第三章DNA的损伤、修复及突变

4）．细胞正常代谢产物对DNA的损伤 在所有需氧细胞中，细胞呼吸作用产生 的副产物超氧阴离子（O2- ）和H2O2 非常活 跃，由于这些超氧化物、氢过氧化物及羟 基自由基（· OH）等活性氧的存在，导致 DNA在正常条件下发生氧化损伤。这些自由 基可在许多位点上攻击DNA，产生一系列特 性变化了的氧化产物， 8-氧化鸟嘌呤，2氧化腺嘌呤和5-羟甲基尿嘧啶。
根据点突变发生的性质和部位的不同，可进一步将 其化分为以下几种类型： 1）、同义突变（consense mutation）：也称沉寂或沉默突 变（silent mutation）。由于遗传密码具有简并性，即同一 氨基酸可由两种或两种以上密码子编码，而且同义密码间通 常只有第3位碱基不同。如果点突变发生在第3位碱基位置， 那么它就不会影响掺进蛋白质中的氨基酸 同义突变不会造成蛋白质一级结构的变化，但可形成基 因多态性。 如果突变发生在DNA的非编码区或非调节区，则该突变也 将是沉默突变
2）．碱基的脱氨基作用 碱基中的胞嘧啶（C）、腺嘌呤（A）和 鸟嘌呤（G）都含有环外氨基，氨基有时 会自发脱落，从而使胞嘧啶变为尿嘧啶 （U），腺嘌呤变为次黄嘌呤（I）, 鸟嘌 呤变为黄嘌呤（X）。 这些脱氨基产物的配对性质与原来的 碱基不同，即U与A配对，I和X均与C配对。 而且DNA复制时，它们将会在子链中产生 错误而导致DNA损伤。
（三）、突变的意义
基因突变的效应是多种多样的。人们一般容易 误认为突变对生命都具有危害作用。其实就其后果 而言，突变在生物界普遍存在是有其积极意义的。 1、突变是进化的分子基础 从生物进化史看，进化过程是突变不断发生所 造成的，突变为进化提供了最根本、最原始的材料， 没有突变就不可能有现今五彩缤纷的生物世界。 动植物及微生物中很多单位性状内的差别，都 来自该生物进化过程中的基因突变。
(2)烷基化剂：这是一类带有活性烷基 的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起 碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近 碱基的交联。 (3)DNA加合剂：如苯并芘，在体内代谢 后生成四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起 损伤。 (4)碱基类似物：如5-FU，6-MP等，可 掺入到DNA分子中引起损伤或突变。 (5)断链剂：如过氧化物，含巯基化合 物等，可引起DNA链的断裂。
3）、无义突变（nonsense mutation）：指基 因编码序列中碱基置换使氨基酸密码子转变为 终止密码子的突变。 这种突变可导致mRNA的转录及翻译过程提 前终止，产生比原肽链截短并缺失了C末端的 蛋白质产物。 无义突变常对编码蛋白质的活性有严重影 响，容易产生突变体表型。
4）、终止密码子突变（mutation of termination codon）：指基因的终止密码子发生碱基置换转变为 一种氨基酸密码子，致使转录和翻译过程不能正常 终止，结果形成一种比原肽链延长的异常蛋白质的 突变。 5）、起始密码子突变（mutation of initiation codon）：指基因中起始密码子被置换，导致不能正 常转录和翻译，无表达产物的突变。
目前人们最了解和最常见的基因突变主要有以下两类：
1、碱基置换突变
• 指基因中一个或少数几个碱基被替代的突变。最简单 的碱基置换突变是点突变，即DNA序列上单个碱基的改 变。 • 点突变如果是嘌呤与嘌呤之间，嘧啶与嘧啶之间发生 互换，称之为转换（ transition ）； • 如果是嘌呤与嘧啶之间发生互换，称之为颠换 （ transversion） 。
三、 基因突变与生物进化
• 突变是在DNA分子碱基序列水平上所发生 的一种永久性、可遗传的变化，它是与 遗传保守性相对立而又相互统一的自然 现象。 • 生物进化始于基因突变（mutation）， 并通过基因突变的积累和遗传导致生物 种属的演化。
（一）、基因突变的类型 碱基序列发生改变的基因我们称之为突变基因（mutant gene）。 基因没有发生变化而表现正常的生物个体则称为野生型（wild type）。 携带突变基因的生物个体或群体或株系通常称为突变体 （mutant）。 突变及其在机体中的后效也可用基因型（genetype）和表现型 （phenotype）两个术语来表述，前者用于描述突变及其所 处基因；后者用于描述突变在机体中的后果。 由于自然界中突变剂的作用或由于偶然的复制错误而产生的突 变都属于自发突变。由于人们使用突变剂处理生物体而产生 突变则是诱变
3.断裂链的重接： DNA断裂形成的缺口，可以在DNA连接酶 的催化下，直接进行连接而封闭缺口。 4.烷基转移修复 在转甲基酶的催化下，将DNA上的被修饰 的甲基去除。此时，转甲基酶自身被甲 基化而失活。
（二）切除修复(excision repairing)： • 这也是一种广泛存在的修复机制，可适 用于多种DNA损伤的修复。该修复机制可 以分别由两种不同的酶来发动，一种是 核酸内切酶，另一种是DNA糖苷酶。
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（五）．SOS修复： 这是一种在DNA分子受到较大范围损伤 并且使复制受到抑制时出现的修复机制， 以SOS借喻细胞处于危急状态。 DNA分子受到长片段高密度损伤，使DNA 复制过程在损伤部位受到抑制。 损伤诱导一种特异性较低的新的DNA聚 合酶，以及重组酶等的产生。 由这些特异性较低的酶继续催化损伤部 位DNA的复制，复制完成后，保留许多错 误的碱基，从而造成突变。
• 一种广泛存在的修复作用。光复活 能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。 • 其修复过程为：光复活酶（photolyase)识别嘧啶二聚体并与之结合 形成复合物→在300～600nm可见光 照射下，酶获得能量，将嘧啶二聚 体的丁酰环打开，使之完全修复→ 光复活酶从DNA上解离。
2．直接插入嘌呤
• 当DNA链上的嘌呤碱基受到损伤时，常会被糖 基化酶水解脱落生成无嘌呤位点（apurinic site, AP位点）。 • 一种酶能对这种损伤进行直接修复，这种酶被 称为DNA嘌呤插入酶。此酶首先与无嘌呤位点 相结合，并在K ＋ 存在下催化游离的嘌呤碱基 或脱氧核苷与DNA无嘌呤部位形成糖苷键。 • 插入酶所插入的碱基具有高度的专一性，例如， 在双链DNA中与C相对应的AP位点上，插入酶只 催化G插入，而在与T相对应的AP位点上，插入 酶只催化A 插入。
特异性的核酸内切酶识别 DNA 的损伤部位，并在该部位的 5' 端作一切口
DNA 糖苷酶识别受损伤的 碱基，并将该碱基切除
由核酸外切酶（或 DNA 聚合 酶Ⅰ）从 5'→3'端逐一切除损 伤的单链片段
在插入酶的催化下，以正确 的碱基插入空位，修复 DNA
在 DNA 聚合酶的催化下，以 互补链为模板，合成新的单链 片段以填补缺口
• 上述大部分发生在基因编码序列中的点 突变，可引起蛋白质结构改变，但一般 不影响基因的表达，少数情况下可伴有 基因表达水平的降低。 • 基因的非编码序列也可发生碱基置换突 变，如启动子、增强子、内含子等区域 内的突变，均可影响基因表达及表达调 控。
2、缺失和插入突变（deletion and insertion mutation） • 指在DNA编码区内丢失或增加3或3的倍数个核苷酸而 导致的基因突变。这类突变的效应是使基因翻译至 突变处时丢失或增加1个或数个氨基酸，而突变位点 后的氨基酸序列并无改变。 • 如果插入或缺失涉及的核苷酸数目不等于3的倍数， 将会造成突变点后全部密码子阅读框架移位，进而 翻译产生的氨基酸序列与正常蛋白质完全不同，或 者使肽链合成提前终止或延长，产生无正常功能的 异常蛋白质，这种基因突变称为移码突变。 • 移码突变的结果是所翻译出的蛋白质序列从突变点 起至C末端都完全被改变了，若此突变发生在有重要 功能的基因中，常可导致生物个体死亡。
二、DNA损伤的修复
• 生物体内存在多种修复途径，如能纠正复 制错误的尿嘧啶－N－糖基修复酶系统和错 配修复系统，以及能修复环境因素和体内 化学物质造成DNA分子损伤的光复活修复系 统、切除修复系统、重组修复系统和SOS修 复系统等。 • DNA分子的双螺旋结构是其损伤修复的重要 基础。
（一）直接修复： 1．光复活： （light repairing）：
2．物理因素：
• 由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。 其中，X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂， 而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT， TC，CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了 共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障 碍。
3．化学因素： (1)脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可 加速C脱氨基生成U，A脱氨基生成I。
由于甲基化DNA成为识别模板链和新合成链的基 础，且错配修复发生在GATC的邻近处，故这种 修复也称为甲基指导的错配修复（methyldirected mismatch repair）。
（四）．重组修复 (recombination repairing)： • 这 是 DNA 的 复 制 过程中所采用的 一种有差错的修 复方式。
3）．碱基的互变异构 DNA中的四个碱基都可能自发地使氢 原子改变位置而产生互变异构体，从而 使碱基的配对形式发生改变。如腺嘌呤 的稀有互变异构体与胞嘧啶配对，胸腺 嘧啶的稀有互变异构体与鸟嘌呤配对。 当DNA复制时，如果模板链上存在着 这样形式的互变异构体，在子链上就可 以产生错误，造成DNA损伤。
一、DNA的损伤
• 由自发的或环境的因素引起DNA一级结构 的任何异常的改变称为DNA的损伤。 • 常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修 饰、交联，链的断裂，重组等。
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（一）引起DNA损伤的因素： 1．自发因素： 1)．脱嘌呤和脱嘧啶 DNA分子通过自发水解经常发生脱嘧 啶和脱嘌呤反应，使嘌呤碱和嘧啶碱从 DNA分子的脱氧核糖-磷酸骨架上脱落下 来。 例如，在腺嘌呤和鸟嘌呤的N- 9及脱 氧核糖C-1′之间的N-糖苷键常发生自发 水解反应而断裂，从而失去嘌呤碱基， 使该嘌呤碱基所编码的遗传信息丢失。
• 大肠杆菌通过对模板链的甲基化来区分新合成的DNA链。 • Dam甲基化酶对DNA模板链的5′- GATC序列中腺嘌呤的N6 位置进行甲基化;复制完成后，在短暂的时间内只有模板 链是甲基化的，而新合成的链是非甲基化的。 • 子代DNA链中的这种暂时半甲基化，可以作为一种链的识 别标志，以区别模板链和新合成的链，从而使存在于 GATC序列附近的复制错配将按亲代链为模板进行修复 • 新合成链也被甲基 化，从而成为全甲基化DNA。一旦两 条链都被甲基化，这种错配修复过程几乎不再发生。
DNA的损伤、修复
基因突变与DNA的损伤与修复
• 作为一种能决定生命状态存在和延续的 生物大分子，DNA在遗传过程中必需保持 高度的精确性和完整性。 • 在DNA复制过程中，仍难免会存在少量未 被校正的差错。 • DNA还会受到各种物理和化学因素的损伤。
1. 生物体演化出能纠正复制错误的“校正” 系统，而且在细胞中形成了多种多样的 DNA修复系统，能对各种DNA的损伤进行 修复，恢复DNA正常的超螺旋结构，以 保持每个世代遗传信息的稳定性。 2. 极少数不能修复的DNA损伤将会导致基 因的突变，其中一部分突变将有利于物 种的进化，而另一部分突变将导致细胞 发生变异和死亡。
2）、错义突变（missense mutation）：基因编码序列中碱 基的置换如果发生在密码子的第1或第2位碱基上，导致某密 码子改变，并编码另一种氨基酸，则是错义突变。 错义突变有可导致蛋白质结构与功能的变化，也可能仅 有蛋白质结构的变化，而对其功能影响甚微。因为大多数蛋 白质可以耐受其氨基酸序列中某些非活性必需氨基酸的改变. 如果蛋白质结构或功能活性的关键部位发生了氨基酸的 改变，则极有可能产生突变体或造成致死性后果。
由 DNA 连接酶催化连接片段， 封闭缺口
（三）、错配修复
• DNA复制是一个高保真过程，但其正确性毕竟不 是绝对的，复制产物中仍会存在少数未被校出的 错配碱基。 • 错配中的错配碱基存在于新合成的子代链中，错 配修复是按模板的遗传信息来修复错配碱基的。 • 修复系统必须有一种能在复制叉通过之后识别模 板链与新合成 DNA链的机制，以保证只从新合成 的DNA链中去除错配碱基。