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第十一章 DNA 损伤、修复和基因突变

第十一章 DNA 损伤、修复和基因突变. 第一节 DNA 损伤 DNA 损伤即是指在生物体生命过程中 DNA 双螺旋结构 发生的任何改变。 DNA 损伤大体上可以分为两类： 单个碱基改变 和 结构扭曲 。. 一、自发性损伤. 1. 复制中的损伤 复制中的损伤 指复制过程中碱基配对时发生的误差再经过 DNA 聚合酶“校读”和单链结合蛋白等综合因素作用下仍然存在的 DNA 损伤。正常情况下， 大肠杆菌复制过程中的错配率为 10 － 10 左右 。 影响复制过程诸因素中的某一环节出现问题，错配率就会增高，如 DNA 本身功能和底物的改变， 二价阳离子 的改变等。.

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第十一章 DNA 损伤、修复和基因突变

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Presentation Transcript

  1. 第十一章 DNA损伤、修复和基因突变 第一节 DNA损伤 • DNA损伤即是指在生物体生命过程中DNA双螺旋结构发生的任何改变。 • DNA损伤大体上可以分为两类：单个碱基改变和结构扭曲。

  2. 一、自发性损伤 1. 复制中的损伤 • 复制中的损伤指复制过程中碱基配对时发生的误差再经过DNA聚合酶“校读”和单链结合蛋白等综合因素作用下仍然存在的DNA损伤。正常情况下，大肠杆菌复制过程中的错配率为10－10左右。 • 影响复制过程诸因素中的某一环节出现问题，错配率就会增高，如DNA本身功能和底物的改变，二价阳离子的改变等。

  3. 2. 碱基的自发性化学改变 • 这类损伤包括互变异构、碱基的脱氨基作用、自发的脱嘌呤和脱嘧啶、以及细胞代谢产物对DNA的损伤。例如，腺嘌呤的互变异构体（A’）可以与胞嘧啶配对，模板链上存在这些异构体的时候，子代链上就可能发生错误，形成损伤。细胞呼吸的副产物O2－和H2O2都能造成DNA的氧化损伤。

  4. 二、物理因素引起的损伤 1. 紫外线引起的DNA损伤 • 紫外线（UV）照射引起的DNA损伤主要是形成嘧啶二聚体。 2. 电离辐射引起的DNA损伤 • 电离辐射对DNA的损伤有直接效应和间接效应两种途径。前者指辐射对DNA直接沉积能量，并引起理化改变；后者是指电离辐射在DNA周围环境的其它成分上沉积能量，而引起DNA分子的变化。电离辐射的结果可以引起DNA的碱基损伤、链断裂以及DNA的交联。

  5. 三、化学因素引起的DNA损伤 1.烷化剂对DNA的损伤 • 烷化剂是一类亲电子的化合物，极容易与生物体内的有机物大分子的亲核位点起反应烷化剂核DNA作用时，就可以将烷基加到核酸的碱基上去。DNA链上的磷酸二酯键被烷化则形成不稳定的磷酸三酯键，可能在糖与磷酸间发生水解作用，导致DNA链的断裂。

  6. 2. 碱基类似物对DNA的损伤 • 碱基类似物是一类结构与碱基相似的人工合成的化合物，它们进入细胞以后，便能替代正常的碱基而掺入到DNA链中，干扰了DNA的正常合成。最常见的碱基类似物是5-溴尿嘧啶（5-BU）。

  7. 第二节 DNA修复 • 为了保证遗传信息的高度稳定性，生物细胞在进化过程中形成了一系列多步骤的修复机制。 • 目前对DNA损伤和修复的研究还不多，仅限于辐射－生物反应方面。

  8. 一、切除修复 1. 碱基切除修复（base excise repair，BER） • BER可以去除因脱氨基或碱基丢失，无氧射线辐射或内源性物质引起的环氮类的甲基化等因素产生的DNA损伤。 • BER是维持DNA稳定的重要修复方式，其步骤是N-糖苷键水解，从而切除发生变化的碱基。碱基释放过程是由DNA糖苷酶催化的。

  9. 2. 核苷酸切除修复（nucleotide excise repair, NER） • NER可以修复UV照射形成的嘧啶二聚体以外，还能消除体内产生的各种嘌呤和嘧啶加合物。NER的关键特征是对损伤的DNA链的两端进行切割。 • NER在已研究过的真核生物中都很相似，说明其在进化过程中高度保守。

  10. 二、直接（回复）修复 直接修复即简单地把损伤的碱基回复到原来状态的修复，可分为以下几种： 1. O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶直接修复 通过从O6-甲基鸟嘌呤上把甲基直接转移到酶的半胱氨酸残基上来直接回复DNA的损伤。

  11. 2. 光解酶复活 • 酶学光复活过程是修复UV导致的环丁烷嘧啶二聚体的直接机制，这种修复具有高度的专一性。 3. 单链断裂修复 • DNA单链断裂是损伤的一种常见形式，可以通过DNA连接酶的重接而修复。

  12. 三、错配修复 • 错配修复可以纠正几乎所有的错配。此外对于对于插入或删除引起的DNA遗传信息的改变也有作用。 • 错配修复是以底物链上的信息为模板进行的，因此这个系统有区分底物链和新合成链的机制，细胞通过识别DNA链的甲基化状态来区分底物链和新合成的链。整个修复过程可以分为识别、切除和修补等步骤。

  13. 四、交联修复 • 链间交联是由多种多样的致癌剂和化疗药物等引起的。大肠杆菌和哺乳动物细胞内都存在这种修复机制，但细节还不清楚。 五、双链断裂修复 • 双链断裂（DSB）发生在体细胞重组和转座的生理条件下，也是电离辐射和氧化应激的主要损伤形式。依赖DNA的蛋白激酶对哺乳动物细胞中的双链断裂重接是必需的。

  14. 六、转录和修复 • 从目前的研究来看，修复发生于转录的整个过程，如激活、起始和延伸都与修复有关。在转录激活过程中，主要是AP-1和NF-KB两种转录因子可能参与转录－偶联修复。在转录起始过程中转录辅助因子TFII H也是一种修复因子。转录的延伸过程中，转录的序列修复比非转录的序列更迅速。

  15. 七、大肠杆菌的挽回系统 • 挽回系统（retrieval system）也称“复制后修复”（post-replication repair）因为它们在复制后起作用，也称为“重组修复”（recombination-repair）。此系统在处理复制含有损伤碱基模板后产生的子代二倍体的缺陷中起作用。

  16. 八、SOS系统 • 许多损伤DNA或抑制大肠杆菌复制的手段引起一系列综合的表现型改变，称为SOS反应。这是由RecA蛋白和LexA抑制物相互作用而引起的。 • SOS反应表现为修复损伤DNA的能力增强,这是通过诱导长补丁修复系统和RecA重组修复系统组分的合成来实现的。

  17. 第三节 基因突变 • 所有生物基因组中的DNA并不稳定，很容易发生各种各样的、可以遗传的改变，即基因突变（mutation）。 • 按突变的形式，可以将突变分为碱基替换（base substitution）、缺失（deletion）和插入（insertion）等。

  18. 基因突变的后果 • 功能丧失 功能丧失可能是部分的或全部的。 • 功能获得 很多机制可以产生功能获得的显性表现型。 • 癌症发生 并非所有的突变都会导致疾病，一个正常细胞转变成恶性肿瘤需要以多种特异性的突变同时发生为条件。

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