基因组的变异与损伤修复讲解
分子生物学 6 DNA 损伤、修复和重组
吖啶橙、原黄素、吖黄素等吖啶类染料 嵌合到DNA碱基对之间 base addition /deletion / frameshift mutation
DNA损伤（DNA damage）
自发损伤: 脱氨基/ 脱嘌呤 外源损伤: 1. 氧化损伤 (需氧细胞) 活性氧：超氧化物，过氧化氢和羟自由基（· OH） 8-氧鸟嘌呤，2-氧腺嘌呤，5-甲酰尿嘧啶 2. 烷基化损伤 影响DNA复制和转录时的解旋 多数是间接诱变 3. 加成损伤 嘧啶二聚体 苯并芘（肝脏细胞色素P-450） 双环氧物-G 芳基化试剂 黄曲霉毒素B1（肝致癌剂）
DNA损伤、修复和重组
突变和突变发生
（mutation and mutagenesis) DNA损伤（DNA damage） DNA修复（DNA repair） 重组（recombination）
突变概念
突变（mutation） DNA分子碱基序列的可遗传改变 突变体（mutant） 与野生型（+）相对 突变剂（mutagen） 突变发生（mutagenesis） 自发突变（spontaneous mutation） 诱发突变（induced mutation）
突变类型 1. DNA碱基序列改变的多少 单点突变（point mutation） 碱基替换（base substitution） 转换（transition） A-T G-C 颠换（transversion）A-T T-A 碱基增加（base addition） 碱基删除（base deletion） 多点突变（multiple mutation）
BER
5' 3' UvrABC 3' 5' 3' 5' Pol I (或δ和ε） 5' 3' DNA glycosylase 5' 3' AP内切核酸酶 5' 3' 进一步酶切
突变和修复
基因突变： 发生在基因水平的突变称为基因突变（game
mutation），它涉及到基因的一个或多个序列的改变
A piece of chromosome A piece of a chromosome A broken piece attaches to breaks off and is lost. breaks off and reattaches a nonhomologous chromosome in reverse order.
5－BU
二、DNA分子上碱基的化学修饰：
1.
亚硝酸 ： 亚硝酸可以在PH5的 缓冲溶液中通过氧化 作用，以氧代替腺嘌 呤和胞嘧啶C6位置 上的氨基，使腺嘌呤 和胞嘧啶变成次黄嘌 呤和尿嘧啶
2.
烷化剂：如甲基磺酸甲酯(NMS) 烷化剂可将烷基(如甲基)加入到核酸上各种位点 O6－甲基鸟嘌呤可与T配对
错配修复系统mismatchrepair在mutl二聚体的参与下muts二聚体与错配位点结合muts包含两个dna识别位点一个识别错配位点另一个识别位点不具有序列和结构的特异性伴随着atp的水解它在dna上移动直到遇上gatcmuts在移位的过程中同时与错配位点结合形成一个环状结构
突变和修复
第一节 突变概述
同义突变 错义突变 无义突变
错义突变
中性突变：不影响蛋白活性，不 表现明显性状变化 渗透突变：产物仍有部分活性的 错义突变Leaky mutations 致死突变 Lethal mutations
无声突变
同义突变 中性突变
非条件型突变 条件型突变：表现为条件致死。也就是在许可 条件下生长正常或接近正常，而 在非许可条件下表现出病态或死亡。 其中，温度敏感型突变体研究得最多
基因突变与DNA损伤修复
烷基化和自然脱氧核糖核 苷酸降解等原因可能引起 复制错误，导致基因突变。
现代分子生物学技术可以 快速准确地检测出基因突 变和DNA结构机制等问题。
DNA损伤的原因
紫外线
紫外线是引起DNA损伤最常见的因素之一，可 导致单链断裂和交联。
氧化应激
氧化应激会造成氧自由基产生过多，从而导致 DNA碱基的氧化损伤。
结论与展望
DNA损伤与基因突变不可避免，但保护机制和修复工具应用的全面提高，为基因突变导致的病症的治疗与 预防带来新的可能。
• 因修复机制本身出错 • 特定 DNA 片段受到修复机制的攻击而发生突变
DNA修复与肿瘤治疗
1 DNA损伤修复与放疗 2 DNA修复抑制剂的应 3 单倍型复制机制治疗
敏感性
用
单倍型复制技术是现代医
癌细胞在放疗过程中的
利用药物抑制癌细胞的
学常用的生物基因治疗方
ห้องสมุดไป่ตู้
DNA 损伤和修复不如正常
DNA 修复机制，达到治疗
法之一，也具有巨大的发
细胞，临床上也用此方法
的目的。
展前景。
达到治疗肿瘤的目的。
DNA修复的临床应用
1
抗肿瘤药物筛选
根据药物抑制细胞生长的机制和细胞的 DNA 修复状况来优化方案。
2
个体化肿瘤治疗
根据患者的 DNA 修复能力和药敏信息量身定制治疗方案，提高治疗效果。
3
预防癌症
结合家族遗传病史和部分癌症与 DNA 修复相关的报道，开展“DNA九项检测”等预防性检测。
基因突变与DNA损伤修复
基因突变与DNA损伤修复是生物学研究的重要领域。本次演讲将从DNA结构、 损伤原因、修复机制、与基因突变关系和肿瘤治疗等多个方面为大家深入阐 述。
生物基因组维护与修复机制的研究
生物基因组维护与修复机制的研究生物基因组是生命体内最为重要的遗传物质，它持有生物体的全部遗传信息，决定着个体的发育、形态、生理和代谢等方面。
与此同时，生物基因组也面临着各种威胁，如氧化作用、化学物质、辐射、病毒等，这些威胁往往引起基因组的损伤和突变，甚至导致癌症等严重后果。
因此，生物必须拥有可以维护和修复基因组的机制，才能保持自身的遗传稳定和生存发展。
本文将详细介绍生物基因组的维护与修复机制的研究现状和进展。
一、DNA修复机制的研究及分类1. 直接修复机制直接修复机制是DNA修复机制中最为原始和简单的一种，它并不需要基因进行参与，而是通过某些物理、化学方式来直接暴力修复DNA链。
例如，暴露在紫外线下的细胞可以利用光修复酶来解决氧化损伤问题。
2. 修补机制修补机制是DNA修复机制中最为常见的，并且也是最为复杂的一种，它需要细胞内部一系列特定的酶来协同完成。
修补机制可以分为以下几种：(1) 单链 break 修复单链 break 修复机制主要分为非同源端联合修复和同源性重组修复两种，前者用于修复双链DNA中的单个不相关的断裂位点，后者则用于修复DNA链上的大部分断裂位点。
(2) 直接反转修复直接反转修复是指对损伤碱基的酶在损伤区域直接切到对面测你，然后再合成另一个复制基因。
(3)错配修复错配修复指的是通过某些酶的作用来纠正DNA链上一些似乎不匹配的碱基序列或散失的碱基序列。
这类修复机制广泛存在于细胞生命活动的各个领域。
二、DNA损伤修复的影响因素1. 年龄随着年龄的增长，DNA修复功能通常会降低。
研究发现，年轻细胞的修复率比老年细胞要高，这意味着基因组损伤也可能与衰老进程有关。
2. 环境DNA损伤修复的能力与环境有着密切的关系。
高温、化学污染、紫外线曝晒等环境因素都可能造成DNA损伤，这需要生物体内部一些特殊的修复机制来维持基因组的稳定。
3. 遗传遗传因素可能影响DNA修复机制的效率和速度，因为不同的人有着不同的基因结构和表达方式，这些基因结构和表达方式与DNA修复密切相关。
dna损伤修复非同源及同源重组分子机制(3篇)
第1篇一、引言DNA作为生物体的遗传物质，在生物体的生长发育、遗传变异和进化过程中起着至关重要的作用。
然而，DNA在复制、转录和修复过程中，由于外界因素或内部错误，会导致DNA损伤。
为了维持生物体的正常功能，细胞必须通过一系列的DNA损伤修复机制来修复受损的DNA。
其中，非同源重组（Non-Homologous End Joining，NHEJ）和同源重组（Homologous Recombination，HR）是两种主要的DNA损伤修复途径。
本文将详细介绍这两种分子机制的原理和作用。
二、非同源重组（NHEJ）1. NHEJ的原理NHEJ是一种在DNA双链断裂（Double-Strand Break，DSB）发生时，直接连接断裂末端的DNA损伤修复途径。
该途径不需要模板DNA，因此具有较快的修复速度，但修复效率较低，容易出现错误连接。
2. NHEJ的分子机制（1）识别和切割断裂末端：在DSB发生时，DNA断裂修复因子（如Mre11、Rad50和Nbs1）形成复合物，识别断裂末端，并通过ATP酶活性切割断裂末端。
（2）末端连接：在Xrcc4和Ligase IV的作用下，将断裂末端的粘性末端连接起来，形成环状中间体。
（3）去除中间体：在DNA聚合酶的作用下，去除中间体，形成完整的DNA分子。
三、同源重组（HR）1. HR的原理HR是一种在DSB发生时，利用未受损的姐妹染色单体或同源染色体作为模板，精确修复断裂末端的DNA损伤修复途径。
HR具有高保真性，但修复速度较慢。
2. HR的分子机制（1）断裂末端的识别和连接：与NHEJ类似，HR也需要识别和切割断裂末端。
在HR过程中，DSS1和RAD51蛋白复合物参与断裂末端的识别和连接。
（2）形成重组中间体：RAD51蛋白复合物与断裂末端结合，形成重组中间体。
（3）分支迁移：在分支迁移酶的作用下，重组中间体在姐妹染色单体或同源染色体上移动，寻找匹配的序列。
（4）交换和连接：在DNA聚合酶和Ligase I的作用下，将断裂末端与匹配的序列连接起来，形成完整的DNA分子。
DNA的损伤修复和突变
光复活是针对紫外线引起DNA损伤而形成的胸腺嘧啶 二聚体，在损伤部位进行修复的修复途径。光复活作用在可 见光的活化下，由光复活酶(PR酶, 又称光解酶)，催化胸腺 嘧啶二聚体分解成为单体。
PR酶先与DNA链上的胸腺嘧啶二聚体结合成复合物； 复合物以某种方式吸收可见光，并利用光能切断二聚体之间 的两个C-C键，使胸腺嘧啶二聚体变为两个单体，恢复正常， 而后PR酶就从DNA上解离下来。
DNA链的损伤又分为3个亚类： (1) 链的断裂
单链断裂和双链断裂，由离子辐射(X射线、 射线)和某些化学试
剂的作用，如博来霉素。链断裂是极严重的损伤，当DNA出现太 多的裂口(特别是双链裂口)时，往往难以修复，导致细胞死亡。 癌症放疗的原理就在于此。
(2) DNA链的交联
一些双功能试剂导致DNA发生链间交联，如顺铂和丝裂霉素。
DNA结构本身的不稳定； DNA复制过程中自然发生的错误，主要是碱基错配； 细胞内活性氧(ROS)带来的破坏作用。
环境因素：
化学因素——化学诱变剂； 物理因素——紫外辐射、离子辐射。
DNA损伤可分为碱基损伤和DNA链的损伤。
图5-1 DNA分子上可能遭遇到的各种损伤
碱基损伤有5个亚类 (1) 碱基丢失
(3) DNA与蛋白质之间的交联
紫外线可诱导DNA与结合在其上的蛋白质之间形成共价交联。
图5-4 离子辐射引起的DNA链断裂
5.1.2 DNA的修复机制
尽管DNA损伤的形式很多，但细胞内存在十分完善的修 复系统。基本上每一种损伤在细胞内都有相应的修复系统(有 时不止一种)。
细胞内的绝大多数修复系统将损伤的核苷酸与周围的正 常核苷酸一起切除，以另一条互补链上正常的核苷酸序列为 模板，重新合成核苷酸，取代原来异常的核苷酸。
染色体与DNA(4损伤、修复与转座)
THANKS
感谢观看
染色体与DNA的关系
染色体是DNA的组织形式，DNA被 包裹在蛋白质中形成染色质丝，再进 一步形成染色体结构。
染色体是DNA的载体，它们共同协作 ，确保遗传信息的完整性和稳定性。
02
染色体与DNA的损伤
物理因素导致的损伤
01
02
03
电离辐射
如X射线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ紫外线等，能 够直接破坏DNA双螺旋结 构，导致碱基错配和染色 体断裂。
浓缩形成可见的染色体结构。
人类体细胞中通常有23对染色 体，其中包括22对常染色体和1
对性染色体。
DNA的组成和功能
01
DNA由四种不同的脱氧核苷酸组 成，分别是腺嘌呤、胸腺嘧啶、 鸟嘌呤和胞嘧啶。
02
DNA的主要功能是储存和传递遗 传信息，通过特定的碱基配对原 则（A与T配对，G与C配对）来保 证遗传信息的稳定传递。
重组修复
重组修复是指通过引入新的 DNA片段来替换受损的DNA片
段的过程。
包括同源重组和非同源重组两 种方式。
同源重组是指引入与原DNA片 段相同的DNA片段进行替换。
非同源重组是指引入与原DNA 片段不同的DNA片段进行替换 。
错配修复
错配修复是指纠正DNA复 制过程中出现的碱基错配 的过程。
氧化剂
如过氧化氢和超氧阴离子 等，能够氧化DNA碱基， 导致基因突变和染色体畸 变。
生物因素导致的损伤
病毒
某些病毒能够整合到宿主细胞基因组中，导致基 因突变和染色体畸变。
某些细菌和寄生虫
如结核分枝杆菌和弓形虫等，能够引起感染，导 致基因突变和染色体畸变。
某些遗传疾病
如唐氏综合征、威廉姆斯综合征等，是由于染色 体数目异常或结构异常引起的遗传疾病。
第3章基因突变和损伤DNA的PPT课件
营养缺陷突变型
• 是一类重要的生化突变型。是指某种微生物经 基因突变而引起微生物代谢过程中某些酶合成能 力丧失的突变型，它们必须在原有培养基中添加 相应的营养成分才能正常生长繁殖。这种突变型 在微生物遗传学研究中应用非常广泛，它们在科 研和生产中也有着重要的应用价值。
14
抗性突变型
• 是指一类能抵抗有害理化因素的突变型，细胞或 个体能在某种抑制生长的因素(如抗生素或代谢活 性物质的结构类似物)存在时继续生长与繁殖。根 据其抵抗的对象分抗药性、抗紫外线、抗噬菌体 等突变类型。这些突变类型在遗传学基本理论的 研究中非常有用，常以抗性突变为选择标记，特 别在融合试验、协同转染实验中用得最多。
11
致死突变型
• 指由于基因突变而造成个体死亡的突变类 型，造成个体生活力下降的突变型称为半 致死突变型。一个隐性的致死突变基因可 以在二倍体生物中以杂合状态保存下来， 可是不能在单倍体生物中保存下来，所以 致死突变在微生物中研究得不多。
12
条件致死突变型
• 这类突变型的个体只是在特定条件，即限定条 件下表达突变性状或致死效应，而在许可条件下 的表型是正常的。广泛应用的一类是温度敏感突 变型，这些突变型在一个温度中并不致死，所以 可以在这种温度中保 存下来；它们在另一温度中 是致死的，通过它们的致死作用，可以用来研究 基因的作用等问题。
这是造成畸变的缺失。
• 四是重复，指在一条染色体上增加了一段染色体片段，使同
一染色体上某些基因重复出现的突变。发生染色体畸变的微生物 往往易致死，所以微生物中突变类型的研究主要是在基因突变方 面。
7
（2）染色体数目的改变
• 单倍体：含生存必需的最低限度基因群的 一组染色体
• 双倍体 • 多倍体 • 非整倍体：由于突变和重组造成 • 整倍体和非整倍体的染色体数目变化一般
基因损伤修复方法
基因损伤修复方法一、直接修复直接修复是一种简单的修复机制，它通过直接逆转基因损伤来修复DNA。
该过程通常需要DNA合成酶或其他蛋白质参与。
这种修复机制对于嘧啶二聚体、DNA-RNA杂交体中的DNA损伤以及某些碱基类似物等较为有效。
二、切除修复切除修复是一种通过切除受损DNA片段，然后以未受损的DNA为模板合成新的片段进行替换的修复机制。
该过程可以分为碱基切除修复和核苷酸切除修复两种类型。
切除修复对于多种不同类型的DNA损伤具有修复作用，是生物体内最主要的DNA损伤修复机制。
三、重组修复重组修复是一种通过重组机制来修复DNA损伤的修复方式。
该过程涉及到DNA的复制和重组，通常需要多种蛋白质的参与。
重组修复对于DNA双链断裂等严重损伤具有较好的修复效果。
四、错配修复错配修复是一种针对DNA复制过程中出现的碱基错配进行修复的机制。
该过程涉及到DNA错配的识别和校正，通常需要特异的蛋白质参与。
错配修复对于维持基因组的稳定性和准确性具有重要意义。
五、转录偶联修复转录偶联修复是一种与DNA转录过程偶联的修复机制。
当DNA在转录过程中出现损伤时，该机制能够通过暂停转录、修复损伤和恢复转录的方式进行修复。
转录偶联修复对于维持转录过程的正常进行和基因表达的稳定性具有重要作用。
六、跨损伤修复跨损伤修复是一种能够修复多种不同类型的DNA损伤的修复机制。
该机制涉及到一些特定的蛋白质和酶，通过特定的反应途径进行修复。
跨损伤修复在某些特定情况下发挥着重要作用，例如在DNA损伤较为严重或常规修复途径受阻时。
七、表观遗传修饰修复表观遗传修饰是指DNA序列不发生变化的情况下，基因的表达却发生了改变，这种改变包括基因型未发生变化时基因的表达水平改变，以及基因型发生改变后基因的表达水平变化。
这种变化可以通过一些特殊的反应途径进行修复，如DNA 甲基化、组蛋白乙酰化等。
表观遗传修饰修复对于维持基因表达的稳定性和细胞的正常生长具有重要意义。
基因组结构变异的生物学意义与遗传疾病关联发现
基因组结构变异的生物学意义与遗传疾病关联发现引言：基因组结构变异是指在基因组水平上染色体和基因序列发生的各种变化和重排现象。
这些变异可以是单个核苷酸变异（SNV），包括单核苷酸多态性（SNP）和核苷酸插入/缺失（indel）；也可以是染色体结构变异，如倒位、重复、插入、缺失等。
基因组结构变异在生物界普遍存在，对物种的进化、个体的表型特征以及人类疾病的发生发展都具有重要的影响和生物学意义。
一、基因组结构变异的生物学意义1. 进化和适应性：基因组结构变异是生物进化的基础。
某些变异可能导致基因的表达模式发生改变，从而影响生物个体的适应能力。
例如，某些基因的副本数变化可能增加或减少特定生物体的适应性，从而在适应新的环境压力方面起到重要的作用。
此外，基因组结构变异还是新基因产生和功能创新的重要机制。
通过基因重排和混合，新的基因组功能可能会在进化过程中涌现出来。
2. 表型多样性：基因组结构变异是物种内部个体表型多样性的基础。
对于同一基因，不同个体之间的基因组结构变异可能导致基因的表达水平和模式的差异。
这样的差异可能解释了为什么同一基因在不同个体中会表现出不同的特征或表型。
例如，重复序列的异常扩增或缩减与一些复杂性疾病的发生有关，如自闭症、霍普金斯症候群等。
3. 突变积累和疾病发生：基因组结构变异的突变积累可能导致疾病的发生。
基因组结构变异在肿瘤的发生和发展中起到重要作用。
某些变异类型可导致基因的功能失调、癌基因的激活、抑癌基因的沉默或模式突变，从而导致细胞增殖、凋亡和转移的异常。
此外，一些遗传疾病，如唐氏综合症、囊性纤维化等，与染色体结构变异密切相关。
二、基因组结构变异与遗传疾病关联的发现1. 用于疾病诊断的关联分析：基因组结构变异与遗传疾病之间的关联可以通过关联分析来确定。
关联分析是通过比较患病个体和正常个体之间的基因组结构变异差异来确定有关疾病的关键变异。
这种方法的突破性应用是利用全基因组关联分析（GWAS）来鉴定与复杂性疾病相关的单核苷酸变异和结构变异。
了解生物的基因突变修复机制
机制：错配修复酶能够识别出DNA复制过程中出现的错配碱基对，并通过一系列酶促反应将错配碱基对修复至正确状态。
添加标题
类型：错配修复包括碱基切除修复和转录校对修复两种类型，其中碱基切除修复是最常见的修复方式。
添加标题
意义：错配修复对于维持基因组的稳定性和降低基因突变率具有重要意义，同时也有助于防止癌症等疾病的发生。
数据库资源：利用基因组学数据库、蛋白质组学数据库等资源，对基因突变修复机制进行系统分析和比较研究，为相关领域的研究提供数据支持。
基因突变修复机制的研究成果
Part Five
基因突变修复机制的应用前景
在生物医学领域的应用
基因突变修复机制在癌症治疗中的应用
在疫苗研发和抗病毒治疗中的应用
在个性化医疗和精准医学中的应用
基因突变修复机制的应用前景
基因突变修复机制的研究方法
基因突变修复机制的分类：根据修复机制的不同，基因突变修复机制可以分为同源重组修复和非同源末端连接修复等。
研究方法：通过基因敲除、基因敲低、基因过表达等技术手段，研究基因突变修复机制在细胞生长、发育、衰老和肿瘤发生中的作用。
实验技术：利用基因编辑技术、全基因组测序技术、蛋白质组学技术等实验技术手段，深入探讨基因突变修复机制的分子机制和作用机理。
XX,a click to unlimited possibilities
基因突变修复机制
汇报人：XX
目录
基因突变修复机制概述
01
基因突变修复机制的类型
02
基因突变修复机制的生物学意义
03
基因突变修复机制的研究进展
04
基因突变修复机制的应用前景
05
Part One
基因突变修复机制概述
人类基因组变异与疾病相关性分析
人类基因组变异与疾病相关性分析人类基因组是由多个基因组成的，而基因拥有着决定一个人生理和心理特征的信息，这些特征的表现也会因基因的变异而产生差异。
因此，对于人类基因组上的变异的研究也愈发受到科学界和公众的重视。
其中一个重要的应用便是对于疾病的发病机制和治疗方案的研究。
一、人类基因组的变异形式人类基因组的变异形式可以分为单核苷酸多态性（SNP）和结构变异两种。
SNP是指一种常见的单个核苷酸变异，它可能会导致基因功能的变化。
而结构变异则是指基因区域的大段重复或者缺失。
SNP的变异形式可以分为同义突变和非同义突变。
同义突变是指这种变异并不会改变氨基酸的序列，也就是不会影响蛋白质的功能。
而非同义突变则是指这种变异会改变氨基酸的序列，进而可能影响蛋白质的功能。
结构变异则包括插入、缺失、倒位和转座子等形式。
插入和缺失指的是某种DNA片段的重复或者缺失。
倒位则是指某个区域的基因序列倒序排列。
而转座子则是指一段具有自我保护功能、可以自我重组的DNA序列断裂并插入到另一个位置上。
二、基因变异与疾病相关性对于人类疾病的治疗和预防，研究人员早已发现基因的变异常常和疾病相关性质密切相关。
例如，基因突变可以导致某些人患某些癌症、自闭症、帕金森病、多发性硬化症等疾病。
癌症是人类健康面临的重大挑战之一。
目前已知的某些基因可以通过影响癌细胞的增殖、凋亡、侵袭和转移等方式来导致癌症。
例如，TP53基因（又称为p53），是细胞凋亡和DNA修复的关键基因，其突变被广泛认为是最常见的致癌基因，许多不同的实验室都证实了与TP53基因变异相关的不同癌症。
自闭症则是一种神经发育障碍性疾病，其复杂性在于其遗传学基础的多样性。
研究发现，自闭症和其他神经发育障碍性疾病的原因可能包括单个基因缺陷、多基因缺陷和环境因素。
例如，关于CDH10基因的突变与自闭症的相关性研究发现，某些CDH10突变是常见的自闭症发生原因之一。
帕金森病则是一种神经退行性疾病，其病理机制是多种因素影响神经元死亡和脑组织损失。
基因组稳定性维持与DNA损伤修复机制
基因组稳定性维持与DNA损伤修复机制DNA是细胞中最基本的遗传物质，它记录了构成生命的基本信息。
而在DNA 复制、细胞分裂以及生物体生长发育过程中，难免会遭受各种外界因素的损害，如辐射、化学物质等。
如果这些损伤得不到及时有效的修复，将会对细胞的正常生命活动和生物体的健康产生不同程度的影响。
因此，维持基因组的稳定性和DNA损伤修复的机制是生物实现自身遗传稳定和适应环境变化的基础。
一、维持基因组的稳定性细胞是基本单位，细胞内的基因组是细胞存储遗传信息的载体。
维持基因组的稳定性是细胞生命活动和生物进化的基本保障之一。
当细胞在复制分裂过程中，受到各种内外因素的干扰，如氧气自由基（ROS）、紫外线、化学物质等，都有可能导致基因组的损伤，进而引起细胞死亡、发生肿瘤等病理状态。
细胞维持基因组的稳定性的关键在于细胞内的检测和修复系统。
DNA的稳定性与基因组的稳定性密不可分。
DNA和基因组的稳定性与两大方面有关：一是DNA和基因组本身的特点，二是细胞内各种检测和修复机制。
1.1 DNA特征DNA的稳定性取决于其本身的物理化学特征，其中双螺旋结构是最具代表性的特征。
DNA双链由四种碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤），磷酸基团和脱氧核糖组成，以磷酸基团的骨架串联起来，形成DNA的骨架结构。
两条骨架以碱基间氢键的方式结合在一起。
不同的碱基序列和相互之间的氢键作用分别决定了DNA分子的结构和化学性质，从而决定了DNA分子的稳定性。
DNA碱基中胞嘧啶（Cytosine）含有一种易变成脱氧尿嘧啶（5-methylcytosine）的甲基。
该转化为甲基脱氧尿嘧啶（Thymidine）的过程叫做脱氧嘌呤碱基修饰。
脱氧嘌呤碱基修饰能增加DNA直接重排的能力，从而造成基因突变，导致基因组不稳定。
DNA的稳定性还与DNA结构与环境的关系、DNA分子长度、DNA分子中超螺旋的含量和滚環结构等有关。
例如，DNA双螺旋结构和DNA缠绕的张力会影响DNA染色体的结构以及DNA褶皱的形态，从而影响DNA的稳定性。
dna损伤修复机制及相关基因组编辑技术
DNA损伤修复机制及相关基因组编辑技术1. 引言DNA是生物体内重要的遗传物质，它负责存储和传递遗传信息。
然而，DNA在生物体内受到各种内外因素的损伤，如紫外线、化学物质和放射线等。
为了维持基因组的完整性和稳定性，生物体进化出了多种DNA损伤修复机制。
随着科技的发展，人类也在不断研究并开发新的基因组编辑技术，以修复或改变DNA序列。
本文将详细介绍DNA损伤修复机制的几个重要类型，并探讨与之相关的基因组编辑技术。
2. DNA损伤修复机制2.1 直接修复直接修复是一种最简单、最快速的DNA损伤修复方式。
它通过酶催化直接还原或移除DNA上的特定化学损伤。
2.1.1 光解脱酶系统（Photolyase system）光解脱酶系统是一种通过光激活来修复紫外线引起的嘌呤二聚体（pyrimidine dimers）形成的损伤。
该系统中的光解脱酶可以通过光激活，将紫外线引起的嘌呤二聚体分离，从而恢复DNA的正常结构。
2.1.2 甲基转移酶（Methyltransferase）甲基转移酶是一种能够修复DNA中O6-甲基鸟嘌呤损伤的酶。
该酶通过将甲基从O6-甲基鸟嘌呤转移到自身，从而修复DNA上的损伤。
2.2 错配修复错配修复是一种通过检测和纠正DNA链上碱基配对错误的机制。
它在DNA复制过程中起到重要作用，保证每个新合成的DNA链与模板链匹配。
2.2.1 Mismatch修复系统Mismatch修复系统由一系列蛋白质组成，包括MutS、MutL和MutH等。
当DNA链上存在错配碱基时，MutS能够识别并结合到该错误位置，并引导MutL和MutH等蛋白质进行切割和纠正。
2.3 切割修复切割修复是一种通过切除损伤部分并合成新的DNA来修复损伤的机制。
它主要包括核苷酸切除修复和DNA双链断裂修复。
2.3.1 核苷酸切除修复系统核苷酸切除修复系统是一种修复DNA链上特定位置的损伤的机制。
该系统由一系列蛋白质组成，包括UvrABC核苷酸切除酶。
基因突变讲解演示课件
A→H、C→U、G→X
已知亚硝酸有氧化脱氢作用，它使腺嘌呤（Ａ）脱去氨基，成为
次黄嘌呤（H），使胞嘧啶（C）脱去氨基，成为尿嘧啶（U），使鸟
嘌呤（G）脱去氨基，为黄嘌呤。脱氨后生成的次黄嘌呤跟胞嘧啶配
对，脱氨后生成的尿嘧啶跟腺嘌呤配对。黄嘌呤不能跟其它任何碱基
配对，所以这种改变可能对细胞是致死的。
62
被另一个嘧啶所取代的置换称为转换（transition）；一个
嘌呤被另一个嘧啶所取代或一个嘧啶被另一个嘌呤所替代的
置换称为颠换（transversion）。
48
49
(二) 移码突变
移码突变（frame-shift mutation）是指DNA链上插入或丢失1个、2
个甚至多个碱基（但不是三联体密码子及其倍数），在读码时，由于原
（codon insertion or deletion）。
51
(四) 染色体错误配对不等交换
染色体错误配对不等交换（mispaired synapsis and unequal
crossing-over），减数分裂期间，同源染色体间的同源部分发生联会和
交换，如果联会时配对不精确，会发生不等交换，造成一部分基因缺失
2、烷化剂：
一类具有一个或多个活性烷基的化合物。并不掺入DNA而是通过改变碱 基的结构从而引起特异性错配
芥子气、硫酸二乙酯（DES）、甲基磺酸乙酯 （EMS）、乙烯亚胺（EI）、亚硝基胍等。
63
3、羟胺（HA）： 是一种还原剂，可将胞嘧啶（C）上的氨基变为醇基，使C与A配
对，从而是GC对转换为AT对。
----TT-------AA----
----TT-------AA----
可见光激活
第五章 DNA损伤修复和基因突变基因突变
•
•
3 基因突变
• 一个正常的生物体叫作野生型（wild type, WT） • 如果DNA发生改变，就会使生物体的某 些性状有所改变，这种改变了性状的生 物体相对于正常的生物体来说，就成为 突变体（mutant）。
• 所有的组织都有可能随机地与环境反应产生 突变，这种突变叫做自发突变（spontaneous mutagenesis）。 • 自发突变的发生率对每个组织来说都是特征 性的，这种特征是背景水平（background lever）的突变。 • 使用了诱变剂的突变叫诱发突变（induced mutagenesis）。
•
¾2.1.2错配修复系统
• 错配修复(mismatch repair）对DNA复制忠 实性的贡献率达10-2-10-3 ，DNA子链中的错 配几乎完全被修正，这充分反映了母链的 重要性。 • 该系统识别母链的根据来自Dam甲基化酶， 它能使位于5‘GATC序列中腺苷酸的6N位甲基 化。
• 一旦复制叉通过复制起始位点，母链就会 在开始DNA合成前的几秒至几分钟内被甲 基化。 • 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鸟苷酸 的5’位置切开子链，再根据错配碱基相对 于DNA切口的方位修复路径，合成新的子 链片段。
次黄嘌呤
Lac I，复制平均错误率10-9 DNA复制中的错误水平10-7—10-11 研究发现有一些基因的突变可以大 大提高整个基因组其它基因的突变率，这些 基因被称为增变基因(mutator genes)。
多个碱基改变造成的突变
转座子插入、重组错误
•
突变如何对表型产生影响
同义突变（synonymous mutation）指没有改变 产物氨基酸序列的密码子变化，与密码子的简 并性有关。 错义突变 （ missense mutation ）指碱基序列的 改变引起了产物氨基酸序列的改变。 无义突变（nonsense mutation或null mutation)指 某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变 为蛋白质合成的终止密码子，导致肽链合成过 早终止。
第13章 损伤、修复和重组
• Damaged DNA of λ-phage be repaired more in E.coli A
• SOS repair in E. coli have to be induced by U.V.（A） • High frequency mutation by SOS repair（Error-prone）
颠换（transversion）：DNA分子中嘌呤被嘧
啶所取代或嘧啶被嘌呤所取代而引起的突变；
transition transversion Py Py Py Pu Pu Pu
点突变的效应：
无义突变（nonsense ~）：使氨基酸密码子转变为终止密码
子（UGA、UAG、UAA）的突变.
错义突变（missense ~）：三联体密码子发生突变导致蛋白 质中原来的氨基酸被另一氨基酸取代 同义突变（samesense ~）：虽然三联体密码子发生突变， 但仍然编码同一种AA。
单/多个不稳定的烷基，可将烷基加入到核酸上 各种位点的亲电化学试剂。
O EMS（Ethyl methane sulfonate） 已基甲烷磺酸 MMS （methylmethane sulfonate） 甲烷磺酸甲酯 SM（Sulfur Mustards gas）硫芥 CH3-S-O-CH2CH3 O O CH3-S-O-CH3
3’－（3-4） 5‘-7 5’－22
3、重组修复（recombination repair）
实质：并非修复，而是“稀释”。
4、错配修复（mismatch repair）
DNA polymerase ligase dam gene m6A甲基化酶
MCE（mismatch correct enzyme） 3 subunits mutH, L, S
基因治疗中的基因突变修复的动力学过程解析
基因治疗中的基因突变修复的动力学过程解析基因治疗是一种前沿的医疗技术，通过修复或替换受损基因，以治疗遗传性疾病或其他疾病。
在基因治疗过程中，修复基因突变是至关重要的一步。
本文将重点探讨基因治疗中基因突变修复的动力学过程。
基因突变是指在基因组中的DNA序列发生异常的变化。
这些变化可能导致基因功能的丧失或改变，最终导致疾病的发生。
因此，修复基因突变成为基因治疗的核心目标之一。
基因突变的修复过程主要由两个关键的机制驱动：非同源末端连接（NHEJ）和同源重组修复（HR）。
NHEJ是一种常见的DNA损伤修复机制，它负责修复DNA双链断裂。
在基因治疗中，基因工程师利用NHEJ修复突变，通过剪切受损基因并加入正确的DNA序列，以替换或修复突变。
然而，NHEJ机制具有一定的局限性。
首先，它是一种误差容忍型修复机制，可能引入额外的突变。
其次，由于NHEJ修复过程中的序列重组和/或缺失，可能会导致基因组的不稳定性和不均衡。
因此，NHEJ并非适用于所有基因治疗情况。
与NHEJ相比，同源重组修复（HR）是一种更为精确的DNA修复机制。
HR 依赖于同源体内的DNA模板，通过将相同的DNA序列复制到已受损DNA上来修复基因突变。
HR主要发生在细胞的有丝分裂期间，并且在DNA双链断裂修复中起着重要作用。
HR的实现需要多个复杂的酶系统的参与，如RAD51、BRCA1、BRCA2等。
首先，由RAD51招募到DNA双链断裂位点，形成核心结构。
然后，RAD51促进BRCA1-BRCA2复合物与核心结构相互作用，形成重组中介体。
最终，BRCA1-BRCA2复合物通过处理DNA尾端，启动同源重组修复的过程。
虽然HR修复机制精确而高效，但它也有一些限制。
HR主要发生在有丝分裂期间，因此只适用于快速分裂的细胞类型。
此外，HR修复通常依赖于已有的DNA同源体，因此仅适用于部分基因突变的修复。
近年来，科学家们通过创新性的技术手段，在基因治疗中扩大了基因突变修复的范围。
基因组DNA损伤修复的调控机制研究及其生物学意义
基因组DNA损伤修复的调控机制研究及其生物学意义基因组DNA损伤是我们日常生活中不可避免的，它可能由环境因素（紫外线、化学物质等）或内源性因素（代谢产物等）引起。
如果不及时修复，会导致基因突变、染色体重排等问题，严重的甚至会导致细胞死亡或肿瘤的发生。
因此，细胞内存在一套完整的基因组DNA损伤修复系统，可以将DNA的非正常状态复原为正常状态，从而保证细胞的正常生理功能以及完整的基因组。
基因组DNA损伤修复的主要机制有三种，即核苷酸切除修复（NER）、同源重组修复（HR）和非同源末端连接修复（NHEJ）。
不同修复机制的选择主要取决于DNA损伤的类型、位置以及细胞的生长状态等因素。
通过研究发现，基因组DNA损伤修复过程中有一系列关键的调控因子参与其中。
这些调控因子可以在损伤发生时通过多种方式参与到损伤修复的过程中，并且通过多种途径协调各个修复模块的工作，确保DNA的完整。
其中，调控因子中最为重要的是原癌基因p53。
p53不仅可以通过介导基因的转录来诱导DNA损伤修复相关基因的表达，而且可以直接与核苷酸切除修复的某些组成部分相互作用，从而促进DNA的修复。
同时，p53还可以调控细胞周期，为DNA修复提供更加有利的环境。
除了p53，还存在着许多其他调控因子，它们能够通过不同的机制参与到基因组DNA损伤修复的过程中。
比如，ATM、ATR、CHK1等激酶可以通过其磷酸化底物的方式来介导损伤修复因子的活化和参与；BRCA1和BRCA2等不同的蛋白可以通过搭档式的方式直接与HR修复的相关因子相互作用，并且通过参与染色体结构的维持来确保DNA的修复。
研究基因组DNA损伤修复的调控机制，不仅可以帮助我们深入地了解细胞复杂的代谢过程，同时还有助于拓展我们对细胞分裂、肿瘤生物学等领域的认识。
此外，基于调控因子的特定调节机制也有望成为新型治疗手段的靶点，从而为肿瘤治疗带来新的思路。
当前，相关研究领域正在不断深入，预计未来将会取得更为重要和有意义的研究成果。
DNA损伤修复与基因编辑应用
DNA损伤修复与基因编辑应用随着科技的不断发展，生物技术在医学、农业、环境等各个领域都有着广泛的应用。
其中，基因编辑技术是当前研究热点之一，其应用涉及到基础研究、药物研发、农业生产等多个领域。
但是，基因编辑技术也存在一些风险，比如可能导致不可预测的后果。
因此，在进行基因编辑应用时，需要注意相关安全问题。
DNA的损伤修复机制DNA是细胞遗传信息的存储介质，但是在生物体内，DNA会受到各种内外因素的影响，导致其破损和变异。
为了维护基因组稳定性，生物体中存在多种DNA修复机制。
其中，最为常见的是结构相关修复和配对修复。
结构相关修复包括直接重合修复和非同源重合修复。
直接重合修复发生在同一个DNA分子上，其机制是通过直接将断裂的端粘合起来来修复断点。
非同源重合修复是指发生在两个不同DNA分子上的重合修复，常常发生在同源染色体之间。
它的本质是利用同源片段的信息来重建断点的序列。
配对修复包括错配修复和同源重组修复。
错配修复主要是修复错配碱基，同源重组修复则对两个不同DNA分子上的相同序列进行重组。
同源重组修复不仅可以修复双链断裂，还可以使不完整DNA片段得以重组。
这一机制在胚胎发育和细胞增殖时起着至关重要的作用。
基因编辑技术基因编辑技术是指通过定向修饰某一位点的DNA序列来改变基因表达和性状的一种技术。
目前主要应用的基因编辑技术包括锌指核酸酶、TALENs和CRISPR精准基因编辑。
其中，CRISPR 精准基因编辑技术是应用最为广泛的技术之一。
CRISPR/Cas9是利用细菌天然的防御机制开发出的一种基因编辑工具。
它能够精准地对DNA序列进行编辑，从而实现基因功能的改变。
CRISPR/Cas9的核心是Cas9酶和CRISPR RNA，其中CRISPR RNA是一个针对目标序列的导向RNA，而Cas9酶则能够用于切割特定DNA序列。
通过引入CRISPR/Cas9系统中的指向RNA来精准地调节Cas9酶的选位性，从而达到编辑基因的目的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1. 物理诱变
a) 电离辐射诱变
Co60 (χ)( γ) 射线 Cs137(χ) (γ) 射线 H3 (α) 射线 P32，S35(β) 射线
(χ) ( γ) 射线穿透性
（外照射处理）
(α) (β) 射线非穿透性
（内标记处理）
卫星搭载诱变: 高真空，强辐射，微重力
dNt电荷及碱基结构改变
25
卫星搭载育种 太空蔬菜
9
4.1.4 定点突变
• 定点突变 为了获得所需的蛋白质，按照预先设计对基因的编
码区和控制区进行缺失、插入或碱基替换。
突变引物
Kunkel 定点突变法
10
4.1.5 基因动态突变
•基因动态突变 也叫基因组不稳定性，是以DNA重组序列拷贝数在
传递不稳定为特征的一类突变，能引起基因长度改变。
•三核苷酸重复拷贝数在正常情况下有一定的变异范围， 而扩展时就表现为疾病，这种突变不稳定，其拷贝数与 病情正相关。例如 ，亨廷顿舞蹈症 HD为（CAG）n 扩增；而Sca10基因内第9内含子的（ATTCT）n 扩增 超过4000次时发病（正常人n仅10到20）。
=3×d Nt ± aa ≠ 3×d Nt 移码突变
7
4.1.2 单核苷酸多态性（SNP）
• SNP 是由单个核苷酸的变异引起的DNA序列多态性。
• 在人类基因组中，存在0.1%的SNP位点，是形成个 体差异的主要原因。90%的人类群体变异都是SNP。 • 一般SNP引起的突变是中性的。但是，人类镰刀形 细胞贫血病，GAG（谷氨酸） →GTG（缬氨酸）。
微重力 高辐射 强射线
26
b) 非电离辐射—紫外线 (U.V)
∧ ---在相邻TT间形成共价键产生嘧啶二聚体 (TT 二聚体 )
U.V.
…C T T A…
共价键
27
C/G
U.V.
DNA氧化脱氨 C(a)
U.V. H2O光解作H用+ + OH-
维持遗传的稳定性 随机引起其他各类基因的突变
修
增变基因类别
复
过 程
DNA 聚合酶相关基因
是
3’ 5’ 编辑功能发生突变
基 因
错配修复系统的基因
突 变
MCE (错配校正酶)
的 重
DNA 损伤修复系统基因
要 来
错配修复功能丧失
突变率升高
源
二、基因的诱发突变
• 诱变类型
物理诱变
化学诱变
电离辐射，如Χ 、γ 、α 、β 射线 非电离辐射，如紫外线 抑制碱基合成的诱变剂，如6-巯基嘌呤 碱基类似物，如5-溴尿嘧啶 修饰碱基结构的诱变剂，如亚硝酸 插入诱变剂，如吖啶橙
A(i)反式=G（k）顺式
G(e,i)反式=A（a）顺式
19
碱基异构式引起DNA复制的错配
正确配对 A(a) T(k)
G(k) C(a)
错误配对 A(a) C(i)
G(k) T(e)
A(i) C(a) G(e) T(k)
A(i, 反式) ) G(e,i, 反式) )
A(a, 顺式) A(i, 反式) G(k, 顺式) G(e,i, 反式)
11
4.2 突 变 发 生 的 机 理 (自发突变，诱发突变)
12
2014年诺贝尔生理学或医学奖
约翰·奥基夫
梅－布里特
爱德华·莫泽
“发现大脑定位系统细胞”
一、 基因的自发突变
• 自发突变：特指在DNA复制过程中，由于 细胞内碱基异构体替代正常结构的碱基掺 入到DNA分子中，引起的复制的错误，或 由于重复序列间的不对称交换形成的突变。
(广义突变)
（狭义突变）
• 突变类型：分为点突变和插入与缺失突变。
5
4.1.1 基因突变的种类
● 按核苷酸取代类型
转换
Py
Py Pu Pu
颠换
Py
Pu
● 按突变对密码子的改变类型
错义突变： DNA突变引起mRNA密码子变为另一个氨基酸密码。 无义突变： DNA突变引起mRNA密码子变为一种终止密码。 同义突变： DNA突变虽引起mRNA密码子变为另一种密码，但
G(k, 顺式 A(a, 顺式
20
c) 碱基异构式引起DNA的错配突变
A(a)
G(k)
A(a)
A/T G/C
T(k)
C(i)
CC((ai)
A(a, 反式) T(k, 反式)
A (a, 反式) G (k, 顺式)
C (a, 反式) G (k, 反顺式)
A/T G/C
d) 增变基因
“被冤枉的基因”
野生型 突变型
8
4.1.3 拷贝数变异
• 拷贝数变异 人类或其他哺乳类基因组中，不同大小的DNA片段
拷贝数突变，这些拷贝的删除、插入、复制和复合多位 点的变异，统称拷贝数变异。其突变率高于SNP。
• 拷贝数变异可以遗传，引起基因活性变化。例如，吃粮 食的人比吃肉的人Amy1基因拷贝数更多。 α-突触核蛋白基因拷贝数增加2-3倍，导致帕金森综合症。 淀粉样前体蛋白基因拷贝数增加，导致老年性痴呆症。
第4 章 基因组的变异与 DNA损失修复
1
2
4.1 基因组的变异与稳定性维持 （基因突变）
4.2 DNA损伤 4.3 DNA损伤修复的机制
3
4.1. 基因组的变异与稳定性维持
4
4.1.1 基因突变的种类
• 突变：是遗传物质发生了可遗传的改变，而 这种改变可发生在染色体水平和基因水平上。
染色体结构和数目变异(染色体畸变) DNA水平的突变，基因突变（点突变）
由于密码子的简并性，未使编码的氨基酸发生改变。
6
● 点突变效应（单核苷酸突变）
---同义突变 ---错义突变 ---无义突变
GAA(谷氨酸) → GAG(谷氨酸)
GAA(谷氨酸) → AAA(赖氨酸
)
GAA(谷氨酸) → TAA(stop)
● 插入或缺失不等于3的倍数的核苷酸，引起 读码框架的改变。叫移码突变。
14
1. 碱基异构式引起DNA复制过程的错误
a) 碱基异构式
A6 (氨式) (amino)
G6 (酮式) (keto)
A (亚氨式) (imino)
C4 (a)
G (烯醇式) G (k) (enol)
C (i) G (e 和 i)
T4 (k)
T (e 5 2 16
G嘌呤环
561 4 32
A嘌呤环
561 4 32
16
A(氨式) C(氨式) G(酮式) T(酮式)
A(亚氨式) C(亚氨式)
G(烯醇式)
G(烯醇式 和亚氨式)
T(4’烯醇式)
T(2’烯醇式)
17
b) 碱基异构式引起DNA复制的错配
18
碱基异构式引起DNA复制的错配
A(i)反式=A（a）顺式
G(e,i)反式=G（k）顺式