資源簡(jiǎn)介

DNA校對(duì)和修復(fù)
先看一道試題：
2015年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)表彰三位科學(xué)家在DNA修復(fù)機(jī)理研究貢獻(xiàn)。闡明了在分子層面上細(xì)胞如何進(jìn)行DNA修復(fù)，并確保其遺傳信息安全的機(jī)制。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）DNA（脫氧核糖核酸）是一種解密生命密碼的分子（見(jiàn)圖），帶有遺傳信息的DNA片段被稱為基因。細(xì)胞對(duì)DNA受損后進(jìn)行基因修復(fù)，則DNA修復(fù)過(guò)程發(fā)生了______（填“物理”或“化學(xué)”）變化。修復(fù)機(jī)制確保了維持生命存在的遺傳物質(zhì)DNA的安全和穩(wěn)定，這說(shuō)明DNA分子能保持其______（填“化學(xué)”或“物理”）性質(zhì)。
（2）細(xì)胞監(jiān)控并修復(fù)紫外線對(duì)基因造成的侵害，分子修復(fù)功能適用于所有的生物。紫外線輻射改變DNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)，這一過(guò)程將_____能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。
（3）細(xì)胞用來(lái)修復(fù)DNA的秘密武器是蛋白質(zhì)，監(jiān)控持續(xù)校對(duì)基因組，一旦發(fā)現(xiàn)基因發(fā)生受損，便對(duì)基因進(jìn)行修復(fù)。下列物質(zhì)不會(huì)使蛋白質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化，失去原有生理活性的是_____（填序號(hào)）。
a甲醛 b乙酸鉛 c氯化鈉 d尼古丁（煙堿）
（4）脫氧核糖是DNA的重要組成部分，其化學(xué)式為C5H10O4，則脫氧核糖屬于_____（填“有機(jī)”或“無(wú)機(jī)”）化合物，其相對(duì)分子質(zhì)量為_(kāi)__，其中碳、氫元素的原子個(gè)數(shù)比為_(kāi)____，氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為_(kāi)____（計(jì)算結(jié)果精確到0.01%）。
（5）本年度獲獎(jiǎng)?wù)甙l(fā)現(xiàn)三種基因修復(fù)機(jī)制和途徑，打開(kāi)了DNA修復(fù)研究領(lǐng)域的大門。神奇的DNA修復(fù)技術(shù)可應(yīng)用到基因工程和現(xiàn)代醫(yī)療哪些方面？____________、______________（要求至少兩點(diǎn)）。
答案：（1）化學(xué) 化學(xué) （2）光 （3）c （4）有機(jī)134 1:2 （或5:10） 47.76%（5）檢測(cè)基因來(lái)篩查診斷遺傳性疾病研發(fā)抗癌新療法:制造出能永駐青春的化妝品；生活中要遠(yuǎn)離煙酒，以減少對(duì)基因修復(fù)系統(tǒng)的干擾；通過(guò)修復(fù) 基因，讓細(xì)胞慎發(fā)無(wú)限活力，人類有可能長(zhǎng)生不老等
此題涉及了DNA損傷和修復(fù)。教材沒(méi)有提到。
那么，DNA損傷校對(duì)和修復(fù)的機(jī)理是什么？
我們身體的細(xì)胞中實(shí)際上一直在發(fā)生復(fù)制錯(cuò)誤和DNA損傷。在大多數(shù)情況下，它們不會(huì)導(dǎo)致基因突變或者引起疾病，這是因?yàn)轶w內(nèi)存在DNA校對(duì)和修復(fù)機(jī)制。此外，如果DNA發(fā)生了損傷并無(wú)法修復(fù)，細(xì)胞將經(jīng)歷程序性細(xì)胞死亡（凋亡），以避免傳遞有缺陷的DNA。
校對(duì)
DNA聚合酶是DNA復(fù)制重要的酶。在DNA復(fù)制過(guò)程中，大多數(shù)DNA聚合酶可以在添加每個(gè)堿基時(shí)“檢查它們的工作”，這個(gè)過(guò)程被稱為校對(duì)。如果聚合酶檢測(cè)到已經(jīng)添加了錯(cuò)誤的（配對(duì)不正確的）核苷酸，它將立即移除并替換該核苷酸，然后繼續(xù)DNA合成
錯(cuò)配修復(fù)
雖然大多數(shù)錯(cuò)誤可以通過(guò)校對(duì)進(jìn)行糾正，但仍有一些“漏網(wǎng)之魚”。錯(cuò)配修復(fù)發(fā)生在新的DNA生成后，其任務(wù)是去除并替換錯(cuò)配的堿基（在校對(duì)期間未被修復(fù)的堿基）。此外，錯(cuò)配修復(fù)還能檢測(cè)并糾正聚合酶在模板上“滑動(dòng)”時(shí)發(fā)生的小插入和缺失。
首先，一個(gè)蛋白質(zhì)復(fù)合物（一組蛋白質(zhì)）識(shí)別并結(jié)合到錯(cuò)配的堿基上。第二個(gè)復(fù)合物在錯(cuò)配附近切割DNA，更多的酶去除掉錯(cuò)配的核苷酸以及周圍的一小片DNA。然后，DNA聚合酶用正確的核苷酸替換缺失的部分。最后，DNA連接酶封閉了缺口。
損傷修復(fù)
DNA在細(xì)胞的整個(gè)生命周期中幾乎任何時(shí)刻都可能遭受損害，比如紫外線、化學(xué)物質(zhì)和X射線。即使沒(méi)有環(huán)境侵害，DNA也會(huì)發(fā)生自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程也有可能發(fā)生損傷。
細(xì)胞擁有修復(fù)機(jī)制，能夠檢測(cè)和糾正許多類型的DNA損傷。幫助修復(fù)受損DNA的修復(fù)過(guò)程包括：
直接逆轉(zhuǎn)：細(xì)胞中的一些酶可以直接“撤銷”一些對(duì)DNA的損傷化學(xué)反應(yīng)。
切割修復(fù)：對(duì)DNA中一個(gè)或幾個(gè)堿基的損傷通常通過(guò)移除（切割）和替換受損區(qū)域來(lái)修復(fù)。在堿基切割修復(fù)中，只有受損的堿基被移除。前面所說(shuō)的錯(cuò)配修復(fù)一樣，在核苷酸切割修復(fù)中，一小片核苷酸被移除。
雙鏈斷裂修復(fù)：用于修復(fù)DNA雙鏈斷裂的兩個(gè)主要途徑是非同源末端連接和同源重組（即整個(gè)染色體分裂成兩段時(shí)
直接逆轉(zhuǎn)
在某些情況下，細(xì)胞可以通過(guò)反轉(zhuǎn)引起DNA損傷的化學(xué)反應(yīng)來(lái)修復(fù)DNA損傷。
其實(shí)，“DNA損傷”通常只是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將一組額外的原子附著到DNA上。例如，鳥(niǎo)嘌呤（G）可以經(jīng)歷一種反應(yīng)，將一個(gè)甲基（ CH3 CH3）基團(tuán)附著到堿基中的氧原子上。如果不修復(fù)，帶有甲基的鳥(niǎo)嘌呤在DNA復(fù)制過(guò)程中將與胸腺嘧啶（T）配對(duì)，而不是胞嘧啶（C）。在人類和許多其他生物的體內(nèi)都擁有一種酶，可以去除甲基基團(tuán)，逆轉(zhuǎn)反應(yīng)并使堿基恢復(fù)正常。
堿基切割修復(fù)
堿基切割修復(fù)是一種用于檢測(cè)和移除某些類型受損堿基的機(jī)制。糖基化酶（glycosylase）在堿基切割修復(fù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，每個(gè)糖基化酶都能檢測(cè)并去除特定類型的受損堿基。
例如，一種稱為脫氨基的化學(xué)反應(yīng)可以將胞嘧啶堿基轉(zhuǎn)化為尿嘧啶，尿嘧啶通常只在RNA中找到。在DNA復(fù)制過(guò)程中，尿嘧啶將與腺嘌呤配對(duì)，而不是鳥(niǎo)嘌呤（如果堿基仍然是胞嘧啶的話）。因此，未經(jīng)修復(fù)的胞嘧啶到尿嘧啶的變化可能導(dǎo)致突變。
為了防止這種突變，堿基切割修復(fù)途徑中的一種糖基化酶能夠檢測(cè)并去除脫氨基的胞嘧啶。一旦堿基被移除，DNA骨架上的“空白”部分也會(huì)被移除，并由其他酶填充和封閉該缺口。
核苷酸切割修復(fù)
核苷酸切割修復(fù)是另一種用于去除和替換受損堿基的途徑。核苷酸切割修復(fù)能夠檢測(cè)和糾正扭曲DNA雙螺旋的損傷類型，該途徑可以檢測(cè)到已被大塊化學(xué)基團(tuán)修飾的堿基。
核苷酸切割修復(fù)還用于修復(fù)一些由紫外線輻射引起的損傷類型，例如曬傷。紫外線輻射可以使胞嘧啶和胸腺嘧啶堿基與鄰近的同樣是C或T的堿基發(fā)生反應(yīng)，形成扭曲雙螺旋并導(dǎo)致DNA復(fù)制中的錯(cuò)誤的鍵。最常見(jiàn)的連接類型是胸腺嘧啶二聚體，由兩個(gè)胸腺嘧啶堿基相互反應(yīng)并化學(xué)連接而成。
在核苷酸切割修復(fù)中，受損的核苷酸及其周圍的一小片DNA都會(huì)被移除。在這個(gè)過(guò)程中，一個(gè)螺旋酶（DNA開(kāi)啟酶）扭動(dòng)打開(kāi)DNA形成一個(gè)氣泡，DNA切割酶切除氣泡中受損的部分。DNA聚合酶替換缺失的DNA，而DNA連接酶封閉鏈的骨架中的缺口。
雙鏈斷裂修復(fù)
一些環(huán)境因素，如高能輻射，可能導(dǎo)致DNA發(fā)生雙鏈斷裂（將染色體分為兩半）。
雙鏈斷裂是很危險(xiǎn)的，因?yàn)槿绻恍迯?fù)，染色體的大片段和它們所包含的數(shù)百個(gè)基因可能會(huì)丟失。
涉及到修復(fù)雙鏈DNA斷裂的兩個(gè)途徑是非同源末端連接和同源重組。
在非同源末端連接中，染色體的兩個(gè)斷裂端簡(jiǎn)單地被粘在一起。這種修復(fù)機(jī)制比較“凌亂”，通常涉及在切口處失去或有時(shí)添加一些核苷酸。因此，非同源末端連接往往會(huì)產(chǎn)生突變，但這比另一種可能性（失去整個(gè)染色體臂）更好。
在同源重組中，與受損染色體匹配的同源染色體的信息（或者如果DNA已經(jīng)被復(fù)制，則是來(lái)自姊妹染色單體）被用來(lái)修復(fù)斷裂。在這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)同源染色體相互結(jié)合，同源染色體或染色單體的未受損區(qū)域被用作模板，替換斷裂染色體的受損區(qū)域。同源重組比非同源末端連接更“干凈”，通常不會(huì)引起突變。

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