基因突变与DNA的损伤及

,*,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,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,*,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,*,第四章,基因突变与,DNA,损伤、修复,遗传物质的结构改变而引起的遗传,信息改变，均可称为,突变,mutation,）,在复制过程中发生的,DNA,突变称为,DNA,损伤,（,DNA damage,）,从分子水平来看，突变就是,DNA,分,子上碱基的改变。,在,DNA,复制过程中，仍难免会存在,少量未被校正的差错,。此外，,DNA,还会受到,各种物理和化学因素的损伤,。这些差错和损伤如果不被修复，将会,产生,严重的细胞学后果,生物细胞中形成了多种多样的,DNA,修复系统,第一节,DNA,的损伤,DNA,损伤,正常,DNA,分子的化学结构与物理结构发生改变,射线,化学试剂,DNA,碱基杂环,N,C,环外基团,化学结构与物理结构,改变,DNA,损伤,单链断裂,双链断裂,糖基化,碱基修饰,DNA,链间交联,DNA,与蛋白质交联,一、,DNA,的自发性损伤,E,cloi,错配,10,-1,10,-2,校正,10,-1,1,、脱嘌呤和脱嘧啶,哺乳动物,29/cell,hr,脱嘧啶,脱嘌呤,580/cell,hr,9,1,2,、碱基的脱氨基,（次黄嘌呤）,（黄嘌呤）,3,、碱基的互变异构,氨基,亚氨基,羰基,烯醇基,4,、细胞正常代谢产物对,DNA,的损伤,O,2,H,2,o,2,OH,8-,氧鸟嘌呤,2-,氧腺嘌呤,5-,羟甲基尿嘧啶,二、物理因素导致的,DNA,损伤,紫外线,UV,：,主要是形成嘧啶二聚体；,电离辐射：,引起,DNA,碱基损伤、链的断裂、,DNA,交联等,HNO,2,Nitrous acid,1、,亚硝酸：使胞嘧啶脱氨生在尿嘧啶，,A,脱氨基生成,I,。,三、化学因素导致的,DNA,损伤,烷化剂,：,碱基烷基化；碱基脱落；断链；交联,单功能烷化剂,：,甲基磺酸甲酯,双功能烷化剂：,可同时和,DNA,中两个不同的亲核位点反应,DNA,链内交联,DNA,链间交联,2、,烷化剂,导致的,DNA,损伤,3,、碱基类似物：,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。,如：,5-,溴尿嘧啶（与,A,或,G,配对）、,2-,氨基嘌呤（与,T,或,C,配对）,DNA,损伤的后果：,点突变、缺失、插入、倒位或转位、双链断裂,对生物可能产生,4,种后果,：,致死性；,丧失某些功能；,改变基因型而不改变表现型；,发生了有利于物种生存的结果，使生物进化。,第二节,DNA,损伤的修复,DNA,损伤的修复：,是指,DNA,受到损伤后，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。,DNA,是细胞中唯一具修复系统的生物大分子。,一、直接修复,直接修复：,指的是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。,是生物体内最简单的修复方式，属于无差错直接修复。,（,1,）光修复或光复活：,光修复：,利用可见光能量将,DNA,中的嘧啶二聚体通过光解作用恢复为单体，从而恢复,DNA,正常结构的,DNA,修复过程。,这是最早发现的,DNA,修复方式。,DNA,中的嘧啶二聚体可通过可见光,(300,600nm),的光解作用而恢复为单体。,催化这一过程的酶为,光复活酶或光裂合酶,。,基本步骤如图所示：,此酶能特异性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合的二聚体，并与其结合，这步反应不需要光；,结合后如受,300-600nm,波长的光照射，则,光复活酶,就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，,然后酶从,DNA,链上释放，,DNA,恢复正常结构。,（,2,）断裂链的重接,DNA,单链断裂是常见的损伤，其中一部分可仅由,DNA,连接酶,参与而完全修复。此酶在各类生物各种细胞中都普遍存在，修复反应容易进行。但双链断裂缺几乎不能修复。,（,3,）直接插入嘌呤,DNA,链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能被,DNA,嘌呤插入酶,识别结合，在,K,+,存在的条件下，催化游离嘌呤或脱氧嘌呤核苷插入生成糖苷键，且催化插入的碱基有高度专一性、与另一条链上的碱基严格配对，使,DNA,完全恢复。,（,4,）烷基的转移修复,在细胞中发现有一种,O,6,甲基鸟嘌呤甲基转移酶,，能直接将甲基从,DNA,链鸟嘌呤,O,6,位上的甲基移到蛋白质的半胱氨酸残基上而修复损伤的,DNA,。,这个酶的修复能力并不很强，但在低剂量烷化剂作用下能诱导出此酶的修复活性。,二、切除修复：,切除修复：,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，重新合成切去的部分，使,DNA,恢复正常结构的过程。,修复的基本步骤：,识别,切除,修补,连接,修复过程中需要多种酶；,修复主要有两种方式：碱基切除修复和核苷酸切除修复。,基本步骤如图所示：,首先由核酸酶识别,DNA,的损伤位点，在损伤部位的,5,侧切开磷酸二酯键。,由,53,核酸外切酶将有损伤的,DNA,片段切除。,在,DNA,聚合酶的催化下，以完整的互补链为模板，按,53,方向,DNA,链，填补已切除的空隙。,由,DNA,连接酶将新合成的,DNA,片段与原来的,DNA,断链连接起来。,三、错配修复,错配修复,：按模板的遗传信息来修复错配碱基的修复方式。,错配碱基的修复会使复制的保真性提高,10,2,10,3,倍。,现已在大肠杆菌、酵母和哺乳动物中发现了这一系统。,修复时首先要区别模板链和新合成的,DNA,链，这是通过,碱基的甲基化,来实现的。,半甲基化,DNA,成为识别模板链和新合成链的基础。,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,。,错配修复机制目前还不完全清楚。所有错配都可由这一系统修复，但其中以,G,T,错配修复,更为有效，,C,C,错配的修复为弱。,GATC sequences are targets for the Dam,methylase,after replication.During the period before this,methylation,occurs,the,nonmethylated,strand is the target for repair of mismatched bases.,mismatch repair,四、复制后修复,在,DNA,损伤未被切除或修复的情况下使细胞恢复,DNA,复制，等到复制完成后再通过其他机理修复残留的损伤，这种修复方式称为,复制后修复。,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。,重组修复不能完全去除损伤，损伤的,DNA,段落仍然保留在亲代,DNA,链上，只是重组修复后合成的,DNA,分子是不带有损伤的，但经多次复制后，损伤就被“冲淡”了，在子代细胞中只有一个细胞是带有损伤,DNA,的。,五、,SOS,修复,“,SOS”,是国际上通用的紧急呼救信号。,SOS,修复是指,DNA,受到严重损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下细胞所采取的一种,DNA,修复方式。,当,DNA,两条链的损伤邻近时，损伤不能被切除修复或重组修复。,诱导产生一整套特殊,DNA,聚合酶,SOS,修复酶类,，催化空缺部位,DNA,的合成，,补上去的核苷酸几乎是随机的,，终于保持了,DNA,双链的完整性，使细胞得以生存。但这种修复带给细胞很高的突变率。,第三节 基因突变与生物进化,基因突变：,DNA,分子碱基序列水平上发生的永久、可遗传的变化。,人类遗传性疾病已发现,4000,多种，其中不少与,DNA,修复缺陷有关，这些,DNA,修复缺陷的细胞表现出对辐射和致癌剂的敏感性增加。,基因突变,轻为有害或有利,不利于生存和发育,致死,有利生存和发育,生物学效应,生物群体的遗传多样性,遗传性疾病,促进生物进化,生物个体发育过程中死亡,3,.1,突变的类型,1,、碱基对的置换（,substitution,）,转换,(Transition),：,最普通的一种点突变，指一种嘧啶被另一种嘧啶代替，一种嘌呤被另一种嘌呤代替。使,GC,对被,AT,对替换，或者相反。,颠换,(,Transversion,),：,另一种不常见的点突变，嘌呤被嘧啶代替或者相反，如,AT,对变成了,TA,、,CG,对。,2,、移码突变（,frameshift,mutation,）,由碱基的缺失或插入造成。,Note:,突变集中在热点区域。,DNA,突变的类型,-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G-,-A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-,转换,-T-C-G-A-,G,-C-T-G-T-A-C-G-,-A-G-C-T-,C,-G-A-C-A-T-G-C-,插入,A,-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G-,-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-,缺失,T,野生型基因,-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G-,-A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-,-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G-,-A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-,颠换,碱基对的置换,(substitution),移码突变,(,framesshift,mutation),碱基置换突变：,（,1,）,同义突变：沉默突变,突变发生在密码子的第三位碱基位置，但所编码的氨基酸并没改变，这种突变称,同义突变。,(2),、,错义突变,基因编码序列中碱基的置换发生在密码子的第,1,或第,2,位碱基，导致密码子改变，并编码另一种氨基酸，这种突变称,错义突变。,(3),、,无义突变：,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称为,无义突变,。,（,4,）、,终止密码子突变,指基因的终止密码子发生碱基的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，形成异常蛋白质的突变称,终止密码子突变。,（,5,）、起始密码子突变,指基因中起始密码子被置换，导致不能正常转录和翻译，无表达产物的突变称,起始密码子突变。,二、突变的意义,1,、突变是进化的分子基础,2,、突变可产生遗传多样性,3,、致死性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,思考题：,1,、什么是,DNA,损伤？,DNA,损伤有哪些类型？,结果对生物细胞会有些什么影响？,2,、什么是,DNA,损伤的修复？对,DNA,损伤的修复有哪些方式，各有什么特点？,3,、叙述对,DNA,损伤的光修复过程。,4,、什么是基因突变？基因突变有哪些类型？基因突变有什么意义？,