1、10.0.基因突变的定义基因突变的定义1.1.基因突变及其分子效应基因突变及其分子效应2.2.人工诱发的基因突变人工诱发的基因突变3.3.自发的基因突变自发的基因突变3.3.动态突变动态突变5.DNA5.DNA损伤生物体的修复机制损伤生物体的修复机制6.6.基因突变的检出基因突变的检出第八章第八章 基因突变与基因突变与DNA损伤修复损伤修复2v 突变（突变（mutation）：）：生物体遗传物质的核苷生物体遗传物质的核苷酸序列发生了稳定而可遗传的变化。酸序列发生了稳定而可遗传的变化。v 广义的突变包括广义的突变包括基因突变基因突变和和染色体畸变染色体畸变。v 狭义的突变就是指基因突变狭义的突变
2、就是指基因突变。v 基因突变是指基因内部由于一对或少数几对碱基的基因突变是指基因内部由于一对或少数几对碱基的置换、缺失或插入而引起的突变，其涉及的变化范围置换、缺失或插入而引起的突变，其涉及的变化范围很小，又称为点突变很小，又称为点突变。v 染色体畸变是指大段染色体的缺失、重复、易位和染色体畸变是指大段染色体的缺失、重复、易位和倒位，即较大范围内遗传物质的改变倒位，即较大范围内遗传物质的改变。Genetic mutation0 基因突变基因突变3镰状细胞贫血病（镰状细胞贫血病（sickle cell disease）4561.基因突变及其分子效应基因突变及其分子效应1.1 1.1 基因基因突变
3、的类型突变的类型1.2 1.2 基因基因突变的分子效应突变的分子效应1.3 1.3 可逆突变的遗传效应可逆突变的遗传效应7碱基替换(base substitution)移码(框)突变(base frame-shift mutation)转换转换(transition):嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶(AG,C T)。颠换颠换(transversion):嘌呤嘧啶,嘧啶嘌呤(A T,C G)。1.1 基因突变的类型基因突变的类型l 按突变的方式划分按突变的方式划分碱基的增加或删除（base addition/deletion)自发的基因突变人工诱发的基因突变 按来源划分按来源划分8由密码的简并性(code d
4、egeneracy)造成,一种密码子发生了突变，但编码的氨基酸不变。如 GAGAU U(天冬氨酸)GAGAC C (天冬氨酸),结果：编码的蛋白质结构和功能不发生改变 1.2 基因突变的分子效应基因突变的分子效应 编码区基因突变的分子效应编码区基因突变的分子效应同义突变 (same sense mutation)910有义密码子突变为终止密码子如 UUGUUG（亮氨酸）UAGUAG，UAA,UGAUAA,UGA 突变的结果：蛋白质合成提前终止 编码蛋白质的结构核功能发生改变无义突变（nonsense mutation）11 DNA 分子中插入或缺失一个或几个碱基，使密码组(读框)发生改变的现象
5、叫移码突变;突变的结果：编码蛋白质的结构和功能发生改变。移码突变移码突变（shift):12遗传密码编码氨基酸时发生差错，使原来编码的氨基酸变为另一种氨基酸,也叫密码错编（miscoding）。结果：编码蛋白质的结构核功能发生改变错义突变错义突变（missense mutation）：13 启动子:多聚酶及相关因子结合位点;转录因子结合位点。内含子：内含子外显子交界区的 3与 5 端拼接位点;3与 5 端非转录区：蛋白质翻译调节和定位信号位点;核糖体结合位点。非编码区基因突变的分子效应非编码区基因突变的分子效应 以上属于调节位点。调节位点如果发生点突变，将会改变基因在特定时间,特定组织或特定环
6、境下的表达量.如RNA聚合酶,或剪接因子接合位点发生突变，将会完全阻遏正常基因的转录与翻译,或使基因产物失活.14151.3 可逆转突变及其分子效应可逆转突变及其分子效应可逆转突变也叫“回复突变”，即野生型变为突变型后,突变型再突变回到野生型.Aa,a A,或 A+A;a+a.一般把第一次突变个体失去的性状,通过第二次突变得到恢复的现象叫回复突变16回复到野生型原来的 DNA 序列，如 ATG ACG ATG.原位回复属于真正意义上的回复突变，但很少发生。原位回复突变最终只产生一种基因型和一种表型回复突变的类型及其分子机制回复突变的类型及其分子机制1)原位回复突变（in situ revers
7、ion）17m+(野生型)正向突变m-(突变型)原位回复突变m+m-(野生型)(野生型)m+(全部野生型后代)(突变型)，没有保留下来18 野生型 第一点突变 A T AA C G A G AA C G 突变型 2)抑制回复抑制回复突变突变（suppressor reverse mutation）:第二点突变 抑制第一点突变,产生与原野生型相同或相近的表型。A G AA G G第一次突变发生后，其表型被另外一位点的突变所抑制，结果是野生型表型得以全部或部分恢复。第二点突变野生型19m+su+正向突变su+m-(突变型)第二点突变(抑制突变)m-su-(野生型)su+(野生型)m+m+su+m-
8、su-m+su-m-su+(野生型)(野生型)(野生型)(突变型)亲组型重组型杂交抑制回复突变最终产生四种基因型20基因间抑制回复抑制回复抑制回复突变突变可划为可划为:基因内抑制回复基因内错义抑制回复突变基因内移码抑制回复突变无义抑制突变错义抑制突变移码抑制突变21基因内基因内错义错义抑制回复突变抑制回复突变 CA CA U UC A GC A G(第第1818密码子密码子)(第第6464密码子密码子)mRNAmRNA蛋白质蛋白质第第1818氨基酸氨基酸第第6464氨基酸氨基酸18 18+64 64 野生型野生型(示空间结构示空间结构)正常情况下 CA G18 64 导致空间构型改变,活性丧失
9、22 基因间抑制回复突变基因间抑制回复突变抑制突变（第二点突变）发生在其它基因之中,而不是已发生突变的基因之内。包括:无义抑制突变（nonsense suppressor mutation）错义抑制突变（missense suppressor mutation）移码抑制突变（frameshift suppressor mutation）23无义抑制突变无义抑制突变（nonsense suppressor mutation）“无义抑制tRNA”抑制“无义突变”如噬菌体基因组编码某一个氨基酸的密码子突变为无义密码子的,结果使蛋白质合成（翻译）提前终止；宿主菌基因组编码 tRNA的基因(tDNA)发
10、生突变，导致反密码子碱基改变，发生突变的 tRNA与噬菌体基因中的无义密码子结合，使蛋白质合成继续进行。这种抑制突变回复发生在噬菌体基因与宿主菌基因之间.24mRNAmRNA 5 53 3U A GU A GA U CA U C氨基酸臂氨基酸臂携带某种携带某种氨基酸氨基酸5 53 3无义抑制无义抑制tRNAtRNA终止（无义）密码子25 Tyr-Tyr-tRNAtRNA 突变突变 tyr-tRNAtyr-tRNA G GUA UA C CU UU U UA UAU U UA UAG G （酪氨酸）（酪氨酸）琥珀无义密码子琥珀无义密码子mRNAU or C GA U蛋白质合成恢复蛋白质合成恢复宿
11、主菌宿主菌噬菌体噬菌体第一点突变第一点突变第二点突变第二点突变无义抑制 tRNA26UAGUAAUGAUXX有义密码子琥珀型突变amber(amb)赭石型突变ochre(och)乳白型突变opal(op)27因为有3 种无义密码子 产生 3 种无义突变所以有3种无义抑制突变无义抑制突变(基因）基因）琥珀无义抑制基因（su+amb）。赭石无义抑制基因（su+och）乳白无义抑制基因（su+op）283 种无义抑制突变无义抑制突变(基因）基因）3 3 种种无义抑制 tRNA琥珀无义抑制 tRNA 抑制琥珀无义突变赭石无义抑制 tRNA 抑制赭石无义突变乳白无义抑制 tRNA 抑制乳白无义突变293
12、0赭石抑制基因能抑制琥珀突变，但琥珀抑制基因不能抑制赭石突变之原因根据摆动假说,G-U可配对，所以赭石抑制基因可抑制琥珀突变.A-C不能配对，所以琥珀抑制基因不能抑制赭石突变（Oc）。OcOcAmAm31l通过无义抑制突变无义抑制突变插入的氨基酸，如果与无义突变前的氨基酸相同 合成的多肽完全与野生型的相同,有完全的功能；l插入的氨基酸为可接受氨基酸 合成的多肽有部分野生型活性；l插入的氨基酸为非可接受氨基酸合成的多肽则可能完全无活性。无义抑制的特征无义抑制的特征32l正常密码子无义密码子后，并不是所有无义密码子都可与无义抑制 tRNA 结合,使肽链延伸恢复.其中只有一部分结合.所以在细胞内，有
13、的肽链得以延伸，有的肽链提前终止，其结果是蛋白质的总浓度低于野生型。33l某无义抑制tRNA与某无义密码子的结合,并不影响它与应该结合的有义密码子结合.原因：1）密码子有简并现象；2）细胞内每种tRNA有许多拷贝.34l无义抑制tRNA 存在时，蛋白质合成释放因子（RF）与无义抑制tRNA 可竞争性地与终止密码子结合，如果RF处于优势，RF与终止密码子结合，使蛋白质合成正常终止.释放因子有 RF1、RF2、RF3.l RF1 识别 终止密码 UAA 和 UAG;l RF2 识别 终止密码 UGA 和 UAA;l RF3 激活 RF1和 RF2 的活性35l mRNA内有时存在双重终止密码子,如
14、UAG(琥珀)UAA(赭石),如果两终止密码子相距不远,蛋白质合成即使不在UAG处终止，必然在UAA处终止。l 各抑制tRNA抑制效率不同。琥珀抑制tRNA的抑制效率约为50%；赭石抑制tRNA的抑制效率很低，只有1-5%；二者双重抑制效率为 0.5-2.5%(1%50%5%50%).36第一突变第二突变删除或添加1-2个碱基添加或删除1-2个碱基 基因内移码突变抑制突变回复基因内移码突变抑制突变回复基因内一个位点删除(或添加）1-2个碱基,在另一个位点添加(或删除）同样数目碱基),结果是整个读框保持不变,同时也是突变体的性状恢复到野生型.37l功能获得型突变(gain of function
15、 mutation)l 突变使生物获得某种新功能.获得的功能有可能是显性突变(因为在杂合体中表达）.1.4 1.4 突变对多细胞生物的影响突变对多细胞生物的影响新产物新产物显性突变38 基因的关键功能区被删除或改变，结果使某一功能丧失。按功能丧失程度大小分为:无效突变(nullmutation):突变使某一基因的功能完全丧失.渗漏突变(leaky mutation):突变使某一基因的功能部分丧失,l 功能丧失型突变(loss of function mutation)：3940 （Morphological mutation）菌落形态、噬菌斑形态、孢子颜色、残翅、白眼、矮茎、侏儒等。表型突变也
16、叫可见突变(visible mutation)致死突变（lethal mutation）如致死突变型（lethal mutant），导致个体死亡.如小鼠的 AyAy 胚胎致死、植物的白化、人的镰刀型贫血等,致死突变型包括全致死、半致死、条件致死突变。41422.人工人工诱发的基因突变诱发的基因突变使用物理或化学方法诱导产生的突变叫诱发诱发突变（induced mutation).可诱发基因突变的物质叫诱变剂(mutagen)，诱变剂通常有致癌作用，所以也叫致癌剂(carcinogen)。431 1）碱基类似物）碱基类似物-诱发碱基转换诱发碱基转换5 5 -溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)(5-BU
17、)BU 代替胸腺嘧啶(T)掺入DNA，产生 ATGC 转换。BU 代替胞嘧啶(C)掺入DNA，产生 GCAT 转换2-AP 和 T 配对后,又和 C 配对，产生 ATGC 转换;2-AP 和 C 配对后，又和 T 配对，产生 GCAT转换。二氨基嘌呤二氨基嘌呤(2-AP(2-AP)l 诱变剂的类型及其诱变机制诱变剂的类型及其诱变机制4444碱基配对碱基配对Base pairing45455BU 碱基碱基T的类似物的类似物碱基类似物碱基类似物Base analog462）烷化剂烷化剂-诱发特异性错配诱发特异性错配烷化剂的种类烷化剂的种类甲基磺酸乙酯(EMS)亚硝基胍（NG）芥子气等471 1）烷
18、化剂诱发嘌呤碱基脱落，产生缺口）烷化剂诱发嘌呤碱基脱落，产生缺口 烷化剂化剂在鸟嘌呤的 N 位活化-糖甙键,引起-糖甙键断裂,使嘌呤碱基从 DNA 链上脱落下来,产生缺口,复制时任何碱基配对到缺口位置,这样可引起转化或颠换烷化剂的作用机制烷化剂的作用机制48如甲基磺酸乙酯(EMS)可使鸟嘌呤(G)的 N 位乙基化,使鸟嘌呤成为 7-乙基鸟嘌呤（m G），使之不能和胞嘧啶(C)配对,而和胸腺嘧啶(T)配对，产生GC TA 转换.GCmGCGCmGTTAmGT2）烷化剂使碱基烷基化烷化剂使碱基烷基化,引起特异性错配引起特异性错配修复后不修复G:C C:G49嵌合剂种类：嵌合剂种类：吖啶橙(acri
19、dine organge）,荧光染色剂，可使DNA特异染色。原黄素（proflavine）黄素(acrilavine）等3）嵌合剂的诱变作用嵌合剂的诱变作用50嵌合剂分子含吖啶环，分子大小与碱基大小相近，吖啶环可嵌入到 DNA 双链中心，堆积在碱基对之间，在嵌入点引起单个碱基对插入 或 缺失，最终引起移码突变。嵌合剂作用机理嵌合剂作用机理51524）辐射辐射源紫外线（ultraviolet light,UV）：电离辐射-射线(同位素)太空射线(卫星搭载)x-射线(同位素)重离子(重离子加速器重离子)53 紫外线紫外线（ultraviolet light,UV）：诱发相邻的两个嘧啶碱基形成二聚体
20、光生成物 如胸腺嘧啶二聚体（T T），胸腺嘧啶二聚体可在同一单链,或两条单链上相邻的两个嘧啶碱之间形成。紫外线还可引起缺失,重复和移码突变.5455突变频率与X-射线剂量的关系56 电离辐射电离辐射X-射线，-射线等,因能量高,能引起被照射物质中原子的电离（形成离子）,故称电离辐射.电离辐射可造成染色体“断裂”和“重新连接”,引起染色体结构畸变.通常用于农作物诱变育种的诱变源575)黄曲霉黄曲霉 B B1 1黄曲霉素B1（aflatoxin B1,AFB1）可以在鸟嘌呤 N-7位置诱导脱嘌呤作用，继而以腺嘌呤代之，产生GCAT的转换，是很强的致癌剂。586)6)定点诱变定点诱变定点诱变也称为离
21、体定点突变或诱变(site-specific in vitro mutation)。是利用人工合成寡聚核苷酸技术,在离体条件下使 DNA分子任何位点的碱基发生转换或颠换的技术.定点突变在蛋白质工程，基因表达和表达调控机制的研究方面就有重要的意义。59定点诱变的基本步骤定点诱变的基本步骤1 采用化学合成法,首先人工合成一条包括靶(目标)碱基及其附近序列的寡聚核苷酸（引物）,该引物除了目标碱基被替换外，其余序列与野生型DNA分子的相应序列应完全相同。5 AAT TCC 5 AAT TCC GGCGGC CTT AAG GAT.ATT CCG GGC GCG.GGC 3 CTT AAG GAT.AT
22、T CCG GGC GCG.GGC 355-AAT TCC AAT TCC G GT TC C CTT AAG-3 CTT AAG-3602.将合成好的引物与携带目标基因全序列的单链噬菌体 M13 的 DNA分子混合，使引物与 M13 DNA分子上的目标基因配对，并在在 DNA 聚合酶作用下合成完整的互补链。3.将合成好的双链环状 DNA分子导入大肠杆菌，在大肠杆菌内复制,即可得到稳定遗传的突变的 DNA分子克隆,最终使大肠杆菌某些位表型发生变化(突变体)。613.通过等位基因替换（或其他）方法，将突变基因送回细胞内原来的基因组中，在生理条件下检测和研究突变效应，即可了解该点突变的动能。62如
23、诱发如诱发IFN-IFN-基因第基因第1717位碱基突变位碱基突变半胱氨酸Cys 丝氨酸Ser63643.自发的基因突变自然环境中的物理、化学、生物因素偶然诱导基因产生的突变叫自发的基因突变。65l多方向性多方向性 (multidirection):即一个基因可以突变为两个以上数目的等位基因（复等位基因）,即 A a1,a2,a3 等,复等位基因的存在,也说明了突变的多方向性.3.1 基因自发突变的基本特征基因自发突变的基本特征66l 独立性(independency）一个基因突变与另一个基因突变无关，互不影响。如 Strs strr;pens penr 的频率都是107，strs pens
24、strr penr 双突变的频率是 107107=1014。67l可逆性(reversibility):Aa,aA,或 A+A;a+a.回复突变（back or reverse mutation).l有害/利性(detrimental and beneficial）：如残翅果蝇对生存不利（飞行困难），但在多风的海岛上，则对残翅有利（风助其飞行）。68l随机性随机性(randomness)l 即不定向性，基因突变的方向与生物体所处的环境没有对应关系，突变可发生在任何时期、任何个体、任何基因位点上。l重演性重演性(reappearance）l 1791年在美国一个牧场发现一只 安康羊（腿短，跳不出
25、羊圈），20 世纪40年代在挪威又发现一只。后来证实是生殖细胞中一个显性基因的一个碱基对的变化所致。69l 稀有性稀有性(rarity)高等生物自发突变率=1 10-5 1 10-10细菌自发突变率=1 10-4 1 10-10突变率指在一个世代或其他规定的条件和时间内,发生某一突变的细胞占细胞总数的比率。.有性生殖中，突变率=发生某一突变的配子数 占所观察配子总数的百分数。细菌中，突变率用一定数目的细菌,在一次分裂过程中发生突变的次数表示.70体细胞突变体细胞突变生物个体营养组织细胞(如植物的跟、茎、叶）发生的基因突变叫体细胞突变.发生突变的体细胞如果继续保持分裂，便生成一个具相同表型的细胞
26、群(克隆),与未发生突变的细胞群一起,最终形成嵌合体。因此体细胞突变只对个体产生影响，对整个物种不会产生影响。71植物体细胞突变不能直接传递给后代,但可先通过无性繁殖,再经过有性生殖传递给后代.如从嵌合体中切下由突变的枝条 扦插长成完整植株 分化出生殖组织(细胞)产生突变的配子通过受精传递给后代。72突变发生在生物个体生殖细胞（精细胞,卵细胞,胚囊,花粉母细胞,花粉等）中，这些吗都属于种质细胞。如果突变的细胞经减数分裂形成镜子或卵子，参与受精，突变基因就会通过有性生殖直接传给下一代。所以生殖细胞中低频率突变将引起整个物种产生变异。高频率的基因突变将会使坏整个物种毁灭。生殖细胞突变生殖细胞突变7
27、33.2 基因自发突变的机制基因自发突变的机制lDNADNA复制错误复制错误l脱氨基作用脱氨基作用l脱嘌呤碱基脱嘌呤碱基l碱基氧化损伤碱基氧化损伤l其他可能的机制其他可能的机制74DNA复制过程中，由于碱基异构体互变导致碱基错配,再经过复制导致原来的碱基被替换 DNADNA复制错误复制错误75标准的碱基对排列TACGTGCA异常的碱基对排列酮式酮式酮式氨基式氨基式氨基式氨基式烯醇式碱基异构体互变导致错配碱基异构体互变导致错配76碱基A由原来的氨基态变为亚氨基态互变异构体 A又由亚氨基态变回到氨基态未发生互变异构作用777879 转换(transition):AG,GA,CT,T C 颠换(tr
28、ansversion):A T,C G.移码突变(frame-shift mutation):增加/减少一个或几个密码子.缺失和重复(deletion and duplication):大片段的缺失或重复,缺失和重复可造成移码突变 转换与颠换统称碱基替换,也叫点突变(point mutation)8080&由于由于DNA分子中一对或少数几对核苷酸的增加或缺失而造成分子中一对或少数几对核苷酸的增加或缺失而造成Frameshift mutation移码突变移码突变8181v 较大范围的核苷酸序列的缺失或插入所导较大范围的核苷酸序列的缺失或插入所导致的突变。致的突变。v 缺失突变常导致缺失位点的整个
29、基因及裂缝两端缺失突变常导致缺失位点的整个基因及裂缝两端的基因活性受损；的基因活性受损；v 生物诱变剂（转座因子生物诱变剂（转座因子）以及理化诱变剂，如电以及理化诱变剂，如电离辐射、烷化剂等能诱发缺失或插入突变离辐射、烷化剂等能诱发缺失或插入突变。v 插入突变导致掺入位点整个基因的失活，甚至产插入突变导致掺入位点整个基因的失活，甚至产生极性突变生极性突变。Deletion mutation&insertion mutation缺失突变和插入突变缺失突变和插入突变82GCGUAUGCUAAT胞嘧啶脱氨基后变为尿嘧啶,CU，如果 U 不经校正，在复制过程中则可和腺嘌呤 A 配对，结果产生GCAT
30、的转换.l 脱氨基作用脱氨基作用正确修复未进行修复C 脱氨基83亚硝酸（亚硝酸（HNO2）的诱变机制）的诱变机制 碱基脱氨碱基脱氨亚硝酸脱氨亚硝酸脱氨Deamination of nitrous acid84l 脱嘌呤碱基脱嘌呤碱基嘌呤碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏，引起嘌呤碱基的脱落，如果不被修复，无嘌呤位点可插入任何一个碱基，从而引起突变。活泼的过氧化合物,如超氧基(O2-),氢氧基(OH-)和过氧化氢(H2O2)的存在导致碱基氧化损伤.l 碱基氧化损伤碱基氧化损伤851.自然界存在的放射性同位素,宇宙射线,紫外线等.2.温度剧烈变化与极端温度.3.基因内部特殊结构发生变化.4.DNA内
31、重复序列在复制过程中,由于滑动错配（复制滑动）导致出现插入/缺失.5.转座子（transposable element,TE），可转移的 DNA序列,通过的转座过程将一个拷贝插入到一个基因，导致该基因失活,同时还可产生倒位,重复,缺失,插入同向重复序列。l 其他一些机制其他一些机制86 基因组中某些基因的突变可使整个基因组的突变率明显上升，这些基因叫增变基因(mutator gene)。如编码DNA聚合酶的基因的突变，可使DNA聚合酶的35校对功能丧失或降低，这样就会使其它基因的突变率升高。又如 dam 基因（DNA甲基化的基因）和 mut 基因（编码错配矫正酶的基因）的突变，能使细胞错配修复
32、的功能丧失，因此引起突变率升高。增变基因的致变作用 87基因中各位点发生突变的概率不等，有些位点的突变率远远超过其它位点突变率，这些突变频率很高的位点被称为突变热点(hot spot of mutation)。如 T4 噬菌体 DNA 的 rA 区 与 II rB 区突变热点突变热点88DNA的某些碱基对某些化学诱变剂较为敏感，易受到攻击。如5-溴尿嘧啶(BU)处理噬菌体的 CI 基因，很容易使ACGC中的 A 转换为 G。转座成分(TE),紫外线(UV)等，具有不同程度的插入(攻击)序列优先性。DNA的某些序列容易在 SOS 修复过程中产生错误。突变热点形成的原因突变热点形成的原因894.动
33、态突变动态突变 (dynamic mutation)在基因编码区或非编码区存在的三核苷酸重复(如如 CAGCAG、CCGCCG、CTGCTG、CGG)CGG)在减数分裂或有丝分裂过程中，随机扩增(拷贝数增加)的现象叫动态突变.动态突变通常导致成整个基因组不稳定，所以基因组的动态突变性也叫基因组不稳定性。动态突变可造成基因功能丧失或获得,在人类中可引发多种人类疾病.90DNA复制时,其内的三核苷酸重复序列可诱发滑动错配,即模板链及拷贝链(互补链)发生相对移动,结果使部分模板被重复复制,或被遗漏,最终使新合成的DAN链中或多或少的拥有三核苷酸重复序列.动态突变的原因动态突变的原因 复制滑动学说91
34、ATG CAG CAG CAGTAC GTC GTC GTC GTC AAA GCGTAC GTC GTC GTC GTC AAA GCGATG CAG CAG CAG CAGTAC GTC GTC GTC GTC AAA GCGATG CAG CAG CAG向左滑动复制向右滑动复制模板链模板链新合成链新合成链模板链模板链模板链模板链新合成链增长新合成链增长新合成链变短新合成链变短924.2 动态突变与人类疾病动态突变与人类疾病 93动态突变引发人类疾病的机制动态突变引发人类疾病的机制1)毒性多聚谷氨酰胺 假说(poly-gln)(CAG)n 重复次数大于正常阈值,多聚谷氨酰胺长度增加,富含多
35、聚谷氨酰胺的蛋白质,在转谷氨酰胺酶作用下,与其他蛋白质交联,形成不溶性的包膜在神经细胞内积累,引发细胞死亡.2)甘油磷酸脱氢酶(GADH)被抑制假说 (CAG)n 重复次数大于正常阈值 GADH 被抑制 糖酵解过程被阻断 不能产生足够的 ATP 脑细胞失去功能.943)多聚谷氨酰胺干扰转录因子说 多聚谷氨酰胺干扰 SP1转录因子与 TF D 亚基 TAF 30 的相互作用,影响了大脑神经元中神经递质受体基因的转录.4)FMR-1 5端(CGG)过度扩增假说.FMR-1为 脆性 X-染色体综合症基因.(CGG)n 为编码精氨酸的三核苷酸重复.当 n 285 时,FMR-1 的mRNA全部与核糖体
36、40-80S亚基接合,蛋白质合成受阻.基因动态突变引发 脆性 X-染色体综合症（因CGG 重复过多，染色体容易碎裂）95965.DNA5.DNA损伤修复损伤修复5.1 5.1 光复活修复光复活修复5.2 5.2 切除修复切除修复5.3 5.3 重组修复重组修复(复制修复复制修复)5.4 SOS5.4 SOS修复修复5.5 5.5 电离辐射损伤的修复电离辐射损伤的修复975.1 光复活修复光复活修复光复活修复(photo-reactivation)是在可见光的作用下，由光复活酶(photo-reactivating enzyme)催化嘧啶二聚体(TT)分解成为单体(T),从而使损伤得到修复的过程
37、.光复活专一性地对紫外线诱发形成的嘧啶二聚体(TT)进行修复,而且修复是在损伤部位就地修复.98把TT之间的连接切断995.25.2 切除修复切除修复(excision)在DNA内切酶，外切酶，聚合酶和连接酶等共同作用下，将DNA受损伤的单链切除(在损伤的一端打开磷酸二酯键,外切掉几个核甘酸),再以未损伤的单链为模板合成被切除的部分，从而使DNA恢复正常的结构。因为需要核甘酸外切酶，所以切除修复也叫“核甘酸外切酶修复”，同时 因不需光参与,故也“叫暗修复”.切除修复也是针对由紫外线引起的损伤.100根据切除片段的长短，切除修复分为：短补缀修复（short-patch repair):属组成型修
38、复,最常见类型,占99%,修复对象：小范围的DNA损伤（10 bp-1000 bp).长补缀修复（long-patch repair):诱导型，占1%,修复对象：损伤片段长且严重（1.5kb),极少数情况下达到 9 kb 以上，101 UvrABC 内切酶修复系统 DNA 糖基化酶修复系统 错配矫正酶修复系统切除修复需要的酶系统（在 E.coli 中）102由 UvrA、UvrB、UvrC 3 个亚基组成.UvrA:具ATP酶活性,为切除修复提供能量;UvrB:与 UvrA 结合后有 ATP酶活性;UvrC：使修复内切酶的活性达到最大程度。UvrABCUvrABC 内切酶修复系统内切酶修复系统
39、103UvrABCUvrABC内切酶（内切酶（UvrABCUvrABC核酸酶）切除修复过程核酸酶）切除修复过程：104 DNADNA 糖基化酶修复系统糖基化酶修复系统DNA 糖基化酶切开 N-糖苷键(而不是磷酸二酯键)释放出发生突变的碱基,形成一个无嘌呤或无嘧啶的位点(AP位点)AP内切酶在AP位点切开磷酸二酯键(DNA链被打断)DNA聚合酶和连接酶将缺口修复.DNA糖基化酶分为：尿嘧啶糖基化酶（去嘧啶碱基），次黄嘌呤糖基化酶（去次黄嘌呤碱基）等105AP内切酶：亦称无碱基内切酶，或 无嘌呤(嘧啶)核酸内切酶。其作用是在无嘌呤或无嘧啶位置(位点)的 5 端切开磷酸二脂键。5 A T C A G
40、 3 3 T A T C 5 5 A T C A G 3 3 T A T C 5 53DNA糖基化酶作用形成的AP位点AP内切酶切开磷酸二脂键5 A T C A G 3 3 T A G T C 5 聚合酶和连接酶参与补平106 错配矫正酶修复系统错配矫正酶修复系统错配矫正酶由 mutH，mutL 和 mutS 三个基因共同编码,有下列两种功能：1)识别新生链上错配的碱基，并与之结合;2)可识别下列序列:5 5-G AG A*T C-3T C-3 3 3-C T C T A A G-5G-5模板链新生链当新生链上有错配碱基时，该酶可同时结合在模板链和新生链上，进行错配修复107ACG A*T C
41、C T A G错配碱基5335ACG A*T CC T A G错配矫正酶结合在错配碱基与识别序列上5335错配矫正酶切除包括错配碱基在内的一段DNAAG A*T CC T A G5335DNA多聚酶填充缺口，连接酶连接ATG A*T CC T A G5335108Dam 基因编码的 DNA 腺嘌呤甲基化酶催化 S-腺苷基 L-甲硫氨酸而产生的S-S-腺苷基腺苷基 L-L-甲硫氨酸甲硫氨酸N6-甲基腺嘌呤DNA腺嘌呤甲基化酶Dam 基因腺嘌呤腺嘌呤+N6-甲基腺嘌呤一般都出现在 5-GA*TC-3中，该序列在亲本链上出现频率较高而且又较均一，有助于错配矫正酶的结合，使矫正能得以顺利进行N6-N6
42、-甲基腺嘌呤的来源甲基腺嘌呤的来源109如尿嘧啶糖基化酶修复系统对 脱氨基氧化损伤的修复尿嘧啶糖基酶负责酶解错配的尿嘧啶,嘌呤,次黄嘌呤 1105.3 重组修复重组修复重组修复 受损伤碱基部分不被切除,DNA直接跨过受损伤部分进行复制.原模板链中的损伤部分在下一个细胞周期中,以“切除修复方式”完成修复，或不经切除，随细胞分裂，不断进行重组修复，使损伤DNA的浓度逐渐稀释，最终达到几乎全部的修复。由于重组修复必须在 DNA 复制的情况下进行，故又称复制后修复是DNA损伤修复的最主要方式111如对二聚体损伤的复制修复1125.45.4 SOSSOS修复修复又称超越二聚体合成修复(transdime
43、r synthesis)，错误倾向修复(error-prone repair)或应急修复。SOS 修复是在 DNA分子受到大范围损伤,且不能进行“复制修复”的情况下,为防止细胞死亡而采取的一种应急措施，所以采用国际通用的海难呼救信号SOS（Save Our Soul）来命名）。113 RecA蛋白(重组蛋白)和 LexA 蛋白(阻遏蛋白)。这两种酶只有当细胞受到损伤时才诱导产生，正常情况下，不存在。SOS修复只存在于 recAlexA 细胞中，这两个基因突变，sos修复功能随之丧失。SOS 修复需要的酶系统114RecA蛋白由 recA 基因编码,recA 为正调控蛋白，有以下3 种功能：重组
44、功能：催化DNA分子间同源联会和单链交换.蛋白酶活性：DNA合成正常进行时，RecA蛋白没有活性；DNA合成受阻时，已存在的无活性的RecA 蛋白就变成有活性的蛋白酶。单链 DNA 结合活性：类似单链DNA结合蛋白(SSB).115Lex A基因是负调控基因.LexA 基因编码的蛋白可被 RecA蛋白分解。正常细胞内LexA蛋白非常稳定，分别结合于recA、lexA、uvrA、uvrB、himA 等17个基因的启动子上，使得这些基因不能转录。recA、lexA、uvrA、uvrB、himA等基因统称损伤诱导基因（damage inducible genes，din),也称作 SOS 基因，均由
45、 Lex A蛋白控制.116DNA受紫外线照射损伤时 RecA 蛋白酶活性被激活，LexA蛋白被 RecA 蛋白分解 一系列与SOS反应有关的基因被消除阻遏 SOS基因转录。POPPPOOO1lexA2recA3uvrA4uvrB17 LexA蛋白结合位点。LexA 基因也受其产物 Lex 蛋白控制，所以称为自身负向控制LexA蛋白LexA蛋白LexA蛋白LexA蛋白117UV未照射的 Ecoli释放出的正常和突变的极少,表明未发生复活效应和诱导效应SOS 修复系统是细胞受损伤后才被诱导的证据(weigle,J.1953）：感染噬菌体紫外线照射UV照射过的 E.coli 释放的数增加（称W-复
46、活效应）存活的中出现较多突变体（称W-诱导效应）:118 噬菌体受UV照射 DNA损伤 侵染 UV未照射过的大肠杆菌大肠杆菌 SOS修复酶不被活化 损伤的DNA不能被修复 DNA不能复制 噬菌体数量 及突变体数少。噬菌体受UV照射DNA损伤 侵染UV照射的大肠杆菌 肠杆菌SOS修复酶被活化 损伤的DNA被修复 DNA复制 噬菌体数量及突变体数增加。内在原因1195.5 电离辐射损伤的修复电离辐射损伤的修复参与酶系修复对象条件超快修复DNA连接酶断裂的DNA单链无氧，0,2min快修复DNA多聚酶超快修复剩下的断裂单链室温，数分钟慢修复重组修复酶系快修复剩下的断裂单链.37，4060min120
47、基因损伤修复缺陷与人类疾病基因损伤修复缺陷与人类疾病（1）着色性干皮病（xeroderma pigmentosum，XP）（2）侏儒视网膜萎缩综合征,又称为Cockayne综合征（cockayne syndrome，CS）121第六节第六节 基因突变的检出基因突变的检出6.1 大肠杆菌缺陷型大肠杆菌缺陷型6.2 真菌营养缺陷型真菌营养缺陷型122 营养缺陷性突变体检出法营养缺陷性突变体检出法6.1 大肠杆菌缺陷型的检出大肠杆菌缺陷型的检出野生型+突变体基本培养基基本培养基+特定氨基酸，维生素等123123v 营养缺陷型（营养缺陷型（auxotroph）突变株突变株：微生物经突变后失去对某种生长
48、因素（维生素、微生物经突变后失去对某种生长因素（维生素、氨基酸或核苷酸氨基酸或核苷酸）的合成能力，必须依靠外界供应的合成能力，必须依靠外界供应才能生长才能生长。它们在没有相应生长因素的培养基上不它们在没有相应生长因素的培养基上不能生长。能生长。v 凡能在没有该生长因素的基本培养基上生长，营凡能在没有该生长因素的基本培养基上生长，营养要求上及其表型与野生型相同的菌株称为养要求上及其表型与野生型相同的菌株称为原养型原养型（prototroph）菌株。菌株。Auxotroph&prototroph营养缺陷型与原养型营养缺陷型与原养型124124125l 青霉素筛选法青霉素筛选法青霉素能抑制细菌细胞壁
49、的合成,所以能杀死正在生长的细菌,而不能杀死休眠状态的细菌.在含青霉素的基本培养基上,正在生长的野生型被杀死;突变体因不能生长(但依然存活),故不受青霉素影响,被保留了下来.野生型+突变体基本培养基基本培养基 +青霉素126 抗药性突变体的检出抗药性突变体的检出野生型+突变体基本培养基基本培养基+抗生素等1276.2 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杂交法杂交法128诱变剂处理真菌（如脉孢菌）分生孢子接种到液体基本培养基中通气震荡培养，刺激分生孢子生长，并防止分生孢子相互结合分生孢子萌发，长出菌丝用棉花过滤，除去已萌发的分生孢子，保留未萌发的分生 菌丝过滤法菌丝过滤
50、法129采用补充各种营养组分的选择培养基对缺陷型分生孢子做作进一步的鉴定,确定确定属于哪一钟化合物的营养缺陷型.方法与上述大肠杆菌营养缺陷型筛选的方法类似死的分生孢子+突变的分生孢子+未萌发的野生型分生孢子重复步骤 3-4次130 杂交法杂交法131从中随机取一粒子囊孢子放在CM上，长出菌丝，产生分生孢子MMMM+各种维生素MM+各种氨基酸从中取出分生孢子接种于中，如果未发生突变（仍是野生型），可长，否则不生长。如果中的分生孢子不能在(MM)上生长，说明发生了突变。为确定是合成维生素的基因发生突变，还是合成氨基酸的基因发生突变？将已知发生突变的中的子囊孢子（顺序四分子）分别培养在和中。如果中长
