DNA的损伤与修复

分子生物学作业内容：第五章DNA的损伤与修复制作人：生科四班学生陈玥40908199周红40908200李茜40908201李姗姗40908202李婷婷40908203第五章DNA的损伤与修复§1.DNA损伤的产生§2.基因的突变§3.DNA损伤的修复§4.损伤跨越§5.DNA修复缺陷与癌症的关系概况作为遗传物质的DNA具有高度的稳定性，但是，细胞内外环境中各种因素依然可以造成DNA的损伤。如果DNA的损伤得不到有效的修复，就会造成DNA分子上可遗传的永久性结构变化，称为突变（mutation）。少数突变有可能对细胞是有利的。但绝大部分突变是有害的。细胞有多种形式的修复系统，使绝大多数损伤能够及时修复。研究DNA损伤与修复的机制，有两个方面的实际意义。其一，防止DNA的损伤，是预防不少疾病的有效途径。其二，在育种工作中，常常要诱发突变再筛选有优良性状的植株或微生物株系。§5.1DNA损伤的产生DNA损伤指在内外因素的影响下，体内DNA双螺旋结构发生的任何改变。若碱基的改变是两种嘌呤或两种嘧啶之间的互换，称作转换（transitions）。若发生了嘌呤和嘧啶之间的互换，则称作颠换（transversions）。引起DNA损伤的因素很多，包括DNA分子本身在复制过程中发生的自发性改变，以及细胞内各种代谢物质和外界理化因素引起的损伤。5.1.1DNA分子的自发性损伤DNA的自发性损伤可以发生在复制过程中，也可以由细胞自身产生的活性氧或代谢产物造成。根据DNA损伤的状况，和引起DNA损伤的原因，可以将DNA的自发性损伤分作6种类型。5.1.1.1互变异构移位互变异构移位（tautomericshift）是碱基发生了烯醇式-酮式结构互变，造成碱基配对发生改变，使复制后的子链上出现错误。生理条件下，碱基上的基团主要以酮式和氨基的形式存在，但也可能发生瞬间的互变异构，造成碱基错配。如图所示，若A以稀有的亚氨基形式出现，即可与C配对，经过DNA的两轮复制，在1/4的子代分子中，A-T对变成了G-C对。因此在DNA复制时，若模板上出现烯醇式或亚氨基异构体时，子链上就可能产生错配的碱基对。5.1.1.2自发脱氨基DNA分子中碱基的环外氨基有时会自发脱落，结果使C变为U，A变为I，G变为X（黄嘌呤）。在DNA复制时，母链的上述变化会在子链中产生错误而导致损伤。A→I-C，下一轮G-C，引起AT→GC的变；C→U-A，下一轮T-A，引起GC→AT的突变；G→X-C，下一轮G-C，损伤不扩大。5.1.1.3DNA复制的打滑在DNA复制时，有时会出现模板链或新生链碱基的环出（loopingout）现象，被称作DNA聚合酶的“打滑”（slippage）。如图所示，第一次复制时新生链一个或数个碱基的环出，在第二次复制时，可引起同样数量碱基的插入。第一次复制时模板链一个或数个碱基的环出，在第二次复制时，可引起同样数量碱基的缺失。这种错误易发生在模板上有碱基串联重复的部位，这些部位即使发生碱基的环出，后面的碱甚配对仍然是正确的。5.1.1.4活性氧引起的DNA损伤活性氧指反应活性很高的含氧自由基和H2O2，不少含氧自由基可在细胞正常代谢过程中生成。含氧自由基可造成碱基的氧化，如7,8-二氢-8-氧鸟嘌呤（7,8-oxoG,GO）就是一种氧化碱基，可与C或A配对，造成G-C→T-A的颠换，DNApolI和DNApolII的校正活性不能校正其错配，故这种损伤可以积累。5.1.1.5碱基丢失DNA在生理条件下可通过自发性水解，使嘌呤碱和嘧啶碱从磷酸脱氧核糖骨架上脱落下来。细胞受热或pH降低，可加剧脱嘌呤反应，强致癌剂黄曲霉毒素B1也能加剧脱嘌呤反应。5.1.1.6碱基的烷基化细胞内一些天然的烷基化试剂，如S-腺苷甲硫氨酸，可使DNA分子中的某些碱基甲基化，造成碱基错配，经DNA复制，形成碱基对的改变。5.1.2物理因素引起的DNA损伤DNA分子容易吸收波长在260nm左右的紫外线（UV），大剂量的UV照射，可以使DNA分子一条链上相邻的两个嘧啶共价结合，形成环丁烷嘧啶二聚体。相邻的两个T或两个C，以及C和T之间均可形成嘧啶二聚体，但最易形成的是T-T二聚体和6-4光产物电离辐射如X射线和γ射线等，可以引起DNA的直接损伤和间接损伤。DNA链的断裂会随着照射剂量的增大而加剧。若DNA双链中只有一条链断裂，称为单链断裂，若两条链在同一处或紧密相邻处同时断裂，则为双链断裂。5.1.3化学因素引起的DNA损伤许多天然的或合成的有机和无机化学物质均可与DNA发生反应，改变其结构。能诱发DNA损伤的化学物质称化学诱变剂（mutagen），常见的化学诱变剂可以大致分为3类5.1.3.1碱基类似物碱基类似物（baseanalog）能在DNA复制时取代正常碱基与模板链的碱基配对，从而掺人DNA。2-氨基嘌呤（AP）是腺嘌呤的类似物，通常与胸腺嘧啶配对，以罕见的亚氨基状态存在时，可以与胞嘧啶配对，使A-T变为G-C，相反情况下，则可将G-C变为A-T。5.1.3.2碱基的修饰剂某些化学物质通过对DNA分子上碱基的修饰（basemodification），改变其配对性质。例如，亚硝酸能脱去连接在碱基环上的氨基，使腺嘌呤脱氨基形成次黄嘌呤（I），后者与胞嘧啶配对，而不与胸腺嘧啶配对。胞嘧啶脱氨基后成为尿嘧啶，与腺嘌呤配对。羟胺（NH2OH）与DNA分子上碱基的作用特异性很强，它只与胞嘧啶作用，生成4-羟胺胞嘧啶（HC），后者与腺嘌呤配对，结果使G-C对变为A-T对烷化剂（alkylatingagent）能使DNA碱基上的氮原子烷基化，最常见的是鸟嘌呤第6位氮原子的烷基化，改变碱基配对性质，如6-甲基鸟嘌呤（MG）与胸腺嘧啶配对。如果直接与配对有关的基团被烷化，则可完全阻断复制时的碱基配对。较常见的烷化剂有亚硝胺化合物，包括二甲基亚硝胺和二乙基亚硝胺，亚硝基胍（NTG）化合物如N,N′-硝基-N-甲基亚硝基胍，亚硝基脲化合物如乙基亚硝基脲，烷基硫酸盐化合物，包括二甲基硫酸盐、乙基甲基硫酸盐（EMS）和乙基乙基硫酸盐（EES），此外，还有氮芥和硫芥等。5.1.3.3嵌入染料一些扁平的稠环分子，如吖啶橙（acridineorange）、原黄素（proflavin）、溴化乙锭（ethiduiumbromide,EB）等染料，可插入到DNA分子碱基对之间，故称为嵌入染料（intercalateddye）。这些扁平分子插入DNA后正好占据了一个碱基的位置，将碱基对间的距离加大约1倍，可造成DNA两条链的错位。细胞内存在完善的DNA损伤修复系统，以保障遗传物质的稳定性。不同类型的DNA损伤，由不同的途径进行修复。根据修复的机理，DNA损伤的修复一般可分为直接修复、切除修复、双链断裂修复、易错修复和重组修复等。1.点突变点突变指DNA单位分子上所发生的碱基对改变，也称为简单突变或单一位点突变，其最主要形式为碱基对置换，分为转换和颠换两种类型。有时，发生在单个位点上的少数核苷酸缺失或插入也被认为点突变。点突变带来的后果取决于其发生。5.2基因的突变基因突变是指基因组DNA分子发生的突然的可遗传的变异。从分子水平上看，基因突变是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。基因虽然十分稳定，能在细胞分裂时精确地复制自己，但这种隐定性是相对的。在一定的条件下基因也可以从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式，就是在一个位点上，突然出现了一个新基因，代替了原有基因，这个基因叫做突变基因。于是后代的表现中也就突然的祖先从未有的新性状。尽管细胞内的修复系统能及时修复绝大多数的DNA损伤，但修复系统并不是万无一失的。如果损伤在下一轮DNA复制之前还没有被修复，有的会被固定下来传给子代细胞，有的则通过易错的跨损伤合成产生新的错误，并最终也被保留下来。因此，生物体难免会发生这样那样的突变，并带有一定的基因、基因组、细胞或个体被称为突变体。单细胞生物能够将新产生的突变基因直接传给其后代，而多细胞生物能否将突变传给后代则取决于突变四发生在生殖细胞还是体细胞。如果突变发生在生殖细胞，则可以传给后代。如果是发生在体细胞，则一般不会传给后代，除非后代是由突变的体细胞克隆而成的。突变的类型5.2.1突变的类型5.2.2突变的回复和校正5.2.3诱变剂和致癌剂的检测点突变也称作单碱基替换（singlebasesubstitution），指由单个碱基改变发生的突变。可以分为转换和颠换两类。转换：嘌呤和嘌呤之间的替换，或嘧啶和嘧啶之间的替换。颠换：嘌呤和嘧啶之间的替换。点突变带来的后果取决于其发生的位置和具体的突变方式。如果是发生在基因组的垃圾DNA上，因为其碱基序列缺乏编码和调节基因表达的功能，就不可能产生任何的后果。如果发生在一个基因的启动子或其他基因表达的调控区，则可能会影响基因表达的（1）沉默突变：由于遗传密码又兼性，若突变的密码子编码同样的氨酸一般对蛋白质的结构和功能没有影响同义突变因此被称为沉默突变或同义突变。（2）错义突变（missensemutation）：碱基对的置换使mRNA的某一个密码子变成编码另一种氨基酸的密码子的突变称为错义突变。错义突变可导致机体内某种蛋白质或酶在结构及功能发生异常，从而引起疾病。如人类正常血红蛋白β链的第六位是谷氨酸，其密码子为GAA或GAG，如果第二个碱基A被U替代，就变成GUA或GUG，谷氨酸则被缬氨酸所替代，形成异常血红蛋白HbS，导致个体产生镰形细胞贫血，产生了突变效应（3）无义突变和通读突变无义突变：若突变使为氨基酸编码的密码子变为终止密码子，导致多肽链的合成被中断。如Cys的密码子变成TGC突变成终止密码子TGA。通读突变：若突变使终止密码子变成了为氨基酸编码的密码子，会使mRNA在翻译的时候发生通读，从而使肽链加长，也称加长突变。如果突变发生在蛋白质基因的内含子序列，一般对表达产物没影响。但有时可影响到个别基因的转录，转录后加工或翻译等。如果突变发生在基因表达的调控区，则可能影响记忆表达的效率，甚至完全关闭基因的表达，从而引起生物体表现型的变化。移码突变：在正常地DNA分子中,碱基缺失或增加非3地倍数,造成这位置之后的一系列编码发生移位错误的改变，这种现象称移码突变。例如原来的mRNA是GAA、GAA、GAA、GAA……按照密码子所合成的肽链是一个谷氨酸的多肽。如果开头增加一个G，那么mRNA就变成了GGA、AGA、AGA、AGA……按照这些密码子合成的肽链就是一个一甘氨酸开头的精氨酸的多肽。移码突变的结果将引起该段肽链的改变，而肽链的改变将引起蛋白质性质的改变，最终引起性状的变异。严重是会导致个体的死亡。隐性突变和显性突变隐形突变：在真核生物中，如果只发生在同源染色体其中的一条上，另一条同源染色体上正常基因的产物能够抵消或中和突变基因对细胞功能的可能的改变。如果突变发生在同源染色体上的两个等位基因都发生突变，才能改变生物的表现型。显性突变：在真核生物中有一些基因，只要同源染色体任意一个等位基因发生突变，就引起生物的表现型的改变。校正突变的分类1）基因内校正2）基因间校正3）迂回校正5.2.3诱变剂和致癌剂的检测由于基因突变而是生物体的性状由野生型变为突变型，则这样的突变称作正向突变。回复突变(reversemutation):突变体(mutant)经过第二次突变又完全地或部分地恢复为原来的基因型和表现型.完全恢复是由于突变的碱基顺序经第二次突变后又变为原来的碱基顺序,故亦称真正的回复突变.部分恢复是由于第二次突变发生在另一部位上,其结果是部分恢复原来的表现型.亦称为第二位点突变(secondsitemutation)或基因内校正(intragenicsuppression)校正突变：指发生在另外一个位点上，且能够中和或抵消起始突变的第二次突变。诱变剂和致癌剂的检测自然条件下发生的突变称为自发突变，其发生的频率非常低，大肠杆菌和果蝇的自发突变率都在10左右。能够提高突变率的诱变剂主要有物理诱变剂和化学