DNA的损伤和修复
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DNA的损伤与修复
碱基切除修复依赖于生物体内存在的 一类特异的DNA糖基化酶。 切除修复过程： （1）识别水解 （2）切除 （3）合成 （4）连接
（二）核苷酸切除修复系统识别DNA双螺旋变形
这是细胞内最重要和有效的修复方式。
其过程包括去除损伤的DNA，填补空隙和连接。
主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。
错配 (mismatch)
缺失 (deletion) 插入 (insertion)
框移 (frame-shift)
重排 (rearrangement)
（一）错配可导致编码氨基酸的改变
DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。 自发突变和不少化学诱变都能引起DNA上某一碱基的 置换。 点突变发生在基因的编码区，可导致氨基酸改变。
正常
5’ ……G C A G U A C A U G U C …… 丙 缬 组 缬 5’ ……G A G U A C A U G U C …… 谷 酪 蛋 丝
缺失C
（三）重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病
1、DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。 2、移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位
（二）缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸 排列顺序发生改变
1、缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上
消失。
2、插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插
入到DNA大分子中间。
缺失或插入都可导致框移突变 。 3、框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造 成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。
缺失引起框移突变：
嘧啶二聚体并与之结合形 成复合物；
⑵ 在 300 ～ 600nm 可见光照射
下，酶获得能量，将嘧啶 二聚体的丁酰环打开；
DNA的损伤与修复
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位臵进行甲基化，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。
2、突变可产生遗传多态性
多态性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。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。
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。
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
第三部分-DNA损伤和修复
DNA损伤和修复目录Ⅰ、DNA损伤Ⅱ、DNA损伤应答Ⅲ、DNA修复1、直接修复2、碱基切除修复（BER）3、核苷酸切除修复（NER）4、跨损伤修复5、错配修复（MMR）6、双链断裂修复重组修复（HR）非同源末端连接（NHEJ）7、链间交联修复一、主要的DNA损伤（1）DNA损伤类型图1 主要的DNA损伤类型（1）复制叉停顿（2）甲基化/烷基化——如 O6MeGua 使正常 DNA pol 不能识别，随机插入核苷酸而产生突变（3）紫外光照射——T-T 二聚化（4）Nick（单链切口）（5）Gap（单链缺口）（6）DSB（双链断裂）（7）交联（cross-link）DNA结构损伤引出DNA修复反应。
上图展示出了一些DNA基本骨架的损伤和非经典的DNA结构损伤。
O 6MeGua代表甲基托养鸟嘌呤核苷酸，T<>T代表环丁烷胸腺嘧啶二聚体，cross-link代表顺铂G-G链交叉。
（2）内源性DNA损伤1、胞嘧啶到尿嘧啶的脱氨基作用能自发的产生引起U—G错配；2、DNA一个碱基的脱嘌呤阻止了复制和转录；3、DNA非正常代谢产生的错配。
二、DNA损伤应答（1）DNA损伤的细胞反应当下的关于DNA损伤应答反应单信号通路的一般概述。
箭头代表激活事件，其垂涎代表抑制事件。
Stop标识代表细胞周期，墓碑标识代表细胞凋亡。
有箭头的DNA双螺旋代表者损伤诱导的转录，带有许多椭圆形子单元的DNA双螺旋代表着损伤诱导修复。
简便起见，相互作用的通路网络被描绘成了线性通路，其中包括信号、感受器、传感器和效应器。
（即主要有细胞周期阻滞、凋亡、诱导转录、DNA损伤修复等方面的细胞反应）图2 DNA损伤的细胞反应（2）E.coli中的SOS反应1、SOS反应：当DNA分子损伤范围较大且复制受到抑制时出现的一种修复作用。
是一种旁路修复系统，正常情况下关闭。
2、主要观点：DNA损伤导致LexA触发SOS反应，包括对许多修复酶的基因编码。
DNA的损伤与修复
2013-8-7
紫外光是太阳光的一部分，紫外辐射具有很强的生物学 功能，损伤皮肤细胞中的DNA，造成突变。如果突变发生 在控制或影响细胞分裂的基因上，就会使这些细胞在分裂 时失去控制，从而产生皮肤癌。 γ射线和X射线能量更高，可以使一些分子离子化，形成 了自由基，含有氧的自由基非常活泼，可以直接攻击临近 的分子。活性氧可以使鸟嘌呤氧化产生8-氧代鸟嘌呤（8oxoguanine oxoG），它可与胞嘧啶(C)配对，也可以与腺嘌 呤(A)配对，具有高度的诱导突变作用，致癌作用的部分机 理。电离辐射还可以造成碱基开环，甚至使DNA的单链或 双链断裂，这也是治疗癌症的作用机理。
2013-8-7
二、切除修复（ excision repairing ）
切除修复 (excission repairing):也称核苷酸外切修复，这是 一种取代紫外线等辐射物质所造成的损伤部位的暗修复系统。 它是DNA损伤修复最为普遍的方式，对多种DNA损伤包括 碱基脱落形成的无碱基点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链 断裂等都能起修复作用。此系统是在几种酶的协同作用下， 先在损伤的任一端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡核苷 酸；留下的缺口由修复性合成来填补，再由连接酶将其连接 起来。不同的DNA损伤需要不同的特殊核酸内切酶来识别 和切割。切除修复有两种形式：一是碱基切除修复（base excision repair, BER），负责小片段，它是在DNA糖基化酶 的作用下从DNA中除去特定类型的损伤或者不合适的碱基。 一是核苷酸切除修复（nucleotide excision repair,NER）。
2013-8-7
2013-8-7
胞嘧啶可以脱去氨基形成尿嘧啶
脱氨基作用
→
胞嘧啶
2013-8-7
07-第五章 DNA损伤与修复
GATC within ~1000nt in E.coli
34
甲基指导的错配修复 in E.coli
GATC within ~1000nt in E.coli
35
人错配修复系统
36
错配切除修复 （人DNA复制中产生）
37
真核细胞修复错配系统
MSH（MutS homologs） MLH & PMS（MutL homologs） 无MutH 不利用半甲基化标记母链 （大多数细菌没有Dam甲基化酶） 如何辨别错配碱基所在的DNA链? 冈崎片段连接前的缺口 ～E.coli MutH的切口 通过PCNA-MSH相互作用，将MSH等修复蛋白募集于后随 链/前导链合成位点
黄曲霉素
苯并芘 [pí]
16
large bulky group
（五）其他一些因素也引起DNA损伤
溴乙锭
原黄素 硫酸-3,6-二氨基吖啶
17
吖啶橙
溴乙锭插入DNA可导致不平等交换，引起突变
18
（六）DNA也会产生自发性损伤
DNA复制误差：碱基错配
碱基错配几率 DNAP 3’→5’外切酶错误几率 错配修复系统错误几率 DNA复制总误差率 10-2 10-4 10-3 10-9
DNA photolyase 光裂合酶，光解酶
光裂合酶分布广泛 单细胞～鸟类 Especially important in plants & E.coli
28
哺乳动物(-)
DNA损伤可导致突变
29
甲基转移酶去除大肠杆菌DNA碱基G被修饰的甲基
methyltransferase
-Cys-SH
30
DNA弯曲 130° 局部解链
DNA损伤与修复
• 线粒体的氧化损伤: 单链断裂、双链断裂、碱基修饰、 DNA交联、 烷化损伤
• 线粒体的损伤修复： 碱基切除修复、错配修复
.
48
DNA 修复
•维持 DNA序列的保真性； •可在复制前后进行； •有多种修复机制来纠正DNA损伤； •DNA 修复失败可能导致突变和肿瘤。
.
49
细胞周期检查点控制
真核生物细胞DNA受到损伤时细胞除了诱导 修复基因的转录外，还可暂时阻断细胞周期， 防止受损DNA继续复制，如无法修复，则可诱 导细胞进入凋亡。这些都是细胞通过细胞周期 检查点控制（checkpoint control，又称关卡 控制）对DNA损伤的应答反应。
.
44
RecA-P的三种功能
a、 DNA 重组活性 b、 与S.S. DNA结合活性 c、 少数蛋白的proteinase活性
当DNA正常复制时 （无复制受阻，无DNA损伤， 无TT dimer） RecA-p不表现proteinase活性
.
45
当DNA复制受阻/ DNA damaged
细胞内原少量表达的RecA-p
• 3.皮肤和眼对日光敏感。
• 4.病情随年龄逐渐加重，多数患者于20岁前因恶 性肿瘤而死亡。
• 5.组织病理 晚期出现表皮非典型性增生、日光角
化及鳞癌和基底细胞癌等. 恶性肿瘤。
61
着色性干皮病患儿脸部特征
.
62
着色性干皮病背部,
着色性干皮病组织切片
.
63
着色性干皮 病的并发症
.
64
着色性干皮病的治疗
• 导致DNA断链: 磷酸二酯键上的氧被烷基化 • 导致DNA链交联
.
11
碱基类似物、修饰剂对DNA的改变
• 线粒体的损伤修复： 碱基切除修复、错配修复
.
48
DNA 修复
•维持 DNA序列的保真性； •可在复制前后进行； •有多种修复机制来纠正DNA损伤； •DNA 修复失败可能导致突变和肿瘤。
.
49
细胞周期检查点控制
真核生物细胞DNA受到损伤时细胞除了诱导 修复基因的转录外，还可暂时阻断细胞周期， 防止受损DNA继续复制，如无法修复，则可诱 导细胞进入凋亡。这些都是细胞通过细胞周期 检查点控制（checkpoint control，又称关卡 控制）对DNA损伤的应答反应。
.
44
RecA-P的三种功能
a、 DNA 重组活性 b、 与S.S. DNA结合活性 c、 少数蛋白的proteinase活性
当DNA正常复制时 （无复制受阻，无DNA损伤， 无TT dimer） RecA-p不表现proteinase活性
.
45
当DNA复制受阻/ DNA damaged
细胞内原少量表达的RecA-p
• 3.皮肤和眼对日光敏感。
• 4.病情随年龄逐渐加重，多数患者于20岁前因恶 性肿瘤而死亡。
• 5.组织病理 晚期出现表皮非典型性增生、日光角
化及鳞癌和基底细胞癌等. 恶性肿瘤。
61
着色性干皮病患儿脸部特征
.
62
着色性干皮病背部,
着色性干皮病组织切片
.
63
着色性干皮 病的并发症
.
64
着色性干皮病的治疗
• 导致DNA断链: 磷酸二酯键上的氧被烷基化 • 导致DNA链交联
.
11
碱基类似物、修饰剂对DNA的改变
DNA的损伤与修复
•
• 碱基置换突变 • 移码突变
缺失突变 插入突变
• 同义突变 • 错义突变 • 无义突变
自发突变和诱发突变
外因
• 物理因素：x射线、激光、紫外线、伽马射线等。 • 化学因素：亚硝酸、黄曲霉素、碱基类似物等。 • 生物因素：某些病毒和细菌等。
内因
• DNA复制过程中，基因内部的脱氧核苷酸的数量、顺 序、种类发生了局部改变从而改变了遗传信息。
随着受体细胞的生长和分裂，使目标 DNA得到扩增或表达，从而改变受体细 胞性状或者获得目标基因表达产物的一种 技术。
聚合酶链式反应 （polymerse chain reaction，PCR）
TaqDNA聚合酶的保真性？
逆转录PCR
原核表达载体
植物表达载体
本章思考题：
1，原核生物DNA怎样保持复制的忠实性？ 2，简述原核生物DNA复制的起始过程。 3，DNA聚合酶I和III在原核生物DNA复制中的精细
二、位点专一性重组
• 指的是噬菌体基因组插入到细菌基因 组染色体上，这个过程也叫整合（inte gration）。
• 这种重组方式需要噬菌体DNA和细菌 DNA上的专一性位点，催化这个过程 的酶只能作用于这对专一位点。
CBS@CAU
三、转座重组
• 指DNA上的核苷酸序列在不同染色体之间 或者同一染色体的不同区段之间移动，这 些可以移动的DNA片段称为转座子（transp on）。
• 1950年在PNAS发表论文。 • The Origin and Behavior of Mutable Loci in Maize
• Ac-Ds转座系统。 • 1983年获得诺贝尔奖。
第四节 重组DNA技术
重组DNA技术就是利用人工手段将目 标DNA与特定的载体DNA连接，形成重 组DNA分子，并将其转入受体细胞中。
分子生物学基础第二章DNA的结构、复制和修复第五节 DNA的损伤与修复
（2）碱基类似物对DNA的损伤 碱基类似物是一类结构与碱基相似 的人工合成化合物，由于它们的结构与碱基相似，进入细胞后能替代 正常的碱基掺入到DNA链中，干扰DNA的正常合成。5–溴尿嘧啶(5–BU) 是胸腺嘧啶环上的甲基被溴取代的一种最常见的碱基类似物，与U的 结构非常相似,能与A配对，5–BU有酮式和烯醇式两种形态，当处于烯 醇式时，可与G配对，且存在机率高于酮式形态，因此一旦掺入到DNA 链中，通过互变异构在复制中产生突变，引起A–T→C–C的转换。另一 个常见的碱基类似物是2–氨基嘌呤(2–AP)，在正常的酮式状态时与T 配对，在烯醇式状态时与C配对。在某些植物体的代谢过程中，能产 生个别的毒性化合物，其中包括DNA损伤剂。
第五节 DNA的损伤与修复
图2-13 DNA分子上的胸腺嘧啶二聚体结构
第五节 DNA的损伤与修复
图2-11 甲基介导的错配修复模 型
第五节 DNA的损伤与修复
3．核苷酸切除修复 核苷酸切除修复系统几乎能够修复紫外线照射引起的 各种损伤。包括环丁烷二聚体、6–4损伤、碱基-糖基交联 等引起DNA双螺旋大扭曲(major distortion)，而不能修 复由于碱基错配、O6–甲基鸟嘌呤、O4–甲基胸腺嘧啶、8– oxoG或碱基类似物引力是非常重要的。
第五节 DNA的损伤与修复
二、DNA的修复 1．错配修复 E.coli避免突变的主要途径之一就是甲基指导的错配修复系统。 这个系统是非特异性的，它能修复引起DNA双螺旋轻微扭曲的任何扭 伤，包括错配、移码、碱基类似物的掺人和某些类型微小扭曲的烷基 化损伤。 2．碱基切除修复 是一种在细胞中存在较普遍的修复过程。在细胞中都有不同类型、 能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能特意性切除受损核苷酸上的 N—β-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点（AP位点）。DNA 分子中一旦产生了AP位点，核酸内切酶就会把受损核酸的糖苷-磷酸 键切开，并移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA，由DNA聚合酶I 合成新的片段，最终由DNA连接酶把两者连成新的被修复的DNA链。
第五节 DNA的损伤与修复
图2-13 DNA分子上的胸腺嘧啶二聚体结构
第五节 DNA的损伤与修复
图2-11 甲基介导的错配修复模 型
第五节 DNA的损伤与修复
3．核苷酸切除修复 核苷酸切除修复系统几乎能够修复紫外线照射引起的 各种损伤。包括环丁烷二聚体、6–4损伤、碱基-糖基交联 等引起DNA双螺旋大扭曲(major distortion)，而不能修 复由于碱基错配、O6–甲基鸟嘌呤、O4–甲基胸腺嘧啶、8– oxoG或碱基类似物引力是非常重要的。
第五节 DNA的损伤与修复
二、DNA的修复 1．错配修复 E.coli避免突变的主要途径之一就是甲基指导的错配修复系统。 这个系统是非特异性的，它能修复引起DNA双螺旋轻微扭曲的任何扭 伤，包括错配、移码、碱基类似物的掺人和某些类型微小扭曲的烷基 化损伤。 2．碱基切除修复 是一种在细胞中存在较普遍的修复过程。在细胞中都有不同类型、 能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能特意性切除受损核苷酸上的 N—β-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点（AP位点）。DNA 分子中一旦产生了AP位点，核酸内切酶就会把受损核酸的糖苷-磷酸 键切开，并移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA，由DNA聚合酶I 合成新的片段，最终由DNA连接酶把两者连成新的被修复的DNA链。
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简称AP位点。
C 碱基的互变异构
由于碱基氢原子位置的可逆性变化，导致基因发生 酮式-烯醇式或氨式-亚氨式间的结构互变。 导致A-C错配或G-T错配。
3 自由基对DNA的氧化损伤
O2.，OH. ，H2O2等
如：造成DNA链上脱氧戊糖C-3或C-5磷脂键断裂。
自由基还可引起碱基损伤或脱落。
二、物理因素引起的DNA损伤
指DNA分子内发生较大片段的交换，也称为重组。
移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位）， 也可以在染色体之间发生交换重组。
二、突变的意义
1. 突变是进化、分化的分子基础
进化过程是突变的不断发生所造成的。
没有突变就没有今天的五彩缤纷的世界。 遗传学家认为：没有突变就不会有遗传学。
大量的突变都属于由遗传过程自然发生的，
叫自发突变或自然突变（spontaneous mutation）。
•
由于基因突变产生的新性状是生物 从未有过的性状，因此它是
• • •
产生新基因的途径， 生物变异的根本来源， 为生物进化提供了原始的材料。
2. 突变导致基因型改变
突变只改变基因型，而无可察觉的表型改变。
多态性 (polymophism)：是用来描述个体之间的基因 型差别现象。利用DNA多态性分析技术，可识别个体差
碱基对组成或排列顺序的改变。
时间：DNA复制时期，即细胞（有丝和减数）分裂间期。
基因的精确复制是相对的。一定的条件下基因结构发生变化变成一个新基因（突变基因）。 于是后代的表现型中也就出现祖先了从未有的新性状
基因突变
插入
┯┯┯┯ ＡＴＧＣ ＴＡＣＧ ┷┷┷┷
缺失 替换
┯┯┯┯┯ ＡＴＡＧＣ ＴＡＴＣＧ ┷┷┷┷┷ ┯┯┯ ＡＧＣ ＴＣＧ ┷┷┷ ┯┯┯┯ ＡＣＧＣ ＴＧＣＧ ┷┷┷┷
引起突变的原因-----人类史上的灾难
1986.4.26凌晨，前苏联乌克兰境内切尔诺贝利核电站发生大爆炸。 前后已有近万人死于这起事故，数十万人受到辐射伤害。其后患将会 影响人类一百年，是已知的世界最大核事故。这次事故在世界上造成 巨大影响，使各国重新考虑核能的安全性并加强了这方面的国际合作。
2公斤重的太 空茄
基因突变产生了新的基因，本来没有这个基因
而转基因技术是将现有的基因进行转移，并没产生新基因， 因此，不能算基因突变，只能是基因重组。
染色体变异主要是在细胞分裂前期,也可在其它时期
基因重组在减数分裂前期或后期 基因突变在细胞分裂间期（DNA复制时期）
1、普遍性。 2、随机性、不定向性。 3、低频性。高等动植物10-5～10-8，细菌10-4～10-10
２过程
①光复活酶与T=T结合形成复合物; ②复合物吸收可见光切断T=T之间的C-C共价键, 使二聚体变成单体;
③光复活酶从DNA链解离。
(二)切除修复 (excission repairing)
在DNA内切酶、外切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等共同
作用下，将DNA受损部位部分切除，并以其中一条链为模
DNA的损伤与修复
第一节
DNA损伤的概念、类型、意义
一 DNA损伤的概念
DNA损伤 (DNA damage) ： DNA分子结构的改变。
从分子水平看，DNA损伤指DNA分子上碱基的改变。
DNA损伤又称基因突变（gene mutation），由于DNA分子中
发生碱基对的替换、插入和缺失等,从而引起基因结构上发生
4
1 2
3
4 5
框移突变 (frame-shift mutation):
缺失和插入引起的三联体密码的阅读方式改
变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。
正常 5´… …GCA GUA CAU GUC … … 丙 缬 组 缬 缺失C 5´… …GAG UAC AUG UC … … 谷 酪 蛋 丝
(三)重排(rearrangement)
经历过太空遨游的辣椒种子，经宇宙射线照射大多 发生了遗传性基因突变。 太空椒的培育利用了可遗传的变异：基因突变
化学因素：
常见的化学诱变剂
化合物类别
碱基类似物 (如：5-BU)
羟胺类 (NH2OH) 亚硝酸盐 (NO2-) 烷化剂 (如：氮芥类)
分子改变
A→5-BU →G
T →C C →U G → mG
成了终止密码子，使蛋白质合成提前终止，因而蛋白质产物 一般是没有活性的。
3）错义突变
3）错义突变:
碱基序列的改变引起了产物氨基酸序列的改变。
有些错义突变严重影响蛋白质活性甚至完全无活性，而影响
表现型。如果该基因是必须基因，则称为致死突变。
有些错义突变的产物仍有部分活性，使表型介于野生型与突 变型之间的中间类型，称为渗漏突变。
1. 紫外线（UV）
DNA损伤主要是形成嘧啶二聚体。
T T
A A
嘧啶二聚体
P138
在DNA同一条链上，相邻的嘧啶受诱变因素 的刺激下，以环丁酰二聚体形式共价相连。 如TT、TC、CC等二聚体。
O ‖ H-N O N O ‖ N-H N O H-N O O ‖ CH3 CH3 ‖ N-H
CH3 CH3
两轮复制后,A-T转变为G-C.或G-C转变为A-T.
2-AP是腺嘌呤A的类似物，
既可与T配对，也可与C配对。
A.T→ 2-AP.T→2-AP.C→G.C G.C→2-AP.C→ 2-AP.T → A.T
吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对类似物，
易造成移码突变。
3 亚硝酸
亚硝酸可引起DNA分子中碱基脱氨。 如胞嘧啶C脱氨成为尿嘧啶U, 两轮复制后 DBiblioteka A分子中的G-C转变为A-T‖
‖ UV等 O N
N
O
嘧啶二聚体的形成，
减弱了双链之间氢键作用，
引起了DNA变形。如果生物体内修复 系统失灵，则细胞走向死亡。
T T
A A
2. 电离辐射
直接效应：DNA直接吸收射线能量而遭损伤。 间接效应：DNA周围其他分子（主要是水分子）吸收射线能
量产生高活性自由基进而损伤DNA。
结果：DNA的碱基损伤、DNA链断裂、DNA链交联。
平时，我们做实验，遇到的许多生化 试剂、同位素，其实是诱变剂；
蔬菜、水果上的农药；洗衣粉中荧光剂、 烷化剂，食品中的防腐剂…… 不仅，影响我们的蛋白、酶； 而且对我们的基因也有很大的危害！ 希望大家要警惕这种潜伏期长的癌变因 素！
第三节 DNA损伤的修复
修复 (repairing)：是指针对已发生的缺
2. 颠换 (transversion)：
异型碱基间的置换：嘌呤变嘧啶，嘧啶变嘌呤
基因突变的实例
正常红细胞
镰刀型红细胞
碱基对替换
(二)缺失(deletion)和插入(insertion)
缺失： 一个碱基或一段核苷酸链从 DNA大分子上消失 插入：DNA大分子上多了一个碱基或一段核苷酸链
1 2
3
异和种、株间差异。
3. 突变导致死亡
突变若发生在对生命至关重要的基因上，可导 致个体或细胞的死亡。
4. 突变是某些疾病的发病基础
包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的病。有些已
知其遗传缺陷所在。但大多数尚在研究中。
三、引发突变的因素
内部因素：
大量的突变属自发突变，发生频率为10-9。
外部因素：
主要有物理和化学因素。 这些因素可诱发突变，称诱变剂。
有些错义突变不影响或基本上不影响蛋白质的活性，不表现 明显的性状变化，称为中性突变。
（三）按其发生的原因:
1)自发突变（spontaneous mutation）：
在自然情况下发生的突变。
2)诱发突变（induced mutation）：
人们有意识地利用物理、化学诱变因素引起的突变 。
自发突变型和诱发突变间没本质上的不同， 诱变剂的作用也只是提高了基因的突变率。
陷而进行的补救机制。
(一)光修复 (light repairing)
O N R P R N O N N O R N O N O CH3 CH3 O R N N CH3 O O
UV
CH3
P
胸嘧啶二聚体 ( T T )
)
１概念：可见光存在条件下，在光复活酶作用下将UV引
起的嘧啶二聚体分解为单体的过程。
板，合成修复。
消除由UV引起的损伤，也能消除由电离辐射和化学诱变剂 引起的其他损伤。
切除片段可由几十到上万bp，分别称短补丁修复、长补丁
修复。
切除修复是一种多步骤的酶促反应过程：
1).内切酶识别损伤位点并在其两侧同时切割 2).外切酶除去两个切口之间的核苷酸 3).DNA合成 4).连接酶连接接口
3）致死突变：突变影响生物个体的生活力。
显性致死：杂合态即有致死效应。 隐性致死：纯合态时才有致死效应
4）条件致死突变：
在某些条件下致死，而在另些条件下成活的突变。
（二）从对遗传信息的改变:
1）同义突变: 碱基序列的改变没有引起产物氨基酸序列的
改变,与密码子的简并性有关。
2）无义突变:某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变
基因突变若发生在配子中（减数分裂时产
生）将遵循遗传规律传递给后代。
若发生在体细胞（有丝分裂），一般不能
遗传。人体某些体细胞的基因突变，有可能
发展成癌细胞。
(一)点突变 (point mutation)
——指DNA分子上一个碱基的变异（替换）。
1. 转换 (transition)：
同型碱基间的置换: 嘌呤代替另一嘌呤，嘧啶代替另一嘧啶
C 碱基的互变异构
由于碱基氢原子位置的可逆性变化，导致基因发生 酮式-烯醇式或氨式-亚氨式间的结构互变。 导致A-C错配或G-T错配。
3 自由基对DNA的氧化损伤
O2.，OH. ，H2O2等
如：造成DNA链上脱氧戊糖C-3或C-5磷脂键断裂。
自由基还可引起碱基损伤或脱落。
二、物理因素引起的DNA损伤
指DNA分子内发生较大片段的交换，也称为重组。
移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位）， 也可以在染色体之间发生交换重组。
二、突变的意义
1. 突变是进化、分化的分子基础
进化过程是突变的不断发生所造成的。
没有突变就没有今天的五彩缤纷的世界。 遗传学家认为：没有突变就不会有遗传学。
大量的突变都属于由遗传过程自然发生的，
叫自发突变或自然突变（spontaneous mutation）。
•
由于基因突变产生的新性状是生物 从未有过的性状，因此它是
• • •
产生新基因的途径， 生物变异的根本来源， 为生物进化提供了原始的材料。
2. 突变导致基因型改变
突变只改变基因型，而无可察觉的表型改变。
多态性 (polymophism)：是用来描述个体之间的基因 型差别现象。利用DNA多态性分析技术，可识别个体差
碱基对组成或排列顺序的改变。
时间：DNA复制时期，即细胞（有丝和减数）分裂间期。
基因的精确复制是相对的。一定的条件下基因结构发生变化变成一个新基因（突变基因）。 于是后代的表现型中也就出现祖先了从未有的新性状
基因突变
插入
┯┯┯┯ ＡＴＧＣ ＴＡＣＧ ┷┷┷┷
缺失 替换
┯┯┯┯┯ ＡＴＡＧＣ ＴＡＴＣＧ ┷┷┷┷┷ ┯┯┯ ＡＧＣ ＴＣＧ ┷┷┷ ┯┯┯┯ ＡＣＧＣ ＴＧＣＧ ┷┷┷┷
引起突变的原因-----人类史上的灾难
1986.4.26凌晨，前苏联乌克兰境内切尔诺贝利核电站发生大爆炸。 前后已有近万人死于这起事故，数十万人受到辐射伤害。其后患将会 影响人类一百年，是已知的世界最大核事故。这次事故在世界上造成 巨大影响，使各国重新考虑核能的安全性并加强了这方面的国际合作。
2公斤重的太 空茄
基因突变产生了新的基因，本来没有这个基因
而转基因技术是将现有的基因进行转移，并没产生新基因， 因此，不能算基因突变，只能是基因重组。
染色体变异主要是在细胞分裂前期,也可在其它时期
基因重组在减数分裂前期或后期 基因突变在细胞分裂间期（DNA复制时期）
1、普遍性。 2、随机性、不定向性。 3、低频性。高等动植物10-5～10-8，细菌10-4～10-10
２过程
①光复活酶与T=T结合形成复合物; ②复合物吸收可见光切断T=T之间的C-C共价键, 使二聚体变成单体;
③光复活酶从DNA链解离。
(二)切除修复 (excission repairing)
在DNA内切酶、外切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等共同
作用下，将DNA受损部位部分切除，并以其中一条链为模
DNA的损伤与修复
第一节
DNA损伤的概念、类型、意义
一 DNA损伤的概念
DNA损伤 (DNA damage) ： DNA分子结构的改变。
从分子水平看，DNA损伤指DNA分子上碱基的改变。
DNA损伤又称基因突变（gene mutation），由于DNA分子中
发生碱基对的替换、插入和缺失等,从而引起基因结构上发生
4
1 2
3
4 5
框移突变 (frame-shift mutation):
缺失和插入引起的三联体密码的阅读方式改
变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。
正常 5´… …GCA GUA CAU GUC … … 丙 缬 组 缬 缺失C 5´… …GAG UAC AUG UC … … 谷 酪 蛋 丝
(三)重排(rearrangement)
经历过太空遨游的辣椒种子，经宇宙射线照射大多 发生了遗传性基因突变。 太空椒的培育利用了可遗传的变异：基因突变
化学因素：
常见的化学诱变剂
化合物类别
碱基类似物 (如：5-BU)
羟胺类 (NH2OH) 亚硝酸盐 (NO2-) 烷化剂 (如：氮芥类)
分子改变
A→5-BU →G
T →C C →U G → mG
成了终止密码子，使蛋白质合成提前终止，因而蛋白质产物 一般是没有活性的。
3）错义突变
3）错义突变:
碱基序列的改变引起了产物氨基酸序列的改变。
有些错义突变严重影响蛋白质活性甚至完全无活性，而影响
表现型。如果该基因是必须基因，则称为致死突变。
有些错义突变的产物仍有部分活性，使表型介于野生型与突 变型之间的中间类型，称为渗漏突变。
1. 紫外线（UV）
DNA损伤主要是形成嘧啶二聚体。
T T
A A
嘧啶二聚体
P138
在DNA同一条链上，相邻的嘧啶受诱变因素 的刺激下，以环丁酰二聚体形式共价相连。 如TT、TC、CC等二聚体。
O ‖ H-N O N O ‖ N-H N O H-N O O ‖ CH3 CH3 ‖ N-H
CH3 CH3
两轮复制后,A-T转变为G-C.或G-C转变为A-T.
2-AP是腺嘌呤A的类似物，
既可与T配对，也可与C配对。
A.T→ 2-AP.T→2-AP.C→G.C G.C→2-AP.C→ 2-AP.T → A.T
吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对类似物，
易造成移码突变。
3 亚硝酸
亚硝酸可引起DNA分子中碱基脱氨。 如胞嘧啶C脱氨成为尿嘧啶U, 两轮复制后 DBiblioteka A分子中的G-C转变为A-T‖
‖ UV等 O N
N
O
嘧啶二聚体的形成，
减弱了双链之间氢键作用，
引起了DNA变形。如果生物体内修复 系统失灵，则细胞走向死亡。
T T
A A
2. 电离辐射
直接效应：DNA直接吸收射线能量而遭损伤。 间接效应：DNA周围其他分子（主要是水分子）吸收射线能
量产生高活性自由基进而损伤DNA。
结果：DNA的碱基损伤、DNA链断裂、DNA链交联。
平时，我们做实验，遇到的许多生化 试剂、同位素，其实是诱变剂；
蔬菜、水果上的农药；洗衣粉中荧光剂、 烷化剂，食品中的防腐剂…… 不仅，影响我们的蛋白、酶； 而且对我们的基因也有很大的危害！ 希望大家要警惕这种潜伏期长的癌变因 素！
第三节 DNA损伤的修复
修复 (repairing)：是指针对已发生的缺
2. 颠换 (transversion)：
异型碱基间的置换：嘌呤变嘧啶，嘧啶变嘌呤
基因突变的实例
正常红细胞
镰刀型红细胞
碱基对替换
(二)缺失(deletion)和插入(insertion)
缺失： 一个碱基或一段核苷酸链从 DNA大分子上消失 插入：DNA大分子上多了一个碱基或一段核苷酸链
1 2
3
异和种、株间差异。
3. 突变导致死亡
突变若发生在对生命至关重要的基因上，可导 致个体或细胞的死亡。
4. 突变是某些疾病的发病基础
包括遗传病、肿瘤及有遗传倾向的病。有些已
知其遗传缺陷所在。但大多数尚在研究中。
三、引发突变的因素
内部因素：
大量的突变属自发突变，发生频率为10-9。
外部因素：
主要有物理和化学因素。 这些因素可诱发突变，称诱变剂。
有些错义突变不影响或基本上不影响蛋白质的活性，不表现 明显的性状变化，称为中性突变。
（三）按其发生的原因:
1)自发突变（spontaneous mutation）：
在自然情况下发生的突变。
2)诱发突变（induced mutation）：
人们有意识地利用物理、化学诱变因素引起的突变 。
自发突变型和诱发突变间没本质上的不同， 诱变剂的作用也只是提高了基因的突变率。
陷而进行的补救机制。
(一)光修复 (light repairing)
O N R P R N O N N O R N O N O CH3 CH3 O R N N CH3 O O
UV
CH3
P
胸嘧啶二聚体 ( T T )
)
１概念：可见光存在条件下，在光复活酶作用下将UV引
起的嘧啶二聚体分解为单体的过程。
板，合成修复。
消除由UV引起的损伤，也能消除由电离辐射和化学诱变剂 引起的其他损伤。
切除片段可由几十到上万bp，分别称短补丁修复、长补丁
修复。
切除修复是一种多步骤的酶促反应过程：
1).内切酶识别损伤位点并在其两侧同时切割 2).外切酶除去两个切口之间的核苷酸 3).DNA合成 4).连接酶连接接口
3）致死突变：突变影响生物个体的生活力。
显性致死：杂合态即有致死效应。 隐性致死：纯合态时才有致死效应
4）条件致死突变：
在某些条件下致死，而在另些条件下成活的突变。
（二）从对遗传信息的改变:
1）同义突变: 碱基序列的改变没有引起产物氨基酸序列的
改变,与密码子的简并性有关。
2）无义突变:某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变
基因突变若发生在配子中（减数分裂时产
生）将遵循遗传规律传递给后代。
若发生在体细胞（有丝分裂），一般不能
遗传。人体某些体细胞的基因突变，有可能
发展成癌细胞。
(一)点突变 (point mutation)
——指DNA分子上一个碱基的变异（替换）。
1. 转换 (transition)：
同型碱基间的置换: 嘌呤代替另一嘌呤，嘧啶代替另一嘧啶