生物竞赛-生物化学-34DNA的损伤、修复和突变-《生物化学原理(第二版)(三)》课件.ppt

1、生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武第三十四章第三十四章 DNA的的损伤、修复和突变损伤、修复和突变生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武提纲提纲一DNA的损伤二DNA的修复1.直接修复2.切除修复3.双链断裂修复4.损伤跨越三DNA的突变1.突变的类型与后果2.突变的原因3.回复突变与突变的校正4.突变原与致癌物之间的关系及致癌物的检测生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武哪些因素能影响到哪些因素能影响到DNA的完整性？的完整性？N细胞内源的因素N环境因素-例如化学

2、试剂、污染物和UV线N疾病治疗-例如离子辐射和化疗生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武细胞内源因素细胞内源因素N复制错误-例如四种dNTP量的不平衡导致错配NDNA本身的不稳定-碱基的自发脱氨基-DNA的脱嘌呤/脱嘧啶导致碱基脱落N活性氧的作用-DNA,蛋白质和脂质的氧化生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武DNA分子上的自发脱嘌呤作用和自发脱氨基作用分子上的自发脱嘌呤作用和自发脱氨基作用生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武脱嘌呤脱嘌呤/脱嘧啶脱嘧啶*脱嘌呤比脱嘧啶更容易*在DNA分子上产生AP位点1.大肠杆菌-1 次脱嘌呤/基因组/复制2.嗜热水生菌-300

3、次脱嘌呤/基因组/复制3.哺乳动物细胞-10 000次脱嘌呤/基因组/复制生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武活性氧（活性氧（ROS）*由正常的细胞代谢产生*线粒体利用细胞 85%O2，是ROS的主要来源*导致DNA、蛋白质和脂质损伤*常见的形式：过氧化氢(H2O2)超氧化物自由基(O2-)一氧化氮(NO)羟基自由基(HO)过氧亚硝基阴离子 (O=NOO-)烷过氧化物(ROOH)烷氧自由基(RO)生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武环境（外源）因素环境（外源）因素N化学试剂化学试剂 (1)天然化合物 黄曲霉素 (2)人造化合物 苯并芘-香烟 顺铂-化疗药物N物理因素物理

4、因素 (1)UV (2)离子辐射 -射线 x-射线生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武DNA损伤类型损伤类型N碱基修饰N碱基丢失-无碱基位点N复制错误：错误 N链断裂N蛋白质-DNA交联NDNA-DNA交联生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武DNA损伤的因素和损伤的主要类型损伤的因素和损伤的主要类型损伤类型实例/原因碱基丢失自发脱碱基（热、酸），脱嘌呤脱嘧啶，104嘌呤脱落/天/细胞（恒温动物）碱基修饰形成碱基加合物，例如，8-羟基脱氧鸟嘌呤（离子辐射或活性氧），6-烷基鸟嘌呤（烷基化试剂）碱基交联嘧啶二聚体和6-4光产物（UV）碱基转换CU，AI（自发脱氨基），100

5、碱基脱氨基/天/细胞碱基错配GT（4种dNTP浓度不平衡、碱基的互变异构或碱基之间的差别不足）DNA链断裂因磷酸二酯键被破坏引起单链断裂或双链断裂（离子辐射或特殊的化学试剂），因脱氧核糖环3号位发生断裂引起的DNA链断裂（博来霉素）DNA链间交联互补双链之间产生交联（双功能试剂的作用）DNA与蛋白质的交联UV生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武活性氧的碱基修饰作用活性氧的碱基修饰作用 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武鸟嘌呤的甲基化导致碱基错配鸟嘌呤的甲基化导致碱基错配 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武紫外线引起的碱基损伤紫外线引起的碱基损伤 生物竞赛

6、生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武离子辐射引起的离子辐射引起的DNA链断裂链断裂 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武DNA稳定，但脆弱稳定，但脆弱*不修复将导致突变不修复将导致突变干扰转录和复制导致突变加速衰老*细胞的修复机制是必需的细胞的修复机制是必需的修复机制是全方位的、高效的1/1000损伤躲过修复生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武DNA 修复修复DNA是唯一一种在发生损伤以后可以被完全修复的分子，而其他生物大分子在受到损伤以后要么被降解，要么被取代。当然，并不是发生在DNA分子上的所有损伤都能修复。如果受到的损伤不能及时被修复，可导致细胞的癌变和早衰。

7、细胞之所以在DNA受到损伤以后，选择的处理方法是尽量将其修复而不是将其降解，这一是因为作为遗传物质的DNA分子在细胞内只有一个拷贝，如果将其水解的话，细胞也就失去了存在的根基；二是DNA的互补双螺旋结构使得修复一个受损伤的DNA分子变得很容易。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武DNA修复机制修复机制C 直接修复C 切除修复C 错配修复C 双链断裂修复C 易错修复C 重组修复生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武被科学杂志评为被科学杂志评为1994年的年度分子年的年度分子生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武直接修复直接修复嘧啶二聚体的直接修复由DNA光裂合酶催

8、化。此酶直接识别和结合嘧啶二聚体。然后，利用辅基捕捉到的光能，将嘧啶二聚体打开，最后再与DNA解离。但是胎盘类哺乳动物却没有这种酶。烷基化碱基的直接修复由特定的烷基转移酶催化 DNA链断裂的直接修复由DNA连接酶催化。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武光裂合酶的三维结构光裂合酶的三维结构 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武嘧啶二聚体的直接修复嘧啶二聚体的直接修复 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武光裂合酶作用的详细机制光裂合酶作用的详细机制 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武烷基化碱基的直接修复烷基化碱基的直接修复 生物竞赛生物化学原理（

9、分子生物学）南京大学杨荣武切除修复切除修复切除修复先切除损伤的碱基或核苷酸，然后，重新合成正常的核苷酸，最后，再经连接酶重新连接，将原来的切口缝合。整个切除修复过程包括识别、切除、重新合成和重新连接。切除修复又分为碱基切除修复（BER）和核苷酸切除修复（NER），两者的主要差别在于识别损伤的机制上，前者是直接识别具体的受损伤的碱基，而后者并不识别具体的损伤，而是识别损伤对DNA双螺旋结构造成的扭曲。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武碱基切除修复碱基切除修复*DNA 糖苷酶切除受损伤的碱基*短修补是主要途径，约占80%90%，只需合成属于AP位点的1个正常的核苷酸*长修补是次要途径

10、，约占10%20%，为短修补途径的备用途径，要合成1小段寡聚核苷酸生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武尿嘧啶的切除修复尿嘧啶的切除修复 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武DNA糖苷酶都是沿着糖苷酶都是沿着DNA小沟扫描小沟扫描DNA，当找到受损伤的碱基当找到受损伤的碱基后即与后即与DNA结合，并结合，并导致导致DNA结构发生歪结构发生歪曲，以便将损伤的碱曲，以便将损伤的碱基挤出双螺旋，进入基挤出双螺旋，进入它的活性中心被切割它的活性中心被切割生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武真核细胞的碱基切除修复真核细胞的碱基切除修复 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）

11、南京大学杨荣武核苷酸切除修复核苷酸切除修复NER最初的切点是损伤部位附近的3,5-磷酸二酯键，主要用来修复因UV、丝裂霉素 C和顺铂等因素造成的比较大的损伤，如嘧啶二聚体、6-4光产物或体积较大的碱基加合物以及链间交联等导致DNA结构发生扭曲并影响到DNA复制的损伤，此外，约20%碱基的氧化性损伤也由它修复。在修复过程中，损伤以寡聚核苷酸的形式被切除。由于NER识别损伤的机制并非针对损伤本身，而是损伤对DNA双螺旋结构造成的扭曲，因此，NER能够使用相同的机制和几乎同一套修复蛋白去修复一系列性质并不相同的损伤。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武NER在所有的生物具有相同的步骤：在

12、所有的生物具有相同的步骤：识别损伤由特殊的蛋白质完成，并由此引发一系列的蛋白质与受损伤DNA的有序结合；切除损伤特殊的内切酶在损伤部位的两侧切开DNA链，随后两个切口之间带有损伤的DNA片段被去除；修复合成DNA聚合酶以另外一条链为模板，合成已被切除的序列；缝合切口由DNA连接酶催化。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武两类碱基切除修复两类碱基切除修复全局性基因组全局性基因组NER和转录偶联性和转录偶联性NERC全局性基因组NER负责修复整个基因组的损伤，速度慢，效率低。C转录偶联性NER专门负责修复那些正在转录的基因在模板链上的损伤，速度快，效率高。C两类NER的主要差别在于识别

13、损伤的机制上，至于损伤识别以后发生的修复反应并无本质上的不同。TCR由RNA聚合酶识别损伤，当RNA聚合酶转录到受损伤部位而前进受阻的时候，TCR系统即被起动。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武全局性全局性NER和转录偶联性和转录偶联性NER 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武*受到ATP水解的驱动，2个UvrA与1个UvrB形成三聚体复合物（UvrA2UvrB1）；*该复合物与DNA随机结合后，沿着DNA链移动，以探测损伤的位置。*识别损伤的过程比较缓慢，为GGR系统的限速步骤。*当遇到嘧啶二聚体时，通过水解ATP，造成损伤部位的DNA双螺旋发生局部解链和进一步弯

14、曲，致使UvrB与损伤部位形成更紧密的接触；*UvrA在ATP水解后离开复合物，留下UvrB横跨损伤部位；大肠杆菌大肠杆菌的核苷酸切除修复的核苷酸切除修复生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武*UvrC被UvrB招募到损伤部位后激活UvrB的核酸内切酶活性，UvrB在距离嘧啶二聚体的下游4nt的位置切开DNA链；*与此同时，UvrC的核酸内切酶活性被UvrB激活，在距离嘧啶二聚体的上游7nt的位置切开DNA链；*于是，产生一个长达13nt的含有嘧啶二聚体的寡聚核苷酸片段。大肠杆菌大肠杆菌的核苷酸切除修复的核苷酸切除修复生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武*在解链酶UvrD

15、的作用下，ATP被水解，包含嘧啶二聚体的DNA片段发生解链而离开双螺旋，UvrC也随之而去；*最后，DNA聚合酶I或II填补空缺；*DNA连接酶则缝合切口。大肠杆菌大肠杆菌的核苷酸切除修复的核苷酸切除修复生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武转录偶联性核苷酸切除修复转录偶联性核苷酸切除修复 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武哺乳动物细胞的全局性哺乳动物细胞的全局性NER和转录偶联性和转录偶联性NER 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武错配修复错配修复（MMR）MMR系统主要用来修复DNA分子上错配碱基对，此外，还能修复一些因“复制打滑”而诱发的核苷酸插入或

16、缺失损伤。错配修复系统必须能保证只会将子链上错误的碱基切除，而不会把母链中本来就正确的碱基切除。大肠杆菌的MMR系统利用甲基化来区分子链和母链的，因此，大肠杆菌内修复复制中产生的错配碱基的系统又称为甲基化导向的错配修复。至于其它细菌和真核细胞如何区分子链和母链的尚不清楚。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武参与错配修复的蛋白质和酶的名称和功能参与错配修复的蛋白质和酶的名称和功能大肠杆菌酵母哺乳动物大肠杆菌中蛋白质的功能MutS Msh2,Msh6,Msh3Msh1Msh4，Msh5Msh2,Msh6,Msh3不明Msh4，Msh5识别错配碱基，具有弱的ATP酶活性。MutL Mlh

17、1Pms1Mlh2,Mlh3Mlh1Pms2Pms1调节MutS和MutH之间的相互作用，与UvrD作用。MutH不明不明结合半甲基化的GATC位点，序列和甲基化特异性内切酶，剪切非甲基化GATC的5-端。UvrD 不明不明解链酶II，催化被切开的含有错配碱基的子链与母链的分离。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武大肠杆菌大肠杆菌的错配修复的错配修复生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武大肠杆菌大肠杆菌MMR作用的主要步骤作用的主要步骤1.首先由MutS识别并结合除了C-C以外的错配碱基对，MutL随后结合；2.在错配碱基对两侧的DNA通过MutS作相向移动；3.MutH

18、与MutL和GATC位点结合；4.MutH的核酸内切酶活性被MutS/MutL激活，在非甲基化GATC的5端切开子链；5.UvrD作为解链酶，催化被切开的含有错配碱基的子链与母链的分离，SSB则与母链上处于单链状态的区域结合，特殊的外切酶将游离出来的含有错配碱基的单链DNA进行水解。如果MutH的切点在错配碱基的3端，将由外切核酸酶I或X从35方向水解。如果MutH的切点在在错配碱基的5端，则由外切核酸酶VII和 RecJ 来降解；6.DNA聚合酶III和连接酶分别进行缺口的修复合成和切口的缝合。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武双链断裂修复双链断裂修复同源重组修复利用细胞内一些

19、促进同源重组的蛋白质来从姊妹染色体或同源染色体那里获得合适的修复断裂的信息，这一种方式的精确性较高；非同源末端连接（NHEJ）修复在无序列同源的情况下，让断裂的末端重新连接起来，这种方式容易发生错误，是人类修复双链断裂的主要方式。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武DNADNA双链断裂的重组修复双链断裂的重组修复 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武哺乳动物细胞哺乳动物细胞DNA双链断裂的非同源末端连接双链断裂的非同源末端连接 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武损伤跨越损伤跨越 重组跨越使用同源重组的方法将DNA模板进行交换以避免损伤对复制的抑制，从而使复

20、制能够继续下去，而随后的复制仍然使用细胞内高保真的聚合酶，因此忠实性并无下降，故此途径被视为一种无错的系统。跨越合成又称为（TLS）跨损伤合成，由专门的DNA聚合酶与停留在损伤位点上的原来催化复制的DNA聚合酶交换，在子链上（模板链上损伤碱基的对面）插入正确或错误的核苷酸，结果导致对损伤位点无错或易错的跨越。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武大肠杆菌的重组跨越大肠杆菌的重组跨越 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武SOS反应反应是指细胞在受到潜在致死性压力下，例如UV辐射、胸腺嘧啶饥饿、DNA修饰物的作用和DNA复制所必需的基因的失活，做出的有利于细胞生存的代谢预警反

21、应，包括易错的跨损伤合成、细胞丝状化和切除修复的激活，其中涉及到近20个“sos”基因的表达，整个反应受到LexA 阻遏蛋白和RecA激活蛋白的调节。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武大肠杆菌的大肠杆菌的SOS反应反应 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武大肠杆菌大肠杆菌DNA损伤的跨越合成损伤的跨越合成 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武真核细胞真核细胞DNA的跨损伤合成的跨损伤合成 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武DNA的突变的突变L修复系统的不完善，为DNA的突变打开了方便之门，因为这些损伤如果在下一轮DNA复制之前还没有被修复的话

22、，就有可能直接被固定下来传给子代，有的则通过易错的跨损伤合成产生新的错误并最终也被固定下来。这些发生在DNA分子上可遗传的结构变化通称为突变 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武突变的类型突变的类型L点突变是指DNA 分子某一位点上所发生的一种碱基对变成另外一种碱基对的突变，可分为转换和颠换两种形式，其中，转换是指两种嘌呤碱基或两种嘧啶碱基之间的相互转变，颠换是指嘌呤碱基和嘧啶碱基之间的互变 L移码突变是指在一个蛋白质基因的编码区发生的一个或多个核苷酸（非3的整数倍）的缺失或插入。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武碱基突变的几种方式碱基突变的几种方式 生物竞赛生物化学

23、原理（分子生物学）南京大学杨荣武移框突变移框突变 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武点突变的后果点突变的后果L突变的密码子决定同样的氨基酸，这样的突变对蛋白质的结构和功能不会产生任何影响，因此称为沉默突变。L突变的密码子决定不同的氨基酸，这样的突变可能对蛋白质的功能不产生任何影响或影响微乎其微，也可能产生灾难性的后果而带来分子病。由于突变导致出现了错误的氨基酸，因此，这样的突变称为错义突变。如果错误的氨基酸与原来的氨基酸是同种性质，这种突变被称为中性突变。L突变的密码子变为终止密码子或者相反，前者因为终止密码子的提前出现可导致一条多肽链被截短，被称为无义突变，后者则会加长一条多肽

24、链，被称为加长突变或通读突变。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武隐性突变和显性突变隐性突变和显性突变L DNA突变可能是隐性的，也可能是显性的。L 如果突变仅仅是灭活一种蛋白质，那么，这种突变一般产生隐性性状。L 如果突变产生的蛋白质对细胞有毒，这种毒性无法被另外一条染色体上正常基因表达出来的正常的蛋白质所抵消或中和，那么，这种突变被视为显性。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武突变的原因突变的原因几乎任何导致DNA损伤的因素都能够导致DNA突变，前提是它们造成的损伤在DNA复制之前还没有被细胞内的修复系统修复，因此，可以这样认为，导致DNA损伤的原因在某种意义上就是

25、导致DNA突变的原因。由内在因素引起的突变被称为自发性突变，由外在因素引发的突变被称为诱发突变。各种导致DNA突变的内外因素总称为突变原。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武导致自发点突变的原因导致自发点突变的原因$自发的点突变（1）DNA复制过程中的错配（2）自发脱氨基（3）活性氧的氧化（4）碱基的烷基化$自发的移码突变（1）“复制打滑”（2）转座作用。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武烯醇式的烯醇式的T和和G的配对的配对 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武自发脱氨基和活性氧作用引起的碱基转换自发脱氨基和活性氧作用引起的碱基转换 生物竞赛生物化学原理（

26、分子生物学）南京大学杨荣武复制打滑引起的移框突变复制打滑引起的移框突变 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武诱发突变诱发突变 诱发点突变1.碱基类似物，如5-溴尿嘧啶和2-氨基 嘌呤 2.烷基化试剂，如氮芥和硫芥等 3.脱氨基试剂，如亚硝酸 4.羟胺 诱发移码突变-嵌入试剂，如吖啶黄，原黄素和EB等 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武碱基类似物诱发的点突变碱基类似物诱发的点突变 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武诱变剂诱发的点突变诱变剂诱发的点突变 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武嵌入试剂诱发的移框突变嵌入试剂诱发的移框突变 生物竞赛生物

27、化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武回复突变与突变的校正回复突变与突变的校正回复突变回复突变：如果在老的突变位点上发生第二次突变，致使原来的表现型得到恢复，这样的突变被称为回复突变。表现型能够在回复突变中恢复可能是因为突变点编码的氨基酸变成原来的氨基酸或者性质相似的氨基酸，从而使原来的突变的蛋白质功能得到全部或部分恢复。校正突变校正突变：校正突变有时被称为假回复突变，它是指发生在非起始突变位点上但能够掩盖或抵消起始突变的第二次突变，它分为基因内校正和基因间校正。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武基因内校正基因内校正基因内校正与起始突变发生在相同的基因内，它可能是通过点突变也可能通

28、过移码突变来实现校正，不过点突变一般只能通过点突变来校正，移码突变只能通过移码突变来校正。如果是通过点突变来校正，一般是通过恢复一个基因产物内2个残基（氨基酸残基或核苷酸残基）之间的功能联系来实现的。具体机制可能是2次突变相互抵消了2个残基的变化，从而恢复了2个残基之间的相互作用，致使基因产物能够正确地折叠，或者是2个相同的亚基能够组装成有功能的同源二聚体。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武基因内校正基因内校正 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武基因间校正基因间校正基因间校正发生在与第一次突变不同的基因上，绝大多数是在翻译的水平上起作用。这种发生第二次突变具有校正功

29、能的基因被称为校正基因。每一种校正基因只能作用于一种类型的突变，即是无义突变、错义突变和移码突变中的一种。校正基因一般是通过恢复2个不同的基因产物之间（2条不同的多肽链、2个不同的RNA或者1条多肽和1分子RNA）的功能关系来实现的。校正基因通常编码tRNA，因为它们是通过反密码子与mRNA上的密码子相互作用来参与翻译的，所以发生在tRNA反密码子上的突变可用来校正mRNA上一个密码子的突变，恢复密码子和反密码子之间的功能联系，从而使翻译出来的蛋白质的氨基酸序列恢复如初。生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武基因间校正基因间校正 生物竞赛生物化学原理（分子生物学）南京大学杨荣武迂回校正迂回校正 迂回校正通常适用于一条调控途径。蛋白质C的突变使得信息无法从C传给D，从而导致整个调控途径无法正常运转。然而，蛋白质D的同时突变使得它能够绕过C直接从蛋白质B得到信息，从而使原来的调控途径恢复畅通。