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教材 Molecular biology of the gene 7th edition  J.D. Watson et. al

DNA的突变和修复

一、复制错误及修复

1、突变的本质

  • 点突变
  • 大范围插入、缺失
  • 染色体结构整体重排
    • 与转座子插入,细胞重组异常活动有关
    • 染色体上有重组热点

  微卫星DNA极易发生突变

  • 如CA二核苷酸序列重复
    • 复制机器很难精确复制、容易打滑
    • CA重复片段长度呈现高度多态性
    • 为遗传作图提供物理标记
三联核苷重复与亨廷顿病有关
· CAG 谷氨酰胺密码子片段扩增,谷氨酰胺残基片段长度增大
· 干扰Sp1转录因子谷氨酰胺富含区
· 谷氨酰胺残基片段削弱大脑神经元中转录
· 亨廷顿病

2、有些复制错误能够逃脱复制时的校正

  错配修复能够将此错误去除

  》修复系统扫描基因组

  》准确修复新链的错误

  以大肠杆菌为例

  • MutS 扫描基因组
    • MutS有许多,在DNA上来回随机运动(没结合ATP时,结合半衰期1sec)
    • 错配引起骨架扭曲变形,MutS 识别
    • MutS 结合ATP,结合半衰期 600sec, 并且倾向于在错配点
    • MutS 与错配点复合体 招募 MutL
    • MutL 激活MutH
      • MutH 识别 5-GATC-3
      • MutH 能够在新链上切一个口
    • UvrD解旋酶、外切酶作用下消化新链,并且越过错配点
      • 5’侧切开:外切酶 VII 或 RecJ ,5->3 消化
      • 3‘侧切开:外切酶I,3'->5' 消化
    • Pol III 修复(5'->3')

3、甲基化介导的错配修复

  • E.Coli拥有Dam甲基化酶
    • 使双链上 5'-GATC-3' 的 A 被甲基化
    • 子链没来得及甲基化
  • MutS、MutL复合体激活 MutH
    • MutH在没有甲基化新链上切口
  • 消化,修复

  

4、缺口介导的错配修复

  • 真核生物使用MutS(MSH)和 MutL的同源物完成修复功能
    • 真核生物的MutS样蛋白有特化:如 有的专门用于简单修复,有些用于打滑产生小的插入缺失
  • 多数细菌也没有Dam甲基化酶
  • 冈崎片段之间有个缺口,然后MutL被招募至链上,形成切口
  • MSH等 与 PCNA 相互作用 被招募至后随链不连续合成部位上
  • MSH等 与滑动夹相互作用 被招募至 生长中的 3' 端

二、DNA的损伤

  • 水解、脱氨基
    • 胞嘧啶 碱基脱氨基:产生非天然尿嘧啶-》A (为什么DNA用T不用U)
    • 腺嘌呤 脱氨基:产生次黄嘌呤-》C
    • 鸟嘌呤 脱氨基:黄嘌呤-》C
    • N-糖苷键自发水解,去嘌呤化
    • 胞嘧啶-甲基转移酶 -》 5'甲基胞嘧啶 -脱氨基-》胸腺嘧啶 (脊椎动物自发突变热点)
  • 烷化反应
    • 亚硝胺等
    • 鸟嘌呤 -> O6甲基鸟嘌呤 :错配胸腺嘧啶
  • 氧化反应
    • 活性氧
    • G -> oxoG 能与A 也能与C配对(G->A癌症普遍突变)
  • 辐射
    • 260nm紫外线 胸腺嘧啶二聚体
    • γ射线:双链断裂
  • 碱基类似物
    • 5'BrU(替代T)-》烯醇式-》配对G
  • 嵌入剂
    • 扁平分子
    • 溴乙锭、原黄素、吖啶橙
    • 产生缺失(模板弯曲、跳读)或插入(插入碱基间)

三、DNA损伤修复

  • 直接修复
  • 剪切修复
    • 剪切核苷酸
    • 剪切碱基
  • 重组修复
  • 移损修复

1、直接逆转

  • 光激活(DNA光解酶)
    • 嘧啶二聚体
  • 甲基转移酶
    • O6甲基鸟嘌呤

2、碱基切除修复通过碱基弹出除去受损碱基

  • 糖基化酶 glycosylase
  • 水解糖苷键除去受损碱基
  • 随后 脱碱基戊糖被去除
  • 核酸内切性切割
  • 聚合酶作用

  糖基化酶是损伤特异性的,人有11种

  受损碱基在复制前没被切除 以 oxoG 为例

  • 专门糖基化酶识别
  • 切除oxoG配对的 A ,换上C
  • 给糖基化酶切除oxoG 再一次机会

  

  如何扫描定位:

  • 沿小沟扫描检测
  • 受损碱基是弹出的,正好位于糖基化酶特异性口袋中

3、核苷酸切除修复 nucleotide excision repair

  识别双螺旋上发生的扭曲

  原核的核苷酸切除修复主要用到 UvrA、B、C、D

  • UvrA、B 复合体扫描DNA
  • 遇到损伤扭曲后,UvrA解离
  • UvrB 变性DNA,产生单链凸起
  • UvrB 招募UvrC 产生两缺口
  • UvrD 解旋
  • Pol I 、Ligase 作用

 真核的核苷酸切除修复主要用到XPA、XPD、RPA、ERCC1-XPF,XPG

  • XPA XPD 解旋
  • RPA 单链结合蛋白
  • 5' XPF切、  3'XPG切

4、转录藕联修复

在转录过程中发现错误并纠正:把修复工具集中在表达活跃的片段上

通用转录因子 TFIIH

  • 切除修复中:解旋

    • XPA XPD 活性  
  • 在基因转录中打开DNA模板

5、NHEJ

  • Ku70-80寻找断口
  • 招募DNA PKc
  • DNA PKc招募Artemic
  • 修饰断口
  • 连接

6、同源重组修复 见下章

7、移损DNA合成 使复制越过DNA损伤继续进行

  难以修复的错误,为防止DNA复制或转录终止而进行的SOS反应

  在Ecoli中由Pol IV、 PolV承担,原核 Pol η、κ

图示移损酶缺少 O-helix ,容许错配

  移损修复也不是完全随机的,有些移损酶插入特定核苷酸:

  • Pol η 在嘧啶二聚体处插入两个 A  

  

  移损酶的可选模式

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