DNA的损伤与修复

细胞内存在完善的DNA损伤修复系统， 以保障遗传物质的稳定性。不同类型的 DNA损伤，由不同的途径进行修复。根据 修复的机理，DNA损伤的修复一般可分为 直接修复、切除修复、双链断裂修复、易 错修复和重组修复等。
1.点突变
点突变指DNA单位分子上所发生的碱基对改变，也称为简单突变或单一位点突变，其最主要形式为 单位分子上所发生的碱基对改变， 单位分子上所发生的碱基对改变 也称为简单突变或单一位点突变，
碱基对置换，分为转换和颠换两种类型。有时， 碱基对置换，分为转换和颠换两种类型。有时，发生在单个位点上的少数核苷酸缺失或插入也被认 为点突变。 为点突变。 点突变带来的后果取决于其发生
5.2基因的突变 5.2基因的突变
Байду номын сангаас
基因突变是指基因组DNA分子发生的突然的 基因突变是指基因组DNA分子发生的突然的 可遗传的变异。从分子水平上看，基因突变是 可遗传的变异。从分子水平上看，基因突变是 指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的 改变。基因虽然十分稳定，能在细胞分裂时精 确地复制自己，但这种隐定性是相对的。在一 定的条件下基因也可以从原来的存在形式突然 改变成另一种新的存在形式，就是在一个位点 上，突然出现了一个新基因，代替了原有基因， 这个基因叫做突变基因。于是后代的表现中也 就突然的祖先从未有的新性状。
（1）沉默突变：由于遗传密码又兼性，若突变 沉默突变：由于遗传密码又兼性，若突变 的密码子编码同样的氨酸一般对蛋白质的结构和 功能没有影响同义突变因此被称为沉默突变或同 义突变。 （2）错义突变（missense mutation）：碱基对的 错义突变（ mutation）：碱基对的 置换使mRNA的某一个密码子变成编码另一种氨 置换使mRNA的某一个密码子变成编码另一种氨 基酸的密码子的突变称为错义突变。错义突变可 导致机体内某种蛋白质或酶在结构及功能发生异 常，从而引起疾病。如人类正常血红蛋白β 常，从而引起疾病。如人类正常血红蛋白β链的 第六位是谷氨酸，其密码子为GAA或GAG，如 第六位是谷氨酸，其密码子为GAA或GAG，如 果第二个碱基A 果第二个碱基A被U替代，就变成GUA或GUG， 替代，就变成GUA或GUG， 谷氨酸则被缬氨酸所替代，形成异常血红蛋白 HbS，导致个体产生镰形细胞贫血，产生了突变 HbS，导致个体产生镰形细胞贫血，产生了突变 效应
烷化剂（alkylating agent） 能使DNA碱基上的氮原 子烷基化，最常见的是鸟嘌呤第6位氮原子的烷基 化，改变碱基配对性质，如6-甲基鸟嘌呤（MG） 与胸腺嘧啶配对。如果直接与配对有关的基团被 烷化，则可完全阻断复制时的碱基配对。 较常见的烷化剂有亚硝胺化合物，包括二甲基 亚硝胺和二乙基亚硝胺，亚硝基胍（NTG） 化合 物如N, N′-硝基-N-甲基亚硝基胍，亚硝基脲化 合物如乙基亚硝基脲，烷基硫酸盐化合物，包括 二甲基硫酸盐、乙基甲基硫酸盐（EMS） 和乙基 乙基硫酸盐（EES），此外，还有氮芥和硫芥等。
5.1.1.5 碱基丢失
DNA在生理条件下可通过自发性水 解，使嘌呤碱和嘧啶碱从磷酸脱氧核 糖骨架上脱落下来。细胞受热或pH降 低，可加剧脱嘌呤反应，强致癌剂黄 曲霉毒素B1也能加剧脱嘌呤反应。
5.1.1.6 碱基的烷基化
细胞内一些天然的烷基化试剂，如S-腺苷甲 硫氨酸，可使DNA分子中的某些碱基甲基化，造 成碱基错配，经DNA复制，形成碱基对的改变。
5.1.3.1 碱基类似物
碱基类似物（base analog）能在DNA复制时取 代正常碱基与模板链的碱基配对，从而掺人DNA。 2-氨基嘌呤（AP）是腺嘌呤的类似物，通常与 胸腺嘧啶配对，以罕见的亚氨基状态存在时，可 以与胞嘧啶配对，使A-T变为G-C，相反情况下， 则可将G-C变为A-T。
5.1.3.2 碱基的修饰剂
概况
作为遗传物质的DNA具有高度的稳定性，但是，细胞 内外环境中各种因素依然可以造成DNA的损伤。如果 DNA的损伤得不到有效的修复，就会造成DNA分子上 可遗传的永久性结构变化，称为突变 突变（mutation）。少 突变 数突变有可能对细胞是有利的。但绝大部分突变是有害 的。 细胞有多种形式的修复系统，使绝大多数损伤能够及 时修复。 研究DNA损伤与修复的机制，有两个方面的实际意义。 其一，防止DNA的损伤，是预防不少疾病的有效途径。 其二，在育种工作中，常常要诱发突变再筛选有优良性 状的植株或微生物株系。
活性氧引起的DNA DNA损伤 5.1.1.4 活性氧引起的DNA损伤
活性氧指反应活性很 高的含氧自由基和H2O2， 不少含氧自由基可在细 胞正常代谢过程中生成。 含氧自由基可造成碱基 的氧化，如7, 8-二氢-8氧鸟嘌呤（7, 8-oxoG, GO）就是一种氧化碱基， 可与C或A配对，造成GC → T-A的颠换，DNA pol I和DNA pol II的校正 活性不能校正其错配， 故这种损伤可以积累。
DNA分子的自发性损伤 5.1.1 DNA分子的自发性损伤
DNA的自发性损伤可以发生在复制 过程中，也可以由细胞自身产生的活 性氧或代谢产物造成。根据DNA损伤 的状况，和引起DNA损伤的原因，可 以将DNA的自发性损伤分作6种类型。
5.1.1.1 互变异构移位
互变异构移位（tautomeric shift）是碱基发生了烯醇 互变异构移位 式-酮式结构互变，造成碱基配对发生改变，使复制后的 子链上出现错误。生理条件下，碱基上的基团主要以酮式 和氨基的形式存在，但也可能发生瞬间的互变异构，造成 碱基错配。如图所示，若 A以稀有的亚氨基形式出现，即 可与C配对，经过DNA的两轮复制，在1/4的子代分子中， A-T对变成了G-C对。因此在DNA复制时，若模板上出现 烯醇式或亚氨基异构体时，子链上就可能产生错配的碱基 对。
物理因素引起的DNA DNA损伤 5.1.2 物理因素引起的DNA损伤
DNA分子容易吸收波长 在260nm左右的紫外线 （UV），大剂量的UV照射， 可以使DNA分子一条链上 相邻的两个嘧啶共价结合， 形成环丁烷嘧啶二聚体。相 邻的两个T或两个C，以及C 和T之间均可形成嘧啶二聚 体，但最易形成的是T-T二 聚体和6-4光产物
分子生物学作业 内容：第五章 DNA的损伤与修复 制作人：生科四班学生 陈玥 40908199 周红 40908200 李茜 40908201 李姗姗 40908202 李婷婷 40908203
DNA的损伤与修复 第五章 DNA的损伤与修复
1.DNA损伤的产生 §1.DNA损伤的产生 2.基因的突变 § 2.基因的突变 3.DNA损伤的修复 § 3.DNA损伤的修复 4.损伤跨越 § 4.损伤跨越 5.DNA修复缺陷与癌症的关系 § 5.DNA修复缺陷与癌症的关系
尽管细胞内的修复系统能及时修复绝大多数的DNA 尽管细胞内的修复系统能及时修复绝大多数的DNA 损伤，但修复系统并不是万无一失的。 损伤，但修复系统并不是万无一失的。如果损伤在 下一轮DNA复制之前还没有被修复 复制之前还没有被修复， 下一轮DNA复制之前还没有被修复，有的会被固定 下来传给子代细胞， 下来传给子代细胞，有的则通过易错的跨损伤合成 产生新的错误，并最终也被保留下来。因此， 产生新的错误，并最终也被保留下来。因此，生物 体难免会发生这样那样的突变，并带有一定的基因、 体难免会发生这样那样的突变，并带有一定的基因、 基因组、细胞或个体被称为突变体。 基因组、细胞或个体被称为突变体。单细胞生物能 够将新产生的突变基因直接传给其后代， 够将新产生的突变基因直接传给其后代，而多细胞 生物能否将突变传给后代则取决于 突变四发生在生殖细胞还是体细胞。 突变四发生在生殖细胞还是体细胞。 如果突变发生在生殖细胞，则可以传给后代。 如果突变发生在生殖细胞，则可以传给后代。 如果是发生在体细胞，则一般不会传给后代， 如果是发生在体细胞，则一般不会传给后代， 除非后代是由突变的体细胞克隆而成的。 除非后代是由突变的体细胞克隆而成的。
DNA复制的打滑 5.1.1.3 DNA复制的打滑
在DNA复制时，有时会出现模板链或新生链 碱基的环出（looping out）现象，被称作 DNA聚 合酶的“打滑”（slippage）。如图所示，第一次 复制时新生链一个或数个碱基的环出，在第二次 复制时，可引起同样数量碱基的插入。第一次复 制时模板链一个或数个碱基的环出，在第二次复 制时，可引起同样数量碱基的缺失。这种错误易 发生在模板上有碱基串联重复的部位，这些部位 即使发生碱基的环出，后面的碱甚配对仍然是正 确的。
某些化学物质通过对DNA分子上碱基的修饰 （base modification），改变其配对性质。例如， 亚硝酸能脱去连接在碱基环上的氨基，使腺嘌呤 脱氨基形成次黄嘌呤（I），后者与胞嘧啶配对， 而不与胸腺嘧啶配对。胞嘧啶脱氨基后成为尿嘧 啶，与腺嘌呤配对。 羟胺（NH2OH）与DNA分子上碱基的作用 特异性很强，它只与胞嘧啶作用，生成4-羟胺胞 嘧啶（HC），后者与腺嘌呤配对，结果使G-C对 变为A-T对
§ 5.1 DNA损伤的产生 DNA损伤的产生
DNA损伤指在内外因素的影响下，体内DNA双 螺旋结构发生的任何改变。 若碱基的改变是两种嘌呤或两种嘧啶之间的互 换，称作转换 转换（transitions）。 转换 若发生了嘌呤和嘧啶之间的互换，则称作颠换 颠换 （transversions）。 引起DNA损伤的因素很多，包括DNA分子本身 在复制过程中发生的自发性改变，以及细胞内各 种代谢物质和外界理化因素引起的损伤。
5.1.1.2 自发脱氨基
DNA分子中碱基的环外氨基有时会自发脱落，结 果使C变为U，A变为I，G变为X（黄嘌呤）。在 DNA复制时，母链的上述变化会在子链中产生错 误而导致损伤。 A → I-C，下一轮G-C，引起AT → GC的变； C → U-A，下一轮T-A，引起GC → AT的突变； G → X-C，下一轮G-C，损伤不扩大。
突变的类型 5.2.1突变的类型 突变的类型 5.2.2突变的回复和校正 突变的回复和校正 5.2.3诱变剂和致癌剂的检测 诱变剂和致癌剂的检测
点突变也称作单碱基替换（single 也称作单碱基替换（single
base substitution），指由单个碱基改 substitution），指由单个碱基改 变发生的突变。 可以分为转换和颠 换两类。 转换：嘌呤和嘌呤之间的替换，或嘧 转换：嘌呤和嘌呤之间的替换，或嘧 啶和嘧啶之间的替换。 颠换：嘌呤和嘧啶之间的替换。 颠换：嘌呤和嘧啶之间的替换。 点突变带来的后果取决于其发生的位 置和具体的突变方式。如果是发生在 基因组的垃圾DNA上，因为其碱基 基因组的垃圾DNA上，因为其碱基 序列缺乏编码和调节基因表达的功能， 就不可能产生任何的后果。如果发生 在一个基因的启动子或其他基因表达 的调控区，则可能会影响基因表达的
电离辐射如X射 线和γ射线等，可以 引起DNA的直接损 伤和间接损伤。 DNA链的断裂会随 着照射剂量的增大而 加剧。若DNA双链 中只有一条链断裂， 称为单链断裂，若两 条链在同一处或紧密 相邻处同时断裂，则 为双链断裂。
化学因素引起的DNA DNA损伤 5.1.3 化学因素引起的DNA损伤
许多天然的或合成的有机和无机化学物质均可 与DNA发生反应，改变其结构。能诱发DNA损伤 的化学物质称化学诱变剂（mutagen），常见的化 化学诱变剂（ 化学诱变剂 学诱变剂可以大致分为3类
5.1.3.3 嵌入染料
一些扁平的稠环分子， 如吖啶橙（acridine orange）、原黄素 （proflavin）、溴化乙锭 （ethiduium bromide, EB） 等染料，可插入到DNA 分子碱基对之间，故称 为嵌入染料（intercalated dye）。这些扁平分子插 入DNA后正好占据了一 个碱基的位置，将碱基 对间的距离加大约1倍， 可造成DNA两条链的错 位。