1、1,第五章 DNA的損傷、修復和突變,2,第一節(jié) DNA的損傷,3,根據受損的部位，DNA損傷可以為兩種： 堿基損傷 DNA鏈的損傷,DNA損傷：一切使DNA結構和功能發(fā)生改變的DNA變化，都可稱為基因的損傷 。,4,DNA存儲著生物體賴以生存和繁衍的遺傳信息，維護DNA分子的完整性對細胞至關緊要； 修復DNA損傷的能力是生物能保持遺傳穩(wěn)定性所在； DNA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。,DNA損傷修復的重要性：,5,細胞內在的因素和環(huán)境中的因素都可能導致DNA損傷，根據損傷的原因可以分為： DNA分子自發(fā)性損傷 物理因素導致的DNA損傷 化學因素導致的DN

2、A損傷,6,一、 DNA分子自發(fā)性損傷,堿基的異構互變 2. 堿基的脫氨基作用 3. 脫嘌呤與脫嘧啶 (堿基丟失) 4. 活性氧引起的堿基修飾與鏈斷裂,7,1. 堿基的互變異構,DNA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。 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）; A=C T=G 上述配對發(fā)生在DNA復制時，會造成子代DNA序列與親代DNA不同的錯誤損傷.,8,同型異構體轉換,= O -OH,9,同型異構體轉換,-NH2 -NH,10,11,異構互變造成的復制損傷,12,2. 堿基的脫氨基作用,堿基的環(huán)外氨基自發(fā)脫落，C變?yōu)閁，A變?yōu)榇吸S

3、嘌呤（I ），G變?yōu)辄S嘌呤（X） 。 復制時，U與A配對、H和X都與C配對會導致子代DNA序列的錯誤變化。,13,14,3. 脫嘌呤與脫嘧啶 (堿基丟失),自發(fā)水解使嘌呤和嘧啶從DNA鏈的核糖磷酸骨架上脫落。 哺乳類動物細胞，在30C下，20h內DNA鏈自發(fā)脫落嘌呤約1000個，嘧啶約500個。,15,4. 活性氧引起的堿基修飾與鏈斷裂,細胞呼吸的副產物O2-, H2O2造成DNA損傷，產生一些堿基修飾物（胸腺嘧啶乙二醇、羥甲基尿嘧啶等），還可引起DNA單鏈斷裂等損傷; 這些損失的積累可導致老化。,16,17,二、物理因素引起的DNA損傷,紫外線（UV）引起的DNA損傷 電輻射引起的DNA損傷

4、,18,1. 紫外線（UV）引起的DNA損傷,DNA受到大劑量紫外線（260nm）照射時，同一條鏈上相鄰的嘧啶以共價鍵連成二聚體；TT, CC, CT之間都可形成二聚體。,復制時，此處產生空耗過程，DNA不能復制，細胞不能分裂，導致凋亡。,19,紫外線引起的DNA損傷 最易形成胸腺嘧啶二聚體（TT）,20,2. 電輻射引起的DNA損傷,堿基變化 細胞中的水經輻射解離后產生大量OH-自由基，使DNA鏈上的堿基氧化修飾、形成過氧化物的、導致堿基環(huán)的破壞和脫落等。,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OH-反應，導致脫氧核糖分解，最后會引起DNA鏈斷裂。,21,DNA鏈斷裂 脫氧核

5、糖破壞或磷酸二酯鍵斷開而導致DNA鏈斷裂。 一條鏈斷裂稱單鏈斷裂（single strand broken）； DNA雙鏈在同一處或相近處斷裂稱為雙鏈斷裂（double strand broken ）。,22,交聯（binding）,同一條DNA鏈上或兩條DNA鏈上的堿基間以共價鍵結合；DNA與蛋白質之間也以共價鍵相連；組蛋白、染色質中的非組蛋白、調控蛋白、與復制和轉錄有關的酶都會與DNA以共價鍵連接。 膠聯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，會影響細胞的功能和DNA復制。,23,輻射引起DNA分子結構的多種變化,24,堿基類似物、修飾劑對DNA的損傷； 2. 烷化劑對DN

6、A的損傷； 3. 嵌合劑對DNA的損傷。,三、化學因素引起的DNA損傷,25,1. 堿基類似物對DNA的損傷 某些化學物質和正常的堿基在結構上類似，有時會替代正常堿基而摻入DNA分子，一旦這些堿基類似物進人DNA后，由于它們的配對能力不同于正常堿基，便引起DNA復制過程中其對應位置上插入不正確堿基。,26,例如 5-溴尿嘧啶（BU）和 5-溴脫氧尿嘧啶（BrdU）是T結構類似物。細菌在含BU的培養(yǎng)基中培養(yǎng)時，部分DNA中的T被BU取代，BU有兩種互變異構體，一種是酮式結構（第6位上有一個酮基），它可以代替T而摻入DNA，并與A配對；當BU發(fā)生互變異構成為烯醇式（第6位上是一個羥基）后，就容易和

7、G配對。 通常以酮式存在，有時也以烯醇式存在。當BU先以酮式摻入DNA，繼而又變成烯醇式時，進一步復制使DNA中 A- T對變成 G- C對。同樣道理也引起 G- C向 A- T的轉換，BU可以使細菌的突變率提高近萬倍。,27,除BU外，還有5-溴脫氧尿苷、5-氟尿嘧啶、5-氯尿嘧啶及它們的脫氧核苷。 另一種被廣泛應用的堿基類似物是2-氨基嘌呤（2-AP），是一種腺嘌呤A類似物，可和胸腺嘧啶T配對?？稍俸桶奏 配對，產生A-T 、G-C的轉換，或2-AP以和胞嘧啶C 配對形式進入DNA后再和胸腺嘧啶T 配對后產生G-C、A-T的轉換。,28,2. 烷化劑引起的DNA損傷（特異性錯配） 某些

8、誘變劑不摻入DNA，而通過改變堿基的結構從而引起特異性錯配，如烷化劑（是一類親電子的化合物，具有一個或多個活性烷基）。它們的誘變作用是使DNA中的堿基烷化。 活性烷基不穩(wěn)定，能轉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。 烷化劑的種類很多，常見的有甲磺酸乙酯（EMS）、亞硝基胍（NG）和芥子氣等。,29,EMS能使鳥嘌呤的 N位置上有乙基，成為7一乙基鳥嘌呤。與胸腺嘧啶配對，故能使G-C轉換成A-T。 烷化劑的另一作用是脫嘌呤。例如烷基在鳥嘌呤N位上活化糖苷鍵引起斷裂，使嘌呤從DNA鏈上脫掉，產生缺口。復制時，與缺口對應的位點上可能配上任一堿基，從而引起轉換

9、或顛換；而且去嘌呤后的DNA容易發(fā)生斷裂，引起缺失或其他突變。,30,3. 嵌合劑的致突變作用 嵌合染料是另一類重要的DNA修飾劑。包括吖啶橙（acridine orange）、原黃素（proflavin）、溴化乙錠（EB）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多，可以嵌入到DNA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DNA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。,31,熒光顯微鏡下（選用藍色激發(fā)濾片），可見含DNA的細胞核顯示黃綠色熒光，含RNA的細胞質及核仁顯示橘紅色熒光。,體外培養(yǎng)的肝癌細胞吖啶橙熒光染色,32,

10、第二節(jié) DNA的突變,33,如果DNA的損傷得不到有效的修復，就會造成DNA分子上可遺傳的永久性結構變化，稱為突變（mutation）。少數突變甚至有可能對細胞是有利的。有利突變的累積可以使生物進化，使其能更好地適合于其生存的環(huán)境。但絕大部分突變是有害的，對于單細胞生物，不少有害突變是致死的，對于多細胞的高等生物，有害突變會造成病變，如代謝病和腫瘤。,34,導致DNA分子結構變化（亦即發(fā)生突變）； 生物體在表型上突變。,35,1. 突變類型,(1) 點突變（point mutation）,也稱為簡單突變或單一位點突變。其最主要的形式為堿基對置換，專指DNA分子單一位點上所發(fā)生的堿基對改變，分為

11、轉換（transitions）和顛換（transversions）兩種形式。,36,轉換（transition）：兩種嘧啶堿基（T和G）或兩種嘌呤堿基（A和G）之間的相互轉變。 顛換（transvertion）：嘧啶堿基和嘌呤堿基之間的互變。,37,點突變帶來的后果取決于其發(fā)生的位置和具體的突變方式。 如果是發(fā)生在基因組的垃圾DNA上，就可能不產生任何后果，引物其上的堿基序列缺乏編碼和調節(jié)基因表達的功能； 如果發(fā)生在一個基因的啟動子或其他調節(jié)基因表達的區(qū)域，則可能會影響到基因表達的效率； 如果發(fā)生在一個基因的內部，就有多種可能性，這一方面取決于突變基因的終產物是蛋白質還是RNA，即是蛋白質基因

12、還是RNA基因，另一方面如果是蛋白質基因，還取決于究竟發(fā)生在它的編碼區(qū)，還是非編碼區(qū)，是內含子，還是外顯子。,38,發(fā)生在蛋白質基因編碼區(qū)的點突變有三種不同的結果： 突變的密碼子編碼同樣的氨基酸，這樣的突變對蛋白質的結構和功能不會產生任何影響，因此被稱為沉默突變或同義突變。 突變的密碼子編碼不同的氨基酸，導致一種氨基酸殘基取代另一種氨基酸殘基，這樣的突變可能對蛋白質的功能不產生任何影響或影響微乎其微，也可能產生災難性的影響而帶來分子病。 突變的密碼子變?yōu)榻K止密碼子或相反。,39,(2) 移碼突變（frame-shift mutation）,又稱移框突變，是指一個蛋白質基因的編碼區(qū)發(fā)生的一個或多

13、個核苷酸（非3的整數倍）的缺失和插入。 由于遺傳密碼是由3個核苷酸構成的三聯體密碼，因此，這樣的突變將會導致翻譯的閱讀框架發(fā)生改變，致使插入點或缺失點下游的氨基酸序列發(fā)生根本性的變化，但也可能會提前引入終止密碼子而使多肽鏈被裁短。移碼突變對蛋白質功能的影響取決于插入點或缺失點于起始密碼子的距離。,40,a. 缺失（deletion）/ 插入（insertion）,DNA鏈上一個或一段核苷酸的消失或加入。,41,移碼突變：,例如在 E.coli的lacl基因中發(fā)現一種 4個堿基序列(CTGG)在野生型中連續(xù)重復了 3次。J. Miller等人研究了這個基因突變熱點（hot Spots）產生的原因

14、。發(fā)現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)生突變的位點。,由于插入或缺失突變引起DNA的閱讀框（ORF）發(fā)生改變，從而產生不同蛋白質的過程。,42,b. 倒位 (inversion) 或轉位（translocation）,DNA重組使其中一段核苷酸倒置，或從一處遷移到另一處。,c. 雙鏈斷裂,43,2. 突變后果,（1）致死性: 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。,44,致死突變：嚴重影響生物體生活力，導致個體死亡的突變。 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）。,45,（2）基因功能的改變,突變是某些疾病的發(fā)病

15、基礎，包括遺傳病、腫瘤及有遺傳傾向的病。有些已知其遺傳缺陷所在。但大多數尚在研究中。 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。,46,突變導致生物體外觀上可見的形態(tài)結構的改變。例如果蠅的紅眼白眼突變：,47,例: UVB 所致的基因突變 UVB: 290-320nm,由于修復系統(tǒng)的缺陷或偶發(fā)的錯誤修復，則會導致某些基因突變，使得角質形成細胞的細胞周期的調控出現異常，進一步發(fā)生克隆性增生和永生化生長而導致皮膚癌的發(fā)生。,48,管理基因( caretaker genes) : 執(zhí)行DNA的損傷修復，維持基因組的完整性。如著色性干皮病的修復基因XPAXPF。 看門基因( gatek

16、eeper genes) : 控制細胞信號傳導，調控細胞的增殖、分化和凋亡。如p53、patched基因和ras等。皮膚癌的發(fā)生與看門基因突變關系密切。,49,著色性干皮病（xeroderma pigmentosis，XP） 是一種切除修復有缺陷的遺傳性疾病。 在研究其發(fā)病機制時，發(fā)現一些相關的基 因，稱為XPA、XPB、XPC等。這些基因的表達產物起辨認和切除損傷DNA作用的。 XP病人是由于XP基因有缺陷，不能修復紫外線照射引起的DNA損傷，因此易發(fā)生皮膚癌。,50,p53 當UVB損傷DNA造成p53突變后，突變型p53因失去了對細胞周期的正常調控，使得損傷的DNA繼續(xù)復制，從而提高了染

17、色體畸變的偶發(fā)率和遺傳的不穩(wěn)定性，角質形成細胞極易發(fā)生克隆增生和惡性轉化。,51,（3）突變導致基因型改變: 這種突變只有基因型的改變，而沒有可察覺的表型改變。 多態(tài)性 (polymorphism)： 是用來描述個體之間的基因型差別現象。利用DNA多態(tài)性分析技術，可識別個體差異和種、株間差異。 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繁殖力，為自然選擇保留下來。,52,對生物個體而言，基因突變的影響不外乎以下四種： 產生輕微的、不易被察覺的有害或有利的生物學效應，或者形成生物群體的遺傳多態(tài)性； 產生不利于個體生存或發(fā)育，但可遺傳的生物學效應，導致

18、遺傳學疾??； 產生有利于個體生存和發(fā)育，且可遺傳的生物學效應，促使生物進化； 產生致死性突變，導致生物個體在發(fā)育過程中死亡，因而不將突變傳遞給后代。,53,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。沒有突變就沒有今天的五彩繽紛的世界。 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，叫自發(fā)突變或自然突變（spontaneous mutation）。,54,3. 突變的原因,（1）自發(fā)突變（spontaneous mutations） 由內在因素引起的突變稱為自發(fā)突變。 自發(fā)點突變 自發(fā)移碼突變,55,由外在因素引發(fā)的突變。主要有堿基類似物、烷基化試劑、脫氨基試劑、羥胺等各種誘變劑。 每一種誘變劑有其對應的特異性（如對G-C，A-T轉換）和對特定的突變位點的偏好，例如：甲磺酸乙酯（EMS）和紫外線（UV）“偏好” G-C， A-T轉換，黃曲霉素B1（AFB1）則偏好于C-G，A-T顛換。 誘變機制： 誘變劑通過3種機制誘發(fā)突變：取代DNA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下無法配對。,（2）誘發(fā)突變（induced mutations）,56,誘發(fā)突變與人類的癌癥 黃曲霉素（AFB）引起肝癌，紫外線（UV）照射會導致