第七节 DNA的损伤和修复

化学因素引起的DNA损伤
1、烷化剂对DNA的损伤 ① 碱基烷基化; ② 碱基脱落; ③断链; ④ 交联 2、碱基类似物、修饰剂对DNA的损伤 如:人工可以合成一些碱基类似物用作促突变剂或 抗癌药物，如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氟尿嘧啶（5FU）、2-氨基腺嘌呤（2-AP）等。 还有一些人工合成或环境中存在的化学物质能专一 修饰DNA链上的碱基或通过影响DNA复制而改变碱基 序列，例如亚硝酸盐能使C脱氨变成U，经过复制就可 使DNA上的G-C变成A-T对。
（四）核苷酸的切除修复
切割核酸酶
DNA解旋酶
E.Coli中的核苷酸 切除修复
（五）重组修复
（发生在复制后）：复制时，跳过损伤部位，新链产生缺口 由母链弥补，原损伤部位并没有切除,但在后代逐渐稀释。
双链断裂修复 double-strand break (DSB) repair
（六）SOS反应和诱导修复（易 错修复）
高 度 耗 能 的 错 配 修 复
DNA聚合酶Ⅲ补缺，DNA连接酶连接切口。
使用何种核酸外切酶取决于MutH在错 误配对的核苷酸5’还是3’一侧切割DNA
参与错配修复的酶与蛋白质
• • • • Dam甲基化酶 ; MutH、MutL、MutS蛋白 ; 解螺旋酶Ⅱ ; DNA聚合酶 Ⅲ ; 外切酶Ⅰ、Ⅹ 、Ⅶ ； RecJ核酸酶 DNA连接酶 ； SSB
(三) 碱基的切除修复
DNA糖基化酶（glycosylate)
• 糖基化酶是损伤特异性
的，细胞中有多种具有不同 特异性的DNA糖基化酶 • 糖基化酶通过水解糖苷键 去除受损碱基
碱基的切除修复
（1）DNA糖基化酶 切除损伤的碱基产 生无碱基酸 （2）无碱基核酸 内切酶无碱基酸处 切开产生切口。 （3）DNA聚合酶Ⅰ 将无碱基酸切除并 填补缺口。 （4）DNA连接酶连 接切口。
移码突变 (frameshift mutation)
转换
-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-
插入
-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-
颠换
-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-
二、DNA的损伤修复
DNA损伤的修复机制
• DNA直接修复 • 光复活作用（photoreactivation） • 错配修复 • 切除修复
• 碱基切除修复（base excision repair, BER) • 核苷酸切除修复（nucleotide excision repair, NER)
H. pylori（幽门螺杆菌） detection
• tests requiring endoscopy • biopsy urease test
• histology • culture • phase-contrast microscopy of gastric tissue
• tests not requiring endoscopy • [13C] and [14C] urea breath test
• 重组修复 • SOS反应诱导的修复
环丁烷环
（一）直接修复
光复活作用
（二）错配修复
MutS：识别突变的nucleotides并与其结合 MutL：連接MutH和MutS蛋白，激活MutH MutH：产生切口，直至识别GATC sequence
Dam甲基化酶（DAM methylase）
-通过暂时半甲基化对母链进行标记
碱基变化替换：a，转换（transition）；b，颠换（transversion）
• 移码突变
– 插入突变：DNA分子中插入一个或几个碱基称为插入 作用。 – 缺失突变： DNA分子中缺失一个或多个碱基对称为缺 失作用。
DNA突变 的类型
碱基对的置换 (substitution)
野生型基因
-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-
Summary 第二章 DNA的复制
• 第一节 半保留复制的验证 • 第二节 复制的起点、方向和终点
– 复制方式： • 复制眼（θ型复制） • 滚环复制 • D环复制
• 第三节 DNA复制的基本特征
Summary 第二章 DNA的复制
• 第四节 原核生物复制的酶系统 • 第五节 Replicon – 复制的起始、延伸和终止 • 第六节 真核生物DNA的复制 – 与原核生物复制的区别 • 第七节 DNA的损伤和修复 • 第八节 PCR反应
mer的解释
• “mer”是希腊语，表示“部分”的意思。 如，polymer：Poly-是“多的、多个的”， polymer表示多个部分组成，即聚合体、多聚体。 dimer：二聚体 在寡核苷酸的表达中常用“mer”，如，60-mer oligonucleotide表示由60个碱基组成的寡核苷酸 或含60个碱基的寡核苷酸。 在多肽中也常用到“mer”，如，100-mer peptide 表示该多肽由100个氨基酸残基组成。
第七节 DNA的损伤和修复
一、DNA的突变和损伤
DNA的突变
• 突变：发生在DNA分子上可遗传的永久性 结构变化通称为突变 • 突变体：带有一个特定突变的基因、基因 组、细胞或个体
• 生命和生物多样性依赖于突变与突变 修复之间的良好平衡
突变的类型
• 点突变：DNA分子中一个碱基对替代另一个碱基 对称为点突变。
第八节 PCR反应
The PCR Amplifies DNAs by Repeated Rounds of DNA replication in Vitro • Polymerase Chain Reaction • DNA的体外酶促扩增技术 • PCR amplifies a given sequence in an exponential fashion • In a perfect world, after 35 cycles, one starting copy of a gene would yield 236 copies of that DNA fragment—68 billion copies
A
缺失
-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-
T
沉默突变：突变影响非必需的DNA或突变对一个基 因的功能的影响可忽略，称为沉默突变或同义突变。 TGT TGC Cys Cys 无义突变：突变的密码子变为终止密码子。 TGT TGA Cys 终止 回复突变：一些突变可以克服第一次突变造成的影 响，这类突变称为回复突变。 通读突变（加长突变）：终止密码子突变为非终止 密码子，使突变的mRMA在翻译时发生通读，从而 使肽链加长。 条件突变体：突变效果很微妙，只有在极端条件下 （如温度提高）才显露出来。
cycle through 25-35 times
PCR animation
PCR mixture
DNA template A pair of oligo DNA primers （启动DNA扩 增） Taq DNA聚合酶（催化DNA合成） Buffer（提供DNA合成所需pH、离子强度等 环境） dNTP（DNA合成的原料）
• serology • stool antigen enzyme immuno-assay • stool PCR assay
1
2
3
4
5
6
lane1: DNA size marker lane3,4: H.pylori negative
lane2: negative control lane5,6: H.pylori positive
PCR methods
Steps in PCR rea来自tion• Denaturation
– separate parent strands in preparation new strand synthesis
Steps in PCR reaction
• annealing
– “stick” primers to the parent strands to prime DNA synthesis – DNA synthesis requires a primer to start DNA synthesis
突变的来源
• DNA复制的不准确性 • 遗传物质的化学损伤
– 物化因子如紫外光、电离辐射 – 化学诱变等
• 转座子的插入
突变的原因
自发突变（spontaneous mutation)：由于 正常的细胞活动，或细胞与环境的随机相 互作用而引起的突变。 诱发突变（induced mutation): 特定的化学 或物理因素引起的DNA序列改变。
• Dam在复制叉上进行 甲基化，使GATC序 列中的A残基甲基化 • MutH在未甲基化的 子链上进行切割
MutS识别并结合于碱基错配处
MutH-MutL二聚体结合后沿两个方向 移动，形成DNA环，直至遭遇半甲基 化的CTAG。
MutH在CTAG的5’-端切开一个切口，核酸 外切酶Ⅰ、Ⅶ沿3’ →5’方向切除含配错碱 基的新链
Steps in PCR reaction
• extension
– addition of nucleotides, one at a time, to the growing end of the DNA strand (3’ end) using the parent strand as the template
PCR技术的应用
• 遗传病研究：如寻找新的基因、分析激活癌基 因中的突变情况 • 医学临床：疾病的诊断和鉴别诊断，如标本中 病原体的核酸序列、鉴别HIV－1（人类免疫缺 陷病毒）和HCV（丙型肝炎病毒）病毒分子等 并进行定量 • 人类学及进化学：可用PCR方法追踪古老DNA 的降解痕迹 • 动物杂交：可对单个生殖细胞进行检测 • 法医学：可取单根毛发或单个精子作遗传学鉴 定，亲子鉴定，疑犯排查等工作