[高等教育]第9章 基因突变和表观遗传变异.ppt

9 基因突变和表观遗传变异 表观遗传变异 9.1 基因突变的类型 3. 突变的性质： 稀有性（10-410-9） 可逆性， 突变的多方向性 与复等位基因 1.体细胞突变与 生殖细胞突变 2. 突变的类型： 形态，生化， 失去功能的： 无效-渗漏， 获得功能的， 致死条件致死 突变的多方向性 与复等位基因 中性突变变（neutral mutation）多肽链 中相应位 点发生的氨基酸的取代并不影响蛋白质的功能; 沉默突变变（silent mutation）蛋白质中相应位 点 发生了相同氨基酸的取代，即同义义突变变。 移码码突变变（frameshift mutation） 回复突变变（reverse mutation）， 一类是正向突变变（forward mutation）突变方向是从 野生型向突变型；另一种是回复突变变，其突变方向是 从突变型向野生型 抑制突变变（suppressor mutation）突变的作用还可以通 过其它位点的突变（A B）而得到补偿或校正。 9.2 基因突变的分子基础 n9.2.1.自发发突变变的分子基础础 n突变变率（mutation rate）指在单单位时间时间 内某种突 变发变发 生的概率. n9.2.1.1 DNA复制错误错误 n9.2.1.2 自发发的化学变变化 n 1. 脱嘌呤（depurination）作用 n 2. 脱氨（基）(deamination)作用 n 3. 氧化作用损伤损伤 碱基（oxidatively damaged bases） n 4. 转转座子和插入序列引起的突变变 nDNA结构 与复制 3 5 核酸外切酶 活性校对功能 DNA复制中的 保真机制 碱基的互变异构可造成复制差错 碱基的互变异构可造成复制差错 DNA复制中碱基互变异构引起的突变 DNA复制中碱基互变异构引起的突变 DNA复制中碱基环出/跳格造成移码突变 DNA复制中碱基环出/跳格造成缺失与重复 9.2.1.2 自发的化学变化 1.脱嘌呤作用 2.脱氨基作用:C U 脱氨基作用: 5mC T突变热点 3.氧化作用损伤碱基 n过过氧化物原子团团（O2-） n（H2O2），（-OH）等需氧代谢谢的副产产物 都是有活性的氧化剂剂， n它们们可导导致DNA的氧化损伤损伤 ， nT氧化后产产生T乙二醇， nG氧化后产产生8-氧-7,8二氢氢脱氧鸟鸟嘌呤、 8-氧鸟鸟嘌呤(8-O-G)或“ GO”， nGO可和A错错配，导导致GT。 9.2.1.3 转座子和插入序列引起的基因突变 9.2.1.4 不等交换产生重 复和缺失突变 9.2.2 诱发突变的分子基础 n9.2.2.1 放射线线的诱发诱发 突变变 紫外线线、 X-射线线、 射线线、 宇宙射线线 n9.2.2.2 化学物质质的诱发诱发 突变变 n 1.碱基类类似物 n (1) 5-溴尿嘧啶嘧啶 （5-bromouracil,5-BU） n (2) 氨基嘌呤（2-aminopurine 2-AP） n (3) 迭氮胸苷（AZT, azidothymidine） n 2.碱基的修饰剂饰剂 n (1) 亚亚硝酸（introus acid, NA） n (2) 羟羟胺 n (3) 烷烷化剂剂，它们们的作用是使碱基烷烷基化 n 3.DNA插入剂剂 n 原黄素（proflavin） n 吖啶吖啶 橙（acridine orange） n 溴化3,8-二氨基-5-乙基-6-苯基菲啶鎓啶鎓 n （etnidium bramide） n ICR的复合物等 9.2.2.1 放射线诱发线诱发 的突变变 n电离辐射（X-，-射线）诱发染色体畸变和 基因突变（碱基降解/脱氨） 射线波长-能量-诱变效应的关系 nUV 照射造成嘧啶二聚体-切除-碱基随机插 入=突变 9.2.2.2 化学物质诱变质诱变 1.碱基类似物 n（1）5-溴尿嘧啶嘧啶 和T很相似，仅仅在第5 个碳元子上由Br取代了甲基,5-BU有酮酮 式、烯烯醇式两种异构体，可分别别与A及G 配对结对结 合 碱基类似物（5-BU）的掺入转换 碱基类似物（2-AP）的掺入转换 碱基类似物 （2-AP）的掺入 转换 n(2) 2-氨基嘌呤(2-AP)也是碱基的类类似 物，有正常状态态和稀有状态态两种异构体 ，可分别别与T和C配对结对结 合。当2-AP掺掺 入到 DNA复制中时时，由于其异构体的变变 换换而导导致AT G C n2. 碱基的修饰剂饰剂 n (1) 亚亚硝酸（introus acid, NA）有氧化脱氨作 用，可使G第2个碳原子上的氨脱去，产产生黄嘌呤 （xanthine,x），次黄嘌呤 (H) 仍和C配对对，故 不产产生转换转换 突变变。但C和A脱氨后分别产别产 生U和次 黄嘌呤H，产产生了转换转换 ，使CG转换转换 成AT，AT 转换转换 成GC 亚亚硝酸（introus acid, NA）有氧化脱氨作用， 可使G 黄嘌呤（X）仍和C配对对，故不产产生突变变 ； 但C脱氨 U，使CG转换转换 成AT； A脱氨次黄嘌呤H，使AT转换转换 成GC。 碱基修饰剂的诱变作用 (1) 亚硝酸 (2) 羟胺(3) MMS/EMS n（2）羟羟胺只特异地和胞嘧啶嘧啶 起反应应，在 第4个C原子上加-OH，产产生4-OH-C，此 产产 物可以和A 配对对，使CG转换转换 成TA n(3)烷烷化剂剂如甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥 (NM),甲基黄酸甲脂（MMS）,亚亚硝基胍 （NG）等，它们们的作用是使碱基烷烷基化 ，EMS使G的第6位烷烷化，使T的第4位上 烷烷化，结结果产产生的O-6-E-G和 O-4-E-T 分别别和T、G配对对，导导致GC对转换对转换 成 AT对对；TA对转换对转换 成CG 烷烷化剂剂如甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥(NM),甲基黄酸甲 脂（MMS）,亚亚硝基胍（NG）等， 使G O-6-M-G=T配对对，导导致GC对对转换转换 成AT； 使T O-4-M-T G配对对，导导致TA对对转换转换 成CG； 3.DNA插入剂剂 导导致碱基增减 嵌合剂的插入移码突变 9.3 体外定点诱变 n1985年加拿大的Michael Smith建立，于 1993年获获得了诺贝诺贝 尔化学奖奖。 n具体方法有三种： n（1）寡核苷酸介导导的单链单链 模板定点突变变； n（2）双引物法定点突变变； n（3）用掺掺入U的单链为单链为 模板进进行寡核苷 酸介导导的体外定点突变变。 寡核苷酸介导导的单链单链 模板定点突 变变 基于PCR 的体外定点突变 基于PCR 的体外定点突变 9.4 突变剂的检测 用 Ames法 检测诱变剂 突变和人类疾病 n（一）自发发突变变和人类类的疾病 n一.重复序列异常所引起的遗传遗传 病 n线线粒体的脑脑脊髓病（mitochondlrial encephalomyopathies)是线线粒体重复顺顺序之 间产间产 生缺失所致。 n脆性X染色体综综合征 nX-连锁连锁 脊髓和延髓肌娄缩缩，也称Kennedys症 n强直性肌营营养不良（Myotonic dystrophy） (二) 诱发突变和人类的肿瘤 9.5 基因突变的生物学防护与修复 9.5.1 DNA的防护机制 1、密码的简并性、相似性 2、回复突变 3、抑制突变（基因间抑制与基因内抑制） 4、 二倍体和多倍体 5、致死与选择 9.5.2 DNA的修复机制 n一.直接修复（Direct repair） n(一) 通过过DNA聚合酶校正(3 5外切)修复 n(二)光复活反应应 n光复活（photoreactivation）或光修复（ light repair） n光裂合酶（photolyase),由phr 基因编码编码 n烷烷基转转移酶（Alkyltransferases）(如对对 m6G) UV损伤的光修复/ 光复活 nPR酶，光能 nUVPy=Py特异 n低等生物的主要修 复方式 n(一) 一般切除修复 n 切除修复(excision-repair) 暗修复（dark repair） n 切-补（-切）-封 n短-补补丁修复（short-patch repair）（20nt)组成型 n长长-补补丁修复（long-patch repair） （1500nt)诱导型 n着色性干皮病（Xeroderma pigmentosum）是一种切 除修复酶的缺陷 二、切除修复（excision-repair） E.Coli 中的切除修复系统 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 Uvr系统统在修复各 阶阶段中的作用： UvrAB识别损伤识别损伤 ， UvrBC在DNA上切 一缺口， UvrD使被标记标记 区 解旋 n着色性干皮病 （Xeroderma pigmentosum） 是一种切除修复酶 的缺陷 (二) 特殊切除修复途径 n(1) AP核酸内切酶修复途径 AP位点 :无嘌呤（apurinic）和 无嘧啶（apyrimidinic）位点 n(2) 糖基酶修复途径 重组修复（recombination-repair） 在E.coli中的提取(retrival)系统 9.6 基因突变的检出 n9.6.1 传统遗传学检出法 n9.6.2 分子遗传学检出法 9.6.1 传统遗传学检出法 n1、微生物突变的检出 n抗性筛选positive selection eg. +pen pen r n营养缺陷型筛选negative selection eg. penicillin enrichment method 青霉素阻止细胞壁成分的合成，对扩增细胞致死 nMM+pen (-/+) CM MM + - 2、果蝇突变的检出 （1）果蝇伴性隐性致死/非致死突变的检出 利用 Muller-5品系检出X隐性突变 （2）常染色体基因突变的检出 平衡致死系的利用 （1）果蝇伴性隐性致死/非致死突变的检出 利用 Muller-5品系检出X隐性突变 （2）常染色体基因突变的检出 平衡致死系的利用 3、植物突变的检出 L. Stadler 玉米子粒胚乳颜色突变检出 CCcc Cccc（无色）存在突变 拟南芥及其突变检出 ？ 9.6.2 分子遗传学检出法 n9.6.2.1 单链构像异构多态性 （PCR-SSCP） PCR-SSCPPCR-RFLP 9.6.2.2 用毛细管电泳技术检测点突变 毛细管、 强电场（离 子表面积、 外形差异） 、 高散热、 高通量 9.6.2.3 等位基因特异寡核苷酸杂交 n利用碱基对差异-杂交强度差异检测 9.6.2.4 序列分析与DNA芯片检测 nSequencing nSequencing is the procedure of choice for SNP discovery. The most common forms of sequencing are based on primer extension using either a) dye-primers and unlabeled terminators or b) unlabeled primers and dye- terminators. The products of the reaction are then separated using electrophoresis using either capillary electrophoresis or slab gels. DNA序列分析 （1） Sanger 双脱氧链末端终 止法/酶促DNA序列测定 法 nMaxam-Gilbert 化学降解法 n碱基特异修饰-特 异断裂 DNA序列分析 （2） DNA芯片/微阵列技术 Allele 1 Allele 1 Allele 2 Allele 2 +Enzyme +ddATP +dCTP/dGTP/dTTP Allele 1 Unlabeled Primer (23mer) T C T Extended Primer (24mer) T C T A T GA Allele 2 Unlabeled Primer(23mer) A C T Extended Primer (26-mer) A C T MassArray （2） nFigure II. Same DNA, different people: monozygotic twins share the same genome, but a different epigenome. The distinct pattern of DNA methylation and histone modifications can explain different phenotypes and individual susceptibility to disease. Proc Natl Acad Sci USA 102, 10604-10609, 2005. 9.7 表观遗传变异 n在DNA序列未改变的情况下，基因表达的可遗 传变化称表观遗传修饰（ epigenetic modification）或表观遗传变异（epigenetic variation）. n表观遗传修饰/表观遗传变异 多源于DNA甲基 化和组蛋白的甲基化/乙酰化等修饰。如，X 染 色体失活，基因组印记