2014DNA的损伤和修复

---紫外线照射还能引起DNA链断裂等损伤。
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：碱基脱落、碱基破坏、嘧啶二聚体形成、 DNA单链或双链断裂、DNA交联。
DNA链断裂：
电离辐射引起的严重损伤，断链数随照射剂量而增加。 单链断裂 双链断裂
2）无义突变:
某个编码氨基酸的密码子突变为终止密码子，多肽链合成提
前终止，产生没有生物活性的多肽片段，称为无义突变。
3）错义突变:
碱基序列的改变使一个密码子变成编码另一种氨基酸的密码子， 引起了氨基酸序列的改变。 错义突变可导致机体某蛋白结构及功能异常，从而引起疾病。

严重影响蛋白活性甚至完全失活，影响表现型。
胞嘧啶
腺嘌呤
次黄嘌呤
次黄嘌呤
例2: 胞嘧啶Ｃ脱氨基后变成尿嘧啶Ｕ。
例3：
鸟嘌呤G→黄嘌呤X
鸟嘌呤 G
黄嘌呤 X
氧化脱氨 引起双链碱基配对的变化：
5’…C… → …U… 3’…G… → …A…
5’…A… → …H… 3’…T… → …C… 5’…G… → …X… 3’…C… → …C…



这些交联是细胞受电离辐射后在显微镜下看到的染色体畸变
的分子基础，会影响细胞的功能和DNA复制。
DNA链的交联：
损伤
交联
两条双链DNA 这种“X”型的交联，导致染色体畸变，细胞容易死亡。
三、化学因素对DNA的损伤 1. 碱基类似物
皮肤、神经系统、造血器官和消化系统的改变最为明显
生育能力受损、致癌和胎儿死亡和畸形。
时间防护 + 距离防护 + 屏蔽防护
人类史上的灾难

1945.8 日本广岛、长崎原子弹事件，当地居民受核辐射影响，肿瘤、
白血病的发病率明显增高。

1986.4 前苏联切尔诺贝利核电站爆炸 2011.3，日本福岛核电站泄漏
DNA的损伤与修复
刘国红
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复制过程中发生的DNA核苷酸序列的改变。 从分子水平看，指DNA分子碱基顺序或数目的改变。

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 基因结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。
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:
碱基臵换后，原密码子变成了另一个密码子，但由于密码子 的简并性，因而改变前、后密码子所编码的氨基酸不变，故 实际上不会发生突变效应。 同义突变约占碱基臵换突变总数的25﹪。
变化规律： 嘧啶1→嘧啶2 嘌呤1→嘌呤2 都是转换型突变。
突变产物“U、H、X”都 不是DNA的常规碱基。 只有第三种变异危害小些。
b 脱嘌呤---碱基脱落
碱基和脱氧核糖间的糖苷键破坏，引起一个鸟嘌呤或腺嘌 呤从DNA分子上自发脱落或水解，造成某些位点无碱基存在。 这些空缺位点称无碱基位点（apurine site）,简称AP位点。 嘧啶碱基与脱氧核糖间的糖苷键稳定程度高，不易脱落。 生理条件下，嘌呤容易脱落且速度较快，是嘧啶的20倍。
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 )
)
T
T
A A ----嘧啶二聚体的形成，减弱了双链间氢键作用，引起DNA变形。 如果生物体内修复系统失灵，则细胞走向死亡。


人皮肤因紫外线照射形成二聚体频率可达每小时5×104细胞， 局限在皮肤中，因为紫外线不能穿透皮肤。 但微生物受紫外线照射后，就会影响其生存。
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。
正常
正常
如： 腺嘌呤A的互变异构体A’ 可与胞嘧啶C配对，致A-C错配。
A’ 异构 A A 异构 T T A’ 复制
C
A T
C
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磷酯键断裂。 自由基还可引起碱基损伤或脱落。
地中海贫血
(三)重排(rearrangement)
指DNA分子内发生较大片段的交换，也称重组。
移位的DNA片段可在新位点颠倒方向反置（倒位），
也可在染色体之间发生交换重组。
DNA转座
DNA断裂错接
Hb Leporeδβ基因的形成的机制
二、突变的意义(后果)
1.产生新基因，出现新性状。

功能获得或功能丧失
如果该基因是必须基因，则称为致死突变。

产物仍有部分活性，表型介于野生型与突变型之间，称渗漏突变。 不影响或基本不影响蛋白活性，无明显表型变化，称中性突变。
（三）按其发生的原因:
1)自发突变（spontaneous mutation）：
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 。

时间：DNA复制时期，即细胞分裂间期（有丝分裂和减数分裂）

基因突变若发生在体细胞，则影响其功能和生存。 可导致疾病甚至癌变或死亡。 不遗传

若发生在生殖细胞，则可能影响后代。可遗传
代代相传
基因突变的形式 ┯┯┯┯
┯┯┯┯ ＡＴＧＣ ＴＡＣＧ ┷┷┷┷
ＡＣＧＣ ＴＧＣＧ ┷┷┷┷ 替换 ┯┯┯ 缺失 ＡＧＣ ＴＣＧ ┷┷┷ 插入 ┯┯┯┯┯ ＡＴＡＧＣ ＴＡＴＣＧ 重排 ┷┷┷┷┷ ┯┯┯┯ ＡＧＴＣ ＴＣＡＧ ┷┷┷┷
.
.
核苷 核苷酸：磷酸-----戊糖-----含氮碱基
磷酯键 N糖苷键
核苷酸与核苷酸之间是磷酸二酯键
二、物理因素引起的DNA损伤
1
紫外线（UV）
短波紫外 220-320nm 基因 嘧啶二聚体形成 光化学产物 蛋白和酶的改变 活性氧自由基
长波紫外
320-400nm
DNA损伤主要是形成嘧啶二聚体。 DNA同一条链上，相邻的嘧啶受诱变因素作用， 以环丁烷嘧啶二聚体形式共价相连。 如TT、TC、CC等二聚体。
AT→TA或CG, GC→CG或TA
点突变-镰刀形细胞贫血
常染色体隐性、单基因遗传病，携氧功能只有正常红细胞的一半
正常红细胞
镰刀形红细胞
异常血红蛋白β链的第6位谷氨酸被缬氨酸所代替,导致红细胞形状改变。 碱基颠换 AT→TA
(二)插入(insertion)和缺失(deletion)
插入：DNA大分子上多了一个碱基对或一段核苷酸片段 缺失：一个碱基对或一段核苷酸链从DNA大分子上消失
插入
1 2
3
4
1 2
3
4 5
改变了基因核苷酸的数目
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，
造成蛋白质氨基酸种类、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
3’
3’ 5’
5’外切酶 3’
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错配修复

错配修复可以纠正几乎所有的错配。 错配修复是以底物链上的信息为模板进行的，因此这个系 统有区分底物链和新合成链的机制，细胞通过识别DNA链 的甲基化状态来区分底物链和新合成的链。


整个修复过程可以分为识别、切除和修补等步骤。
。
大肠杆菌: 无修复机制时---错配率10-2 DNA聚合酶“校读“后---10-6 错配修复系统的校改后---- 10-10
（由于环境的恶化，基因突变的频率越来越高）
4、可逆性
野生型基因
正突变 回复突变
突变型
回复突变率一般低于正突变率。
5、多害少利性
五、突变的类型
（一）从突变的表型：
1）形态突变：突变影响生物的形态结构。
2）生化突变：突变影响生物的代谢过程，
导致某特定生化功能的改变或丧失。
3）致死突变：突变影响生物个体的生活力。
有些疾病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）。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。
物理因素：
紫外线和各种电离辐射
(一)点突变 (point mutation)
指DNA分子上一个碱基对的变异：碱基替换 base substitution
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
AT→GC 及 GC→AT
2. 颠换 (transversion)：
异型碱基间的置换：嘌呤变嘧啶，嘧啶变嘌呤
波长100-400nm
1.紫外线（UV）
真空紫外 短波紫外 长波紫外
100-200nm 220-320nm 320-400nm
2.电离辐射
指波长短、频率高、能量高的射线。 一切能使物质发生电离的辐射总称。 种类很多
带电粒子： α 粒子、β 粒子、质子 不带电粒子：中子、 γ 射线、X射线 天然辐射： 太阳、宇宙射线、地壳中的放射性同位素 人造辐射： 医院 工业