Chapter 4. DNA damage, repair ， mutation

1. Chapter 4. DNA damage, repair，mutation

2. 第一节：突变（mutation)

3. 一、突变的主要类型 突变是DNA碱基序列水平上的永久的、可遗传的改变。碱基序列的变化可以分为下面几种类型： 碱基替换（base substitution），即DNA分子中一个碱基被另一个碱基替代；插入（insertion），涉及一个或多个碱基插入到DNA序列中；缺失（deletion），涉及DNA序列上一个或多个碱基的缺失；

4. 重复（duplication），一段碱基序列发生一次重复；倒位（inversion），一段碱基序列发生倒转，但仍保留在原来的位置上；易位（translocation），一段碱基序列从原来的位置移出，并插入到基因组的另一位置。

5. 1. 碱基替换 碱基替换又称为点突变（point mutation），是一种最简单的突变。碱基替换可以分为转换（transition）和颠换（transversion）两种类型。转换是指嘌呤与嘌呤之间，或嘧啶与嘧啶之间的替换；颠换是指嘌呤与嘧啶之间的替换。

6. 转换：嘌呤与嘌呤之间，嘧啶与嘧啶之间的互换AG T C 颠换：嘌呤与嘧啶之间发生互换 A T or C T  A or G G T or C C  A or G 根据碱基替代对多肽链中氨基酸顺序的影响，点突变又可以分为同义突变、错义突变和无义突变三种类型。

7. 有时DNA的一个碱基对的改变并不会影响基因所编码的蛋白质的氨基酸序列，这是因为改变后的密码子和改变前的密码子是简并密码子，它们编码同一种氨基酸，这种基因突变称为同义突变（synonymous mutation)。

8. 由于碱基对的改变而使决定某一氨基酸的密码子变为决定另一种氨基酸的密码子的基因突变叫错义突变（missense mutation）。

9. 基因突变有可能使它所编码的蛋白质部分或完全失活，例如人血红蛋白β链的基因如果将决定第6位氨基酸的密码子由GAG （谷氨酸）变为GTG(缬氨酸)，从而引起镰刀形细胞贫血病。

10. fig. 11.2 sickle cell disease

11. 有一些错义突变造成的氨基酸替代并不影响蛋白质的功能，我们就称之为中性突变。例如密码子AGG→AAG，导致了Lys取代了Arg，这两种氨基酸都是碱性氨基酸，性质十分相似，所以蛋白的功能并不发生重大的改变。中性突变连同同义突变一起被称为沉默突变（silent mutation）。

12. 由于某个碱基替代使决定某一氨基酸的密码子变成一个终止密码子的基因突变叫无义突变（nonsense mutation）。其中密码子改变为UAG的无义突变又叫琥珀突变，密码子改变成UAA的无义突变又叫赭石突变。无义突变使多肽链的合成提前终止，产生截短的蛋白质，这样的蛋白质常常是没有活性的。

13. 突变也可以把终止密码子转变成编码某一氨基酸的有义密码子，造成终止信号的通读（readthrough），结果是多肽链的C末端添加了一段氨基酸序列。对于大多数蛋白质，C末端延伸一段短的氨基酸序列，并不影响它们的功能，但是过长的延伸会影响蛋白质的折叠，降低蛋白质的活性。突变也可以把终止密码子转变成编码某一氨基酸的有义密码子，造成终止信号的通读（readthrough），结果是多肽链的C末端添加了一段氨基酸序列。对于大多数蛋白质，C末端延伸一段短的氨基酸序列，并不影响它们的功能，但是过长的延伸会影响蛋白质的折叠，降低蛋白质的活性。

15. 2.Deletions , Insertions and Frameshift mutations 基因的编码序列中插入或者缺失一个或两个碱基，会使DNA的阅读框架发生改变，导致插入或缺失部位之后的所有密码子都跟着发生变化，结果产生一种截短的或异常的多肽链，这种突变称为移码突变（frameshift mutations）。移码突变常常完全破坏了编码蛋白质的功能，除非移码突变发生在靠近读码框的远端的地方。

16. Frame shift mutation 5' AUG UGG GGA CCC AAG GGU AGC CCC ... 3' (wild-type) met trp gly pro lys gly ser pro ... 5' AUG UGG GGG ACC CAA GGG UAG CCC C.. 3' (mutant) met trp gly thr gln gly stop Two changes in polypeptides are possible: (1) every amino acid downstream of the mutation is changed, (2) a truncated (shortened) protein is produced.

18. 然而，一次插入或者缺失三个碱基会添加或者删除一个完整的密码子，阅读框又得到恢复。这时，除了添加或缺失一个氨基酸残基，蛋白质的其他部分并未发生变化。如果添加（或缺失）的氨基酸不在蛋白质的功能区，仍能产生功能蛋白。然而，一次插入或者缺失三个碱基会添加或者删除一个完整的密码子，阅读框又得到恢复。这时，除了添加或缺失一个氨基酸残基，蛋白质的其他部分并未发生变化。如果添加（或缺失）的氨基酸不在蛋白质的功能区，仍能产生功能蛋白。

19. 3. DNA重排 DNA重排包括缺失、倒位、易位和重复。基因组中相似序列之间的配对，以及随后发生的重组可以造成DNA的重排。如图，同一DNA分子的两个同向重复序列之间的配对和重组将使两个重复序列之间的部分形成一个独立的环，从原来的DNA分子上释放出来。原来的DNA分子则产生相应的缺失。

20. 图表示同一DNA分子上的两个反向重复序列发生配对形成的茎环结构。配对后的重组将导致反向重复序列之间的部分发生倒位。大肠杆菌染色体含有7个拷贝的rRNA基因。有一些大肠杆菌菌株，染色体上两个rRNA操纵子之间的序列发生了倒位。这些菌株能够存活，但生长速度比正常的菌株要慢一些。图表示同一DNA分子上的两个反向重复序列发生配对形成的茎环结构。配对后的重组将导致反向重复序列之间的部分发生倒位。大肠杆菌染色体含有7个拷贝的rRNA基因。有一些大肠杆菌菌株，染色体上两个rRNA操纵子之间的序列发生了倒位。这些菌株能够存活，但生长速度比正常的菌株要慢一些。

21. 二、突变的产生 1．自发突变 （1）复制差错可以引起自发突变（spontaneous mutation） DNA聚合酶在DNA复制过程中偶尔会出现差错，将错误的碱基插入到DNA分子中，引发突变。另外，碱基的互变异构有时也会导致突变的发生。DNA分子中的碱基都存在两种互变异构体，它们处于动态平衡中，所以每一种碱基都可以从一种异构体转变为另一种异构体。

25. DNA复制时，碱基配对的性质由于碱基互变异构化而发生的改变也能产生突变。图表示偶尔在复制叉到达的关键时刻，模板上的G从酮式变为稀醇式，致使碱基的配对性质发生了变化，与T而不是与C配对。DNA再复制一次产生的两个子代双螺旋中的一个将带有突变，罕见的互变异构体会转变成其常见形式，配对性质有恢复到正常。由于正常碱基形成异构体的几率很低，所以自发突变的频率也很低，一般为10－6～10－10。如果某一碱基类似物能以较高的频率产生异构体，当掺入DNA分子后，就能提高突变率。DNA复制时，碱基配对的性质由于碱基互变异构化而发生的改变也能产生突变。图表示偶尔在复制叉到达的关键时刻，模板上的G从酮式变为稀醇式，致使碱基的配对性质发生了变化，与T而不是与C配对。DNA再复制一次产生的两个子代双螺旋中的一个将带有突变，罕见的互变异构体会转变成其常见形式，配对性质有恢复到正常。由于正常碱基形成异构体的几率很低，所以自发突变的频率也很低，一般为10－6～10－10。如果某一碱基类似物能以较高的频率产生异构体，当掺入DNA分子后，就能提高突变率。

26. Tautomeric shifts can be a source of rare spontaneous mutation

27. During the next round of DNA replication, the transition mutation becomes “fixed” in the DNA.

28. 并非所有的复制错误都是点突变，异常的复制也可以造成插入或缺失突变。当复制叉遇到串联重复序列时模板链与新生链之间有时会发生相对移动，导致部分模板链被重复复制或者被遗漏，其结果是新生链多了或少了一些重复单位。复制滑移（strand slippage）是微卫星（microsatellite）产生的主要原因。

29. (a) Normal replication.  (b) Backward slippage, resulting in the insertion mutation.

30. (c) Forward slippage, resulting in the deletion mutation. 

31. 微卫星是一种短串连重复DNA。典型的微卫星是以1，2，3或4 bp长的序列为单位，重复10～20次形成的。人类微卫星中，最常见的类型是二核苷酸重复序列，在整个人类基因组中约140 000拷贝。比如，人类基因组具有CA重复的微卫星，CACACACACACACAC，占基因组0.25％，共8 Mb。

32. 发生在短重复序列处的链的滑移也可能与人类的三核苷酸重复序列扩增疾病（trinucleotide repeat expansion disease）的发生有关。例如，人类HD基因含有串联重复6～35次的5’-CAG-3’，编码蛋白质产物中的多聚谷胺酰胺。在亨廷顿氏病（Huntington’ disease）中，这些重复序列扩增至36～121个拷贝，增加了多聚谷胺酰胺的长度，造成蛋白质功能障碍。一些与智力缺陷有关的疾病与基因前导区的三核苷酸扩增引起的染色体脆性位点（fragile site）有关。

33. (2)碱基的脱氨作用引起的自发突变 在正常的生理条件下，腺嘌呤、鸟嘌呤、尤其是胞嘧啶可以自发地发生脱氨作用（deamination），脱去嘌呤环或嘧啶环上的氨基。胞嘧啶脱氨产生尿嘧啶，因此复制时在新生链对应的位点上插入的是腺嘌呤而不是鸟嘌呤。腺嘌呤自发脱氨转变成次黄嘌呤，次黄嘌呤优先与胞嘧啶配对，而不是与胸腺嘧啶配对。因此，腺嘌呤和胞嘧啶的脱氨作用可以造成突变。鸟嘌呤脱氨后变成了黄嘌呤（xanthine），由于黄嘌呤仍与胞嘧啶配对，只是它们之间只形成两个氢键，因此鸟嘌呤的脱氨作用并不能引起突变。

34. Deamination Deamination of C yields U which base pairs with A Results in C-G to T-A transition This occurs spontaneously

35. 2. Mutations are produced by mutagens 某些物理或化学因素可以提高突变率，这些能够导致突变的物理或化学因素就称为诱变剂（mutagen）。诱变剂会对DNA分子造成损伤。如果损伤在DNA复制之前还没有被体内的修复系统所修复，在DNA复制过程中，当复制叉抵达损伤部位时，常常发生复制错误，从而引起诱变。不同的诱变剂以不同的方式对DNA分子产生损伤，因而诱导突变的方式可能也不同。对DNA造成损伤的因素并不一定都是诱变剂，比如造成DNA断裂的断裂剂。这种类型的损伤可阻遏复制，导致细胞死亡。

36. (1)物理诱变剂 紫外线引起相邻的嘧啶碱基产生嘧啶二聚体

38. X-射线和γ-射线是电离辐射，它们作用于水分子以及其他的细胞内分子产生离子和自由基，尤其是羟自由基（hydroxyl radical）。具有高度反应活性的自由基会对DNA分子产生广泛的损伤。X-射线和γ-射线也可以直接作用于DNA，对DNA产生损伤。在分子生物学发展的早期，X－射线经常被用来在实验室产生突变。X－射线倾向于产生多种突变，并且常常造成DNA重排，例如缺失、倒转和移位。

39. 加热可以促进碱基和戊糖之间N-糖苷键的水解，结果导致DNA分子上出现AP（apurinic/apyrimidinic, 无嘌呤/无嘧啶）位点，其中嘌呤更容易从DNA分子上脱落。AP位点处的糖－磷酸基团不稳定，很快被降解，在双链DNA分子上留下一个缺口。双链DNA分子上的缺口一般没有诱变作用，因为这种损伤可以被有效修复。事实上，在人的一个细胞中，每一天会形成10 000个AP位点。但是，在某些情况下，缺口可以产生突变，比如大肠杆菌细胞中的SOS反应被激活时。

41. (2) 化学诱变剂 碱基类似物Base-analogue mutagens的诱变作用 碱基类似物（base analog）指化学结构与核酸分子中的正常碱基类似的化合物，在DNA正常合成过程中，碱基类似物可以与模板上的碱基配对掺入到DNA分子中，而不被DNA聚合酶的3’→ 5’外切酶活性所切除。如果是单纯的碱基替代并不引发突变，因为在下一轮DNA复制时又可以产生正常的DNA分子。然而，碱基类似物能以更高的频率发生酮式和稀醇式的互变异构，或者形成两种形式的氢键，这就使碱基类似物具有诱变作用（mutagenic）。

42. 最常被应用碱基类似物是5-溴尿嘧啶（5－bromouracil, 5-BU或BU）和2-氨基嘌呤(2-aminopurine, 2-AP)。通常情况下5-溴尿嘧啶以酮式结构存在，是胸腺嘧啶(T)的结构类似物，能与A配对。但它有时能以稀醇式结构存在，与G配对。

45. 在DNA复制时，BU以通常的酮式结构取代T与A配对掺入到DNA分子中。在下一轮复制中，酮式结构可以变成稀醇式结构，与G配对。再经过一轮的复制，G与C配对，引起TA至CG的转换。在DNA复制时BU也可以取代C与G配对，产生GC至AT的转换，但这种能力较弱。不管哪种情况，BU掺入到DNA分子后，必须经过两轮复制才能产生稳定的可遗传的突变。在DNA复制时，BU以通常的酮式结构取代T与A配对掺入到DNA分子中。在下一轮复制中，酮式结构可以变成稀醇式结构，与G配对。再经过一轮的复制，G与C配对，引起TA至CG的转换。在DNA复制时BU也可以取代C与G配对，产生GC至AT的转换，但这种能力较弱。不管哪种情况，BU掺入到DNA分子后，必须经过两轮复制才能产生稳定的可遗传的突变。

47. AGCTTCCTA TCGAAGGAT • Base analog • incorporation AGCTBCCTA TCGAAGGAT • 1st round • of replication AGCTTCCTA TCGAAGGAT AGCTBCCTA TCGAGGGAT • 2nd round • of replication AGCTBCCTA TCGAAGGAT AGCTCCCTA TCGAGGGAT A·TG·C transition

49. 2-氨基嘌呤是腺嘌呤的结构类似物，它能代替A进入DNA分子中与T配对有两个氢键，结合的程度较牢固；它也能与C形成只有一个氢键的碱基对，结合得较弱。随后经DNA复制，C与G配对完成AT至GC的转换，且这种转换多是单方向的，因为2-氨基嘌呤较难代替G而与C配对。2-氨基嘌呤是腺嘌呤的结构类似物，它能代替A进入DNA分子中与T配对有两个氢键，结合的程度较牢固；它也能与C形成只有一个氢键的碱基对，结合得较弱。随后经DNA复制，C与G配对完成AT至GC的转换，且这种转换多是单方向的，因为2-氨基嘌呤较难代替G而与C配对。