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,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（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（silent mutation）蛋白质中相应位点 发生了相同氨基酸的取代，即同义突变。,移码突变（frameshift mutation） 回复突变（reverse mutation）， 一类是正向突变（forward mutation）突变方向是从野生型向突变型；另一种是回复突变，其突变方向是从突变型向野生型 抑制突变（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,9.2.1.自发突变的分子基础 突变率（mutation rate）指在单位时间内某种突变发生的概率. 9.2.1.1 DNA复制错误 9.2.1.2 自发的化学变化 1. 脱嘌呤（depurination）作用 2. 脱氨（基）(deamination)作用 3. 氧化作用损伤碱基（oxidatively damaged bases） 4. 转座子和插入序列引起的突变,DNA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,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。,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,9.2.2.1 放射线的诱发突变 紫外线、 X-射线、 射线、 宇宙射线 9.2.2.2 化学物质的诱发突变 1.碱基类似物 (1) 5-溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU） (2) 氨基嘌呤（2-aminopurine 2-AP） (3) 迭氮胸苷（AZT, azidothymidine）,2.碱基的修饰剂 (1) 亚硝酸（introus acid, NA） (2) 羟胺 (3) 烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化 3.DNA插入剂 原黄素（proflavin） 吖啶橙（acridine orange） 溴化3,8-二氨基-5-乙基-6-苯基菲啶鎓 （etnidium bramide） ICR的复合物等,9.2.2.1 放射线诱发的突变,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 UV 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 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,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,(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,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，故不产生突变； 但C脱氨 U，使CG转换成AT； A脱氨次黄嘌呤H，使AT转换成GC。,碱基修饰剂的诱变作用,(1) 亚硝酸 (2) 羟胺 (3) MMS/EMS,（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)烷化剂如甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥(NM),甲基黄酸甲脂（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位上烷化，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,烷化剂如甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥(NM),甲基黄酸甲脂（MMS）,亚硝基胍（NG）等， 使G O-6-M-G=T配对，导致GC对转换成AT； 使T O-4-M-T G配对，导致TA对转换成CG；,3.DNA插入剂导致碱基增减,嵌合剂的插入移码突变,9.3 体外定点诱变,1985年加拿大的Michael Smith建立，于1993年获得了诺贝尔化学奖。 具体方法有三种： （1）寡核苷酸介导的单链模板定点突变； （2）双引物法定点突变； （3）用掺入U的单链为模板进行寡核苷 酸介导的体外定点突变。,寡核苷酸介导的单链模板定点突变,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,（一）自发突变和人类的疾病 一.重复序列异常所引起的遗传病 线粒体的脑脊髓病（mitochondlrial encephalomyopathies)是线粒体重复顺序之间产生缺失所致。 脆性X染色体综合征 X-连锁脊髓和延髓肌娄缩，也称Kennedys症 强直性肌营养不良（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,一.直接修复（Direct repair） (一) 通过DNA聚合酶校正(3 5外切)修复 (二)光复活反应 光复活（photoreactivation）或光修复（light repair） 光裂合酶（photolyase),由phr 基因编码 烷基转移酶（Alkyltransferases）(如对m6G),UV损伤的光修复/光复活,PR酶，光能 UVPy=Py特异 低等生物的主要修复方式,(一) 一般切除修复 切除修复(excision-repair) 暗修复（dark repair） 切-补（-切）-封 短-补丁修复（short-patch repair）（20nt)组成型 长-补丁修复（long-patch repair） （1500nt)诱导型 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,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,(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 (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,9.6.1 传统遗传学检出法 9.6.2 分子遗传学检出法,9.6.1 传统遗传学检出法,1、微生物突变的检出 抗性筛选positive selection eg. +pen pen r 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 MM+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 Cc cc（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,9.6.2.1 单链构像异构多态性 （PCR-SSCP）,PCR-SSCP PCR-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,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,Sequencing Sequencing 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,Maxam-Gilbert 化学降解法 碱基特异修饰-特异断裂,DNA序列分析（2）,DNA芯片/微阵列技术,+Enzyme +ddATP +dCTP/dGTP/dTTP,MassArray （2）,Figure 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,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）. 表观遗传修饰/表观遗传变异