第六章DNA的损伤与修复.ppt
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1、第六章,DNA的损伤与修复 The damage and repair of DNA,DNA双螺旋结构发生的任何改变。 主要分为两种:,单个碱基的改变 双螺旋结构的异常扭曲,DNA损伤的概念:,DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息,维护DNA分子的完整性对细胞至关紧要;,修复DNA损伤的能力是生物能保持遗传稳定性所在; DNA分子的变化并不是全部都能被修复成原样的,因此生物才会有变异、有进化。,DNA损伤修复的重要性,5.1 DNA损伤的原因,5.1.1 DNA分子自发性损伤,1. DNA复制中的错误,碱基配对的错误概率约为10-1_10-2;在DNA聚合酶的校对作用下,错配概率降到10
2、-5_10-6 ; 再经过DNA结合蛋白和其他因素作用下,错配率仍在10-10。,(1)碱基的异构互变,DNA每种碱基有几种形式,称互变异构体,异构体中原子的位置及原子之间的键有所不同。 碱基各自的异构体间可以自发发生变化(烯醇式与酮基间互变); A=C T=G 上述配对发生在DNA复制时,会造成子代DNA序列与亲代DNA不同的错误损伤.,同型异构体转换,= O -OH,同型异构体转换,-NH2 -NH,异构互变造成的复制损伤,(2)碱基的脱氨基作用,碱基的环外氨基自发脱落,C变为U,A变为次黄嘌呤(H ),G变为黄嘌呤(X) 。 复制时,U与A配对、H和X都与C配对会导致子代DNA序列的错误
3、变化。,(3) 脱嘌呤与脱嘧啶 (碱基丢失),自发水解使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落。 哺乳类动物细胞,在30C下,20h内DNA链自发脱落嘌呤约1000个,嘧啶约500个。,(4)活性氧引起的碱基修饰与链断裂,细胞呼吸的副产物O2-, H2O2造成DNA损伤,产生一些碱基修饰物(胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等),还可引起DNA单链断裂等损伤; 这些损失的积累可导致老化。,2. 物理因素引起的DNA损伤,(1)紫外线(UV)引起的DNA损伤,DNA受到大剂量紫外线(260nm)照射时,同一条链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体;TT, CC, CT之间都可形成二聚体。,复制时,此处产生
4、空耗过程,DNA不能复制,细胞不能分裂,导致凋亡。,紫外线引起的DNA损伤 最易形成胸腺嘧啶二聚体(TT),(2)电辐射引起的DNA损伤,碱基变化 细胞中的水经辐射解离后产生大量OH-自由基,使DNA链上的碱基氧化修饰、形成过氧化物的、导致碱基环的破坏和脱落等。,脱氧核糖变化,脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与OH-反应,导致脱氧核糖分解,最后会引起DNA链断裂。,DNA链断裂,脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而导致DNA链断裂。 一条链断裂称单链断裂(single strand broken); DNA双链在同一处或相近处断裂称为双链断裂(double strand broken ),胶联
5、(binding),同一条DNA链上或两条DNA链上的碱基间以共价键结合;DNA与蛋白质之间也以共价键相连;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DNA以共价键连接。,胶联是细胞受电离辐射后在显微镜下看到的染色体畸变的分子基础,会影响细胞的功能和DNA复制。,辐射引起DNA分子结构的多种变化,(2)烷基剂对DNA的损伤,(1)碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤,(3)嵌合剂对DNA的损伤。,3. 化学因素引起的DNA损伤,(1) 碱基类似物对DNA的损伤 某些化学物质和正常的碱基在结构上类似,有时会替代正常碱基而掺入DNA分子,一旦这些碱基类似物进人DNA后,由于它们的
6、配对能力不同于正常碱基,便引起DNA复制过程中其对应位置上插入不正确碱基。,例如 5-溴尿嘧啶(BU)和 5-溴脱氧尿嘧啶(BrdU)是T结构类似物。细菌在含BU的培养基中培养时,部分DNA中的T被BU取代,BU有两种互变异构体,一种是酮式结构(第6位上有一个酮基),它可以代替T而掺入DNA,并与A配对;当BU发生互变异构成为烯醇式(第6位上是一个羟基)后,就容易和G配对。 通常以酮式存在,有时也以烯醇式存在。当BU先以酮式掺入DNA,继而又变成烯醇式时,进一步复制使DNA中 A- T对变成 G- C对。同样道理也引起 G- C向 A- T的转换,BU可以使细菌的突变率提高近万倍。,除BU外,
7、还有5-溴脱氧尿苷、5-氟尿嘧啶、5-氯尿嘧啶及它们的脱氧核苷。 另一种被广泛应用的碱基类似物是2-氨基嘌呤(2-AP),是一种腺嘌呤A类似物,可和胸腺嘧啶T配对。可再和胞嘧啶C 配对,产生A-T 、G-C的转换,或2-AP以和胞嘧啶C 配对形式进入DNA后再和胸腺嘧啶T 配对后产生G-C、A-T的转换。,(2) 烷化剂引起的DNA损伤(特异性错配) 某些诱变剂不掺入DNA,而通过改变碱基的结构从而引起特异性错配,如烷化剂(是一类亲电子的化合物,具有一个或多个活性烷基)。它们的诱变作用是使DNA中的碱基烷化。 活性烷基不稳定,能转移到其他分子的电子密度较高的位置上,并置换其中的氢原子,使其成为
8、不稳定的物质。 烷化剂的种类很多,常见的有甲磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍(NG)和芥子气等。,EMS能使鸟嘌呤的 N位置上有乙基,成为7一乙基鸟嘌呤。与胸腺嘧啶配对,故能使G-C转换成A-T。 烷化剂的另一作用是脱嘌呤。例如烷基在鸟嘌呤N位上活化糖苷键引起断裂,使嘌呤从DNA链上脱掉,产生缺口。复制时,与缺口对应的位点上可能配上任一碱基,从而引起转换或颠换;而且去嘌呤后的DNA容易发生断裂,引起缺失或其他突变。,(3) 嵌合剂的致突变作用。 嵌合染料是另一类重要的DNA修饰剂。包括丫啶橙(acridine orange)、原黄素(proflavin)、叮黄素(acriflavine)等染料。
9、这些试剂为平面分子,其分子大小与碱基对大小差不多,可以嵌入到DNA双链碱基对之间,在嵌入位置上引起单个碱基对的插入或缺失突变。嵌合染料也能嵌入单链DNA的碱基之间,这些突变都会引起阅读框的改变,造成移码突变。,概念: 由各种诱变剂诱发的DNA的突变。每一种诱变剂有其对应的特异性(如对G-C,A-T转换)和对特定的突变位点的偏好,例如:甲磺酸乙酯(EMS)和紫外线(UV)“偏好” G-C, A-T转换,黄曲霉素B1(AFB1)则偏好于C-G,A-T颠换。 诱变机制: 诱变剂通过3种机制诱发突变:取代DNA中的一个碱基;改变一个碱基使之发生错配;破坏一个碱基使之在正常情况下无法配对。,4. 诱发突
10、变,诱发突变与人类的癌症 黄曲霉素(AFB)引起肝癌,紫外线(UV)照射会导致皮肤癌。 肿瘤抑制基因是一种编码抑制肿瘤形成的蛋白质基因。如果发生突变则会致癌。对南非和东亚肝癌病人的P53基因的分析发现,AFB特异性诱导GT颠换,引起P53发生突变,而在同一地区的肺癌、肠癌和乳腺癌的病人中未发现此现象。,黄曲霉素B1(aflatoxin B1,AFB1) 一种很强的致癌剂。 在鸟嘌呤 N7位置上形成一加成复合物后产生无嘌呤位点。修复要求SOS系统参与。SOS越过无嘌呤位点并在这些位点对应处选择性插入腺嘌呤,使鸟嘌呤残基脱嘌呤的试剂偏向于产生G-C T-A颠换。,现代生活环境使人可能接触各种各样药
11、品、化妆品、食物防腐剂、杀虫剂、工业用试剂、污染物等,其中很多化合物已被证明具有致癌性质。 研究表明在175种已知的致癌剂中,有157种是诱变剂。这些物质是通过诱导体细胞突变而致癌的。例如食物防腐剂AF-2。食物熏蒸剂二溴乙烯、抗血吸虫药物、多种染发添加剂以及工业化合物氯乙烯等都具致癌性。 因而要靠科学治理环境,保护环境就是保护人类自身。,5.1.2 DNA损伤的后果,导致DNA分子结构变化(亦即发生突变) 生物体在表型上突变,1. 突变类型,(1) 点突变(point mutation),DNA单一碱基的变异,转换(transition):嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶之间替换,颠换(transve
12、rtion):嘌呤与嘧啶之间的替代,野生型等位基因:将自然界中普遍出现或指定实验用的某一品系的性状作为“野生型”或“正常”的性状,与这种性状相关的等位基因称为野生型等位基因。 突变型等位基因:任何不同于野生型等位基因的相同座位的基因称为突变型等位基因。 正向突变:从野生型等位基因变为突变型等位基因。 恢复突变:从突变型等位基因变为野生型等位基因。,突变的多方向性和复等位基因 一个基因内有很多突变位点,所以,一个基因的突变也有多方向性,从而导致一个基因可以有两个以上的等位形式复等位基因。,(2) 缺失(deletion)/ 插入(insertion),DNA链上一个或一段核苷酸的消失或加入。,移
13、码突变(frame-shift mutation):,例如在 E.coli的lacl基因中发现一种 4个碱基序列(CTGG)在野生型中连续重复了 3次。J. Miller等人研究了这个基因突变热点(hot Spots)产生的原因。发现某些热点是由重复序列引起的。所谓热点即一个基因中比其他位点更容易发生突变的位点。,由于插入或缺失突变引起DNA的阅读框(ORF)发生改变,从而产生不同蛋白质的过程。,(3) 倒位 (inversion) 或转位(translocation),DNA重组使其中一段核苷酸倒置,或从一处迁移到另一处。,(4) 双链断裂,2. 突变后果,(1)致死性: 突变发生在对生命至
14、关重要的基因上,可导致个体或细胞的死亡。,致死突变:严重影响生物体生活力,导致个体死亡的突变。 可分为显性致死突变(杂合态即可致死)和隐性致死突变(纯合态才致死)。,(2)基因功能的改变,突变是某些疾病的发病基础 包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的病。 有些已知其遗传缺陷所在。 但大多数尚在研究中。,突变影响生物的代谢过程,导致一个特定生化功能的改变或丧失。如微生物的营养缺陷型。,突变导致生物体外观上可见的形态结构的改变。例如果蝇的红眼白眼突变:,例: UVB 所致的基因突变 UVB: 290-320nm,由于修复系统的缺陷或偶发的错误修复,则会导致某些基因突变,使得角质形成细胞的细胞周期的调控出
15、现异常,进一步发生克隆性增生和永生化生长而导致皮肤癌的发生。,管理基因( caretaker genes) : 执行DNA的损伤修复,维持基因组的完整性。如着色性干皮病的修复基因XPAXPF。 看门基因( gatekeeper genes) : 控制细胞信号传导,调控细胞的增殖、分化和凋亡。如p53、patched基因和ras等。皮肤癌的发生与看门基因突变关系密切。,着色性干皮病(xeroderma pigmentosis,XP) 是一种切除修复有缺陷的遗传性疾病。 在研究其发病机制时,发现一些相关的基 因,称为XPA、XPB、XPC等。这些基因的表达产物起辨认和切除损伤DNA作用的。 XP病
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