修复与重组解析
分子生物学 6 DNA 损伤、修复和重组
吖啶橙、原黄素、吖黄素等吖啶类染料 嵌合到DNA碱基对之间 base addition /deletion / frameshift mutation
DNA损伤（DNA damage）
自发损伤: 脱氨基/ 脱嘌呤 外源损伤: 1. 氧化损伤 (需氧细胞) 活性氧：超氧化物，过氧化氢和羟自由基（· OH） 8-氧鸟嘌呤，2-氧腺嘌呤，5-甲酰尿嘧啶 2. 烷基化损伤 影响DNA复制和转录时的解旋 多数是间接诱变 3. 加成损伤 嘧啶二聚体 苯并芘（肝脏细胞色素P-450） 双环氧物-G 芳基化试剂 黄曲霉毒素B1（肝致癌剂）
DNA损伤、修复和重组
突变和突变发生
（mutation and mutagenesis) DNA损伤（DNA damage） DNA修复（DNA repair） 重组（recombination）
突变概念
突变（mutation） DNA分子碱基序列的可遗传改变 突变体（mutant） 与野生型（+）相对 突变剂（mutagen） 突变发生（mutagenesis） 自发突变（spontaneous mutation） 诱发突变（induced mutation）
突变类型 1. DNA碱基序列改变的多少 单点突变（point mutation） 碱基替换（base substitution） 转换（transition） A-T G-C 颠换（transversion）A-T T-A 碱基增加（base addition） 碱基删除（base deletion） 多点突变（multiple mutation）
BER
5' 3' UvrABC 3' 5' 3' 5' Pol I (或δ和ε） 5' 3' DNA glycosylase 5' 3' AP内切核酸酶 5' 3' 进一步酶切
分子生物学中的DNA修复和重组
分子生物学中的DNA修复和重组在分子生物学中，DNA修复和重组是两个非常重要的概念。
DNA修复是指在细胞中修复DNA受损的过程，而DNA重组则是指在细胞中将DNA片段组合成新的DNA序列的过程。
这两个过程在生命的演化中起到了非常重要的作用，下面将详细介绍这两个过程的原理和应用。
DNA修复DNA受到外部物理和化学因素的影响时，如紫外线辐射、化学物质、放射线、热能等，会引起DNA分子的损伤。
DNA分子的损伤对于细胞来说是非常危险的，因为这些损伤可能导致基因突变、染色体畸变、细胞凋亡、肿瘤等病理现象的发生。
因此，DNA修复是保证基因稳定性和遗传稳定性的关键。
细胞内的DNA 修复机制主要分为三种基本类型：直接复制、切除复制和非切断复制。
直接复制是DNA受到伤害后，单纯地将DNA分子的二条链区分开来，然后再用同样的片段来修复它。
这种修复方式有时可能会造成不完全复制，从而导致基因突变或者染色体畸变。
切除复制是细胞发现存在某些损伤区域后，将其划定为一个区域，并且感知整个区域的基因信息。
细胞塔将周围的损伤部分切掉，通过粘贴的方式，使整个区域得到修复，从而保证基因稳定性。
切除复制主要包括核苷酸切失修复和错误配对修复两种机制。
非切割复制主要是一种高保真复制的方式，通过对DNA分子的一部分进行修复，使得DNA的各种结构和信息得到完整。
非切割复制包括模板交替和泛素修复两种方式，泛素修复主要可以修复一些氧化损伤和热能损伤产生的大量碳静电等不完全摩尔的DNA骨架。
DNA重组DNA重组是细胞在进行分裂过程中，将DNA的片段重新组合成新的DNA序列的过程。
在染色体重组的过程中，染色体发生了断裂和重组，通过断裂前后的DNA重组，使得基因序列得到重新组合，从而形成新的复合基因、新的生物种类等新的生物体。
这种DNA重组既是自然界演化的一种方式，也是人工改良可行性研究基因工程的基础。
DNA重组主要包括两个过程：DNA分子的断裂和DNA分子的重组。
生物学中的DNA重组与修复机制研究
生物学中的DNA重组与修复机制研究DNA是生物体内的遗传物质，是维护遗传信息和指导遗传变异的基础。
DNA的稳定性对生物体的发育和生命周期至关重要。
然而，由于环境因素的影响或自然现象的发生，DNA的完整性会受到破坏。
如何维护DNA的完整性，使DNA在细胞分裂和重组过程中得到正确复制和传递，是生物学研究的一个重要方向。
本文着重探讨DNA重组与修复机制的研究进展。
一、DNA重组DNA重组指的是DNA在细胞内发生交换基因片段的现象，这是指在DNA链断裂之后互相交换碎片以形成新串，为避免出现新链的某个位置断开，要所有碎片都交换。
DNA重组与遗传多样性密切相关，同时也能通过配合细胞周期和表观遗传调控等方式，维护DNA的稳定性。
DNA重组的机制包括三种类型：同源重组，非同源重组和定向断裂重组。
同源重组是指两条切有重叠区域的DNA链互相交换片段；非同源重组是指不同染色体或DNA不同区域间的重组；定向断裂重组是指重组之前两个DNA链发生特定位置的断裂，这种重组方式最为复杂。
DNA重组在生物多样性和遗传变异中起着重要作用。
酵母、鼠、果蝇、茧蜂等模式生物DNA重组的研究取得了很多进展。
酵母中的DNA重组实验研究发现，DNA重组受到细胞周期、细胞寿命、DNA损伤、环境因素等因素的调控。
DNA重组的进一步研究有助于深入了解DNA的修复机理和疾病发生的分子机理。
二、DNA修复DNA修复是指DNA受到损伤或破损后，细胞通过相关的修复过程及机制重新修复DNA，使其回到正常状态。
DNA损伤的原因有很多，如紫外线、放射线、污染物等，DNA损伤不仅会导致细胞功能异常，还会引发疾病。
DNA修复的主要机制包括直接修复、基础切除修复、核苷酸切除机制、错配修复和非同源连接等，其中基础切除修复和核苷酸切除机制是最为普遍和重要的。
基础切除修复是指一些酶通过切断损伤的DNA环状结构、切除周围有损伤链的碱基来修复损伤，细胞中最常见的修复机制之一。
核苷酸切除机制是通过切除DNA中的损伤区域、将其取代的新片段连接回来，实现基因的修复。
细胞核内的DNA修复与重组过程
细胞核内的DNA修复与重组过程在生物体中，细胞核是一个重要的细胞器，它包含了生物体中的遗传物质，即DNA。
DNA是生命的基础，它是生物体中所有遗传信息的载体。
然而，DNA是非常容易受到损伤的，诸如紫外线、化学物质和电离辐射等因素都能对DNA造成损害。
如果不及时修复，这些损伤就会引起严重的生物学后果，甚至会导致DNA突变、基因突变等严重的生理疾病。
因此，DNA的修复和重组过程非常重要。
DNA修复过程是指当DNA受到损伤后，细胞通过各种途径修复DNA的损伤，保证DNA序列的准确性和完整性的过程。
DNA修复分为三种方式：直接修复、拼接修复和替换修复。
直接修复是指对DNA中的异常结构，如气体和金属离子等，直接进行修复。
拼接修复有两个亚型：非同源末端连接和同源性修复。
非同源末端连接是在DNA双链断裂时连接两个不同的DNA片段，而同源性修复则是选取合适的DNA同源物质使其进行修复。
替换修复是指通过嵌合DNA在受损位点产生一个完整的DNA分子替换受损的DNA分子。
细胞核内的DNA重组过程是指DNA分子中两个不同的DNA片段通过某种机制连接起来形成新的DNA序列的过程。
DNA重组过程包括三种方式：同源重组、非同源重组和复合型重组。
同源重组是指同一条染色体中两个不同的DNA片段之间发生的重组修复。
非同源重组是指发生在两个不同的染色体中的DNA重组。
复合型重组包含着同源重组和非同源重组，同时还有Homologous Recombination (HR)和Non-Homologous End Joining (NHEJ)两种方式。
Homologous Recombination (HR) 是细胞中一个常见的DNA重组方式，它是同源重组的一种方式。
在Homologous Recombination 过程中，损失的DNA段被同源染色体上的DNA片段所复制，然后与另一副染色体的DNA进行配对，每个互补碱基的配对碱基后，发生突然切换重组。
F_DNA 损伤、修复和重组
2. 根据是否有突变剂的参与
突变发突生变类发型生
自发突变（spontaneous mutation） 1. 碱基错配／错配修复(mismatch repair) 2. 碱基互变异构： 亚氨基A*- C, C*-A；烯醇式T*- G, G*-T 3. 脱嘌呤(depurination)／AP endonucleases 4. 脱氨基(deamination) CU / 尿嘧啶-N-葡糖基酶
GAG (Glu) UAG (Stop)
渗漏突变（Leaky mutation） 人的蚕豆病（葡萄糖-6-磷酸脱氢酶）
移框突变（frameshift mutation）
3. 对外界环境的敏感性 非条件突变（nonconditional mutation） 条件突变（conditional mutation） 温度敏感型突变 (ts mutant,temperature-sensitive)
突变发生类型
1. 根据错误碱基的产生方式
直接诱变 (direct mutagenesis) 错配碱基没有被DNA修复系统去除 如：5-BU
间接诱变 (indirect mutagenesis) 转移损伤DNA合成 （translesion DNA synthesis） 在下一轮复制： 模板链可以修复/子链产生突变 定向的（targetted）/非定向的（untargetted） SOS修复系统（原核生物） DNA聚合酶ζ（真核生物 ）
DNA损伤、修复和重组
突变和突变发生 （mutation and mutagenesis)
DNA损伤（DNA damage） DNA修复（DNA repair） 重组（recombination）
突变概念
突变（mutation） DNA分子碱基序列的可遗传改变
生殖细胞发育过程中的染色体重组与修复
生殖细胞发育过程中的染色体重组与修复生殖细胞发育过程中，染色体的重组和修复是非常重要的。
染色体重组是指在生殖细胞发育过程中，染色体的配对和交换过程，它是形成新个体的必要过程。
而染色体修复则是指染色体在发生损伤后的修复过程，它保证了细胞的稳定性和遗传信息的完整性。
一、染色体重组染色体重组是指在生殖细胞发育过程中，染色体的配对和交换过程。
这个过程在有性生殖中非常关键，它使得染色体的基因组得以重新组合，形成新个体的基因组多样性。
染色体重组主要分为两个过程：染色体配对和染色体交换。
（一）染色体配对染色体配对是指在生殖细胞发育过程中，同源染色体之间互相配对。
也就是说，一个来自母亲的染色体会与同样来自母亲的染色体配对，而来自父亲的染色体也会与同样来自父亲的染色体配对。
通过这个过程，同源染色体之间的非交叉区域可以通过基因重组互相结合形成新的组合。
（二）染色体交换染色体交换是指在染色体配对之后，同源染色体之间产生交叉的过程。
在这个过程中，同源染色体之间的某个部分发生交叉，交换了一些基因。
交换后形成的染色体上，基因的组合顺序发生了改变。
这个过程增加了染色体上的遗传信息的组合多样性。
二、染色体修复染色体修复是指在染色体发生损伤后的修复过程。
染色体中的损伤会引起遗传信息的变异或丢失，因此，染色体修复过程的正确性非常重要。
染色体的修复主要有三种机制：切除修复、交叉修复和不完全互补修复。
（一）切除修复切除修复是指当染色体中出现断裂或损伤时，发生同源重组修复的过程。
在这个过程中，损伤的DNA段会被切除，并以同源染色体为模板进行重组修复。
（二）交叉修复交叉修复是指在染色体交换的过程中，发生非同源交换的过程。
在这个过程中，两个不同来源的染色体之间交换了一部分基因序列，因此基因序列的顺序发生了变化。
（三）不完全互补修复不完全互补修复是指当染色体损伤时，受损染色体的信息被遗失，但在染色体重组过程中，遗失的信息被另一个同源染色体所补充。
重组修复名词解释
重组修复名词解释重组修复是一种在生物学中常见的修复机制，指的是染色体上发生重组的过程。
染色体是一种由DNA和蛋白质组成的结构，承载着细胞遗传信息。
重组修复是指在染色体上的DNA分子发生断裂时，通过重新组合、修复过程来恢复DNA的完整性。
在细胞分裂和繁殖过程中，染色体上的DNA分子会不可避免地发生断裂。
这些断裂源自于内外部因素的影响，如辐射、化学物质等。
DNA分子的断裂会导致基因丢失、基因排列的错位等问题，对细胞的遗传稳定性和正常功能产生重大影响。
重组修复的目的是恢复DNA的完整性。
当DNA分子发生断裂时，细胞中的相关酶和蛋白质会介入修复过程。
首先，DNA链断裂的两端会被特定的酶修剪，形成过度悬挂的单链末端。
然后，细胞会寻找到与分裂片段相互匹配的相同或相似的DNA序列，并将其用作模板。
接下来，DNA链的重组修复就会发生，通过将损坏的DNA断裂端与模板DNA分子进行配对，恢复DNA的完整性。
最后，经过连接酶的作用，两端的DNA分子重新连接在一起，形成完整的染色体结构。
重组修复的机制有多种方式。
最常见的是同源重组修复（homologous recombination repair，HR），它发生在有着相同或相似序列的两条DNA分子之间。
当一条DNA分子发生断裂时，细胞会通过寻找另一条同源的DNA分子作为模板，来修复断裂的DNA。
此外，还有非同源末端连接（non-homologous end joining，NHEJ）和替身链合成（translesion synthesis，TLS）等重组修复机制。
重组修复在生物体中起着至关重要的作用。
它不仅有助于维持基因组的稳定性，还可以修复DNA上的各种损伤，如双链断裂、碱基损伤等。
如果重组修复机制发生异常，将导致染色体不稳定、基因突变等严重后果。
染色体不稳定性与癌症等疾病的发生密切相关。
总之，重组修复是一种细胞内的修复机制，通过重新组合和修复 DNA 分子来恢复染色体的完整性。
损伤修复和重组
SM（Sulfur Mustards gas）硫芥
HS CH2CH2Cl CH2CH2Cl
➢嵌入染料（intercalating dye）
✓ 吖啶染料：美国癌症研究所以吖啶分子为基础，
人工合成的一类诱变剂。
AO（Acridine Orange）吖啶橙 扁平分子
EB（Ethidium Bromide）溴化乙锭
3、重组修复（recombination repair）
实质：并非修复，而是“稀释”。
4、错配修复（mismatch repair）
DNA polymerase
ligase dam gene
m6A甲基化酶
MCE（mismatch correct enzyme）
3 subunits mutH, L, S
遗传信息发生错误的原因：
✓ 一些理化因子作用于DNA，改变碱基结构； ✓ DNA在复制过程中发生错配； ✓ DNA重组； ✓ 外源基因的整合。
保证遗传稳定的机制--DNA修复
第二节. DNA修复（ DNA repairing ）
• DNA的修复（DNA repairing）：是细 胞对DNA受损伤后的一种反应，这种反 应可能使DNA结构恢复原样，重新能执 行它原来的功能；但有时并非能完全消 除DNA的损伤，只是使细胞能够耐受这 DNA的损伤而能继续生存。
-ATTTTTCG - AO -TAAAAAGC- EB
分子插入
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第九章DNA 修复与重组
一，填空题
1.在大肠杆菌中发现了( ) 种DNA聚合酶。
DNA修复时需要DNA 聚合酶（）。
2.真核生物中有5种DNA聚合酶，它们是:(1) （）(2)（）(3)（）(4)（）(5) （）。
3.在DNA修复过程中，需要第二种酶，( )，作用是将DNA 中相邻的碱基( )起来。
( )DNA聚合酶具有外切核酸酶的活性。
有两种外切核酸酶的活性，它们分别从( )和( )降解DNA。
DNA聚合嗨只有( )外切核酸酶活性。
4.只有真核DNA聚合酶( )和( )显示外切核酸酶活性。
5.DNA大多数自发变化都会通过称之为( )的作用很快被校正，仅在极少情况下，DNA将变化的部分保留下来导致永久的序列变化，称为（）。
6.偶然情况下，在同一基因两个稍微不同拷贝(等位基因)间发生重组的过程中，一个等位基闲经过（）过程会被另一等位基因代替。
7.通过（）基因重组，游动DNA序列和-一些病毒可进入或离开一条目的染色体。
8.DNA修复包括3个步骤: （）酶对DNA链上不正常碱基的识别与切除，（）酶对已切除区域的重新合成，（）酶对剩下切口的修补。
9.一种主要的DNA修复途径称（），包括一系列（）酶，它们都能识别并切去DNA上不正常碱基。
l0.（）途径可以切去任何造成DNA双螺旋大片段改变的DNA 损伤。
11.大肠杆菌中，任何由于DNA损伤造成的DNA复制障碍都会诱导（）的信号，即允许跨过障碍进行复制，给细胞一个生存的机会。
12.在（）中，基因交换发生在同源DNA序列间，最常见是发生在同一染色体的两个拷贝区。
13 .在交换区域，，一个DNA分子的一条链与另一个DNA分子的一条链相互配配对，在两个双螺旋间形成一个（）。
14.通过（），两个单链的互补DNA分子一起形成一个完全双链螺旋，人们认为这个反应从一个慢的（）步骤开始。
15.大肠杆菌的染色体配对需要（）;它与单链DNA结合并使同源双链DNA与之配对。
16.一般性重组的主要中间体是（），也用它的发现者名字命名。
二、选择题（单选或多选）
1. 关于DNA的修复，下列描述中，哪些是不正确？（）
（a)UV照射可以引起嘧啶碱基的交联
（b)DNA聚合酶Ⅲ可以修复单链的断裂
(c)双链的断裂可以被DNA聚合酶Ⅱ修复
（d)DNA的修复过程中需要DNA连接酶
(e)细菌可以用一种核酸内切酶来除去受损伤的碱基
（f) 糖苷酶可以切除DNA中单个损伤的碱基
2.DNA最普遍的修饰是甲基化，在原核生物中这种修饰的作用有:( )
(a)识别受损的DNA以便于修复
(b)复制之后区分链，以确定是否继续复制
(c)识别甲基化的外来DNA并重组到基因组中
(d)保护它自身的DNA免受核酸内切酶限制
(e)识别转录起始位点以便RNA聚合酶能够正确结合
3.单个碱基改变是DNA损伤的一种形式，它们:( )
(a)影响转录但不影响复制，在此过程中一个ATG起始密码可能被修改
(b)影响DNA序列但不影响DNA的整个结构
(c)将继续引起结构变化但不影响复制循环
(d)可能由错配复制或酶的DNA修饰(如脱氨基)所引起
(e)可以由UV照射(如嘧啶二聚体)或加成化合物形成(如烷基化)所引配
4.错配修复是基于对复制期间产生的错配的识别。
下列叙述正确的是:( )
(a)UvrABC系统识别并靠DNA聚合酶l促使正确核苷酸的引入而使错配被修复
(b)假如识别发生在被重新甲基化的半甲基化DNA之前，那么修复可能偏向野生型序列(Dam甲基化，MutH，MutSL)
(c)错配一般由单链交换所修复，这要靠RecA蛋白恢复止常拷贝序列的能力
(d)错配修复也可被认为是对DNA的修饰活动，如去烷垫化或再氨基化，但是不会替换损伤的核苷酸
(e)错配修复是靠正常情况下被LexA蛋白抑制的修复功能完成的(SOS反应)
5.非均等交换:( )
(a)发生在同一染色体内
(b)产生非交互重组染色体
(c)改变了基因组织形式，末改变基因的总数
(d)在染色体不正常配对时发生
(e)减少一个基因簇的基因数，同时增加另一个基因簇的基因数
6.许多细菌在它们的基因组中几乎平均分配重组敏感热点，这些热点在大肠杆菌E.coli中称为chi,它们是:( )
(a)是双链经常断裂的部位，它可来诱导重组
(b)是单链经常断裂的部位，导致单链同化作用
(c)是RecBCD复合物作用的位点，在这些位点，受双链断裂激活的RecBCD 复合物切开一个自由3'-OH端
(d)是顺式作用元件，在该元件内可以产生一个单链的自由3'-OH末端
(e)是RecA蛋白结合的DNA位点，RecA蛋白从该位点沿着DNA移动直到断裂点
三、判断题
1.拓扑异构酶I和Ⅱ可以使DNA产生正向超螺旋。
2.拓扑异构酶I解旋需要A TP酶。
3.RNA聚合酶I合成DNA复制的RNA引物。
4.线粒体DNA的复制需要使用DNA引物。
5.噬菌体整合到大肠杆菌基因组上是由一个位点专一的拓扑异构酶（整合酶)催化的，它可以识别在两条染色体上短的特异DNA序列。
6.在真核生物染色体DNA复制期间，会形成链状DNA。
7.所有已知的基因转变都需要一定量的DNA合成。
8.根据不同物种同一蛋白质中氨基酸的不同来估计突变率往往较实际的突变率低，因为一些突变体由于危及蛋白质功能，在选择压力下从种群中消失。
9.因为组蛋白H4在所有物种中都是一样的，可以预期该蛋白基因在不同物种中也是一样的。
10.DNA修复机制有很多种，但所有这些机制都依赖于二倍体染色体上两套遗传信息的存在。
11.自发的脱嘌呤作用和由尿嘧啶DNA糖基化酶切去-个已脱碱基的胞嘧啶都会产生可被无嘌呤嘧啶内切核酸酶作为底物识别的同样的中间产物。
12.DNA修复的第一步是由专用不修复过程的酶催化的，下面的步骤由DNA 代谢过程中的常用酶催化。
13.大肠杆菌中SOS反应的最主要作用是通过在原始DNA损伤区域附近导入补偿突变来提高细胞存活率。
14.DNA中四个常用碱基自发脱氨基的产物，都能被识别出来。
15.在细菌细胞中，短片段修复是由损伤诱导的。
相反，长汁段修复是组成型的，且往往涉及约1500一9000bp损伤DNA叶段的替换。
16.真核生物中DNA的修复没有原核生物重要，这是因为体细胞的二倍体特征。
17.一般性重组需要交换的双方都有一长段同源DNA序列，而位点专一重组仅需要短而专一的核苷酸序列，在某些情况下，只需要交换双方中的一方具有该序列即可。
18.一般性重组包括DNA片段的物理交换，该过程涉及DNA骨架上磷酸二酯键的断裂和重新形成。
19.RecA蛋白同时具有位点专一的单链切割的活性和将单链从双螺旋DNA分子上脱离的解旋酶的功能，但需要依赖于A TP的活性。
20.大肠杆菌的单链结合蛋白通过与糖—磷酸骨架结合并使碱基暴露，从而解开单链上的短发夹结构。
21. RecA蛋白同时与单链、双链DNA结合，因此它能催化它们之间的联会。
22.交叉链互换包括交叉链和末交叉链，至少其中一条链的磷酸骨架断裂才可能使这个过程逆转。
23.基因转变是真菌类偶然改变性别的方式;正常情况下，一次接合等量的雄性与雌性孢子，但偶然也会出现1:3或3:1的比例。