基因突变和表观遗传变异课件.ppt

1、9 基因突变和表观遗传变异基因突变和表观遗传变异表观遗传变异表观遗传变异DNA Pol 35外切酶活性直接修复光复活光裂合酶一般切除修复UvrABC 系统AP 内切酶糖基酶切除修复特殊切除修复GO 系统-MutM,MutY,MutT错配修复-Dam,MutL,MutH,UvrD重组修复-RecA修复复制后修复SOS 修复-RecA,LexA,UvrAB,UmuC,HimA9.1 基因突变的类型基因突变的类型3.突变的性质：突变的性质：稀有性稀有性（10-410-9）可逆性，可逆性，突变的多方向性突变的多方向性与复等位基因与复等位基因1.体细胞突变与体细胞突变与生殖细胞突变生殖细胞突变2.突变的

2、类型：突变的类型：形态形态，生化，生化，失去功能的失去功能的：无效无效-渗漏渗漏，获得功能的获得功能的，致死致死条件致死条件致死突变的多方向性突变的多方向性 与复等位基因与复等位基因中性突变中性突变（neutral mutation）多肽链中相应位点发生的氨基酸的取代并不影响蛋白质的功能;沉默突变沉默突变（silent mutation）蛋白质中相应位点发生了相同氨基酸的取代，即同义突变。同义突变。移码突变移码突变（frameshift mutation）回复突变回复突变（reverse mutation），一类是正向突变正向突变（forward mutation）突变方向是从野生型向突变型；

3、另一种是回复突变回复突变，其突变方向是从突变型向野生型抑制突变抑制突变（suppressor mutation）突变的作用还可以通过其它位点的突变（A B）而得到补偿或校正。9.2 基因突变的分子基础基因突变的分子基础n9.2.1.自发突变的分子基础自发突变的分子基础n突变率突变率（mutation rate）指在单位时间内某种突指在单位时间内某种突变发生的概率变发生的概率.n9.2.1.1 DNA复制错误复制错误n9.2.1.2 自发的化学变化自发的化学变化n 1.脱嘌呤脱嘌呤（depurination）作用n 2.脱氨脱氨（基）(deamination)作用n 3.氧化作用损伤碱基氧化作用

4、损伤碱基（oxidatively damaged bases）n 4.转座子和插入序列引起的突变转座子和插入序列引起的突变nDNA结构结构与复制与复制3 5 核酸外切酶核酸外切酶活性活性校对功能校对功能DNA复制中的复制中的保真机制保真机制碱基的互变异构可造成复制差错碱基的互变异构可造成复制差错 碱基的互变异构可造成复制差错碱基的互变异构可造成复制差错 DNA复制中碱基互变异构引起的突变复制中碱基互变异构引起的突变 DNA复制中碱基互变异构引起的突变复制中碱基互变异构引起的突变DNA复制中碱基环出复制中碱基环出/跳格造成移码突变跳格造成移码突变DNA复制中碱基环出复制中碱基环出/跳格造成缺失与

5、重复跳格造成缺失与重复9.2.1.2 自发的化学变化 1.脱嘌呤作用 2.脱氨基作用脱氨基作用:C U脱氨基作用脱氨基作用:5mC T突变热点3.氧化作用损伤碱基氧化作用损伤碱基n过氧化物原子团（过氧化物原子团（O2-）n（H2O2），（），（-OH）等需氧代谢的副产物）等需氧代谢的副产物都是有活性的氧化剂，都是有活性的氧化剂，n它们可导致它们可导致DNA的氧化损伤，的氧化损伤，nT氧化后产生氧化后产生T乙二醇乙二醇，nG氧化后产生氧化后产生8-氧氧-7,8二氢脱氧鸟嘌呤、二氢脱氧鸟嘌呤、8-氧鸟嘌呤氧鸟嘌呤(8-O-G)或或“GO”，nGO可和可和A错配，导致错配，导致GT。9.2.1.3

6、转座子和插入序列引起的基因突变转座子和插入序列引起的基因突变9.2.1.4 不等交换产生重不等交换产生重复和缺失突变复和缺失突变9.2.2 诱发突变的分子基础诱发突变的分子基础n9.2.2.1 放射线的诱发突变放射线的诱发突变 紫外线紫外线、X-射线、射线、射线、射线、宇宙射线宇宙射线n9.2.2.2 化学物质的诱发突变化学物质的诱发突变n 1.碱基类似物碱基类似物n (1)5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU）n (2)氨基嘌呤（氨基嘌呤（2-aminopurine 2-AP）n (3)迭氮胸苷（迭氮胸苷（AZT,azidothymidine）n 2.碱基的修饰剂碱基

7、的修饰剂n (1)亚硝酸（亚硝酸（introus acid,NA）n (2)羟胺羟胺n (3)烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化n 3.DNA插入剂插入剂n 原黄素（原黄素（proflavin）n 吖啶橙（吖啶橙（acridine orange）n 溴化溴化3,8-二氨基二氨基-5-乙基乙基-6-苯基菲啶鎓苯基菲啶鎓n （etnidium bramide）n ICR的复合物等的复合物等9.2.2.1 放射线诱发的突变放射线诱发的突变n电离辐射电离辐射（X-，-射线）射线）诱发染色体畸变诱发染色体畸变和基因突变（和基因突变（碱基降解碱基降解/脱氨脱氨）射线波长射线波

8、长-能量能量-诱变效应的关系诱变效应的关系nUV 照射造成嘧啶二聚体照射造成嘧啶二聚体-切除切除-碱基随机插碱基随机插入入=突变突变9.2.2.2 化学物质诱变化学物质诱变 1.碱基类似物n（1）5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶和和T很相似，仅在第很相似，仅在第5个碳元子上由个碳元子上由Br取代了甲基取代了甲基,5-BU有酮有酮式、烯醇式两种异构体，可分别与式、烯醇式两种异构体，可分别与A及及G配对结合配对结合碱基类似物（碱基类似物（5-BU）的掺入）的掺入转换转换碱基类似物（碱基类似物（2-AP）的掺入）的掺入转换转换碱基类似物碱基类似物（2-AP）的掺入）的掺入转换转换n(2)2-氨基嘌呤氨基嘌呤(2

9、-AP)也是碱基的类似也是碱基的类似物，有正常状态和稀有状态两种异构体，物，有正常状态和稀有状态两种异构体，可分别与可分别与T和和C配对结合。当配对结合。当2-AP掺入到掺入到 DNA复制中时，由于其异构体的变换而复制中时，由于其异构体的变换而导致导致A T G Cn2.碱基的修饰剂碱基的修饰剂n(1)亚硝酸亚硝酸（introus acid,NA）有）有氧化脱氨氧化脱氨作作用，可使用，可使G第第2个碳原子上的氨脱去，产生黄嘌呤个碳原子上的氨脱去，产生黄嘌呤（xanthine,x），次黄嘌呤），次黄嘌呤(H)仍和仍和C配对，故配对，故不产生转换突变。但不产生转换突变。但C和和A脱氨脱氨后分别产生

10、后分别产生U和次和次黄嘌呤黄嘌呤H，产生了，产生了转换转换，使，使C G转换成转换成A T，A T转换成转换成G C亚硝酸亚硝酸（introus acid,NA）有）有氧化脱氨氧化脱氨作用，作用，可使可使G 黄嘌呤（黄嘌呤（X）仍和）仍和C配对，故不产生突变；配对，故不产生突变；但但C脱氨脱氨 U，使，使C G转换成转换成A T；A脱氨脱氨次黄嘌呤次黄嘌呤H，使，使A T转换成转换成G C。碱基修饰剂的诱变作用碱基修饰剂的诱变作用(1)亚硝酸亚硝酸(2)羟胺羟胺(3)MMS/EMSn（2）羟胺羟胺只特异地和只特异地和胞嘧啶胞嘧啶起反应，在起反应，在第第4个个C原子上加原子上加-OH，产生，产生

11、4-OH-C，此，此产产 物可以和物可以和A 配对配对，使，使C G转换成转换成T An(3)(3)烷化剂烷化剂如如甲基黄酸乙脂（甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥氮芥(NM),甲基黄酸甲脂（甲基黄酸甲脂（MMS）,亚硝基胍亚硝基胍（NG）等，它们的作用是使碱基烷基化，）等，它们的作用是使碱基烷基化，EMS使使G的第的第6位烷化，使位烷化，使T的第的第4位上烷位上烷化，结果产生的化，结果产生的O-6-E-G和和 O-4-E-T分别分别和和T、G配对，导致配对，导致G C对转换成对转换成A T对；对；T A对转换成对转换成C G烷化剂烷化剂如如甲基黄酸乙脂（甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥氮芥(NM),甲

12、基黄酸甲甲基黄酸甲脂（脂（MMS）,亚硝基胍（亚硝基胍（NG）等，）等，使使G O-6-M-G=T配对，导致配对，导致G C对对转换转换成成A T；使使T O-4-M-T G配对，导致配对，导致T A对对转换转换成成C G；3.DNA插入剂插入剂导致碱基增减导致碱基增减嵌合剂的插入嵌合剂的插入移码突变移码突变9.3 体外定点诱变体外定点诱变n1985年年加拿大的加拿大的Michael Smith建立，于建立，于1993年获得了诺贝尔化学奖。年获得了诺贝尔化学奖。n具体方法有三种：具体方法有三种：n（1）寡核苷酸介导的单链模板定点突变；）寡核苷酸介导的单链模板定点突变；n（2）双引物法定点突变；

13、）双引物法定点突变；n（3）用掺入）用掺入U的单链为模板进行寡核苷的单链为模板进行寡核苷 酸介导的体外定点突变。酸介导的体外定点突变。寡核苷酸介导的单链模板定点突变寡核苷酸介导的单链模板定点突变 A A T G G A 图 21-DNA 的体外定点突变 基于基于PCR 的体外定点突变的体外定点突变基于基于PCR 的体外定点突变的体外定点突变9.4 突变剂的检测突变剂的检测用用 Ames法法检测诱变剂检测诱变剂突变和人类疾病突变和人类疾病n（一）自发突变和人类的疾病（一）自发突变和人类的疾病n一一.重复序列异常所引起的遗传病重复序列异常所引起的遗传病n线粒体的脑脊髓病（线粒体的脑脊髓病（mito

14、chondlrial encephalomyopathies)是线粒体重复顺序之是线粒体重复顺序之间产生缺失所致。间产生缺失所致。n脆性脆性X染色体综合征染色体综合征nX-连锁脊髓和延髓肌娄缩，也称连锁脊髓和延髓肌娄缩，也称Kennedys症症n强直性肌营养不良（强直性肌营养不良（Myotonic dystrophy）WT ACCTACCTCCCTCACCAAAGC5000bpTTCAACCTCCCTCACCATTGG 缺失5000bp KS ACCAACCTCCCTCACCATTGG图 21-18 野生型(WT)DNA 顺序和 Kearns-Sayre/慢性眼外肌瘫痪综合征(KS)患者的 D

15、NA 缺失 CGG CGG CGG 正常 654 拷贝 CGG CGG CGG CGG CGG NTM 50200 拷贝 CGG CGG CGG CGG CGG 女儿 50200 拷贝 CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG 患者 2001300 拷贝 图 21-19 在脆性 X 综合征中 FMR1 基因内 CGG 3 个核苷酸扩增。NTM：正常男性(二)诱发突变和人类的肿瘤9.5 基因突变的生物学防护与修复基因突变的生物学防护与修复 9.5.1 DNA的防护机制的防护机制1、密码的简并性、密码的简并性、相似性相似性 2、回复突变、回复突变3、抑制突变（

16、基因间抑制与基因内抑制）、抑制突变（基因间抑制与基因内抑制）4、二倍体和多倍体二倍体和多倍体5、致死与选择、致死与选择 9.5.2 DNA的修复机制的修复机制n一一.直接修复（直接修复（Direct repair）n(一一)通过通过DNA聚合酶校正聚合酶校正(3 5外切外切)修复修复n(二二)光复活反应光复活反应n光复活（光复活（photoreactivation）或光修复）或光修复（light repair）n光裂合酶（光裂合酶（photolyase),由由phr 基因编码基因编码n烷基转移酶（烷基转移酶（Alkyltransferases）(如对如对m6G)UV损伤的光修复损伤的光修复/光

17、复活光复活nPR酶，光能酶，光能nUVPy=Py特异特异n低等生物的主要修低等生物的主要修复方式复方式n(一一)一般切除修复一般切除修复n 切除修复切除修复(excision-repair)暗修复（暗修复（dark repair）n 切切-补补（-切）切）-封封n短短-补丁修复（补丁修复（short-patch repair）（）（20nt)20nt)组成型组成型n长长-补丁修复（补丁修复（long-patch repair）（1500nt)1500nt)诱导型诱导型n着色性干皮病（着色性干皮病（Xeroderma pigmentosum）是一种切）是一种切除修复酶的缺陷除修复酶的缺陷二、切除

18、修复二、切除修复（excision-repair）Damage Mutant base is mismatched and/or distorts stractur Incision Endonuclease cleaves on both sides of damaged ba Excision Exonuclease removes DNA Between nicks Synthesis Polymerase synthesizes Replacement DNA Ligase seals nickFig.21-Excision repar removes and replaces a s

19、tretch of DNA that includes the dameged base(s)E.Coli 中的切除修复系统中的切除修复系统损伤：突变的碱基错配或改变DNA结构剪切：内切酶在损伤碱基位点两侧剪切切除：外切酶除去切口间的DNA合成：DNA pol 合成取代DNA连接酶封闭缺口Uvr系统在修复各系统在修复各阶段中的作用：阶段中的作用：UvrAB识别损伤，识别损伤，UvrBC在在DNA上切上切一缺口，一缺口，UvrD使被标记区使被标记区解旋解旋n着色性干皮病着色性干皮病（Xeroderma pigmentosum）是一种切除修复是一种切除修复酶的缺陷酶的缺陷(二二)特殊切除修复途径特

20、殊切除修复途径n(1)AP核酸内切酶修复途径核酸内切酶修复途径 AP位点位点:无嘌呤（无嘌呤（apurinic）和）和 无嘧啶（无嘧啶（apyrimidinic）位点）位点n(2)糖基酶修复途径糖基酶修复途径重组修复（重组修复（recombination-repairrecombination-repair）在在E.coli中的提取中的提取(retrival)系统系统9.6 基因突变的检出基因突变的检出 n9.6.1 传统遗传学检出法传统遗传学检出法n9.6.2 分子遗传学检出法分子遗传学检出法 9.6.1 传统遗传学检出法传统遗传学检出法n1、微生物突变的检出、微生物突变的检出n抗性筛选抗性

21、筛选positive selection eg.+pen pen r n营养缺陷型筛选营养缺陷型筛选negative selection eg.penicillin enrichment method 青霉素阻止细胞壁成分的合成，对扩增细胞致死青霉素阻止细胞壁成分的合成，对扩增细胞致死nMM+pen (-/+)CM MM +-2、果蝇突变的检出、果蝇突变的检出（1）果蝇伴性隐性致死）果蝇伴性隐性致死/非致死突变的检出非致死突变的检出利用利用 Muller-5品系检出品系检出X隐性突变隐性突变（2）常染色体基因突变的检出）常染色体基因突变的检出平衡致死系的利用平衡致死系的利用（1）果蝇伴性隐性致

22、死）果蝇伴性隐性致死/非致死突变的检出非致死突变的检出利用利用 Muller-5品系检出品系检出X隐性突变隐性突变（2）常染色体基因突变的检出）常染色体基因突变的检出平衡致死系的利用平衡致死系的利用3、植物突变的检出、植物突变的检出L.Stadler 玉米子粒胚乳颜色突变检出玉米子粒胚乳颜色突变检出CCcc Cccc（无色）（无色）存在突变存在突变拟南芥及其突变检出拟南芥及其突变检出？9.6.2 分子遗传学检出法分子遗传学检出法 n9.6.2.1 单链单链构像异构构像异构多态性多态性（PCR-SSCP）PCR-SSCPPCR-RFLP9.6.2.2 用毛细管电泳技术检测点突变用毛细管电泳技术检

23、测点突变 毛细管、毛细管、强电场（离强电场（离子表面积、子表面积、外形差异）、外形差异）、高散热、高散热、高通量高通量9.6.2.3 等位基因特异寡核苷酸杂交等位基因特异寡核苷酸杂交 n利用碱基对差异利用碱基对差异-杂交强度差异检测杂交强度差异检测9.6.2.4 序列分析与序列分析与DNA芯片检测芯片检测nSequencing nSequencing is the procedure of choice for SNP discovery.The most common forms of sequencing are based on primer extension using either

24、 a)dye-primers and unlabeled terminators or b)unlabeled primers and dye-terminators.The products of the reaction are then separated using electrophoresis using either capillary electrophoresis or slab gels.DNA序列分析序列分析（1）Sanger 双脱氧链末端终双脱氧链末端终止止法法/酶促酶促DNA序列测定序列测定法法nMaxam-Gilbert 化学降解法化学降解法n碱基特异修饰碱基特异修

25、饰-特特异断裂异断裂DNA序列分析序列分析（2）DNA芯片芯片/微阵列技术微阵列技术Allele 1Allele 1Allele 2Allele 2+Enzyme+ddATP+dCTP/dGTP/dTTPAllele 1Unlabeled Primer(23mer)T C TExtended Primer(24mer)T C TAT GAAllele 2Unlabeled Primer(23mer)A C TExtended Primer(26-mer)A C TMassArray（2）nFigure II.Same DNA,different people:monozygotic twins

26、 share the same genome,but a different epigenome.The distinct pattern of DNA methylation and histone modifications can explain different phenotypes and individual susceptibility to disease.Proc Natl Acad Sci USA 102,10604-10609,2005.9.7 表观遗传变异表观遗传变异 n在在DNA序列未改变的情况下，基因表达的可遗序列未改变的情况下，基因表达的可遗传变化称传变化称表观

27、遗传修饰（表观遗传修饰（epigenetic modification）或）或表观遗传变异（表观遗传变异（epigenetic variation）.n表观遗传修饰表观遗传修饰/表观遗传变异表观遗传变异 多源于多源于DNA甲基甲基化和组蛋白的甲基化化和组蛋白的甲基化/乙酰化等修饰。如，乙酰化等修饰。如，X 染染色体失活，基因组印记等等。色体失活，基因组印记等等。转基因沉默转基因沉默？由由DNA甲基化导致的转基因沉默甲基化导致的转基因沉默n转录的基因沉默转录的基因沉默（TGS）启动子甲基化启动子甲基化n转录后基因沉默转录后基因沉默（PTGS）编码区甲基化编码区甲基化转录后基因沉默的其它机理转录后基因沉默的其它机理（RNAi?）According to the principle of genetic information flows,please finish below table with the genetic codons table.polarity base seque ncepolarityDNACTGAmRNA CAAtRNAGCA3peptideTrpTHANK YOU THANK YOU ALLALL