DNA损伤、修复(精品)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,DNA,的损伤、修复,基因突变与,DNA,的损伤与修复,作为一种能决定生命状态,存在和延续,的生物大分子，,DNA,在遗传过程中必需保持高度的,精确性和完整性。,在,DNA,复制过程中，仍难免会存在,少量未被校正的差错,。,DNA,还会受到,各种物理和化学因素的损伤,。,生物体演化出能纠正复制错误的,“校正”,系统，而且在细胞中形成了多种多样的,DNA,修复系统,，能对各种,DNA,的损伤进行修复，恢复,DNA,正常的超螺旋结构，以保持每个世代遗传信息的稳定性。,极少数,不能修复的,DNA,损伤将会导致基因的突变,，其中一部分突变将有利于物种的,进化,，而另一部分突变将导致细胞发生,变异和死亡。,一、,DNA,的损伤,由自发的或环境的因素引起,DNA,一级结构的任何异常的改变称为,DNA,的损伤,。,常见的,DNA,的损伤包括,碱基脱落,、,碱基修饰、交联，链的断裂，重组,等。,（一）引起,DNA,损伤的因素：,1,自发因素：,1),脱嘌呤和脱嘧啶,DNA,分子通过自发水解,经常,发生脱嘧啶和脱嘌呤反应，使嘌呤碱和嘧啶碱从,DNA,分子的,脱氧核糖,-,磷酸骨架上脱落下来,。,例如，在腺嘌呤和鸟嘌呤的,N- 9,及脱氧核糖,C-1,之间的,N-,糖苷键常发生,自发水解反应而断裂,，从而失去嘌呤碱基，使该嘌呤碱基所编码的遗传信息丢失。,2,）碱基的脱氨基作用,碱基中的,胞嘧啶（,C,）,、,腺嘌呤（,A,）,和鸟嘌呤（,G,）,都含有,环外氨基,，氨基有时会自发脱落，从而使,胞嘧啶变为尿嘧啶（,U,）,，,腺嘌呤变为次黄嘌呤（,I,）,鸟嘌呤变为黄嘌呤（,X,）,。,这些脱氨基产物的,配对性质,与原来的碱基,不同,，即,U,与,A,配对,，,I,和,X,均与,C,配对。而且,DNA,复制时，它们将会在子链中产生,错误而导致,DNA,损伤,。,3,）碱基的互变异构,DNA,中的四个碱基都可能自发地使,氢原子改变位置,而产生,互变异构体,，从而使碱基的配对形式发生改变。如,腺嘌呤的稀有互变异构体与胞嘧啶配对，胸腺嘧啶的稀有互变异构体与鸟嘌呤配对,。当,DNA,复制时，如果模板链上存在着这样形式的互变异构体，在子链上就可以产生错误，造成,DNA,损伤。,4,）细胞正常代谢产物对,DNA,的损伤,在所有需氧细胞中，细胞呼吸作用产生的副产物,超氧阴离子（,O,2,-,）和,H,2,O,2,非常活跃，由于这些超氧化物、氢过氧化物及羟基自由基（,OH,）,等活性氧的存在，导致,DNA,在正常条件下发生,氧化损伤,。这些自由基可在,许多位点上攻击,DNA,，,产生一系列特性变化了的,氧化产物,，,8-,氧化鸟嘌呤,，,2-,氧化腺嘌呤和,5-,羟甲基尿嘧啶。,2,物理因素,：,由紫外线、电离辐射、,X,射线等引起的,DNA,损伤。其中，,X,射线和电离辐射常常引起,DNA,链的断裂，而,紫外线,常常引起,嘧啶二聚体,的形成，如,TT,，,TC,，,CC,等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。,3,化学因素：,(1),脱氨剂,：如,亚硝酸与亚硝酸盐,，可加速,C,脱氨基生成,U,，,A,脱氨基生成,I,。,(2),烷基化剂,：这是一类带有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起碱基或磷酸基的,烷基化,，甚至可引起邻近碱基的交联。,(3)DNA,加合剂,：如苯并芘，在体内代谢后生成,四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起损伤。,(4),碱基类似物,：如,5-FU,，,6-MP,等，可掺入到,DNA,分子中引起损伤或突变。,(5),断链剂,：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起,DNA,链的断裂。,二、,DNA,损伤的修复,生物体内存在多种修复途径，如能纠正复制错误的,尿嘧啶,N,糖基修复酶系统,和,错配修复系统,，以及能修复环境因素和体内化学物质造成,DNA,分子损伤的,光复活修复系统、切除修复系统、重组修复系统和,SOS,修复系统,等。,DNA,分子的双螺旋结构是其损伤修复的重要基础。,（一）直接修复：,1,光复活：,（,light repairing,）：,一种广泛存在的修复作用。光复活能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。,其修复过程为：,光复活酶,（,photo-,lyase,),识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物在,300,600nm,可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的丁酰环打开，使之完全修复光复活酶从,DNA,上解离。,2,直接插入嘌呤,当,DNA,链上的嘌呤碱基受到损伤时，常会被糖基化酶水解脱落生成无嘌呤位点（,apurinic,site, AP,位点）。,人们发现一种酶能对这种损伤进行直接修复，这种酶被称为,DNA,嘌呤插入酶。此酶首先与无嘌呤位点相结合，并在,K,存在下催化游离的嘌呤碱基或脱氧核苷与,DNA,无嘌呤部位形成糖苷键。,插入酶所插入的碱基具有,高度的专一性,，例如，在双链,DNA,中与,C,相对应的,AP,位点上，插入酶只催化,G,插入，而在与,T,相对应的,AP,位点上，插入酶只催化,A,插入。,3.,断裂链的重接,：,DNA,断裂形成的缺口，可以在,DNA,连接酶的催化下，直接进行连接而封闭缺口。,4.,烷基转移修复,在转甲基酶的催化下，将,DNA,上的被修饰的甲基去除。此时，转甲基酶自身被甲基化而失活。,（二）切除修复,(excision repairing),：,这也是一种广泛存在的修复机制，可适用于多种,DNA,损伤的修复。该修复机制可以分别由两种不同的酶来发动，一种是,核酸内切酶,，另一种是,DNA,糖苷酶,。,（三）、错配修复,DNA,复制是一个高保真过程，但其正确性毕竟不是绝对的，复制产物中仍会存在少数未被校出的,错配,碱基。,错配中的错配碱基存在于,新合成的子代链中,，错配修复是按模板的遗传信息来修复错配碱基的。,修复系统必须有一种能在复制叉通过之后,识别模板链与新合成,DNA,链的机制,，以保证,只从新合成的,DNA,链中去除错配碱基,。,大肠杆菌通过对模板链的甲基化来区分新合成的,DNA,链。,Dam,甲基化酶对,DNA,模板链的,5- GATC,序列中腺嘌呤的,N,6,位置进行甲基化,;,复制完成后，在短暂的时间内只有模板链是甲基化的，而新合成的链,是非甲基化,的。,子代,DNA,链中的这种暂时半甲基化，可以作为一种链的识别标志，以区别模板链和新合成的链，从而,使存在于,GATC,序列附近的复制错配将按亲代链为模板进行修复,新合成链也被甲基化，从而成为,全甲基化,DNA,。一旦两条链都被甲基化，这种错配修复过程几乎,不再发生,。,由于甲基化,DNA,成为识别模板链和新合成链的基础，且错配修复发生在,GATC,的邻近处，故这种修复也称为,甲基指导的错配修复（,methyl-directed mismatch repair,）,。,（四）重组修复,(recombination repairing),：,这是,DNA,的复制过程中所采用的一种有差错的修复方式。,（五）,SOS,修复,：,这是一种在,DNA,分子受到较大范围损伤并且使复制受到抑制时出现的修复机制，以,SOS,借喻细胞处于危急状态。,DNA,分子受到长片段高密度损伤，使,DNA,复制过程在损伤部位受到抑制。,损伤诱导一种特异性较低的新的,DNA,聚合酶，以及重组酶等的产生。,由这些特异性较低的酶继续催化损伤部位,DNA,的复制，复制完成后，保留许多错误的碱基，从而造成突变。,三、,基因突变与生物进化,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,，它是与遗传保守性相对立而又相互统一的自然现象。生物进化始于基因突变（,mutation,），,并通过,基因突变的积累和遗传导致生物种属的演化,。,（一）、基因突变的类型,碱基序列发生改变的基因我们称之为,突变基因,（,mutant gene,）。,携带突变基因的生物个体或群体或株系通常称为,突变体,（,mutant,）。,基因没有发生变化而表现正常的生物个体则称为,野生型,（,wild type,）。,突变及其在机体中的后效也可用,基因型,（,genetype,）,和,表现型,（,phenotype,）,两个术语来表述，前者用于描述突变及其所处,基因,；后者用于描述突变在机体中的,后果,。,由于自然界中突变剂的作用或由于偶然的复制错误而产生的突变都属于自发突变。由于,人们使用突变剂处理生物体而产生突变则是诱变,目前人们最了解和最常见的基因突变主要有以下两类：,1,、碱基置换突变,指基因中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是点突变，即,DNA,序列上单个碱基的改变。,点突变如果是嘌呤与嘌呤之间，嘧啶与嘧啶之间发生互换，称之为,转换,（,transversion,）；,如果是嘌呤与嘧啶之间发生互换，称之为,颠换,（,transition,）。,1,）、同义突变,（,cosense,mutation,）：,也称,沉寂或沉默突变,（,silent mutation,）。,由于遗传密码具有简并性，即同一氨基酸可由两种或两种以上密码子编码，而且同义密码间通常只有第,3,位碱基不同。如果点突变发生在第,3,位碱基位置，那么它就不会影响掺进蛋白质中的氨基酸,同义突变不会造成蛋白质一级结构的变化,，但,可形成基因多态性,。,如果突变发生在,DNA,的非编码区或非调节区，则该突变也将是,沉默突变,根据点突变发生的性质和部位的不同，可进一步将其化分为以下几种类型：,2,）、错义突变,（,missense,mutation,）：,基因编码序列中碱基的置换如果发生在密码子的第,1,或第,2,位,碱基上，导致某,密码子改变,，并编码,另一种氨基酸,，则是,错义突变,。,错义突变有可导致蛋白质结构与功能的变化，也可能仅有蛋白质结构的变化，而对其功能影响甚微。因为大多数蛋白质可以耐受其氨基酸序列中某些,非活性必需氨基酸,的改变,.,如果蛋白质结构或功能活性的,关键部位发生了氨基酸的改变,，则极有可能产生突变体或造成致死性后果。,3,）、无义突变,（,nonsense mutation,）：,指基因编码序列中碱基置换使氨基酸密码子转变为,终止密码子,的突变。,这种突变可导致,mRNA,的转录及翻译过程提前终止，产生比原肽链截短并缺失了,C,末端的蛋白质产物。,无义突变常对编码蛋白质的活性有,严重影响,，容易产生突变体表型。,4,）、终止密码子突变,（,mutation of termination,codon,）：,指,基因的终止密码子发生碱基置换转变为一种氨基酸密码子,，致使转录和翻译过程不能正常终止，结果形成一种比原肽链延长的异常蛋白质的突变。,5,）、起始密码子突变,（,mutation of initiation,codon,）：指基因中,起始密码子被置换，导致不能正常转录和翻译，无表达产物的,突变。,上述大部分发生在基因编码序列中的点突变，可引起蛋白质结构改变，但一般不影响,基因的表达,，少数情况下可伴有基因表达水平的,降低,。基因的,非编码序列也可发生碱基置换突变,，如启动子、增强子、内含子等区域内的突变，,均可影响基因表达及表达调控,。,2,、缺失和插入突变（,deletion and insertion mutation,）,指在,DNA,编码区内丢失或增加,3,或,3,的倍数个核苷酸而导致的基因突变。,这类突变的效应是使基因翻译至突变处时丢失或增加,1,个或数个氨基酸,，而突变位点后的氨基酸序列并无改变。但是，如果插入或缺失涉及的核苷酸数目不等于,3,的倍数，将会造成突变点后全部密码子阅读框架,移位，进而翻译产生的氨基酸序列与正常蛋白质完全不同，或者使肽链合成提前终止或延长，产生无正常功能的异常蛋白质，这种基因突变称为,移码突变,。移码突变的结果是所翻译出的蛋白质序列从突变点起至,C,末端都完全被改变了，若此突变发生在有,重要功能的基因中，常可导致生物个体死亡。,（三）、突变的意义,基因突变的效应是多种多样的。人们一般容易误认为突变对生命都具有危害作用。其实就其后果而言，突变在生物界普遍存在是有其积极意义的。,1,、突变是进化的分子基础,从生物进化史看，进化过程是突变不断发生所造成的，突变为进化提供了最根本、最原始的材料，没有突变就不可能有现今五彩缤纷的生物世界。,动植物及微生物中很多单位性状内的差别，都来自该,生物进化过程中的基因突变,。,2,、突变可产生遗传多态性,多态性（,polymophism,）,一词是用来描述个体之间基因型差别现象的,。,只有基因型改变而没有可察觉表型改变的突变，是导致,DNA,多态性形成的原因,。如前所述的简并密码子中第三位碱基的改变，以及蛋白质非功能区段上编码序列的改变等等。由于许多,DNA,多态性发生在,限制性内切酶识别位点上,，酶解该,DNA,片段就会,产生,长度不同的片段，称为限制性片段长度多态性（,restriction fragment length polymorphism,，,RFLP,）,。,研究表明，,RFLP,按孟德尔方式遗传，在某一特定家族中，如果某突变基因与特异的多态性片段紧密连锁，就可用这一多态性片段作为一种,“遗传标志”进行分析和诊断,。例如，法医学上的个体识别和亲子鉴定；医学上器官移植的配型及个体对某些疾病的易感性分析，都要用,DNA,多态,性分析技术。此外，利用核酸杂交原理，还可以设计各种技术用于,识别个体差异和种、株间差异的分析,。,3,、致死性突变可用于消灭有害病原体,突变发生在对生命过程至关重要的基因上可导致个体或细胞的死亡。人类常利用这种致死性突变消灭,有害病原体,，以达到灭菌的目的。,4,、突变可创造新类型物种,突变可改变物种的基因型，从而形成新性状。现代物种形成与进化理论已为突变育种新技术奠定了理论基础。目前辐射育种和化学诱变育种，以及突变体的筛选等技术已得到广泛运用，并已培育出许多优良品种。,5,、突变是某些疾病的发病原因,这些疾病包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的疾病，一般人认为突变有害，指的就是这种类型的突变。现今最详细的内科学记载了,4000,余种疾病，其中有,三分之一,以上的疾病属于遗传性疾病或有遗传倾向的疾病。有少数遗传性疾病已知其遗传缺陷所在，如血友病是凝血,因子基因的突变，地中海贫血是血红蛋白基因突变等等。有,遗传倾向的疾病包括常见的高血压、糖尿病、溃疡病、肿瘤等,。可以肯定这些疾病与生活环境有关，但也有证据表明存在某些基因的变异，而且涉及的基因,不是少数几个,，而是,众多基因,与生活环境因素共同作用的结果。,