第11章基因突變

1、第11章基因突變第十一章 基因突變 突變：遺傳物質(zhì)的可遺傳改變 染色體畸變：染色體水平 基因突變： DNA第一節(jié) 基因突變的概說一、基因突變的概念 突變：染色體上一個基因內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變，一個基因變成它的等位基因。 范圍：廣泛的生物界 自發(fā)：家兔白化、貂的藍(lán)皮毛、絲羽雞 人工：Muller、Sradler等（X射線照射果蠅、玉米）二、基因突變發(fā)生的時期和部位三、突變頻率二、基因突變發(fā)生的時期和部位1. 生物個體發(fā)育的任何時期均可發(fā)生：性細(xì)胞(突變)突變配子后代個體；體細(xì)胞(突變)突變體細(xì)胞組織器官。2. 性細(xì)胞的突變頻率比體細(xì)胞高：性母細(xì)胞與性細(xì)胞對環(huán)境因素更為敏感。3. (等位)基因突變常

2、常獨(dú)立發(fā)生：某一基因位點(diǎn)發(fā)生并不影響其等位基因，一對等位基因同時發(fā)生的概率非常小(突變率的平方)。4. 突變時期不同，其表現(xiàn)也不相同：高等生物基因突變時期與性狀表現(xiàn)突變時期顯性突變隱性突變(或下位性突變)高等生物性細(xì)胞突變當(dāng)代表現(xiàn)突變性狀。突變當(dāng)代不表現(xiàn)突變性狀，其自交后代才可能表現(xiàn)突變性狀。體細(xì)胞突變當(dāng)代表現(xiàn)為嵌合體，鑲嵌范圍取決于突變發(fā)生的早晚。突變當(dāng)代不表現(xiàn)突變性狀，往往不能被發(fā)現(xiàn)、保留。低等生物(單倍體)有性生殖表現(xiàn)突變性狀表現(xiàn)突變性狀無性生殖表現(xiàn)突變性狀表現(xiàn)突變性狀三、突變頻率突變率(mutation mate)指生物在一個世代中在特定條件下發(fā)生某一突變的概率。也就是突變體占該世代個

3、體的比例。有性生殖生物：用突變配子占總配子比例(配子發(fā)生突變的概率)表示；(單細(xì)胞)無性繁殖生物：每一世代中細(xì)胞發(fā)生突變的頻率。自然突變頻率自然條件下基因突變率一般較低，并隨生物種類、基因而異：不同生物種類的基因突變率：高等植物：110-5-110-8;低等生物，如細(xì)菌：110-4-110-10;人：110-4-110-6.同一物種的不同基因的天然突變率也明顯不同：第二節(jié) 基因突變的分子基礎(chǔ)一、自發(fā)突變(spontaneous mutation) 1.DNA復(fù)制錯誤(errors of DNA replication) DNA堿基有互變異構(gòu)體，造成DNA復(fù)制過程中的DNA錯配。 轉(zhuǎn)換：Puri

4、ne Pu;或者 Pyrimidine Py 顛換：Pu Py; 或者PyPu 移碼突變：增加或減少幾個堿基,導(dǎo)致蛋白質(zhì)翻譯錯位。 缺失和重復(fù)：大片段堿基的缺失或重復(fù)，如E.coli乳糖發(fā)酵調(diào)節(jié)基因lac中四堿基重復(fù)序列。 野生型: 5-GTCTGGCTGGCTGGC-3 突變型FS5: 5-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3 突變型FS2: 5-GTCTGGCTGGC-3返回2.DNA損傷（lesions） 脫嘌呤 由于堿基和脫氧核糖間的糖苷鍵受到破壞,從而引起一個鳥嘌呤或腺嘌呤從DNA分子上脫落下來. 脫氨基 C脫氨基變成U;A脫氨基變成H,造成轉(zhuǎn)換A AT H-T H-C H-C

5、 A-T G-CB GC G-U A-UA-U G-C A-T 氧化損傷: O2- OH- H2O2， 對DNA造成損傷二、誘發(fā)突變（induced mutaion） 1.誘變機(jī)制 堿基類似物 eg. 5-BU 和5-BrdU是胸腺嘧啶(T)的結(jié)構(gòu)類似物，酮式結(jié)構(gòu)易與A配對；烯醇式結(jié)構(gòu)易與G配對。另有2-氨基嘌呤(2-AP, A類似物)、5- 氟尿嘧啶、5-氯尿嘧啶等。 特異性錯配 eg.烷化劑: 甲磺酸乙酯(EMS)、亞硝基胍( NG)、芥子氣等。通過改變堿基結(jié)構(gòu)使堿基錯配。 如：G-C; 當(dāng)G烷基化后可與T配對，導(dǎo)致堿基轉(zhuǎn)換。烷化劑使嘌呤脫落，造成轉(zhuǎn)換、顛換、斷裂或其他突變 嵌合劑的致突作

6、用 eg. .吖啶類染料: 吖啶橙、吖啶黃素、原黃素等堿基對的類似物，易造成移碼突變。 輻射誘導(dǎo)效應(yīng) (1)紫外線UV:形成嘧啶二聚體，如T二聚體，同一條單鏈內(nèi)，影響復(fù)制時與A的配對，中止復(fù)制；雙鏈之間，影響雙鏈變性，并影響復(fù)制。 (2)電離輻射：如X-ray、可引起堿基的降解或脫落，A變成H;C變成T，出現(xiàn)轉(zhuǎn)換。黃曲霉的作用 ：使鳥嘌呤G脫落，SOS修復(fù)引入A, 造成突變。2.堿基替換的遺傳效應(yīng) () 同義突變（samesense mutation）不改變氨基酸的密碼子變化，與密碼子的兼并性有關(guān). 如GAU/GACAsp. () 錯義突變（missense mutation） 堿基替換的結(jié)果

7、引起氨基酸序列的改變. () 無義突變（nonsense mutation）編碼區(qū)的單堿基突變導(dǎo)致終止密碼子(UAG/UGA/UAA)的形成, 使 mRNA的翻譯提前終止, 形成不完全的肽鏈. 如鐮刀型貧血癥：血紅蛋白B鏈(146Aa)，6號氨基酸的替換, 導(dǎo)致明顯的表型癥狀。GluVal, 若Glu Asp則影響較小。3.移碼突變及其產(chǎn)生 在基因的外顯子中插入或缺失1, 2或4個核苷酸,使閱讀信息發(fā)生錯位,從而使翻譯的蛋白質(zhì)序列與原來完全不同. eg. E.coli中乳糖發(fā)酵的調(diào)節(jié)基因(lac): 野生型: 5-GTCTGGCTGGCTGGC-3 移碼突變: 5-GTCTGGCTGGCTGG

8、CTGGC-3 移碼突變 : 5-GTCTGGCTGGC-34.突變熱點(diǎn)和增變基因 基因中 某些位點(diǎn)比其它位點(diǎn)突變率高，稱突變熱點(diǎn)。 Eg. 分析T4-Phage r 基因1500個突變體： r A (1800bp)有200個位點(diǎn)； r B (850bp)有108個位點(diǎn) 。 形成原因：1. 5-MeC的存在，5-甲基胞嘧啶(MeC)脫氨基后變成T, 使G-C部位轉(zhuǎn)變成A-T部位；2. 短的重復(fù)序列的存在，容易配對錯位，造成重復(fù)或缺失3. 與誘變劑類型有關(guān)，不同誘變劑出現(xiàn)不同的熱點(diǎn)。4. 增變基因(mutator gene)：該基因的突變會使整個基因組的突變頻率增高，eg. A. DNA多聚酶基

9、因，突變后使多聚酶的3 5校正功能降低或喪失，使基因組突變頻率增高； B. dam基因，突變后使堿基的錯配修復(fù)功能降低或喪失，使基因組突變頻率增高。三、誘變與腫瘤 腫瘤的形成與否取決于機(jī)體中癌基因和抑癌基因的平衡，抑癌基因突變會致癌。一些誘變劑可以特異性的誘導(dǎo)抑癌基因突變，導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。 eg. 黃曲霉素可誘導(dǎo)P53基因G T顛換，導(dǎo)致肝癌的發(fā)生；UV可誘導(dǎo)P53基因5 -TC-3發(fā)生C T顛換，形成“T二聚體”，導(dǎo)致人類鱗狀細(xì)胞皮膚癌的發(fā)生。四、定點(diǎn)誘變 定義：利用人工合成的寡核苷酸，在離體的條件下，制造基因中任何部位的位點(diǎn)特異性突變的技術(shù)。 第三節(jié)生物體對突變的修復(fù)機(jī)制一 光復(fù)活(phot

10、oreactivation) 1. 概念：在可見光存在的條件下，在光復(fù)活酶作用下將UV引起嘧啶二聚體分解為單體的過程。 2. 條件：可見光(300600nm)、PR酶、嘧啶二聚體 3. 作用過程： 光復(fù)活酶與T=T結(jié)合形成復(fù)合物; 復(fù)合物吸收可見光切斷T=T之間的C-C共價鍵,使二聚體變成單體; 光復(fù)酶從DNA鏈解離. *光復(fù)活是原核生物中的一種主要修復(fù)形式。二 切除修復(fù)1.概念:（核苷酸外切修復(fù)、暗修復(fù)）先在損傷的任何一端打開磷酸二酯鍵，然后外切掉一段寡核苷酸；留下的缺口由修復(fù)性合成來填補(bǔ)，再由連接酶將其連接起來。酶作用不需要光的激活，但黑暗不是必要條件。2.特點(diǎn)：消除由UV引起的損傷，也能

11、消除由電離輻射和化學(xué)誘變劑引起的其他損傷。切除的片段可由幾十到上萬bp，分別稱短補(bǔ)丁修復(fù)、長補(bǔ)丁修復(fù)。3.過程： 內(nèi)切酶的作用在DNA損傷的一端,切開形成一個切口; 外切酶的作用將損傷部位切除; 聚合酶的作用將切口補(bǔ)齊,留下一個切口; 連接酶的作用將DNA連接形成完整的DNA鏈。4.特異性切除修復(fù) E.coli 中明顯的損傷，可在UvrA、 UvrB、 UvrC的作用下得以修復(fù)，但不明顯的損傷需要特異性修復(fù)。 (1)糖基化酶修復(fù)：如果堿基被共價修飾，糖基化酶可作用于C-N糖苷鍵，使堿基釋放，產(chǎn)生無堿基(AP)位點(diǎn), 再由AP內(nèi)切酶修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)。 (2)AP內(nèi)切酶修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)：也由內(nèi)切、外切、聚

12、合和連接四種酶活性來完成，以修復(fù)AP位點(diǎn)。 *以上兩種修復(fù)過程都沒有涉及到DNA的重組,屬于無誤差的修復(fù)。 三 重組修復(fù)1.概念: 通過對DNA的復(fù)制和同源鏈的重組，來完成對損傷部位的修復(fù)，又稱復(fù)制后修復(fù)。2.特點(diǎn): 修復(fù)過程伴隨DNA的復(fù)制和重組； 僅修復(fù)新合成的不完整的單鏈，原先的損傷單鏈仍然保留； 部分重組蛋白的精確性差，修復(fù)的出錯率較高。3.重組修復(fù)過程： (1)復(fù)制：以損傷單鏈為模板復(fù)制時，越過損傷部位，對應(yīng)位點(diǎn)留下缺口；未損傷單鏈復(fù)制成完整雙鏈。 (2)重組：缺口單鏈與完整同源單鏈重組，缺口轉(zhuǎn)移到完整鏈，使損傷單鏈的互補(bǔ)鏈完整，損傷單鏈仍然保留。 (3)再合成：轉(zhuǎn)移后的缺口以新互補(bǔ)

13、鏈為模板聚合補(bǔ)齊。 四 SOS修復(fù)1. 概念：是在DNA分子受損傷的范圍較大而且復(fù)制受到抑制時出現(xiàn)的一種應(yīng)急修復(fù)作用。2. 過程 當(dāng)DNA損傷較大時(如產(chǎn)生很多的T=T)，正常的DNA多聚酶復(fù)制到損傷位點(diǎn)時，其活性受到抑制； 短暫抑制后產(chǎn)生一種新的DNA多聚酶，催化損傷部位DNA的復(fù)制，由于新的DNA多聚酶的修復(fù)校正功能較低，新合成的堿基錯配頻率較高，易引起突變。3.特點(diǎn)： 修復(fù)系統(tǒng)需要在DNA分子受損傷的范圍較大而且復(fù)制受到抑制時才能夠啟動。 修復(fù)系統(tǒng)對錯配堿基的修復(fù)校正功能低下，從而增加突變的頻率。在緊急情況下，細(xì)胞通過一定水平的變異來換取細(xì)胞的幸存，有利于細(xì)胞逃生。 4.SOS系統(tǒng)的啟動

14、： 通過操縱子(結(jié)構(gòu)基因、啟動子、操縱基因、調(diào)節(jié)基因)來實(shí)現(xiàn)： A. SOS基因：recA基因、UvrA、UvrB、UmuC等，也稱din基因 (damage inducible gene)，為操縱子的結(jié)構(gòu)基因； B. lex基因：阻遏蛋白基因，正常情況下結(jié)合在操縱基因上； C. recA基因：重組蛋白基因，應(yīng)急狀態(tài)下啟動蛋白質(zhì)水解酶活性，水解阻遏蛋白，使din基因高效表達(dá)，從而啟動SOS修復(fù)系統(tǒng)。五 電離輻射損傷的修復(fù) 氫鍵斷裂：DNA雙鏈之間1.電離輻射效應(yīng) 共價鍵斷裂：DNA單鏈斷裂、 雙鏈斷裂、堿基和糖基損傷 交聯(lián)作用：DNA與DNA、DNA 與蛋白質(zhì)之間發(fā)生2.電離輻射的修復(fù)： 1、

15、超快修復(fù)(0, 2min) (E. coli) 無O2、單鏈 (DNA連接酶) 2、快修復(fù)(幾分鐘) 其余90斷裂單鏈 (聚合酶) 3、慢修復(fù)(37 ,40-60min) 剩余單鏈 (重組修復(fù)酶系統(tǒng))六 修復(fù)缺陷與人類疾病1. 著色性干皮病 (XP, xeroderma pigmentosum) 位于1p的隱性基因控制，干性皮膚伴隨神經(jīng)系統(tǒng)疾病，由切除二聚體能力缺損造成。2. 侏儒、視網(wǎng)膜萎縮。 由缺損紫外線引起的DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)引起。3. 共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥 4. 早老癥一、細(xì)菌培養(yǎng)缺陷型的檢出 完全培養(yǎng)基或補(bǔ)充培養(yǎng)基（存活） 基本培養(yǎng)基（死亡）完全培養(yǎng)基10-810-6合成缺陷型藥物

16、處理基本培養(yǎng)基第四節(jié)、基因突變的檢測化合物的分組編碼組別化合物的代號ABCDEF123456778910118121213141591316161718101417191920111518202121AFEBCD二、鏈孢霉?fàn)I養(yǎng)缺陷型的檢出三、 果蠅突變的檢出1.性連鎖基因隱性突變的檢出(ClB法、 Muller- 5) (1) ClB品系：C交換抑制因子；l隱性致死突變；B棒眼步驟：A. 待測果蠅與雜合（ClB/+）果蠅雜交； B. F1 ClB 與F1 （野生型）單對雜交，目的是檢查某一特定X染色體上的突變； C. 觀察分析： 有X隱性致死突變，F(xiàn)2 無雄蠅(:ClB和l死亡); 隱性非致死

17、突變， F2預(yù)期 :=2:1，突變性狀只在F2雄蠅表現(xiàn)，F(xiàn)1ClB中不表現(xiàn)； 無X隱性突變，在F2 僅表現(xiàn)簡單的 :=2:1。 (2) Muller-5法： A. Muller-5品系:B(棒眼)-Wa(杏眼)-sc(小盾片少剛毛)并具重復(fù)倒位。 B. 檢出步驟 : . 將待測的果蠅與純合Muller果蠅雜交. . 將F1 自交, 目的是檢查某一特定X染色體上的突變. . 觀察分析F2： 如果無X隱性致死突變預(yù)期F2 : =1:1 表型比為簡單的1:1:1:1; 如果有X隱性致死突變預(yù)期F2 : =2:1 表型比1:1:1; 如果有隱性非致死突變 在F2 中可見突變。2. 常染色體突變平衡致死系(Cy和S) 將待測的果蠅與平衡致死系(Cy, S)果蠅雜交，F(xiàn)1二種表型； F1中的一種類型與平衡致死系做單對雜交，F(xiàn)2出現(xiàn)三種表型(任