DNA的损伤与修复(1).ppt

DNA的损伤（的损伤（Mutation ） Small-scale mutationsa. substitutation （替换）b. deletion （缺失）c. insertion （插入）d. exon skipping The chromosome abnormalitya. Numerical abnormality: Triploidy, Monosomy,Trisomyb. Structural abnormality: Two breaks in a singlechromosome can cause inversion, deletion or ringstructure.The substitution mutation(a) Illustration of transition (blue) andtransversion (red) mutations. In thetransition mutation, a pyrimidine (C or T) issubstituted by another pyrimidine, or a purine(A or G) is substituted by another purine. Thetransversion mutation involves the changefrom a pyrimidine to a purine, or vice versa.(b) Examples of silent, missense and nonsense mutations. The silent mutation doesnot produce any change in the amino acid sequence, the missense mutation results ina different amino acid, and the nonsense mutation generates a stop signal.Deletion mutationThe deletion mutation involves elimination of one or morenucleotides from a DNA sequence. It may cause frameshift,producing a non-functional protein.In CFTR geneIn CFTR geneIn FIX geneIn APC geneReal examples of deletion mutations which cause diseasesInsertionOne or more nucleotides are inserted into a sequence. Ifthe number of inserted bases is not a multiple of 3, it willcause frameshift, resulting in serious consequences.Exon skippingSplicing of an intron requires an essential signal: GT.AG. If thesplice acceptor site AG is mutated (e.g., A to C in this figure), thesplicing machinery will look for the next acceptor site. As a result,the exon between two introns is also removed.2. 5 DNA的修复的修复由于染色体DNA在生命过程中占有至高无上的地位，DNA复制的准确性以及DNA日常保养中的损伤修复就有着特别重要的意义。表2-12 大肠杆菌中DNA的修复系统DNA修复系统修复系统错配修复碱基切除修复核苷酸切除修复DNA直接修复功能恢复错配切除突变的碱基修复被破坏的DNA修复嘧啶二体或甲基化DNA2.5.1 错配修复（mismatch repair）错配修复对DNA复制忠实性的贡献力达102-103，DNA子链中的错配几乎完全能被修正。图2-25 根据母链甲基化原则找出错配碱基 的 示 意 图 。a. 发现碱基错配。b. 在水解ATP的作用下，MutS, MutL与碱基错配位点的DNA双链相结合双链相结合。c. MutS-MutL在在DNA双链上移动，发现甲基化DNA后由MutH切开非甲基切开非甲基化的子链。该系统识别母链的依据来自Dam甲基化酶，它能使位于甲基化酶，它能使位于5GATC序列中腺苷酸的序列中腺苷酸的N6位甲基化。一旦复制叉通过复制起始位点，母链就会在开始DNA合成前的几秒种至几分钟内被甲基化。只要两条DNA链上碱基配对出问题，错配修复系统就会根据“保存母链，修正子链”的原则，找出错误碱基所在的DNA链，并在对应于母链甲基化腺苷酸上游鸟苷酸的5位置切开子链，再启动特定的修位置切开子链，再启动特定的修复途径，合成新的子链片段。图2-26 碱基错配修复过程示意图当错配碱基位于切口3下游端时，在MutL-MutS、解链酶II、DNA外切酶VII或或RecJ核酸酶的作用核酸酶的作用下从错配碱基3下游端开始切除单链DNA直到错配位点，并在Pol III和和SSB的作用下合成新的子的作用下合成新的子链片段。若错配碱基位于切口的5上游端，则在DNA外切酶I或X的作用下切除单链DNA直到错配位点直到错配位点，再合成新的子链片段。2.5.2 碱基切除修复（Base-excision repair）所有细胞中都带有能识别受损核酸位点的不同的糖苷水解酶，能特异性切除受损核苷酸上的N-糖苷键，形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。图2-27 DNA分子中常见分子中常见的几种核苷酸非酶促转变反应a. 脱氨基反应图2-27 DNA分子中常见的几种核苷酸非酶促分子中常见的几种核苷酸非酶促转变反应b. 脱嘌呤反应 （N-糖苷键被水解）DNA repair bybase excisionDNA分子中一旦产分子中一旦产生了AP位点，内切酶就会把受损核苷酸的糖苷-磷酸键切开，移去AP位点附近小片段DNA，并由DNA聚合酶I和DNA连接酶共同完连接酶共同完成修复。2.5.3 核苷酸切除修复（nucleotide-excision repair）当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，则由核苷酸切除修复系统负责修复。DNA repair bynucleotide excision损伤发生后，首先由DNA切割酶(excinuclease)在已损伤的核苷酸5和3位分别切开磷酸糖苷键，产生并移去DNA小片段，然后由DNA聚合酶合成新片段，并由DNA连接酶完成修复中的最后步骤。大肠杆菌和人类细胞中的核苷酸切除修复过程示意图在原核生物中受损核苷酸3端的第5位，5端的第8位磷酸糖苷分别被DNA切割酶切开。切割酶切开。在人类细胞中，受损伤核苷酸3端第6位，5端的第23位磷酸糖苷键分别被DNA切割酶切开。2.5.4 DNA的直接修复的直接修复（direct repair）生物体内还存在DNA损伤直接修复而并不需要切除碱基或核苷酸的机制。DNA光解酶（光解酶（photolyase）能把在光）能把在光下或经紫外光照射形成的环丁烷胸腺嘧啶二体及6-4光化物（6-4-photoproduct）还原成为单体。图2-29 紫外光诱发形成嘧啶二体此外，生物体内还广泛存在着使O6-甲基鸟甲基鸟嘌呤脱甲基化的甲基转移酶，以防止形成G-T配对。配对。图2-30 O6-甲基转移酶使甲基转移酶使O6甲基化鸟嘌呤恢复成鸟嘌呤2.6 DNA的转座的转座（DNA Transposition）DNA 的 转 座 ， 或 称 移 位 （transposition），是由可移位因），是由可移位因子 （ transposable element） 介导的遗传物质重排现象。转座过程示意图2.6.1 转座子的分类和结构特征转座子（transposon，Tn）是存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。最简单的转座子不含有任何宿主基因而常被称为插入序列（insertionalsequence，IS），它们是细菌染色体），它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。一个细菌细胞常带有少于10个IS序列。常见的IS序列都是很小的DNA片段（约1kb），末端具有倒置重复序列，转 座 时 常 复 制 宿 主 靶 位 点 4 -15bp的的D N A 形 成 正 向 重 复 区 。大部分IS序列只有一个开放读码框，翻译起点紧挨着第一个倒置重复区，终止点位于第二个倒置重复区或附近。IS1含有两个分开的读码框，只有移含有两个分开的读码框，只有移码通读才能产生功能型转座酶。表2-13 IS序列的结构特征比较序列的结构特征比较长度（bp）两端倒置重复区（bp）靶位点正向重复区（bp）靶位点IS1IS2IS4IS5IS10R768132714281195132923411816229511或1249随机有热点AAAN20TTT有热点NGCTNAGCNIS50RIS9031531105791899有热点未知复 合 式 转 座 子 （ compositetransposon）是一类带有某些抗药性）是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。序列。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。除了末端带有IS序列的复合转座子以外，还存在一些没有IS序列的、体积庞大的转座子（5 000bp以上）以上）TnA家族。常带有家族。常带有3个基因个基因，一个编码-内酰胺酶（AmpR），另两个则是转座作用所必须的。所有TnA类转座子两翼都带有38bp的倒置重复序列。2.6.2 转座作用的机制转座发生时，受体分子中有一段很短的（312bp）、被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。不同转座子的靶序列长度不同，但特定转座子所复制的靶序列长度是一样的。IS1两翼总有9个碱基对的靶序列，而Tn3两端总有两端总有5bp的靶序列。的靶序列。在复制性转座中，整个转座子被复制，所移动的仅仅是原转座子的拷贝。转座酶（transposase）和解离酶（resolvase）分别作用于原始及复制转）分别作用于原始及复制转座子。TnA类主要是这种形式。在非复制性转座中，原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位，IS序列、Mu及Tn5等都以这种方式进行转座。2.6.3 转座作用的遗传学效应转座引起插入突变，导致结构基因失活。转座产生新的基因。转座产生的染色体畸变。转座引起生物进化。由于转座作用，使某些原来在染色体上相距甚远的基因组合到一起，构建成新的表达单元，产生新的基因和蛋白质分子。2.6.4 真核生物中的转座子1 玉 米 中 的 控 制 因 子 （ controllingelement）- 转座子玉米中的控制因子分为两类，即自主性因子和非自主性因子。前者具有自主剪接和转座的功能；后者单独存在时是稳定的，不能转座，当基因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因子时，它才具备转座功能。同一家族的自主性因子能为非自主性因子的转座提供反式作用蛋白（转座酶）。在著名的Ac-Ds体系中，自主转座子Ac长4563bp，转录生成，转录生成3 500bp的单一成熟的单一成熟RNA。Ac转座子的两翼有转座子的两翼有11bp的倒转重复序列，在的倒转重复序列，在其靶DNA位点复制形成8bp正向重复。已知所有Ds都是Ac转座子的缺失突变体，其两端有完整的转座特征序列。Spm（suppressor-mutator）和）和En（enhancer）属于另一类转座子。）属于另一类转座子。Spm和和En几乎是完全相同的，它们几乎是完全相同的，它们只有不到10个碱基的差异，两端各有一个13bp的倒置重复序列，在其靶DNA位点复制形成3bp正向重复。图2-36 转座子Spm/En和dSpm非自主转座子的结构比较Spm和和En的转录区（即的转录区（即tnpA基因）有基因）有8300bp，成熟，成熟mRNA为为2500bp。tnpA基因基因产物的主要功能是切割转座子序列。另有两个开放读码框位于tnpA基因的内含子中，其mRNA的含量大约只有tnpA基因产物的1%。由tnpB基因编码的这两个蛋白可能直接与转座子两端13bp倒转重复区相结合，有利于DNA的切割和转移。所有dSpm（defective Spm）都是功能型）都是功能型Spm的缺失突的缺失突变体。2 果蝇中的转座子果 蝇 中 的 Copia 转 座 子具 有 数 百bp的末端正向重复和类似于酵母的末端正向重复和类似于酵母Ty转座子及转座子及RNA肿瘤前病毒的结肿瘤前病毒的结构，能以高速度转录并产生有多聚腺苷化末端的RNA。只具有一个长的可阅读框架，基因产物与RNA肿瘤病毒逆转录酶有较高的同源性。图2-37 真核生物细胞内存在不少结构上类似于反转录病毒的反转录转座子。这类转座子都编码一个与反转录病毒中的反转录酶高度同源的转座酶，左右两边都是与病毒边界序列LTR同源的重复序列。P转座子（转座子（P element）属于非）属于非复制型，两翼都有31bp倒置重复序列，转座后导致靶DNA复制产生8bp正向重复序列。有实验证明，P转座子插入果蝇基因组W位点引起杂种不育。P转座子的原初转录产物为转座子的原初转录产物为2.5或或3.0kb，包括外显子，包括外显子0、1、2、3及3个内含子。体细胞中，只有前两个内含子能被顺利切除，产生包括外显子02的功能型mRNA并被翻译成一个6.6104的转座阻遏蛋白。在卵细胞中，内含子3能被切除，所产生的成熟mRNA包括全部4个外显子并被翻译成8.7104转座酶，导致转座酶，导致P转座子转座子转座和配子体败育。P转座子与杂种不育转座子与杂种不育