1、1.1 DNA1.1 DNA突变的概念突变的概念l突变突变：发生在DNA分子上可遗传的永久性结构变化通常称为突变。l突变体突变体：带有一个特定突变的基因、基因组、细胞或个体。生命和生物多样性依赖于突变与突变修复之间的良好平衡。生命和生物多样性依赖于突变与突变修复之间的良好平衡。1.2 突变的类型突变的类型1 1、点突变：点突变：DNADNA分子中一个碱基对替换另一个碱基对，也称碱基对的置分子中一个碱基对替换另一个碱基对，也称碱基对的置换（换（substitutionsubstitution）。）。转换转换(Transition)(Transition)：最普通的一种点突变，嘧啶最普通的一种点突
2、变，嘧啶 嘧啶，嘌呤嘧啶，嘌呤 嘌呤。嘌呤。A G A G T C T C 颠换颠换(Transversion)(Transversion)：另一种不常见的点突变，嘌呤另一种不常见的点突变，嘌呤 嘧啶。嘧啶。A AT TT TA AC CG Gl碱基替换导致mRNA中密码子的改变，多肽链中氨基酸发生影响，可能出现几种不同的效应：同义突变（synonymous mutation）:由于密码子具有兼并性，单个碱基置换后密码子所编码的是同一种氨基酸，表型不改变。正常 同义突变AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu
3、 Arg Asn Pro AGT CAG CAG CAG TTT TTG CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro 错义突变（Missense mutation）:DNA分子中的碱基置换后，形成新的密码子，从而导致所编码的氨基酸发生改变，产生活性降低、无活性或无功能的蛋白质。正常 错义突变AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro AGT CAG CAG CAG TTT TCA CGT AAC CCG DNA Met Gln
4、Gln Gln Phe Ser Arg Asn Pro 无义突变（Nonsense mutation）:DNA分子中的碱基置换后，使编码一个氨基酸的密码子变为不编码任何氨基酸的终止密码子（UAA、UAG、UGA），肽链合成提前终止，产生短的、没有活性的多肽片段。正常 无义突变AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro AGT CAG CAG CAG TTT TGA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe 终止终止 Arg Asn Pro 终止密码突变终止密
5、码突变（Termination codon mutation）:当DNA分子中的一个终止密码发生突变，使多肽链的合成继续进行下去，一直延长至下一个终止密码子时停止，产生延长的异常多肽链，称延长突变（elongation M）。回复突变：回复突变：突变体经过第二次突变又完全的或部分的恢复为原来的基因型和表现型。完全恢复是由于碱基顺序经过第二次突变后又变为原来的碱基顺序，故亦称真正的回复突变真正的回复突变；部分恢复是由于第二次突变发生在另一部位上，其结果是部分恢复原来的表现型，亦称为第二位点突变第二位点突变（second site mutation）或基基因内校正因内校正（intragenic s
6、uppression）。抑制基因突变抑制基因突变（Suppressor gene mutation）：基因内部不同位置上的不同碱基发生了两次突变，其中一次抑制了另一次突变的遗传效应。例：血红蛋白病单纯6 谷氨酸 缬氨酸 血红蛋白病，致死同时6 谷氨酸 缬氨酸+73 天冬氨酸 天冬酰胺 Hb Harlem，临床症状较轻，原因是73突变抑制了6的突变效应。2 2、插入和缺失、插入和缺失移码突变移码突变（frameshiftframeshift mutation mutation）：）：DNA编码序列中插入（增加）或缺失一个或几个碱基，其下游阅读框发生改变，导致氨基酸顺序及蛋白质异常或无活性，称为移
7、码突变。-插入突变：插入突变：DNADNA分子中插入一个或几个碱基对。分子中插入一个或几个碱基对。-缺失突变：缺失突变：DNADNA分子中缺失一个或多个碱基对。分子中缺失一个或多个碱基对。半胱半胱 丝氨丝氨 谷氨谷氨 缬氨缬氨 半胱半胱 精氨精氨 赖氨赖氨 亮氨亮氨DNA DNA TGCTGC TCGTCG CAACAA GTTGTT GAGA TGCTGC CGCCGC AAGAAG TTGTTG l插入或缺失会造成其下游三联密码子错读，生成完全不同的肽链。插入或缺失会造成其下游三联密码子错读，生成完全不同的肽链。改变改变读码框读码框缺失缺失T整码突变整码突变（CodonCodon muta
8、tion mutation）：）：DNA链的密码之间插入或缺失一个或几个密码子，导致肽链增加了或减少了一个或几个氨基酸，称为整码突变或称密码子插入或缺失。如：AAG GAC CCG GCGCCG GCG -正常密码子顺序 AAG GAC AAA CCG GCGCCG GCG -插入 AAG GAC GCGGCG -缺失 举例举例-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-转换转换-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入插入A-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-G-A-C
9、-A-T-G-C-缺失缺失T野生型基因野生型基因-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换颠换碱基对的置换碱基对的置换(substitution)(substitution)移码突变移码突变(framesshift mutation)(framesshift mutation)转换转换颠换颠换插入插入缺失缺失3 3、动态突变、动态突变l动态突变：动态突变：邻近基因或位于基因序列中的单核苷酸重复拷贝数，在一代代传递过程中会发生明显的增加，如(CGG)n、(C
10、AG)n等，从而导致某些遗传疾病的发病。l该突变可遗传并产生表型效应引起疾病，多为神经系统疾病。l代表疾病：Hutington舞蹈病(CAG)n、强制性肌营养不良，脆性X综合症(CCG)n。l动态突变正常动态突变（CAG三核苷酸重复）AGT CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn Pro AAsAGT CAG CAG CAG CAG CAG CAG CAG TTT TTA CGT AAC CCG DNA Met Gln Gln Gln Gln Gln Gln Gln Phe Leu Arg Asn
11、Pro AAs正常人：n=650 多态受累个体：n50 copies 多者几百几千copies随着世代传递长度增加，发病年龄提前，病情加重。1.3 1.3 突变的原因突变的原因两个概念：两个概念：自发突变（自发突变（spontaneous mutation)spontaneous mutation)：由于正常的细胞活动，由于正常的细胞活动，或细胞与环境的随机相互作用，这些过程所引起的生物或细胞与环境的随机相互作用，这些过程所引起的生物DNADNA序列的改变。序列的改变。诱发突变（诱发突变（induced mutation):induced mutation):特定的化学或物理因素引特定的化学或
12、物理因素引起的起的DNADNA序列改变。序列改变。Note:Note:所有突变都包含所有突变都包含DNADNA序列的改变序列的改变1.3.1 DNA1.3.1 DNA分子的自发性损伤分子的自发性损伤1 1、DNADNA复制中的错误复制中的错误 以以DNADNA为模板按碱基配对进行为模板按碱基配对进行DNADNA复制是一个严格而精确的事件，但复制是一个严格而精确的事件，但也不是完全不发生错误的。正常情况下，也不是完全不发生错误的。正常情况下，大肠杆菌复制过程中的错配率为大肠杆菌复制过程中的错配率为10101010左右。左右。2 2、DNADNA的自发性变化的自发性变化 生物体内生物体内DNADN
13、A分子可以由于各种原因发生变化，至少有：分子可以由于各种原因发生变化，至少有：碱基的异碱基的异构互变：例如，腺嘌呤（构互变：例如，腺嘌呤（A A）的互变异构体（）的互变异构体（AA）可以与胞嘧啶（）可以与胞嘧啶（C C）配对，）配对，模板链上存在这些异构体的时候，子代链上就可能发生错误，形成损伤。模板链上存在这些异构体的时候，子代链上就可能发生错误，形成损伤。脱嘌呤与脱嘧啶，使脱氧核糖和碱基脱嘌呤与脱嘧啶，使脱氧核糖和碱基G G（A A）或）或T T（C C）连接的糖苷键被打）连接的糖苷键被打断，从而失去断，从而失去G G、A A或或T T、C C。碱基的脱氨基作用：如碱基的脱氨基作用：如C
14、C脱氨基后形成了脱氨基后形成了U U，在复制过程中将与，在复制过程中将与A A配对，从配对，从而引起而引起GC ATGC AT转换突变。转换突变。G A A G A A C C U U T T突变突变脱氨基脱氨基复制复制3 3、转座子的插入、转座子的插入l转座子转座子(transposon 或 transposable element)是基因组内相对独立的、可移动序列，它们不必借用噬菌体或质粒的形式就可以从基因组的一个部位直接直接转移到另一个部位，这个过程称为转座（transposition）。l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跳跃基因（jumpi
15、ng gene）。转座子特点转座子特点l转座以很低的频率发生，而且转座子的插入是随机的。l转座子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内，引起基因表达的改变。l转座子也可以引起基因组序列的重排，它们的移动也和进化有关。l现在认为转座子存在于地球上所有的生物。1.3.2 1.3.2 物理因素引起的物理因素引起的DNADNA损伤损伤 1 1、紫外线引起的、紫外线引起的DNADNA损伤损伤当当DNADNA受到最易被其吸收波长（受到最易被其吸收波长（260 nm260 nm）的紫外线照射时，主）的紫外线照射时，主要是使同一条要是使同一条DNADNA链上相邻的嘧啶以共价键连成链上相邻的嘧啶以共价键连成嘧啶
16、二聚体嘧啶二聚体。2 2、电离辐射引起的、电离辐射引起的DNADNA损伤损伤电离辐射损伤电离辐射损伤DNADNA有直接效应和间接效应两种途径有直接效应和间接效应两种途径，直接效应是，直接效应是DNADNA直接吸收射线能量而遭损伤；间接效应是指直接吸收射线能量而遭损伤；间接效应是指DNADNA周围其他分子周围其他分子（主要是水分子）吸收射线能量产生具有很高反应活性的自由基（主要是水分子）吸收射线能量产生具有很高反应活性的自由基进而损伤进而损伤DNADNA。损伤包括：。损伤包括：碱基变化碱基变化;脱氧核糖变化脱氧核糖变化;DNADNA链断裂链断裂;交联。交联。1.3.3 1.3.3 化学因素引起的
17、化学因素引起的DNADNA损伤损伤1 1、烷化剂对、烷化剂对DNADNA的损伤的损伤如如甲基磺酸乙酯甲基磺酸乙酯EMSEMS，烷化剂能在，烷化剂能在DNADNA上的四个碱基发生作用，使其增上的四个碱基发生作用，使其增加烷基侧链，其最大的特异性是在鸟嘌呤的加烷基侧链，其最大的特异性是在鸟嘌呤的6 6位氧上增加一个位氧上增加一个烷基侧链烷基侧链导导致与致与T T错配，从而在下个复制周期中产生错配，从而在下个复制周期中产生GC ATGC AT转换。转换。2 2、羟胺、羟胺HAHA：NHNH2 2OHOH也是一种特定诱发也是一种特定诱发GC ATGC AT转换的诱变剂。能在胞嘧啶转换的诱变剂。能在胞嘧
18、啶4 4位上的氨位上的氨基氮上发生羟基化作用，产生基氮上发生羟基化作用，产生N4N4羟基胞嘧啶，它能像羟基胞嘧啶，它能像T T那样与那样与A A配对，产生配对，产生GCGC ATAT转换。转换。3 3、亚硝酸盐亚硝酸盐能使胞嘧啶（能使胞嘧啶（C C）脱氨变成尿嘧啶（脱氨变成尿嘧啶（U U），经过复制就可使，经过复制就可使DNADNA上的上的G-CG-C变成变成A-TA-T对，诱发对，诱发GC ATGC AT；亚硝酸盐还能诱发腺嘌呤（；亚硝酸盐还能诱发腺嘌呤（A A）脱）脱氨基形成次黄嘌呤氨基形成次黄嘌呤H H，H H能和能和C C配对，诱发配对，诱发AT GCAT GC转换突变。转换突变。亚硝
19、酸盐可诱发两个方向上的转换。亚硝酸盐可诱发两个方向上的转换。4 4、碱基类似物、修饰剂对、碱基类似物、修饰剂对DNADNA的损伤的损伤 如如:人工可以合成一些碱基类似物用作促突变剂或抗癌药物，人工可以合成一些碱基类似物用作促突变剂或抗癌药物，如如5-5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-BU5-BU）、）、5-5-氟尿嘧啶（氟尿嘧啶（5-FU5-FU）、）、2-2-氨基腺嘌氨基腺嘌呤（呤（2-AP2-AP）等。）等。胸腺嘧啶类似物5溴尿嘧啶（5-BU），由于胸腺嘧啶中5CH3被Br取代会导致5BU变换异构体，使其碱基的配对能力发生变化。酮式酮式烯醇式烯醇式酮式酮式腺嘌呤腺嘌呤烯醇式烯醇式鸟嘌呤鸟嘌呤l转
20、换突变 ATGC A A G G T 5-BUT 5-BUC ClGCAT G G A A C 5-BUC 5-BUT T掺入掺入异构体异构体复制复制突变突变掺入掺入异构体异构体复制复制突变突变1.4 1.4 突变的后果突变的后果根据基因突变对机体的影响，有以下几种情况：1.中性突变：变异后果轻微，对机体效应不明显。2.造成个体间的生物化学组成的遗传学差异，一般对机体无影响；如：ABO血型，HLA，同功酶等。3.有利于个体生存生育；如Hbs突变基因杂合子比正常纯合子对抗疟疾。4.产生遗传易感性；如：肿瘤易感性。5.引起遗传病。每个健康人均由5-6个有害突变。6.致死突变：造成死胎、自然流产、生
21、后夭折。第二节第二节 DNA DNA损伤的修复机制损伤的修复机制2.1 DNA2.1 DNA直接修复直接修复2.2 2.2 错配修复错配修复2.3 2.3 切除修复切除修复l 碱基切除修复碱基切除修复(base excision repair,BER)(base excision repair,BER)l 核苷酸切除修复核苷酸切除修复(nucleotide excision repair,NER)(nucleotide excision repair,NER)2.4 SOS2.4 SOS反应诱导的修复反应诱导的修复2.5 2.5 重组修复重组修复2.1 2.1 直接（回复）修复直接（回复）修复
22、（direct repairdirect repair）l生物体内存在多种DNA损伤以后而并不需要切除碱基或核苷酸的机制，这种修复方式称为DNA的直接修复。l直接修复即简单地把损伤的碱基回复到原来状态的修复直接修复即简单地把损伤的碱基回复到原来状态的修复，可分为以下几种：1.O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶甲基转移酶直接修复 通过从O6-甲基鸟嘌呤上把甲基直接转移到酶的半胱氨酸残基上来直接回复DNA的损伤。酶酶DNADNA甲基转移酶甲基转移酶O6-甲基转移酶使甲基转移酶使O6-甲基化鸟嘌呤恢复成鸟嘌呤甲基化鸟嘌呤恢复成鸟嘌呤2.光解酶光解酶复活（photoreactivationphotor
23、eactivation）光裂合酶（光裂合酶（photolyasephotolyase）l酶学光复活过程酶学光复活过程是修复UV导致的环丁烷嘧啶二聚体的直接机制，这种修复具有高度的专一性。3.单链断裂修复lDNADNA单链断裂单链断裂是损伤的一种常见形式，可以通过DNADNA连接酶连接酶的重接而修复。光复活作用光复活作用环丁烷嘧啶二聚体Light UVUV引起的光损伤嘧啶二聚体能被光裂合酶修复，该酶能在暗处引起的光损伤嘧啶二聚体能被光裂合酶修复，该酶能在暗处和嘧啶二聚体结合，形成酶和和嘧啶二聚体结合，形成酶和DNADNA复合体，在复合体，在光照条件光照条件下，复合体下，复合体分解，使嘧啶二聚体分
24、解为原先正常的碱基。分解，使嘧啶二聚体分解为原先正常的碱基。2.2 2.2 错配修复（错配修复（Mismatch repair)Mismatch repair)大肠杆菌中的大肠杆菌中的DNADNA腺嘌呤甲基化（腺嘌呤甲基化（DAMDAM）修复途径）修复途径 原核细胞内存在原核细胞内存在DamDam甲基化酶，能使位于甲基化酶，能使位于5GATC5GATC序列中序列中腺腺苷酸甲基化苷酸甲基化。复制后复制后DNADNA在短期内（数分钟）为半甲基化的在短期内（数分钟）为半甲基化的GATCGATC序列，序列，一旦发现错配碱基，即将未甲基化链切除一段包含错误碱基一旦发现错配碱基，即将未甲基化链切除一段包含
25、错误碱基的序列，并以甲基化的链为模板进行修复。的序列，并以甲基化的链为模板进行修复。参与错配修复的酶与蛋白质参与错配修复的酶与蛋白质lDam甲基化酶；MutH、MutL、MutS多肽；l解螺旋酶；DNA聚合酶；l外切酶、；RecJ核酸酶lDNA连接酶；SSBDNA甲基化酶甲基化酶2.3 2.3 切除修复（暗复活）切除修复（暗复活）1.1.碱基切除修复（碱基切除修复（base excise repairbase excise repair，BERBER）lBER可以去除因脱氨基或碱基丢失，无氧射线辐射或内源性物质引起的环氮类的甲基化等因素产生的DNA损伤。lBER是维持DNA稳定的重要修复方式。
26、APAP核酸内切酶修复途径核酸内切酶修复途径l单个嘌呤或嘧啶脱去后的位点成为AP位点。l细胞中自发产生AP位点的频率很高。l由一种专门在AP位点上切割的酶切断DNA上的磷酸二酯键，然后再启动由DNA外切酶、DNA聚合酶和连接酶参与的切除修复过程。糖基化酶是损伤特异性的，细胞中有多种具有不同特异性的DNA糖基化酶 糖基化酶通过水解糖苷键去除受损碱基 切除后在DNA上形成AP位点，再经过AP核酸内切酶途径修复。DNADNA糖基化酶（糖基化酶（glycosylateglycosylate）修复途径）修复途径2 2、核苷酸切除修复、核苷酸切除修复(nucleotide-excision repair(
27、nucleotide-excision repair，NER)NER)当当DNADNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，在一链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，在一系列酶的作用下，将系列酶的作用下，将DNADNA分子中受损伤部分切除掉，并以完整的那一条链为模分子中受损伤部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出切去的部分，然后使板，合成出切去的部分，然后使DNADNA恢复正常结构的过程。恢复正常结构的过程。NERNER可以修复UV照射形成的嘧啶二聚体，还能消除体内产生的各种嘌呤和嘧啶加合物。NERNER的关键特征是对损伤的的关键特征是对损伤的DNAD
28、NA链的两端进行切割。链的两端进行切割。NER在已研究过的真核生物中都很相似，说明其在进化过程中高度保守。l在人类中这是一种重要的修复途径。着色性干皮症是由于缺乏切除修复酶造成的遗传性缺陷，正常人的皮肤细胞和该缺陷者的皮肤细胞在培养时对UV的敏感性有很大差异，具有该缺陷的人在30岁之前就易死于皮肤癌。2.4 SOS2.4 SOS反应诱导的修复（易错修复）反应诱导的修复（易错修复）SOS response&DNA repairSOS response&DNA repairlSOSSOS反应：细胞反应：细胞DNADNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存受到损伤或复制系统受到抑制的紧
29、急情况下，为求得生存而出现的应急效应。而出现的应急效应。lSOSSOS反应诱导的修复系统包括反应诱导的修复系统包括 避免差错的修复能力增强避免差错的修复能力增强 诱导产生无校正功能的诱导产生无校正功能的DNADNA聚合酶聚合酶 抑制细胞分裂抑制细胞分裂lSOSSOS反应是生物反应是生物在不利环境中求得生存在不利环境中求得生存的一种基本功能。对原核生物它产生高的一种基本功能。对原核生物它产生高变异，对高等动物则是致癌的。变异，对高等动物则是致癌的。l黄曲霉毒素黄曲霉毒素B1B1的诱变作用（的诱变作用（AFB1AFB1）是一种强烈的致癌物，它能在是一种强烈的致癌物，它能在鸟嘌呤鸟嘌呤G G上接上一
30、个黄曲霉素分子，上接上一个黄曲霉素分子，从而使其脱去嘌呤从而使其脱去嘌呤，在复制过程中会在脱嘌呤位置的对面优先插入一个腺，在复制过程中会在脱嘌呤位置的对面优先插入一个腺嘌呤嘌呤A A，从而诱发从而诱发GC TAGC TA的颠换的颠换。l紫外线紫外线UVUV的诱变作用的诱变作用 能使能使DNADNA上同一链中相邻的上同一链中相邻的TTTT变为二聚体变为二聚体TTTT，干扰正常碱基配对的能力，在，干扰正常碱基配对的能力，在DNADNA复制过程中将发生错误导致突变。复制过程中将发生错误导致突变。2.5 2.5 重组修复重组修复(Recombination repair)(Recombination
31、repair)l某些DNA的损伤会阻碍DNA的复制，如UV光二聚体。细胞中由于SOS旁路复制系统会使DNA的复制重新启动并跨过该受损的区域，但在子代DNA链上产生一个缺口，这一缺口可由重组修复作用补上。l即从同源DNA的母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后用再合成的序列来补上母链的空缺。l也称“复制后修复制后修复”（post-replication repair），因为它们在复制后起作用。l重组修复并不能将亲代DNA上的损伤除去，当第二次复制时，留在亲代DNA链上的损伤任然要用同样的重组修复作用来弥补，但随着多代复制后，损伤的亲代链仅占极少数，绝大部分是重组修复后的正常DNA。从而使
32、细胞恢复正常的功能。DNADNA的重组修复的重组修复胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚体二聚体复制复制核酸酶及核酸酶及重组蛋白重组蛋白修复复制修复复制DNADNA聚合酶聚合酶DNADNA连接酶连接酶重组重组（发生在复制后）：复制时，跳过损伤部位，新链产生缺口由母链弥补，（发生在复制后）：复制时，跳过损伤部位，新链产生缺口由母链弥补，原损伤部位并没有切除，但在后代逐渐稀释。原损伤部位并没有切除，但在后代逐渐稀释。l修复的总体战略，细胞是如何有序地行使修复作用的？1.细胞不会合成各种酶去修复各种类型的损伤。那会消耗太大的能量。2.一般先用一种通用的切除修复系统除去DNA上造成明显缺陷的损伤，如核苷酸切除修复。3.损伤太小并未达明显缺陷时，采用特殊的切除修复系统（如DNA糖基化酶修复系统）。4.为了消除可能产生的复制错误，这时启用复制后错配修复系统，并能修复其它修复系统遗留下的损伤。5.各种修复系统并不是万能的，不能把所有的DNA损伤都修复完好生物发生变异进化的原因。
