第十一章 DNA的生物合成课件.ppt

第六章基因突变与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，而且这种性能是细胞中任何一种分子都无法与之相比的。尽管如此，在DNA复制过程中，仍难免会存在少量未被校正的差错。此外，DNA还会受到各种物理和化学因素的损伤。这些差错和损伤如果不被修复，将会,产生严重的细胞学后果，因为DNA分子本身是无法替代的，一个细胞通常只有1-2套基因组DNA，而不像蛋白质和RNA分子那样，能利用DNA中的遗传信息不断产生新的分子来替代受损伤的分子。所以，维护DNA遗传信息的稳定性对生物细胞来说是极其重要的。在漫长的生命进化过程中，生物体不仅演化出能纠正,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。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。,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。,（一）引起DNA损伤的因素：1自发因素：1)脱嘌呤和脱嘧啶 在生理条件下，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。Lindahl估计，一个哺乳动物,细胞在37条件下，20小时内通过自发水解可从DNA链上脱落约10000个嘌呤碱和500个嘧啶碱。在一个长寿命的非复制的哺乳动物细胞（如人的神经细胞）的整个生活中自发脱嘌呤数约为108个嘌呤碱，它们占细胞DNA中总嘌呤数的3%。每个细胞每小时脱去的嘌呤碱和嘧啶碱分别约为580个和29个。自发脱嘧啶反应一般频率很低。,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。例如，胞嘧啶自发水解脱氨变成尿,嘧啶后，如果未被修复，产生的尿嘧啶会在接下来的复制中与腺嘌呤配对，从而产生点突变。DNA分子以这种方式产生尿嘧啶很可能就是DNA含有胸腺嘧啶而不是尿嘧啶的原因。因为这样可使DNA分子中发现的任何尿嘧啶，均可被一种称为尿嘧啶DNA糖化酶所切除，并由胞嘧啶所替代。胞嘧啶自发脱氨基成为尿嘧啶的频率估计约为每小时每个细胞8次，即每天每个细胞192次。,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。例如稀有碱基腺嘌呤和胞嘧啶，或稀有碱基胸腺嘧啶与,鸟嘌呤形成氢键，便可导致下一世代中G-C配对取代A-T配对（图6-1）。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，,如8-氧化鸟嘌呤，2-氧化腺嘌呤和5-羟甲基尿嘧啶等（见图6-2）。而且电离辐射引起水分解所产生的羟基自由基，会提高这些氧化产物的水平。氧自由基对DNA的损伤是由金属离子，尤其是铁离子所介导的，因此，螯合剂、自由基清除剂、超氧化物歧化酶、二氧化物酶和过氧化物酶活力的增强，都能降低氧自由基的毒性。,此外，葡萄糖和6-磷酸葡萄糖，可能还有其他的糖分子也能和DNA反应，产生明显的结构和生物学改变，这些改变的累积可导致细胞老化。除上述自发性损伤外，DNA分子还会自发产生单链断裂、链间交联和形成一些甲基加合物等。,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。,(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。,二、DNA损伤的修复,人们对DNA的修复机理进行了深入研究，发现在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，因为DNA的互补双链可保证其一股链上的损伤被切除后，能从另一股链上获得修复所需要的信息。,（一）直接修复：1光复活：（light repairing）：这是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（photo-lyase)识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物在300600nm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。3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）。近年来人们发现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（insertase）。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。,而且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。插入酶的这种专一性保证了遗传信息的正确修复和遗传的稳定性，而且嘌呤插入酶的存在预示着很可能还存在一种能催化嘧啶碱基直接插入到DNA链中嘧啶缺失位点的酶。,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。,（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。通过对错配碱基的修复将使复制的精确性提高102-103倍。现已在大肠杆菌、酵母和哺乳动物中都发现了错配修复系统。复制,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。因此，该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。在大肠杆菌中主要通过对模板链的甲基化来区分新合成的DNA链。大肠杆菌中存在一种Dam甲基化酶，它通常首先对DNA模板链,的5-GATC序列中腺嘌呤的N6位置进行甲基化，当复制完成后，在短暂的时间内（几秒或几分钟），只有模板链是甲基化的，而新合成的链是非甲基化的。正是子代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。几分钟后新合成链也将在Dam,甲基化酶作用下被甲基化，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。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（methyl-directed 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。,（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。,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）。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）。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）。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。此外，按照突变生成的过程可将突变分为自发突变（spontaneous mutation）和诱发突变（induced mutation，简称诱变）两种类型。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。从不同角度,看，基因突变可以分为许多相互联系的类别。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。如前述镰刀型红细胞贫血病人的血红蛋白中，链第6为谷氨酸被缬氨酸取代，其编码链,DNA序列中的谷氨酸密码子GAG被置换为缬氨酸密码子GTG，两者之间仅发生了一个碱基的改变。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（transversion）；如果是嘌呤与嘧啶之间发生互换，称之为颠换（transition）。此外，点突变的表型效应是多样化的，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（cosense 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，这也就是在某些情况下，DNA编码序列中碱基的取代虽然导致了某一,密码子的改变，但所编码的氨基酸并未改变的原因。换言之，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。除此之外，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，而且群体中许多沉默及非致死突变的积累会产生遗传多态性，即在“正常”DNA及其蛋白质序列中可接受的变异。,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，特别是,当碱基变化导致两种性质相近的氨基酸发生替换时，如密码子CTT变为ATT，导致亮氨酸残基被异亮氨酸残基所取代，往往可使蛋白质活性不受影响。但是，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。镰刀型红细胞贫血症就是典型实例。,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。所以，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。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。但是，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。,（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。遗传学家甚至认为，没有突变就不会有遗传学。在进化过程中，DNA序列一定要经历改变，新序列必需加入到生物的基因组中，才可能使生物进化发展。虽然在一个短暂的历史时期内，人类很难亲眼看到某一物种的自然演变过程，而只能看到长期突变积累所造成的结果。但是通过化石的比较研究，人们发现不同生物物种的历史存在状态是不同的。有的,物种随着时间的推移发生了显著的形态结构变化，从一个物种变成了另一个物种；有的原始种群产生了剧烈的形态结构的歧化，由一个物种演变出两个以至更多的物种；有的物种在历史的演进过程中灭绝消失。此外，同一物种个体间存在的差异也表明，突变在自然界普遍存在。大量研究结果表明，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。例如，水稻由非糯性变为糯性，小麦由高秆变为矮秆等性状都是基因突变的结果。又如流感病毒就有很多不同遗传变异型的毒株，不同毒株的感染方式、毒性大小有可能相差很大，因而给流感的预防带来相当大的困难。,2、突变可产生遗传多态性 多态性（polymophism）一词是用来描述个体之间基因型差别现象的。只有基因型改变而没有可察觉表型改变的突变，是导致DNA多态性形成的原因。如前所述的简并密码子中第三位碱基的改变，以及蛋白质非功能区段上编码序列的改变等等。由于许多DNA多态性发生在限制性内切酶识别位点上，酶解该DNA片段就会,产生长度不同的片段，称为限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）。研究表明，RFLP按孟德尔方式遗传，在某一特定家族中，如果某突变基因与特异的多态性片段紧密连锁，就可用这一多态性片段作为一种“遗传标志”进行分析和诊断。例如，法医学上的个体识别和亲子鉴定；医学上器官移植的配型及个体对某些疾病的易感性分析，都要用DNA多态,性分析技术。此外，利用核酸杂交原理，还可以设计各种技术用于识别个体差异和种、株间差异的分析。3、致死性突变可用于消灭有害病原体突变发生在对生命过程至关重要的基因上可导致个体或细胞的死亡。人类常利用这种致死性突变消灭有害病原体，以达到灭菌的目的。,4、突变可创造新类型物种突变可改变物种的基因型，从而形成新性状。现代物种形成与进化理论已为突变育种新技术奠定了理论基础。目前辐射育种和化学诱变育种，以及突变体的筛选等技术已得到广泛运用，并已培育出许多优良品种。,5、突变是某些疾病的发病原因 这些疾病包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的疾病，一般人认为突变有害，指的就是这种类型的突变。现今最详细的内科学记载了4000余种疾病，其中有三分之一以上的疾病属于遗传性疾病或有遗传倾向的疾病。有少数遗传性疾病已知其遗传缺陷所在，如血友病是凝血,因子基因的突变，地中海贫血是血红蛋白基因突变等等。有遗传倾向的疾病包括常见的高血压、糖尿病、溃疡病、肿瘤等。可以肯定这些疾病与生活环境有关，但也有证据表明存在某些基因的变异，而且涉及的基因不是少数几个，而是众多基因与生活环境因素共同作用的结果。,