1、整理课件1第第4 章章 基因组的变异与基因组的变异与DNA损失修复损失修复1整理课件2 2整理课件34.1 基因组的变异与稳定性维持基因组的变异与稳定性维持（基因突变）（基因突变）4.2 DNA损伤损伤4.3 DNA损伤修复的机制损伤修复的机制3整理课件44.1.基因组的变异与稳定性维持基因组的变异与稳定性维持4整理课件5 突变突变：是遗传物质发生了：是遗传物质发生了可遗传的改变可遗传的改变，而，而这种改变可发生在这种改变可发生在染色体水平染色体水平和和基因水平基因水平上。上。4.1.1 基因突变的种类基因突变的种类染色体结构和数目变异染色体结构和数目变异(染色体畸变染色体畸变)(广义突变广义
2、突变)DNA水平的突变，基因突变（点突变）水平的突变，基因突变（点突变）（狭义突变）（狭义突变）突变类型突变类型：分为：分为点突变点突变和和插入与缺失插入与缺失突变。突变。5整理课件6 按突变对密码子的改变类型按突变对密码子的改变类型 按核苷酸取代类型按核苷酸取代类型转换转换 Py Py Pu Pu 颠换颠换 Py Pu 4.1.1 基因突变的种类基因突变的种类错义突变：错义突变：无义突变：无义突变：同义突变：同义突变：DNA突变引起突变引起mRNA密码子变为密码子变为另一个氨基酸密码另一个氨基酸密码。DNA突变引起突变引起mRNA密码子变为密码子变为一种终止密码一种终止密码。DNA突变虽引起
3、突变虽引起mRNA密码子变为另一种密码，但密码子变为另一种密码，但由于密码子的由于密码子的简并性简并性，未使编码的氨基酸发生改变未使编码的氨基酸发生改变。6整理课件7 点突变效应（单核苷酸突变）点突变效应（单核苷酸突变）-同义突变同义突变GAA(谷氨酸谷氨酸)GAG(谷氨酸谷氨酸)-错义突变错义突变GAA(谷氨酸谷氨酸)AAA(赖氨酸赖氨酸)-无义突变无义突变 GAA(谷氨酸谷氨酸)TAA(stop)插入或缺失插入或缺失不等于不等于3的倍数的倍数的核苷酸，引起的核苷酸，引起 读码框架的改变。叫读码框架的改变。叫移码突变移码突变。=3d Nt aa 3d Nt 移码突变移码突变7整理课件84.1
4、.2 单核苷酸多态性（单核苷酸多态性（SNP）SNP 是由是由单个核苷酸单个核苷酸的变异引起的的变异引起的DNA序列多态性。序列多态性。8 在人类基因组中，存在在人类基因组中，存在0.1%的的SNP位点，是形成个位点，是形成个体差异的主要原因。体差异的主要原因。90%的人类群体变异都是的人类群体变异都是SNP。一般一般SNP引起的突变是中性的引起的突变是中性的。但是，人类镰刀形细。但是，人类镰刀形细胞贫血病，胞贫血病，GAG（谷氨酸）（谷氨酸）GTG（缬氨酸）。（缬氨酸）。整理课件94.1.3 拷贝数变异拷贝数变异 拷贝数变异拷贝数变异 人类或其他哺乳类基因组中，人类或其他哺乳类基因组中，不同
5、大小的不同大小的DNA片段片段拷贝数突变拷贝数突变，这些拷贝的删除、插入、复制和复合多位，这些拷贝的删除、插入、复制和复合多位点的变异，统称拷贝数变异。其点的变异，统称拷贝数变异。其突变率高于突变率高于SNP。9 拷贝数变异可以遗传，引起基因活性变化拷贝数变异可以遗传，引起基因活性变化。例如，吃粮。例如，吃粮食的人比吃肉的人食的人比吃肉的人Amy1基因拷贝数更多。基因拷贝数更多。-突触核蛋白突触核蛋白基因基因拷贝数增加拷贝数增加2-3倍，导致帕金森综合症。倍，导致帕金森综合症。淀粉样前体蛋白基因淀粉样前体蛋白基因拷贝数增加，导致老年性痴呆症。拷贝数增加，导致老年性痴呆症。整理课件104.1.4
6、 定点突变定点突变 定点突变定点突变 为了获得所需的蛋白质，按照预先设计对基因的编为了获得所需的蛋白质，按照预先设计对基因的编码区和控制区进行码区和控制区进行缺失、插入或碱基替换缺失、插入或碱基替换。10Kunkel 定点突变法定点突变法突变引物突变引物整理课件114.1.5 基因动态突变基因动态突变基因动态突变基因动态突变 也叫也叫基因组不稳定性基因组不稳定性，是以，是以DNA重组序列拷贝数在重组序列拷贝数在传递不稳定为特征的一类突变，能引起传递不稳定为特征的一类突变，能引起基因长度改变基因长度改变。11三核苷酸重复拷贝数三核苷酸重复拷贝数在正常情况下有一定的变异范围，在正常情况下有一定的变
7、异范围，而扩展时就表现为疾病，这种突变不稳定，而扩展时就表现为疾病，这种突变不稳定，其拷贝数与其拷贝数与病情正相关病情正相关。例如。例如，亨廷顿舞蹈症，亨廷顿舞蹈症 HD为（为（CAG）n 扩扩增；而增；而Sca10基因内第基因内第9内含子的（内含子的（ATTCT）n 扩增超扩增超过过4000次时发病（正常人次时发病（正常人n仅仅10到到20）。）。整理课件12 4.2 4.2 突突 变变 发发 生生 的的 机机 理理 (自发突变，诱发突变自发突变，诱发突变)12整理课件132014年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖约翰约翰奥基夫奥基夫梅布里特梅布里特爱德华爱德华莫泽莫泽“发现大脑定
8、位系统细胞发现大脑定位系统细胞”整理课件14一、一、基因的自发突变基因的自发突变 自发突变自发突变：特指在：特指在DNA复制过程复制过程中，由于中，由于细胞内细胞内碱基异构体碱基异构体替代正常结构的碱基掺替代正常结构的碱基掺入到入到DNA分子中，引起的复制的错误，或分子中，引起的复制的错误，或由于由于重复序列间的不对称交换重复序列间的不对称交换形成的突变。形成的突变。14整理课件151.碱基异构式引起碱基异构式引起DNA复制过程的错误复制过程的错误 a)碱基异构式碱基异构式A6(氨式氨式)A(亚氨式亚氨式)C4(a)C(i)G6(酮式酮式)G(烯醇式烯醇式)G(k)G(e 和和 i)T4(k)
9、T(e-2)或或 T(e-4)15(amino)(imino)(keto)(enol)整理课件1616T嘧啶环嘧啶环G嘌呤环嘌呤环A嘌呤环嘌呤环1 12 23 34 45 56 61 12 23 34 45 56 61 12 23 34 45 56 6整理课件17A(氨式氨式)A(亚氨式亚氨式)C(氨式氨式)C(亚氨式亚氨式)G(酮式酮式)G(烯醇式烯醇式)G(烯醇式烯醇式和亚氨式和亚氨式)T(酮式酮式)T(2烯醇式烯醇式)T(4烯醇式烯醇式)17整理课件18b)碱基异构式引起碱基异构式引起DNA复制的错配复制的错配 18整理课件19 碱基异构式引起碱基异构式引起DNA复制的错配复制的错配 1
10、9 A(i)反式反式=A（a）顺式）顺式 G(e,i)反式反式=G（k）顺式）顺式 A(i)反式反式=G（k）顺式）顺式 G(e,i)反式反式=A（a）顺式）顺式整理课件20碱基异构式引起碱基异构式引起DNA复制的错配复制的错配 A(a)T(k)G(k)C(a)正确配对正确配对 错误配对错误配对 G(k)T(e)A(a)C(i)A(i,反式反式)A(a,顺式顺式)A(i,反式反式)G(k,顺式顺式)G(e,i,反式反式)G(k,顺式顺式)G(e,i,反式反式)A(a,顺式顺式)A(i)C(a)G(e)T(k)20整理课件21C(i)A(a)T(k)A(a,反式反式)T(k,反式反式)C(a,反
11、式反式)A(a)A(a,反式反式)c)碱基异构式引起碱基异构式引起DNA的错配突变的错配突变C(i)C(a)G(k,顺式顺式)G(k,顺式顺式)G(k,反式反式)G(k)A/T G/C A/T G/C 整理课件22d)增变基因增变基因野生型野生型维持遗传的稳定性维持遗传的稳定性突变型突变型 随机随机引起其他各类基因的突变引起其他各类基因的突变“被冤枉的基因被冤枉的基因”整理课件23增变基因类别增变基因类别DNA 聚合酶相关基因聚合酶相关基因3 5 编辑功能发生突变编辑功能发生突变错配修复系统的基因错配修复系统的基因MCE(错配校正酶错配校正酶)DNA 损伤修复系统基因损伤修复系统基因错配修复功
12、能丧失错配修复功能丧失 突变率升高突变率升高 修复过程是基因突变的重要来源修复过程是基因突变的重要来源整理课件24 诱变类型诱变类型 物理诱变物理诱变 化学诱变化学诱变二、基因的诱发突变二、基因的诱发突变 电离辐射电离辐射，如，如、射线射线非电离辐射非电离辐射，如紫外线，如紫外线抑制碱基合成的诱变剂抑制碱基合成的诱变剂，如，如6-巯基嘌呤巯基嘌呤碱基类似物碱基类似物，如，如5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶修饰碱基结构的诱变剂修饰碱基结构的诱变剂，如亚硝酸，如亚硝酸插入诱变剂插入诱变剂，如吖啶橙，如吖啶橙24整理课件251.物理诱变物理诱变 a)电离辐射诱变电离辐射诱变Co60()()射线射线 Cs137(
13、)()射线射线 H3()射线射线 P32，S35()射线射线 卫星搭载诱变卫星搭载诱变:高真空，强辐射，微重力高真空，强辐射，微重力()()射线穿透性射线穿透性 （外照射处理）（外照射处理）()()射线非穿透性射线非穿透性 （内标记处理）（内标记处理）dNt电荷及碱基结构改变电荷及碱基结构改变 25整理课件26卫星搭载育种卫星搭载育种 太空蔬菜太空蔬菜微重力微重力高辐射高辐射强射线强射线26整理课件27b)b)非电离辐射非电离辐射紫外线紫外线 (U.V)(U.V)-在相邻在相邻TT间形成间形成共价键共价键产生嘧啶二聚体产生嘧啶二聚体(TT 二聚体二聚体)U.V.C T T A共价键共价键 27
14、整理课件28DNA氧化脱氨氧化脱氨U.V.C(a)U A(a)U.V.U.V.H2O H+OH-C(a)C(i)A(a)光解作用光解作用氨式胞嘧啶氨式胞嘧啶亚氨式胞嘧啶亚氨式胞嘧啶脱嘌呤脱嘌呤28C/GA/T整理课件292.化学诱变化学诱变a)抑制碱基合成的化学诱变剂抑制碱基合成的化学诱变剂6-巯基嘌呤巯基嘌呤抑制嘌呤合成抑制嘌呤合成SH5-氨基尿嘧啶氨基尿嘧啶 抑制嘧啶合成抑制嘧啶合成 OOH2N29整理课件30b)b)碱基类似物碱基类似物(5-BrU)BrBr酮式酮式烯醇式烯醇式30A/TG/C整理课件315-BrU(k)5-BrU(e)复制复制BrU(k)BrU(e)ATGC复制错误复制
15、错误A/T G/C掺入错误掺入错误G/C A/TBrU(e)GBrU(k)T31(k)整理课件32HNO2(亚硝酸亚硝酸 NA)A C G次黄嘌呤次黄嘌呤 C U A黄嘌呤黄嘌呤？氧化脱氨氧化脱氨 HNO2 修饰碱基结构修饰碱基结构的诱变剂的诱变剂A次黄嘌呤次黄嘌呤=CCU=AG黄嘌呤黄嘌呤32整理课件33修饰碱基结构的诱变剂修饰碱基结构的诱变剂NH2OH（羟胺）（羟胺）HNHHOC(a)HAHNHHHOHNHHOC(i)A(a)NHHOHNHHON H H羟胺胞嘧啶羟胺胞嘧啶33G/C A/T整理课件34烷化剂烷化剂:烷基转移到碱基上，发生烷基转移到碱基上，发生烷基化烷基化，导致，导致碱基配
16、对方式改变碱基配对方式改变，产生，产生脱嘌呤脱嘌呤作用作用或或使使DNA分子交联分子交联。EMS(甲基磺酸乙酯甲基磺酸乙酯)CH3SO-CH2CH3OOMMS 甲基磺甲基磺酸甲酯酸甲酯CH3SO-CH3OOSM(硫芥子气硫芥子气)HS CH2CH2ClCH2CH2Cl34整理课件35d)d)插入诱变剂插入诱变剂AO(AO(吖啶橙吖啶橙)扁平分子扁平分子EB(EB(溴化乙锭溴化乙锭)-ATTTTTCG-TAAAAAGC-A TTTCG-T AAAGC-TAO T-AT EB TTTTCG-TA分子插入分子插入AOEB-ATTTCG-TAAAGC-ATXTTTTCG-TAX AAAAGC-X AA
17、AAGC-移码突变移码突变35整理课件364.3.生物体保生物体保证稳定遗传的证稳定遗传的机制机制36整理课件37复制过程中的错配修复复制过程中的错配修复DNA的损伤修复的损伤修复基因的回复突变基因的回复突变密码的简并密码的简并致死突变致死突变多倍体多倍体DNA水平的修复和校正机制主要有复制过程中的水平的修复和校正机制主要有复制过程中的错配修复错配修复、DNA损伤修复损伤修复、基因的、基因的回复突变回复突变等。等。整理课件38一、一、复制过程中的错配修复机制复制过程中的错配修复机制 (错误率错误率=10-11)DNA 错配错配+-A-C-DNApol(错误率错误率=10-8)经第二次校正经第二
18、次校正为为 10-11错配修复系错配修复系统（统（MRS）38整理课件391.错配修复系统错配修复系统（mismatch repair system,MRS）DNA 聚合酶聚合酶连接酶连接酶 错配校正酶错配校正酶(mismatch correct enzyme，MCE)具有具有 3 个亚基（个亚基（H,L,S）dam 基因基因m6A甲基化酶甲基化酶扫描扫描新生链中错配碱基新生链中错配碱基(L)识别识别新生链中非新生链中非 m6A 的的GATC序列序列(H)酶切酶切含错配碱基的新生含错配碱基的新生DNA区段区段(S)39整理课件40MCE 扫描扫描DNA中的中的GATC(回文序列回文序列)为为m
19、6A甲基化敏感位点甲基化敏感位点平均每平均每2kb左右有一左右有一GATC 序列序列3-C-CTAG-CTAG-5 5-T-GATC-GATC-3 3-5少少 梯度梯度 多（多（m6A）新生链）新生链40整理课件41MCE 扫描扫描核酸内切酶核酸内切酶聚合酶聚合酶连接酶连接酶GATC GATCCTAG CTAGTCGATC GATCCTAG CTAGTGATC GATCCTAG CTAGTAC C41整理课件422.ung 系统系统(尿嘧啶尿嘧啶-N-糖苷酶系统糖苷酶系统)-TAGC-ATCG-TAGC-A CG-U-TAGC-ung 酶酶GCUAU-TAGC-A CG-Apurinase(内
20、切酶内切酶)-TAGC-ADNA聚合酶聚合酶连接酶连接酶TCG-U是是T的类似物的类似物42整理课件43phR 471aa二、二、DNA的损伤修复的损伤修复1.光修复光修复-TT-AA-TT-AA-TT-AA-TT-AA-复制前复制前&避免差错避免差错 400 nm 蓝光蓝光&phR 基因基因 (光修复酶光修复酶)可见光激活可见光激活复制前复制前(光修复、切除修复光修复、切除修复)复制后复制后(重组修复、抢救修复重组修复、抢救修复)43整理课件442.2.切补修复切补修复复制前复制前 避免差错避免差错UvrA,B,C 基因基因 内切酶内切酶 外切酶外切酶 DNA聚合酶聚合酶 连接酶连接酶切切
21、补补 修修 复复44整理课件45E.coli 存活率存活率%U.V 计量计量野生型野生型UvrA+RecA+Rec A+uvr a-rec a-uvr a-3.3.重组修复重组修复45整理课件46E.coli k12野生型野生型 500 3200uvr-a/Rec-A 8 50Uvr-A/rec-a 3 20uvr-a/rec-a 0.2 1.3存活率为对照存活率为对照37%的的U.V.计量计量 基因型基因型 (尔格尔格/mm2)TT数量数量/107 bpRec-A基因以某种方式参与基因以某种方式参与DNA损伤修复损伤修复46整理课件47 存在与重组有关的存在与重组有关的暗修复机制暗修复机制
22、与与Rec-A基因引起的基因引起的DNA链转移链转移有关有关 TT 二聚体未被修复二聚体未被修复，仅表现在，仅表现在后代群体中后代群体中TT 二聚体浓度的稀释二聚体浓度的稀释 链的链的非准确转移，导致突变机率的增加非准确转移，导致突变机率的增加 47整理课件48Rupp.Howard-FlandersTT TTAA AATT TTTT TTAA AATT TT变性变性 E.coli(Rec-A,uvr-6-)双链双链 DNA单链单链 DNAU.V.复制复制提取提取 变性变性TT TT TTAA AA AA在新生链中，在新生链中，DNA复制可以跳过复制可以跳过TT 二聚体区二聚体区 继续复制继续
23、复制48整理课件49 重组修复重组修复 (DNA(DNA链转移修复链转移修复)复制后复制后倾向差错倾向差错RecA，DNA 聚合酶聚合酶需要连接酶需要连接酶49整理课件504.SOS 4.SOS 修复修复 (U.V.(U.V.修复修复 或或 W W 修复修复)Jean WeigleE.coliE.coliE.coli 80 10 100突变型突变型 100%50%10%A.E.coli 中噬菌体中噬菌体DNA损伤被修复了损伤被修复了A和和B.U.V.诱导诱导 E.coli 进行进行SOS修复修复 SOS修复修复(倾向差错倾向差错)产生高频率的突变产生高频率的突变ABC考察考察噬菌体基因修复噬菌
24、体基因修复（抢救）情况（抢救）情况50整理课件51DNA 损伤损伤300 X信号信号RecA 降解降解 LexA SOSUmuDC 突变突变-诱导前诱导前.LexA蛋白蛋白 Rec-A,UmuDC11 基因基因负调控负调控-U.V.损伤损伤 DNA信号信号(单链单链DNA 尾巴尾巴 或或 5Nt 单链单链DNA)机制机制SOS受受RecA和和LexA调控调控LexARecAUmuDC51 RecA SOS整理课件52RecA 蛋白：蛋白：具有三种功能具有三种功能 DNA 重组活性重组活性 与单链与单链DNA结合活性结合活性 少数蛋白的蛋白酶活性少数蛋白的蛋白酶活性当当DNA正常复制时正常复制时
25、（无复制受阻，无（无复制受阻，无DNA损伤，损伤，无无TT 二聚体）二聚体）RecA蛋白不表现蛋白酶活性蛋白不表现蛋白酶活性52整理课件53当当DNA复制受阻复制受阻/DNA 损伤时损伤时能量大量消耗能量大量消耗细胞内原少量表达的细胞内原少量表达的RecA蛋白蛋白与单链与单链DNA结合结合激活激活RecA蛋白的蛋白酶活性蛋白的蛋白酶活性“空转反应空转反应”修复损伤修复损伤LexA蛋白降解蛋白降解RecA蛋白高效表达蛋白高效表达 300 倍表达倍表达SOS 启动启动53整理课件54当当DNA复制度过难关后复制度过难关后SOS 修复是一种修复是一种倾向差错倾向差错极强的修复机制极强的修复机制是进化
26、中形成的是进化中形成的“竭尽全力，治病救人竭尽全力，治病救人”的措施的措施（正常状态下，（正常状态下，SOS是关闭的）是关闭的）RecA蛋白很快消失蛋白很快消失LexA 基因表达基因表达SOS 关闭关闭54整理课件55突变的形成突变的形成DNA未经修复未经修复经过修复经过修复/校正校正 死亡死亡突变率降低突变率降低倾向差错修复倾向差错修复(间接间接）(重组修复，重组修复，SOS）避免差错修复避免差错修复（直接直接）(光修复，切补修复光修复，切补修复)形成突变形成突变不形成突变不形成突变DNA 损伤损伤/错误修复错误修复物理诱变，化学诱变，自发突变物理诱变，化学诱变，自发突变突变是在修复过程中形
27、成的（非准确的修复）突变是在修复过程中形成的（非准确的修复）55整理课件56三、三、基因的回复突变基因的回复突变（back mutation）1.回复突变的概念回复突变的概念野生型野生型突变突变 (表型表型)突变突变(low)回复突变回复突变(very low)2.回复突变的分子机制回复突变的分子机制a)AGC(Ser)ACC(Thr)AGC(Ser)Ntb)AGC(Ser)AGG(Arg)AGT(Ser)简并简并c)AGC(Ser)AGG(Arg)AAG(Lys)功能替代功能替代 如果如果 Ser Lys56整理课件57d）基因内抑制的回复突变）基因内抑制的回复突变 (第二位点突变引起的基因
28、内校正第二位点突变引起的基因内校正)基因内抑制导致的回复突变实际上是基因内抑制导致的回复突变实际上是基因内基因内第二位点突变第二位点突变后，使突变的蛋白酶的后，使突变的蛋白酶的构型和构型和活性活性又回复到又回复到野生型状态野生型状态，从而使表型发生，从而使表型发生回复，也即在回复，也即在同一基因内同一基因内，第二位点的突变第二位点的突变抑制了第一位点的突变效应抑制了第一位点的突变效应。57整理课件58e.g.trp.A-UGG174-GGA210-(野生型野生型)(lys)(Gly)回复突变回复突变(Cys)（Gly）-UGG 174-GGA210-UGG174-GGA210-UGC174-G
29、AA210-活性结构活性结构无活性结构无活性结构CA无活性结构无活性结构 (Lys)(Glu)58整理课件59e）基因间抑制的回复突变）基因间抑制的回复突变 基因间抑制的回复突变是指某一突变体回复到野基因间抑制的回复突变是指某一突变体回复到野生型是生型是第二基因发生突变后的抑制效应第二基因发生突变后的抑制效应，后者被，后者被称为抑制基因。称为抑制基因。分类分类：（：（直接抑制直接抑制和和间接抑制间接抑制）（1）tDNA反密码子序列无义突变或错义突变反密码子序列无义突变或错义突变 （2）代谢途径的补偿抑制）代谢途径的补偿抑制 （3）异源多聚体蛋白酶的构型吻合）异源多聚体蛋白酶的构型吻合59整理课
30、件60无义突变抑制无义突变抑制（1 1）野生型编码色氨酸的密）野生型编码色氨酸的密码子（码子（UGGUGG）突变为突变为UAGUAG，表，表现现突变体突变体。（2 2）诱变色氨酸的）诱变色氨酸的tRNAtRNA在反密在反密码子处码子处突变为突变为AUCAUC，不仅可以，不仅可以负负载色氨酸载色氨酸，而且，而且识别识别UAGUAG，从而，从而使突变型回复到野生型。使突变型回复到野生型。60整理课件61 错义突变抑制错义突变抑制AGAUCUGlyArgGlyUCUCCUGGACCUGlyGly（1 1）野生型密码子）野生型密码子GGAGGA与反密与反密码子码子CCUCCU配对，编码配对，编码甘氨酸
31、甘氨酸。（2 2）当）当GGAGGA突变为突变为AGAAGA时，与时，与携带精氨酸的携带精氨酸的tRNAtRNA反密码子反密码子UCUUCU配对，编码配对，编码精氨酸精氨酸。（3 3）当）当携带甘氨酸的携带甘氨酸的tRNAtRNA反密反密码子码子CCUCCU突变为突变为UCUUCU时，仍可携时，仍可携带甘氨酸与带甘氨酸与AGAAGA配对，使配对，使一部分一部分个体表现回复到野生型个体表现回复到野生型。61整理课件62代谢途径的补偿代谢途径的补偿e.g.脉胞菌脉胞菌+天冬氨酸天冬氨酸(鸟氨酸转甲酰磷酸酶鸟氨酸转甲酰磷酸酶)精氨酸精氨酸NH3CO2ATP氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸GlnCO2ATP氨甲酰
32、磷酸氨甲酰磷酸+鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸Oct 基因基因尿嘧啶尿嘧啶Cps酶酶(氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸合成酶)精氨酸合成途径精氨酸合成途径尿嘧啶合成途径尿嘧啶合成途径62整理课件63 Arg+U+(Csp+Oct+)野生型野生型Arg+u (csp Oct+)突变型突变型Arg+U+(csp oct-)回复突变回复突变Why?&How?Why?&How?63整理课件64e.g.脉孢菌脉孢菌+天冬氨酸天冬氨酸(鸟氨酸转甲酰磷酸酶鸟氨酸转甲酰磷酸酶)精氨酸精氨酸NH3CO2ATPGlnCO2ATP+鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸oct-2-3%即可催化反应即可催化反应(OCT)尿嘧啶尿嘧啶Cps酶酶
33、64氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸代谢途径的补偿代谢途径的补偿整理课件65多聚体酶类构型的吻合多聚体酶类构型的吻合亚基亚基-1亚基亚基-2+活性活性形式形式A BB+非活性非活性形式形式回复突变回复突变ab活性活性形式形式65抑制基因抑制基因整理课件664.4.基因重组交换的基因重组交换的 分子机制分子机制66整理课件674.4.1.自然界的自然界的DNA分子均是重组体分子均是重组体变异是生物进化的重要因素之一变异是生物进化的重要因素之一生物对环境的适应机制生物对环境的适应机制自然选择的重要基础自然选择的重要基础67整理课件68可遗传的变异：可遗传的变异：突变突变 （点突变，染色体变
34、异）（点突变，染色体变异）频率低，突变修复频率低，突变修复遗传重组交换遗传重组交换染色体的染色体的自由组合自由组合染色单体间的染色单体间的交换交换分子克隆和转基因技术分子克隆和转基因技术（体外）（体外）普遍发生普遍发生自然界自然界DNA分子分子 均是重组体均是重组体68整理课件694.4.2.遗传重组的类型遗传重组的类型a)a)同源重组同源重组 发生在同源染色体发生在同源染色体/同源序列之间同源序列之间 姊妹染色体姊妹染色体&非姊妹染色体非姊妹染色体转化转化,转导转导接合接合,感染感染 大片段的交换大片段的交换 重组交换具有热点重组交换具有热点 重组交换需要酶参与重组交换需要酶参与(RecA，
35、B，C)69整理课件70倒位和缺失缺失缺失倒位倒位70断裂与错接断裂与错接整理课件71 b)b)转座重组转座重组 (复制重组复制重组)需要特殊的转座因子需要特殊的转座因子 不依赖不依赖Tn和靶位点之间的同源序列和靶位点之间的同源序列 需要转座酶需要转座酶 导致插入、缺失、倒置、重排导致插入、缺失、倒置、重排71整理课件72c)c)位点依赖性的特殊重组位点依赖性的特殊重组 整合酶整合酶 (需要整合酶需要整合酶 和不需要和不需要 RecA蛋白蛋白)保守重组保守重组 72整理课件73的的 attPp O pE.coli 的的 attB B O BB O P P O B整合酶整合酶IHF(真核宿主因子
36、真核宿主因子)Xis(切除酶切除酶)FIS(倒位刺激因子倒位刺激因子)73整理课件74同源重组同源重组1.前期的两种假说前期的两种假说a)a)断裂断裂-重接假说重接假说 (1930 Darlington)(1930 Darlington)a bA Ba BA b74整理课件75b)b)模板选择假说模板选择假说 (1931 Belling)(1931 Belling)75整理课件76c)断裂断裂-错接的证据错接的证据ABCabcC12 N14ABCabcDNA分子的交换是断裂分子的交换是断裂错接的过程错接的过程ABcabC较少较少重组重组abcabcABC很多很多C13 N15 C12 N14E
37、.coli76E.coli 生长在生长在C12和和N14的培养基，用两种噬菌体的培养基，用两种噬菌体（ABC&abc）感染）感染整理课件772.同源重组的分子模式同源重组的分子模式异常分离现象异常分离现象 基因转换基因转换红色面包酶红色面包酶 A a aaAA减数分裂减数分裂 aaAAaAaA77杂合体杂合体 整理课件78Why?aaAAaAaA2/6 3/5 5/34/4A:aA A A A a A a A aA A A A a A a A aA a a A a a A a AA A a A a a A a AA a a a A A a a Aa a a a A A a a Aa a a a
38、 A a A A aa a a a A a A A a78整理课件79 基因转换基因转换 一条染色体上特定的遗传基因被同源染色一条染色体上特定的遗传基因被同源染色体上等位基因所替代的非相互重组的现象。体上等位基因所替代的非相互重组的现象。79整理课件80果蝇果蝇 (ry，黄嘌呤脱氢酶，黄嘌呤脱氢酶)少数野生型少数野生型没有野生型没有野生型ry41-ry5()X ryxryx()ryx-ryx()X ry41ry5()非全同等位基因内非全同等位基因内不同位点的影响不同位点的影响？回复突变回复突变？基因间互补基因间互补？转换不会伴随转换不会伴随ry 基因基因两侧基因的交换两侧基因的交换！雄蝇染色体
39、不发生交换雄蝇染色体不发生交换！基因内交换基因内交换！80整理课件81 b)同源重组的基本特征同源重组的基本特征 涉及同源染色体的同源序列间的涉及同源染色体的同源序列间的联会配对联会配对 涉及涉及DNA分子在特定的交换位点发生分子在特定的交换位点发生断裂断裂 和错接和错接的生化过程的生化过程 单链单链DNA分子或单链分子或单链DNA末端是交换发生末端是交换发生 的重要信号的重要信号c)同源重组的分子模式同源重组的分子模式1964 Holliday.R Holliday 中间体中间体 Whitehouse 极性杂合极性杂合DNA模式模式81整理课件82同源重组交换发生的相关事件同源重组交换发生的
40、相关事件1）DNA配对配对2）Rec BCD酶酶：在两个同源单链：在两个同源单链DNA之间形成缺口之间形成缺口3）Rec A酶酶：与缺口单链结合，导致链的转移：与缺口单链结合，导致链的转移82整理课件83 Holliday Holliday 中间体模式中间体模式83整理课件84P Q Rp q rQ:A/T q:C/G形成缺口形成缺口(交换热点交换热点)交叉移动交叉移动异构体异构体Holliday Holliday 中间体模式中间体模式 P Q Rp q rQ:A/T q:C/G84整理课件85 R,r 未交换未交换 Q,q 含含C/T 结构结构 R,r 发生交换发生交换 Q,q 含含C/T
41、结构结构两种拆分两种拆分结果结果85整理课件86未校正未校正C/T A/T亲本亲本 PR +pr 1重组重组 Pr +pR 1 Q 5 q 3异源杂合双链内等位基因异常分离现象异源杂合双链内等位基因异常分离现象86整理课件87第二条染色单体内第二条染色单体内C/T 的校正可能的校正可能第一条染色单体第一条染色单体内内C/T校正可能校正可能C/T A/T C/T C/G 未校正未校正C/T A/TC/T C/G未校正未校正AAAAAACC AACCAACC AAACAACCTTTTTTGG TTGGTTGG TTTGTTGG(6:2)(4:4)(5:3)AACCCCCC AAACCCCCTTGG
42、GGGG TTTGGGGG(2:6)(3:5)AAACACCCTTTGTGGG(4:4)杂合杂合DNA区域内区域内C/T的校正与否的校正与否与形成不同比例的异常分离配子与形成不同比例的异常分离配子87整理课件88 交换不是简单发生在交换不是简单发生在 1 bp 之间的断裂之间的断裂错接事件错接事件 交换涉及两条双链交换涉及两条双链DNA之间的之间的holliday中间体、中间体、链转移、异构化、拆分等一系列复杂的过程链转移、异构化、拆分等一系列复杂的过程 交换发生后，交换位点的两端的会出现交换发生后，交换位点的两端的会出现 亲本：重组亲本：重组=1:1 的正常分离比例的正常分离比例结结 论论8
43、8整理课件89 当交换发生在某对等位基因内，其突变位点可能因当交换发生在某对等位基因内，其突变位点可能因 交叉移动，而被包括在杂合双链区域之内，从而引起交叉移动，而被包括在杂合双链区域之内，从而引起 基因转换基因转换 基因转换发生的机率，随突变位点离基因转换发生的机率，随突变位点离DNA 交叉位点交叉位点 的距离增大，表现逐渐变小的极性梯度的效应的距离增大，表现逐渐变小的极性梯度的效应89整理课件90e.g.酵母酵母 Arg4 基因基因7 个非全同等位基因个非全同等位基因Nsph I,Acc-I,R-V,Bel-I,Dra-III,Aha-II,Bgl-II在杂合二倍体中在杂合二倍体中w.t.
44、/突变型突变型.基因转换频率从基因转换频率从5 3递减递减Nsph I Acc-I R-V Bel-I Dra-III Aha-II Bgl-II9.6%7.4 6.2 3.4 2.8 1.5 0.453交换位点交换位点?90整理课件91d)相关酶类及交换热点相关酶类及交换热点RecARecA酶：酶：40kd 单体单体 2000/细胞细胞 RecA酶与单链酶与单链DNA结合结合 具有具有ATP酶活性酶活性(单链单链DNA依赖性依赖性 ATP酶活性酶活性)U.V.博莱霉素博莱霉素,丝裂霉素丝裂霉素RecA酶达酶达 5000/细胞细胞91整理课件92RecARecA酶的结合形式酶的结合形式92整理
45、课件93真核生物真核生物Rec A 酶酶93整理课件94RecBCDRecBCD酶酶:RecBCD 复合体复合体 300kd 具有解链酶活性（具有解链酶活性（ATPase）&核酸外切酶活性核酸外切酶活性 Recbcd突变突变 同源重组率下降同源重组率下降100 X重组酶重组酶BCD具有产生单链尾巴的功能。产生的具有产生单链尾巴的功能。产生的单链尾巴被单链尾巴被RecA 酶包裹，同时重组酶酶包裹，同时重组酶BCD帮帮助将助将RecA酶装载到酶装载到3-DNA尾上。尾上。94整理课件95 RecBCD 酶特异识别酶特异识别GCTGGTGGT 序列序列 并在其下游并在其下游4-6bp处切断单链处切断
46、单链DNA 使交叉位点使交叉位点 沿双链沿双链DNA 解旋的方向移端解旋的方向移端使异源区重新形成螺旋使异源区重新形成螺旋 使双链使双链 DNA缺口缺口释放释放 单链单链DNA(被被RecA酶结合酶结合)chi位点位点 交换热点交换热点95整理课件96RecBCD pathway96整理课件97chi位点位点具有物种和基因的特异性具有物种和基因的特异性E.coli 基因组有基因组有1000个个 chi-位点位点97整理课件98chiRecBCD4-6bpOHRecA酶酶DNA解旋解旋 再螺旋再螺旋 98整理课件99 RFLP 限制性片段长度的多型性限制性片段长度的多型性 99整理课件100 R
47、FLP 限制性片段长度的多型性限制性片段长度的多型性 P1P2Probe/aP1 P2 F1 F1REprobe/b100整理课件101 RFLP 限制性片段长度的多型性限制性片段长度的多型性 101整理课件102 基于聚合酶链式反应的多型性基于聚合酶链式反应的多型性(PCR-based polymorphsm)RAPDAFLPSSRDD-PCRISSRSSCP94 37 72 102整理课件103 RAPD（随机扩增的（随机扩增的DNA多型性）多型性）(Random Amplified Polymorphism DNA)引物 1 2 3 4 510mer 序列随机序列随机商业购买商业购买种类
48、无限种类无限103整理课件104 AFLP(Amplified Fragment Length Polymorphism)MseI :4 bp cutter EcoRI:6 bp cutterP1P2Mse IEcoR I 104整理课件105E EM MM EMse I 接头接头 20 NtEcoR II 接头接头 20 NtMse I 引物引物 21-23 NtEcoR II 引物引物 21-23 Nt扩增，电泳，染色扩增，电泳，染色M EM E105整理课件106 AFLP（扩增片段长度的多型性）（扩增片段长度的多型性）(Amplified Fragment Length Polymor
49、phism)106整理课件107 SSR (Simple Sequence Repeats)P1P2扩增扩增 电泳电泳107整理课件108SSR （简单序列的重复）（简单序列的重复）(Simple Sequence Repeats)水稻水稻RM163位点上的位点上的25个等位基因个等位基因玉米回交群体的玉米回交群体的SSR图谱图谱25份种质的份种质的SSR分析分析随着基因组测序的发展随着基因组测序的发展 密度增加，定位准确密度增加，定位准确 检测快速，重复性好检测快速，重复性好 SSR标记将成为基因定位和标记将成为基因定位和MAS 的重要技术之一的重要技术之一108整理课件109 SSCP(单
50、链构象的多型性单链构象的多型性)(Single Strand Conformation Polymorphism)ATGC变性变性 复性复性109整理课件110 SSCP(单链构象的多型性单链构象的多型性)(Single Strand Conformation Polymorphism)家家 猪猪 氟氟 烷烷 基基 因因 SSCP 图图 谱谱 110整理课件111 单核苷酸多型性单核苷酸多型性SNP(single nucleotide polymorphism)111整理课件112 突变突变oligo-dNt引物介导的引物介导的PCR诱变诱变目标基因克隆到质粒中目标基因克隆到质粒中分为两管分为
