分子生物學第五六章的損傷修復基因突變重組與轉座

（優(yōu)選）分子生物學第五六章的損傷修復基因突變重組與轉座現(xiàn)在是1頁\一共有88頁\編輯于星期四DNA損傷是指在生物體生命過程中DNA雙螺旋結構發(fā)生的任何改變。主要分為兩種：單個堿基改變雙螺旋結構的異常扭曲（鏈內T二聚體、單鏈缺口、凸起等）現(xiàn)在是2頁\一共有88頁\編輯于星期四引起DNA損傷的因素很多，包括：DNA分子自發(fā)性損傷物理因素損傷化學因素損傷現(xiàn)在是3頁\一共有88頁\編輯于星期四

DNA復制過程中的損傷指堿基配對時產生的誤差經過DNA聚合酶等綜合校對因素作用后仍未被校正的DNA的損傷。如：大腸桿菌DNA復制無DNA聚合酶校正時錯配率為10-1~10-2，識別校正后為10-5~10-6，再經過其他因素，錯配率達到10-10這類損傷主要包括5種因素5.1.1DNA分子自發(fā)性損傷現(xiàn)在是4頁\一共有88頁\編輯于星期四指堿基發(fā)生烯醇式-酮式結構互變時，氫原子位置的可逆變化，使堿基配對發(fā)生改變，這樣在復制后的子鏈上就可能出現(xiàn)錯誤。

如：A、C或G、T錯配

互變異構移位現(xiàn)在是5頁\一共有88頁\編輯于星期四

主要指胞嘧啶C、A和G分子結構中都含有環(huán)外氨基，氨基有時會自動脫落，使得C變?yōu)閁，A變?yōu)镮，G變?yōu)閄，當DNA復制時，會在鏈中產生錯誤導致?lián)p傷。A—I—C(非T)下一輪C—G導致AT—GC引起突變C—U–A(非G)下一輪A—T導致GC—AT引起突變

亞硝酸鹽、羥胺誘變劑脫氨試劑現(xiàn)在是6頁\一共有88頁\編輯于星期四

DNA復制時，無論模板還是新生鏈都會發(fā)生堿基的環(huán)出現(xiàn)象，即DNA聚合酶發(fā)生“打滑”，引起一個或數(shù)個堿基的插入或缺失。尤其是模板上有幾個相同的堿基情況。DNA聚合酶的“打滑”現(xiàn)在是7頁\一共有88頁\編輯于星期四細胞的氧化代謝產生的氧自由基活性很高，DNA堿基至少會遭受到20種氧化損傷?；钚匝鯙檠醴肿与娮訑?shù)大于O2的O2-

可與

C、A配對，DNA聚合酶不能矯正其錯誤，造成GC—TA顛換，這種損傷可以積累?；钚匝跻鸬恼T變現(xiàn)在是8頁\一共有88頁\編輯于星期四DNA分子在生理條件下可通過自發(fā)性水解，使嘌呤堿和嘧啶堿從磷酸脫氧核糖骨架上脫落下來。哺乳動物每個細胞每20h脫去的嘌呤堿和嘧啶堿數(shù)分別平均為1000個和500個。堿基丟失現(xiàn)在是9頁\一共有88頁\編輯于星期四

紫外線(UV)照射引起的DNA損傷主要是同一條鏈內相鄰2個嘧啶形成嘧啶二聚體，阻礙DNA的復制和轉錄。

ATTCGAGTTAGCTAAGCTCAATCG

因此人皮膚照射紫外線，傷害很大，致癌5.1.2物理因素引起的損傷現(xiàn)在是10頁\一共有88頁\編輯于星期四電離輻射引起DNA損傷直接引起DNA理化性質改變細胞水分解離，產生氧自由基誘變堿基改變最終能引起DNA鏈斷裂及DNA鏈間交聯(lián)，DNA-蛋白交聯(lián)等。現(xiàn)在是11頁\一共有88頁\編輯于星期四烷化劑對DNA的損傷烷化劑是一類親電子化合物，很容易與體內大分子負電中心作用。當烷化劑和DNA作用時，可以將烷基加到核酸的堿基上去。結果是形成鏈內或鏈間交聯(lián)。

6.1.3化學因素引起的損傷現(xiàn)在是12頁\一共有88頁\編輯于星期四堿基類似物對DNA的損傷是一類結構與堿基相似的人工化合物，5-溴尿嘧啶（5-BU）與U結構類似，酮式能與A配對，烯醇式能與G配對。結果引起A-T----G-C轉變?，F(xiàn)在是13頁\一共有88頁\編輯于星期四

DNA修復是生物體細胞在長期進化中形成的一種保護功能，在遺傳信息傳遞的穩(wěn)定性方面具有重要作用。5.2DNA的修復現(xiàn)在是14頁\一共有88頁\編輯于星期四直接修復切除修復錯配修復重組修復易錯修復和SOS應急反應細胞DNA損傷的修復系統(tǒng)主要有：現(xiàn)在是15頁\一共有88頁\編輯于星期四直接修復包括光復活修復、06-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶修復、單鏈斷裂修復在DNA光解酶(Photolyase)的作用下把在光下或經紫外光照射形成的環(huán)丁烷胸腺嘧啶二體及6-4光化物(6-4photoproduct)還原成為單體的過程。生物體內還廣泛存在著使06-甲基鳥嘌呤脫甲基化的甲基轉移酶，以防止形成G-T配對。DNA單鏈斷裂可以通過重接（DNA連接酶），直接修復?，F(xiàn)在是16頁\一共有88頁\編輯于星期四現(xiàn)在是17頁\一共有88頁\編輯于星期四現(xiàn)在是18頁\一共有88頁\編輯于星期四切除修復

包括堿基切除修復和核苷酸片段切除修復堿基切除修復：所有細胞中都帶有能識別受損核酸位點的糖苷水解酶，它能特異性切除受損核苷酸上的N-β－糖苷鍵，在DNA鏈上形成去嘌呤或去嘧啶位點（AP位點）。DNA分子中一旦產生了AP位點，AP核酸內切酶就會把受損核苷酸的糖苷-磷酸鍵切開，并移去包括AP位點核苷酸在內的小片段DNA，由DNA聚合酶I合成新的片段，最終由DNA連接酶把兩者連成新的被修復的DNA鏈。現(xiàn)在是19頁\一共有88頁\編輯于星期四現(xiàn)在是20頁\一共有88頁\編輯于星期四

核苷酸片段切除修復

當DNA鏈上相應位置的核苷酸發(fā)生損傷，導致雙鏈之間無法形成氫鍵，則由核苷酸切除修復(nucleotide-excisionrepair)系統(tǒng)負責修復。現(xiàn)在是21頁\一共有88頁\編輯于星期四損傷發(fā)生后，首先由DNA切割酶(exci-nuclease)在已損傷的核苷酸5’和3’位分別切開磷酸糖苷鍵，產生一個由12～13個核苷酸(原核生物)或27～29個核苷酸(人類或其他高等真核生物)的小片段，移去小片段后由DNA聚合酶Ⅰ(原核)或ε(真核)合成新的片段，并由DNA連接酶完成修復中的最后一道工序?，F(xiàn)在是22頁\一共有88頁\編輯于星期四現(xiàn)在是23頁\一共有88頁\編輯于星期四錯配修復錯配修復可以將DNA子鏈中的錯配幾乎完全能被修復。該系統(tǒng)識別母鏈靠Dam甲基化酶，它能使位于5’GATC序列中A的N6位甲基化。一旦復制叉通過復制起始位點，母鏈就會在開始DNA合成前的一小點時間（幾秒鐘至幾分鐘）內被甲基化?，F(xiàn)在是24頁\一共有88頁\編輯于星期四此后，只要兩條DNA鏈上堿基配對出現(xiàn)錯誤，錯配修復系統(tǒng)就會根據(jù)“保存母鏈，修正子鏈”的原則，找出錯誤堿基所在的DNA鏈，并在對應于母鏈甲基化腺苷酸上游G的5'位置切開子鏈?，F(xiàn)在是25頁\一共有88頁\編輯于星期四現(xiàn)在是26頁\一共有88頁\編輯于星期四現(xiàn)在是27頁\一共有88頁\編輯于星期四切除修復發(fā)生在下一輪DNA修復前，又稱復制前修復。機體細胞對在復制起始時尚未修復的DNA損傷部位可以先復制再修復，這種方式稱為重組修復。這個過程發(fā)生在復制后，又稱復制后修復。重組修復現(xiàn)在是28頁\一共有88頁\編輯于星期四復制重組再合成現(xiàn)在是29頁\一共有88頁\編輯于星期四重組修復機制的缺陷，有可能導致腫瘤發(fā)生。已經發(fā)現(xiàn)，婦女Brca1和Brca2兩個基因如果有缺陷，發(fā)生乳腺癌的概率為80%。這兩個蛋白質參與重組修復。

現(xiàn)在是30頁\一共有88頁\編輯于星期四錯配修復、直接修復、切除修復和重組修復都能夠識別DNA的損傷部位或錯配堿基而加以消除，在這些修復過程中不引入錯誤堿基，屬于避免差錯的修復。易錯修復和SOS應急反應現(xiàn)在是31頁\一共有88頁\編輯于星期四當無法為修復提供正確模板時，如模板鏈損傷、雙鏈斷裂、雙鏈交聯(lián)等，正常復制受阻，導致易錯修復。許多能造成DNA損傷或抑制DNA復制的過程能引起一系列復雜的誘導效應，這種效應稱為應急反應(SOSresponse)。SOS包括誘導DNA損傷修復、誘變效應、細胞分裂的抑制以及溶源性細菌釋放噬菌體等，細胞癌變也與SOS反應有關?，F(xiàn)在是32頁\一共有88頁\編輯于星期四SOS反應是細胞DNA受到損傷或復制系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下，細胞為求生存而產生的一種應急措施。SOS反應誘導的修復系統(tǒng)包括：避免差錯的修復（errorfreerepair）和易產生差錯的修復（errorpronerepair）兩類?，F(xiàn)在是33頁\一共有88頁\編輯于星期四由于SOS反應還能誘導產生缺乏校對功能的DNA聚合酶，所以在DNA鏈的損傷部位即使出現(xiàn)不配對堿基，復制也能繼續(xù)進行，以保證細胞的存活，叫易產差錯的修復?，F(xiàn)在是34頁\一共有88頁\編輯于星期四SOS反應廣泛存在于原核和真核生物，它是生物體在不利環(huán)境中求得生存的一種基本功能。SOS反應意義：①DNA的修復；②導致變異?，F(xiàn)在是35頁\一共有88頁\編輯于星期四作為遺傳物質的DNA有三個主要功能：①通過復制將遺傳物質由親代傳給子代；②通過轉錄使遺傳信息在子代得以表達；③通過變異在自然過程中獲得新的遺傳信息。5.3基因突變現(xiàn)在是36頁\一共有88頁\編輯于星期四基因突變(mutation)：是在基因發(fā)生可遺傳的結構和數(shù)量的變化，通常產生一定的表型。廣義的突變包括染色體畸變和基因突變。遺傳重組也導致可遺傳的變異，因此，染色體畸變、基因突變、遺傳重組是可遺傳變異的基礎?，F(xiàn)在是37頁\一共有88頁\編輯于星期四1、堿基對置換：指DNA錯配對堿基在復制后被固定下來，由原來的一個堿基對被另一個堿基對所取代，又稱為點突變。堿基對置換有轉換和顛換兩種。2、插入突變：指在基因的序列中插入了一個堿基或一段外來DNA導致的突變。包括同義突變、錯義突變和無義突變。基因突變的類型現(xiàn)在是38頁\一共有88頁\編輯于星期四3.移碼突變：一個或多個非三整倍數(shù)的核苷酸對插入或缺失，導致編碼區(qū)位點后的三聯(lián)體密碼子可讀框改變，從而使后面的氨基酸都發(fā)生錯誤，是基因產物失活。4.滲漏突變：突變基因的產物尚有部分活性的錯義突變。5.回復突變：從突變體回復原先野生型表型的突變過程?，F(xiàn)在是39頁\一共有88頁\編輯于星期四在自然條件下發(fā)生的突變稱為自發(fā)突變。自發(fā)突變的頻率很低，大腸桿菌及果蠅突變率10-10左右。能夠提高突變率的物理或化學因子稱為誘變劑(mutagen)。堿基類似物：5-BU與T結構相似；堿基修飾劑：亞硝酸；烷化劑；嵌合染料(EB)；紫外線和電離輻射誘變劑種類及機制現(xiàn)在是40頁\一共有88頁\編輯于星期四4.4.3基因突變的主要后果生物功能喪失獲得新功能癌癥發(fā)生現(xiàn)在是41頁\一共有88頁\編輯于星期四作業(yè)名詞解釋：基因突變無義突變移碼突變回復突變簡答題：課后思考題1和4現(xiàn)在是42頁\一共有88頁\編輯于星期四

4.5DNA的重組DNA分子內或分子間發(fā)生遺傳信息的重新組合，稱為遺傳重組或基因重組。重組產物稱為重組體DNA(recombinantDNA)。真核生物基因組間重組多發(fā)生在減數(shù)分裂時同源染色體之間的交換。細菌及噬菌體的基因組為單倍體，來自不同親代兩組DNA之間可通過多種形式進行遺傳重組。現(xiàn)在是43頁\一共有88頁\編輯于星期四遺傳變異的根本原因是突變。然而突變的機率很低，且多數(shù)是有害的。如果生物只有突變沒有重組，在積累具有選擇優(yōu)勢突變的同時不可避免地積累許多難以擺脫的不利突變。有利突變隨不利突變一起被淘汰，新的優(yōu)良基因就不可能出現(xiàn)。DNA重組對生物進化起著關鍵性的作用?，F(xiàn)在是44頁\一共有88頁\編輯于星期四4.5.1同源重組同源重組(homologousrecombination)：由兩條同源區(qū)的DNA分子，通過配對、鏈斷裂和再連接，而產生的片段間交換的過程。Holliday模型詳見書本圖和遺傳學教材現(xiàn)在是45頁\一共有88頁\編輯于星期四4.5.2細菌的基因轉移與重組細菌的基因轉移主要有四種機制：接合(conjugation)、轉化(transformation)、轉導(transduction)和細胞融合（cellfusion）?，F(xiàn)在是46頁\一共有88頁\編輯于星期四①細菌的接合細菌的細胞相互接觸時遺傳信息可由一個細胞轉移到另一細胞，稱為接合作用。供體細胞為雄性，受體為雌性。通過接合而轉移DNA的能力由接合質粒提供，與接合功能有關的蛋白質均由接合質粒所編碼。能夠促使染色體基因轉移的接合質粒稱為致育因子(fertilityfactor，F(xiàn)因子)?，F(xiàn)在是47頁\一共有88頁\編輯于星期四大腸桿菌F因子是雙鏈閉環(huán)的大質粒，總長約100kb，復制起點為oriV。F因子可以在細胞內游離存在(F+)，也可以整合到宿主染色體內(Hfr)。整合F因子的大腸桿菌菌株具有較高頻率的重組(high-frequencyrecombination)，稱為Hfr菌株。F因子可以整合在染色體不同位置，由此而得到不同的Hfr菌株。現(xiàn)在是48頁\一共有88頁\編輯于星期四②細菌的遺傳轉化遺傳轉化(genetictransformation)是指細菌品系由于吸收了外源DNA而發(fā)生遺傳性狀的改變現(xiàn)象。現(xiàn)在是49頁\一共有88頁\編輯于星期四感受態(tài)細胞（competentcell）：受體細胞經過一些特殊方法（如電擊、CaCl2）處理后，細胞膜的通透性發(fā)生了暫時性改變，成為能允許外源DNA分子進入的狀態(tài)。現(xiàn)在是50頁\一共有88頁\編輯于星期四③細菌的轉導轉導(transduction)：是通過噬菌體將基因從供體轉移到受體細胞的過程。④細菌的細胞融合由細胞質膜融合導致的基因轉移和重組。在實驗室中用溶菌酶除去細菌細胞壁的肽聚糖，使其成為原生質體，可人工促進原生質體融合，由此使兩菌株的DNA發(fā)生廣泛的重組?，F(xiàn)在是51頁\一共有88頁\編輯于星期四第七章DNA重組與轉座現(xiàn)在是52頁\一共有88頁\編輯于星期四4.6DNA的轉座轉座子（transposon）：是在基因組中可以移動的一段DNA序列。一個轉座子由基因組的一個位置轉移到另一個位置的過程稱為轉座或移位(transposition)。本質是由轉座子（可移位因子）介導的遺傳物質重排現(xiàn)象?，F(xiàn)在是53頁\一共有88頁\編輯于星期四轉座子是一些較短的DNA序列，可以轉移到細胞基因組的任何位置。由于它不需要序列間具有同源性，也不是位點特異性的，所以轉座作用又被稱為異常重組?，F(xiàn)在是54頁\一共有88頁\編輯于星期四與DNA的同源重組相比，轉座作用發(fā)生的頻率要低得多。轉座作用能說明在細菌中發(fā)現(xiàn)的許多基因缺失或倒位現(xiàn)象，而且它常被用于構建新的突變體。T-DNA標簽技術。現(xiàn)在是55頁\一共有88頁\編輯于星期四轉座作用的特點①能從基因組的一個位點轉移到另一個位點（又稱跳躍基因）；②不以獨立形式存在；③轉座子編碼自身的轉座酶；④轉座的頻率很低；⑤轉座作用可引起基因表達內容的改變甚至失活?，F(xiàn)在是56頁\一共有88頁\編輯于星期四轉座可分為復制性和非復制性兩大類。在復制性轉座中，整個轉座子被復制，所移動和轉位的是原轉座子的拷貝。轉座酶和解離酶分別作用于原始轉座子和復制轉座子?，F(xiàn)在是57頁\一共有88頁\編輯于星期四在非復制性轉座中，原始轉座子作為一個可移動的實體直接被移位?，F(xiàn)在是58頁\一共有88頁\編輯于星期四4.6.1轉座子的分類和結構特征轉座子(transposon，Tn)：是存在于染色體DNA上可自主位移（非復制性）和復制（復制性）的基本單位。現(xiàn)在是59頁\一共有88頁\編輯于星期四1、IS序列最簡單的轉座子只含有與轉座有關的酶基因，不含有任何宿主基因（包括抗藥性基因），常被稱為插入序列(insertionalequence，IS)。

IS序列都是可以獨立存在的單元，帶有介導自身移動的蛋白?，F(xiàn)在是60頁\一共有88頁\編輯于星期四轉座子常常被定位到特定的基因中，造成該基因突變?？茖W上用標準命名法對這些突變進行編號，如λ::IS1表示有一個IS1的序列插入到噬菌體λ基因組內?，F(xiàn)在是61頁\一共有88頁\編輯于星期四表2-13IS序列的結構特征比較長度/bp兩端倒置重復區(qū)/bp靶位點正向重復區(qū)/bp靶位點IS1IS2IS4IS5IS10RIS50RIS90376813271428119513291531105723411816229189511或124999隨機有熱點AAAN20TTT有熱點NGCTNAGCN有熱點未知現(xiàn)在是62頁\一共有88頁\編輯于星期四它們都是很小的DNA片段(約lkb)，末端具有倒置重復序列，轉座時往往復制宿主靶位點一小段(4～15bp)DNA，形成位于IS序列兩端的正向重復區(qū)?，F(xiàn)在是63頁\一共有88頁\編輯于星期四現(xiàn)在是64頁\一共有88頁\編輯于星期四2、復合型轉座子復合型轉座子(compositetransposon)：是一類除了轉座酶基因之外，還帶有抗藥性基因(或其他宿主基因)的轉座子。因結構大而復雜，故稱為復合轉座子。現(xiàn)在是65頁\一共有88頁\編輯于星期四其兩翼往往是兩個相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某個功能基因兩端時就可能產生復合轉座子(圖2-32)。Ⅰ型：現(xiàn)在是66頁\一共有88頁\編輯于星期四圖2-32現(xiàn)在是67頁\一共有88頁\編輯于星期四一旦形成復合轉座子，IS序列就不能再單獨移動，因為它們的功能被修飾了，只有作為復合體移動?，F(xiàn)在是68頁\一共有88頁\編輯于星期四

Ⅱ型主要指TnA家族:沒有IS序列、體積龐大(5000bp以上)、帶有3個基因，其中一個編碼β-內酰胺酶(AmpR)，另兩個則是轉座作用所必須的。這類轉座子兩翼帶有38bp的倒置重復序列。

現(xiàn)在是69頁\一共有88頁\編輯于星期四現(xiàn)在是70頁\一共有88頁\編輯于星期四復合型轉座子的特點①末端反向重復序列，為轉座酶所必須；②中間的開放閱讀框架（ORF）作為標記基因；③轉位后靶位點成為正向重復序列?，F(xiàn)在是71頁\一共有88頁\編輯于星期四4.6.2轉座作用的機制轉座時發(fā)生的插入作用的普遍特征是受體分子中有一段很短的(3～l2bp)、被稱為靶序列的DNA會被復制，使插入的轉座子位于兩個重復的靶序列之間?，F(xiàn)在是72頁\一共有88頁\編輯于星期四對于一個特定的轉座子來說，它所復制的靶序列長度是一樣的，如IS1兩翼總有9個堿基對的靶序列，而Tn3兩端總有5bp的靶序列。靶序列的復制起源于特定內切酶所造成的粘性DNA末端?，F(xiàn)在是73頁\一共有88頁\編輯于星期四現(xiàn)在是74頁\一共有88頁\編輯于星期四4.6.3轉座作用的遺傳學效應(1)轉座引起插入突變各種IS、Tn都可以引起插入突變。如果插入位于某操縱子的前半部分，就可能造成極性突變，導致該操縱子后半部分結構基因表達失活；(2)轉座產生新的基因如果轉座子上帶有抗藥性基因，它一方面造成靶DNA序列上的插入突變，同時也使這個位點產生抗藥性；現(xiàn)在是75頁\一共有88頁\編輯于星期四(3)影響插入位置鄰近基因的表達，使宿主表型改變;(4)轉座產生的染色體畸變;若同源重組發(fā)生在兩個正向重復轉座區(qū)之間，就導致宿主染色體DNA缺失；若重組發(fā)生在兩個反向重復轉座區(qū)之間，則引起染色體DNA倒位?，F(xiàn)在是76頁\一共有88頁\編輯于星期四現(xiàn)在是77頁\一共有88頁\編輯于星期四（5）轉座引起的生物進化由于轉座作用，使一些原來在染色體上相距甚遠的基因組合到一起，構建成一個操縱子或表達單元，可能產生一些具有新的生物學功能的基因和新的蛋白質分子?，F(xiàn)在是78頁\一共有88頁\編輯于星期四4.7真核生物中的轉座子早在20世紀初，遺傳學家就已發(fā)現(xiàn)玉米中存在決定體細胞變異的控制因子（controllingelement），事實上就是轉座子?，F(xiàn)在是79頁\一共有88頁\編輯于星期四20世紀40年代，BarbaraMcClintock在美國康奈爾大學和冷泉港實驗室所進行的開創(chuàng)性工作，打破了孟德爾關于基因固定排列于染色體上的概念，在當時幾乎不能被科學界所接受，直到1983年終于在分子水平上得到證實，并使她獲得了諾貝爾生理醫(yī)學獎?，F(xiàn)在是80頁\一共有88頁\編輯于星期四玉米細胞內的控制因子可歸納為兩大類：一類是自主性因子，具有自主剪接和轉座的功能；另一類是非自主性因子，單獨存在時是穩(wěn)定的，但不能轉座。當基因組中存在與非自主性