第6章 DNA的损伤、修复和基因突变

Mut S能识别DNA的错配位点,并导致其本身 和与链结合的变化
问题 1 How does the E. coli mismatch repair system know which of the two mismatched nucleotide to replace?
The newly synthesized strand is not methylated by Dam methylase in a few minutes after the synthesis.
CATCCACCTGTACCA GTAGGTGGACATGGT
transition (T-A to C-G)
normal sequence
transversion (T-A to G-C)
CATGCACCTGTACCA GTACGTGGACATGGT
base pair substitutions 转换 transition: pyrimidine to pyrimidine, purine to purine 颠换 transversion: pyrimidine to purine
1.切除修复系统
(1)单碱基切除修复
（1）特异性的酶识别损伤部位 （2）DNA糖苷酶切除并释放碱基 （3）DNA聚合酶和连接酶修复损伤。
Fail-safe systems (最后保险系统)
A glycosylase recognizes the mispair and removes A. A fail-safe glycosylase also removes T from T:G mispairs, as if it knows how T is produced.
•Molecular Biology Course
第十章 DNA的损伤、修复和基因突变
2005.9 《Cell》 122卷第5期
DNA Mismatch and Repair
主要内容· 重点· 难点

DNA的损伤: 基本概念、引起损伤的因素、损伤机理
DNA修复： 概念与原理、几种修复系统（切除、错配、直接、 重组、SOS） 基因突变： 突变类型、诱变剂作用与检测、突变的生物学功能
(2)核苷酸片段切除修复
3’第5个磷酸二脂键 5’第8个磷酸二脂键
切除酶
切除修复过程总结
2.错配修复系统
MutS is a dimer. One monomer interacts with the mismatch specifically, and the other nonspecifically.
Mutation caused by tautomer of cytosine
Cytosine
Guanine Normal tautomeric form
Cytosine Adenine Rare imino tautomeric form
• cytosine mispairs with adenine resulting in a transition mutation
自发突变——自然条件下发生的突变 能提高突变率的物理或化学因子——诱变剂 （1）碱基类似物——5-BU、2-AP

（2）碱基修饰剂——亚硝酸、羟胺、烷化剂等
Chemical mutagens
Deamination by nitrous acid
Derivation by hydroxylamine (羟胺）

SOS修复是指DNA受到严重损伤、细胞处于危急 状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只 是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率， 但留下的错误较多，故又称为易错修复，使细胞 有较高的突变率。
当DNA两条链的损伤邻近时，损伤不能被切除修 复或重组修复，DNA聚合酶I具有3‘外切核酸酶活 性，使损伤处的DNA链空缺。


4.基因突变的后果

生物功能的丧失；
引起多种酶缺失； 产生功能获得性显性表现型； 体细胞的突变频率是10-7——10-5。



(2)辐射使DNA存在环境中的其它成分（水）积 聚能量，活性氧引起DNA变化——间接效应
氧化损伤
3. 化学因素引起的DNA损伤
(1)烷化剂对DNA损伤 将烷基加到DNA的碱基上去(亲核位点,N O)
(2)碱基类似物对DNA的损伤

5-溴尿嘧啶(5-BU)
DNA的修复



缺除修复：切除受损的碱基或DNA片段。 错配修复：利用细胞错配修复系统修复。 直接修复：把损伤的碱基回复到原来状态。 重组修复：对复制时尚未修复的DNA损伤 部位进行先复制再修复。 易错修复：SOS反应能诱导允许错配的复 制，属于易错修复,出现高突变率。
(2)碱基的脱氨作用
A、G、C分子中的环外氨基自发脱落，使 C ￫U、A ￫I(次黄嘌呤)、G ￫X(黄嘌呤)，DNA 复制时子链产生错误而损伤。

A￫I------C—G 使AT变成GC C ￫U----A—T 使GC 变成AT G ￫X----C 无变化 羟胺、亚硫酸盐（ C ￫U ）——体外诱变剂
3.直接修复系统
(1)光复活作用
(2)甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（MGMT）
DNA链烷基化损伤 MGMT失活
成为MGMT基因转录激活物
4.重组修复
重组修复的主要步骤有： 1．复制 含有TT或其他结构损伤的DNA仍然可以正常的进行复 制，但当复制到损伤部位时，子代DNA链中与损伤部位相 对应的位置出现切口，新合成的子链比未损伤的DNA链要 短。 2．重组 完整的母链与有缺口的子链重组，缺口由母链来的核苷 酸片段弥补。 3．再合成 重组后母链中的缺口通过DNA多聚酶的作用合成核酸 片段，然后由连接酶将新片段与旧链连接，至此重组修复 完成。


SOS诱导DNA聚合酶IV和V，不具备校对功能， 催化空缺部位DNA的合成，补上去的核苷酸几乎 是随机的，仍然终于保持了DNA双链的完整性， 使细胞得以生存。但这种修复带给细胞很高的突 变率。
SOS repair
修复的结果
1DNA损伤的修复
2 导致修复
基因突变

可遗传变异的基础：染色体畸变、基因突 变和遗传重组 基因内的遗传物质发生可遗传的结构和数 量的变化——基因突变

同义突变—无声突变—中性突变 CTA——CTG——天冬氨酸 错义突变 UUC（Phe）——UUA（Leu） 无义突变 TAC（Tyr）——TAA



错位突变
缺失突变 渗漏突变 回复突变



Types of base pair mutations
CATTCACCTGTACCA GTAAGTGGACATGGT
UV损伤 三、
DNA跨损伤修复酶ζ
真核生物体内 polζ 跨损伤修复示意图
重组修复的酶系统
1重组 2修复 重组基因RecA编码一种 重组蛋白RecA蛋白， MW=38000具有交换 DNA链的活性 基因RecBCD编码多功能 酶具有解旋酶，核酸酶 和ATP酶的活性。
5.易错修复——SOS 反应
带有突变基因的细胞或个体——突变体


1.基因突变的类型

点突变—DNA错配碱基在复制后被固定下 来，原来的一对碱基被另一对碱基取代。 转换—两种嘧叮或两种嘌呤间的互换。 颠换：嘧叮与嘌呤或嘌呤与嘧叮间互换。


转换
颠换
插入突变——基因的序列中插入了一对碱基或一 段外来DNA导致的突变。 （1）拷贝移位：先复制再插入另一位点； （2）非拷贝移位：序列直接移动。
CATCACCTGTACCA GTAGTGGACATGGT
deletion
CATGTCACCTGTACCA GTACAGTGGACATGGT
insertion
deletions and insertions can involve one or more base pairs
2.突变的原因与诱变剂的作用
“OH•”
hydroxyl
(5)碱基丢失: 在生理条件下DNA分子自发性水解,使碱基 从磷酸脱氧核糖骨架上脱落。
2. 物理因素引起的DNA损伤

UV照射——引起DNA形成嘧叮二聚体（TT、 CC、TC）。

电离辐射——分直接效应和间接效应。
(1)辐射使DNA分子直接积聚能量，改变理化性 质——直接效应
GATC序列
问题 2 Which exonucleases are used to remove ssDNA between the nick created by MutH and the mismatch?
Eukaryotic cells also repair mismatches and do so using homologs to MutS (MSH) and MutL (MLH). 李国民博士是利用纯化后的人源蛋白在体外对5’方 向存在缺口的错配DNA进行了修复。将真核系统错 配修复系统中MutLα 的作用机理进行了进一步的阐 明。
嵌入染料
扁平的稠环分子插入到DNA分子碱基对间， 占据一对碱基位置，造成错位突变。
溴乙非啶
二氨基吖啶/原黄素
吖啶, 氮蒽

紫外线和电离辐射：紫外线使形成嘧叮二 聚体；电离辐射使DNA断裂。
3.检测诱变剂——Ames试验

鼠伤寒沙门氏杆菌——组氨酸营养缺陷株
无组氨酸培养基+诱变剂+缺陷株——发生 回复突变而长出菌落——菌落多少判断诱 变力的大小。 能引起细菌SOS反应的化合物一般对Baidu Nhomakorabea等动 物都是致癌的。


指DNA损伤时，应急而诱导产生的修复作 用，称为SOS修复。 在正常情况下，修复蛋白的合成是处于低 水平状态的，这是由于它们的mRNA合成受 到阻遏蛋白LexA的抑制。 当DNA受到严重损伤时，recA以其蛋白酶 的功能水解破坏LexA，从而诱导了十几种 SOS基因的活化，促进了此十几种修复蛋白 的合成。
Tautomeric forms of the DNA bases
Guanine
Thymine
KETO form 酮式
ENOL form烯醇式
Tautomeric forms of the DNA bases
异构体
Adenine
Cytosine
AMINO form 氨基型
IMINO form亚氨基型


DNA损伤
DNA损伤是生物体生命过程中的DNA双链结 构发生的任何改变。 （1）单个碱基的改变——序列改变 （2）双链结构的异常扭曲——影响复制和转录

损伤原因 （1）复制过程中发生自发性损伤 （2）细胞内各种代谢物导致 （3）外界物理、化学因素引起

1.DNA分子自发性损伤
(1) 互变异构移位：碱基发生“酮式—烯醇式” 或“氨基—亚氨基”结构互变时，使碱基 配对发生改变，复制子链上可能出错。
能与A结合
cytosine
Alkylation by dimethyl sulfate causes depurination
The formation of a quarternary nitrogen destabilizes the deoxyriboside bond and the base is released from deoxyribose
(3)DNA聚合酶的“打滑”

DNA复制时模板或新生链常发生碱基的环出 (looping out)——DNA聚合酶的“打滑 （slippage）”引起一个或数个碱基的插入或缺 失。
(4)活性氧引起的突变: 细胞内的活性氧使嘌呤和嘧啶分子发生氧化 损伤。
“O2-” “H2O2” hyperoxide Peroxide