基因突变与DNA损失修复.ppt

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1、第13章 基因突变与DNA损失修复,本章将讲述,1、点突变及其分子效应 2、点突变的诱发机制 3、自发突变 4、动态突变,5、DNA损失修复机制 6、基因突变的检测,13.1 13.1.1,点突变及其分子效应 点突变的类型,基因突变（Gene mutation）：一个基因内DNA序列结构 的改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换等。这 种突变是一种遗传物质的可遗传的改变，通常从一个等位基因 变为另一个新的等位基因。 点 突 变（point mutations）:影响基因中（DNA中）的 一单个碱基对的那 些基因突变。,点突变的类型 （1） 碱基替换（base substution） 一

2、对碱基替换另一对碱基所造成的突变，可分为： 转换（transition） 替换发生在同 类碱基之间，即一种嘌呤替换另一种嘌呤， 一种嘧啶替换另一种嘧啶。 转换突变的四种类型：,ATGC TACG,GCAT CGTA, 颠换（transversion）,不同类型的碱基间的替换，即嘌,呤被替换成嘧啶，或是相反。这种替换较为少见。,八种类型的颠换突变： ATCG ATTA GCTA GCCG TAGC TAAT CGAT CGGC,（2） 碱基的增加及缺失,通常称为插入缺失（insertion and deletion， indel ）,。插入缺失突变指的是一个碱基对被插入或从DNA中被删除,，有时

3、也可能一次同时发生碱基对的插入和缺失。,13.1.2,点突变的分子效应,（1） 突变发生在基因编码区 在蛋白质水平上可造成：, 同义突变（ synonymous mutation）,某基因的一个,碱基对的变化改变了mRNA中的一个密码子，该密码子与原密 码子一样编码相同的氨基酸，产生的蛋白质仍为野生型功能 。若碱基替换发生在密码子的第三位时，由于密码子的简并 性，并不能产生错误的氨基酸，故同义突变又称为沉默突变 （ silent mutation） 。 例：由ATGC转换突变而产生的一个沉默突变使密码子 从5-AAA-3变为5-AAG-3，这两种密码子都是Lys的专用密,码子,图13-1,错义

4、突变（missense mutation）:,由于单个碱基替换导致肽链中的氨基酸发生改变。 在DNA中一对碱基的改变引起一个mRNA密码的改变，结果使,得多肽链中原来的一个氨基酸，变为另一个氨基酸，导致表型,的改变。如图132C，一对碱基ATGC转换突变，使得,DNA从5-AAA-3变成5-GAA-3,mRNA密码子从,3-TTT-5,3-CTT-5,图132,5-AAA-3（Lysine） 5-GAA-3（Glutamic acid 谷氨酸）。,例如：人的-hemoglobin基因在第六个密码子上一对核苷酸的,变化导致-hemoglobin链的一个氨基酸替换（GluVal），若,该个体是突变

5、的纯合子，他将是镰刀形贫血病患者，HbAHbs,图133,移码突变（frameshift mutation）: 由基因内增加或减少一个或多个碱基对所引起的密码子 的改变。（当只含有一个碱基的变化时，这种移码突变为 点突变）。 例如：增加或减少一个碱基对，移动了mRNA阅读框一个 碱基，结果一个不正确的氨基酸被加到多肽链突变后的位,点。,图135,通常，移码突变得到新的密码子产生一个较短的蛋白质或造 成对正常终止密码子的通读（readthrough），得到比正常 蛋白质更长的蛋白质，二种情况都是无功能的蛋白质。,（2） 突变发生在基因的非编码区,调节区和非编码区的DNA序列，在DNA水平上，它们

6、,包括RNA多聚酶及其相关因子和特定转录因子的结合位点。 在RNA水平上则包括核糖体结合位点，真核生物mRNA 外 显子交接区5和3端拼接位点以及调节mRNA进入细胞特 定区域和组分的翻译调节和定位信号位点。,结合位点一旦被破坏很可能改变基因在特定时间、组织 或特定环境反应中的表达量，某些结合位点的突变可能完全 阻遏基因正常表达的必经步骤，如果RNA聚合酶或剪接因子 （ splicing factor）的接合位点发生突变则可使基因产物完 全失活或阻断其产生。调节位点的突变通常只改变产生蛋白 质的数量而不是其结构。区分特定基因在DNA水平的改变与 在表型水平上的改变是十分重要的，在基因的非编码区

7、发生 的许多点突变，往往只引起细小的或完全没有表型上的改变 ，这些点突变通常发生在调节蛋白结合位点之间的DNA 序 列，这些序列可能与基因功能无关或位于基因内的重复区。,13.1.3,基因突变的多向性和可逆性,同一个基因可以向不同的方向突变，但在染色体上的座 位不变。,例如：果蝇X染色体上的基因W,W（白眼）,We（曙红眼)） (Wb,Wbf,Wa,Wc,Wt,Wx等） 这些基因都是等位的，影响同一种性状眼睛颜色， 彼此间不能交换和重组，它们是同一个基因向不同方向发生 突变而产生的复等位基因的起源。,此外，当某个基因A突变成a以后，也可以再向反方向发生突,变，回复成原来的A，并使表型恢复原状，

8、这叫回复突变（,reverse mutations/ reversion/back mutation） 突变,A,回复,a,AAA(Lys) wild-type,forward,GAA (Glu) reverse mutant,AAA(Lys) wild-type,Exact reversion,正向突变（Forward mutation）是引起基因型从野生型变为,突变型的突变。,回复突变（reverse mutation）是使得基因型从突变型为野生,型的突变。,Equivalent reversion (等价回复突变),UCC(Ser),forward,UGC(Cys),reverse,AG

9、C(Ser),wild-type,Mutant,wild-type,一种突变的效应可由另一种抑制基因突变,（suppressor mutation）来减少或取消，,即：在不同于原来的位点的突变（也叫第二或第二点,突变Second-site mutation）,r/x (=FCO),Reversion,r/x (=FCO),r/y suppressor,一个抑制基因突变并不导致一个原来突变的回复，而是遮蔽 或补偿最初突变的效应，也就是说，真正的原位回复突变很 少（回复到野生型的DNA序列），而大多数是第二点突变。 原来的突变位点依然存在，而它的表型效应被基因组第二位 点的突变所抑制，因而称为抑制

10、基因突变。,两种：基因内抑制基因突变（Intragenic Suppressors）,基因间抑制基因突变（intergenic Suppressors） 不论是基因内的还是基因间的抑制起作用都产生有功能 或有部分功能的蛋白质，这样，只有在原来的突变和抑制基 因突变都存在于相同的细胞内时可能恢复蛋白质的功能。,功能缺失型突变与功能获得型突变,由于突变导致基因功能的丧失或减弱，这种突变称为功能,缺失型突变（loss-of-function mutation ）。,如果由于DNA序列的插入、丢失或重要的碱基替换造成的 蛋白质功能的完全丧失，或导致转录产物的提前终止，使得基 因功能完全丧失，则称为零突

11、变或剔除突变（null mutations or knockout mutations）。,如果基因突变仅造成基因表达水平或基因产物活性的降低 ，这种突变称为亚效突变（hypomorphic mutation）或渗漏突 变（leaky mutation）。,如果这个基因的突变导致表型变异，那么零突变表型变异 应该是完全彻底的，而亚效突变的表型取得于基因表达水平或 基因产物活性降低的程度，介于零突变与野生型之间。功能缺 失突变一般是隐性突变。,功能获得型突变（gain-of-function mutation）,这种突变赋予了蛋白质异常的活性，并可能产生新的表型。很多这 类突变发生在基因的调节序

12、列而不是编码区，因而其后果有多种情况。 如果基因表达的空间方式被改变，即基因表达产物在基因原来不表达 的部位积累，这种表达方式叫异位表达（ectopic expression）。基因 的异位表达经常导致超出预期的表型变化，例如在果蝇任何非眼组织（ 腿、嘴、腹和翅等）异位表达eyeless可导致复眼的部分组织以及完整的 眼色素的产生。如果一个基因在个体基因组中具有多个拷贝，功能缺失 型突变一般不造成明显的表型变异，因为突变拷贝的功能会被其它正常 的拷贝所弥补。而功能获得型突变则可以使基因原来的功能互相叠加， 表型更加明显。,13.2 物理因素 化学因素,突变发生的原因和机制 诱发突变,1927年

13、 H.J.Muller 用X射线处理果蝇精子, 果蝇后代的突变率可以成百上千倍地增加。 证明X射线可以诱发突变 同一时期，Stadler用X射线和射线处理 大麦和玉米种子，也得到了相似结果。 1945年第一颗原子弹爆炸，人们才开始认识 到Muller发现的重要意义。 1946年Muller获诺贝尔物理奖,（1）DNA复制错误,链 滑 动 （strand-slippage）,Because the same short homologous,unit (CA, for example) is repeated over and over again, DNA polymerase may dev

14、elop a stutter during replication, that is, it may slip and make a second copy of the same,dinucleotide, or skip over a dinucleotide.,在DNA的复制过程中由于DNA的错误环出自发地产生碱基的 插入和缺失突变,e-,（2）辐射和诱变,生物体接触的辐射线：X射线、射线、射线、,射线、以及中子和质子等。 粒子辐射：射线、射线、和不同能量的中子、质子等。 电磁波辐射：射线、X射线,辐射,穿透细胞使细胞里原子中的电子从它们的,轨道中撞击出来形成离子 电离辐射（ionizi

15、ng radiation）,对细胞的物理学效应： (电离辐射的直接作用),e+,X射线、射线或带电粒子生物体从细胞中各种原子成,分的外层击出电子产生很多离子对引起细胞内（或DNA）,原子或分子的电离和激发引起遗传物质的改变。,H2O,同时产生对细胞的辐射化学效应：,细胞内物质吸收辐射的能量（主要是水分）：,H2O,电离辐射 , e-,(正离子) （自由离子） e- + H2O H2O- (负离子),射解作用,进一步反应：,H2 O H2O+ H+ + OH H2O- OH- + H ,形成离子和自由基,自由基能互相反应，并能和其他分子发生反应 总起来称为辐射的间接作用： H OH H2O H

16、H H2 OH OH H2O2 H O2 HO2 当过氧化氢，其它有机过氧化物和这些自由基（H 和OH ）与细胞中的,核酸、蛋白质、酶等大分子物质发生化学变化时，水的射解就具有生物效,应了。,氧化物及其过氧基（HO2）,大分子表面,核酸,转移,蛋白 酶,将会使大分子发生有损于活细胞结构的化学变化。,射线的物理效应化学效应对细胞的遗传学效应是：,诱导染色体断裂、染色体重排以及造成点突变。,可将辐射对遗传物质的诱变作用机理概括如下：,直接作用,间接作用,直接或间接作用,物理学效应,电离或激发,水的射解，形成,化学效应,H 、OH 、H2O2、HO2,及其它氧化物,生物化学效应,（遗传学效应）,点突

17、变、染色体畸变,酶的变化,生物效应,体细胞或,不育,死亡,性细胞突变,氧化损伤, 过氧化物原子团（O2-）, （H2O2 ），（-OH）等需氧代谢的副产物都是有活性,的氧化剂，, 它们可导致DNA的氧化损伤，, T氧化后产生T乙二醇，, G氧化后产生8-氧-7,8二氢脱氧鸟嘌呤、8-氧鸟嘌呤(8-,O-G)或“ GO”，, GO可和A错配，导致GT。,电离辐射的遗传学效应在大多数生物中有两个重要结论：, 电离辐射可诱发基因突变和染色体断裂，它们的频率跟辐射剂,量成正比。 例： 2000r 6的X连锁隐性致死 4000r 12的X连锁隐性致死 在相当范围内存在着线性关系, 辐射效应有累加作用,低

18、强度长期照射（慢照射）与高强度短期照射（急性照射），诱发的,突变数一样。连续照射与间歇数小时的分次照射，产生的突变数也一样。,大多数生物中，在总剂量相同的情况下，用低剂量率处理的多表现生,长正常，而过高的剂量率处理的常引起生长异常或死亡。,建议：在日常生活中应尽量避免和照射源的不必要接触， 而在诱变研究实践中，要多考虑到剂量率的作用。,果蝇精子,(3) 紫外线和诱变 紫外线（ultraviolet light）属非电离辐射（nonionizing），,即它没有足够的能量来诱导离子化。但紫外线是一种诱变剂，,在足够高的剂量时，它仍能杀死细胞。,医院用紫外线作为灭菌剂（sterilizing ag

19、ent）。 紫外线引起突变，因为DNA中嘌呤和嘧啶碱基在紫外分布区 （254260nm）有一个非常强的紫外光吸收，在该波长UV 光诱发基因突变主要是通过引起DNA中光化学变化。,紫外照射的能量X射线的能量,紫外线的穿透能力有限:,30可穿透玉米花粉壁，8可穿过鸡蛋的卵黄膜，这很难保,证实验群体中每一细胞都接受同样的辐射能量，紫外线很少用,作高等生物的诱变剂，而多用在微生物、生殖细胞、花粉粒以,及培养中的细胞等。,太阳-非常强的UV照射，但多数紫外线被大气层,中的臭氧层所屏蔽。,人类的日光浴晒黑皮肤，过度的照射引起损伤。 紫外线照对DNA效应之一是在DNA双螺旋的相同链的,相邻的嘧啶分子间或在相

20、反链上的嘧啶分子间形成异,常的化学键，多数诱导的是邻近的胸腺嘧啶-形成胸,腺嘧啶二聚体（thymine dimers）TT少数CC、 7.7,CT和TC二聚体。这些异常配对在DNA链中产生膨胀,（凸 出部分）7.8，破坏As与相反链Ts的碱基配对。,两个碱基平面被环丁基所扭转，引起双螺旋构型的局,部变化，同时氢键的减弱。,TT阻碍DNA双链的分开和下一步的复制。,TT的DNA模板DAN复制，pol将两个腺嘌呤核苷酸加进,去不能形成正确的氢键被pol 35校对而切除,反反复复发生，产生空耗过程。,即：大量的dATP被分解，而DNA复制毫无进展，但蛋白,质仍在不断合成，而DNA不能复制，细胞也不能

21、分裂，最,后导致细胞死亡。,对于胸腺嘧啶二聚体，主要有五种修复途径：,光复合、切除修复、重组修复、SOS修复、二聚体糖基酶,修复。,三,类,(4) 化学诱变剂（chemical Mutagens）,基碱类似物（Base analogs）,基碱修饰剂（Base modifying agents） 嵌入剂 （Intercalating agents）, 碱基类似物,其分子结构极其相似于DNA分子中的正常碱 基，故可以结合进复制的DNA链中去。,引起突变的原因是：它们能够以互变异构体的状态形式存 在。一种普通状态（酮式）和 一种稀有状态（烯醇式） 两种状态中的每一种状态与DNA的一种不同的碱基配对，

22、结 果产生碱基对替换突变（substitution mutation） 5溴尿嘧啶 5溴尿嘧啶,酮式,烯醇式,例如：两种常见的碱基类似物诱变剂： 5溴尿嘧啶（5-bromouracil, 5Bu） 2氨基嘌呤（2-aminopurine, 2AP）,5Bu类似胸腺嘧啶（T），只是以Br原子取代了甲基。,正常状态：5Bu类似于T，将只与DNA中的A配对,Bu=A,稀有状态：5Bu类似于C，它只与G配对 Bu=G 一旦5Bu被插入DNA中，它就通过在二种形式,（酮式和稀有的烯醇式）之间的转变来引起突变。,5Bu诱导的突变可经5Bu第二次处理回复，碱基类似物2氨基 嘌呤（2AP）作为诱变剂起作用基本

23、上象5Bu那种方式起作用,7.10,2AP也是以正常状态和稀有状态存在。,正常状态 :2AP类似于A，但是在嘌呤环上不同,的是有一个氨基。正常状态与T配对。,稀有状态: 2AP类似于G，与C配对，象5BU那样，2AP诱,导碱基转换突变，可以从AT GC或GCAT， 取决于它最初整合进入DNA时的状态。,注意：因为以上所涉及的突变在两种情况下都是转换，所以,5Bu能够使由2AP诱导的突变回复，反之亦然。,碱基替代的遗传学效应主要是影响遗传信息的传递。,由于单个碱基被代换可以产生:,链终止突变 错义突变,错义突变的抑制突变 最终表现遗传的变异,并不是所有的碱基类似物都是诱变剂。 AZT（azido

24、thymidine，叠氮胸腺嘧啶）是一种已批准治,疗AIDS（acquired immunodeficiency syndrome 获得性免疫,缺损综合症）病人的药物，AZT是碱基T的类似物，但不是诱变,剂，因为它并不引起碱基对变化。,AIDS病毒，HIV1（human immunodeficiency virus-1）,是一种反转录病毒：HIV1 RNA,cDNA,在基因组DNA中指导新的病毒整合进寄主基因组DNA中,AZT在病毒RNA cDNA步骤中作为反转录酶的一种底物。,AZT并不是细胞DNA多聚酶的好底物，所以，它并不使宿主 DNA合成受到影响。,AZT作为一种选择毒性（select

25、ive poison）抑制病毒cDNA的,产生。这样阻碍新的病毒合成，因cDNA必须合成后才能整合进,宿主基因组，才能编码病毒成分。,叠氮胸苷 (抗病毒药),名称(英) ：Zidovudine (AZT),别名 ：叠氮脱氧胸苷;叠氮胸腺嘧啶脱氧核甙;齐多呋定 适应症 ：用于治疗艾滋病获得性免疫缺陷综合征（AIDS）。病人有合并症（卡氏 肺囊虫病或其他感染）时尚需应用对症的其他药物联合治疗。 用量用法 成人常用量：次200，每小时次，按时间给药。有贫血的病人：可按 次100给药。 注意事项 1.有骨髓抑制作用，可引起意外感染、疾病痊愈延缓和牙龈出血等。在用药期间 要进行定期查血。嘱咐病人在使用牙

26、刷、牙签时要防止出血。 2.可改变味觉，引 起唇、舌肿胀和口腔溃疡。 3.叶酸和维生素12 缺乏者更易引起血象变化。 4. 在肝脏中代谢，肝功能不足者易引起毒性反应。5.遇有发生喉痛、发热、寒战、 皮肤灰白色、不正常出血、异常疲倦和衰弱等情况，应注意到骨髓抑制的发生。 6.对醋氨酚、乙酰水杨酸、苯二氮卓类、西咪替丁、保泰松、吗啡、磺胺药等都 抑制本品的葡萄糖醛酸化，而降低清除率，应避免联用。 7.与阿昔维络（无环鸟 甘）联用可引起神经系统毒性，如昏睡、疲劳等。 8.丙磺舒抑制本品的葡萄糖醛 酸化，并减少肾排泄，可引起中毒危险。 储存、有效期 制剂 胶囊：每胶囊剂100。, 碱基修饰剂（Base

27、-Modifying Agents）,（或叫直接诱变剂）,与碱基类似物不同，许多化学物质作为诱 变剂，通过直接地修饰碱基的化学结构和化学 性质。,主要有三种类型,脱氨基剂 （Deaminating agent） 羟 化 剂 （Hydroxylating agent） 烷 化 剂 （Alkylating agent）,1）脱氨基剂：能使碱基上的氨基脱落下来，从而改变碱基 的结构和配对特性。,亚硝酸（Nitrous acid,HNO2） 是应用最广的一种脱氨,基剂，它的作用主要是使胞嘧啶脱氨基变成尿嘧啶，腺嘌呤 脱氨基变成次黄嘌呤（Hypoxanthine,H），鸟嘌呤脱氨基变 成黄嘌呤（Xant

28、hine,X）。(7.11),不过鸟嘌呤（G）脱氨基后变成黄嘌呤实际上并没有诱变 效应，因为黄嘌呤的配对特性同G一样，仍同C配对。,7.11,返回,2）羟化剂,(7.11),羟胺（hydroxylamine）：NH2OH是一种典型,的羟化剂，能使胞嘧啶的氨基羟化带上羟基，,变成羟化胞嘧啶。结果使GC转换成AT。羟胺,的诱变作用十分专一，几乎只引起GCAT，,所以由羟氨诱导的突变不能用羟氨来回复。,3）烷化剂,（7.12),烷化剂是带有一个或几个不稳定烷基的化合物，能同碱基,起作用，使之带上烷基（CH3，CH2CH3），继而引起复制时,碱基错配。（specific Mispairing）（7.1

29、1),烷化剂种类很多，比较常用的有：,甲基硫酸乙酯（Methyl methane sulfonate MMS） 乙基硫酸乙酯（Ethyl methane sulfonate EMS） 亚硝基胍（Nitrosoguanidine,NG）等,例如：MMS能使鸟嘌呤第6位上的酮基氧原子带上甲基CH3，能,使胸腺嘧啶第4位酮基上的氧原子带上甲基。 EMS则使它们分别带上乙基CH2CH3 最终使GCAT，TACG （转换） 烷化剂的另一个作用可能是脱嘌呤，即：使嘌呤烷化后同糖,的结合键断裂，使它从DNA长链上脱落下来，造成一个空档。等,到复制时，与空档相当的地方就可以配上任何一种碱基，引起转,换和颠换。

30、, 嵌入剂（Intercalating Agents）/intercalator,嵌入诱变剂包括:,硫酸原黄素（proflavin）、 吖啶（Acridine）、溴化乙淀（Ethidium bromide）， ICR170，ICR191等，它们通过将自身插入到DNA双螺旋,的分子结构中，从而引起DNA分子拉长和歪斜，最终导致碱基的增,加和减少（造成DNA分子拓扑态的改变）。 7.14,如果嵌入剂插在DNA链邻近碱基对之间，作为模板合成新的,DNA，一个额外的碱基（如图中随机选择G）必须要插在嵌入剂相对,的链上。在多次复制后，嵌入剂丢失，结果由于插入了一对碱基产,生移码突变。如果嵌入剂插在新合成

31、的DNA链中，当嵌入剂丢失,后，DNA复制，结果缺失一个碱基对，也产生一个移码突变。,7.13,13.4 动态突变,13.4.1,动态突变及其机制,动态突变（ dynamic mutation）:是在基因的编码区、3或5 UTR、启动子区、内含子区出现三核苷酸重复，及其他长短不等的小卫 星、微卫星序列的重复拷贝数，在减数分裂或体细胞的有丝分裂过程中 发生扩增而造成遗传物质的不稳定状态。 三核苷酸重复,如(CAG)n、(CCG)n、(CTG)n、(CGG)n等的重复数（n ）不断增加使拷贝数改变后的基因的可突变性（ mutability）不同于 拷贝数改变前的基因。 动态突变也可称为基因组不稳定

32、性（genomic instability） 这类特殊的突变可造成基因功能丧失或获得异常改变的产物，从而 导致人类的多种疾病，这种情况最初是在人类神经系统疾病相关的基因 中发现的。,研究发现，一些遗传病的发生与某些核苷酸串联重复的 拷贝数大大增加有密切的关系。由于这种拷贝数的改变随着 世代的传递而不断扩大、扩增，因此这种改变被认为是一种 动态的突变。,长期以来，都认为单基因遗传病的发生都是某一基因， 及其与之相关的调控顺序中单个碱基的点突变所引起，这种 突变在一定的条件下保持相对稳定的突变频率，所以这种突 变被认为是一种静态的突变。动态突变的发现，使人们对遗 传病的发生机制有了新的认识。关于三

33、核苷酸重复拷贝数扩 增突变引起疾病的作用机制，还没有一个很完整的解释。,13.4.2,动态突变与人类疾病,与动态突变有关的人类疾病最少有20种以上，其中以三核苷酸重复 的异常扩增引起的神经退行性疾病为多，具有下列特征： 除了都具有三核苷酸重复数目的异常增加外，致病基因序列之 间没有同源性。例如，(CAG)n扩增引起的导致的脊髓小脑共济失调，各 个基因都具有(CAG)n 的拷贝扩增外，序列之间无同源性，提示其内在 功能各不相同； 即使都是由（CAG)n 扩增引起的疾病，但病变仅选择性地累及 特定的细胞； 遗传早现现象，在同一家系中，随着致病基因在后续世代中的 传递，后代个体的发病年龄会越来越早，

34、病情愈来愈严重。,三核苷酸重复拷贝扩增的致病机制,动态突变引起疾病的机制，有如下几种假说：, 毒性多聚谷氨酰胺（ poly-Gln）假说,即基因产物的毒性积累,在基因的编码区CAG密码子的正常重复编码多聚谷氨,酰胺，若CAG重复数目超过了一定阈值，则增加了多聚谷氨 酰胺的长度，神经细胞中的转谷氨酰胺酶以富含谷氨酰胺 的蛋白质作为反应底物，与其他蛋白质交联形成不溶性包 膜而积累在细胞中，导致细胞死亡，或是谷氨酰胺增加的 蛋白质不能被正常降解，对细胞产生了毒性。,蛋白质交联形成不溶性包膜,CAG-CAG-CAG-.,富含谷氨酰氨的蛋白质其它蛋白质,转谷氨酰氨酶,不溶性包膜,影响神经细胞功能,例如H

35、untington舞蹈病是由于基因HD（Huntington diseases，HD）中5-CAG- 3序列重复次数:正常的635 次 36121个拷贝后，使多聚谷氨酰胺的长度大大增加，产 生了对细胞的毒性作用，累及神经细胞的正常功能而致病。 研究发现，在小鼠模型中，（CAG）n的大量扩增在其生,命的中期出现，并在整个生命过程中持续不断地发生，而且， （CAG）n 的重复长度越长，则预示出现症状的时间越早，即 发病年龄愈小。这种三核苷酸序列重复长度与所影响的疾病的 发病年龄的相关现象称为遗传早现（ anticipation） 。, 甘油醛磷酸脱氢酶活性被抑制假说 糖酵解产生的能 量是脑细胞行使

36、正常功能所必需。糖酵解中的一种关键性酶 是甘油醛磷酸脱氢酶(GAPDH)，若其活性被抑制，脑细胞 则无法获得足够的能量而失去功能。研究发现，亨廷顿病基 因（HD基因）产生的蛋白质以及齿状核红核和苍白球丘脑下 部核萎缩的致病基因的蛋白产物都可通过多聚谷氨酰胺与 GAPDH结合使其失活。实验证明，当多聚谷氨酰胺分子中谷 氨酰胺少于60个时，情况正常，超过60个就可抑制GAPDH的 活性。由此推测，上述多种神经退行性疾病的致病原因之一 可能是（CAG）n的异常重复使脑细胞失去充分能量所致。,三核苷酸重复拷贝扩增的致病机制 能量供应不足 甘油醛磷酸脱氢酶（GAPDH）,糖 糖,脑所需能量 GAPDH病

37、人的poly gln 缺乏脑所需能量, 多聚谷氨酰胺干扰转录因子假说 据最近研究报道，多 聚谷氨酰胺干扰Sp1转录因子中谷氨酰胺富含区与TFD 的 转录因子的亚基 TAF30中对应的谷氨酰胺富含区之间的 相互作用。干扰的结果影响了大脑神经元中神经递质受体基 因的转录。推断其他基因中由于（CAG）n的扩增所产生的多 聚谷氨酰胺片段也可能通过破坏转录因子与TAF 30之间的 正常的相互作用而导致神经退行性疾病的发生。, FMR-1的5端（CGG）n过度扩增假说 引起脆性X染色体 综合症的基因FMR-1（fragile X mental retardation 1） 有17个外显子，全长38kb，在

38、其5端UTR有一个为精氨酸编 码的（CGG）n 三核苷酸重复序列，其重复数目相当可变。 正常人群中（CGG）n 的重复次数在59以下，当（CGG）60 200处于无症状阶段称为前突变。如果（CGG）n过度扩增， 当n 200，并在基因邻近的5端CpG岛异常甲基化使FMR-1 基因转录后沉默，发展成的智力低下等脆性X综合症发病的 动态突变阶段称为全突变（full mutation）,三核苷酸重复拷贝扩增的致病机制, 蛋白质翻译受阻,FMR1 基因表达的蛋白，是正常人智力 发育中的重要功能蛋白。如果FMR1 基因 存在有过量的重复序列，产生的mRNA不 能与完整的核糖体结合，阻止了FMR蛋白 生成

39、，导致脆性X染色体综合症。,脆性位点是染色体上在,特殊条件下易断裂的位点，可 能为收缩或缝隙。在人类染色 体上已发现一系列的脆性位点 。其中研究最详尽的位于X 染 色体上，目前发现其与智障有 关。脆性X综合症为X连锁遗传 ，出现几率在男婴中为1/2500 ，主要成因可能是因为CGG三 核苷片段重复数目的变化。,13.5 DNA 损伤修复机制,DNA的修复系统 如果所有DNA损伤都不修复，细胞将很快死亡，这是因为致,死突变的积累和依赖于DNA完整性的一些关键过程被抑制(这些过,程包括复制和转录)。细胞发展了众多的机制来处理DNA损伤，这,可被分为以下几类：,直接修复（Direct repair）

40、:Photoreactivation 切除修复（Exicision repair）系统 错配修复（Mismatch repair）系统 重组修复系统(Recombination repair) /挽回系统（retrieval system） 差错倾向修复（error prone repair）/ SOS修复系统等 忍耐（Tolerance）系统,13.5 13.5.1,DNA 损伤修复机制 光复活修复,Photoreactivation （光复活） uses a white-light-dependent enzyme to split cyclobutane pyrimidine dimer

41、s formed by ultraviolet light. 在可见光的激活下，光修复酶结合于胸腺嘧啶二聚体处，并催化解 聚为单体的过程。不同的生物体利用不同的类似酶。,图13-9,胸腺嘧啶二聚体的形成（a）及光复活修复（b）,13.5.2,切除修复,（1） 切除修复（excision repair） 切除修复是在DNA内切酶、DNA聚合酶、DNA外切酶、DNA连接酶等共 同作用下，将DNA分子受损伤的部分切除，并以完整的一条链为模板， 合成切除的部分使DNA恢复正常结构的过程。 切除修复过程中，损伤的DNA链由切除酶（excinuclease）切除，此 酶也是一种核酸内切酶。编码内切酶是由多

42、个亚基组成的Uvr基因。在E .coli中，Uvr ABC 切除酶包括3种亚基，UvrA，UvrB和UvrC。 大肠杆菌中的UvrA可识别DNA损伤部位，引导UvrB和UvrC 与其结合 形成复合体。由UvrC 完成对DNA 单链的切割，12个碱基的DNA链由解链 酶作用脱离，然后由DNA聚合酶以互补链合成DNA，DNA连接酶封闭 其缺口，从而完成DNA损伤修复。,图1310,大肠杆菌的切除修复,人的着色性干皮症（xeroderma,pigmentosum），患者不能接受太阳的紫外线 ，否则在皮肤暴露部位就会诱发皮肤癌，通过 深入研究发现，该病患者皮肤细胞中的切除修 复酶系统存在缺陷，不能对U

43、V诱发的大量DNA 损伤进行有效的修复，特别是人的抑癌基因 p53发生突变就会促进癌症的发生。,从7例病患组织细胞中鉴定出这些癌变均,起因于hRAD30基因的点突变，该基因编码参 与核苷酸切除修复蛋白。由于点突变产生无义 密码或移码读框从而编码残缺的或无功能的蛋 白，使患者对太阳光变得极度敏感。,（2） DNA 糖苷酶修复及AP 核酸酶修复途径,Apurinic and apyrimidinic endonuclease 是细胞维持所必需的，因为自发地脱嘌呤作用经 常发生，在DNA链上无嘌呤和无嘧啶位点叫做 AP位点。AP核酸内切酶可以通过剪切AP位点上 的磷酸二酯键使链断裂，进一步由外切酶、

44、DNA pol I 和连接酶进一步进行修复。 DNA糖苷酶（ DNA glycosylase）并不水解 磷脂链，但可以水解糖苷键。如果碱基发生修饰 而发生结构改变可由DNA糖苷酶水解产生无嘌呤 或无嘧啶位点，两者皆称为AP位点。这些AP位 点就可以由AP核酸内切酶修复途径完成修复（ 图13-11)。 图13-11大肠杆菌AP位点的修复,The base excision repair pathway,13.5.3,错配修复系统,错配修复系统（ DNA mismatch repair system， MMR）可能在DNA重组过程中对于杂种DNA错配碱基的修 复和由此产生的基因转换发挥一定的作用，

45、现在已知许多生 物包括人类中均存在具有一定方向性的错配修复体系。 主要用于对应的DNA链上不互补的碱基，错配是由于在 DNA复制中新生链上的碱基与互补链上的碱基不互补产生的 。通常错配系统倾向于修复新生链上的碱基。 在E.coli复制中发生错配时，错配的核苷酸只是其碱基 不能与母链配对，核苷酸本身的结构是正常的，因此对正确 母链和错配子链的区分至关重要：,亲本链上带有甲基,刚合成的子链尚未甲基化,dam 基因Dam 甲基化酶， 靶位点,GATC CTAG,序列上的A成为,6-m-A,此半甲基化位点被用来作为复制中母链的标志，同样用于与,复制相关的修复。（图VIIp447）,E.coli 错配修

46、复系统包括9个蛋白成分，其中有MutS、MutL、,与MutH,（图VII p488）,MutS识别错误配对的碱基并与其结合（MutS二聚体）、MutL,和MutH蛋白按顺序加入，并与Muts协同作用。MutH在含有错配,碱基的单链上切口，在螺旋酶II作用下解开双螺旋。随后在一种双,向性外切酶的作用下依次从切口处切除，直到切除错误的核苷酸。,再由DNA pol III 填充空隙，进行修复合成，最后由连接酶连接。,由于切口和错配核苷酸相距很远（12kb）,故这种修复是一种长,片段修复。,13.5.4,复制后修复重组修复系统,也称补偿系统、复制后修复（post-replication repair

47、） 或重组修复（recombination-repair） 该系统用于DNA复制时模板链上含有损伤的碱基的特定情况 其修复过程与遗传重组过程相似。 例如当DNA复制时TT存在，使损伤位点不能作为模板，复制被迫跳跃过去。,DNA pol III接近TT时，停止合成互补链，然后又在更下游的位置开始合成，因,此在新生链上留下一段缺口。,两个双链DNA分子之间通过同源重组，缺口由正常的DNA链为模板，进行新,一轮的复制。因此，损伤仅存在于原来的双链中，而以后复制产生的DNA分子,将不再有损伤的DNA存在。,recA突变几乎完全丧失重组能力和修复能力,RecB蛋白具有在DNA分子之间交换DNA链的功能，

48、同时在重组修复中又有单链,交换的功能。,Uvr系统是负责切除大量的TT，而Rec系统是负责清除那些末被切除的二聚体,。这些遗漏的二聚体虽数量不多，但常常是致命的。,13.5.5 SOS 修复,（1） SOS 修复（SOS repair） 这也称差错倾向修复（error prone repair），是细胞中的DNA 受 到大规模损伤，严重影响其生存，在其他修复难以见效的情况下，被诱 发出来的一种高效修复系统，这种修复是为了保命也就管不了修补的片 段是否正确,这也是生物为了维持其生命的延续，不得已采取的一种以 牺牲遗传物质的忠实性，冒着产生大量基因突变风险的“保命”措施。 表现特点:细胞内原有的修复酶（切除修复、重组修复）合成量增加 诱导产生的修复酶（SOS聚合酶）来修复损伤部位 （2） SOS 反应 机体受到大剂量的诱变产生大规模DNA损伤时，可产生一系列复杂 的诱导效应，称为应急反应（ SOS response） ，包括生长抑制、分裂 停止、呼吸受阻、整合在宿主基因组上的原噬菌体释放、细胞正常生长 发育的许多基因关闭，同时有一些应激状态下的新基因开放等，这些基 因使机体DNA损伤得以高效修复，细菌又可逐渐回复到正常状态。,（3） SOS 修复的机制 一般认为SO S 修复可通 过两种机制对DNA 损伤