化学生物学 化学物质与核酸的相互作用

三、剪切作用
第三节
小分子化合物与
RNA的相互作用
RNA可成为新型小分子药物的作用靶点
一、RNA药靶的优越性
1．RNA种类多样性 2．RNA结构的多样性 ①在RNA分子中，并不遵守DNA 中碱基种类的数量比例关系，即 分子中的嘌呤碱基总数不一定等 于嘧啶碱基的总数。 ②RNA分子中，部分区域也能形 成双螺旋结构，不能形成双螺旋 的部分，则形成突环。 ③RNA还可以形成更复杂的三级 结构。 ④尽管转录于同一DNA，翻译相 同的蛋白质，不同的转录子形式 有不同的序列和独特的RNA三级结 构形状。
四、基因突变的应用
1.人工诱变的方法： 用射线（如紫外线、X射线、激光等）照射或致突 变物质处理生物的敏感部位（植物的萌发种子、动物 的生殖腺等）。
例⑴：我国科技人员用60CO 产生的射线照射水稻萌发的种子， 培育出优质高产、抗病虫害强的 新品种。
例⑵：1945年爱尔兰科学家费来明发现青 霉素以来，世界各地科学家用紫外线照射的方 法处理青霉，将青霉素的产量提高了几千倍， 价格下降到原来的几万分之一。
• 丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和α氨基丫啶等，以及一系列称为ICR类的化合物， 都是移码突变的有效诱变剂。
引起移码突变的诱变剂：主要是吖啶类染料，如吖啶 黄、吖啶橙等等。 这类化合物都是平面型的三环分子，它们的结构与一 个嘌呤—嘧啶对十分相似。
图 能诱发移码突变的几种代表性化合物
吖啶类化合物的诱变机制： • 至今还不很清楚。 • 有人认为，由于它们是一种平面型三环分子， 结构与一个嘌呤–嘧啶对十分相似，故能嵌入 两个相邻DNA碱基对之间，造成双螺旋的部分 解开（两个碱基对原来相距0.34nm，当嵌入一 个丫啶分子时，就变成0.68nm），从而在DNA 复制过程中，会使链上增添或缺失一个碱基， 结果就引起了移码突变。
二、非共价结合
大多数Leabharlann Baidu癌药物与DNA的作用都是非共价结合
典型沟区结合的药物分子
典型沟区结合的药物分子
嵌插结合
（1）经典的嵌插结合 药物分子通过 嵌入DNA令
DNA构象发
生改变，使其 不能或不易复 制，而显现出 抗肿瘤、抗病 毒的活性。
（2）双嵌插
将两个嵌插环通过不同长度的链共价连接起来
（3）带有多个大取代基的嵌插剂
灯笼形，特大果
平均单果重250克左右， 最大果可达720克 露地栽培 亩产5000公斤左右 大棚栽培 产量可达8000公斤
五、化学致癌物质以其作用机制
直接作用于RNA、DNA、蛋白质等 烷化剂、亚硝胺物质
直接致癌物 间接致癌物
需经代谢活化才与大分子化合物结合 多环芳烃类、亚硝胺类、芳香胺
促癌物
本身不致癌，但与致癌物同时作用时，能明 显地强化致癌 巴豆油、丙酮、酚、氧化铁粉尘
大量的事实告诉我们，生物是能够 发生变异的。这些变异有的能够遗传给 后代，有的却不能！
可遗传的变异
不遗传的变异
变异的概念：生物的后代出现与亲本不 同的性状（也包括后代个体间的差异）
一、基因突变的类型
基因突变： 由DNA碱基顺序的改变引起生物遗传性状显著变化的现 象，是基因的核苷酸顺序或数目发生改变。 单个碱基改变 多个碱基改变 点突变（point mutation） 缺失、重复和插入
（a）新霉素B；（b）2, 4-氨基喹唑啉；（c）喹唑啉-2, 3-二酮； （d）吖啶衍生物CGP40336A
2．与rRNA作用 的小分子化合物
核糖霉素、巴 龙霉素和利维 霉素可与原核 rRNA的A位点 亚结构域形成 特定的复合物 ；而安普霉素 对原核亚结构 域的强结合依 赖于1408位点
RNA具有高亲和性和特异性的靶点，小分子化合物可以作为基因研究的工具
若干诱变剂的作用机制及诱变功能
诱变因素 碱基类似物 羟 胺 亚硝酸 烷化剂 在DNA上的初级效应 掺入作用 与胞嘧啶起反应 A、G、C的氧化脱氨作用 交 联 烷化碱基（主要是G） 烷化磷酸基团 丧失烷化的嘌呤 糖-磷酸骨架的断裂 碱基之间的相互作用（双链变形） 形成嘧啶的水合物 形成嘧啶的二聚体 交 联 碱基的羟基化核降解 DNA降解 糖-磷酸骨架的断裂 丧失嘌呤 C脱氨基 结合到一个基因中间 遗传效应 AT=GC双向转换 GC→AT的转换 AT=GC双向转换 缺失 AT=GC双向转换 AT→TA的颠换 GC→CG的颠换 巨大损伤（缺失、重复、倒位、易位） 码组移动（＋或－） GC→AT转换 码组移动（＋或－） AT=GC双向转换 码组移动（＋或－） 巨大损伤（缺失、重复、倒位、易位） CG→TA转换 码组移动
的类似物 ，酮式的5-BU可以和A配对，烯醇式的5-BU
可以和G配对，在DNA分子复制的过程中，由于5-BU的 插入和互变异构导致碱基置换。
5-BU引起的转换
5-BU引起的转换
• 从上图中，还可以看到5-BU的掺入引起的G┇C 回复到A‫׃‬T的过程。通过这两个图示，就很容易理 解为什么同一种诱变剂既可造成正向突变，又可 使它产生回复突变的原因了。 • 也可以知道，为什么像5-BU这类代谢类似物只有 对正在进行新陈代谢和繁殖着的微生物才起作用 ，而对休止细胞、游离的噬菌体粒子或离体的 DNA分子却不起作用。
碱基置换
基因突变的类型 移码 大段损伤
（1）碱基臵换（substitution）
• 它只涉及一对碱基被另一对碱基所臵换。 • 分类：转换（transition），即DNA链中的一个嘌呤被另一 个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所臵换； 颠换（transversion），即一个嘌呤被一个嘧啶,或 是一个嘧啶被一个嘌呤所臵换。 对某一具体诱变剂来 说，即可同时引起转 换与颠换，也可只具 其中的一种功能。根 据化学诱变剂是直接 还是间接地引起臵换， 可把臵换的机制分成 以下两类来讨论。
第八章
化学物质与核酸的相互作用
化学物质
核酸
抗肿瘤药物的母体
破坏模板作用 癌变的预警标示物 核酸链断裂
影响基因调控和表达功能
第一节 化学物质的致突变作用
一切生物的变异和进化都可以认为是由于DNA结构的 改变而引起蛋白质组成和性质变化的结果
整郝 容璐 前璐
整郝 容璐 后璐
呵呵，奇怪，这一株 水稻结出的稻谷好大 拿它作种子明年肯定 大丰收!!!!!!!
优点②：可以大幅度改良某些经济性状。
如青霉素的生产，从1945年到1965年20年时间就 将单位产量提高了几十万倍。
优点③：可以产生原来没有的新品种甚至 新种。
3.人工诱变的缺点：
缺点①：基因突变是不定向的，生物发生 的变异绝大多数是不利变异，因此必须处理大 量材料形成大量变异个体再从中选择发生有利 变异的个体。 缺点②：变异的个体是杂合体，并且常常 是一个个体中既发生了有利变异又发生了不利 变异，必须通过杂交方法将有利变异组合到同 一个体中来。 缺点③：诱变的各种因素是致癌因素，如 有泄漏将造成人体伤害或环境污染。
★间接引起臵换的诱变剂
这类诱变剂主要是一些碱基类似物 ,如：5-溴尿嘧
啶(5-BU)和5-氨基尿嘧啶（5—AU）、叠氮胸腺嘧啶（ AIT）等等； 作用方式：通过活细胞的代谢活动参入到DNA分子中， 主要是在DNA复制时碱基类似物插入DNA中，引起碱基 对配对错误，造成碱基置换。 以5-溴尿嘧啶(5-BU)为例： 5-BU是胸腺嘧啶（T）的
镰刀型贫血
异常
缬氨酸
GUA CAT GTA
GAA
CTT GAA
基因突变的实例：
正常绵羊有时生下 短腿“安康羊” 蓝 紫 色
红 花
三、基因突变的原因
⑴物理因素：主要是各种射线。如：紫外线、 Ｘ射线、α射线、γ射线等。
⑵化学因素：主要是各种能与DNA发生化学反应 的化学物质。如烟碱、秋水仙素、黄曲霉毒素、 硫酸二乙酯等。 ⑶生物因素：主要是某些寄生在细胞内的病毒。
（2）移码突变
• frame-shift mutation 或 phase-shift mutation ，指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一 个或少数几个核苷酸，从而使该部位后面的全部 遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。 • 由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株（ frame-shift mutant）。与染色体畸变相比，移 码突变也只能算是DNA分子的微小损伤。
第四节
核酸的小分子探针
一、分光光度法
1．测糖法 （1）二苯胺法
在强酸性条件下，水解后的DNA能与二苯胺反应，并有蓝色 产物生成，其最大吸收波长位于600mn处，由此可以测得样品 中核酸的含量，测定DNA的范围为25~250μg/ml。
优点：与UV法相比，该方法更准确，灵敏度更高， 并且可以测定混合物。 缺点：方法冗长（需16~20h），条件苛刻， 在测定过程中容易造成样品的损失。
（2）硫代巴比妥酸 在硫酸中水解DNA，加入高碘酸和硫代巴比妥酸，则有粉红色反应 物生成，λmax位于532nm处，可用于DNA的测定。 优点：RNA和蛋白质不干扰测定 （3）地衣酚法 RNA经热酸水解和转化之后，与地衣酚（5-甲基-1,3-苯二酚）在 浓HCL及Cu2＋或FeCl3存在下反应，溶液呈绿色，λmax位于 670nm处。在一定范围内，吸收强度与RNA的浓度成正比，用于 测定RNA及其衍生物，灵敏度为0.015μmol/L。
紫外线照
射处理
例⑶：1987年，我国科学家将普通青椒种 子搭载在人造卫星上使之接受宇宙射线照射发 生基因突变，培育出产量特高，质量特别好的 “太空椒”。
2.人工诱变的优点： 优点①：大幅度提高变异频率，使变异性 状较快稳定，缩短育种周期。
自然突变由于变异频率很低，产生的极少量变异 个体混杂于大量未变异个体中，难以被发现并选出来 进行培育。而人工诱变可以产生大量的变异个体，容 易发现发生有利变异的个体并将其从中选择出来。如 我国近年每年都有许多优质高产的农作物新品种出现， 其中大多数都经过了人工诱变处理。
★直接引起臵换的诱变剂 • 定义：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂 ，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。 • 种类：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二 乙酯，甲基磺酸乙酯，N-甲基-N’硝基-N-亚硝基胍，N-甲 基-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。 • 作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而 引起DNA复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发 生变异。 – 羟胺只引起G┇C→A : T， – 其余都是可使G┇C=A : T发生互变的。 – 能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有（参 见下表）。
二、作用于RNA的小分子药物
两大类： 一类是传染性疾病——新型抗菌和抗病毒药物研制； 另一类是非传染性疾病——包括抗癌和抗炎症药物研制。 1．与HIV TAR RNA作用的小分子化合物
反式激活（TAR） HIV 1基因表达是由一类病毒编码的蛋白调控的，其中包括一 种转录的反式激活子Tat。当基因表达的Tat水平增高时，病毒 的复制才能够进行。这是通过RNA聚合酶Ⅱ转录复合物延长的 增加而达到的，也叫做反式激活（TAR）。 反式激活依赖于Tat蛋白和一个RNA序列特异区（TAR RNA） 的相互结合。
有机致癌物
多环芳烃类、芳香胺类、 偶氮类、烷化剂类、 亚硝胺类及亚硝酰胺类、
内酯类、性激素、霉菌素
多环芳烃、亚硝胺及 霉菌毒素是环境中三 类最普遍最重要的致 癌物
第二节 小分子药物与DNA的相互作用
一、共价结合
1．氮丙啶类抗生素 丝裂霉素C
2．氨茴霉素、茅屋霉素等抗生素 3．螺旋丙烷类抗生素
吖啶类 紫外线
电离辐射
加热 Mu噬菌体
碱基转换的分子机制——以亚硝酸为例
亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。
HNO2
胞嘧啶（C） 腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G）
尿嘧啶（U） 次黄嘌呤（H） 黄嘌呤（X）
HNO2
HNO2
这些反应及形成物均可在DNA复制中产生影响， 主要是使碱基对发生转换。
亚硝酸引起的AT-GC转换细节
吖啶类化合物诱发的移码突变及其回复突变图示：
基因突变的特点 ①普遍性 ②随机性
③稀有性 ④有害性
⑤不定向性
二、实例——镰刀型细胞贫血症
正 常 人 的 红 细 胞
镰刀型贫血症患 者 的 红 细 胞
讨论：镰刀型细胞贫血症的发病原因是什么？
基因突变的实例——镰刀型细胞贫血症
临床表现
血红蛋白 β─6(N端) mRNA β基因 (DNA上) 正常表现 正常 谷氨酸