05 第五章 DNA的损伤、修复和突变.pptx

第1页：第五章 DNA损伤

第五章DNA损伤、修复和突变

第2页：第四节 突变类型目录

第四节突变类型第五节回复突变(抑制突变)第六节突变剂和突变生成概述：损伤因素及其类型第一节复制过程中的错配修复第二节损伤修复第三节限制和修饰

第3页：复制中的损伤

引起损伤的因素:♦自发性损伤(复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、自发脱碱基、细胞的代谢产物对DNA的损伤)♦物理因素引起的损伤(电离辐射、紫外线)♦化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物）引起损伤的类型：碱基脱落、碱基（或核苷）改变、错误碱基（碱基的取代）、碱基的插入或缺失、链的断裂、链交联（链内、链间）、嘧啶二聚体等等

第4页：广义的修复系统

广义的修复系统：♦DNA聚合酶的校对功能(复制的范畴)♦尿嘧啶-N-糖苷酶修复系统（复制时U的渗入、C脱氨氧化成U）♦错配修复系统♦损伤修复系统(光复活、重组修复、SOS修复等) 限制修饰系统-----对付外源DNA的入侵

第5页：第一节 复制过程中的错配修复

第一节复制过程中的错配修复

第6页：经第二次校正

DNA mismatch+-----A------------C---DNApol (ξ= 10-8)经第二次校正ξ= 10-11错配修复系统(MRSMismatchRepairSystem)1、错配修复碱基来源：校正活性所漏校的碱基使复制的保真性提高102～103倍

第7页：错配修复系统

错配修复系统（Mismatch repair system）DNA polymeraseHelicase SSB外切核酸酶(Ⅰ和Ⅶ)连接酶MCE(mismatch correct enzyme)3 subunitsmutH, L, Sdam geneDNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)扫描新生链中错配碱基识别新生链中非m6A的GATC序列酶切含错配碱基的新生DNA区段（1）组成

第8页：合成过程中的甲基化变化

DNA合成过程中的甲基化变化DNA中的GATC (palindromic seq.)为m6A甲基化敏感位点平均每2kb左右有一GATC seq.错配修复系统受甲基化的引导

第9页：甲基化程度的差异

甲基化程度的差异a、MutH/MutS扫描识别错配碱基和邻近的GATC序列切点－－甲基化GATC中G的5’侧DNA helicase II, SSB,exonuclease I去除包括错配碱基的片段DNA polymerase III和DNA ligase填充缺口昂贵的代价用于保证DNA的准确性（2）修复过程

第10页：外切核酸酶

外切核酸酶Ⅰ切割切点的5’端（错配碱基在切点的5’端）----------------Ⅶ----------------3’端（--------------------------3’端）

第11页：糖苷酶系统

尿嘧啶-N-糖苷酶系统(ung system)修复尿嘧啶的来源：dUTP的渗入胞嘧啶的自发脱氨氧化

第12页：受损核酸位点

• DNA糖苷酶(glycosylase)能识别DNA受损核酸位点，特异性切开受损核苷酸上的糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，称为AP位点
• DNA分子中一旦产生了AP位点，AP核酸内切酶就会切开Ap位点附近的磷酸二酯键，并移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA

第13页：碱基切除修复过程

TAGC------ATCG------TAGC------A CG---U---TAGC---ung-ase①GCUAU---TAGC------A CG---AP内切酶(Apurinase)②---TAGC------ATCG---DNApolLigase③

第14页：第二节 DNA损伤的修复

第二节DNA损伤的修复

第15页：嘧啶二聚体的产生

嘧啶二聚体的产生类型：TT二聚体（）、CC二聚体（）、CT二聚体（）（P131页）TTCCCT相邻的胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚体CCCCCCCC

第16页：

第17页：不容易出错

PR1、光复活（photo reactivation）直接修复----TT--------AA--------TT--------AA--------TT--------AA--------TT--------AA---- 复制前、不容易出错 400 nm蓝光、PR酶(photo-reactivation enzyme)光敏裂合酶（photolyase）可见光激活二、二聚体修复的机制

第18页：复制前进行

切除修复 复制前进行 不易出错碱基切除修复核苷酸切除修复碱基切除修复(Base Excision Repair BER) DNA糖苷酶(glycosylase)识别损伤碱基并切开糖苷键 Ap内切酶切开Ap位点附近的磷酸二酯键 DNA PolI除去DNA链的损伤部分(5’ 3’外切)并合成 连接酶封闭

第19页：核苷酸切除修复

核苷酸切除修复 UvrABC核酸切割酶原核生物12-13个核苷酸真核生物27-29个核苷酸 DNA polΙ Ligase(Nucleotide ExcisionRepair NER)

第20页：修复系统比切除修复系统更有效目前知道

Rec-A. gene以某种方式参与DNA损伤修复♦Rec修复系统比切除修复系统更有效目前知道♫Uvr系统负责切除二聚体♫Rec系统负责消除没有被切除的二聚体可能造成的后果3.重组修复（Recombinative—Repair）复制后修复、E.coli的挽回系统

第21页：复制提取变性复制过程越过二聚体

TT TTAA AATT TTTT TTAA AATT TT变性E.coli(Rec-A,uvr-a-)D.S. DNAS.S. DNAU.V.复制提取变性复制过程越过二聚体而在相应新链上留下缺口 二聚体后起始 修复时期的证明

第22页：蛋白引起的重组

与Rec-A蛋白引起的重组(strand transfer)有关 TT dimer未被修复，仅表现在后代群体中TT dimer浓度的稀释 链的非准确转移，导致突变机率的增加修复相关机制:

第23页：链转移修复

重组修复(链转移修复) 复制后修复 容易出错 RecA, DNApolymerae ligase二聚体后起始RecA聚合酶、连接酶重组修复后的损伤位点可由其它机制进一步修复

第24页：损坏的噬菌体

易错修复（SOS修复SOS repair）E.coliE.coliE.coliλ80 10 100mut.100% 50% 10% 损坏的噬菌体DNA在E.coli A被修复 E. coli的SOS修复能被U.V.诱导(A) SOS修复过程有非常高的突变频率(易出错)ABCUV复活或W复活（Jean Weigh）（1）实验证据

第25页：无模板指导

SOS修复机制SOS修复－－无模板指导的DNA复制大剂量的紫外线照射，大量的二聚体产生SOS系统诱导，错误潜伏的复制超越二聚体而进行错误碱基

第26页：反应的一部分

SOS修复只是SOS反应的一部分RecA在SOS反应反应中起核心作用RecA与LexA组成调控环路DNA损伤SOSRecA受LexA的部分抑制

第27页：少数蛋白

• RecA-P
• 种功能a、DNA重组活性b、与S.S. DNA结合活性c、少数蛋白的proteinase活性当DNA正常复制时（无复制受阻，无DNA损伤，无TT dimer）RecA-p不表现proteinase活性

第28页：细胞内原少量表达

当DNA复制受阻/ DNA damaged细胞内原少量表达的RecA-p与S.S, DNA结合激活RecA-p的proteinase活性修复损伤LexA-p降解RecA-p高效表达SOS open

第29页：复制度过难关后

当DNA复制度过难关后SOS repair是一种错误倾向性极强的修复机制是进化中形成的“竭尽全力，治病救人”的措施（正常状态下，SOS是关闭的）RecA-p很快消失LexA gene onSOS off

第30页：第三节 限制和修饰

第三节限制和修饰

第31页：偶数噬菌体

限制－修饰现象(restriction and modificaion)50年代初Luria（T偶数噬菌体）Bertani（λ）Weigle（P2噬菌体）

第32页：菌体限制修饰系统中的限制性内切酶能将外来

结论：♪菌体限制修饰系统中的限制性内切酶能将外来DNA切断♪菌体本身的DNA可受甲基化酶的保护两者称为限制-修饰作用*E.coli K菌株和B菌株各有自己的限制修饰系统*E.coli C菌株没有细菌借助于限制-修饰系统来区别自己DNA和外源DNA

第33页：限制模式相同

自己DNA:限制模式相同的DNA同株系的不同个体DNA、寄生于其中的质粒和噬菌体居民DNA (resident DNA)：同一个细胞内的不同类型的DNA，包括细胞DNA，质粒DNA，噬菌体DNA等

第34页：修饰系统根据其特征分为三大

限制－修饰系统根据其特征分为三大类

第35页：第四节 突变

第四节突变类型

第36页：染色体突变

染色体突变（Chromosome mutation）chromosome numberchromosome structure 核苷酸突变（dNt point mutation）突变(mutation)：可以通过复制而遗传的DNA结构的任何永久性改变遗传状态

第37页：携带突变的生物个体或群体或株系突变基因

突变体(mutant)：携带突变的生物个体或群体或株系突变基因(mutant gene):存在突变位点的基因野生型基因（wild type gene）：表示方法表现型Arg+Arg-基因型arg+arg-野生型正性状

第38页：自然界的突变剂或偶然复制错误诱变

从突变作用来源上定义自发突变－－自然界的突变剂或偶然复制错误诱变－－人为使用突变剂 碱基异构式引起DNA复制过程的错误-----自发突变碱基异构式A (amino氨基) A ( imino亚氨基)C(a) C(i)G (keto酮式) G ( enol烯醇式)G(k)G(e,i)T (keto)T(enol-2’) or T(enol-4’)

第39页：碱基异构式引起

碱基异构式引起DNA复制的错配G(k) C(a)正确配对A(a)T(k)错误配对G(k)T(e)A(a)C(i)A(i, anti) A(a, syn) A(i, anti) G (k, syn)G(e,i, anti) G(k, syn) G(e,i, anti) A(a, syn)A(i)C(a)G(e)T(k)

第40页：碱基异构式引起（续）

A(a)T(k)A(a, anti)T(k, anti)C(i)C(a, anti)A(a)A(i, anti)碱基异构式引起DNA的错配突变C(i)C(a)G(k, syn)G(k, syn)G(k, anti)G(k)

第41页：从序列改变多少上定义单点突变

从序列改变多少上定义单点突变(point mutation) (点突变)多点突变(multiple mutation)点突变－－－碱基替代、碱基插入、碱基缺失 碱基替代（conversion）转换(transition)Py PyPuPu颠换(transvertion)PyPu

第42页：核苷酸缺失或插入

核苷酸缺失或插入（dNt deletion or insertion）= 3x dNt±n x Amino acid= 3x dNt移框（Framshift）移框突变（frameshift mutation）:一个或两个碱基的插入或缺失，或扁平碱性染料分子的插入会使DNA的阅读框架（读码框）发生改变3、从对阅读框的影响上定义移码突变

第43页：缺失突变示例

Examples of deletion mutations

第44页：碱基序列的改变引起了氨基酸序列

从对遗传信息的改变上定义（点突变）同义突变：没有改变产物氨基酸序列的密码子错义突变：碱基序列的改变引起了氨基酸序列的改变无义突变：碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白合成的终止密码子 碱基替代对遗传信息的改变---同义突变GAA→ GAGGlu

第45页：无义突变

错义突变GAA →AAALys---无义突变GAA →TAA(stop)无义突变类型UAA（Oc）赭石型（Ocher）UAG（Am）琥珀型（amber）UGA（Opal）乳石型（Opal）

第46页：非条件型突变

从突变的表达类型上定义---非条件型突变:---条件型突变:突变的表现=突变基因型+诱导条件（光，温敏感不育）6、从突变效应上定义正向突变回复突变:使突变体所失去的野生型性状得到恢复的第二次突变真正的原位回复突变很少大部分为第二点的回复突变－－－－抑制突变

第47页：突变位点存在于负责基因调控的序列中

突变位点存在于负责基因调控的序列中*在启动子区域时:启动子上升突变:增强启动子对转录的发动作用的突变启动子下降突变:*在操作子上或调节基因上组成型突变:产生组成型表达方式（基因不受调控地表达）的操作子突变或调节基因的突变突变的操作子不能被阻遏蛋白所识别调节基因突变不能产生有活性的阻遏蛋白两者之一都使结构基因失去了负向控制

第48页：第五节 回复突变

第五节回复突变(抑制突变)

第49页：抑制突变发生的部位基因内抑制突变

抑制突变发生的部位基因内抑制突变：抑制突变发生在正向突变的基因中基因间抑制突变：抑制突变发生在正向突变基因外的其它基因中wild typemutant (表现型)正向突变(low F.)回复突变(very low F.正向的1／10)

第50页：间接抑制突变

间接抑制突变:不恢复正向突变基因蛋白质产物的功能,而是通过改变其它蛋白质的性质或表达水平而补偿原来突变造成的缺陷,从而恢复野生型2、野生表型恢复作用的性质直接抑制突变:通过恢复或部分恢复原来突变基因产物蛋白质的功能而恢复野生表型

第51页：回复突变的分子机制

回复突变的分子机制a) AGC (Ser)ACC (Thr)AGC (Ser)b) AGC(Ser)AGG(Arg)AGT(Ser)c) AGC(Ser)AGG(Arg)GGG (Gly)if Ser≈Gly

第52页：基因内抑制突变

基因内抑制突变(Intragenic suppression)第二位点引起的基因内校正密码子间两次错义突变的互补4、抑制突变的分子机制错义突变移框突变错义突变造成野生型表型的丧失－－－部分原因在于影响到蛋白质的空间结构(正负电荷、疏水作用)

第53页：a、静电作用

a、静电作用

第54页：b、疏水作用

b、疏水作用

第55页：活性结构无活性结构

UGG174----------GGA210---(w.t.)(K) (G)回复突变(C)（G）----UGG174-----------GGA210--------UGG174----------GGA210--------UGC174-----------GAA210----活性结构无活性结构CA无活性结构(K) (E)错义突变的基因内抑制突变

第56页：移框突变的抑制突变

移框突变的抑制突变(基因内第二点的插入或缺失)

第57页：基因间的抑制突变无义突变

基因间的抑制突变无义突变---无义抑制突变错义突变---错义抑制突变移框突变---移框抑制突变发生在tRNA基因或与tRNA功能相关的基因上

第58页：基因间的无义抑制突变

a、基因间的无义抑制突变（Nonsense suppressor）野生型UAG、UGA、UAA－－－三种无义抑制赭石型无义抑制tRNA产生的几率很低，且抑制效率很低

第59页：基因间的错义抑制突变

AGAUCUArgGlyGGACCUUCUGlyCCUGlyb、基因间的错义抑制突变(Missense suppressor )Gly

第60页：基因间移框抑制突变总结

c、基因间移框抑制突变总结：基因内和基因间的错义（无义）、移框抑制突变均由相应的错义（无义）、移框突变抑制

第61页：第四节 突变类型目录（续）

第四节突变类型第五节回复突变(抑制突变)第六节突变剂和突变生成第一节复制过程中的错配修复第二节损伤修复第三节限制和修饰

第62页：第六节 突变剂和突变生成

第六节突变剂和突变生成

第63页：碱基类似物

碱基类似物（Base analog）2-氨基嘌呤2-Amino purine5-溴尿嘧啶5-Bromine UracilOOBrNH2

第64页：第二轮复制

BrU: G: A烯醇式enolBrOHHOBr酮式KetoHOAGCTTCCTATCGAAGGATAGCTBCCTATCGAAGGAT酮式5-BrU的渗入AGCTBCCTATCGAAGGATAGCTCCCTATCGAGGGAT第二轮复制A·TG·C转变AGCTBCCTATCGAGGGATAGCTTCCTATCGAAGGAT第一轮复制酮式到稀醇式的转变烯醇式渗入为G·CA·T转变

第65页：碱基类似物产生的均为错义突变

In DNABrU(k)>BrU(e)(正常形式) (异构体)BrU(k)BrU(e)难易A G G AT C C T>碱基类似物产生的均为错义突变

第66页：碱基的化学修饰导致突变又称化学突变剂

碱基的化学修饰导致突变又称化学突变剂：亚硝酸（nitrous acid HNO2）羟氨（hydroxylamine HA）甲磺酸乙酯（ethyl mathanesulfonate EMS）N-甲基-N’-硝基-N-亚硝基胍（N-mathyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidion NNG）产生－－－错义突变

第67页：HydroxylamineHA

NH2OH (HydroxylamineHA羟胺)C(i)A(a)HNHHOC(a)HAHNHHHOHNHHOHNHHOHNHHONH

第68页：嵌合剂的质突变作用吖啶橙

嵌合剂的质突变作用吖啶橙(Acridine OrangeAO)扁平染料分子溴化乙锭(Ethidium BromideEB)-ATTTTTCG--TAAAAAGC--A TTTCG--T AAAGC-TAOT-ATEBTTTTCG--TA分子插入AOEB-ATTTCG--TAAAGC--ATX’TTTTCG--TAXAAAAGC-XAAAAGC-结果产生－－－移框突变

第69页：维持遗传的稳定性

增变基因（mutator gene）w.t.维持遗传的稳定性mut.随机引起其他各类基因的突变一种误称4、转座成分的致突变作用生物体内有些基因与整个基因组的突变频率直接相关其突变时，整个基因组的突变频率明显上升

第70页：增变基因类别

增变基因类别：a、DNA polymerase相关基因3’5’校正功能突变b、错配修复系统的基因MCE (mismatch correction enzyme)c、DNA损伤修复系统基因错配，损伤修复功能丧失突变率升高

第71页：紫外线的致突变作用

紫外线的致突变作用---嘧啶二聚体(TT dimer )∧U.V.…C T T A…

第72页：脱嘌呤造成的突变

脱氨氧化U.V.CUA(a)U.V.U.V.H2O H++ OH-C(a)C(i)A(a)脱嘌呤造成的突变：碱基替代、缺失、重复、移框

第73页：基因自发突变的频率是一定

突变热点（Mutation Hotpoint）基因自发突变的频率是一定的DNA分子上某些位点的突变频率大大平均数，这样的位点称为－－－－

第74页：转座子插入位点不同

重复序列（repetitiveseq.）/palindromicseq.e.g. Lac. Operon---CTGGCTGGCTGG---b) m5Cc)不同诱变剂作用位点不同，转座子插入位点不同UCm5CT脱氨氧化复制时，模板与新生链间滑动错配缺失，插入突变复制期发生在新生链上不发生突变，若发生在模板链上很快突变非复制期突变频率50％

第75页：损伤碱基的化学反应损伤的修复突变突变生成

DNA的损伤修复与突变Mutagen (诱变剂）完全修复DNA损伤碱基的化学反应损伤的修复突变突变生成

第76页：名词解释移框突变无义突变错义突变

• 名词解释移框突变无义突变错义突变增变基因组成型表达自己DNA组成型突变突变热点问答题：1、常见的无义、错义、移框突变的抑制突变的机制如何
• m5C突变热点形成的原因
• 造成基因组成型表达的突变如何发生
• 错配修复酶的主要功能及作用机制
• 尿嘧啶－N－糖苷酶系统修复碱基来源及修复机制
• 核苷酸切除修复和重组修复的修复时期及简单过程
• 何为RecA蛋白，其在SOS系统中有何用途
• 举例说明增变基因增加突变的原因

第77页：本章结束!!

本章结束