第十三基因突變與損傷修復(fù)

第十三基因突變與損傷修復(fù)第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)基因突變的相關(guān)概念一、突變的概念

突變(mutation):基因結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致表型的改變的變化突變體(mutant)：具有突變表型的細(xì)胞或個體正向突變(forwardmutation)：偏離野生型性狀的突變反向突變(backmutation)：由偏離的性狀回復(fù)為野生型性狀的突變自發(fā)突變(spontaneousmutation)：在自然條件下產(chǎn)生的突變誘發(fā)突變(inducedmutation）：機體在誘發(fā)環(huán)境下產(chǎn)生的突變

第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一

生化突變(biochemicalmutation）：使機體的代謝過程發(fā)生改變或喪失的突變無效突變(nullmutaion)：完全喪失原有基因功能的突變滲漏突變(leakymutation)：部分喪失原有基因功能的突變致死突變(lethalmutation)：影響生物體的生活力，導(dǎo)致個體死亡的突變條件致死突變(conditionallethalmutation)：在給定的某種條件下可以存活，如果缺少這種條件就會致死的突變第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一二、突變類型

1.突變發(fā)生的細(xì)胞類型

體細(xì)胞突變(somaticmutation)Clone：無性繁殖。生殖細(xì)胞突變(germinalmutation)2.突變的表型:(1)形態(tài)突變morphologicalmutaion(2)生化突變biochemicalmutaion(3)失去功能突變loss-of-functionmutation(4)獲得功能突變gain-of-functionmutation(5)致死突變lethalmutaion(6)條件致死突變conditionallethalmutaion

第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一三、突變的性質(zhì)

1.稀有性:突變發(fā)生的頻率很低突變率(mutationrate):在特定的條件下,單位時間間內(nèi)(通常為一個世代),一個細(xì)胞發(fā)生某一事件的概率.高等真核生物自發(fā)突變概率為1/10-5—10-10。

2.可逆性：突變型可以恢復(fù)為野生型，通常由發(fā)生在第二個位點的突變所回復(fù)，如抑制基因→敏感因子?；貜?fù)突變率一般小于正向突變率。可逆性區(qū)別于染色體的缺失。

3.多向性（隨機性）：多方向，形成復(fù)等位基因。

第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)基因突變的分子基礎(chǔ)一、自發(fā)突變(spontaneousmutation)

自發(fā)突變可能由復(fù)制錯誤、DNA損傷和轉(zhuǎn)座作用等引起。

1.DNA復(fù)制錯誤(errorsofDNAreplication)

DNA堿基有互變異構(gòu)體，造成DNA復(fù)制過程中的DNA錯配。

ⅰ轉(zhuǎn)換：Purine→Pu;或者Pyrimidine→Pyⅱ顛換：Pu→Py;或者Py→Puⅲ移碼突變：增加或減少幾個堿基,導(dǎo)致蛋白質(zhì)翻譯錯位。

ⅳ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lacⅠ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’第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一返回第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一2.DNA損傷（lesions）

ⅰ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.ⅱ脫氨基C脫氨基變成U;A脫氨基變成H,：AA-T→→→H-T→→→H-C→→→H-C↘→A-T↘→G-CBG-C→→→G-U→→→A-U→→→A-U↘→G-C↘→A-T

造成轉(zhuǎn)換

ⅲ氧化損傷（oxidativelesions）:O2-OH-H2O2

可對DNA造成損傷第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一二、誘發(fā)突變（inducedmutaion）

多種理化因素都可以誘導(dǎo)DNA的突變1.誘變機制

ⅰ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。

ⅱ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?；蛘咄榛瘎┦灌堰拭撀洌斐赊D(zhuǎn)換、顛換、斷裂或其他突變

第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一ⅲ嵌合劑的致突作用

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。ⅳ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，①同一條單鏈內(nèi)，影響復(fù)制時與A的配對，使復(fù)制中止；②雙鏈之間，影響雙鏈變性，并影響復(fù)制。重復(fù)、缺失、移碼突變

(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。物理——物理化學(xué)——生物化學(xué)——大分子損傷ⅴ黃曲霉的作用使鳥嘌呤G脫落，SOS修復(fù)引入A,造成突變。第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一2.堿基替換的遺傳效應(yīng)

(ⅰ)同義突變（samesensemutation）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/GAC—Asp.(ⅱ)錯義突變（missensemutation）堿基替換的結(jié)果引起氨基酸序列的改變.(ⅲ)無義突變（nonsensemutation）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。Glu→Val,若Glu→Asp則影響較小。第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一3.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(lacⅠ):

野生型:5‘-GTCTGGCTGGCTGGC-3’

移碼突變Ⅰ:5‘-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3’

移碼突變Ⅱ:5‘-GTCTGGCTGGC-3’4.突變熱點和增變基因

基因中某些位點比其它位點突變率高，稱突變熱點。

Eg.分析T4-Phager

Ⅱ基因1500個突變體：rⅡA(1800bp)有200個位點；rⅡB(850bp)有108個位點。第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一形成原因：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。4.增變基因(mutatorgene)：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。第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一三、誘變與腫瘤

腫瘤的形成與否取決于機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、UV(ultraviolet)等.

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特異性突變的技術(shù)。反義遺傳學(xué)（reversegenetics）:

合成—連接(單鏈M13)—復(fù)制—轉(zhuǎn)化—檢測第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一五動態(tài)突變（dynamicmutation）DNA序列中由于寡核苷酸拷貝數(shù)目的變化，引起生物表型改變的突變，稱為動態(tài)突變。動態(tài)突變通常是由三聯(lián)體密碼子重復(fù)數(shù)目的增加而形成的。X脆性染色體綜合癥是由于在X染色體P27.3位置上CGG拷貝數(shù)目增加到200以上，引起基因的改變，形成痕跡很重的染色體，突變的部分很容易被打斷，所以被稱為是脆性染色體。第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一Fig6.11aThefragileXandanormalXchromosomefromafemale(left),andthefragileXandanormalYchromosomefromamale(right).?2003JohnWileyandSonsPublishersCredit:FromRichardsandSutherland,TrendsinGenetics,vol.8(7),p.249,1992.PhotocourtesyGrantSutherland.第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一脆性X綜合癥為X連鎖遺傳，出現(xiàn)幾率在男嬰中為1/2500，常由表型正常但帶有一個主要成因可能是因為CGG三核苷片段重復(fù)數(shù)目的變化。第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一

三聯(lián)體密碼子的重復(fù)與疾病疾病密碼子正?？截惢颊呖截惣顾杓∪馕s癥CAG(gln)11-3340--62亨廷頓癥CAG(gln)11-3442--100X脆性染色體CGG(arg)6-54250-4000強直型肌營養(yǎng)不良CTG(leu)7-2349-75小腦共濟失調(diào)CAG(glu)4-1840-200第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)生物體對突變的修復(fù)機制一光復(fù)活(photoreactivation)

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(300~600nm)、PR酶、嘧啶二聚體

3.作用過程：①光復(fù)活酶與T=T結(jié)合形成復(fù)合物;②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;③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。第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一

光復(fù)活過程已在細(xì)菌、酵母、原生動物、哺乳動物乃至人類細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)。第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一二切除修復(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，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：消除由UV引起的損傷，也能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，分別稱短補丁修復(fù)、長補丁修復(fù)。3.過程：①內(nèi)切酶的作用在DNA損傷的一端,切開形成一個切口;②外切酶的作用將損傷部位切除;③聚合酶的作用將切口補齊,留下一個切口;④連接酶的作用將DNA連接形成完整的DNA鏈。第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一4.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,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、聚合和連接四種酶活性來完成，以修復(fù)AP位點。

**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)。第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一p221切除修復(fù)有兩種情況:一是先補后切,一是先切后補。一般認(rèn)為先補后切比較合理。切除修復(fù)不僅能除去T=T,還可以除去DNA上的其它損害。第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一三重組修復(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:①修復(fù)過程伴隨DNA的復(fù)制和重組；②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；③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，使損傷單鏈的互補鏈完整，損傷單鏈仍然保留。

(3)再合成：轉(zhuǎn)移后的缺口以新的互補鏈為模板聚合補齊。第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一

重組修復(fù)并沒有從親代ＤＮＡ中除去T二聚體，在以后的復(fù)制中還必須經(jīng)過重組修復(fù)的過程。但是隨著復(fù)制的繼續(xù)，損傷的ＤＮＡ鏈將在群體中逐步被“稀釋”第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一四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.可能的機理:過程①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)制到損傷位點時，其活性受到抑制；②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：①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。②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。第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一③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：通過操縱子(結(jié)構(gòu)基因、啟動子、操縱基因、調(diào)節(jié)基因)來實現(xiàn)：

A.SOS基因：recA基因、UvrA、UvrB、UmuC等，也稱din基因(damageinduciblegene)，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)。第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一五電離輻射損傷的修復(fù)①氫鍵斷裂：DNA分子雙鏈之間1.電離輻射效應(yīng)*②共價鍵斷裂：DNA單鏈斷裂、雙鏈斷裂、堿基和糖基損傷③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、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Ⅰ)3、慢修復(fù)(37℃,40-60min)

剩余單鏈(重組修復(fù)酶系統(tǒng))第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一六修復(fù)缺陷與人類疾病1.著色性干皮病(XP,xerodermapigmentosum)

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.CockayneSyndrome(CS)

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.共濟失調(diào)毛細(xì)血管擴張癥4.早老癥第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一第四節(jié)、基因突變的檢測一、大腸桿菌突變體的檢測

1.影印法——StrR突變體

單菌落→基本培養(yǎng)→所有菌落生長→挑選抗性菌落→抗性培養(yǎng)↘StrR培養(yǎng)→抗性菌落生長↗↓

(影印)StrR菌落

2.青霉素法——營養(yǎng)缺陷突變體野生型細(xì)菌→誘變處理→Pc培養(yǎng)→少數(shù)菌落生長→↘多數(shù)野生型細(xì)菌死亡!!!

基本培養(yǎng)突變型和少數(shù)野生型細(xì)菌→→營養(yǎng)缺陷菌落營養(yǎng)補充培養(yǎng)

↗↘↘↗（驗證）第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一二真菌營養(yǎng)缺陷型的檢出菌絲過濾法——麥孢菌營養(yǎng)缺陷型

萌發(fā)菌絲→去除！分生孢子→誘變處理→液體通氣培養(yǎng)→

(24h)

未萌發(fā)孢子→培養(yǎng)→萌發(fā)菌絲→去除！→萌發(fā)菌絲→去除！未萌發(fā)孢子→未萌發(fā)孢子→補充營養(yǎng)培養(yǎng)→營養(yǎng)缺陷型

說明：未萌發(fā)孢子——死亡、營養(yǎng)缺陷和少數(shù)野生型

↗↘

↗↘

↗↘第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一三果蠅突變的檢出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

檢出步驟：A.將待測的♂果蠅與雜合（ClB/+++）♀果蠅雜交；

B.將F1ClB♀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：①有X隱性致死突變，F(xiàn)2

無雄蠅(♂:ClB和l’死亡);②隱性非致死突變，F(xiàn)2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)；③無X隱性突變，在F2♂僅表現(xiàn)簡單的♀:♂=2:1。第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一

(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: