基因突变课件

第九章 基因突变,第一节 基因突变的类型和特点,体细胞突变（somatic mutation） 生殖细胞突变（germ-line mutations）,突变类型,错义突变：多肽链中相应位点发生的氨基酸的取代影响蛋白质的功能; 中性突变（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; 同义突变（silent mutation）DNA上密码子改变但蛋白质中相应位点上是相同的氨基酸，亦称沉默突变。 移码突变（frameshift mutation）：增加或减少非3的整数倍的碱基，使突变点之后的读框发生改变，对应的氨基酸序列变得面目全非。 无义突变：多肽链中相应位点发生的氨基酸的取代错义或移码突变造成蛋白质的提前终止。,第二节 突变的原因,一.自发突变（spontaneous mutations） (一) DNA复制错误 (二) 自发的化学变化 1. 脱嘌呤（depurination） 2. 脱氨（基）(deamination)作用 3. 氧化作用损伤碱基（oxidatively damaged bases）,(一)DNA复制错误,(二) 自发的化学变化 1.脱嘌呤,2.脱氨基,3.氧化损伤,过氧化物原子团（O2-）、（H2O2），（-OH）等需氧代谢的副产物都是有活性的氧化剂， 它们可导致DNA的氧化损伤: T氧化后产生T乙二醇， G氧化后产生8-氧-7,8二氢脱氧鸟嘌呤、 8-氧鸟嘌呤(8-O-G)或“GO”，GO可和A错配，导致GT。,二. 诱发突变,(一) 放射线 紫外线、 X-射线、 射线、 宇宙射线 (二) 化学物质 1.碱基类似物 (1) 5-溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU） (2) 2-氨基嘌呤（2-aminopurine 2-AP） (3) 迭氮胸苷（AZT, azidothymidine） 2. 碱基的修饰剂 3.DNA的插入剂,(一) 紫外线诱发胸苷二聚体,(二) 化学物质 1.碱基类似物,（1）5-溴尿嘧啶和T很相似，仅在第5个碳元子上由Br取代了甲基 5-BU,有酮式，烯醇式两种异构体，可分别与A及G配对结合 。,(2) 2-氨基嘌呤(2-AP)也是碱基的类似物，有正常状态和稀有状态两种异构体，可分别与T和C配对结合。当2-AP掺入到 DNA复制中时，由于其异构体的变换而导致AT G C,2. 碱基的修饰剂 (1) 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，产生黄嘌呤（xanthine,x），次黄嘌呤 (H) 仍和C配对，故不产生转换突变。但C和A脱氨后分别产生U和次黄嘌呤H，产生了转换，使CG转换成AT，AT转换成GC,（2）羟胺只特异地和胞嘧啶起反应，在第4个C原子上加-OH，产生4-OH-C，此产物可以和A 配对，使CG转换成TA,(3)烷化剂如甲基磺酸乙脂（EMS）,氮芥(NM),甲基磺酸甲脂（MMS）,亚硝基胍（NG）等，它们的作用是使碱基烷基化。EMS使G的第6位烷化，使T的第4位烷化，结果产生的O-6-E-G和 O-4-E-T分别和T、G配对，导致GC对转换成AT对；TA对转换成CG,3.DNA 插入剂,第三节 突变和人类疾病,1. 突变和遗传病 2. 突变和人类的肿瘤 （一）病毒介导 带有原癌基因（例如v-src）的逆转录病毒整合入靶细胞宿主基因，可引起原癌基因在反转录病毒启动子控制下的表达 。 另一个机制是由于前病毒插入造成的附近细胞基因的激活，逆转录病毒可通过这一机理诱导细胞转化。 （二）点突变 点突变不仅可以导致基因激活，也可以造成基因失活。突变蛋白常常只有较少的或没有生物活性，如果功能缺失突变影响了生长抑制蛋白基因，可导致细胞过量增殖。,（三）基因扩增 基因扩增可导致基因过表达。扩增可以小到只扩增一个基因，也可以大到上百万个。基因组的扩增区域通常就位于这些区域来源的位置，但也可以位于其它染色体。 许多促进增殖的基因在肿瘤中都可发现扩增。如神经母细胞瘤中N-MYC的扩增和乳腺癌中周期素 D1和ERBB2的扩增。扩增倍数可以从2倍到10倍，甚至有时可达到数百倍。扩增的原癌基因可能是通过基因剂量效应而发挥作用，而不需要扩增基因调节区域的结构改变。,（四）基因缺失 原癌基因由于扩增可以引起癌变，而抑癌基因常是由于缺失引起细胞癌变。染色体缺失范围可以很大，常常包括一整条染色体。肿瘤中的抑癌基因常常是一个等位基因缺失，另一个等位基因发生点突变导致功能缺失。 （五）染色体易位 基因重排的发生常常是染色体易位的结果。这些重排造成在细胞增殖和分化中起关键作用的基因失调控。染色体易位还能导致融合蛋白的形成，如慢粒的t(9;22)形成的BCR-ABL融合基因。平衡染色体易位是血液恶性肿瘤和儿童软组织肿瘤的常见现象。 （六）DNA修复机制的缺陷 结肠肿瘤和其他上皮肿瘤中DNA错配修复缺陷很常见。,（七）表观遗传学机制 表观遗传学改变（epigenetic change）是指由基因核苷酸序列以外的机制引起的可遗传的基因表达方式的改变，包括DNA的甲基化修饰和组蛋白的修饰。组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化和磷酸化等，这些修饰可以改变染色体的结构，并引起可遗传的基因转录的改变。表观遗传学改变是否和遗传学改变一样在肿瘤的发生中发挥作用已经争论了多年，近年的研究证实在肿瘤的发生中二者都有作用。几乎所有类型的肿瘤都同时有CpG岛应甲基化区域的甲基化缺失，一些不应甲基化的基因启动子的CpG岛被异常甲基化。 甲基化缺失在肿瘤发生中的作用可能主要有两个。首先，在基因组正常应沉默的区域转录抑制减弱，使应沉默的基因出现不应有的表达。其次，甲基化的缺失会影响染色体结构的稳定性，DNA的忠实复制有赖于染色体的适度甲基化。在小鼠模型发现DNA甲基化的缺失导致基因组的不稳定和胸腺淋巴瘤的发生。,基因启动子区域CpG岛的甲基化是抑癌基因失活的一种机制。在肿瘤的发病中，需要抑癌基因的两个等位基因同时失活。肿瘤两个抑癌等位基因的失活可以都是由DNA的异常甲基化引起，也可以一个由DNA的异常甲基化引起，另一个由基因突变引起。如细胞周期相关的p16基因在许多肿瘤都有异常甲基化。而且由DNA异常甲基化引起基因沉默导致的生物学效应与由突变引起的是相似的。 组蛋白修饰也与肿瘤的发病机制相关。在一些肿瘤也发现了存在组蛋白的异常甲基化。 肿瘤中DNA甲基化和组蛋白脱乙酰化介导的基因沉默之间是有联系的，DNA甲基化起主导作用。过度甲基化和组蛋白脱乙酰化所致的基因沉默可以通过DNA甲基转移酶或者组蛋白脱乙酰化酶抑制剂的药物使之逆转，这可能成为未来肿瘤靶向治疗的一种方法。,第四节 DNA的修复机制 一.直接修复（Direct repair） (一) 复制时通过DNA聚合酶校正修复 (二)光复活反应 光复活（photoreactivation）或光修复（light repair）：光裂合酶（photolyase),也称光复活酶，由phr 基因编码 (三)烷基转移酶（Alkyltransferases）,(一) 一般切除修复 切除修复(excixion-repair)：是一种暗修复（dark repair） 切除修复缺陷引起的疾病： 着色性干皮病（Xeroderma pigmentosum）是人类一种切除修复酶的缺陷，患者的暴露部位易发生色素沉着，皮肤萎缩，角化过度和癌变，大部分患者在30岁前可能死于皮肤癌。由此可见切除修复系统的作用非常重要。,二 切除修复（excixion-repair）,切,封,补,在E.coli中的切除修复系统,损伤：突变的碱基错配改变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系统在修复各阶段中的作用： UvrAB识别损伤； UvrBC在DNA上切一缺口； UvrD使被标记区解旋,(二) 特殊切除修复途径,1. 糖基酶修复途径 DNA糖基酶（glycosylases）并不能剪切磷酸二酯键，但可以剪切N-糖苷键。释放出改变了的碱基，产生一个无嘌呤（apurinic）和无嘧啶（apyrimidinic）位点-AP位点。这样再经过AP内切酶切割磷酸二酯键，再由DNA Po1合成进行修复，最后由连接酶连接。 DNA糖基酶有很多种，其中之一是尿苷-DNA糖基酶，它可从DNA上切除尿苷，C因自发脱氨基而产生U，若不修复此可能导致CT的转换。实际上在DNA中只有AT配对而没有AU配对，这是由于偶尔掺入的U可被识别和切除之故。若U是DNA中的正常成份，那么这种修复就无需要了。 还有一种糖基酶，它可识别和切除由A脱氨而产生的次黄嘌呤（H）。另一些糖基酶可切除被烷化的碱基（例如3-m-A, 3-m-G和7-m-G）、开环嘌呤、氧化损伤的碱基以及在某些生物中的UV光化二聚体。一些新的糖基酶仍不断被发现。 2. AP核酸内切酶修复途径 AP位点 :无嘌呤（apurinic）和无嘧啶（apyrimidinic）位点,DNA糖基酶,AP内切酶,三、复制后修复,(一) 错配修复（mismatch repair） (1) 识别错配碱基对； (2) 对错配的碱基区别哪一个碱基是错的， 哪一个是对的； (3) 切除错误的碱基，并进行修复合成。,MutS,MutL,MutS,MutH,MutS识别错配 位点,并移动到 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,(二)重组修复（recombination-repair）,在E.coli中的重组修复系统,(三) SOS修复系统,SOS 反应是细胞DNA 受到损伤或复制系统受到抑制的紧急 情况下，为求得生存而出现的应急效应。 SOS修复是一种差错倾向修复（Error prone repair）。 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（UV-reactivation），也称SOS反应（SOS response）,SOS 反应是由Rec A 蛋白和Lex A 阻遏物相互作用引起的。Rec A 蛋白在同源重组中起重要作用，也是SOS 反应最初发动的因子。在有单链DNA 和ATP 存在时，Rec A 蛋白被激活而表现出蛋白水解酶活性，能分解Lex A 蛋白。Lex A 蛋白是许多基因的阻遏物。当它被水解后可使一系列基因得以表达，其中包括修复基因uvrA、uvrB、uvrC，以及Rec A 和Lex A 本身，编码单链结合蛋白SSB 的基因、与诱变作用有关的基因umu DC，与细胞分裂有关的基因以及一些功能还不清楚的基因。SOS 反应广泛存在于原核和真核生物，它是生物在不利环境中求得生存的一种能力。 SOS 反应的结果主要包括