1、第第12章章 基因突变与基因突变与DNA损伤修复损伤修复要点：要点：1 1）基基因突变的相关概念、因突变的相关概念、类型；类型；2 2）基基因突变的因突变的机制；机制；3 3）基基因突变的修复因突变的修复机制；机制；4 4）基基因突变的因突变的检测。检测。12.1 12.1 基因突变的概念、类别及性质基因突变的概念、类别及性质 基因突变（基因突变（gene mutationgene mutation）:基因的核苷酸顺序或数目基因的核苷酸顺序或数目发生改变。仅涉及发生改变。仅涉及DNADNA分子中单个碱基的改变称点突变分子中单个碱基的改变称点突变（point mutationpoint muta
2、tion）。涉及多个碱基的还有缺失、重复。涉及多个碱基的还有缺失、重复和插入。和插入。突变体突变体(mutant)mutant)：具有突变表型的细胞或个体。具有突变表型的细胞或个体。诱因：自发突变诱因：自发突变/诱发诱发突变。突变。基因突变率基因突变率自发突变率：自发突变率：高等动植物：高等动植物：1010-5-51010-8-8 低等生物低等生物 ：1010-4-41010-10-10发生的时期：发生的时期：任何时期都可以任何时期都可以发生。发生。但是：性细胞但是：性细胞体细胞：减数分裂末期特别敏感体细胞：减数分裂末期特别敏感。1 1）性细胞发生突变可以直接传递给性细胞发生突变可以直接传递给
3、后代。后代。2 2）体细胞发生突变形成嵌体细胞发生突变形成嵌合体。合体。按按其发生的原因其发生的原因:1)1)自发突变（自发突变（spontaneous mutationspontaneous mutation）：在自）：在自然情况下发生的突变。然情况下发生的突变。2)2)诱发突变（诱发突变（induced mutationinduced mutation）：人们有意）：人们有意识地利用物理、化学诱变因素引起的突变识地利用物理、化学诱变因素引起的突变 。基因突变的特征基因突变的特征随机性：发生的时间、个体、基因不可知。随机性：发生的时间、个体、基因不可知。稀有性：突变率稀有性：突变率1010-
4、4-4重演性：同一突变在同一物种能够以相同的频率再次发生重演性：同一突变在同一物种能够以相同的频率再次发生可逆性：正突变可逆性：正突变-回复突变回复突变多方向性和复等位基因：多方向性和复等位基因：A(aA(a1 1,a,a2 2,a,a3 3,.a,.an n)等位、表等位、表型各异。型各异。有害性和有利性：有害性和有利性：有害突变：有害突变：-隐性致死：纯和隐性致死：纯和致死；致死；-显性致死：杂合即可显性致死：杂合即可致死；致死；-伴性致死：致死基因位于性染色体上。伴性致死：致死基因位于性染色体上。基因突变的表现基因突变的表现显性突变和隐性突变显性突变和隐性突变 大突变和微突变大突变和微突
5、变大突变：变异明显、易识别、往往有害、常属于质量性状大突变：变异明显、易识别、往往有害、常属于质量性状 基因的突变基因的突变微突变：变异微小、不易识别、往往有利、常属于数量性微突变：变异微小、不易识别、往往有利、常属于数量性 状基因的状基因的突变突变12.2 12.2 基因突变的分子基础基因突变的分子基础一、自发突变一、自发突变(spontanueous mutation)包括包括DNADNA复制的错误和自发损伤。复制的错误和自发损伤。1 1）DNADNA复制错误复制错误(1)(1)转转换：换：一个嘌呤被另一个嘌呤取代，一个嘌呤被另一个嘌呤取代，或或一个嘧啶被另一个嘧啶一个嘧啶被另一个嘧啶取代
6、。取代。(2)(2)颠换颠换:一一个嘧啶被一个嘌呤取代，个嘧啶被一个嘌呤取代，或或一个嘌呤被一个嘧啶一个嘌呤被一个嘧啶取代。取代。A T G CDNADNA的四种的四种碱基的互变异碱基的互变异构体。构体。嘧啶上嘧啶上3 3位位和和4 4位之间的位之间的H H以及嘌呤上的以及嘌呤上的1 1位和位和6 6位之间位之间的的H H的移位会的移位会改变碱基配对改变碱基配对的能力。的能力。(烯醇式烯醇式)(亚胺式亚胺式)(酮式酮式)（氨基式）（氨基式）（氨基式）（氨基式）(亚胺式亚胺式)(酮式酮式)(烯醇式烯醇式)DNA中的碱基中的碱基互变异构作用会互变异构作用会引起碱基错配。引起碱基错配。T T烯醇式烯
7、醇式-G -G T-GT-G烯醇式烯醇式 C C亚胺式亚胺式-A-AC-AC-A亚胺式亚胺式(3)(3)移移码突变：码突变：增加或减少一个或几个碱基对的突增加或减少一个或几个碱基对的突变，引起密码编组的移动。变，引起密码编组的移动。egeg：HbHb Wayne Wayne是是138138位位UCCUCC失去一个失去一个C C，使，使链的链的合成不在原来应该终止的地方停止，一直到合成不在原来应该终止的地方停止，一直到146146位位合成精氨酸后才终止，从而使合成精氨酸后才终止，从而使链延长。链延长。(4)(4)缺缺失和重复突变失和重复突变(5)(5)插插入突变入突变（转座子）（转座子）2 2）
8、自）自发损伤发损伤脱脱嘌呤作用嘌呤作用(depurinationdepurination)：细：细胞中经常发生使脱氧核胞中经常发生使脱氧核糖和碱基糖和碱基G G或或A A连接的糖苷键被打断，从而失去连接的糖苷键被打断，从而失去G G或或A A，复，复制时在脱嘌呤位点对面插入碱基造成突变。损伤的结果制时在脱嘌呤位点对面插入碱基造成突变。损伤的结果造成转换和颠换造成转换和颠换(transversiontransversion，一个嘧啶被一个嘌呤取，一个嘧啶被一个嘌呤取代，或一个嘌呤被一个嘧啶取代代，或一个嘌呤被一个嘧啶取代)。脱脱氨基作用氨基作用(deamination)(deamination)
9、：如胞嘧啶如胞嘧啶C C脱氨基后形成脱氨基后形成尿嘧啶尿嘧啶U U，在复制过程中将与，在复制过程中将与A A配对，从而引起配对，从而引起GCATGCAT转转换突变。换突变。3 3）氧）氧化损伤：化损伤：O O2 2-，OHOH-，H H2 2O O2 2可对可对DNADNA造成损伤。造成损伤。如：如：8-oxo 8-oxo dGdG与与A A配对，导致配对，导致G G.C.CdGdG.A.AT.AT.A 在基因的编码区、在基因的编码区、3 3 或或5 5-UTR-UTR、启动子区、内含、启动子区、内含子区出现的三核苷酸重复，及其他长短不等的小子区出现的三核苷酸重复，及其他长短不等的小卫星、微卫
10、星序列的重复拷贝数，在减数分裂或卫星、微卫星序列的重复拷贝数，在减数分裂或体细胞有丝分裂过程中发生扩增而造成遗传物质体细胞有丝分裂过程中发生扩增而造成遗传物质的不稳定。亦称为基因组的不稳定性，可造成基的不稳定。亦称为基因组的不稳定性，可造成基因功能丧失或获得异常改变的产物。因功能丧失或获得异常改变的产物。动态突变动态突变二、点突变的诱变机制碱基类似物碱基类似物:5 5溴尿嘧啶溴尿嘧啶（5-BU5-BU，胸胸腺嘧啶类腺嘧啶类似物）由似物）由于胸于胸腺嘧啶中腺嘧啶中5 5位位CHCH3 3被被BrBr取取代会导致代会导致5-BU5-BU变换异构变换异构体，使其碱基的配对能体，使其碱基的配对能力发生
11、变化，出现力发生变化，出现A A5-BU 5-BU（酮式）（酮式）G G5-BU5-BU（烯醇（烯醇式）。式）。天然碱基类似物（5-溴尿嘧啶）的掺入诱变烷化剂的诱变烷化剂的诱变如如EMSEMS（甲基磺酸乙酯（甲基磺酸乙酯E/E/乙基甲磺酸），能在乙基甲磺酸），能在DNADNA上的四个碱上的四个碱基发生作用，使其增加烷基侧链，其最大的特异性是在鸟嘌基发生作用，使其增加烷基侧链，其最大的特异性是在鸟嘌呤的呤的6 6位氧上增加一个烷基侧链导致与位氧上增加一个烷基侧链导致与T T错配，从而在下个复错配，从而在下个复制周期中产生制周期中产生GCATGCAT转换。转换。16羟胺羟胺HA（NHNH2 2OH
12、OH）也是特定诱发也是特定诱发GCATGCAT转换的诱变剂。转换的诱变剂。能在胞嘧啶能在胞嘧啶4 4位上的氨基氮上发生羟基化作用产生位上的氨基氮上发生羟基化作用产生N N4 4羟基胞嘧啶，它能象羟基胞嘧啶，它能象T T那样与那样与A A配对，产生配对，产生GCATGCAT转换。转换。N4羟基胞嘧啶羟基胞嘧啶腺嘌呤腺嘌呤ANH2OH胞嘧啶胞嘧啶C43亚硝酸能诱发胞嘧啶脱氨基成为尿嘧啶亚硝酸能诱发胞嘧啶脱氨基成为尿嘧啶U U，尿嘧啶会，尿嘧啶会与与A A配对，诱发配对，诱发GCATGCAT转换突变转换突变；亚硝酸还能诱发腺嘌呤脱氨基形成次黄嘌呤亚硝酸还能诱发腺嘌呤脱氨基形成次黄嘌呤H H，H H能
13、能和和C C配对，诱发配对，诱发ATGCATGC转换突变。转换突变。|亚硝酸亚硝酸|复制复制|(1)G C A U A T|C C脱氨基脱氨基|亚硝酸亚硝酸|复制复制|(2)A T H C G C|A A脱氨基脱氨基|亚硝酸可诱发两个方向上的转换。嵌入剂如吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对的类似物，易造成移码突变。黄曲霉毒素黄曲霉毒素B1B1的诱变作用（的诱变作用（AFB1AFB1）强强烈的致癌物，它能在鸟嘌呤烈的致癌物，它能在鸟嘌呤G G上接上一个黄曲霉上接上一个黄曲霉毒素分子，从而使其脱去嘌呤，在复制过程中会在脱毒素分子，从而使其脱去嘌呤，在复制过程中会在脱嘌呤位置的对面优先插入一个腺嘌呤嘌
14、呤位置的对面优先插入一个腺嘌呤A A，从而诱发，从而诱发GCTAGCTA的颠换。的颠换。紫外线紫外线UVUV的诱变作用的诱变作用 能能使使DNADNA上同一链中相邻的上同一链中相邻的TTTT变为二聚体变为二聚体 TTTT，干，干扰正常碱基配对能力，在扰正常碱基配对能力，在DNADNA复制过程中将发生错误复制过程中将发生错误导致突变。导致突变。12.3 DNA损伤修复机制光复活修复UV引起的光损伤引起的光损伤TTTT二聚体能被二聚体能被光复活酶修复，该酶能在暗处和光复活酶修复，该酶能在暗处和TTTT二聚体结合，形成酶和二聚体结合，形成酶和DNADNA复复合体，在光照条件下，复合体分合体，在光照条
15、件下，复合体分解，使解，使TTTT二聚体分解为原先正常二聚体分解为原先正常的碱基。的碱基。光复活酶不能在暗处起修复作光复活酶不能在暗处起修复作用，故也称光修复作用。用，故也称光修复作用。如何提高如何提高UVUV诱发突变的频率？诱发突变的频率？切除修复途径此作用不需要光照，而是此作用不需要光照，而是经修复酶将损伤切除修补经修复酶将损伤切除修补的过程，亦称暗修复。的过程，亦称暗修复。一般切除修复一般切除修复：切补核：切补核酸酶（酸酶（UVRAUVRA，B B，C C基因编基因编码）能识别一些大的损伤，码）能识别一些大的损伤，将受损碱基及两旁的碱基将受损碱基及两旁的碱基切除。造成的缺口由切除。造成的
16、缺口由DNA DNA pol Ipol I合成填补，并由连合成填补，并由连接酶封口。接酶封口。切除修复的切除修复的uvruvr系统包括系统包括3 3个基个基因，因，uvrAuvrA，B B，C C，编码一种修复，编码一种修复核酸内切酶的成分核酸内切酶的成分(图图14.2814.28)。首先，首先，UvrABUvrAB组分识别嘧啶二聚组分识别嘧啶二聚体和其它较大的损伤。体和其它较大的损伤。然后然后UvrAUvrA解离解离(需要需要ATP)ATP)，UvrCUvrC与与UvrBUvrB结结合。合。UvrBCUvrBC重组使损伤两边都产重组使损伤两边都产生一个切口，切口位置是在损伤生一个切口，切口位
17、置是在损伤5 5 端的端的7 7个核苷酸处，个核苷酸处，3 3 端的端的3-43-4个核苷酸处。也需要个核苷酸处。也需要ATPATP。UvrDUvrD是一个解旋酶，是一个解旋酶，能使能使DNADNA解解旋以释放两个切口之间的单链。旋以释放两个切口之间的单链。切切除涉及到的酶可能是DNA聚合酶I。在人类中也是一种重要的修复途径。在人类中也是一种重要的修复途径。着色性干皮症着色性干皮症(XP)(XP)是由于缺乏切补是由于缺乏切补修复酶造成的遗传性缺陷，正常人修复酶造成的遗传性缺陷，正常人的皮肤细胞和该缺陷者的皮肤细胞的皮肤细胞和该缺陷者的皮肤细胞在培养时对在培养时对UVUV的敏感性有很大差异，的敏
18、感性有很大差异，具有该缺陷的人在具有该缺陷的人在3030岁之前就易死岁之前就易死于皮肤癌。于皮肤癌。图图14.37 14.37 在人的在人的XPXP修复系统中，解旋酶修复系统中，解旋酶在受损伤部位将在受损伤部位将DNADNA解开，内切酶在损解开，内切酶在损伤部位两端做两个切口，然后用新合成伤部位两端做两个切口，然后用新合成的的DNADNA置换被切除的部分。置换被切除的部分。APAP核酸内切酶修复途径核酸内切酶修复途径单个嘌呤或嘧啶脱去后单个嘌呤或嘧啶脱去后的位点称的位点称APAP位点，细胞中位点，细胞中自发产生的自发产生的APAP位点的频率位点的频率很高。很高。由一种专门在由一种专门在APAP
19、位点上位点上切割的酶切割的酶切断切断DNADNA上上的磷酸二酯键。的磷酸二酯键。然后再然后再启启动动由由DNADNA外切酶、外切酶、DNADNA聚合聚合酶酶I I和连接酶参与的切除和连接酶参与的切除修复过程。修复过程。DNA聚合酶聚合酶I合成新链合成新链 AP位点位点AP核酸酶打开一切口核酸酶打开一切口 外切酶切除部分单链外切酶切除部分单链 连接酶封口连接酶封口 29异常碱基异常碱基U U形成形成APAP位点位点经经APAP核酸内切酶核酸内切酶途径修复途径修复DNADNA糖基酶修复途径糖基酶修复途径该酶切断该酶切断N-N-糖苷链糖苷链(碱基碱基与糖的连接与糖的连接)，能将能将DNADNA中中的
20、异常碱基切除，切除后的异常碱基切除，切除后在在DNADNA上上形成形成APAP位点位点，再，再经经APAP核酸内切酶途径修复。核酸内切酶途径修复。保证保证DNADNA中的中的正常碱基不正常碱基不是尿嘧啶是尿嘧啶U U而是胞嘧啶和而是胞嘧啶和胸腺嘧啶的机制胸腺嘧啶的机制。重组修复作用重组修复作用挽救挽救(retrievalretrieval)修复，又因修复，又因为其修复过程与遗传重组过程为其修复过程与遗传重组过程相似，因此也称为相似，因此也称为“重组修重组修复复”。挽救修复机制。此系统在处挽救修复机制。此系统在处理含有复制损伤碱基模板产生理含有复制损伤碱基模板产生的的子代双链中的缺陷子代双链中的
21、缺陷起作用。起作用。修复模型见修复模型见图图14.3514.35。假如在双。假如在双螺旋链上有嘧啶二聚体，引起螺旋链上有嘧啶二聚体，引起 DNADNA双螺旋结构扭曲，当双螺旋结构扭曲，当DNADNA复复制时，嘧啶二聚体阻止损伤位制时，嘧啶二聚体阻止损伤位点成为模板，复制只能被迫放点成为模板，复制只能被迫放弃该位点。弃该位点。图图14.3514.35 在在重组修复重组修复中，受损伤的序列被除中，受损伤的序列被除去，在未损伤链对面代之以完好的去，在未损伤链对面代之以完好的DNADNA链。链。12.4 12.4 基因突变的检测基因突变的检测 利利用寄主范围、生长速度、噬菌斑大小、形用寄主范围、生长速
22、度、噬菌斑大小、形态等性状可检测病毒突变。态等性状可检测病毒突变。通通过在培养基中添加抗生素或噬菌体即可筛选过在培养基中添加抗生素或噬菌体即可筛选细菌抗性突变体。细菌抗性突变体。细细菌营养缺陷型的检测：利用在完全培养基上菌营养缺陷型的检测：利用在完全培养基上能正常生长，在基本培养基上不能生长的影印培能正常生长，在基本培养基上不能生长的影印培养实验。首先采用青霉素富集法浓缩大量突变体，养实验。首先采用青霉素富集法浓缩大量突变体，再进行负选择。再进行负选择。病毒和细菌基因突变的检测病毒和细菌基因突变的检测真菌营养缺陷型的检出真菌营养缺陷型的检出-菌丝过滤法菌丝过滤法分生孢子分生孢子诱变处理诱变处理
23、基本培养基基本培养基 未萌发孢子萌发菌丝未萌发孢子萌发菌丝培养去除培养去除(过滤过滤)少数少数 死亡营养死亡营养野生型野生型 孢子缺陷型孢子缺陷型(去除去除)营养培养基营养培养基果蝇突变体的检测果蝇突变体的检测果蝇果蝇X X连锁隐性突变的检出连锁隐性突变的检出 ClBClB法法 ClBClB品系：品系：l l隐性致死基因；隐性致死基因；B B棒眼棒眼 C C交换抑制因子交换抑制因子(B(Bl l倒倒位）。位）。Muller-5 Muller-5法法Muller-5Muller-5品系品系:B(:B(棒眼棒眼)-)-W Wa a(杏眼杏眼)-sc()-sc(小盾片少刚小盾片少刚毛毛)并具重复倒位。并具重复倒位。“并连并连X X染色体染色体”法法常染色体突变常染色体突变平衡致死系平衡致死系(Cy(Cy和和S)S)需依靠家系、出生调查，运用电泳技术、需依靠家系、出生调查，运用电泳技术、DNADNA标记技术，筛选各种蛋白质、酶或标记技术，筛选各种蛋白质、酶或DNADNA分子的微小分子的微小差异，这些微小差异是可遗传的。差异，这些微小差异是可遗传的。人类显性突变的检测人类显性突变的检测植植物及其他动物突变体的检测物及其他动物突变体的检测 利用分离定律利用分离定律 转座子插入突变的检测、转座子插入突变的检测、T-DNAT-DNA插入突变的检插入突变的检测、测、RNAiRNAi技术等。技术等。
