第二章染色体与DNA3.ppt

2.5 DNA的修复的修复l l由于染色体由于染色体DNA在生命过程中占有至高在生命过程中占有至高无上的地位，无上的地位，DNA复制的准确性以及复制的准确性以及DNA日常保养中的损伤修复就有着特别日常保养中的损伤修复就有着特别重要的意义重要的意义表表2-13 大肠杆菌中大肠杆菌中DNA的修复系统的修复系统2.5.1错配修复（错配修复（mismatch repair））           细胞能够通过准确的错配修复系统细胞能够通过准确的错配修复系统识别新合成链中的错配并加以修正，识别新合成链中的错配并加以修正，DNA子链中的错配几乎完全能被修正子链中的错配几乎完全能被修正图图2-28 根据母链甲基化原则找出错根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图配碱基的示意图a.发现碱基错配发现碱基错配b.在水解在水解ATP的作用下，的作用下，MutS,MutL与碱基错配位点的与碱基错配位点的DNA双链相结合双链相结合c.MutS-MutL在在DNA双链上移动，双链上移动，发现甲基化发现甲基化DNA后由后由MutH切开非甲切开非甲基化的子链基化的子链l该系统识别母链的依据来自该系统识别母链的依据来自Dam甲基化甲基化酶，它能使位于酶，它能使位于5’GATC序列中腺苷酸的序列中腺苷酸的N6位甲基化。

一旦复制叉通过复制起始位甲基化一旦复制叉通过复制起始位点，母链就会在开始位点，母链就会在开始DNA合成前的几合成前的几秒种至几分钟内被甲基化秒种至几分钟内被甲基化图图2-29碱基错配修复过程示意图碱基错配修复过程示意图2.5.2 切除修复    碱基切除修复碱基切除修复（（Base-excision repair））l所有细胞中都带有能识别受损核酸位点的不同所有细胞中都带有能识别受损核酸位点的不同的糖苷水解酶，能特异性切除受损核苷酸上的的糖苷水解酶，能特异性切除受损核苷酸上的N-β糖苷键，形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称糖苷键，形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为为AP位点图图2-30 DNA分子中常分子中常见的几种核苷酸非酶促见的几种核苷酸非酶促转变反应转变反应a.脱氨基反应脱氨基反应图图2-30 DNA分子中常见的几种核苷分子中常见的几种核苷酸转变反应酸转变反应b.脱嘌呤反应（脱嘌呤反应（N-β糖苷键被水解）糖苷键被水解）DNA repair bybase excisionDNA分子中一旦产分子中一旦产生了生了AP位点，内切位点，内切酶就会把受损核苷酶就会把受损核苷酸的糖苷酸的糖苷-磷酸键切磷酸键切开，移去开，移去AP位点附位点附近小片段近小片段DNA，并，并由由DNA聚合酶聚合酶I和和DNA连接酶共同完连接酶共同完成修复。

成修复核苷酸切除修复核苷酸切除修复（（nucleotide-excision repair））l当当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，则由核苷导致双链之间无法形成氢键，则由核苷酸切除修复系统负责修复酸切除修复系统负责修复DNA repair bynucleotide excision损伤发生后，首先由损伤发生后，首先由DNA切割酶切割酶(excinuclease)在已在已损损伤的核苷酸伤的核苷酸5’和和3’位位分别切开磷酸糖苷键分别切开磷酸糖苷键，产生并移去，产生并移去DNA小小片段，然后由片段，然后由DNA聚聚合酶合成新片段，并合酶合成新片段，并由由DNA连接酶完成修连接酶完成修复中的最后步骤复中的最后步骤大肠杆菌和人类细胞中的核苷酸切除修复过程示意图大肠杆菌和人类细胞中的核苷酸切除修复过程示意图在原核生物中受损核苷酸在原核生物中受损核苷酸3’端的第端的第5位，位，5’端的第端的第8位磷酸糖苷分别被位磷酸糖苷分别被DNA切割酶切开切割酶切开在人类细胞中，受损伤核苷酸在人类细胞中，受损伤核苷酸3’端第端第6位，位，5’端的第端的第23位磷酸糖苷键分别被位磷酸糖苷键分别被DNA切割酶切割酶切开。

切开2.5.3 重组修复重组修复(Recomhinant repair)l又称又称“复制后修复复制后修复”，发生在复制之后，发生在复制之后l①①受损伤的受损伤的DNA链复制时，产生的子代链复制时，产生的子代DNA在在损伤的对应部位出现缺口损伤的对应部位出现缺口l②②完整母链完整母链DNA与有缺口子链与有缺口子链DNA进行重组交进行重组交换，将母链上相应片段填补子链缺口处，而母换，将母链上相应片段填补子链缺口处，而母链出现缺口链出现缺口l③③以另一条子链以另一条子链DNA为模板，经为模板，经DNA pol合成合成一新一新DNA片段填补母链缺口，最后由片段填补母链缺口，最后由DNA ligase连接完成修补连接完成修补2.5.4 DNA的直接修复的直接修复（（direct repair））l生物体内还存在生物体内还存在DNA损伤直接修复而并损伤直接修复而并不需要切除碱基或核苷酸的机制不需要切除碱基或核苷酸的机制lDNA光解酶（光解酶（photolyase）能把在光下或）能把在光下或经紫外光照射形成的环丁烷胸腺嘧啶二经紫外光照射形成的环丁烷胸腺嘧啶二体及体及6-4光化物（光化物（6-4-photoproduct）还原）还原成为单体。

成为单体紫紫外外光光诱诱发发形形成成嘧嘧啶啶二二体体此外，生物体内还广泛存在着使此外，生物体内还广泛存在着使O6-甲甲基鸟嘌呤脱甲基化的甲基转移酶，以基鸟嘌呤脱甲基化的甲基转移酶，以防止形成防止形成G-T配对O6-甲基转移酶使甲基转移酶使O6甲基化鸟嘌呤恢复成鸟嘌呤甲基化鸟嘌呤恢复成鸟嘌呤2.5.5 SOS反应（反应（SOS response））        SOS反应是细胞反应是细胞DNA受到损伤或复制系受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施修复结果只是能维持产生的一种应急措施修复结果只是能维持基因组的完整性，但留下的错误较多，又称基因组的完整性，但留下的错误较多，又称为错误倾向修复（为错误倾向修复（error-prone repair），使），使细胞有较高的突变率细胞有较高的突变率SOS反应主要包括反应主要包括①DNA①DNA的修复：有利于细胞存活的修复：有利于细胞存活②②产生变异：导致细胞癌变或进化产生变异：导致细胞癌变或进化2.6 DNA的转座（DNA Transposition）lDNA的转座，或称移位（的转座，或称移位（ransposition），），是由可移位因（是由可移位因（transposable element）介）介导的遗传物质重排现象。

导的遗传物质重排现象2.6.1转座子的分类和结构特征l    转座子（转座子（transposon，，Tn）是存在于）是存在于染色体染色体DNA上可自主复制和位移的基本上可自主复制和位移的基本单位l    转座子分为两大类：转座子分为两大类：                  插入序列（插入序列（insertional sequence））                  复合型转座子复合型转座子插入序列（insertional sequence，IS）l最简单的转座子不含有任何宿主基因而最简单的转座子不含有任何宿主基因而常被称为插入序列（常被称为插入序列（insertional sequence，，IS），它们是细菌染色体或质粒），它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分一个细菌细胞常带有的正常组成部分一个细菌细胞常带有少于少于10个个IS序列l常见的常见的IS序列都是很小的序列都是很小的DNA片段（约片段（约1kb），），末端具有倒置重复序列，转座时常复制宿主靶末端具有倒置重复序列，转座时常复制宿主靶位点位点4～～15bp的的D N A形成正向重复区形成正向重复区l大部分大部分IS序列只有一个开放读码框，翻译起点序列只有一个开放读码框，翻译起点紧挨着第一个倒置重复区，终止点位于第二个紧挨着第一个倒置重复区，终止点位于第二个倒置重复区或附近。

倒置重复区或附近lIS1含有两个分开的读码框，只有移码通读才含有两个分开的读码框，只有移码通读才能产生功能型转座酶能产生功能型转座酶表2-14 IS序列的结构特征比较复合式转座子（复合式转座子（composite transposon））l是一类带有某些抗药性基因（或其他宿是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的相同或高度同源的IS序列l一旦形成复合转座子，一旦形成复合转座子，IS序列就不能再序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动只能作为复合体移动l除了末端带有IS序列的复合转座子以外，还存在一些没有IS序列的、体积庞大的转座子（5 000bp以上）——TnA家族常带有3个基因，一个编码β-内酰胺酶（AmpR），另两个则是转座作用所必须的l所有TnA类转座子两翼都带有38bp的倒置重复序列2.6.2真核生物中的转座子l1.玉米中的控制因子（玉米中的控制因子（controlling element））l玉米中的控制因子分为两类，玉米中的控制因子分为两类，           自主性因子：具有自主剪接和转座的功能；自主性因子：具有自主剪接和转座的功能；           非自主性因子：单独存在时是稳定的，不能非自主性因子：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。

自主性因子时，它才具备转座功能l同一家族的自主性因子能为非自主性因子的转座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）提供反式作用蛋白（转座酶）（1） Ac-Ds系统l在著名的在著名的Ac-Ds体系中，自主转座子体系中，自主转座子Ac长长4563bp，转录生成，转录生成3 500bp的单一成熟的单一成熟RNAlAc转座子的两翼有转座子的两翼有11bp的倒转重复序列，的倒转重复序列，在其靶在其靶DNA位点复制形成位点复制形成8bp正向重复正向重复l已知所有Ds都是Ac转座子的缺失突变体，其两端有完整的转座特征序列Spm-dSpm系统系统lSpm（（suppressor-mutator）和）和En（（enhancer）属于另一类转座子属于另一类转座子lSpm和和En几乎是完全相同的，它们只有几乎是完全相同的，它们只有不到不到10个碱基的差异，两端各有一个个碱基的差异，两端各有一个13bp的倒置重复序列，在其靶的倒置重复序列，在其靶DNA位点位点复制形成复制形成3bp正向重复正向重复转座子转座子Spm/En和和dSpm非自主转座子的结构比较非自主转座子的结构比较lSpm和En的转录区（即tnpA基因）有8300bp，成熟mRNA为2500bp。

tnpA基因产物的主要功能是切割转座子序列另有两个开放读码框位于tnpA基因的内含子中，其mRNA的含量大约只有tnpA基因产物的1%l由tnpB基因编码的这两个蛋白可能直接与转座子两端13bp倒转重复区相结合，有利于DNA的切割和转移所有dSpm（defective Spm）都是功能型Spm的缺失突变体2果蝇中的转座子l果蝇中的Copia转座子具有数百bp的末端正向重复和类似于酵母Ty转座子及RNA肿瘤前病毒的结构，能以高速度转录并产生有多聚腺苷化末端的RNA只具有一个长的可阅读框架，基因产物与RNA肿瘤病毒逆转录酶有较高的同源性图2-38真核生物细胞内存在不少结构上类似于反转录病毒的反转录转座子这类转座子都编码一个与反转录病毒中的反转录酶高度同源的转座酶，左右两边都是与病毒边界序列LTR同源的重复序列P转座子（P element）属于非复制型，两翼都有31bp倒置重复序列，转座后导致靶DNA复制产生8bp正向重复序列有实验证明，P转座子插入果蝇基因组W位点引起杂种不育P转座子的原初转录产物为转座子的原初转录产物为2.5或或3.0kb，包括外显子，包括外显子0、、1、、2、、3及及3个内含子。

个内含子在卵细胞中，内含子在卵细胞中，内含子3能被切能被切除，所产生的成熟除，所产生的成熟mRNA包括包括全部全部4个外显子并被翻译成个外显子并被翻译成8.7×10  转座酶，导致转座酶，导致P转座子转座子转座和配子体败育转座和配子体败育4体细胞中，只有前两个内含子体细胞中，只有前两个内含子能被顺利切除，产生包括外显能被顺利切除，产生包括外显子子0～～2的功能型的功能型mRNA并被翻并被翻译成一个译成一个6.6×10  的转座阻遏的转座阻遏蛋白4P转座子与杂种不育①①转座引起转座引起插入突变各种插入突变各种IS、、Tn转座子转座子都都可以引起插入突变如果插入位于某操纵可以引起插入突变如果插入位于某操纵子的前半部分，就可能造成极性突变，导子的前半部分，就可能造成极性突变，导致该操纵子后半部分结构基因表达失活致该操纵子后半部分结构基因表达失活②②转座产生新的基因如果转座子上带有抗转座产生新的基因如果转座子上带有抗药性基因，它一药性基因，它一方面造成靶方面造成靶DNA序列上的序列上的插入突变，同时也使这个位点产生抗药性插入突变，同时也使这个位点产生抗药性 转座的遗传学效应主要有以下几方面：转座的遗传学效应主要有以下几方面：③③转座产生的染色体畸变。

当复制性转座发转座产生的染色体畸变当复制性转座发生在宿主生在宿主DNA原有位点附近时，往往导致转原有位点附近时，往往导致转座子两个拷贝之间的同源重组，引起座子两个拷贝之间的同源重组，引起DNA缺缺失或倒位若同源重组发生在两个正向重复失或倒位若同源重组发生在两个正向重复转座区之间，就导致宿主染色体转座区之间，就导致宿主染色体DNA缺失；缺失；若重组发生在两个反向重复转座区之间，则若重组发生在两个反向重复转座区之间，则引起染色体引起染色体DNA倒位倒位④④转座引起的生物进化由于转座作用，使转座引起的生物进化由于转座作用，使一些原来在染色体上相距甚远的基因组合到一些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表达单元，也可一起，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和新能产生一些具有新的生物学功能的基因和新的蛋白质分子的蛋白质分子。