基因突变与损伤修复(1)PPT课件.ppt

第十六章基因突变,本章学时数：3学时本章重点：1、突变及其特征、突变率2、诱变3、突变的检出,1,.,基因突变,定义：指一个基因变化成它的等位基因，是染色体上一个座位内的遗传物质的变化。也称点突变(pointmutation)。正向突变forwardmutation回复突变backmutation自发突变：在自然情况下发生诱发突变：人为地用物理化学方法诱发,2,基因突变,生殖细胞突变：可以遗传Germinalmutation体细胞突变：不能遗传Somaticmutation,3,突变的表型类型,可见突变（形态突变）引起形态等外观可见的改变致死突变突变影响个体的生活力，导致个体死亡条件突变在一定条件下，突变性状表达或死亡生化突变影响代谢过程，导致特定生化功能的改变或丧失抗性突变产生某种抗性,4,功能突变,失去功能突变无效突变渗漏突变获得功能突变,5,基因突变的特点,可逆性Aa正向突变aA回复突变，比正向突变率低有真正的回复突变和抑制回复突变多向性：突变是不定向的，产生复等位基因有害性稀少性：突变率通常很低，10-510-10随机性,6,突变率,定义：一个世代在一定时期内，一个细胞发生突变的概率。显性突变率=突变个体数/二倍的群体总数隐性突变率=突变个体数/群体总数自发突变率一般比较低，在10-4以下高等生物比微生物的突变率高，这与世代时间有关,7,自发突变,Spontaneousmutation在自然状态下发生产生原因DNA复制错误和自发损伤宇宙射线转座因子理化因素,8,自发突变-DNA复制错误,碱基替换basesubtitution转换transitions颠换transversions移码突变frameshiftmutation缺失和重复,9,碱基替换,10,互变异构体引起替换,11,自发突变-自发损伤,脱嘌呤depurination脱氨基deamination氧化性损伤碱基oxidativelydamagedbases,12,脱氨基,13,脱氨基,14,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。,15,人工诱变,物理因素：高能射线，如紫外线、电离辐射等化学因素：诱变剂，如叠氮钠、亚硝酸钠等可以改变碱基对的结构或顺序导致遗传信息的改变,16,诱变剂的诱变机制,取代：取代DNA分子中的一个碱基改变：改变一个碱基使之发生错配破坏：破坏一个碱基使之不能与其他碱基配对,17,碱基类似物,5-溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU）2-氨基嘌呤（2-aminopurine2-AP）迭氮胸苷（AZT,azidothymidine）,18,5-溴尿嘧啶,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,19,2-氨基嘌呤,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ATGC,20,碱基的修饰剂（特异性错配）亚硝酸（introusacid,NA）羟胺烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化DNA插入剂（嵌合剂）原黄素（proflavin）吖啶橙（acridineorange）溴化3,8-二氨基-5-乙基-6-苯基菲啶鎓,21,亚硝酸,亚硝酸（introusacid,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,22,羟胺,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,23,烷化剂,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,24,烷化剂,烷化作用脱嘌呤作用,25,嵌合剂,原黄素等吖啶类染料,26,紫外线,作用机制紫外线的波长在260-270nm时与DNA吸收峰相近，使相邻的嘧啶核苷酸形成嘧啶二聚体，影响DNA的复制和转录。遗传学效应穿透性不强，不如电离辐射有效引起各种形式的替换，以及缺失、重复和移码,27,紫外线,28,电离辐射,作用机制直接作用：能量直接作用于染色体和DNA间接作用：电离化引起细胞内化学变化导致异常遗传学效应辐射效应具有累加性诱发基因突变和染色体畸变，突变率与剂量成正比,29,电离辐射,过程物理学阶段物理化学阶段生物化学阶段遗传损伤,30,化学诱变剂,种类多为致癌剂，如秋水仙素、芥子气、黄曲霉素B1等特点操作方便，可以大大提高诱变率常集中在染色体上的某一区域，使突变具一定的定向作用,31,黄曲霉素B1,在鸟嘌呤的N-7上形成一个加成复合物，继而产生无嘌呤位点需要SOS系统参与引起G-C颠换为T-A,32,体外定点突变,1985年加拿大的MichaelSmith建立，于1993年获得了诺贝尔化学奖。具体方法有三种：（1）寡聚核苷酸介导的用单链模板定点突变；（2）双引物法定点突变；（3）用掺入U的单链为模板进行聚核苷酸介导的体外定点突变。,33,体外定点突变site-directedmutagenesis,34,寡核苷酸定点突变步骤,人工合成靶碱基及其附近序列的寡核苷酸与M13DNA克隆的互补单链杂交，在Klenow酶作用下合成完整的互补链连接酶连接，导入大肠杆菌中，得到稳定的突变克隆将突变基因导入原来的细胞基因组中，在生理条件下研究和检测突变的效应。,35,反向遗传学reversegenetics,经典遗传学突变表型突变基因型反向遗传学（反求遗传学）DNA突变表型效应改变,36,增变基因,Mutatorgenes基因组中某些基因的突变可以使整个基因组的突变率明显上升，这些基因就是增变基因DNA聚合酶的各个基因。dam基因，与错配修复等修复系统有关的基因。,37,突变热点hotspotsofmutations,DNA的不同部分有着不同的突变率突变位点在基因内的分布不随机5-甲基胞嘧啶短重复序列与诱变剂性质有关,38,生物体的修复机制,光复活photoreactivation切除修复excisionrepair重组修复recombinationalrepairSOS修复,39,光复活,专一地针对紫外线引起的DNA损伤而形成的嘧啶二聚体在损伤部位就地修复的途径。在300600纳米的可见光，由光复活酶催化二聚体分解为单体普遍存在，但主要是原核生物中的修复方式。,40,切除修复,也叫暗修复在几种酶的协同作用下，将损伤的DNA部分切除，缺口由修复性合成来填补，再由连接酶连接成完整的链。短补丁修复：占多数，切除约20个核苷酸长补丁修复：约1500个核苷酸,41,切除修复,42,特异切除修复途径,DNA糖基化酶修复途径（碱基切除修复）DNA糖基化酶切开N-糖苷键，产生无嘌呤无嘧啶位点（AP位点），由AP内切酶修复系统修复AP内切酶修复系统对于嘌呤或嘧啶脱落后的AP位点，由内切酶切开磷酸二酯键，启动由外切酶、DNA聚合酶I和DNA连接酶作用的切除修复过程。,43,重组修复,又称复制后修复在复制时越过损伤部位，留下的缺口由重组进行填补。损伤并没有被真正修复，只是在复制中被稀释。容易产生差错，引起突变,44,SOS修复系统,DNA分子损伤较大而复制受到抑制时出现的修复作用，是旁路修复系统。细胞受到危急状态时的修复方式，允许DNA复制越过二聚体而进行，因而引起错配，导致突变。,45,SOS修复系统,46,SOS修复系统,复制到损伤部位时，经过短暂的抑制，产生一种新的DNA聚合酶，能催化损伤部位的DNA的修复合成，但识别碱基的精确度低。在新链中，二聚体相对的位置上可以出现任何碱基，其他位置上也可以出现错配。,47,SOS修复中的recA基因和lexA基因,48,电离辐射损伤的修复,超快修复：可能由DNA连接酶单独完成快修复：需要DNA多聚酶I的参与慢修复：需要重组修复的酶系统参与,49,DNA损伤修复与基因突变、癌的发生以及衰老等密切相关,50,.,突变与癌,黄曲霉素（AFB1）引起肝癌；紫外线诱导皮肤癌抑癌基因（p53基因）突变会致癌南非人群中肝癌病人中，p53基因被AFB1诱导特异性的GT颠换人类鳞状细胞皮肤癌也多有p53基因的突变，在嘧啶二聚体出产生CT转换,51,修复缺陷与疾病,DNA修复系统缺陷而引起的遗传病，还有较高的致癌率着色性干皮病(xerodermapigmentosum,XP)常染色体隐性基因，位于1q，光敏感遗传疾病。对光敏感，暴露皮肤易发生色素沉着、萎缩、角化过度和癌变。患者易患皮肤癌，如基底细胞瘤和鳞状上皮细胞癌。Cockayne综合征(cockaynesundrome,CS)表现为侏儒、视网膜萎缩、耳聋和对日光敏感等共济失调毛细血管扩张症早衰症,52,突变的应用,诱变提高突变率，结合选育，可以培育出优良品种在农作物、微生物上广泛应用。,53,突变的检出,大肠杆菌突变型的检出链孢霉（真菌）突变的检出果蝇突变的检出伴性隐性突变常染色体突变植物突变的检出,54,大肠杆菌突变型的检出,野生型和基本培养基营养缺陷型和完全培养基抗性突变和选择培养基,55,大肠杆菌营养缺陷型的检出,缺陷型的浓缩青霉素法缺陷性的检出影印接种法点种法,56,青霉素法,原理：青霉素的作用是抑制细菌细胞壁的合成，只能杀死正在生长繁殖中的细菌，而不能杀死休止状态的细菌。在含青霉素的基本培养基中，大部分野生型细菌死亡；而缺陷型不能生长，不受青霉素的影响得到浓缩。,57,影印培养,58,点种法,诱变后培养在完全培养基上，缺陷型和野生型都能生长,点种于含单一营养物质的基本培养基上,如果在所有平板上都能生