DNA损伤,修复与重组
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┬┬┬─┬┬─┬┬┬
━→ A T G ▋C T ▋A C G
TACXGA YTGC ┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴
DNA损伤,修复与重组
碱基类似物 ─→错配 ─→复制 ─→突变
5-BrU or 5-BrdU 更高比例的烯醇式，与G配对； 8-oxo-dGTP 更多地与 A配对
H
A
N–H
H―O
8-oxo-dGTP
DNA损伤,修复与重组
第二节 DNA 损伤
2.1 DNA损伤 ❖ DNA损伤是指DNA正常理化结构的改变。 ❖ DNA损伤可因碱基杂环和环外功能基化学活性而引起
诱变剂→碱基的―┬→不配对或错配→直接或间接突变发生 理化损伤 └→物理扭曲→复制中断→细胞死亡
❖ 直接作用：指诱变剂直接与DNA反应所引起的损伤；
第六章 DNA损伤,修复,突变与重组
1 基因突变 2 DNA 损伤与 3 DNA 损伤的修复 4 DNA重组
DNA损伤,修复与重组
第一节 基因突变
突变的概念的提出：
❖ 德弗里斯 — 突变论
1888 用一种红杆月见草，与 常规品种杂交，选育出4个稳 定的新品种：小月见草、晚月 见草、红斑月见草和巨形月见 草。把生物中出现的突然的、 明显的性状变异称为突变。
└ 无义突变：产生新的终止密码→多肽链合成 提前终止
◆ 移码突变┬碱基删除→读码框前移┬删除或插入点→肽段 └碱基插加→读码框后移┘后的密码改变 的变化 ↓ 突变蛋白质 ↓ 变异
◆无表型效应的基因突变的累积与可导致DNA多态性产生。
◆复制的忠实性原因： 半保留复制； 校正机制(DNA pol I、DNA polε)； 修复机制。
DNA损伤,修复与重组
烷化作用
烷化剂 → 碱基烷化 ┬→ 干扰DNA解旋 → 致死 └→ 复制异常 → 直接或间接诱变
DNA损伤,修复与重组
大加合物 :
大加合物 ↓ ↓
与碱基共价结合 ↓ ↓ຫໍສະໝຸດ 大块损伤 ↓ ↓DNA 复制阻断 ↓ ↓
突变或细胞死亡
DNA损伤,修复与重组
第三节 DNA 损伤的修复
生物体保持复制忠实性的机制：
是基因的本质变化，与原来的基因形成等位性关系。
DNA损伤,修复与重组
1.1 突变概述
·突变是DNA分子上可遗传的永久性的序列变化。
突变─→转录、翻译─→氨基酸变化─→突变蛋白质
└→调控区序列变化─→基因上 (下)调表达 ┥ ↓
性状变异
·突变的分子基础：DNA复制过程中自发(偶然)错误渗入；
减数分裂中不对称重组 ─→ 移码突变； DNA损伤 ─→ 配对错误 ─→ 复制错误。
碱基类似物 ─→改变碱基配对特性 ─→配对错误
OH
Br
OH
N
N
H
O
5BrdU
HH
Hypoxanthine
亚硝酸 ─→脱氨 ─→转换
NH3
━━→
HH
DNA损伤,修复与重组
OH HH
烷化剂 ─→ 复制中断
7-Methylguanine
3-Methyladenine
O6-Methylguanine
嵌入剂（如EB）─→ 插入/ 删除 ─→移码突变
认为物种起源是通过性状变 异的跳跃式“突变”来实现的。
DNA损伤,修复与重组
DNA损伤,修复与重组
突变的概念的提出：
❖ 摩尔根 — 基因论 1910年5月，在摩尔根的 实验室中诞生了一只白眼 雄果蝇。把它带回实验室 与另一只红眼雌果蝇进行 交配，在下一代果蝇中产生了全是红眼的果蝇，共 是1240只，但其自交后代中不断出现白眼果蝇。 1927年，摩尔根的学生Muller用X射线处理红眼果 蝇，也得到了个别白眼果蝇。因此认为，所谓突变，
❖ 间接作用：指诱变剂与水分子等反应产生自由基，而 自由基再与DNA反应引起损伤。
H2O ←→ H• + OH•
2 OH• ―→ H2O2 H2O2 ←→ H2O + O•
O2 + O• ―→ O3•
DNA损伤,修复与重组
2.2 损伤的类型
氧化损伤:
H2O2, ROS，-OH·→攻击DNA → 碱基氧化 → 配对错误 → 点突变
❖ 半保留复制（A－T，G－C）； ❖ 校正 (DNA polI or polε) ； ❖ 修复（直接修复和间接修复）
修复的机制：
❖ 光复活(可见光下)：光复活酶吸收可见光能量断开嘧啶二体 的环丁基环，无错修复。
❖ 烷基转移酶：该酶能识别烷化碱基，将烷基转移至酶蛋白上， 使损伤碱基复原，但酶本身失活。也是一种无错修复。
·碱基变化的方式：点突变 ─→ 转换 (Pu to Pu or Py to Py)
颠换 (Pu to Py or Py to Pu) 移码突变 ─→ 碱基删除
碱基插加
DNA损伤,修复与重组
ATCGAATGC TAGCTTACG
ATCGAATGC TAGCTTACG
ATCGGATGC TAGCTTACG
replication fidelity replication error
meiotic recombination
DNA损伤,修复与重组
碱基替换
转换 C←→T G←→A
移码突变
颠换 A(G)←→T(C) G(A)←→C(T)
5'-AAAGGGCCCTTTGGGCCC…… Phe--Pro--Gly--Lys--Pro--Gly (N')
1.2 诱变
物理诱变剂: 电离辐射 ━━━→ 受照材料失电子或键断裂
(X-ray,γ-ray,β-ray 等)
↓
配对错误或复制中断
↓ 基因突变或致死
非电离辐射 ━→ 外层电子 ━→ 新键形成
(UV、laser ) 激发或跃迁
↓
配对错误
↓
基因突变
━━━━━━━━━━
DNA损伤,修复与重组
化学诱变剂：
插加 5'-AAAGGGCCCTTTCGGGCCC……
Leu--Ala--Arg--Glu--Pro--Gly (N')
删除 5'-AAAGGGCCCTT□GGGCCC…… Leu/Phe--Pro--Gly--Lys--Pro--Gly (N')
DNA损伤,修复与重组
突变的遗传效应：
┌ 静默突变：同义密码→氨基酸不改变 ◆ 碱基替换┼ 错义突变：密码子改变→氨基酸发生变化
DNA损伤,修复与重组
Replication fidelity:
Complementary base pairing (A/T, G/C)
A-T
G-C
Proofreading
DNA损伤,修复与重组
碱基同分异构化(酮式－烯醇式)导致的碱基错配
Br A––5BrdU
5BrdU––G
DNA损伤,修复与重组
━→ A T G ▋C T ▋A C G
TACXGA YTGC ┴┴┴┴┴┴┴┴┴┴
DNA损伤,修复与重组
碱基类似物 ─→错配 ─→复制 ─→突变
5-BrU or 5-BrdU 更高比例的烯醇式，与G配对； 8-oxo-dGTP 更多地与 A配对
H
A
N–H
H―O
8-oxo-dGTP
DNA损伤,修复与重组
第二节 DNA 损伤
2.1 DNA损伤 ❖ DNA损伤是指DNA正常理化结构的改变。 ❖ DNA损伤可因碱基杂环和环外功能基化学活性而引起
诱变剂→碱基的―┬→不配对或错配→直接或间接突变发生 理化损伤 └→物理扭曲→复制中断→细胞死亡
❖ 直接作用：指诱变剂直接与DNA反应所引起的损伤；
第六章 DNA损伤,修复,突变与重组
1 基因突变 2 DNA 损伤与 3 DNA 损伤的修复 4 DNA重组
DNA损伤,修复与重组
第一节 基因突变
突变的概念的提出：
❖ 德弗里斯 — 突变论
1888 用一种红杆月见草，与 常规品种杂交，选育出4个稳 定的新品种：小月见草、晚月 见草、红斑月见草和巨形月见 草。把生物中出现的突然的、 明显的性状变异称为突变。
└ 无义突变：产生新的终止密码→多肽链合成 提前终止
◆ 移码突变┬碱基删除→读码框前移┬删除或插入点→肽段 └碱基插加→读码框后移┘后的密码改变 的变化 ↓ 突变蛋白质 ↓ 变异
◆无表型效应的基因突变的累积与可导致DNA多态性产生。
◆复制的忠实性原因： 半保留复制； 校正机制(DNA pol I、DNA polε)； 修复机制。
DNA损伤,修复与重组
烷化作用
烷化剂 → 碱基烷化 ┬→ 干扰DNA解旋 → 致死 └→ 复制异常 → 直接或间接诱变
DNA损伤,修复与重组
大加合物 :
大加合物 ↓ ↓
与碱基共价结合 ↓ ↓ຫໍສະໝຸດ 大块损伤 ↓ ↓DNA 复制阻断 ↓ ↓
突变或细胞死亡
DNA损伤,修复与重组
第三节 DNA 损伤的修复
生物体保持复制忠实性的机制：
是基因的本质变化，与原来的基因形成等位性关系。
DNA损伤,修复与重组
1.1 突变概述
·突变是DNA分子上可遗传的永久性的序列变化。
突变─→转录、翻译─→氨基酸变化─→突变蛋白质
└→调控区序列变化─→基因上 (下)调表达 ┥ ↓
性状变异
·突变的分子基础：DNA复制过程中自发(偶然)错误渗入；
减数分裂中不对称重组 ─→ 移码突变； DNA损伤 ─→ 配对错误 ─→ 复制错误。
碱基类似物 ─→改变碱基配对特性 ─→配对错误
OH
Br
OH
N
N
H
O
5BrdU
HH
Hypoxanthine
亚硝酸 ─→脱氨 ─→转换
NH3
━━→
HH
DNA损伤,修复与重组
OH HH
烷化剂 ─→ 复制中断
7-Methylguanine
3-Methyladenine
O6-Methylguanine
嵌入剂（如EB）─→ 插入/ 删除 ─→移码突变
认为物种起源是通过性状变 异的跳跃式“突变”来实现的。
DNA损伤,修复与重组
DNA损伤,修复与重组
突变的概念的提出：
❖ 摩尔根 — 基因论 1910年5月，在摩尔根的 实验室中诞生了一只白眼 雄果蝇。把它带回实验室 与另一只红眼雌果蝇进行 交配，在下一代果蝇中产生了全是红眼的果蝇，共 是1240只，但其自交后代中不断出现白眼果蝇。 1927年，摩尔根的学生Muller用X射线处理红眼果 蝇，也得到了个别白眼果蝇。因此认为，所谓突变，
❖ 间接作用：指诱变剂与水分子等反应产生自由基，而 自由基再与DNA反应引起损伤。
H2O ←→ H• + OH•
2 OH• ―→ H2O2 H2O2 ←→ H2O + O•
O2 + O• ―→ O3•
DNA损伤,修复与重组
2.2 损伤的类型
氧化损伤:
H2O2, ROS，-OH·→攻击DNA → 碱基氧化 → 配对错误 → 点突变
❖ 半保留复制（A－T，G－C）； ❖ 校正 (DNA polI or polε) ； ❖ 修复（直接修复和间接修复）
修复的机制：
❖ 光复活(可见光下)：光复活酶吸收可见光能量断开嘧啶二体 的环丁基环，无错修复。
❖ 烷基转移酶：该酶能识别烷化碱基，将烷基转移至酶蛋白上， 使损伤碱基复原，但酶本身失活。也是一种无错修复。
·碱基变化的方式：点突变 ─→ 转换 (Pu to Pu or Py to Py)
颠换 (Pu to Py or Py to Pu) 移码突变 ─→ 碱基删除
碱基插加
DNA损伤,修复与重组
ATCGAATGC TAGCTTACG
ATCGAATGC TAGCTTACG
ATCGGATGC TAGCTTACG
replication fidelity replication error
meiotic recombination
DNA损伤,修复与重组
碱基替换
转换 C←→T G←→A
移码突变
颠换 A(G)←→T(C) G(A)←→C(T)
5'-AAAGGGCCCTTTGGGCCC…… Phe--Pro--Gly--Lys--Pro--Gly (N')
1.2 诱变
物理诱变剂: 电离辐射 ━━━→ 受照材料失电子或键断裂
(X-ray,γ-ray,β-ray 等)
↓
配对错误或复制中断
↓ 基因突变或致死
非电离辐射 ━→ 外层电子 ━→ 新键形成
(UV、laser ) 激发或跃迁
↓
配对错误
↓
基因突变
━━━━━━━━━━
DNA损伤,修复与重组
化学诱变剂：
插加 5'-AAAGGGCCCTTTCGGGCCC……
Leu--Ala--Arg--Glu--Pro--Gly (N')
删除 5'-AAAGGGCCCTT□GGGCCC…… Leu/Phe--Pro--Gly--Lys--Pro--Gly (N')
DNA损伤,修复与重组
突变的遗传效应：
┌ 静默突变：同义密码→氨基酸不改变 ◆ 碱基替换┼ 错义突变：密码子改变→氨基酸发生变化
DNA损伤,修复与重组
Replication fidelity:
Complementary base pairing (A/T, G/C)
A-T
G-C
Proofreading
DNA损伤,修复与重组
碱基同分异构化(酮式－烯醇式)导致的碱基错配
Br A––5BrdU
5BrdU––G
DNA损伤,修复与重组