基因突变与dna的损伤及

1、第四章 基因突变与DNA损伤、修复,遗传物质的结构改变而引起的遗传 信息改变，均可称为突变 mutation）,在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤（DNA damage）,从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。,在DNA复制过程中，仍难免会存在少量未被校正的差错。此外，DNA还会受到各种物理和化学因素的损伤。这些差错和损伤如果不被修复，将会产生严重的细胞学后果生物细胞中形成了多种多样的DNA修复系统,第

2、一节　DNA的损伤,DNA损伤,正常DNA分子的化学结构与物理结构发生改变,化学结构与物理结构,改变,,,,DNA损伤,单链断裂,双链断裂,糖基化,碱基修饰,DNA链间交联,DNA与蛋白质交联,,一、DNA的自发性损伤,E cloi,错配10-1—10-2,校正10-1０,,1、脱嘌呤和脱嘧啶,哺乳动物,,2、碱基的脱氨基,3、碱基的互变异构,4、细胞正常代谢产物对DNA的损伤,8-氧鸟嘌呤,2-氧腺嘌呤,5-羟甲基尿嘧啶,二、物理因素

3、导致的DNA损伤,紫外线UV：主要是形成嘧啶二聚体；电离辐射：引起DNA碱基损伤、链的断裂、DNA交联等,Nitrous acid,,1、亚硝酸：使胞嘧啶脱氨生在尿嘧啶，A脱氨基生成I。,三、化学因素导致的DNA损伤,烷化剂：①碱基烷基化；②碱基脱落；③断链；④交联,单功能烷化剂：甲基磺酸甲酯,DNA链内交联,DNA链间交联,2、烷化剂导致的DNA损伤,3、碱基类似物：结构与碱基相似，可改变碱基配对特性的正常碱基衍生物或人工合成的化合

4、物。如：5-溴尿嘧啶（与A或G配对）、 2-氨基嘌呤（与T或C配对）,DNA损伤的后果：①点突变、②缺失、③插入、④倒位或转位、⑤双链断裂 对生物可能产生4种后果：①致死性；②丧失某些功能；③改变基因型而不改变表现型；④发生了有利于物种生存的结果，使生物进化。,第二节　DNA损伤的修复,DNA损伤的修复：是指DNA受到损伤后，细胞内发生的使DNA的化学组成和核苷酸序列重新恢复或使细胞对DNA损伤产生耐受的一系列反应。DNA

5、是细胞中唯一具修复系统的生物大分子。,一、直接修复直接修复：指的是不需要移去任何碱基或核苷酸就可以将损伤逆转到正常状态的修复机制。是生物体内最简单的修复方式，属于无差错直接修复。,（1）光修复或光复活：光修复：利用可见光能量将DNA中的嘧啶二聚体通过光解作用恢复为单体，从而恢复DNA正常结构的DNA修复过程。这是最早发现的DNA修复方式。DNA中的嘧啶二聚体可通过可见光(300～600nm)的光解作用而恢复为单体。催化这一过程

6、的酶为光复活酶或光裂合酶。,基本步骤如图所示：①此酶能特异性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合的二聚体，并与其结合，这步反应不需要光；②结合后如受300-600nm波长的光照射，则光复活酶就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，③然后酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构。,（2）断裂链的重接DNA单链断裂是常见的损伤，其中一部分可仅由DNA连接酶参与而完全修复。此酶在各类生物各种细胞中都普遍存在，修复反应容易进行。但

7、双链断裂缺几乎不能修复。,（3）直接插入嘌呤DNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能被DNA嘌呤插入酶识别结合，在K+存在的条件下，催化游离嘌呤或脱氧嘌呤核苷插入生成糖苷键，且催化插入的碱基有高度专一性、与另一条链上的碱基严格配对，使DNA完全恢复。,（4）烷基的转移修复在细胞中发现有一种O6甲基鸟嘌呤甲基转移酶，能直接将甲基从DNA链鸟嘌呤O6位上的甲基移到蛋白质的半胱氨酸残基上而修复损伤的DNA。这个酶的修复能力并不很强，但在低剂

8、量烷化剂作用下能诱导出此酶的修复活性。,二、切除修复： 切除修复：指在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除，然后以另一条完整的互补链为模板，重新合成切去的部分，使DNA恢复正常结构的过程。,修复的基本步骤： 识别——切除——修补——连接修复过程中需要多种酶；修复主要有两种方式：碱基切除修复和核苷酸切除修复。,基本步骤如图所示：①首先由核酸酶识别DNA的损伤位点，在损伤部位的5’侧切开磷酸二酯键。②由5’—3’核

9、酸外切酶将有损伤的DNA片段切除。③在DNA聚合酶的催化下，以完整的互补链为模板，按5’—3’方向DNA链，填补已切除的空隙。④由DNA连接酶将新合成的DNA片段与原来的DNA断链连接起来。,三、错配修复错配修复：按模板的遗传信息来修复错配碱基的修复方式。错配碱基的修复会使复制的保真性提高102～103倍。现已在大肠杆菌、酵母和哺乳动物中发现了这一系统。,修复时首先要区别模板链和新合成的DNA链，这是通过碱基的甲基化来实现的。

10、半甲基化DNA成为识别模板链和新合成链的基础。错配修复发生在GATC的邻近处，故这种修复也称为甲基指导的错配修复。错配修复机制目前还不完全清楚。所有错配都可由这一系统修复，但其中以G－T错配修复更为有效，C－C错配的修复为弱。,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、复制后修复在DNA损伤未被切除或修复的情况下使细胞恢复DNA复制，等到复制完成后再通过其他机理修复残留的损伤，这种修复方式称为复制后修复。,受损伤的DNA链复制时，产生的子代DNA在损伤的对应部位出现缺口。完整的另一条母链DNA与

12、有缺口的子链DNA进行重组交换，将母链DNA上相应的片段填补子链缺口处，而母链DNA出现缺口。以另一条子链DNA为模板，经DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填补母链DNA的缺口，最后由DNA连接酶连接，完成修补。,重组修复不能完全去除损伤，损伤的DNA段落仍然保留在亲代DNA链上，只是重组修复后合成的DNA分子是不带有损伤的，但经多次复制后，损伤就被“冲淡”了，在子代细胞中只有一个细胞是带有损伤DNA的。,五、SOS修复“SOS”是

13、国际上通用的紧急呼救信号。SOS修复～是指DNA受到严重损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下细胞所采取的一种DNA修复方式。,当DNA两条链的损伤邻近时，损伤不能被切除修复或重组修复。诱导产生一整套特殊DNA聚合酶──SOS修复酶类，催化空缺部位DNA的合成，补上去的核苷酸几乎是随机的，终于保持了DNA双链的完整性，使细胞得以生存。但这种修复带给细胞很高的突变率。,第三节 基因突变与生物进化,基因突变：DNA分子碱基序列水平上发生的永

14、久、可遗传的变化。人类遗传性疾病已发现4000多种，其中不少与DNA修复缺陷有关，这些DNA修复缺陷的细胞表现出对辐射和致癌剂的敏感性增加。,基因突变,轻为有害或有利,不利于生存和发育,致死,有利生存和发育,生物学效应,生物群体的遗传多样性,遗传性疾病,促进生物进化,生物个体发育过程中死亡,,3.1 突变的类型,1、碱基对的置换（substitution） 转换(Transition)： 最普通的一种点突变，指一

15、种嘧啶被另一种嘧啶代替，一种嘌呤被另一种嘌呤代替。使GC对被AT对替换，或者相反。 颠换(Transversion)： 另一种不常见的点突变，嘌呤被嘧啶代替或者相反，如AT对变成了TA、CG对。2、移码突变（frameshift mutation） 由碱基的缺失或插入造成。Note: 突变集中在热点区域。,DNA突变的类型,,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-,碱基对的置换(substitution),移码突变(framesshift mutation),,碱基置换突变：（1）同义突变：沉默突变 突变发生在密码子的第三位碱基位置，但所编码的氨基酸并没改变，这种突变称同义突变。,(2)、错义突变 基因编码序列中碱基的置换发生在密码子的第1或第2位碱基，导致密码子改变，并编码另一种氨基酸，这种突变称错义突变。,(3)、无义突变： 指基因编码序

17、列中碱基置换使氨基酸密码子转变为终止密码子的突变称为无义突变。,（4）、终止密码子突变 指基因的终止密码子发生碱基的置换转变为一种氨基酸密码子，致使转录和翻译过程不能正常终止，形成异常蛋白质的突变称终止密码子突变。,（5）、起始密码子突变 指基因中起始密码子被置换，导致不能正常转录和翻译，无表达产物的突变称起始密码子突变。,二、突变的意义1、突变是进化的分子基础2、突变可产生遗传多样性3、致死性突变可用于消灭有害病原体