十三章DNA的损伤修复 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life, there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望v第一节第一节 DNA损伤损伤v第二节第二节 DNA修复修复v第三节第三节 基因突变基因突变第一节第一节 DNA的损伤的损伤v DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维护护DNA分子的完整性对细胞至关重要。分子的完整性对细胞至关重要。v在细胞中能进行修复的生物大分子也就只有在细胞中能进行修复的生物大分子也就只有DNA。v在生物进化中突变又是与遗传相对立统一而普遍存在的现在生物进化中突变又是与遗传相对立统一而普遍存在的现象。象。1.自发性损伤自发性损伤1.1 DNA复制中的错误复制中的错误v碱基配对的错误频率约为碱基配对的错误频率约为10-4-10-5；vDNA聚合酶本身具有校对作用聚合酶本身具有校对作用：将不正确插入的核苷酸切：将不正确插入的核苷酸切除掉，重新加上正确的核苷酸。这样，每掺入一个核苷酸，除掉，重新加上正确的核苷酸。这样，每掺入一个核苷酸，发生错误的机会有发生错误的机会有10-8-10-10。 1.2 碱基的自发性化学变化碱基的自发性化学变化a. 碱基的异构互变碱基的异构互变vDNA中的中的4种碱基各自的异构体间自发地相互变化种碱基各自的异构体间自发地相互变化(例如烯例如烯醇式与酮式碱基间的互变醇式与酮式碱基间的互变)，使碱基配对间的氢键改变。，使碱基配对间的氢键改变。异构体间自发地相互变化异构体间自发地相互变化形成导致下一世代中形成导致下一世代中GC配对取代配对取代AT配对。配对。腺嘌呤的稀有互变异体与胞嘧啶腺嘌呤的稀有互变异体与胞嘧啶胸腺嘧啶的稀有互变异构体与鸟嘌呤胸腺嘧啶的稀有互变异构体与鸟嘌呤b.碱基的脱氨基碱基的脱氨基(deamination)作用作用 v碱基的碱基的环外氨基有时会自发脱落环外氨基有时会自发脱落，从而胞嘧啶会变成尿嘧，从而胞嘧啶会变成尿嘧啶、腺嘌呤会变成次黄嘌呤啶、腺嘌呤会变成次黄嘌呤(H)、鸟嘌呤会变成黄嘌呤、鸟嘌呤会变成黄嘌呤(X)等。等。v胞嘧啶自发脱氨基的频率约为每个细胞每天胞嘧啶自发脱氨基的频率约为每个细胞每天190个。个。 c.脱嘌呤脱嘌呤（depurination）与脱嘧啶与脱嘧啶v自发的水解自发的水解可使嘌呤和嘧啶从可使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落链的核糖磷酸骨架上脱落下来。下来。v一个哺乳类细胞一个哺乳类细胞37，20h内内DNA链自发脱落的嘌呤约链自发脱落的嘌呤约1000个、嘧啶约个、嘧啶约500个，个，v长寿命不复制繁殖的哺乳类细胞长寿命不复制繁殖的哺乳类细胞(如神经细胞如神经细胞)在整个生活期在整个生活期间自发脱嘌呤数约为间自发脱嘌呤数约为108，约占细胞，约占细胞DNA中总嘌呤数的中总嘌呤数的3%。 d.碱基修饰与链断裂碱基修饰与链断裂v细胞呼吸的副产物细胞呼吸的副产物O2、H2O2等会造成等会造成DNA损伤，能产生损伤，能产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物碱基修饰物，引起，引起DNA单链断裂单链断裂等损伤等损伤v每个哺乳类细胞每天每个哺乳类细胞每天DNA单链断裂发生的频率约为单链断裂发生的频率约为5万次万次。vDNA的甲基化的甲基化、结构的其他变化结构的其他变化等，这些损伤的积累可能等，这些损伤的积累可能导致老化。导致老化。2. 物理因素引起的物理因素引起的DNA损伤损伤 2.1 紫外线引起的紫外线引起的DNA损伤损伤v紫外线照射，同一条紫外线照射，同一条DNA链上相邻的嘧啶以链上相邻的嘧啶以共价键连成二共价键连成二聚体聚体，相邻的两个，相邻的两个T、或两个、或两个C、或、或C与与T间都可以环丁基环间都可以环丁基环(cyclobutane ring)连成二聚体。连成二聚体。 图图胸腺嘧啶二聚体的形成胸腺嘧啶二聚体的形成v人皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达人皮肤因受紫外线照射而形成二聚体的频率可达每小时每小时5104/细胞细胞，只局限在皮肤中。，只局限在皮肤中。v微生物受紫外线照射后，会影响其生存。微生物受紫外线照射后，会影响其生存。v紫外线照射还能引起紫外线照射还能引起DNA链断裂链断裂等损伤。等损伤。 2.2 电离辐射引起的电离辐射引起的DNA损伤损伤直接效应直接效应是是DNA直接吸收射线能量直接吸收射线能量而遭损伤，而遭损伤，间接效应间接效应是指是指DNA周围其他分子周围其他分子(主要是水分子主要是水分子)吸收射线吸收射线能量产生具有很高反应活性的能量产生具有很高反应活性的自由基自由基进而损伤进而损伤DNA。v电离辐射可导致电离辐射可导致DNA分子的分子的多种变化多种变化： a.碱基变化碱基变化v主要是由主要是由OH-自由基自由基引起，包括引起，包括DNA链上的碱基氧化修饰、链上的碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落等。过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落等。v一般嘧啶比嘌呤更敏感一般嘧啶比嘌呤更敏感。 b.脱氧核糖变化脱氧核糖变化v脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与OH-反应，导反应，导致脱氧核糖分解，引起致脱氧核糖分解，引起DNA链断裂。链断裂。 c.DNA链断裂链断裂v射线的直接和间接作用都可能使射线的直接和间接作用都可能使脱氧核糖破坏或磷酸二酯键脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开断开。v单链断裂单链断裂(single strand broken)，v双链断裂双链断裂(double strand broken)。v单链断裂发生频率为双链断裂的单链断裂发生频率为双链断裂的10-20倍，但比较容易修复；倍，但比较容易修复；对单倍体细胞来说对单倍体细胞来说(如细菌如细菌)一次双链断裂就是致死事件。一次双链断裂就是致死事件。 d.交联交联vDNA链交联：链交联：同一条同一条DNA链上或两条链上或两条DNA链上的碱基链上的碱基间可以共价键结合，间可以共价键结合，vDNA-蛋白质交联：蛋白质交联：组蛋白、染色质中的非组蛋白、组蛋白、染色质中的非组蛋白、调控蛋白、与复制和转录有关的酶都会与调控蛋白、与复制和转录有关的酶都会与DNA共价键连接。共价键连接。3.化学因素引起的化学因素引起的DNA损伤损伤v突变剂或致癌剂对突变剂或致癌剂对DNA的作用。的作用。3.1 烷化剂对烷化剂对DNA的损伤的损伤v是一类亲电子的化合物，很容易与生物体中大分子的亲核是一类亲电子的化合物，很容易与生物体中大分子的亲核位点起反应。位点起反应。v烷化剂的作用可使烷化剂的作用可使DNA发生各种类型的损伤：发生各种类型的损伤：a.碱基烷基化碱基烷基化 v烷化剂如甲基黄酸乙脂（烷化剂如甲基黄酸乙脂（EMSEMS）, ,氮芥氮芥(NM),(NM),甲基黄酸甲脂甲基黄酸甲脂（MMSMMS）, ,亚硝基胍（亚硝基胍（NGNG）等，它们的作用是使碱基烷基化，）等，它们的作用是使碱基烷基化，将将烷基加到烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的链中嘌呤或嘧啶的N或或O上；上；vEMSEMS使使G G的第的第6 6位烷化，使位烷化，使T T的第的第4 4位上烷化，结果产生的位上烷化，结果产生的O-O-6-E-G6-E-G和和 O-4-E-T O-4-E-T分别和分别和T T、G G配对，导致配对，导致GCGC对转换成对转换成ATAT对；对；TATA对转换成对转换成CGCG b.碱基脱落碱基脱落 v烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落形成，容易脱落形成DNA上无碱基上无碱基的位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。的位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。c.断链断链 vDNA链的链的磷酸二酯键上的氧磷酸二酯键上的氧也容易被烷化，形成不稳定的也容易被烷化，形成不稳定的磷酸三酯键磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使，易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断裂。链断裂。 d.交联交联 v烷化剂有两类烷化剂有两类:v单功能基烷化剂单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基，如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；化；v双功能基烷化剂双功能基烷化剂，化学武器如氮芥、硫芥等，一些抗癌药，化学武器如氮芥、硫芥等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂霉素等，某些致癌物如物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂霉素等，某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此类，其两个功能基可同时使两处烷二乙基亚硝胺等均属此类，其两个功能基可同时使两处烷基化，结果就能造成基化，结果就能造成DNA链内、链内、DNA链间，以及链间，以及DNA与与蛋白质间的交联蛋白质间的交联。图图3氮芥引起氮芥引起DNA分子两条链在鸟嘌呤上的交联分子两条链在鸟嘌呤上的交联(a)交联附近的总图；交联附近的总图；(b)交联部分结构图交联部分结构图3.2 碱基类似物对碱基类似物对DNA的损伤的损伤v人工合成的一些碱基类似物，用作人工合成的一些碱基类似物，用作促突变剂或抗癌药物促突变剂或抗癌药物，如如5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)、5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶(5-FU)、2-氨基腺嘌呤氨基腺嘌呤(2-AP)等。等。v其结构与正常的碱基相似其结构与正常的碱基相似，进入细胞能替代正常的碱基参，进入细胞能替代正常的碱基参入到入到DNA链中而链中而干扰干扰DNA复制合成复制合成。其它诱发突变的化学物质或致癌剂：其它诱发突变的化学物质或致癌剂：v例如例如亚硝酸盐亚硝酸盐能使能使C脱氨变成脱氨变成U，经过复制就可使，经过复制就可使DNA上的上的G-C变成变成A-T；v羟胺羟胺能使能使T变成变成C，结果是，结果是A-T改成改成C-G；v黄曲霉素黄曲霉素B也能专一攻击也能专一攻击DNA上的碱基导致序列上的碱基导致序列的变化。的变化。第二节第二节 DNA修复修复vDNA修复修复(DNA repairing)是细胞对是细胞对DNA受损伤后的一种反受损伤后的一种反应，这种反应可能使应，这种反应可能使DNA结构恢复原样，重新能执行它原结构恢复原样，重新能执行它原来的功能；来的功能；v有时并非能完全消除有时并非能完全消除DNA的损伤，只是使细胞能够耐受这的损伤，只是使细胞能够耐受这种种DNA的损伤而能继续生存。的损伤而能继续生存。修复系统：修复系统：v切除修复切除修复v回复修复回复修复 v错配修复错配修复vSOSSOS修复修复 v重组修复重组修复v限制修饰系统限制修饰系统-对付外源对付外源DNADNA的入侵的入侵 1 切除修复切除修复(excision repair) v 对对多种多种DNA损伤损伤包括碱基脱落形成的包括碱基脱落形成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链断裂、交联烷基化、单链断裂、交联等都能起修复作用。等都能起修复作用。v这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中，也是人体细胞这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中，也是人体细胞主要的主要的DNA修修复机制复机制。v需要需要多种酶多种酶作用，作用，复制前进行复制前进行。1.1核苷酸切除修复1.1.1 大肠杆菌核苷酸切除修复有关的酶 1）UvrABC内切酶或切除酶：内切酶或切除酶：z需要ATP的结合但不需要ATP水解；z是uvrA，uvrB和uvrC三个基因表达产物的复合物；z在损伤位置两侧各作一缺口（UvrB在3端，UvrC在5端）。2）解链酶）解链酶（UvrD编码）：编码）： 去除UvrABC内切酶产生的寡核苷酸；3）DNA聚合酶聚合酶(DNApol)4）DNA连接酶连接酶(DNALigase) u 人类核苷酸切除修复有关的基因人类核苷酸切除修复有关的基因:（XPA，XPB，XPC，XPD，XPF，XPG）缺陷引起引起人类着色性干皮病人类着色性干皮病。 临床表现 ：严重光敏感，皮癌，视力缺陷，神经错乱。切口切口切口切口1.1.2核苷酸切除修复过程核苷酸切除修复过程Uvr系统在修复各阶系统在修复各阶段中的作用：段中的作用：UvrA识别损伤；识别损伤；UvrBC在在DNA上切一上切一缺口；缺口；UvrD解旋切口区域解旋切口区域的的DNA,并释放出切割并释放出切割的的DNA片段。片段。1.2碱基切除修复碱基切除修复1.2.1碱基切除修复有关的酶碱基切除修复有关的酶1)DNA糖基化酶（糖基化酶（DNAglycosylase):v识别识别DNA中损伤的或错误的碱基；水解中损伤的或错误的碱基；水解N-糖苷键去除碱基糖苷键去除碱基。2)AP内切酶（内切酶（Endonucleases）：v有有35外切酶活性外切酶活性，切除，切除AP位点位点5端的数个核苷酸。端的数个核苷酸。vDNA糖基化酶去除碱基后，产生一个糖基化酶去除碱基后，产生一个AP位点。位点。AP内切酶识别内切酶识别此位点并在此位点并在AP位点的位点的5端产生一个端产生一个切口切口。3)脱氧核糖磷酸二酯酶（脱氧核糖磷酸二酯酶（dRpase）：v切除切除AP位点的位点的脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸，产生一个核苷酸的缺口。，产生一个核苷酸的缺口。4)DNA聚合酶：聚合酶：v在缺口处进行修复，加入一个核苷酸。在在缺口处进行修复，加入一个核苷酸。在AP位点位点5端进行广泛端进行广泛的修复合成。的修复合成。5)DNA连接酶：连接酶：连接最后一个切口。连接最后一个切口。OHP5353533355烷化碱基烷化碱基DNA糖苷酶糖苷酶切除的游离碱基切除的游离碱基OHP53OHP-535AP内切酶内切酶dRpase无嘌呤嘧啶位点无嘌呤嘧啶位点切除的切除的5-脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸AP内切酶的内切酶的3-5外切酶活性外切酶活性寡核苷酸切除产物寡核苷酸切除产物碱基切除修复过程3P 基本步骤：基本步骤：v 首先由首先由核酸酶识别核酸酶识别DNA的损伤位点，在损伤部位的的损伤位点，在损伤部位的5侧侧切开磷酸二酯键切开磷酸二酯键。v 由由53核酸外切酶核酸外切酶将有损伤的将有损伤的DNA片段切除。片段切除。v 在在DNA聚合酶聚合酶的催化下，以完整的互补链为模板，按的催化下，以完整的互补链为模板，按53方向方向DNA链，链，填补已切除的空隙填补已切除的空隙。v 由由DNA连接酶连接酶将新合成的将新合成的DNA片段与原来的片段与原来的DNA断链断链连接起来。连接起来。v最终使最终使DNA恢复原来的结构。恢复原来的结构。DNA损伤损伤后切除修复后切除修复2 回复修复回复修复/直接修复(direct repair)v指无需去除碱基或核苷酸，只需一种酶经一步反应修复指无需去除碱基或核苷酸，只需一种酶经一步反应修复DNADNA损伤的修复机制。损伤的修复机制。v较简单的修复方式，一般都能将较简单的修复方式，一般都能将DNADNA修复到原样。修复到原样。2.1 烷基的转移烷基的转移vO6甲基鸟嘌呤甲基转移酶甲基鸟嘌呤甲基转移酶(MGMT)，能直接将，能直接将DNA链鸟嘌呤链鸟嘌呤O6位上的甲基移到酶的半胱氨酸残基上而修复损伤的位上的甲基移到酶的半胱氨酸残基上而修复损伤的DNA。v这个酶的修复能力并不很强，但在低剂量烷化剂作用下此这个酶的修复能力并不很强，但在低剂量烷化剂作用下此酶有修复活性。酶有修复活性。2.2 光修复光修复v由细菌中的由细菌中的DNA光解酶光解酶(photolyase)完成：完成：v此酶能此酶能特异性识别特异性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合的的二聚体二聚体，并与其结合，这步反应不需要光；，并与其结合，这步反应不需要光；v结合后如受结合后如受300600nm波长的光照射，则此酶就被激活，波长的光照射，则此酶就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，然后酶从，然后酶从DNA链上释链上释放，放，DNA恢复正常结构。恢复正常结构。2.3 单链断裂的重接单链断裂的重接vDNA单链断裂，其中一部分可仅由单链断裂，其中一部分可仅由DNA连接酶连接酶(ligase)参与而完全修复。参与而完全修复。v双链断裂几乎不能修复。双链断裂几乎不能修复。2.4 碱基的直接插入碱基的直接插入vDNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能被链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点，能被DNA嘌呤嘌呤插插入酶入酶(insertase)识别结合，在识别结合，在K+存在的条件下，催化游存在的条件下，催化游离嘌呤或脱氧嘌呤核苷插入，生成糖苷键；离嘌呤或脱氧嘌呤核苷插入，生成糖苷键；v所催化插入的碱基有高度专一性、与另一条链上的碱基严所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，使格配对，使DNA完全恢复。完全恢复。 3错配修复（错配修复（mismatchrepair）一种纠正一种纠正复制后复制后子链中错配碱基的修复方式。子链中错配碱基的修复方式。3.1错配修复有关的蛋白和酶错配修复有关的蛋白和酶MutS蛋白：蛋白：识别识别错配的碱基。错配的碱基。MutH蛋白：蛋白：内切酶内切酶，在子链未甲基化的，在子链未甲基化的5-GATC-3序列靠序列靠近鸟嘌呤的近鸟嘌呤的5-端造成一个切口，使包括错配碱基在内的数百端造成一个切口，使包括错配碱基在内的数百个核苷酸得以切除。个核苷酸得以切除。MutL蛋白：蛋白：将将MutH和和MutS蛋白连接成复合体。蛋白连接成复合体。解链酶：解链酶：解开解开DNA双链。双链。单链结合蛋白：单链结合蛋白：稳定单链模板。稳定单链模板。DNA聚合酶：聚合酶：从从3-OH填补空缺。填补空缺。DNA连接酶：连接酶：连接切口。连接切口。CH3GATCCTAGGTGATC53CTAG35GTCH3CH3GATCCTAGGTMutHMutSMutL切口切口CH3GATCCTAGGT53CH3GATC53CTAG35TGDNADNA解链酶解链酶 核酸外切酶核酸外切酶 SSBSSBdNMPsCH3GATCCTAGGT53DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA连接酶连接酶dNTPsCH3GATCCTAGGC3.2DNA错错配修复的模型配修复的模型MutSMutLMutSMutHMutS识别识别错配位点错配位点,并易位到并易位到GATC位点。位点。MutH在在GATC位点位点剪剪切切非甲基化链，内切非甲基化链，内切酶从酶从GATC到错配位到错配位点降解点降解DNA。3.3错配修复的意义错配修复的意义f修复修复DNA复制过程中逃避了复制过程中逃避了DNA聚合酶校正作用的子聚合酶校正作用的子链上的错配碱基。在子链合成后几分钟之内，链上的错配碱基。在子链合成后几分钟之内，GATC尚尚未甲基化，故能被未甲基化，故能被MutH蛋白识别，结合并制造切口。蛋白识别，结合并制造切口。f人类遗传性非多发性结直肠癌的病因是错配修复的基人类遗传性非多发性结直肠癌的病因是错配修复的基因缺陷。因缺陷。mMLH1 突变谱突变谱外显子外显子基因突变基因突变蛋白产物（预测）蛋白产物（预测）16165bp缺失缺失外显子缺失外显子缺失16阅读框内阅读框内1946bp缺失缺失移码，氨基酸替换移码，氨基酸替换1946bp插入插入羧基末端延长羧基末端延长12371bp缺失缺失移码，不完整蛋白质移码，不完整蛋白质4重组修复重组修复(recombinationalrepair)复制后修复复制后修复v指由基因的同源重组介导的修复过程。指由基因的同源重组介导的修复过程。v在某些情况下没有互补链可以直接利用，例如在在某些情况下没有互补链可以直接利用，例如在DNA复制复制时两条链已经分开后发生时两条链已经分开后发生DNA损伤，采用重组修复。损伤，采用重组修复。作用：作用：（1）修复）修复DNA复制时子链的缺口。复制时子链的缺口。（2）修复双链断裂，单链缺口。）修复双链断裂，单链缺口。（3）修复双链交联。）修复双链交联。修复步聚：修复步聚：v受损伤的受损伤的DNA链复制时，产生的子代链复制时，产生的子代DNA在损伤的对在损伤的对应部位出现缺口。应部位出现缺口。v 另一条另一条母链母链DNA与有缺口的子链与有缺口的子链DNA进行进行重组交换重组交换，将母链将母链DNA上相应的片段填补子链缺口处，而母链上相应的片段填补子链缺口处，而母链DNA出现缺口。出现缺口。v以另一条子链以另一条子链DNA为模板为模板，经，经DNA聚合酶催化合成一聚合酶催化合成一新新DNA片段填补母链片段填补母链DNA的缺口，最后由的缺口，最后由DNA连接酶连连接酶连接，完成修补。接，完成修补。DNA重重组组修复方式修复方式v重组修复不能完全去除损伤重组修复不能完全去除损伤，损伤的，损伤的DNA段落仍然保留在亲段落仍然保留在亲代代DNA链上；链上；v只是重组修复后合成的只是重组修复后合成的DNA分子是不带有损伤的，但经多次分子是不带有损伤的，但经多次复制后，损伤就被复制后，损伤就被“冲淡冲淡”了，了，在子代细胞中只有一个细胞在子代细胞中只有一个细胞是带有损伤是带有损伤DNA的。的。5 SOS修复修复vSOS修复修复是指是指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种导的一种DNA修复方式，修复方式，v修复结果只是修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多但留下的错误较多，故又称为，故又称为错误倾向修复错误倾向修复(error prone repair)，细胞有较高的突变率。，细胞有较高的突变率。（1）SOS反应能诱导多种蛋白质的合成反应能诱导多种蛋白质的合成RecA蛋白：蛋白：严重的严重的DNA损伤产生大量单链缺口，激活损伤产生大量单链缺口，激活RecA蛋白的水解酶活性，促进蛋白的水解酶活性，促进LexA阻遏蛋白的裂解和阻遏蛋白的裂解和SOS反应的反应的诱导。诱导。LexA阻遏蛋白：阻遏蛋白：调节所有调节所有SOS基因的转录。基因的转录。DNA聚合酶聚合酶：受受SOS反应的诱导。能进行跨损伤复制。反应的诱导。能进行跨损伤复制。（2）SOS修复是易错修复，导致突变增加。修复是易错修复，导致突变增加。 K SOS SOS反应的起始：反应的起始：v是通过是通过RecARecA的活化的活化而引起。而引起。v诱导信号诱导信号: : 可能由可能由DNADNA释放出的小分子组成的，或者是释放出的小分子组成的，或者是DNADNA本身某些结构变化。本身某些结构变化。vRreARreA的激活导致的激活导致LexALexA的基因产物的剪切。的基因产物的剪切。vLexALexA是一种小分子蛋白（是一种小分子蛋白（22KDa22KDa），具有蛋白酶活性，是），具有蛋白酶活性，是很多操纵子的阻遏物。很多操纵子的阻遏物。vLexALexA被被RecARecA激活后又可导致激活后又可导致LexALexA自我催化它本身的裂解，自我催化它本身的裂解，这样这样LexALexA的阻遏功能失去了活性，并且同时诱导了它所结的阻遏功能失去了活性，并且同时诱导了它所结合的操纵子。合的操纵子。 和和SOSSOS反应有关的基因，包括反应有关的基因，包括RecARecA，lexA,UvrA,UvrB,umuClexA,UvrA,UvrB,umuC和和himAhimA。RecARecA也触发细胞中其它靶物质的剪切，包括各种原噬菌体的阻遏蛋白。也触发细胞中其它靶物质的剪切，包括各种原噬菌体的阻遏蛋白。 DNA损伤损伤 诱导信号诱导信号 recA蛋白酶激活蛋白酶激活 lexA阻遏物切断阻遏物切断阻遏物蓄积阻遏物蓄积 蛋白酶蛋白酶水平下降水平下降 信号水平信号水平下降下降 DNA修复修复lexA基因基因recA基因基因mRNA操纵子操纵子可诱导基因可诱导基因lexA阻遏物阻遏物作用于作用于lexA阻遏物所控制的其他基因阻遏物所控制的其他基因lexA基因基因recA基因基因诱导基因诱导基因lexA阻遏物阻遏物recA蛋白蛋白嘧啶二聚体嘧啶二聚体活化的活化的recA蛋白蛋白切断的切断的lexA阻遏物阻遏物非诱导状态非诱导状态诱导状态诱导状态SOS修复中修复中lexA-recA调节子调节子的作用机理的作用机理修复过程：修复过程：v当当DNA两条链的两条链的损伤邻近损伤邻近时，损伤不能被切除修复或重组时，损伤不能被切除修复或重组修复，这时在修复，这时在核酸内切酶、外切酶的作用核酸内切酶、外切酶的作用下造成损伤处的下造成损伤处的DNA链空缺，链空缺，v再由损伤诱导产生的一整套的再由损伤诱导产生的一整套的特殊特殊DNA聚合酶和聚合酶和SOS修复修复酶类酶类，催化空缺部位，催化空缺部位DNA的合成，的合成，v补上去的核苷酸几乎是随机的补上去的核苷酸几乎是随机的，但仍然保持了，但仍然保持了DNA双链的双链的完整性，使细胞得以生存。完整性，使细胞得以生存。图图SOS修复修复 6 限制修饰系统限制修饰系统(restriction and modificaion)本世纪本世纪50年代初年代初，以，以Arber等人对等人对噬菌体在大肠杆菌不同菌噬菌体在大肠杆菌不同菌株上的平板培养效应的研究为基础，发现了原核生物体内存在株上的平板培养效应的研究为基础，发现了原核生物体内存在着寄生控制的限制着寄生控制的限制(restriction)和修饰和修饰(modification)系统。系统。结论：结论： 菌体限制修菌体限制修饰系系统中的限制性内切中的限制性内切酶能将外来能将外来DNA切断切断, 菌体本身的菌体本身的DNA可受甲基化可受甲基化酶的保的保护。 两者称两者称为限制限制-修修饰作用作用 * E.coli K菌株和菌株和 B菌株各有自己的限制修菌株各有自己的限制修饰饰系系统统, * E.coli C菌株没有菌株没有;细菌借助于细菌借助于限制限制-修饰系统修饰系统来区别自己来区别自己DNA和外源和外源DNA。 自己自己DNA: 限制模式相同的限制模式相同的DNA 同株系的不同个体同株系的不同个体DNA、寄生于其中的质粒和噬菌体。、寄生于其中的质粒和噬菌体。 居民居民DNA(resident DNA)：同一个细胞内的不同类型的：同一个细胞内的不同类型的DNA， 包括细胞包括细胞DNA，质粒，质粒DNA，噬菌体，噬菌体DNA等。等。核酸内切限制酶的类型及其主要特性核酸内切限制酶的类型及其主要特性特性特性I型型II型型III型型限制和修饰活性限制和修饰活性单一多功能的酶单一多功能的酶分分开开的的核核酸酸内内切切酶和甲基化酶酶和甲基化酶具具有有一一种种共共同同亚亚基基的的双功能的酶双功能的酶核核酸酸内内切切限限制制酶酶的蛋白质结构的蛋白质结构3种不同的亚基种不同的亚基单一的成份单一的成份2种不同的亚基种不同的亚基切割位点切割位点在在距距寄寄主主特特异异性性位位点点至至少少700bp的的地地方方可可能能随机地切割随机地切割位位于于寄寄主主特特异异性性位点或其附近位点或其附近距距寄寄主主特特异异性性位位点点3，端端2426bp处处甲甲基基化化作作用用的的位位点点寄主特异性的位点寄主特异性的位点寄寄主主特特异异性性的的位位点点寄主特异性的位点寄主特异性的位点识识别别未未甲甲基基化化的的序序列列进进行行核核酸酸内内切酶切割切酶切割能能能能能能序列特异的切割序列特异的切割不是不是是是是是DNA克克隆隆中中的的用用处处无用无用十分有用十分有用用处不大用处不大I类限制性内切酶的特点类限制性内切酶的特点v1） I类限制性内切酶是异源多聚体，包含三个亚基R、M和S，其功能分别为限制性内切酶、甲基化酶和DNA特异位点识别。v2） I类限制性内切酶与DNA结合依赖M亚基与辅助因子S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的相互作用。v3） I类限制性内切酶与DNA分子结合后，根据该位点的甲基化状态发挥相应的酶活性，或修饰或切割。切割位点与识别位点相隔1-5kb。v4） I类限制性内切酶的种类较少，研究的较多的有大肠杆菌的EcoK和EcoB。 I类限制性内切酶作用机制类限制性内切酶作用机制II类限制性内切酶特点类限制性内切酶特点v II类限制性内切酶由H.O.Smith等1970年首先在流感嗜血杆菌Rd型菌株中发现。目前已有400多种II类限制性内切酶被分离，它是分子量较小的单体蛋白，识别和切割双链DNA分子时仅需要Mg2+, 识别和切割位点的序列有严格的特异性。II类限制性内切酶作用机制类限制性内切酶作用机制III类限制性内切酶的特点类限制性内切酶的特点v III类限制性内切酶由R亚基和MS亚基组成，其中MS亚基具有位点识别和甲基化修饰双重活性。v 该类酶与DNA识别位点的结合严格依赖ATP。修饰作用和切割作用取决于两个亚基之间的竞争。修饰作用在识别位点内进行。切割序列位于识别位点一侧若干碱基对处，无序列特异性。v目前对真核细胞的目前对真核细胞的DNA修复的反应类型、参与修复的酶类和修复的反应类型、参与修复的酶类和修复机制了解还不多；修复机制了解还不多；vDNA损伤修复与突变、寿命、衰老、肿瘤发生、辐射效应、损伤修复与突变、寿命、衰老、肿瘤发生、辐射效应、某些毒物的作用都有密切的关系。某些毒物的作用都有密切的关系。v例如例如着色性干皮病着色性干皮病(xeroderma pigmentosum)是第一个发是第一个发现的现的DNA修复缺陷性遗传病。修复缺陷性遗传病。第三节第三节 基因突变基因突变DNA损伤的后果突变损伤的后果突变 上述损伤会上述损伤会最终导致最终导致DNA分子结构的变化分子结构的变化，这种，这种DNA分分子水平上的突变子水平上的突变(mutation) ，是整体遗传突变的基础，是整体遗传突变的基础。突变（突变（mutation）:是遗传物质中任何可检测的能遗传的是遗传物质中任何可检测的能遗传的改变，但不包括遗传重组。改变，但不包括遗传重组。1突变类型突变类型体体细细胞胞突突变变（somaticmutation）:对对于于一一个个多多细细胞胞生生物物来来说说，如如果果突突变仅发生在体细胞中，那么这种突变是不会传递给后代的。变仅发生在体细胞中，那么这种突变是不会传递给后代的。f但但若若突突变变发发生生在在的的生生殖殖细细胞胞中中，那那么么这这种种突突变变就就能能通通过过配配子子传传递递给给下下一一代代，在在后后代代个个体体的的体体细细胞胞和和生生殖殖细细胞胞中中产产生生同同样样的的突突变变，这这种种突突变变就叫做就叫做种系突变（种系突变（germ-limemutations）。f突突变变可可以以发发生生在在染染色色水水平平或或者者基基因因水水平平。染染色色体体结结构构和和数数目目的的改改变变叫叫做做染染色色体体畸畸变变（chromosomal aberration），也也称称为为染染色色体体突突变变（chromosomemutation）。）。f当当染染色色体体畸畸变变涉涉及及到到基基因因组组中中染染色色体体套套数数的的改改变变称称为为基基因因组组突突变变（genomemutation），即整倍数改变），即整倍数改变。f发生在基因水平的突变称为发生在基因水平的突变称为基因突变（基因突变（genemutation）。f诱诱变变剂剂处处理理所所诱诱发发的的突突变变称称为为诱诱发发突突变变（inducedmutation），自自然然发发生的突变是生的突变是自发突变（自发突变（spontaneousmutatiow）。2基因突变的类型基因突变的类型2.1从碱基变化分从碱基变化分：1）点突变）点突变(pointmutation)指指DNA上单一碱基的变异。上单一碱基的变异。S转转换换(transition)：嘌嘌呤呤替替代代嘌嘌呤呤(A与与G之之间间的的替替代代)、嘧嘧啶替代嘧啶啶替代嘧啶(C与与T之间的替代之间的替代)；S颠换颠换(transvertion)：嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。2） 缺失缺失(deletion)v指指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。链上一个或一段核苷酸的消失。3） 插入插入(insertion)v指一个或一段核苷酸插入到指一个或一段核苷酸插入到DNA链中。链中。4） 倒位或转位倒位或转位(transposition)v指指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处。移到另一处。5） 双链断裂双链断裂v已如前述，对单倍体细胞一个双链断裂就是致死性事件。已如前述，对单倍体细胞一个双链断裂就是致死性事件。2.2从突变效应分：从突变效应分：S1）移码突变）移码突变(frameshiftmutaion)：在为蛋白质编码的在为蛋白质编码的序列中如缺失及插入的核苷酸数不是序列中如缺失及插入的核苷酸数不是3的整倍数，则发生的整倍数，则发生读框移动读框移动(readingframeshift)，使其后所译读的氨基酸，使其后所译读的氨基酸序列全部混乱。序列全部混乱。v移码突变大多数常产生无活性产物，移码突变大多数常产生无活性产物，v有些移码突变会在基因内部形成终止密码子，从而使所有些移码突变会在基因内部形成终止密码子，从而使所生成的多肽链长度变短生成的多肽链长度变短 。移码突变移码突变移码突变移码突变S2）错义突变（）错义突变（missensemutation）是指是指DNA改变后改变后mRNA中相应密码子发生改变，编码另一种氨基酸，中相应密码子发生改变，编码另一种氨基酸，使蛋白质中的氨基酸发生取代，可能削弱此蛋白的功使蛋白质中的氨基酸发生取代，可能削弱此蛋白的功能，以至影响到突变体的表型。能，以至影响到突变体的表型。S3）无义突变（）无义突变（nonsensemutation）是由是由DNA的碱基的碱基突变使突变使mRNA中产生了无义密码子，翻译时在相应的中产生了无义密码子，翻译时在相应的位点会导致提前终止平截或截短，产生一条不完整位点会导致提前终止平截或截短，产生一条不完整的多肽链，通常是没有功能的。的多肽链，通常是没有功能的。v校正突变：校正突变：移码突变有时可由同一基因内的另一碱基的缺失移码突变有时可由同一基因内的另一碱基的缺失或插入所抵消，但要求第二个移码突变发生在前一突变位点或插入所抵消，但要求第二个移码突变发生在前一突变位点的下游。这样的第二个移码突变称为的下游。这样的第二个移码突变称为校正突变校正突变(suppressor mutation)。t4）中中性性突突变变（neutral neutral mutationmutation）是是在在基基因因中中有有一一对对碱碱基基对对发发生生替替换换，引引起起的的mRNAmRNA中中密密码码子子的的改改变变，但但多多肽肽链链中中相相应应位位点点发发生生的的氨氨基基酸酸的的取取代代并并不影响蛋白质的功能。不影响蛋白质的功能。t5）沉沉默默突突变变（silent silent mutationmutation）或或者者同同义义突突变变：是是中中性性突突变变中中的的一一种种特特殊殊情情况况。即即在在基基因因中中碱碱基基对对发发生生替替换换，改改变变了了mRNAmRNA的的密密码码子子，结结果果蛋蛋白白质质中中相相应应位位点点是是发发生生了了相相同同氨氨基基酸酸的的取取代代，由由于于氨氨基基酸酸的的序序列列末末发发生生变变化化，所以蛋白质仍具有野生型的功能。所以蛋白质仍具有野生型的功能。t6）回复突变（）回复突变（reverse mutationreverse mutation）分成两类：分成两类：e正向突变（正向突变（forward mutationforward mutation）：其突变方向是从野生型向突变型；：其突变方向是从野生型向突变型；e回回复复突突变变:其其突突变变方方向向是是从从突突变变型型向向野野生生型型；回回复复突突变变可可使使突突基基因因产产生生的的无功能或有部分功能的多肽恢复部分功能或完全功能。无功能或有部分功能的多肽恢复部分功能或完全功能。S突突变变的的作作用用还还可可以以通通过过其其它它位位点点的的突突变变而而得得到到减减少少或或校校正正，这这便便是是前前面面已已讨论过的抑制突变（讨论过的抑制突变（suppressor mutationsuppressor mutation）或者校正突变。）或者校正突变。3基因突变的后果基因突变的后果v无影响 改变基因型改变基因型(genotype)而不改变表现型而不改变表现型(phenotype)；产生遗传多态性（DNA多态性，蛋白质多态性）。v丧失某些功能；丧失某些功能；生物体结构和功能的异常引起疾病。肿瘤 癌症发生癌症发生生殖细胞基因突变传递至后代，导致遗传性疾病的发生。v致死性；致死性；v进化 生物体获得新的性状，适应环境的能力增强。发发生生了有利于物种生存的结果，使生物进化。了有利于物种生存的结果，使生物进化。4 4 突变和人类疾病突变和人类疾病人人类类遗遗传传性性疾疾病病已已发发现现40004000多多种种，其其中中不不少少与与DNADNA修修复复缺缺陷陷有有关关，这这些些DNADNA修修复复缺缺陷陷的的细细胞胞表表现现出出对对辐辐射射和和致致癌剂的敏感性增加。癌剂的敏感性增加。在在现现代代人人类类生生活活的的环环境境中中要要接接触触很很多多的的化化学学物物质质，如如药药物物、食食品品防防腐腐剂剂、化化妆妆品品、农农药药，用用于于工工业业的的一一些些原原料料污染物等等。其中很多成份具有致癌和致突变作用。污染物等等。其中很多成份具有致癌和致突变作用。名词解释名词解释 移框突变移框突变 无义突变无义突变 错义突变错义突变 增变基因增变基因 组成型表达组成型表达 自己自己DNA 问答题：问答题：1.1.错配修复酶的主要功能及作用机制。错配修复酶的主要功能及作用机制。2.2.核苷酸切除修复和重组修复的修复时期及简单过程。核苷酸切除修复和重组修复的修复时期及简单过程。3.3.何为何为RecARecA蛋白，其在蛋白，其在SOSSOS系统中有何用途？系统中有何用途？ 4.4.DNADNA损伤修复的主要类型。损伤修复的主要类型。vABA BCA B CA BCAB螺旋酶螺旋酶Pol 螺旋酶螺旋酶连接酶连接酶切切补补切切封封 切除修复切除修复ExisionRepair ExisionRepair 复制前进行复制前进行不易出错不易出错UvrA,B,Cgene内切核酸酶内切核酸酶（Endonucleases）外切核酸酶外切核酸酶（Exonuclease）DNApolLigase 碱基切除修复碱基切除修复核核苷苷酸酸切切除除修修复复碱基切除修复碱基切除修复核苷酸切除修复核苷酸切除修复