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1、4DNA damage,repair and recombinationIncluding4.1 Mutagenesis(诱变诱变)4.2 DNA damage4.3 DNA repair4.4 DNA Recombination4.5 DNA Transposition4.1 Mutagenesis4.1.1 Mutation4.1.2 Physical mutagens4.1.3 Chemical mutagens4.1.1 MutationMutations are permanent,heritable alterations in the base sequence of the D
2、NA.Piont mutation a single base change.Transition(转换转换)one purine(or pyrimidine)is replaced by the other Transversion（颠换）（颠换）-a purine replaces a pyrimidine or vice versaSilent mutation no effect on the amino acid incorporated into a protein.（突变对表达结果不产生影响）（突变对表达结果不产生影响）Missense mutation an altered a
3、mino acid in a gene product.Nonsense mutation generate new stop codons.（终止表达）（终止表达）Frameshift mutation the translated protein sequence is changed completely4.1.2 Physical mutagensIonizing radiation x-rays,-rays causes the target molecules to lose electrons strand break of base and sugar destructionn
4、Noninonizing causes molecular viberations of promotion of electrons to higher energy levels-lead to the formation of new chemical bonds.UV light pyrimidine dimers 4.1.3 Chemical mutagensnBase analogs 碱基类似物碱基类似物 alter base pairing properties-directnNitrous acid 亚硝酸亚硝酸 deaminates(脱胺基脱胺基)C and AnAlkyla
5、ting agents 烷化剂烷化剂,Arylating agents 芳基化剂芳基化剂-generate adducts that can block transcription and replication and cuases mutations4.1.4 Direct mutagenesisIf a base analog（类似物）（类似物）or modified base whose base pairing properties are different from the parent base is not removed by a DNA repair mechanism
6、before passage of a replication fork,then an incorrect base will be incorporated.A second round of replication fixes the mutation permanently in the DNA.4.1.5 Indirect mutagenesisnMost lesions in DNA are repaired by repair mechanisms before passage of a replication fork.nIf this is not possible,an e
7、rror-prone form of translesion(转转移损伤移损伤)DNA synthesis may take place involving specialized DNA polymerases and one or more incorrect bases become incorporated opposite the lession.4.2 DNA damage nDNA lesions损伤损伤 an alteration to the normal chemical or physical structure of the DNA.nOxidative damage
8、reactive oxygen species 活性氧自由基活性氧自由基 can attack the DNA and produce oxidation products.nAlkylating agents 烷化剂烷化剂-Methylmethane sulfonate(MMS)甲基磺酸甲酯甲基磺酸甲酯;Ethylnitrosourea(ENU)乙基亚硝基乙基亚硝基脲脲nBulky adducts大型化合物大型化合物-are DNA lesions generated in response to environmental agents including benzoapyrene(苯并苯
9、并a芘芘)and solar ultraviolet radiation.4.3 DNA repair4.3.1 Excision repair（切除修复）（切除修复）4.3.2 Mismatch repair（错配修复）（错配修复）4.3.3 Direct repair（DNA的直接修复）的直接修复）4.3.4 Decombination repair（重组修复）（重组修复）4.3.5 SOS response(易错修复和应急反应易错修复和应急反应)4.3.1 Excision repair（切除修复）（切除修复）pNucleotide excision repair(NER):an end
10、onulcease(核酸内核酸内切酶切酶)cleaves the DNA and an oligonucleotide(寡核苷酸寡核苷酸)is removed leaving a gap.The gap is filled by DNA polymerase and the final phosphodiester bond made by DNA ligase.pBase excision repair(BER):modified bases are recognized by DNA glycosylases(糖苷水解酶糖苷水解酶),which cleave the N-glycosyli
11、c bond between the altered base and sugar,leaving an apurinic or apyrimidinic(AP)site.An AP endonuclease cleaves the DNA at this site.Thereafter,the process is like NER.4.3.2 Mismatch repair（错配修复）（错配修复）pIn a replicational mispair,the wrong base is in the daughter strand.pNewly replicated DNA is hemi
12、methylated-the parental strands are methylated at a GATC sequence site and the daughter strands are not,so they can be easily distinguished.pThe mismatched base pair is recognized and bound by a complex of proteins,and then the daughter stand was nicked at a nearby GATC site.4.3.3 Direct repair（DNA的
13、直接修复）的直接修复）直接修复是把损伤的碱基回复到原来状态的一种修复。有以直接修复是把损伤的碱基回复到原来状态的一种修复。有以下几种方式：下几种方式：光复活作用；光复活作用；O6-O6-甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤-DNA-DNA甲基转移酶（甲基转移酶（MGMTMGMT）；单）；单链断裂修复。链断裂修复。4.3.4 Decombination repair（重组修复）（重组修复）机体细胞对在复制起始时尚未修复的机体细胞对在复制起始时尚未修复的DNADNA损伤部位可以先复损伤部位可以先复制再修复，这种方式称为重组修复。制再修复，这种方式称为重组修复。4.3.5 SOS response(易错修复和应急反
14、应易错修复和应急反应)许多能造成许多能造成DNADNA损伤或抑制的损伤或抑制的DNADNA复制的过程能引起一系列复复制的过程能引起一系列复杂的诱导效应，这种效应称为杂的诱导效应，这种效应称为SOSSOS应急反应。应急反应。SOSSOS反应是细胞反应是细胞DNADNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为生受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为生存而产生的一种应急措施。存而产生的一种应急措施。SOSSOS反应诱导的修复系统包括：避免差错的修复和易产生差反应诱导的修复系统包括：避免差错的修复和易产生差错的修复两类。错的修复两类。4.4 DNA RecombinationInclud
15、ing:4.4.1 Homologous recombination(同源重组同源重组)4.4.2 Site-specific recombination(位点专一性重组位点专一性重组)4.4.3 Transposition or Illegitimate recombination(转转座重组座重组/异常重组异常重组)DNADNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合分子内或分子间发生遗传信息的重新组合,称为称为遗传遗传重组重组,或基因重排或基因重排。DNADNA重组对生物进化起着关键性的作用重组对生物进化起着关键性的作用。生物进化以不。生物进化以不断产生可遗传的变异为基础。突变和重组断产生可
16、遗传的变异为基础。突变和重组遗传的变异遗传的变异遗传漂变和自然选择遗传漂变和自然选择进化。进化。DNADNA重组的意义重组的意义是能迅速增加群体的遗传多样性，使有是能迅速增加群体的遗传多样性，使有利突变与不利突变分开，通过优化组合积累有意义的遗利突变与不利突变分开，通过优化组合积累有意义的遗传信息。传信息。4.4.1 Homologous recombination（同源重组）（同源重组）Also known as general recombination,this process involves the exchange of homologous regions between two
17、 DNA molecules.(也称一般性重组，由两条同源区的也称一般性重组，由两条同源区的DNADNA分子，通分子，通过配对、链断裂和再连接，而产生的片段间交换的过程过配对、链断裂和再连接，而产生的片段间交换的过程)最初证据来自细胞遗传学对真核生物减数分裂时染色体行最初证据来自细胞遗传学对真核生物减数分裂时染色体行为的研究。为的研究。染色体复制染色体复制1 1次次-核分裂核分裂2 2次次-四联体。四联体。The exchange of homologous betwwen DNA molecules occurs extensively in eukaryotes during meiosi
18、s.In E.coli,the two homologous DNA duplexes align with each other and nicks are made in a pair of sister strands near a specific sequence by a nuclease associated with the RecBCD protein complex.The ssDNA carrying the 5-ends of the nicks becomes coated in RecA protein to form RecA-ssDNA filaments.Th
19、ese cross over and search the opposite DNA duplex for the corresponding sequence,after that the nicks are sealed and a four-branched Holliday structure is formed.These structure is dynamic and the cross-over point can move(branch migration).The Holliday intermediate can be resolved into two DNA dupl
20、exes in one of two ways.Two invading strands are cut-similar to originalThe noninvading strands are cut-heteroduplex,with a hybrid sectionnHollidayHolliday于于19641964年提出了同源重组模型。有年提出了同源重组模型。有4 4个关键步骤：个关键步骤：两个同源染色体两个同源染色体DNADNA排列整齐；排列整齐；一个一个DNADNA的一条链断裂并与另一个的一条链断裂并与另一个DNADNA对应的链连接，形成对应的链连接，形成的连接分子，称为的连
21、接分子，称为HollidayHolliday中间体；中间体；通过分支移动产生异源双链通过分支移动产生异源双链DNADNA；HollidayHolliday中间体切开并修复，形成两个双链重组体中间体切开并修复，形成两个双链重组体DNADNA。Homologous recombination is also important for DNA repair.Post-replication repair.When a repliction fork encounters an unrepaired,noncoding lesion it can skip the damage section an
22、d leaving a daughter strand gap.This gap can be filled by replacing it with the corresponding section from the parental sister strand by recombination.4.4.2 Site-specific recombination（位点专一性重组位点专一性重组）This involves the exchange of nonhomologous but a specific pieces of DNA is mediated by proteins tha
23、t recognize specific DNA sequences.(特异位点重组特异位点重组是直接是直接在特定序列之间配对而发生的重组，必须有位点特异的酶在特定序列之间配对而发生的重组，必须有位点特异的酶和辅助因子参与催化。和辅助因子参与催化。)4.5.1 ConceptnTransposons转座子转座子or transposable elements are small DNA sequences that can move to any position in a cells genomenTransposition has also been called illegitimate
24、 recombination(异常重组异常重组).转座是指转座是指一个转座子从基因组的一个位置转移倒另一个转座子从基因组的一个位置转移倒另一个位置的过程。一个位置的过程。nThe simplest transposons are the E.coli insertion sequence(IS).4.5 DNA Transposition4.5.2 IS4.5.2 ISISIS：插入序列是最简单的转座子，：插入序列是最简单的转座子，ISIS是细菌染色是细菌染色体和质粒体和质粒DNADNA的正常组分，一个细菌细胞常带有少的正常组分，一个细菌细胞常带有少于于1010个个ISIS序列。序列。ISIS
25、是一个自主的单位，每种是一个自主的单位，每种ISIS都都编码自身转座所需的蛋白质。编码自身转座所需的蛋白质。标准命名法：如标准命名法：如：IS1IS1表示一个表示一个IS1IS1序列插入序列插入到噬菌体基因组内。到噬菌体基因组内。nISIS末端具有末端具有反向末端重复序列反向末端重复序列（inverted terminal inverted terminal repeats,ITRrepeats,ITR），转座时往往），转座时往往复制复制宿主靶位点一小段宿主靶位点一小段DNADNA，形成位于形成位于ISIS序列两端的正向重复区。序列两端的正向重复区。n除除IS1IS1以外，所有已知以外，所有已
26、知ISIS序列只有一个单一的长编码区，序列只有一个单一的长编码区，它起始于一端的它起始于一端的ITRITR之内，终止于另一端的之内，终止于另一端的IRIR之前或之内，之前或之内，编码转座酶。编码转座酶。nIS1IS1有两个有两个ORF,ORF,只有移码通读才能产生功能型转座酶。只有移码通读才能产生功能型转座酶。4.5.3 Tn transposon4.5.3 Tn transposon（复合转座子）（复合转座子）TnTn除了与它的转座作用有关的基因外，还含有其它除了与它的转座作用有关的基因外，还含有其它基因，如带有某些抗药性基因（或其它宿主基因），基因，如带有某些抗药性基因（或其它宿主基因），
27、这就赋予宿主基因以一定的表型，使宿主细菌对某这就赋予宿主基因以一定的表型，使宿主细菌对某些药物出现抗性。些药物出现抗性。根据结构不同可以分为两种类型。根据结构不同可以分为两种类型。型：两个末端型：两个末端由相同的由相同的ISIS序列构成；序列构成；型：两末端由型：两末端由38bp38bp的反向的反向重复序列组成，如重复序列组成，如Tn ATn A族转座子。族转座子。4.5.4 转座作用的机制转座作用的机制是转座子插入到新的位点上产生转座作用的机制是转座子插入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，然后由的反向重复序
28、列相连，然后由DNADNA聚合酶填补缺聚合酶填补缺口，口，DNADNA连接酶封闭缺口。连接酶封闭缺口。n 转座可被分为复制和非复制两大类。转座可被分为复制和非复制两大类。在复制性转座中，整个转座子被复制了，所移动和转位的在复制性转座中，整个转座子被复制了，所移动和转位的仅仅是原转座子的拷贝，如仅仅是原转座子的拷贝，如TnATnA类转座。转座酶类转座。转座酶（tranposasetranposase）和解离酶（）和解离酶（resovlaseresovlase）分别作用于原始）分别作用于原始转座子和复制转座子。转座子和复制转座子。非复制性转座中，原始转座子作为一个可移动的实体直接非复制性转座中，原
29、始转座子作为一个可移动的实体直接被移位，如被移位，如ISIS序列、序列、MuMu及及Tn5Tn5。4.5.5 4.5.5 转座作用的遗传学效应转座作用的遗传学效应转座引起插入突变。转座引起插入突变。如果转座子插入位于某操如果转座子插入位于某操纵子的前半部分，就可能造成极性突变，导致纵子的前半部分，就可能造成极性突变，导致该操纵子后半部分基因失活。该操纵子后半部分基因失活。转座产生新的基因。转座产生新的基因。如果转座子上带有抗药性如果转座子上带有抗药性基因，它一方面造成靶基因，它一方面造成靶DNADNA序列上的插入突变，序列上的插入突变，同时也使这个位点产生抗药性。同时也使这个位点产生抗药性。转
30、座产生的染色体畸变转座产生的染色体畸变。当复制性转座发生在宿主当复制性转座发生在宿主DNADNA原有位点附件时，往往导致转座子两个拷贝之间的原有位点附件时，往往导致转座子两个拷贝之间的同源重组，引起同源重组，引起DNADNA缺失或倒位。缺失或倒位。转座引起的生物进化。转座引起的生物进化。转座作用可以使原来在染色转座作用可以使原来在染色体上相距甚远的基因组合到一起，构建成一个操纵子或体上相距甚远的基因组合到一起，构建成一个操纵子或表达单元，也可能产生一些具有新的生物学功能的基因表达单元，也可能产生一些具有新的生物学功能的基因和新的蛋白质。和新的蛋白质。4.5.6 真核生物中的转座子（1 1）玉米
31、中的控制因子玉米中的控制因子玉米细胞内的控制因子可归纳为两大类：一类是玉米细胞内的控制因子可归纳为两大类：一类是自主性因子自主性因子；另一类另一类是非自主性因子是非自主性因子。前者具有自主剪接和转座的功能；后。前者具有自主剪接和转座的功能；后者单独存在时是稳定的，不能转座，当基因组中存在与非自主者单独存在时是稳定的，不能转座，当基因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因子时，它才具备转座功能，成为与自性因子同家族的自主性因子时，它才具备转座功能，成为与自主性因子相同的转座子。主性因子相同的转座子。同一家族的自主性因子能为非自主性同一家族的自主性因子能为非自主性因子的转座提供反式作用蛋白（转座酶
32、），而不同家族间无此因子的转座提供反式作用蛋白（转座酶），而不同家族间无此反应反应。玉米转座子同样具有典型的玉米转座子同样具有典型的ISIS特征特征在转座子两翼有两个倒在转座子两翼有两个倒转重复序列，在靶转重复序列，在靶DNADNA插入位点有两个短正向重复序列。插入位点有两个短正向重复序列。Ac-DsAc-Ds（activator-dissociation systemactivator-dissociation system）系统：）系统：AcAc为自主为自主转座子，转录生成单一转座子，转录生成单一RNARNA。成熟。成熟mRNAmRNA长长3500 bp3500 bp，并含有一，并含有一个
33、长个长807807个密码子的开放阅读框，被个密码子的开放阅读框，被4 4个内含子分割成个内含子分割成5 5个外个外显子。显子。AcAc转座子两翼有转座子两翼有11bp11bp倒转重复序列，在靶倒转重复序列，在靶DNADNA位点复位点复制形成制形成8 bp8 bp的正向重复。的正向重复。所有所有DsDs都是都是AcAc转座子的缺失突变体，如转座子的缺失突变体，如Ds 9 Ds 9 缺失了缺失了194 bp194 bp。非自主性转座子虽然缺失内源序列，但其两端转座特征序列非自主性转座子虽然缺失内源序列，但其两端转座特征序列完整，只要细胞内有相应的转座酶活性，它就能回复转座功完整，只要细胞内有相应的
34、转座酶活性，它就能回复转座功能。能。Spm-dSpm Spm-dSpm(suppressor-promoter-mutator(suppressor-promoter-mutator)系统：系统：SpmSpm是自主性因子，又称增强子，长是自主性因子，又称增强子，长8 287 bp8 287 bp，末端，末端IRIR为为13 13 bpbp，靶位点同向重复，靶位点同向重复8 bp8 bp，含有，含有3 3个内含子，个内含子，2 2个阅读框。它个阅读框。它能以激活型、钝化型和程序型能以激活型、钝化型和程序型3 3中形式存在，具有转座、整合中形式存在，具有转座、整合和解离活性。和解离活性。dSpmd
35、Spm是非自主性因子（又称抑制因子），由是非自主性因子（又称抑制因子），由SpmSpm缺失而形成，缺失而形成，长度不等，末端长度不等，末端IRIR为为13bp13bp，靶位点同向重复，靶位点同向重复8 bp8 bp，当，当dSpmdSpm插插入结构基因后可引起基因的插入突变，影响结构基因表达，入结构基因后可引起基因的插入突变，影响结构基因表达，解离后形成回复突变，解离后形成回复突变，Spm-dSpmSpm-dSpm还能导致染色体断裂。还能导致染色体断裂。（2 2）果蝇中的转座子果蝇中的转座子P P转座子：转座子：果蝇中几乎所有杂种不育都是由于果蝇中几乎所有杂种不育都是由于P P转座子插入转座子
36、插入基因组基因组W W位点而引起的。位点而引起的。果蝇所有果蝇所有P P转座子两翼都有转座子两翼都有31bp31bp倒转重复序列，倒转重复序列，在靶在靶DNADNA位点复制形成位点复制形成8 bp8 bp的正向重复。的正向重复。原初转录产物包括外显子原初转录产物包括外显子0 0、1 1、2 2、3 3及及3 3个内含子。个内含子。体细胞中只有前两个内含子被切除，产生包括外体细胞中只有前两个内含子被切除，产生包括外显子显子0-20-2的功能型的功能型mRNAmRNA，并被翻译成一个转座阻遏，并被翻译成一个转座阻遏蛋白。在卵细胞中，内含子蛋白。在卵细胞中，内含子3 3能被切除，成熟能被切除，成熟m
37、RNAmRNA包括包括4 4个外显子并被翻译成转座酶，导致个外显子并被翻译成转座酶，导致P P转座子转座子转座和配子体败育。转座和配子体败育。实验表明，体细胞中存在一个与外显子实验表明，体细胞中存在一个与外显子3 3特异性结特异性结合的蛋白，这种蛋白与合的蛋白，这种蛋白与RNARNA的结合妨碍了内含子的结合妨碍了内含子3 3的剪接。的剪接。思考题1.1.基因突变；点突变；转换与颠换；同义突变和错义突变；基因突变；点突变；转换与颠换；同义突变和错义突变；2.2.什么是什么是DNADNA的损伤？的损伤？DNADNA结构的改变有哪两种类型？结构的改变有哪两种类型？3.3.什么是什么是DNADNA的修复？细胞对的修复？细胞对DNADNA的修复系统主要有哪几种？的修复系统主要有哪几种？4.4.同源重组；同源重组；HollidayHolliday模型；特异位点重组；转座子，插入模型；特异位点重组；转座子，插入序列；复合型转座子序列；复合型转座子5.5.简述转座子的转座机制。简述复制性和非复制性转座。简述转座子的转座机制。简述复制性和非复制性转座。6.6.DNADNA转座引起什么遗传效应？转座引起什么遗传效应？7.7.简述玉米的控制元件，简述玉米的控制元件，Ac-DsAc-Ds系统，系统，Spm-dSpmSpm-dSpm系统。系统。8.8.简述果蝇的简述果蝇的P P转座子转座子