1、第四节 基因突变的分子基础一、突变的分子机制细胞水平：基因位点（locuslocus）分子水平：基因位点若干座位（sitesite）核苷酸对核苷酸对碱基改变碱基改变镰刀型贫镰刀型贫血症血症 突变的两种方式：1 1、分子结构的改变、分子结构的改变:如碱基替换，倒位如碱基替换，倒位2 2、移码移码碱基替换(base substitution)：一个碱基对被另一碱基对替换。包括转换(transtion)和颠换(transversion)。移码突变(frameshift mutation)：增加或减少一个或几个碱基对。基因突变与氨基酸顺序同义突变(same sense mutation)：密码子发生改
2、变，但所编码的氨基酸不变。错义突变(missense mutation)：DNA中碱基对替换，使mRNA的某一密码子改变，由它所编码的氨基酸不同。很多错义突变造成蛋白质的部分或完全失活，从而表现出突变性状。无义突变(nonsense mutation)：碱基替换改变了mRNA上的一个密码子，成为3个密码子UAG，UAA和UGA中的一个时，就出现无义突变。表 21-2 点突变的类型(以 Tyr 的密码子为例)无义突变同义突变错义突变DNA TACTAA,TAG RNA UAC UAA UAG aa Tyr Och AmbTAC TAT UAC UAU Tyr TyrTAC TCC UAC UCC
3、 Tyr Ser酪氨酸酪氨酸丝氨酸丝氨酸终止密码子终止密码子 碱基类似物的诱发突变碱基类似物的诱发突变碱基替换碱基替换(base substitution)：一个碱基对被另一碱基对一个碱基对被另一碱基对替换。包括转换替换。包括转换(transtion)和颠换和颠换(transversion)转换转换(transtion)：嘌呤被嘌呤被嘌呤，嘧啶被嘧啶替换的现象嘌呤，嘧啶被嘧啶替换的现象颠换颠换(transversion)：嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤的替换：嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤的替换碱基类似物碱基类似物（Base analogues）可以在可以在DNADNA复制中代复制中代替某种碱基，引起配对错误
4、，从而由一种碱基对代替某种碱基，引起配对错误，从而由一种碱基对代替另一种碱基对。替另一种碱基对。1.碱基类似物（1 1）5-5-溴尿嘧啶和溴尿嘧啶和T T很相似，仅在第很相似，仅在第5 5个碳个碳元子上由元子上由BrBr取代了甲基取代了甲基.5-BU.5-BU有酮式，有酮式，烯醇式两种异构体，可分别与烯醇式两种异构体，可分别与A A及及G G配对配对结合结合 A A G G T BUK BUE C 酮式 烯醇式5-溴尿嘧啶(5-bromouracil,BU)是胸腺嘧啶的结构类似物。ATATABUGBUATABUGCGCGBUABUABUGCGCAT(2)2-(2)2-氨基嘌呤氨基嘌呤(2-AP
5、)(2-AP)也是碱基也是碱基(A)(A)的类的类似物，有正常状态和稀有状态两种异构似物，有正常状态和稀有状态两种异构体，可分别与体，可分别与T T和和C C配对结合。当配对结合。当2-AP2-AP掺掺入到入到 DNADNA复制中时，由于其异构体的变复制中时，由于其异构体的变换而导致换而导致AT G CAT G CA 2AP 2AP*GT T C C2-氨基嘌呤(2-aminopurine)可取代腺嘌呤与T配对ATAPTATATAPCGCAPT叠氮胸苷(AZT,azidothymidine)：T的类似物是用于治疗爱滋病(acquired immunodeficiency syndrome)的一
6、种药物。HIV-1人的细胞反转录RNAcDNA整合入宿主DNA新病毒AZT在病毒RNADNA的阶段是反转录酶的底物，但在细胞中却不是DNA聚合酶的合适底物。这样AZT的作用是一种选择性的毒物，可以抑制病毒cDNA的产物，阻断新的病毒的合成。改变DNA化学结构的诱变剂 亚硝酸亚硝酸(nitrous acid,HNO2)：具有氧化脱氨作用。具有氧化脱氨作用。AHHNO2CUHNO2GHNO2XCGNAUAATATNAHCCG发生碱基转换2.脱氨基脱氨基 NH2 O H H H N N Deamination H N O H N O Cytosine Uracil Fig.21-Deaminatio
7、n of cytosine to uracil.烷化剂烷化剂是目前应用最广泛而有效的诱变剂。最常用的有烷化剂是目前应用最广泛而有效的诱变剂。最常用的有甲基磺酸乙酯甲基磺酸乙酯(EMS)EMS)、甲基磺酸甲酯甲基磺酸甲酯(MMS)MMS)、亚硝酸胍等。亚硝酸胍等。它们都带有一个或多个活泼的烷基，这些烷基能够移到它们都带有一个或多个活泼的烷基，这些烷基能够移到其他电子密度较高的分子中去，使碱基许多位置上增加其他电子密度较高的分子中去，使碱基许多位置上增加了烷基，从而多方面改变氢键的结合能力。了烷基，从而多方面改变氢键的结合能力。烷化作用主要发生在碱基的烷化作用主要发生在碱基的N N1 1、N N3
8、 3、N N7 7位置上。最容易发生位置上。最容易发生在在G G的的N N7 7位置上，形成位置上，形成7-7-烷基鸟嘌呤。烷基鸟嘌呤。7-7-烷基鸟嘌呤可与胸烷基鸟嘌呤可与胸腺嘧啶配对，从而产生腺嘧啶配对，从而产生GCATGCAT的转换。的转换。烷化作用可使烷化作用可使DNADNA的碱基容易受到水解而从的碱基容易受到水解而从DNADNA上裂解下来，上裂解下来，造成碱基的缺失。从而引起碱基的转换与颠换及移码突变。造成碱基的缺失。从而引起碱基的转换与颠换及移码突变。2.2.碱基的修饰剂碱基的修饰剂(1)(1)亚硝酸（亚硝酸（introusintrous acid,NA acid,NA）有氧化脱氨
9、作用，有氧化脱氨作用，可使可使G G第第2 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,xxanthine,x），），次黄嘌呤次黄嘌呤 (H)(H)仍和仍和C C配对，故不配对，故不产生转换突变。但产生转换突变。但C C和和A A脱氨后分别产生脱氨后分别产生U U和次黄嘌和次黄嘌呤呤H H，产生了转换，使产生了转换，使CGCG转换成转换成ATAT，ATAT转换转换成成GCGC HNO2 A H G G A A T C C C U T HNO2 结合到DNA分子上的化合物（插入突变剂）(Intercalating mutagents)包括原黄素(profla
10、vin)、acridine orange等。它们通过插入到DNA双螺旋双链或单链的两个相邻的碱基之间，起到插入诱变的作用，这种突变往往是移码突变。Acridine类诱发突变的一个重要特征是，acridine化合物所诱发的突变型能用acridine来使之回复，但不能有碱基类似物使之回复TACGA ATCGGGTATTATGCT TAGCCCATAATACGA ATCGGGTATTATGCT TAGCCCATAACG染料分子嵌入复制插入一个碱基对移码突变 辐射的诱变作用紫外线（ultraviolet light，UV）：能使DNA产生两种光生成物环丁烷嘧啶光二聚体和6-4光生成物。胸腺嘧啶二聚体通
11、常发生在同一DNA链上两个相临的胸腺嘧啶之间，也可发生在不同单链之间，这种二聚体是很稳定的。阻碍单链分开，影响复制复制在胸腺嘧啶对应处随意渗入碱基，引起突变。紫外线诱发胸苷二聚体紫外线诱发胸苷二聚体 O O UV O O H CH3 H CH3 H CH3 CH3 H N N N N O N H O N H O N H H N O Thymine Thymine Thymine dimer O O 4 5 4 5 3 6 6 2 1 Fig.21-Production of thymine dimer by ultraviolet light irradiation.黄曲霉素B1(aflato
12、xin B1,AFB1)在鸟嘌呤N-7位置上形成一个加成复合物进而产生无嘌呤位点。它要求SOS系统参与，SOS越过这些无嘌呤位点并在其对应处选择性插入腺嘌呤。A C G T AT G C A TAFB1A C T AT G C A T复制A C G T AT G C A TA C T AT G A A T复制A C T T AT G A A T 突变热点(hot spots of mutation)和增变基因(mutator genes)突变突变热热点在基因内的分布并不是随机的，某些位点点在基因内的分布并不是随机的，某些位点上突变型很多，其突变率大大高于平均数。这些位上突变型很多，其突变率大大
13、高于平均数。这些位点就称为突变点就称为突变热热点。点。形成突变热点的最主要原因是5-甲基胞嘧啶(MeC)的存在。MeC诱变剂氧化脱氨T短的重复序列也容易形成突变热点。因为这些地方容易发生插入或缺失，这是由于DNA复制时发生模板链与新生链之间碱基配对的滑动造成的。二、突变的修复（一）DNA的防护机制1.简并2.回复突变3.抑制4.致死5.多倍体二、突变的修复（二）DNA的修复1.光修复2.暗修复3.重组修复4.SOS修复（二）DNA的修复1.光修复（二）DNA的修复1.光修复 Damage Mutant base is mismatched and/or distorts stractur In
14、cision 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 stretch of DNA that includes the dameged base(s)在在E.coliE.coli中的切除修复系统中的切除修复系统(暗修复暗修复)
15、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 Deformation of DNA UvaA UvaB UvrA recognizes damage&binds with UvrB UvaC UvaB UvrA released;UvrC binds UvaC UvaB UvrC nicks DNA on both sides of damage Uva D UvrD unwinds region Fig.21-The Uvr sistem operates in stages in wh
16、ich UvrAB recognizes damage,UvrBC nicks the DNA,and UvrD unwinds the marked region.UvrUvr系统在修复各阶段中系统在修复各阶段中的作用的作用UvrABUvrAB识别损伤；识别损伤；UvrBCUvrBC在在DNADNA上切一缺口；上切一缺口；UvrDUvrD使被使被标记区解旋标记区解旋 三、复制后修复三、复制后修复(一一)错配修复（错配修复（mismatch repairmismatch repair）(1)(1)识别错配的碱基对；识别错配的碱基对；(2)(2)对错配的一对碱基要能准确区别哪一个对错配的一对碱基
17、要能准确区别哪一个 是错的，哪一个是对的；是错的，哪一个是对的；(3)(3)切除错误的碱基，并进行修复合成。切除错误的碱基，并进行修复合成。三、复制后修复三、复制后修复 三、复制后修复三、复制后修复 Template strand with N6-methyl Template correct base adenine DNA strand 5 *3 GATC CTAG 3 5 Newly-made DNA Unmethylated Newly made with incorrect adenine DNA strand *GATC 3 Mismatch enzyme binds to CTA
18、G 5 unmethylated GATC on new strand and to mispaired 3 base on the same strand.5 *GATC 3 Mismatch correction enzyme CTAG 5 excises section of new DNA strand,including mispaired 3 base.5 *GATC 3 DNA polymerase repairs CTAG 5 the gap,producing correct Base.Fig.21-Mechanism of mismatch correction repai
19、r.MutSMutLMutSMutHMutS识别错配位点,并易位到GATC位点。MutH在GATC位点剪切非甲基化链，内切酶从GATC到错配位点降解DNA GATC G GATC CTAG T CTAG *S L *S L GATC G GATC GATC G GATC CTAG T CTAG CTAG T CTAG ssB U H ssB U *ssB G *GATC GATC GATC ssB G GATC U U CTAG CTAG CTAG CTAG H T ssB H T Polymerase Polymerase GATC G GATC GATC G GATC CTAG C CTA
20、G CTAG C CTAG CTAG T GATC G GATC CTAG C CTAG Fig.Two proposed models to explain how mismatch repair corrects errors after a DNA strand has been sythesized.(二)重组修复（重组修复（recombination-recombination-repainrepain）5 recombinated Lesion parental DNA Repaired Parental DNA Recombination Repair Fig.21-Postre
21、plication recombination repair在E.coli中的提取(retrival)系统(三)SOS修复系统(后复制修复)差错倾向修复差错倾向修复（Error prone repair）Jeam Weigle 等发现 UV 感染 细菌(用UV照射过)存活率高噬菌体 细菌(UV未照射过)存活率低UV-复活复活（UV-reactivation），也称W-复活SOS反应反应（SOS response）Site of frequent mismatchings Fig.21-Error-prone(SOS)repair(lesion by-pass)癌基因与癌癌基因与癌 产物活性改变
22、 结构改变 产物失活 调控区的突变 癌基因 易位改变了调控 产物数量 染色体重排 插入插入致癌病毒，引入强启动子 的改变 缺失缺失抗癌基因和负调控序列 双微体 扩增 均染区 肿瘤细胞的特点肿瘤细胞的特点1.癌症癌症 多细胞器官性的疾病，这些器官的细胞生长异常，失去调节，并常伴有异常分化，形成瘤。在高等脊椎动物中及植物中都有发现。癌细胞与正常细胞相比呈现以下特征:1）无限繁殖 2）接触抑制现象丧失 3）癌细胞间粘着性减弱 4）易被凝集素凝集 5）粘壁性下降 6）细胞骨架结构紊乱 7）产生新的膜抗原 8）对生长因子需要量降低 (1)无限生长（Immortalization），此和生长控制发生改变有
23、关。(2)转化（transformation），失去了生长的正常抑制，例如不受生长因子的支配。(3)转移（metastasis）正常细胞与癌细胞比较外因：外因：物理致癌因子（高能辐射）化学致癌因子（环状化合物，亚硝酸等）生物致癌因子（肿瘤病毒,黄曲霉素）内因：内因：蛋白质功能水平上的病毒活性，重要的生长调节基因的突变，如激素 控制细胞生长的机制被破坏。2.癌症的发生原因癌症的发生原因胞内胞内Tyr激酶激酶 膜结合蛋白，胞液蛋白Ser/Thr激酶激酶 胞液蛋白信号分子信号分子 调节物 转录因子转录因子 Leu拉链蛋白，转录因子，甲状腺激素受体 生长因子生长因子 分泌蛋白生长因子受体生长因子受体
24、各种受体激酶，受体G-蛋白蛋白/信号传导信号传导 GTP结合蛋白癌基因的类型 12 59 61c-Ha-ras 正常细胞 GGC/Gly GCC/Ala CAG/Glu 膀胱癌 GTC/Val GCC/Ala CAG/Glu 肺 癌 GGC/Gly GCC/Ala CTG/LeuKi-ras 正常细胞 GGT/Gly GCA/Ala CAA/Glu 肺 癌 TGT/Cys GCA/Ala CAA/Glu 结肠癌 GGT/Gly GCA/Ala CAT/His N-ras 正常细胞 GGT/Gly GCT/Ala CAA/Glu 神经母细胞瘤 GGT/Gly GCT/Ala AAA/Lys 肺
25、癌 GGT/Gly GCT/Ala CGA/Arg 图 19-ras 基因的点突变和肿瘤 癌基因激活的机制：癌基因激活的机制：点突变点突变 c-ras：Ras 是GTP结合蛋白，传导生长因子受体信号。ras基因的点突变（第12个氨基酸密码子由GGG(甘氨酸）变为GTG(缬氨酸）降低了GTP水解酶活性，使其放大了对生长因子的反应，导致细胞过量生长。染色体畸变和肿瘤的发生染色体畸变和肿瘤的发生一一.Rb和和P53的缺失导致肿瘤的发生的缺失导致肿瘤的发生 二二.反转录病毒的插入激活反转录病毒的插入激活c-myc癌基因癌基因 三三.易位易位 费城染色体（Philadelphia chromosome,
26、Ph）Riodan O.（1971）用荧光带法鉴别出Ph染色体是22号染色体长臂丢失了1/3而形成。Rowly（1973）进一步发现缺失的染色体片段易位到9号染色体上。1982年De Klein等又在Ph染色体上发现有9号染色体的片段，上面带有癌基因（c-abl）.扩增扩增 在生长受癌蛋白量控制的情况下，结构正常的原癌基因的简单扩增会引起癌症。如：c-myc 基因编码转录因子，在人神经母细胞瘤中有大量的增加。肿瘤细胞染色体中常出现双微小体（双微小体（DM)和均匀染色区均匀染色区（HST），都是基因扩增的表现。5）易位激活）易位激活 染色体易位，B细胞中myc基因转到lgH 的基因座，受免疫球蛋
27、白增强子的控制，在T细胞中则易位到TcRa 基因座。CML(chromic myelogenous leukemia)ALL(acute lymphoblastic leukemia)22号染色体和9号染色体之间的易位产生了费城染色体，bcr-abl融合基因的转录，导致了两种白血病的发生。第五节第五节 基因突变的诱发基因突变的诱发 一、物理因素诱变一、物理因素诱变 二、化学因素诱变二、化学因素诱变一、物理因素诱变一、物理因素诱变 基因突变需要很大的能量基因突变需要很大的能量,辐射产生的能量辐射产生的能量可使原子激发和原子电离。作用为非特异性可使原子激发和原子电离。作用为非特异性（一）电离辐射（
28、一）电离辐射如各种射线如各种射线（二）非电离辐射（二）非电离辐射紫外线（紫外线（UVUV）一、物理因素诱变一、物理因素诱变 电离辐射诱发突变的实质电离辐射诱发突变的实质基因的电离作用基因的电离作用 化学物质在电离辐射时射线的能量使基因化学物质在电离辐射时射线的能量使基因中任何分子中的某些原子外围的电子脱离轨道，中任何分子中的某些原子外围的电子脱离轨道，变为带正电荷的离子（原发电离和次级电离），变为带正电荷的离子（原发电离和次级电离），轻则使分子结构改变，重则染色体断裂，发生轻则使分子结构改变，重则染色体断裂，发生结构畸变结构畸变一、物理因素诱变一、物理因素诱变(三三)航天育种航天育种 航天育种
29、航天育种:是有意识利用空间环境中是有意识利用空间环境中,宇宇宙辐射、微重力及弱地磁场等因素的诱宙辐射、微重力及弱地磁场等因素的诱导导,使作物染色体产生缺失、重复、易使作物染色体产生缺失、重复、易位、倒置等基因突变位、倒置等基因突变,以加速生物体的以加速生物体的变异变异,该方法并没有导入任何外源基因该方法并没有导入任何外源基因,从本质上与自然变异没有任何区别从本质上与自然变异没有任何区别一、物理因素诱变一、物理因素诱变(三三)航天育种航天育种 在太空的重力仅为百分之一到十万分之一在太空的重力仅为百分之一到十万分之一克，需人在地面感受的重力是克，需人在地面感受的重力是1克。在这种环克。在这种环境下
30、，液体可以变成圆圆的水珠悬浮在空间。境下，液体可以变成圆圆的水珠悬浮在空间。此外，卫星中还存在着地面没有的高能粒子辐此外，卫星中还存在着地面没有的高能粒子辐射。正是这种特殊的环境下，才会使种子和微射。正是这种特殊的环境下，才会使种子和微生物更容易产生遗传变异生物更容易产生遗传变异(三三)航天育种航天育种 太空环境中太空环境中的的宇宙射线和微重力，宇宙射线和微重力，是是引起诱变的主要因素引起诱变的主要因素，其机理是：高能粒子引起生物遗传物质其机理是：高能粒子引起生物遗传物质DNA损伤而导致生物产损伤而导致生物产生可遗传的变异；而微重力通过增强生物材料对诱变因素的敏感生可遗传的变异；而微重力通过增
31、强生物材料对诱变因素的敏感性，使染色体性，使染色体DNA损伤加剧从而增加变异的发生率。损伤加剧从而增加变异的发生率。微重力对植物的激素分布、钙离子分布和细胞结构等也有微重力对植物的激素分布、钙离子分布和细胞结构等也有明显的影响。研究还表明，微重力可能干拢明显的影响。研究还表明，微重力可能干拢DNA损伤修复系统损伤修复系统的正常运转，即阻碍或抑制的正常运转，即阻碍或抑制DNA链断裂和修复。链断裂和修复。航天育种航天育种二、化学因素诱变二、化学因素诱变 诱变作用具有特异性诱变作用具有特异性 烷化剂：烷化剂：甲基磺酸乙酯（甲基磺酸乙酯（EMS）甲基磺酸甲酯（甲基磺酸甲酯（MMS）亚硝酸胍亚硝酸胍第六
32、节转座因子第六节转座因子 转座因子（可移动因子，跳跃基因）：转座因子（可移动因子，跳跃基因）：细胞中能改变自身位置的一段细胞中能改变自身位置的一段DNA顺序，顺序，称之转座遗传因子或简称转座因子。称之转座遗传因子或简称转座因子。1951年年Barbara McClintock发现跳跃基因发现跳跃基因获获1983年度诺贝尔奖年度诺贝尔奖Barbara McClintock(1902-92)第六节转座因子第六节转座因子 转座因子的结构特性转座因子的结构特性（一）原核生物（一）原核生物插入因子插入因子转座子（转座子（transposon,Tn）转座因子（可移动因转座因子（可移动因子，跳跃基因）：子，跳跃基因）：反向重复反向重复序列序列约约bp第六节转座因子第六节转座因子 转座因子的结构特性转座因子的结构特性（一）真核生物的转座因子（一）真核生物的转座因子转座因子的应用：作为基因的标记，克隆目的基转座因子的应用：作为基因的标记，克隆目的基因因
