾病的發(fā)病。該突變可遺傳并產(chǎn)生表型效應(yīng)——引起疾病，多為神經(jīng)系統(tǒng)疾病。代表疾?。篐utington舞蹈病(CAG)n、強(qiáng)制性肌營養(yǎng)不良，脆性X綜合癥(CCG)n。第13頁,共55頁，2024年2月25日，星期天動態(tài)突變正常動態(tài)突變（CAG三核苷酸重復(fù)）AGT

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAAsAGT

CAG

CAG

CAG

CAG

CAG

CAG

CAG

TTT

TTA

CGT

AAC

CCG…DNAMetGlnGlnGlnGlnGlnGlnGlnPheLeuArgAsnProAAs正常人：n=6~50多態(tài)受累個體：n>50copies多者幾百~幾千copies隨著世代傳遞長度增加，發(fā)病年齡提前，病情加重。第14頁,共55頁，2024年2月25日，星期天1.3突變的原因兩個概念：自發(fā)突變（spontaneousmutation)：由于正常的細(xì)胞活動，或細(xì)胞與環(huán)境的隨機(jī)相互作用，這些過程所引起的生物DNA序列的改變。誘發(fā)突變（inducedmutation):

特定的化學(xué)或物理因素引起的DNA序列改變。Note:所有突變都包含DNA序列的改變第15頁,共55頁，2024年2月25日，星期天1.3.1DNA分子的自發(fā)性損傷1、DNA復(fù)制中的錯誤以DNA為模板按堿基配對進(jìn)行DNA復(fù)制是一個嚴(yán)格而精確的事件，但也不是完全不發(fā)生錯誤的。正常情況下，大腸桿菌復(fù)制過程中的錯配率為10－10左右。

第16頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2、DNA的自發(fā)性變化生物體內(nèi)DNA分子可以由于各種原因發(fā)生變化，至少有：①堿基的異構(gòu)互變：例如，腺嘌呤（A）的互變異構(gòu)體（A’）可以與胞嘧啶（C）配對，模板鏈上存在這些異構(gòu)體的時候，子代鏈上就可能發(fā)生錯誤，形成損傷。②脫嘌呤與脫嘧啶，使脫氧核糖和堿基G（A）或T（C）連接的糖苷鍵被打斷，從而失去G、A或T、C。③堿基的脫氨基作用：如C脫氨基后形成了U，在復(fù)制過程中將與A配對，從而引起GCAT轉(zhuǎn)換突變。

GAACU

T突變脫氨基復(fù)制第17頁,共55頁，2024年2月25日，星期天3、轉(zhuǎn)座子的插入轉(zhuǎn)座子

(transposon或transposableelement)是基因組內(nèi)相對獨(dú)立的、可移動序列，它們不必借用噬菌體或質(zhì)粒的形式就可以從基因組的一個部位直接轉(zhuǎn)移到另一個部位，這個過程稱為轉(zhuǎn)座（transposition）。轉(zhuǎn)座子每次移動時攜帶著轉(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）。第18頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共55頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)座子特點(diǎn)轉(zhuǎn)座以很低的頻率發(fā)生，而且轉(zhuǎn)座子的插入是隨機(jī)的。轉(zhuǎn)座子有時插入到一個結(jié)構(gòu)基因或基因調(diào)節(jié)序列內(nèi)，引起基因表達(dá)的改變。轉(zhuǎn)座子也可以引起基因組序列的重排，它們的移動也和進(jìn)化有關(guān)?，F(xiàn)在認(rèn)為轉(zhuǎn)座子存在于地球上所有的生物。第20頁,共55頁，2024年2月25日，星期天1.3.2物理因素引起的DNA損傷1、紫外線引起的DNA損傷當(dāng)DNA受到最易被其吸收波長（～260nm）的紫外線照射時，主要是使同一條DNA鏈上相鄰的嘧啶以共價鍵連成嘧啶二聚體。2、電離輻射引起的DNA損傷電離輻射損傷DNA有直接效應(yīng)和間接效應(yīng)兩種途徑，直接效應(yīng)是DNA直接吸收射線能量而遭損傷；間接效應(yīng)是指DNA周圍其他分子（主要是水分子）吸收射線能量產(chǎn)生具有很高反應(yīng)活性的自由基進(jìn)而損傷DNA。損傷包括：①堿基變化;②脫氧核糖變化;③DNA鏈斷裂;④交聯(lián)。第21頁,共55頁，2024年2月25日，星期天1.3.3化學(xué)因素引起的DNA損傷1、烷化劑對DNA的損傷

如甲基磺酸乙酯EMS，烷化劑能在DNA上的四個堿基發(fā)生作用，使其增加烷基側(cè)鏈，其最大的特異性是在鳥嘌呤的6位氧上增加一個烷基側(cè)鏈導(dǎo)致與T錯配，從而在下個復(fù)制周期中產(chǎn)生GCAT轉(zhuǎn)換。第22頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2、羥胺HA：

NH2OH也是一種特定誘發(fā)GCAT轉(zhuǎn)換的誘變劑。能在胞嘧啶4位上的氨基氮上發(fā)生羥基化作用，產(chǎn)生N4羥基胞嘧啶，它能像T那樣與A配對，產(chǎn)生GC

AT轉(zhuǎn)換。第23頁,共55頁，2024年2月25日，星期天3、亞硝酸鹽能使胞嘧啶（C）脫氨變成尿嘧啶（U），經(jīng)過復(fù)制就可使DNA上的G-C變成A-T對，誘發(fā)GCAT；亞硝酸鹽還能誘發(fā)腺嘌呤（A）脫氨基形成次黃嘌呤H，H能和C配對，誘發(fā)ATGC轉(zhuǎn)換突變。

亞硝酸鹽可誘發(fā)兩個方向上的轉(zhuǎn)換。第24頁,共55頁，2024年2月25日，星期天4、堿基類似物、修飾劑對DNA的損傷

如:人工可以合成一些堿基類似物用作促突變劑或抗癌藥物，如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氟尿嘧啶（5-FU）、2-氨基腺嘌呤（2-AP）等。第25頁,共55頁，2024年2月25日，星期天胸腺嘧啶類似物——5溴尿嘧啶（5-BU），由于胸腺嘧啶中5’CH3被Br取代會導(dǎo)致5BU變換異構(gòu)體，使其堿基的配對能力發(fā)生變化。酮式烯醇式酮式腺嘌呤烯醇式鳥嘌呤第26頁,共55頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)換突變AT——GCAAG

GT5-BUT

5-BUC

CGC——ATGGAAC5-BUC

5-BUTT摻入異構(gòu)體復(fù)制突變摻入異構(gòu)體復(fù)制突變第27頁,共55頁，2024年2月25日，星期天1.4突變的后果根據(jù)基因突變對機(jī)體的影響，有以下幾種情況：中性突變：變異后果輕微，對機(jī)體效應(yīng)不明顯。造成個體間的生物化學(xué)組成的遺傳學(xué)差異，一般對機(jī)體無影響；如：ABO血型，HLA，同功酶等。有利于個體生存生育；如Hbs突變基因雜合子比正常純合子對抗瘧疾。產(chǎn)生遺傳易感性；如：腫瘤易感性。引起遺傳病。每個健康人均由5-6個有害突變。致死突變：造成死胎、自然流產(chǎn)、生后夭折。第28頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)DNA損傷的修復(fù)機(jī)制

為了保證遺傳信息的高度穩(wěn)定性，生物細(xì)胞在進(jìn)化過程中形成了一系列多步驟的修復(fù)機(jī)制。目前對DNA損傷和修復(fù)的研究還不多，僅限于輻射－生物反應(yīng)方面。第29頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2.1DNA直接修復(fù)2.2錯配修復(fù)2.3切除修復(fù)堿基切除修復(fù)(baseexcisionrepair,BER)

核苷酸切除修復(fù)(nucleotideexcisionrepair,NER)2.4SOS反應(yīng)誘導(dǎo)的修復(fù)2.5重組修復(fù)第30頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2.1直接（回復(fù)）修復(fù)（directrepair）生物體內(nèi)存在多種DNA損傷以后而并不需要切除堿基或核苷酸的機(jī)制，這種修復(fù)方式稱為DNA的直接修復(fù)。直接修復(fù)即簡單地把損傷的堿基回復(fù)到原來狀態(tài)的修復(fù)，可分為以下幾種：1.O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶直接修復(fù)通過從O6-甲基鳥嘌呤上把甲基直接轉(zhuǎn)移到酶的半胱氨酸殘基上來直接回復(fù)DNA的損傷。酶第31頁,共55頁，2024年2月25日，星期天DNA甲基轉(zhuǎn)移酶O6-甲基轉(zhuǎn)移酶使O6-甲基化鳥嘌呤恢復(fù)成鳥嘌呤第32頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2.光解酶復(fù)活（photoreactivation）——

光裂合酶（photolyase）酶學(xué)光復(fù)活過程是修復(fù)UV導(dǎo)致的環(huán)丁烷嘧啶二聚體的直接機(jī)制，這種修復(fù)具有高度的專一性。3.單鏈斷裂修復(fù)DNA單鏈斷裂是損傷的一種常見形式，可以通過DNA連接酶的重接而修復(fù)。第33頁,共55頁，2024年2月25日，星期天光復(fù)活作用環(huán)丁烷嘧啶二聚體LightUV引起的光損傷嘧啶二聚體能被光裂合酶修復(fù)，該酶能在暗處和嘧啶二聚體結(jié)合，形成酶和DNA復(fù)合體，在光照條件下，復(fù)合體分解，使嘧啶二聚體分解為原先正常的堿基。第34頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2.2錯配修復(fù)（Mismatchrepair)

大腸桿菌中的DNA腺嘌呤甲基化（DAM）修復(fù)途徑原核細(xì)胞內(nèi)存在Dam甲基化酶，能使位于5’GATC序列中腺苷酸甲基化。復(fù)制后DNA在短期內(nèi)（數(shù)分鐘）為半甲基化的GATC序列，一旦發(fā)現(xiàn)錯配堿基，即將未甲基化鏈切除一段包含錯誤堿基的序列，并以甲基化的鏈為模板進(jìn)行修復(fù)。第35頁,共55頁，2024年2月25日，星期天參與錯配修復(fù)的酶與蛋白質(zhì)Dam甲基化酶；MutH、MutL、MutS多肽；解螺旋酶Ⅱ；DNA聚合酶Ⅲ；外切酶Ⅰ、Ⅹ、Ⅶ；RecJ核酸酶DNA連接酶；SSB第36頁,共55頁，2024年2月25日，星期天DNA甲基化酶第37頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2.3切除修復(fù)（暗復(fù)活）1.堿基切除修復(fù)（baseexciserepair，BER）BER可以去除因脫氨基或堿基丟失，無氧射線輻射或內(nèi)源性物質(zhì)引起的環(huán)氮類的甲基化等因素產(chǎn)生的DNA損傷。BER是維持DNA穩(wěn)定的重要修復(fù)方式。第39頁,共55頁，2024年2月25日，星期天AP核酸內(nèi)切酶修復(fù)途徑單個嘌呤或嘧啶脫去后的位點(diǎn)成為AP位點(diǎn)。細(xì)胞中自發(fā)產(chǎn)生AP位點(diǎn)的頻率很高。由一種專門在AP位點(diǎn)上切割的酶切斷DNA上的磷酸二酯鍵，然后再啟動由DNA外切酶、DNA聚合酶Ⅰ和連接酶參與的切除修復(fù)過程。第40頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

糖基化酶是損傷特異性的，細(xì)胞中有多種具有不同特異性的DNA糖基化酶糖基化酶通過水解糖苷鍵去除受損堿基切除后在DNA上形成AP位點(diǎn)，再經(jīng)過AP核酸內(nèi)切酶途徑修復(fù)。DNA糖基化酶（glycosylate）修復(fù)途徑第42頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第43頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2、核苷酸切除修復(fù)(nucleotide-excisionrepair，NER)

當(dāng)DNA鏈上相應(yīng)位置的核苷酸發(fā)生損傷，導(dǎo)致雙鏈之間無法形成氫鍵，在一系列酶的作用下，將DNA分子中受損傷部分切除掉，并以完整的那一條鏈為模板，合成出切去的部分，然后使DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)的過程。

NER可以修復(fù)UV照射形成的嘧啶二聚體，還能消除體內(nèi)產(chǎn)生的各種嘌呤和嘧啶加合物。NER的關(guān)鍵特征是對損傷的DNA鏈的兩端進(jìn)行切割。

NER在已研究過的真核生物中都很相似，說明其在進(jìn)化過程中高度保守。

第44頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第45頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共55頁，2024年2月25日，星期天在人類中這是一種重要的修復(fù)途徑。著色性干皮癥是由于缺乏切除修復(fù)酶造成的遺傳性缺陷，正常人的皮膚細(xì)胞和該缺陷者的皮膚細(xì)胞在培養(yǎng)時對UV的敏感性有很大差異，具有該缺陷的人在30歲之前就易死于皮膚癌。第47頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2.4SOS反應(yīng)誘導(dǎo)的修復(fù)（易錯修復(fù)）

SOSresponse&DNArepairSOS反應(yīng)：細(xì)胞DNA受到損傷或復(fù)制系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下，為求得生存而出現(xiàn)的應(yīng)急效應(yīng)。SOS反應(yīng)誘導(dǎo)的修復(fù)系統(tǒng)包括