染色体和DNA损伤修复和转座.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,资料仅供参考,不当之处，请联系改正。,DNA,损伤,是指正常,DNA,分子的化学结构或物理结构在某些物理因素、化学因素（如射线和化学试剂,),以及细胞自发产生的基因毒素等干扰作用下发生改变的现象。,(,一,)DNA,的损伤,DNA,单链断裂,双链断裂,糖基氧化,碱基修饰,DNA,链间交联,DNA,与蛋白质之间的交联,1,、,DNA,的自发性损伤,由,DNA,内在的化学活性以及细胞中存在的正常活性化分子所致。,常见的,DNA,自发性损伤类型,（,1,）脱嘌呤和脱嘧啶,自发的水解可使嘌呤和嘧啶从,DNA,链的核糖磷酸骨架上脱落下来。一个哺乳类细胞在,37,条件下，,20h,内,DNA,链上自发脱落的嘌呤约,1000,个、嘧啶约,500,个；估计一个长寿命不复制繁殖的哺乳类细胞（如神经细胞）在整个生活期间自发脱嘌呤数约为,10,8,，这占细胞,DNA,中总嘌呤数约,3%,。,概念,（,2,）碱基的脱氨基作用,碱基的环外氨基有时会自发脱落，从而胞嘧啶会变成尿嘧啶、腺嘌呤会变成次黄嘌呤（,H,）、鸟嘌呤会变成黄嘌呤（,X,）等，遇到复制时，,U,与,A,配对、,H,和,X,都与,C,配对就会导致子代,DNA,序列的错误变化。胞嘧啶自发脱氨基的频率约为每个细胞每天,190,个。,（,3,）碱基的互变异构,DNA,中的,4,种,碱,基各自的异构体间都可以自发地相互变化（例如烯醇式与酮式,碱,基间的互变），这种变化就会使,碱,基配对间的氢键改变，可使腺嘌呤能配上胞嘧啶、胸腺嘧啶能配上鸟嘌呤等，如果这些配对发生在,DNA,复制时，就会造成子代,DNA,序列与亲代,DNA,不同的错误性损伤。,（,4,）细胞正常代谢产物对,DNA,的损伤,细胞呼吸的副产物,O,2-,、,H,2,O,2,等会造成,DNA,损伤，能产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等,碱,基修饰物，还可能引起,DNA,单链断裂等损伤，每个哺乳类细胞每天,DNA,单链断裂发生的频率约为,5,万次。,此外，体内还可以发生,DNA,的甲基化，结构的其他变化等，这些损伤的积累可能导致老化。,(1),高能离子化辐射,（如,X,射线、,射线）,(2),非离子化辐射,（如紫外线）,2,、物理因素导致的,DNA,损伤,3,、化学因素导致的,DNA,损伤,引起,DNA,损伤的化学因素主要有两大类：,烷化剂,和,碱基类似物,。,（,1,）烷化剂导致的,DNA,损伤,烷化剂,是一类亲电子的化合物，极容易与生物体内的有机物大分子（如核酸和蛋白质）的亲核位点起反应，可将烷基（如甲基）加入到生物大分子的亲核位点上。,烷化剂对核,DNA,作用时，就可以将烷基加到核酸的碱基上去。,DNA,链上的磷酸二酯键被烷化则形成不稳定的磷酸三酯键，可能在糖与磷酸间发生水解作用，导致,DNA,链的断裂。,（,2,）碱基类似物导致的,DNA,损伤,碱基类似物,是一类结构与碱基相似，可改变碱基配对特性的正常碱基衍生物或人工合成的化合物。,它们进入细胞以后，便能替代正常的碱基而掺入到,DNA,链中，干扰了,DNA,的正常合成。最常见的碱基类似物是,5-,溴尿嘧啶（,5-BU,）。,DNA,损伤的修复,是指,DNA,受到损伤后，组织细胞内发生的使,DNA,的化学组成和核苷酸序列重新恢复或使细胞对,DNA,损伤产生,耐受,的一系列反应。,1,、直接修复,（教材,P.55,）,直接修复是指不需要移去任何碱基或核苷酸就可以将损伤逆转到正常状态的修复机制。它属于无差错直接修复，也是生物体内最简单的一种修复方式。,(,二,)DNA,损伤的修复,光复活作用,是最早发现的一种高度专一的修复方式，它只作用于紫外线引起的,DNA,嘧啶二聚体的损伤修复。,光修复酶,(Photoreactivating enzyme),或光裂合酶,(Photolyase),（,1,）光复活,光复活酶催化的光复活反应,形成嘧啶二聚体,光复合酶结合于损伤部位,酶被可见光激活,修复后酶被释放,（,2,）断裂键的连接,（,3,）直接插入嘌呤,（,4,）烷基转移修复,DNA,连接酶,DNA,嘌呤插入酶,E.coli,细胞中存在一种酶叫,O,6,-,甲基鸟嘌呤转移酶，该酶可直接从突变的,O,6,烷基鸟嘌呤上除去烷基，酶作用后即失活。它也属于无差错直接修复。,2,、切除修复,（教材,P.53-54,）,切除修复,是指在一系列酶的作用下，将,DNA,分子中受损伤部分切除，然后以另一条完整的互补链为模板，重新合成切除的部分，使,DNA,恢复正常结构的过程。,切除修复需要多种酶的参与，并且修复过程比较复杂，基本步骤包括识别、切除、修补和连接。,（,1,）碱基切除修复,DNA,糖苷酶,AP,核酸内切酶,DNA,聚合酶,DNA,连接酶,AP,位点,:,无嘌呤（,apurinic,）和 无嘧啶（,apyrimidinic,）位点,（,2,）核苷酸切除修复,3,、错配修复,（教材,P.52-53,）,上一次课在讲,DNA,复制的忠实性时已经讲过。,一种特殊的切除修复，它是按模板的遗传信息来修复错配碱基的，因此修复时首先要区别模板链和新合成的,DNA,链。它通过碱基的甲基化来实现的。大肠杆菌,DNA,的,5/GATC,序列中,A,的,N6,都是甲基化的（,Dam,甲基化酶负责），复制后的一个短暂时间内，新合成链的,GATC,中的,A,未被甲基化，故子代,DNA,暂时是半甲基化的，这是识别的基础。,错配的碱基被,MutS,和,MutL,组合的复合体识别并与之结合，再与,MutH,内切核酸酶结合，后者在子代链,GATC,附近的位点上产生缺刻，启动对损伤区的切除修复。,4,、重组修复（,复制后修复）,（教材,P.54-55,）,受损伤的,DNA,链复制时，产生的子代,DNA,在损伤的对应部位出现缺口。,完整的另一条母链,DNA,与有缺口的子链,DNA,进行重组交换，将母链,DNA,上相应的片段填补子链缺口处，而母链,DNA,出现缺口。,以另一条子链,DNA,为模板，经,DNA,聚合酶催化合成一新,DNA,片段填补母链,DNA,的缺口，最后由,DNA,连接酶连接，完成修补。,5,、,SOS,修复,（教材,P.55-56,）,SOS,反应（,SOS response,）：能造成,DNA,损伤或抑制复制的处理所引起的一系列复杂的诱导效应，称为应急反应。包括诱导出现的,DNA,损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制等。,突变,是在,DNA,分子碱基序列水平上所发生的一种永久性、可遗传的变化，它是与遗传保守性既相对立又相统一的自然现象。,基因突变的影响,（,1,）产生轻微的、不易被察觉的有害或有利的生物学效应，或者形成生物群体的遗传多态性；,（,2,）产生不利于个体生存和发育，但可遗传的生物学效应，导致遗传性疾病；,（,4,）产生致死性突变，导致生物个体在发育过程中死亡，因而不能将突变传递给后代。,（,3,）产生有利于个体生存和发育，且可遗传的生物学效应，促使生物进化；,(,三,),基因突变,1,、基因突变的类型,外界因素如某些化学物质诱变剂、紫外线、电离辐射等也可能诱导基因突变的发生,DNA,复制错误造成碱基的替换、插入或缺失等,（,1,）碱基置换突变,碱基置换突变指基因中的一个或少数几个碱基被替代的突变。最简单的碱基置换突变就是点突变，即,DNA,序列上单个碱基的改变。,转换,(transition),：,Py,与,Py,，,Pu,与,Pu,之间变换，多见,颠换,(transversion),：,Py,与,Pu,之间变换，少见,同义突变,沉默突变（,silent mutation,）,-,氨基酸不变,错义突变（,missense mutation,）：氨基酸改变,无义突变（,nonsense mutation,）：形成新的终止密码的突变,无义突变,错义突变的例子,镰状细胞贫血症,编码血红蛋白,b,肽链上一个决定谷氨酸的密码子,GAA,变成了,GUA,，使得,b,肽链上的谷氨酸变成了缬氨酸，引起了血红蛋白的结构和功能发生了根本的改变,终止密码子突变,起始密码子突变,指原有的终止密码子突变成氨基酸密码子,指原有的起始密码子突变成氨基酸密码子,UAG,UAA,UGA,AUG,（,2,）缺失和插入突变,造成翻译过程中其下游的三联密码子都被错读，产生完全错误的肽链或肽链合成提前终止。,2,、突变的意义,（,1,）突变是进化的分子基础,（,2,）突变可产生遗传多态性,（,3,）致死突变可用于消灭有害病原体,（,4,）突变可创造新类型物种,（,5,）突变是某些疾病的发病原因,理解各类转座子的结构特征和转座作用的机制。,学习目的和要求,四、,DNA,的转座,（教材,P.56-64,）,基本概念,转座子,（,transposon,或,transposable element,，,Tn,）就是基因组上可自主复制和位移的,DNA,片段，它们可以直接从基因组内的一个位点移到另一个位点，发生转座重组，从而改变染色体的结构。转座子的转移过程叫,转座,。,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,（,jumping gene,）。,（一）转座子的类型和结构特征,类型,：简单转座子和复合转座子,结构特征,：,（,1,）结构中含有一个或多个开放阅读框，其中有一个编码转座酶的基因，这种酶催化转座子插入新的位置；,（,2,）两端有,20-40bp,的反向末端重复序列，末端重复序列是转座所必需的，因为它们是转座酶所识别的底物。,1,、插入序列（,insertion sequence,IS,元件）,最小的转位因子，,2,kb,，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域,不含有任何宿主基因,细菌染色体或质粒,DNA,的正常组成部分。一个细菌细胞常带有少于,10,个,IS,序列。转座子常常被定位到特定的基因中，造成该基因突变。,IS,序列都是可以独立存在的单元，带有介导自身移动的蛋白。,2,、复合转座子,一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的,IS,序列，表明,IS,序列插入到某个功能基因两端时就可能产生复合转座子。一旦形成复合转座子，,IS,序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。,（二）转座子的转座机制和转座模式,1,、转座机制,转座子插到新的位点上产生交错切口，所形成的突出单链末端与转座子两端的反向重复序列相连，然后由,DNA,聚合酶填补缺口，,DNA,连接酶封闭切口。,2,、转座模式,转座子与靶,DNA,之间连接事件的顺序与确切的性质决定了是复制型转座还是非复制型转座,（,1,）非复制型,转座酶,-,损伤或致死；修复,（,2,）复制型,转座酶,解离酶,（三）转座作用的遗传学效应,1,、引起插入突变,2,、产生新的基因,3,、产生染色体畸变,4,、引起生物进化,（四）真核生物中的转座子,1,、玉米中的控制因子,自主元件，如,Ac,非自主元件，如,Ds,2,、果蝇中的,P,元件,两种类型,一类是全长,p,因子，长,2907 bp,，两端有,33bp,的反向重复序列,(IR),，有,4,个外显子，编码转座酶。含,P,因子的果蝇称,P,品系。,另一类是不能编码转座酶，依赖于全长,P,因子才能转座移动的缺失型,P,因子。这类,P,因子都是活性,P,因子的中段缺失型衍生物。长度从,0,5 kb,到,1,4 kb,不等。,（五）反转座子（,retroposon,）,真核生物的一些转座子以,RNA,为中间体进行转座，这类转座子称为反转座子。,反转录病毒自身、以,RNA,为中间体进行转座的,DNA,序列、本身不具转座能力的元件。,基因组插入位点产生短同向重复序列。,1,、逆转录病毒,2,、果蝇,copia,元件,至少有,11,个家族，每个家族的成员都相当保守。,长度约为,5kb,，两端具有相同的,276bp,的正向长末端重复，其长度和序列在家族之间有所变化，每个末端各有,13bp,的不完整的反向重复，与其他转座子一样，它插入到一个新位点，在靶,DNA,上产生,3-6bp,的正向重复。,Copia,的插入靶点无序列特异性，但表现为一定的区域优先性。,3,、酵母中的,Ty,单元,（六）转座子的应用,1,、用于难以筛选的基因的转移,2,、作为基因定位的标记,3,、筛选插入突变,4,、构建特殊菌株，如,F,因子处在特定位置上的,Hfr,菌株的构建、带有特定基因的转导噬菌体的构建、或特定区段缺失菌株的构建等,5,、克隆难以进行表型鉴定的基因,复习思考题,1,、哪些因素能引起,DNA,损伤？生物机体如何修复,DNA,损伤？,2,、生物机体的损伤修复对生物体有何意义？,3,、何谓,SOS,？,SOS,对生物体有何意义？,4,、何谓突变？突变与细胞癌变有何关系？,5,、用图表说明转座的机制。,5,、解释转座是如何引起玉米粒的花色素斑的。,