染色体与DNA4损伤、修复与转座.ppt

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1、理解DNA损伤修复的基本过程 掌握DNA损伤与修复的机制 了解突变的类型及其意义,学习目的和要求,三、DNA的损伤和修复与基因突变,DNA损伤是指正常DNA分子的化学结构或物理结构在某些物理因素、化学因素（如射线和化学试剂)以及细胞自发产生的基因毒素等干扰作用下发生改变的现象。,(一)DNA的损伤,1、DNA的自发性损伤,由DNA内在的化学活性以及细胞中存在的正常活性化分子所致。,常见的DNA自发性损伤类型,（1）脱嘌呤和脱嘧啶,自发的水解可使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落下来。一个哺乳类细胞在37条件下，20h内DNA链上自发脱落的嘌呤约1000个、嘧啶约500个；估计一个长寿命不

2、复制繁殖的哺乳类细胞（如神经细胞）在整个生活期间自发脱嘌呤数约为108，这占细胞DNA中总嘌呤数约3%。,概念,（2）碱基的脱氨基作用,碱基的环外氨基有时会自发脱落，从而胞嘧啶会变成尿嘧啶、腺嘌呤会变成次黄嘌呤（H）、鸟嘌呤会变成黄嘌呤（X）等，遇到复制时，U与A配对、H和X都与C配对就会导致子代DNA序列的错误变化。胞嘧啶自发脱氨基的频率约为每个细胞每天190个。,（3）碱基的互变异构,DNA中的4种碱基各自的异构体间都可以自发地相互变化（例如烯醇式与酮式碱基间的互变），这种变化就会使碱基配对间的氢键改变，可使腺嘌呤能配上胞嘧啶、胸腺嘧啶能配上鸟嘌呤等，如果这些配对发生在DNA复制时，就会造

3、成子代DNA序列与亲代DNA不同的错误性损伤。,（4）细胞正常代谢产物对DNA的损伤,细胞呼吸的副产物O2-、H2O2等会造成DNA损伤，能产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，还可能引起DNA单链断裂等损伤，每个哺乳类细胞每天DNA单链断裂发生的频率约为5万次。此外，体内还可以发生DNA的甲基化，结构的其他变化等，这些损伤的积累可能导致老化。,(1)高能离子化辐射（如X射线、射线）,(2)非离子化辐射（如紫外线）,2、物理因素导致的DNA损伤,3、化学因素导致的DNA损伤,引起DNA损伤的化学因素主要有两大类：烷化剂和碱基类似物。,（1）烷化剂导致的DNA损伤,烷化剂是一类亲电子的化

4、合物，极容易与生物体内的有机物大分子（如核酸和蛋白质）的亲核位点起反应，可将烷基（如甲基）加入到生物大分子的亲核位点上。烷化剂对核DNA作用时，就可以将烷基加到核酸的碱基上去。DNA链上的磷酸二酯键被烷化则形成不稳定的磷酸三酯键，可能在糖与磷酸间发生水解作用，导致DNA链的断裂。,（2）碱基类似物导致的DNA损伤,碱基类似物是一类结构与碱基相似，可改变碱基配对特性的正常碱基衍生物或人工合成的化合物。,它们进入细胞以后，便能替代正常的碱基而掺入到DNA链中，干扰了DNA的正常合成。最常见的碱基类似物是5-溴尿嘧啶（5-BU）。,DNA损伤的修复是指DNA受到损伤后，组织细胞内发生的使DNA的化学

5、组成和核苷酸序列重新恢复或使细胞对DNA损伤产生耐受的一系列反应。,1、直接修复（教材P.55）,直接修复是指不需要移去任何碱基或核苷酸就可以将损伤逆转到正常状态的修复机制。它属于无差错直接修复，也是生物体内最简单的一种修复方式。,(二)DNA损伤的修复,光复活作用是最早发现的一种高度专一的修复方式，它只作用于紫外线引起的DNA嘧啶二聚体的损伤修复。光修复酶(Photoreactivating enzyme)或光裂合酶(Photolyase),（1）光复活,光复活酶催化的光复活反应形成嘧啶二聚体光复合酶结合于损伤部位酶被可见光激活修复后酶被释放,（2）断裂键的连接,（3）直接插入嘌呤,（4）烷

6、基转移修复,DNA连接酶,DNA嘌呤插入酶,E.coli细胞中存在一种酶叫O6-甲基鸟嘌呤转移酶，该酶可直接从突变的O6烷基鸟嘌呤上除去烷基，酶作用后即失活。它也属于无差错直接修复。,2、切除修复（教材P.53-54）,切除修复是指在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除，然后以另一条完整的互补链为模板，重新合成切除的部分，使DNA恢复正常结构的过程。,切除修复需要多种酶的参与，并且修复过程比较复杂，基本步骤包括识别、切除、修补和连接。,（1）碱基切除修复,DNA糖苷酶 AP核酸内切酶 DNA聚合酶 DNA连接酶 AP位点:无嘌呤（apurinic）和 无嘧啶（apyrimidinic

7、）位点,（2）核苷酸切除修复,3、错配修复（教材P.52-53）,上一次课在讲DNA复制的忠实性时已经讲过。,一种特殊的切除修复，它是按模板的遗传信息来修复错配碱基的，因此修复时首先要区别模板链和新合成的DNA链。它通过碱基的甲基化来实现的。大肠杆菌DNA的5/GATC序列中A的N6都是甲基化的（Dam甲基化酶负责），复制后的一个短暂时间内，新合成链的GATC中的A 未被甲基化，故子代DNA暂时是半甲基化的，这是识别的基础。,错配的碱基被MutS和 MutL组合的复合体识别并与之结合，再与 MutH内切核酸酶结合，后者在子代链GATC附近的位点上产生缺刻，启动对损伤区的切除修复。,4、重组修复

8、（复制后修复）（教材P.54-55）,受损伤的DNA链复制时，产生的子代DNA在损伤的对应部位出现缺口。完整的另一条母链DNA与有缺口的子链DNA进行重组交换，将母链DNA上相应的片段填补子链缺口处，而母链DNA出现缺口。以另一条子链DNA为模板，经DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填补母链DNA的缺口，最后由DNA连接酶连接，完成修补。,5、SOS修复（教材P.55-56）,SOS反应（SOS response）：能造成DNA损伤或抑制复制的处理所引起的一系列复杂的诱导效应，称为应急反应。包括诱导出现的DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制等。,突变是在DNA分子碱基序列水平上所发生的一种

9、永久性、可遗传的变化，它是与遗传保守性既相对立又相统一的自然现象。,基因突变的影响,（1）产生轻微的、不易被察觉的有害或有利的生物学效应，或者形成生物群体的遗传多态性；,（2）产生不利于个体生存和发育，但可遗传的生物学效应，导致遗传性疾病；,（4）产生致死性突变，导致生物个体在发育过程中死亡，因而不能将突变传递给后代。,（3）产生有利于个体生存和发育，且可遗传的生物学效应，促使生物进化；,(三)基因突变,1、基因突变的类型,外界因素如某些化学物质诱变剂、紫外线、电离辐射等也可能诱导基因突变的发生,DNA复制错误造成碱基的替换、插入或缺失等,（1）碱基置换突变碱基置换突变指基因中的一个或少数几个

10、碱基被替代的突变。最简单的碱基置换突变就是点突变，即DNA序列上单个碱基的改变。,转换(transition)：Py与Py，Pu与Pu之间变换，多见,颠换(transversion)：Py与Pu之间变换，少见,同义突变沉默突变（silent mutation）-氨基酸不变,错义突变（missense mutation）：氨基酸改变,无义突变（nonsense mutation）：形成新的终止密码的突变,无义突变,错义突变的例子镰状细胞贫血症,编码血红蛋白b肽链上一个决定谷氨酸的密码子GAA变成了GUA，使得b肽链上的谷氨酸变成了缬氨酸，引起了血红蛋白的结构和功能发生了根本的改变,终止密码子突变

11、,起始密码子突变,指原有的终止密码子突变成氨基酸密码子,指原有的起始密码子突变成氨基酸密码子,UAG,UAA,UGA,AUG,（2）缺失和插入突变,造成翻译过程中其下游的三联密码子都被错读，产生完全错误的肽链或肽链合成提前终止。,2、突变的意义,（1）突变是进化的分子基础（2）突变可产生遗传多态性（3）致死突变可用于消灭有害病原体（4）突变可创造新类型物种（5）突变是某些疾病的发病原因,理解各类转座子的结构特征和转座作用的机制。,学习目的和要求,四、DNA的转座,（教材P.56-64）,基本概念,转座子（transposon或transposable element，Tn）就是基因组上可自主复

12、制和位移的DNA片段，它们可以直接从基因组内的一个位点移到另一个位点，发生转座重组，从而改变染色体的结构。转座子的转移过程叫转座。,转座子每次移动时携带着转座必需的基因一起在基因组内跃迁，所以转座子又称跳跃基因（jumping gene）。,（一）转座子的类型和结构特征,类型：简单转座子和复合转座子,结构特征：,（1）结构中含有一个或多个开放阅读框，其中有一个编码转座酶的基因，这种酶催化转座子插入新的位置；,（2）两端有20-40bp的反向末端重复序列，末端重复序列是转座所必需的，因为它们是转座酶所识别的底物。,1、插入序列（insertion sequence,IS元件）,最小的转位因子，2

13、kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域不含有任何宿主基因细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。一个细菌细胞常带有少于10个IS序列。转座子常常被定位到特定的基因中，造成该基因突变。IS序列都是可以独立存在的单元，带有介导自身移动的蛋白。,2、复合转座子,一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某个功能基因两端时就可能产生复合转座子。一旦形成复合转座子，IS序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。,（二）转座子的转座机制和转座模式,1、转座机制 转座子插到新的位点上产生交错切口，所形成的突出单链

14、末端与转座子两端的反向重复序列相连，然后由DNA聚合酶填补缺口，DNA连接酶封闭切口。,2、转座模式,转座子与靶DNA之间连接事件的顺序与确切的性质决定了是复制型转座还是非复制型转座,（1）非复制型 转座酶-损伤或致死；修复,（2）复制型 转座酶 解离酶,（三）转座作用的遗传学效应,1、引起插入突变2、产生新的基因3、产生染色体畸变4、引起生物进化,（四）真核生物中的转座子,2、果蝇中的P元件,两种类型一类是全长p因子，长2907 bp，两端有33bp的反向重复序列(IR)，有4个外显子，编码转座酶。含P因子的果蝇称P品系。另一类是不能编码转座酶，依赖于全长P因子才能转座移动的缺失型P因子。这

15、类P因子都是活性P因子的中段缺失型衍生物。长度从05 kb到14 kb不等。,（五）反转座子（retroposon）,真核生物的一些转座子以RNA为中间体进行转座，这类转座子称为反转座子。反转录病毒自身、以RNA为中间体进行转座的DNA序列、本身不具转座能力的元件。基因组插入位点产生短同向重复序列。,1、逆转录病毒,2、果蝇copia元件,至少有11个家族，每个家族的成员都相当保守。长度约为5kb，两端具有相同的276bp的正向长末端重复，其长度和序列在家族之间有所变化，每个末端各有13bp的不完整的反向重复，与其他转座子一样，它插入到一个新位点，在靶DNA上产生3-6bp的正向重复。Copia的插入靶点无序列特异性，但表现为一定的区域优先性。,3、酵母中的Ty单元,（六）转座子的应用,1、用于难以筛选的基因的转移2、作为基因定位的标记3、筛选插入突变4、构建特殊菌株，如F因子处在特定位置上的Hfr菌株的构建、带有特定基因的转导噬菌体的构建、或特定区段缺失菌株的构建等5、克隆难以进行表型鉴定的基因,复习思考题,1、哪些因素能引起DNA损伤？生物机体如何修复DNA损伤？2、生物机体的损伤修复对生物体有何意义？3、何谓SOS？SOS对生物体有何意义？4、何谓突变？突变与细胞癌变有何关系？5、用图表说明转座的机制。5、解释转座是如何引起玉米粒的花色素斑的。,