染色体与DNA4损伤、修复与转座

理解 DNA损伤修复的基本过程 掌握 DNA损伤与修复的机制 了解突变的类型及其意义 学习目的和要求 三、 DNA的损伤和修复与基因突变 DNA损伤 是指正常 DNA分子的化学结构或物理结构在某些 物理因素、化学因素（如射线和化学试剂 )以及细胞自发 产生的基因毒素等干扰作用下发生改变的现象。 (一 )DNA的损伤 DNA单链断裂 双链断裂 糖基氧化 碱基修饰 DNA链间交联 DNA与蛋白质之间的交联 1、 DNA的自发性损伤 由 DNA内在的化学活性以及细胞中存在的正常活性化分子 所致。 常见的 DNA自发性损伤类型 （ 1）脱嘌呤和脱嘧啶 自发的水解可使嘌呤和嘧啶从 DNA链的核糖磷酸骨架上脱 落下来。一个哺乳类细胞在 37 条件下， 20h内 DNA链上自 发脱落的嘌呤约 1000个、嘧啶约 500个；估计一个长寿命 不复制繁殖的哺乳类细胞（如神经细胞）在整个生活期间 自发脱嘌呤数约为 108，这占细胞 DNA中总嘌呤数约 3%。 概念 （ 2）碱基的脱氨基作用 碱基的环外氨基有时 会自发脱落，从而胞 嘧啶会变成尿嘧啶、 腺嘌呤会变成次黄嘌 呤（ H）、鸟嘌呤会变 成黄嘌呤（ X）等，遇 到复制时， U与 A配对、 H和 X都与 C配对就会导 致子代 DNA序列的错误 变化。胞嘧啶自发脱 氨基的频率约为每个 细胞每天 190个。 （ 3）碱基的互变异构 DNA中的 4种 碱 基各自的异构体间都可以自发地相互变化 （例如烯醇式与酮式 碱 基间的互变），这种变化就会使 碱 基配对间的氢键改变，可使腺嘌呤能配上胞嘧啶、胸腺嘧 啶能配上鸟嘌呤等，如果这些配对发生在 DNA复制时，就会 造成子代 DNA序列与亲代 DNA不同的错误性损伤。 （ 4）细胞正常代谢产物对 DNA的损伤 细胞呼吸的副产物 O2-、 H2O2等会造成 DNA损伤，能产 生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等 碱 基修饰物， 还可能引起 DNA单链断裂等损伤，每个哺乳类细胞 每天 DNA单链断裂发生的频率约为 5万次。 此外，体内还可以发生 DNA的甲基化，结构的其他 变化等，这些损伤的积累可能导致老化。 (1)高能离子化辐射 （如 X射线、 射线） (2)非离子化辐射 （如紫外线） 2、物理因素导致的 DNA损伤 3、化学因素导致的 DNA损伤 引起 DNA损伤的化学因素主要有两大类： 烷化剂 和 碱基类似物 。 （ 1）烷化剂导致的 DNA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（如核酸和蛋白质）的亲核位点起反应， 可将烷基（如甲基）加入到生物大分子的亲核位点上。 烷化剂对核 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。 （ 2）碱基类似物导致的 DNA损伤 碱基类似物 是一类结构与碱基相似，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）。 DNA损伤的修复 是指 DNA受到损伤后，组织细胞内发生 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。 1、直接修复 （教材 P.55） 直接修复是指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。它属于无差错直接 修复，也是生物体内最简单的一种修复方式。 (二 )DNA损伤的修复 光复活作用 是最早发现的一种高度专一的修复方式，它只作用 于紫外线引起的 DNA嘧啶二聚体的损伤修复。 光修复酶 (Photoreactivating enzyme)或光裂合酶 (Photolyase) （ 1）光复活 光复活酶催化的光 复活反应 形成嘧啶二聚体 光复合酶结合于 损伤部位 酶被可见光激活 修复后酶被释放 （ 2）断裂键的连接 （ 3）直接插入嘌呤 （ 4）烷基转移修复 DNA连接酶 DNA嘌呤插入酶 E.coli细胞中存在一种酶叫 O6-甲基鸟嘌呤转移酶， 该酶可直接从突变的 O6 烷基鸟嘌呤上除去烷基， 酶作用后即失活。它也属于无差错直接修复。 2、切除修复 （教材 P.53-54） 切除修复 是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，重新合成切除的部分，使 DNA恢复正常 结构的过程。 切除修复需要多种酶的参与，并且修复过程比较 复杂，基本步骤包括识别、切除、修补和连接。 （ 1）碱基切除修复 DNA糖苷酶 AP核酸内切酶 DNA聚合酶 DNA连接酶 AP位点 : 无嘌呤（ apurinic）和 无嘧啶（ apyrimidinic） 位点 （ 2）核苷酸切除修复 3、错配修复 （教材 P.52-53） 上一次课在讲 DNA复制的忠实性时已经讲过。 一种特殊的切除修复，它是按模板的遗传信息来修复错配 碱基的，因此修复时首先要区别模板链和新合成的 DNA链。 它通过碱基的甲基化来实现的。大肠杆菌 DNA的 5/ GATC 序列中 A的 N6都是甲基化的（ Dam甲基化酶负责），复制后 的一个短暂时间内，新合成链的 GATC中的 A 未被甲基化， 故子代 DNA暂时是半甲基化的，这是识别的基础。 错配的碱基被 MutS和 MutL组合的复合体识别并与之结合， 再与 MutH内切核酸酶结合，后者在子代链 GATC附近的位 点上产生缺刻，启动对损伤区的切除修复。 4、重组修复（ 复制后 修复） （教材 P.54-55） 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。 5、 SOS修复 （教材 P.55-56） SOS反应（ SOS response）：能造成 DNA损伤或抑制复制的处 理所引起的一系列复杂的诱导效应，称为应急反应。包括诱 导出现的 DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制等。 突变 是在 DNA分子碱基序列水平上所发生的一种永久性、可遗传 的变化，它是与遗传保守性既相对立又相统一的自然现象。 基因突变的影响 （ 1）产生轻微的、不易被察觉的有害或有利的生物学效应， 或者形成生物群体的遗传多态性； （ 2）产生不利于个体生存和发育，但可遗传的生物学效应， 导致遗传性疾病； （ 4）产生致死性突变，导致生物个体在发育过程中死亡，因 而不能将突变传递给后代。 （ 3）产生有利于个体生存和发育，且可遗传的生物学效应， 促使生物进化； (三 )基因突变 1、基因突变的类型 外界因素如某些化学物质诱变 剂、紫外线、电离辐射等也可 能诱导基因突变的发生 DNA复制错误造成 碱基的替换、插 入或缺失等 （ 1）碱基置换突变 碱基置换突变指基因中的一个或少数几个碱基被替代的 突变。最简单的碱基置换突变就是点突变，即 DNA序列 上单个碱基的改变。 转换 (transition)： Py与 Py， Pu与 Pu之间 变换，多见 颠换 (transversion)： Py与 Pu之间变换，少 见 同义突变 沉默突变（ silent mutation） -氨基酸不变 错义突变（ missense mutation）：氨基酸改变 无义突变（ nonsense mutation）：形成新的终止 密码的突变 无义突变 错义突变的例子 镰 状细胞贫血症 编码血红蛋白 b肽链上一个 决定谷氨酸的密码子 GAA变 成了 GUA， 使得 b肽链上的谷 氨酸变成了缬氨酸 ， 引起了 血红蛋白的结构和功能发生 了根本的改变 终止密码子突变 起始密码子突变 指原有的终止密码子突变成氨基酸密码子 指原有的起始密码子突变成氨基酸密码子 UAG,UAA,UGA AUG （ 2）缺失和插入突变 造成翻译过程中其下游的三联 密码子都被错读 ， 产生完全错 误的肽链或肽链合成提前终止 。 2、突变的意义 （ 1）突变是进化的分子基础 （ 2）突变可产生遗传多态性 （ 3）致死突变可用于消灭有害病原体 （ 4）突变可创造新类型物种 （ 5）突变是某些疾病的发病原因 理解各类转座子的结构特征和转座作用的机制。 学习目的和要求 四、 DNA的转座 （教材 P.56-64） 基本概念 转座子 （ transposon或 transposable element， Tn）就是基因组上可自主复制 和位移的 DNA片段，它们可以直接从基因 组内的一个位点移到另一个位点，发生 转座重组，从而改变染色体的结构。转 座子的转移过程叫 转座 。 转座子每次移动时携带着转座必需的基因 一起在基因组内跃迁，所以转座子又称 跳 跃基因 （ jumping gene）。 （一）转座子的类型和结构特征 类型 ：简单转座子和复合转座子 结构特征 ： （ 1）结构中含有一个或多个开放阅读框，其中有一 个编码转座酶的基因，这种酶催化转座子插入新的 位置； （ 2）两端有 20-40bp的反向末端重复序列，末端重 复序列是转座所必需的，因为它们是转座酶所识别的 底物。 1、插入序列（ insertion sequence, IS元件） 最小的转位因子， 2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基 因区域 不含有任何宿主基因 细菌染色体或质粒 DNA的正常组成部分。一个细菌细胞常带有少 于 10个 IS序列。转座子常常被定位到特定的基因中，造成该基 因突变。 IS序列都是可以独立存在的单元，带有介导自身移动 的蛋白。 2、复合转座子 一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子， 其两翼往往是两个相同或高度同源的 IS序列，表明 IS序列 插入到某个功能基因两端时就可能产生复合转座子。一旦 形成复合转座子， IS序列就不能再单独移动，因为它们的 功能被修饰了，只能作为复合体移动。 （二）转座子的转座机制和转座模式 1、转座机制 转座子插到新的位点 上产生交错切口，所 形成的突出单链末端 与转座子两端的反向 重复序列相连，然后 由 DNA聚合酶填补缺 口， DNA连接酶封闭 切口。 2、转座模式 转座子与靶 DNA之间连接事件的顺序与确切 的性质决定了是复制型转座还是非复制型 转座 （ 1）非复制型 转座酶 -损伤或致死；修复 （ 2）复制型 转座酶 解离酶 （三）转座作用的遗传学效应 1、引起插入突变 2、产生新的基因 3、产生染色体畸变 4、引起生物进化 （四）真核生物中的转座子 1、玉米中的控制因子 自主元件，如 Ac 非自主元件，如 Ds 2、果蝇中的 P元件 两种类型 一类是全长 p因子，长 2907 bp，两端有 33bp的 反向重复序列 (IR)，有 4 个外显子，编码转座酶。 含 P因子的果蝇称 P品系。 另一类是不能编码转座酶， 依赖于全长 P因子才能转 座移动的缺失型 P因子。 这类 P因子都是活性 P因子 的中段缺失型衍生物。长 度从 0 5 kb到 1 4 kb不 等。 （五）反转座子（ retroposon） 真核生物的一些转座子以 RNA 为中间体进行转座，这类转座 子称为反转座子。 反转录病毒自身、以 RNA为中 间体进行转座的 DNA序列、本 身不具转座能力的元件。 基因组插入位点产生短同向重 复序列。 1、逆转录病毒 2、果蝇 copia元件 至少有 11个家族，每个家族的成员都相当保守。 长度约为 5kb，两端具有相同的 276bp的正向长末端重复， 其长度和序列在家族之间有所变化，每个末端各有 13bp的不 完整的反向重复，与其他转座子一样，它插入到一个新位点， 在靶 DNA上产生 3-6bp的正向重复。 Copia的插入靶点无序列特异性，但表现为一定的区域优先 性。 3、酵母中的 Ty单元 （六）转座子的应用 1、用于难以筛选的基因的转移 2、作为基因定位的标记 3、筛选插入突变 4、构建特殊菌株，如 F因子处在特定位 置上的 Hfr菌株的构建、带有特定基因 的转导噬菌体的构建、或特定区段缺失 菌株的构建等 5、克隆难以进行表型鉴定的基因 复习思考题 1、哪些因素能引起 DNA损伤？生物机体如何修复 DNA 损伤？ 2、生物机体的损伤修复对生物体有何意义？ 3、何谓 SOS？ SOS对生物体有何意义？ 4、何谓突变？突变与细胞癌变有何关系？ 5、用图表说明转座的机制。 5、解释转座是如何引起玉米粒的花色素斑的。