1、第3章 DNA的突变与修复本次内容1 1、DNADNA的突变的突变2 2、DNADNA的修复的修复3 3、DNADNA的转座的转座u 自发复制错误：自发复制错误：109u 自发脱嘌呤、脱嘧啶、脱氨基、自发水解自发脱嘌呤、脱嘧啶、脱氨基、自发水解u 细胞呼吸副产品细胞呼吸副产品自由基损伤碱基自由基损伤碱基u 紫外线损伤（最易形成紫外线损伤（最易形成TT二聚体）二聚体）u 电离辐射损伤电离辐射损伤碱基破坏、戊糖分解、链断裂、碱基破坏、戊糖分解、链断裂、DNA交联交联u 化学损伤化学损伤 碱基类似物，致癌化学品（碱基类似物，致癌化学品（EB）1、突变1.1 单碱基变化1.2 结构畸变1.3 突变热点
2、1.4 诱变剂1.一个正常的生物体叫作野生型（wild type,WT）,2.如果DNA发生改变，就会使生物体的某些性状有所改变，这种改变了性状的生物体相对于正常的生物体来说，就成为突变体（mutant）。当突变发生在体细胞中时，突变只能作用于携带该细胞（或该细胞的后裔细胞）的个体；当突变发生在性细胞中时，突变可遗传给下一代。3.所有的组织都有可能随机地与环境反应产生突变，这种突变叫做自发突变（spontaneous mutagenesis）。是DNA复制中（或参与DNA复制的其他事件中）的差错或环境伤害的结果。突变是罕见事件，对好的表型有害的自发突变在进化过程中被淘汰。4.自发突变的发生率对
3、每个组织来说都是特征性的，这种特征是背景水平（background lever，本底水平）的突变。突变的本底水平指一个生物体的基因组中序列变化积聚的速率。5.使用了诱变剂的突变叫诱发突变（induced mutagenesis）突变为生物进化提供了物质基础。突变有多种形式，从大片段DNA的插入（或缺失）一直到单个碱基的突变。突变可以自发产生，也可以通过诱变剂的诱发产生。任何生物体的突变率取决于，突变的发生及其被消除之间的平衡。按平均数而言，碱基突变率是每代10-910-10，即1000bp的基因以每代的概率突变，细菌基因组的突变率是每代310-3。1.1 单碱基变化（点突变）n常见的单碱基突变
4、是转换转换（transition），即：一个嘧啶变成另一个嘧啶，或是一个嘌呤变成另一个嘌呤，也就是CT，AG；或反过来（vice versa）。n另一种不常见的形式是颠换颠换（trans-version），即：一个嘌呤被一个嘧啶替代，或反过来，结果AT变成了TA或CG。n转换和颠换造成点突变（point mutation）。转换转换颠换颠换发生频率1.2 DNA结构变化n插入插入（insertion）指DNA链中插入一段碱基对（一对或少数几对碱基），使基因的功能或阅读框发生变化的情况。n移码（frame shift）：如果1个（或2个）碱基插入到某基因的蛋白质编码区5端，插入点后的密码发生错误
5、，使原来的编码区编码另一种不同的蛋白质。如果插入3个额外碱基，插入点之后的密码序列不会改变。正常基因 CAT CAT CAT-his his his-功能蛋白插入一个碱基 CAT TCA TCA T-his ser ser -非功能蛋白插入三个碱基 CAT TAT CAT CAT-his tyr his his-功能蛋白碱基插入与三联密码插入一个碱基造成移插入一个碱基造成移码；三个则插入点后码；三个则插入点后密码序列不变。密码序列不变。n 缺失缺失（deletion）指DNA链中丢失一对或几对碱基，使基因的功能或阅读框发生变化的情况。正常 Hb ACN UCU AAA UAC CGU UAA-
6、Thr Ser Lys Tyr Arg Ter突变 Hb ACN UCA AAU ACC GUU-Thr Ser Asn Thr Val血红蛋白基因编码区中单个碱基缺失,造成合成一条较长的链.小小结结u 通读(readthrough):在终止密码子上的移码，会使翻译过程通过原来的终止密码子继续进行下去。u 缺失和插入可能会造成翻译提前终止、通读或者产生其它非功能蛋白。u 较大片段的缺失、插入 插入因子、转座等1.3 突变热点n热点热点（hotspot）是基因组的一个位点，这里的突变频率大大提高，比相邻位点通常高出一个数量级。许多热点是由修饰碱基产生的。n修饰碱基修饰碱基（modified ba
7、se）除了合成DNA的T、C、A、G（或合成RNA的U、C、A、G）以外的所有碱基；它们是由核酸合成后的化学修饰所产生的。n5-甲基胞嘧啶是热点的常见原因，它可自发地脱氨基形成胸腺嘧啶。1.4 诱变剂 1.4.1 物理诱变剂n物理诱变剂：紫外线，射线，x射线，快中子等；1.4.2 化学诱变剂1、碱基类似物 5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5BU）、）、2-氨基嘌呤（氨基嘌呤（2AP）2、碱基修饰剂（脱氨因子、羟基化因子、烷化剂）亚硝酸亚硝酸、羟氨、MMS3、嵌入剂（移码诱变剂）溴化乙锭（溴化乙锭（EB）、原黄素5-5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶BrDuBrDuATGCGCAT亚硝基化试剂亚硝基化试剂亚硝基胍亚硝
8、基胍二甲基二甲基-亚硝化剂亚硝化剂二乙基二乙基-亚硝化剂亚硝化剂亚硝酸去氨基去氨基去氨基去氨基5-甲基甲基-胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶 C胸腺嘧啶胸腺嘧啶 T转换转换腺嘌呤腺嘌呤G烷基化试剂，如烷基化试剂，如MMS胞嘧啶胞嘧啶C胸腺嘧啶胸腺嘧啶TO6-甲基腺嘌呤甲基腺嘌呤GCATGCAT本次内容1 1、DNADNA的突变的突变2 2、DNADNA的修复的修复3 3、DNADNA的转座的转座SOS系统DNA的修复，导致变异R光裂合酶（DNA光解酶，photolyase）把环丁烷胸腺嘧啶二体环丁烷胸腺嘧啶二体、6-4光化物光化物还原成单体RO6-甲基鸟嘌呤转甲基酶2.1 2.1 直接修复直接修复甲基
9、转移酶O6-甲基鸟嘌呤核苷酸鸟嘌呤核苷酸2.2 2.2 错配修复错配修复错配修复系统 保存母链，修正子链保存母链，修正子链如何识别母链？识别母链：识别母链：甲基化甲基化 DamDam甲基化酶甲基化酶能使母链在开始复能使母链在开始复制前几秒钟内被甲基化。制前几秒钟内被甲基化。（甲基化位点：（甲基化位点：GATCGATC中的中的A A的的N6N6位位甲基化。）甲基化。）1 发现错配碱基发现错配碱基2 母链：甲基化母链：甲基化 子链：未甲基化子链：未甲基化碱基错配修复过程示意图5553332.3 2.3 切除修复切除修复1.碱基切除修复 AP位点：糖苷水解酶能特异性切除受损核苷酸上的N-糖苷键，在D
10、NA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。2.核苷酸切除修复 DNA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。a.脱氨基反应DNADNA分子中常见的几种核苷酸非酶促转变反应b.b.脱嘌呤反应（N-N-糖苷键被水解）DNA repair by base excision碱基受损碱基受损DNA糖苷酶糖苷酶AP位点位点AP核酸内切酶核酸内切酶DNA repair by nucleotide excision 损伤发生后，首先由损伤发生后，首先由DNADNA切割酶切割酶在已损伤在已损伤的核苷酸的核苷酸5 5和和3 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D
11、NADNA小小片段，然后由片段，然后由DNADNA聚聚合酶合酶合成新片段，并合成新片段，并由由DNADNA连接酶连接酶完成修完成修复中的最后步骤。复中的最后步骤。受损核苷酸受损核苷酸DNA切割酶切割酶修复因子修复因子2.4 2.4 重组修复重组修复（Recombination repairRecombination repair）o 遗传信息有缺损的子代遗传信息有缺损的子代DNADNA分子通过分子通过遗遗传重组传重组的方式加以弥补，即从的方式加以弥补，即从同源同源DNADNA的的母链上将母链上将相应核苷酸序列片段移至子链相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后用再合成的序列来补上母缺口处，然后用
12、再合成的序列来补上母链的空缺。链的空缺。胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚体二聚体复制复制核酸酶及核酸酶及重组蛋白重组蛋白修复复制修复复制DNA聚合酶聚合酶DNA连接酶连接酶重组重组2.5 SOS2.5 SOS反应反应 SOS response&DNA repairSOS response&DNA repairoSOSSOS反应：是细胞反应：是细胞DNADNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的应急效应。急情况下，为求得生存而出现的应急效应。oSOSSOS反应诱导的修复反应诱导的修复系统包括系统包括避免差错修复避免差错修复(error free(error
13、 free repair)repair)和易产生差错修复和易产生差错修复(error-prone repair)(error-prone repair)oSOSSOS反应能诱导反应能诱导切除修复和重组修复中某些关键酶和蛋切除修复和重组修复中某些关键酶和蛋白质白质的产生，使其含量上升，的产生，使其含量上升，加强切除修复和重组修复加强切除修复和重组修复的能力的能力。另外，还能诱导。另外，还能诱导产生缺乏校对功能的产生缺乏校对功能的DNADNA聚合聚合酶酶，能在，能在DNADNA损伤部位复制而避免了死亡，但是带来高损伤部位复制而避免了死亡，但是带来高变异率。变异率。本次内容1 1、DNADNA的突变
14、的突变2 2、DNADNA的修复的修复3 3、DNADNA的转座的转座 DNA的转座，或称移位（的转座，或称移位（transposition），），是由可移位因子（是由可移位因子（transposable element）介导的遗传物质重排现象。介导的遗传物质重排现象。转座子（转座元件）（transposon，Tn，transposable element）存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。是基因组中可移动的单独的序列；能把自己运送到其他的位置上。一个转座子由基因组的一个位置移到另一一个转座子由基因组的一个位置移到另一个位置的过程称为个位置的过程称为转座转座。促进转座的酶称为促进
15、转座的酶称为转座酶转座酶，转座子常常编，转座子常常编码它自己的转座酶；码它自己的转座酶；转座子每次移动时携带转座必需的基因在转座子每次移动时携带转座必需的基因在转座酶的帮助下一起在基因组内跃迁，所转座酶的帮助下一起在基因组内跃迁，所以转座子又称为以转座子又称为跳跃基因（跳跃基因（jumping gene)。l转座以很低的频率发生；转座以很低的频率发生；l转座子的插入是随机的，不依赖于转转座子的插入是随机的，不依赖于转座子和靶位点之间任何序列的同源性座子和靶位点之间任何序列的同源性（有时有程度不同的倾向性）；（有时有程度不同的倾向性）；l转座子有时插入到一个结构基因或基转座子有时插入到一个结构基
16、因或基因调节序列内并引起基因表达改变。因调节序列内并引起基因表达改变。转座子的特点转座子的特点3.1.1 插入序列（insertional sequence，IS）最简单的转座子，不含任何宿主基因，只含有为其自身转座所需的（转座酶）基因。IS元件是细菌染色体和质粒的正常组成。:IS1 倒(反)向末端重复(inverted terminal repeat)某些转座子两端取向相反的短的相关序列(或相同序列)。顺(正)向重复(inverted terminal repeat)一个DNA分子内取向相同的同一序列（或密切相关序列）的两份到多份拷贝。转座酶（transposase）为转座子插入新位置提供酶
17、活性。3.1 3.1 转座子的分类和结构特征转座子的分类和结构特征 转座完成后，靶位点形成两个拷贝，位于转座子的两端，形成同向重复序列（direct repeats）。IS元件结构识别：其末端是倒转重复序元件结构识别：其末端是倒转重复序列，邻近末端的旁侧存在宿主列，邻近末端的旁侧存在宿主DNA的短的短正向重复序列。正向重复序列。多数多数IS 元件在宿主元件在宿主DNA 的多个位点插的多个位点插入，但也有些有其偏爱的特异宿主位点。入，但也有些有其偏爱的特异宿主位点。除除IS1 外的所有外的所有IS 元件都含有单一的长元件都含有单一的长编码区。此区编码转座酶。编码区。此区编码转座酶。不同转座元件的
18、转座频率不同。一般为每不同转座元件的转座频率不同。一般为每代代10-3 10-4 次次/元件。元件。IS序列的结构特征3.1.2 3.1.2 复合转座子复合转座子(composite transposon)有些转座子除转座功能外，中心区还携带抗药性(或其它)标记，两侧有IS 元件“臂”，而被称为复合转座子。n在复合转座子中，IS序列不能单独移动。n大部分情况下，IS序列决定和调节复合转座子的转座能力。两端的IS1序列相同、同向重复（IS1末端的反向重复区、转座酶编码区相同）Tn9转座子Cam RTn903转座子两端的IS903序列相同、反向重复（IS末端的反向重复区、转座酶编码区相同）kan
19、R名称名称左末端左末端中心区（抗药标记）中心区（抗药标记）右末端右末端Tn10IS10L无功能terRIS10R有功能Tn5IS50L无功能kanRIS50R有功能两端的IS序列不相同、反向重复（IS的转座酶编码区高度同源但不相同）Tn10、Tn5转座子3.1.3 TnA3.1.3 TnA家族家族 无IS序列，两翼带有38bp的倒转重复序列。mRNA靶位点复制靶位点复制靶位点复制靶位点复制左倒转重复左倒转重复（38bp）右倒转重复右倒转重复（38bp）转座酶转座酶解离酶解离酶-内酰胺酶内酰胺酶3.2 3.2 转座的作用机制转座的作用机制n特征：受体分子中有一段很短的（3-12bp）、称为靶序列
20、的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。n不同转座子的靶序列长度不同，但特定转座子复制的靶序列长度是一样的。如IS1两翼有9个碱基对的靶序列，Tn3两端总有5bp的靶序列。转座子靶位点 两翼的正向重复是因交错切割所产生的突出末端与转座子相连而形成 靶序列的复制源于 特定内切酶 所形成的 粘性末端。转座复制性转座：TnA 整个转座子被复制，移动和转位的是原转座子的拷贝。非复制性转座：IS、Mu、Tn5 原始转座子作为可移动的实体 直接被移位。3.3 3.3 转座作用的遗传学效应转座作用的遗传学效应1.插入突变 如插入操纵子前，造成极性突变，使结构基因表达失活2.产生新基因 转座
21、子的抗药基因3.染色体畸变 缺失、倒位4.引起生物进化 构成新的操纵子或表达单元3.4 3.4 真核生物中的转座子真核生物中的转座子3.4.1 玉米中的转座子 玉米的控制元件形成转座子家族玉米的控制元件形成转座子家族 每个控制元件家族都含有自主成员和非自主成员，自主成分可以转座，非自主成分不能独立转座。自主和非自主这样的配对组合成分可以分成4个以上的家族。玉米中主要控制元件家族同一家族的自主性因子能为非自主性因子的转座提供转座酶。自主性因子自主性因子非自主性因子非自主性因子自主剪接和转座自主剪接和转座单独存在时不能转座，当基因组中存单独存在时不能转座，当基因组中存在与非自主性因子在与非自主性因
22、子同家族的自主性因同家族的自主性因子子时，才具备转座功能。时，才具备转座功能。玉米中的控制因子（controlling element）HDs元件元件属于属于非自主因子非自主因子，与，与Ac属于同一家族；属于同一家族；是是Ac转座子的缺失突变体，其两端有完整的转转座子的缺失突变体，其两端有完整的转座特征序列。座特征序列。HAc因子存在时，可激活因子存在时，可激活Ds，使其发生转座。，使其发生转座。Ac-Ds系统（激活系统（激活解离系统）解离系统）自主转座子AcAc长4 563bp4 563bp，转录生成3 500bp3 500bp的单一成熟RNARNA，编码转座酶，编码转座酶。AcAc转座子的
23、两翼有11bp11bp的倒转重复序列倒转重复序列，在其靶DNADNA位点复制形成8bp正向重复。转座子Spm/En和非自主转座子dSpm的结构比较3.4.2 果蝇中的转座子与杂种败育决定杂种败育的是基因组中决定杂种败育的是基因组中P P成分与一个成分与一个66KD66KD的阻遏蛋白的阻遏蛋白之间的相互之间的相互 作用作用插入序列复合式转座子带IS序列不带IS序列玉米中的调控因子果蝇中的转座子Ac-Ds系统Spm-dSpm系统Copia转座子P转座子 课后复习题课后复习题一、名词解释一、名词解释1.野生型和突变型2.自发突变和诱导突变3.转换和颠换4.突变热点5.移码突变6.通读通读:由于模板突变或辅助因子的帮助由于模板突变或辅助因子的帮助,RNA聚合酶或核糖体能聚合酶或核糖体能忽略终止信号，而继续转录或翻译。忽略终止信号，而继续转录或翻译。7.转座子二、简答题二、简答题1.插入突变和缺失突变的遗传效应。2.错配修复机制。3.转座子的种类及其转座机制、遗传学效应.
