分子生物学第五、六章 DNA的损伤、修复、基因突变、重组与转座

SOS反应是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制
的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措 施。 SOS反应诱导的修复系统包括：避免差错的修复 （error free repair）和易产生差错的修复（error

prone repair）两类。

由于SOS反应还能诱导产生缺乏校对功能的DNA聚
以先复制再修复，这种方式称为重组修复。这个过程 发生在复制后，又称复制后修复。
切除修复发生在下一轮DNA修复前，又称复制前修复。
复制
重组
再合成

重组修复机制的缺陷，有可能导致肿瘤发 生。已经发现，妇女Brca 1和Brca 2两个 基因如果有缺陷，发生乳腺癌的概率为 80%。这两个蛋白质参与重组修复。
5.2 DNA 的修复
DNA修复是生物体细胞在长期进化中形成的一种 保护功能，在遗传信息传递的稳定性方面具有重 要作用。
细胞DNA损伤的修复系统主要有：

直接修复 切除修复 错配修复 重组修复
易错修复和SOS应急反应
直接修复

包括光复活修复、 06-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移 酶修复、单链断裂修复
第七章 DNA重组与转座
4.6 DNA的转座

转座子（transposon）：是在基因组中可
以移动的一段DNA序列。一个转座子由基因
组的一个位置转移到另一个位置的过程称为
转座或移位(transposition)。本质是由转
座子（可移位因子）介导的遗传物质重排现
象。

转座子是一些较短的DNA序列，可以转 移到细胞基因组的任何位置。由于它不 需要序列间具有同源性，也不是位点特
又称为点突变。碱基对置换有转换和颠换两种。 2、插入突变：指在基因的序列中插入了一个碱基或 一段外来DNA导致的突变。包括同义突变、错义突 变和无义突变。
3. 移码突变：一个或多个非三整倍数的核苷酸对插 入或缺失，导致编码区位点后的三联体密码子可 读框改变，从而使后面的氨基酸都发生错误，是 基因产物失活。 4. 渗漏突变：突变基因的产物尚有部分活性的错义 突变。 5. 回复突变：从突变体回复原先野生型表型的突变 过程。
6.1.3 化学因素引起的损伤
烷化剂对DNA的损伤
烷化剂是一类亲电子化合物，很容易与体内大分子负 电中心作用。当烷化剂和DNA作用时，可以将烷基加 到核酸的碱基上去。结果是形成链内或链间交联。

碱基类似物对DNA 的损伤 是一类结构与碱基相似的人工化合物，5-溴尿嘧 啶（5-BU）与U结构类似，酮式能与A配对，烯 醇式能与G配对。结果引起A-T----G-C转变。
复制起始位点，母链就会在开始DNA合成前的一小
点时间（几秒钟至几分钟）内被甲基化。

此后，只要两条DNA链上碱基配对出现错误，
错配修复系统就会根据―保存母链，修正子链‖
的原则，找出错误碱基所在的DNA链，并在对
应于母链甲基化腺苷酸上游G的5'位置切开子
链。
重组修复
机体细胞对在复制起始时尚未修复的DNA损伤部位可

生物功能丧失
获得新功能
癌症发生
作业


名词解释：
基因突变 无义突变 移码突变 回复突变


简答题：
课后思考题1和4


4.5 DNA的重组
DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合， 称为遗传重组或基因重组。重组产物称为重组体 DNA (recombinant DNA)。 真核生物基因组间重组多发生在减数分裂时同源 染色体之间的交换。 细菌及噬菌体的基因组为单倍体，来自不同亲代 两组DNA之间可通过多种形式进行遗传重组。
的状态。

③ 细菌的转导
转导(transduction)：是通过噬菌体将基因从供体 转移到受体细胞的过程。 ④ 细菌的细胞融合 由细胞质膜融合导致的基因转移和重组。在实验室中 用溶菌酶除去细菌细胞壁的肽聚糖，使其成为原生质 体，可人工促进原生质体融合，由此使两菌株的 DNA发生广泛的重组。




遗传变异的根本原因是突变。然而突变的机 率很低，且多数是有害的。如果生物只有突 变没有重组，在积累具有选择优势突变的同 时不可避免地积累许多难以摆脱的不利突变。 有利突变随不利突变一起被淘汰，新的优良 基因就不可能出现。
DNA重组对生物进化起着关键性的作用。


4.5.1 同源重组
同源重组(homologous recombination)： 由两条同源区的DNA分子，通过配对、链断 裂和再连接，而产生的片段间交换的过程。 Holliday模型 详见书本图和遗传学教材
异性的，所以转座作用又被称为异常重
组。
与DNA的同源重组相比，转座作用发生


核苷酸片段切除修复
当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形
成氢键，则由核苷酸切除修复(nucleo tide-excision repair)系
统负责修复。

损伤发生后，首先由DNA切割酶(exci-nuclease)在 已损伤的核苷酸5’和3’位分别切开磷酸糖苷键，产
生一个由12～13个核苷酸(原核生物)或27～29个核

②细菌的遗传转化
遗传转化(genetic transformation)是指 细菌品系由于吸收了外源DNA而发生遗传 性状的改变现象。
感受态细胞（competent cell）：

受体细胞经过一些特殊方法（如电击、
CaCl2）处理后，细胞膜的通透性发生了暂
时性改变，成为能允许外源DNA分子进入
在DNA光解酶(Photolyase)的作用下把在光下或经紫外光 照射形成的环丁烷胸腺嘧啶二体及6-4光化物(64photoproduct)还原成为单体的过程。 生物体内还广泛存在着使06-甲基鸟嘌呤脱甲基化的甲基转 移酶，以防止形成G-T配对。



DNA单链断裂可以通过重接（DNA连接酶），直接修复。
切除修复
包括碱基切除修复和核苷酸片段切除修复 碱基切除修复： 所有细胞中都带有能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它 能特异性切除受损核苷酸上的N-β－糖苷键，在DNA链上 形成去嘌呤或去嘧啶位点（AP位点）。 DNA分子中一旦产生了AP位点，AP核酸内切酶就会把受 损核苷酸的糖苷-磷酸键切开，并移去包括AP位点核苷酸 在内的小片段DNA，由DNA聚合酶I合成新的片段，最终 由DNA连接酶把两者连成新的被修复的DNA链。

基因突变(mutation)：是在基因发生可遗传的结构
和数量的变化，通常产生一定的表型。

广义的突变包括染色体畸变和基因突变。遗传重
组也导致可遗传的变异，因此，染色体畸变、基
因突变、遗传重组是可遗传变异的基础。
基因突变的类型 1、碱基对置换：指DNA错配对碱基在复制后被固定
下来，由原来的一个碱基对被另一个碱基对所取代，
合酶，所以在DNA链的损伤部位即使出现不配对碱 基，复制也能继续进行，以保证细胞的存活，叫易 产差错的修复。

SOS反应广泛存在于原核和真核生物，它是生物体
在不利环境中求得生存的一种基本功能。

SOS反应意义：
① DNA的修复；② 导致变异。

5.3 基因突变
作为遗传物质的DNA有三个主要功能： ①通过复制将遗传物质由亲代传给子代； ②通过转录使遗传信息在子代得以表达； ③通过变异在自然过程中获得新的遗传信息。
易错修复和SOS应急反应

错配修复、直接修复、切除修复和重组修复 都能够识别DNA的损伤部位或错配碱基而加 以消除，在这些修复过程中不引入错误碱基， 属于避免差错的修复。

当无法为修复提供正确模板时，如模板链损伤、双链断裂、
双链交联等，正常复制受阻，导致易错修复。 许多能造成DNA损伤或抑制DNA复制的过程能引起一系列复 杂的诱导效应，这种效应称为应急反应(SOS response)。 SOS包括诱导DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制以 及溶源性细菌释放噬菌体等，细胞癌变也与SOS反应有关。
A—I—C(非T) 下一轮C—G 导致AT—GC 引起突变 C—U –A(非G) 下一轮A—T 导致GC—AT 引起突变
亚硝酸盐、羟胺诱变剂
DNA聚合酶的“打滑‖
DNA复制时， 无论模板还是新生链都会发生 碱基的环出现象，即DNA聚合酶发生“打滑‖， 引起一个或数个碱基的插入或缺失。尤其是模 板上有几个相同的碱基情况。


4.5.2 细菌的基因转移与重组
细菌的基因转移主要有四种机制：接合 (conjugation)、转化(transformation)、 转导(transduction)和细胞融合（cell fusion）。

①细菌的接合
细菌的细胞相互接触时遗传信息可由一个细胞转 移到另一细胞，称为接合作用。 供体细胞为雄性，受体为雌性。通过接合而转移 DNA的能力由接合质粒提供，与接合功能有关的
互变异构移位 指碱基发生烯醇式-酮式结构互变时，氢原子位置的 可逆变化，使碱基配对发生改变，这样在复制后的 子链上就可能出现错误。 如：A、C 或G、T错配
脱氨试剂
主要指胞嘧啶C、A和G分子结构中都含有环外氨基， 氨基有时会自动脱落，使得C变为U，A变为I，G变 为X，当DNA复制时，会在链中产生错误导致损伤。
起等）
引起DNA损伤的因素很多，包括：

DNA分子自发性损伤

物理因素损伤
化学因素损伤

5.1.1 DNA分子自发性损伤
DNA复制过程中的损伤指碱基配对时产生的误差经
过DNA聚合酶等综合校对因素作用后仍未被校正 的DNA的损伤。 如：大肠杆菌DNA复制无DNA聚合酶校正时错配 率为10-1~ 10-2，识别校正后为10-5~ 10-6，再 经过其他因素，错配率达到10-10 这类损伤主要包括5种因素
苷酸(人类或其他高等真核生物)的小片段，移去小 片段后由DNA聚合酶Ⅰ(原核)或ε(真核)合成新的片 段，并由DNA连接酶完成修复中的最后一道工序。
错配修复

错配修复可以将DNA子链中的错配几乎完全能被修 复。

该系统识别母链靠Dam甲基化酶，它能使位于
5’GATC序列中A的N6位甲基化。一旦复制叉通过
5.1.2 物理因素引起的损伤 紫外线(UV)照射引起的DNA损伤主要是 同一条链内相邻2个嘧啶形成嘧啶二聚体， 阻碍DNA的复制和转录。
ATTCGAGTTAGC TAAGCTCAATCG 因此人皮肤照射紫外线，伤害很大，致癌
电离辐射引起DNA损伤 直接引起DNA理化性质改变 细胞水分解离，产生氧自由基诱变碱基 改变 最终能引起DNA链断裂及DNA链间交联， DNA-蛋白交联等。
活性氧引起的诱变
细胞的氧化代谢产生的氧自由基活性很高，DNA
碱基至少会遭受到20种氧化损伤。 活性氧为氧分子电子数大于O2的O2 - 可与 C、A 配对，DNA聚合酶不能矫正其错误，造成GC—TA 颠换，这种损伤可以积累 。
碱基丢失
DNA分子在生理条件下可通过自发性水 解，使嘌呤碱和嘧啶碱从磷酸脱氧核糖 骨架上脱落下来。哺乳动物每个细胞每 20 h脱去的嘌呤碱和嘧啶碱数分别平均 为1000个和500个。
诱变剂种类及机制

在自然条件下发生的突变称为自发突变。自发 突变的频率很低，大肠杆菌及果蝇突变率10-10
左右。

能够提高突变率的物理或化学因子称为诱变剂 (mutagen)。 碱基类似物：5-BU与T结构相似；碱基修饰剂： 亚硝酸；烷化剂；嵌合染料(EB)；紫外线和电离

辐射
4.4.3 基因突变的主要后果

源自文库
蛋白质均由接合质粒所编码。能够促使染色体基
因转移的接合质粒称为致育因子(fertility factor，
F因子)。

大肠杆菌F因子是双链闭环的大质粒，总长约 100kb，复制起点为ori V。F因子可以在细胞内游 离存在(F+)，也可以整合到宿主染色体内(Hfr)。 整合F因子的大肠杆菌菌株具有较高频率的重组 (high-frequency recombination)，称为Hfr菌 株。F因子可以整合在染色体不同位置，由此而得 到不同的Hfr菌株。
第5章 DNA损伤、修复、基因突变
5.1

DNA的损伤
由于染色体DNA在生命过程中占有至 高无上的地位，DNA复制的准确性以 及DNA日常保养中的损伤修复有着特 别重要的意义。

DNA损伤是指在生物体生命过程中DNA双螺旋 结构发生的任何改变。
主要分为两种：

单个碱基改变
双螺旋结构的异常扭曲（链内T二聚体、单链缺口、凸