《分子生物学与基因工程》课程教学课件（讲稿）第三章 DNA的突变修复 重组和转座

DNA突变一（一）DNA突变：是指在基因内的遗传物质发生可遗传的结构和数量的变化。·来源：进化的动力！·DNA复制中的错配·遗传物质的物理和化学损伤·转座子DNA的插入造成的DNA序列变化·后果：DNA永久性不可逆改变，最终改变基因编码序列，称为基因突变。·DNA的某些化学变化使DNA不能再作为模板复制和转录

一、DNA突变 （一）DNA突变：是指在基因内的遗传物质发生可遗传的结构和数量的变化。 • 来源：进化的动力！ • DNA复制中的错配 • 遗传物质的物理和化学损伤 • 转座子DNA的插入造成的DNA序列变化 • 后果： • DNA永久性不可逆改变，最终改变基因编码序列，称为基因突变。 • DNA的某些化学变化使DNA不能再作为模板复制和转录。 2

(二)DNA突变来源·DNA分子结构的任何异常改变都可以看作是DNA损伤·1.自发性DNA损伤错配（mispairingormismatch)互变异构现象（tautomerism）DNA聚合酶的"打滑”(slippage)脱氨基作用。形成酮式-烯醇式或氨基-亚氨基的互变异构体当C或A以亚氢基形式存在时：发生A=C错配当G或T以烯醇式存在时：发生G=T错配不论是模板链或新生链有时都会发生碱基的“环出”的现象，引起一个或数个碱基的缺失或插入，3

（二）DNA突变来源 • DNA分子结构的任何异常改变都可以看作是DNA损伤 • 1.自发性DNA损伤 错配（mispairing or mismatch） 互变异构现象（tautomerism） DNA聚合酶的“打滑” （slippage） 脱氨基作用 • 形成酮式－烯醇式或氨基－亚氨基的互变异构体 当C或A以亚氨基形式存在时：发生A＝C错配 当G或T以烯醇式存在时： 发生G＝T错配 • 不论是模板链或新生链有时都会发生碱基的“环出”的现象，引起一个或数 个碱基的缺失或插入。 3

Nature cmutationCongequenes-0repiaresC-0脱氨基作用·胞嘧啶脱氨基作用（自发地或化学诱变剂)产CorrectedbremovingUUPurine pat生一个错配的U·G对。distorts dupleCSCaoia o1活性氧引起的诱变·氧化碱基8-0xoG（GO）（7，8-二氢-8-氧代鸟嘌呤）可与C，A配对，却无法校正。·DNA氧化损伤。碱基的丢失·DNA分子的自发水解

脱氨基作用 • 胞嘧啶脱氨基作用(自发地或化学诱变剂)产 生一个错配的U·G 对。 C U 4 活性氧引起的诱变 • 氧化碱基8-oxoG（GO）（7，8-二氢-8-氧代鸟嘌呤） 可与C，A配对，却无法校正。 • DNA氧化损伤。 碱基的丢失 • DNA分子的自发水解

2.环境因素对DNA的损伤（1）化学因素（化学诱变剂）①DNA-反应性化合：甲基化、氧化反应②碱基类似物：替代碱基③移码诱变剂：EB、吖啶（插入或缺失）（2）物理因素：紫外线、电离辐射（3）生物因素：病毒

5 2.环境因素对DNA的损伤 （1）化学因素（化学诱变剂） ①DNA－反应性化合：甲基化、氧化反应 ②碱基类似物：替代碱基 ③移码诱变剂：EB、吖啶（插入或缺失） （2）物理因素：紫外线、电离辐射 （3）生物因素：病毒

FIGURETSction of three base-modifying agents, (a) Nitrous acid (HNO) modifies (1) guanine, (2) cytosine, and (3) adenine. Theand adenine modifications reinmutationwhiletbguanineimodificationdoesnot(b)HvdrocvlaminiNH,OH) reacts only with cytosine. (c) Methylmethane sulfonate (MMs), an alkylating agent, alkylates (1) guanine and (2)ine. (Notec dr deoxyribove.)MutagenOriginal basrModilied basePairinapartnePredictectransition亚硝酸化学因素引起的DNA损伤id (HNO,)NoneDNA-反应性化合物（碱基-NH2cid CHNO-TA修饰剂，或直接诱变剂），例如亚硝酸或烷化剂或羟化剂等，它47GC们能直接作用于DNA而改变其羟胺碱基的结构。e(MMSAT烷化剂sultonste (MMs)stingagenTA-Co甲基硫酸乙酯6ThymineOe.MethvhvmineGuanint

化学因素引起的DNA损伤 DNA－反应性化合物（碱基－ 修饰剂，或直接诱变剂），例如 亚硝酸或烷化剂或羟化剂等，它 们能直接作用于DNA而改变其 碱基的结构。 亚硝酸 NH2 羟胺 烷化剂 甲基硫酸乙酯 6

(三）DNA突变类型·碱基替换：一种碱基变成另外一种碱基。转换：嘧啶到嘧啶，嘌呤到嘌呤。颠换：嘧到嘌呤，嘌岭到啶。·插入突变：DNA中插入一段外源DNA片段。·同义突变：某个碱基对的突变并不改变所编码的氨基酸。·错义突变：编码某种氨基酸的三联密码子变成了另外一种氨基酸的密码子。·无义突变：某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子突变为终正止密码子。。移码突变：由于某位点碱基的缺失或插入，引起阅读框架变化，造成下游的一系列密码改变

（三）DNA突变类型 • 碱基替换：一种碱基变成另外一种碱基。转换：嘧啶到嘧啶，嘌呤到嘌呤。颠 换：嘧啶到嘌呤，嘌呤到嘧啶。 • 插入突变：DNA中插入一段外源DNA片段。 • 同义突变：某个碱基对的突变并不改变所编码的氨基酸。 • 错义突变：编码某种氨基酸的三联密码子变成了另外一种氨基酸的密码子。 • 无义突变：某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子突变为终止密码子。 • 移码突变：由于某位点碱基的缺失或插入，引起阅读框架变化，造成下游的一 系列密码改变。 7

二、DNA损伤的修复·DNA应该如何应对损伤？·错配修复：恢复错配·碱基切除修复：切除突变的碱基·核酸切除修复：恢复被破坏的DNA·重组修复和非同源未端连接：修复双链断裂·DNA直接修复：恢复啶二聚体或甲基化DNA·跨损伤合成：越过损伤位点·SOS修复系统：应急修复

二、DNA损伤的修复 • DNA应该如何应对损伤？ • 错配修复：恢复错配 • 碱基切除修复：切除突变的碱基 • 核苷酸切除修复：恢复被破坏的DNA • 重组修复和非同源末端连接：修复双链断裂 • DNA直接修复：恢复嘧啶二聚体或甲基化DNA • 跨损伤合成：越过损伤位点 • SOS修复系统：应急修复 8

CHS(1)错配修复CHS5·子链中的错配几乎全被修复，Dam甲基ATADP+P,化酶让母链GATC中腺苷酸N6位甲基化。CHGCHA·四个基因：muts、mutL、mutH、MutL-MutseomplexATEMtADP+PmutD（UvrD解旋酶）·MutS：依据DNA变形识别错配碱基与之结合。HCH·MutL：激活MutH（切割）MutHMutH cleavestheunmodified strandCHACHS

（1）错配修复 • 子链中的错配几乎全被修复，Dam甲基 化酶让母链GATC中腺苷酸N6位甲基化。 • 四个基因： mutS 、 mutL、 mutH、 mutD（UvrD解旋酶） • MutS：依据DNA变形识别错配碱基， 与之结合。 • MutL：激活MutH（切割） 9

甲基化指导的碱基错配修复CHCH3'5'5'3'-MutsATP-Mutl-MutHADP+PCHSCHSCHSCHGMutL-MutsMutl-MutsDNA helicase IIDNA helicase IIATEexonucleaseVIlexonucleaselADP+PKADP+PKororyexonucleaseXRecJnucleaseCHACHaCHaCHaDNA polymerase IDNA polymerase IIISSBSSBCHSCHCHCH10

甲基化指导的碱基错配修复 10

CHoCHa3'55'3·错配碱基位于切口3'端下游时mutH,mutlmutS,ATPCHaCH,在MutL-MutS，解链酶llDNA外切酶VII或RecJ核酸酶的Nick|Exonuclease,mutL,muts,作用下，切除DNA，并在聚合酶fHelicase,ACHsCHaIII和SSB的作用下合成新的子链。DNA polymerase IIIholoenzyme,。错配碱基位切口5’端上游时，在tSSBDNAligaseCHaCH3DNA外切酶I或X的作用下，切除DNA，再合成新的DNA子链。Methyl transferaseCH3CHCH,CH11

• 错配碱基位于切口3’端下游时， 在MutL- MutS，解链酶II、 DNA外切酶VII或RecJ核酸酶的 作用下，切除DNA，并在聚合酶 III和SSB的作用下合成新的子链。 • 错配碱基位切口5’端上游时，在 DNA外切酶I或X的作用下，切除 DNA，再合成新的DNA子链。 11