第十二章 突变和重组的机理.doc

第十二章 突变和重组的机理从分子水平上探讨突变和重组的机理第一节 突变的分子基础基因突变是由于DNA分子中核苷酸顺序的改变，随而基因作用改变，最后导致个体表型的改变。一、突变的两种方式1碱基替代：某一位点的一个碱基对被其他碱基对取代。（base substitution）。碱基替换包括两种类型。(1)转换（transition）：是同型碱基之间的替换，即一种嘌呤被另一种嘌呤替换。或一种嘧啶被另一种嘧啶替换。(2)颠换（transversion）：嘌呤和嘧啶之间的替换。即嘌呤为嘧啶代替，嘧啶为嘌呤代替。2移码突变：DNA分子中增加或减少一个或几个碱基对，引起密码编组的移动（frameshift mutation）。二、突变产生的机理1互变异构化：一个质子的位置变化而改变了碱基氢键的特性。造成： A=TG=C （转换）互变异构化在DNA复制中自发产生。2碱基类似物：是在化学结构上与DNA的碱基很相似的物质（base analogues），在DNA复制时，“冒充”碱基掺入到DNA链中去。 5-溴尿嘧啶（5-BU）是胸腺嘧啶（T）的结构类似物。当细菌在5-BU中培养时，T被5-BU取代，与A配对。 （与A配对）多 （与G配对）少造成 AT GC（多） GC AT（少） （转换） 其他化合物5-氯（氟）尿嘧啶 2-氨基嘌呤3.改变DNA结构的物质（1）亚硝酸（HNO2）的作用。具有氧化脱氨的作用。 HNO2 HNO2用HNO2处理：A H-C CU-A UGHT ACCA UGHT ACCA TGGT HNO2 ACCACGAT UGHT GCTA GUTH CAAC CAAC GUTH GUTH CAAC GUTH（2）烷化剂的作用。具有一个或多个活性烷基的化合物（alky lating agents）。如芥子气、硫酸二乙酯、亚硝基胍等。作用：(1) 使DNA中的碱基发生烷化作用。如添加甲基或乙基，产生配对误差。如甲基磺酸乙酯（EMS）图示 CmGAT GT TA CmGAT GT TA CAAT 硫酸二乙酯 GTTACGATCmGATGCTA mGCTA TGAT CmGATACTA mGCTA TG AT mGCTA(2) 脱嘌呤（depurination）造成DNA链的缺口，影响DNA复制或造成缺失，引起移码突变。如烷基在鸟嘌呤N位上活化糖苷键而引起断裂，使鸟嘌呤脱掉，可发生DNA断裂、缺失、转换或颠换。(3)同一DNA分子或不同DNA分子间形成交键（cross-linkage），使一个或多个核苷酸丢失或切除。4吖啶类化合物 原黄素，吖啶橙等。为三环扁平的分子，大小与碱基对的大小差不多，能与DNA结合，嵌入DNA的碱基对之间，使相邻的两个碱基对的距离拉长，使DNA双链歪斜，导致DNA交换时出现参差，结果导致不等交换，产生移码突变。 吖啶类诱发的突变的一个重要特征是：吖啶类化合物所诱发的突变能用吖啶类来回复，但不能用碱基替换来回复。假使在一个碱基插入点的附近，以后又丢失了同样数目的碱基或者相反，突变效应往往可以被抑制。但这不是真正的回复突变，而是抑制突变。如果两个位点中还包括终止密码，就不能回复。三、基因突变的遗传学效应不论是碱基替换，还是移码突变，都有可能使由那个基因决定的多肽的氨基酸顺序发生改变，或造成多肽合成终止而不产生完整的肽链。但由于遗传密码具有简并性，所以有些碱基因替换也不一定会造成氨基酸顺序的改变。1同义突变（same sense mutation）：碱基替代的结果为同义密码子，碱基顺序改变而氨基酸顺序未变。没有突变效应产生，这显然与密码的简并性有关。2无义突变（nonsense mutation）。是指某一碱基的改变使mRNA的密码子变成终止密码，使多肽合成中断，形成不完全的肽链，丧失生物活性。 如 DNA ATG ATTmRNA UAC UAA 酪氨酸 终止 如人类珠蛋白有146氨基酸，Hb McKess-Rock只有144个。原因：145位UAU变为UAA。终止密码突变：终止密码的一个碱基被取代，突变后的密码子能编码某一氨基酸。如Hb链有141个氨基酸。Hb Constant Spring的链142位的UAA变为CAA，终止密码变为氨酰胺，肽链一直延长到173位另一终止密码子。3错义突变（missense mutation）。指碱基替换的结果引起氨基酸序列的改变。有的影响到蛋白质的活性和功能。甚至丧失全部活性。从而影响表型。也有引起蛋白质活性和功能不同程度的丧失。 一般性质相似的氨基酸对蛋白质的功能影响较小，而不同性质的氨基酸相互替换则可能强烈地影响蛋白质的功能。第二要看替换的氨基酸在肽链中的位置，是否处于活性部位，是否影响立体构形。(1)渗漏突变（leaky mutation）：错义突变的产物仍有部分活性，使表型介于完全突变型和野生型之间。(2)中性突变（nautral mutation）：有的错义突变不影响或基本上不影响蛋白质的活性，不表现明显的性状变化。(3)无声突变（silent mutation）：中性突变和同义突变一起称之为。(4)分子病：由于蛋白质分子中氨基酸替代导致的疾病。 据研究，人类血红蛋白的突变多数是由于碱基替换引起的。目前已知血红蛋白链有40多种，链有80多种。aHbA正常人血红蛋白链N端的第6位氨基酸是谷氨 酸。HbS镰型细胞贫血症，第6位缬氨酸。HbC，轻度贫血症，第6位赖氨酸。 表12-1血红蛋白链N端的8个氨基酸及其碱基替换。b链63位氨基酸正常是组氨酸，被酪氨酸取代HbMS。铁血红蛋白症，被精氨酸取代不稳定的血红蛋白症（HbZ）。 人类血红蛋白链第6氨基酸（谷氨酸）因错意突变引起的分子病DNA信息 CTT CTT CTT链的变化 正常 （A代替T）（颠换） （T代替C）（转换） CTT CAT TTT 转录 mRNA GAA GUA AAA 翻译 蛋白质 谷氨酸 缬氨酸 赖氨酸 血红蛋白 正常 HbS HbC 表现型 正常 镰型细胞贫血症 轻度贫血症 人类血红蛋白链第63氨基酸（组氨酸）因错意突变引起的分子病DNA信息 GTA GTA GTA链的变化 正常 （A代替T）（颠换） （T代替C）（转换） GTA ATA GCA 转录 mRNA CAU UAU CGU 翻译 蛋白质 组氨酸 酪氨酸 精氨酸 血红蛋白 正常 HbMS HbZ 表现型 正常 高铁血红蛋白症 不稳定血红蛋白症镰型细胞贫血症基因型：HbS HbS ，含血红蛋白S（HbS），红细胞缺氧时成镰刀形。杂合体HbA HbS 40%的细胞成镰刀形。4移码突变例如Hb Wayne是138位UCC失去一个C，使链的合成不在原来应该终止的地方停止，一直到146位合成精氨酸后才终止，从而使链延长。第二节 遗传重组分子机理基因重组是所有生物遗传的基本现象，无论是高等生物还是细菌，病毒中都存在基因重组；不只是在减数分裂中发生基因重组，在高等生物的体细胞中也发生重组；重组不只是在核基因之间发生，在叶绿体基因间、线粒体基因间也发生重组。可以说，只要有DNA就会有重组发生。一、断裂重接模型（breakage joining model）（1）染色体断裂愈合模型CDDarlington 1936年提出 在同源染色体联会时，由于染色体的缠绕而产生张力，两个相对染色单体在同一位置断裂，然后彼此和另一染色单体重新连接起来从而形成重组并消除这种张力。（2）模写选择模型这一模型是Belling（1931）提出来的。认为，重组是复制的结果。复制时以每一亲本染色体为模板，形成一条子染色体。在复制过程中，子染色体可以调换模板，所以形成的子染色体一部分以父本染色体为模板，一部分以母本染色体为模板。二、基因转换（gene conversion）Olive等广泛研究粪生粪壳菌g座位，g-决定子囊孢子灰色。g+决定子囊孢子的黑色，在g+g-的杂交中，他们分析了20万子囊，发现0.06%是53分离，0.05%是62分离，0.008%是3113（或异常44）分离。图示 (1)一个孢子中的两个孢子有着不同的基因型。(2)分离比例不是44。(3)邻近的基因A/a都呈现正常分离。 1930年，德国遗传学家H温克勒把这种不规则分离现象解释为减数分裂过程中同源染色体联会时一个基因使相对位置上基因发生相应的变化所致。因而称就基因转变。好象是由于一个基因转换为另一等位基因，所以称为基因转换。以后由于发现一个基因发生基因转变时，它两旁的基因常同时发生重组，所以认为基因转变是某种形式的染色体交换的结果。因此，基因转变的研究，实质上也是染色体交换机制的研究。而断裂重接模型则无法解释异常现象。三、基因转换现象的解释1在62（或26）子囊，减数分裂的4个产物中，有一个产物发生基因转换，所以是染色单体的转换-两个杂种分子都校正到+（或-）子囊孢子出现62分离，如果校正相反，子囊孢子分离正常。2在53或3113的子囊，减数分裂的4个产物中，有一个或两个产物的一半出现基因转换，所以是半染色单体转换，分离一定发生在减数分裂后的有丝分裂中，所以叫做减数后分离。两个杂种分子都未校正，子囊孢子分离为3113。一个杂种分子校正为+，子囊孢子出现53分离。3两种校正方式。不配对的碱基对由核酸外切酶切除，新合成的互补短链在连接酶的作用下连接上去。由于切除的不配对区段的不同，校正后或出现野生型或出现突变型。4显示53和62分离的子囊中，大约有30%也在g座位的这边或那边发生重组。5有基因转换的子囊中，基因转换和遗传重组都发生在同样两个单体的子囊比例竟高达90%。四、Holliday模型杂合DNA模型1964年，RHolliday提出，并作修正。1同源的非姊妹染色体的DNA配对。2同源非姊妹染色单体DNA中两个方向相同的单链在DNA内切酶的作用下，在相同位置上同时切开。3切开单链交换重接，形成交联桥结构（cross-bridged structure）。4交联桥的位置可以靠拉链式活动，沿着配对DNA分子“传播”桥迁（Bridge migration），其中互补碱基间形成的氢键从一条链改变另一条链，于是在两个亲本DNA分子间造成一段异源双链DNA。这种结构又称为Holliday structure。5绕交联桥旋转，形成Holliday结构的异构体。6通过两种方式切断DNA单链以消除交联桥，恢复两个线形DNA分子。7进行DNA修补合成。8如果是左右切断，出现中间包含杂合双链的两旁基因是非重组（ABab）的双链DNA分子；如果上下切断，将出现中间包含杂合双链并且两旁基因发生重组（Ab，aB）的双链DNA。 不管Holliday结构怎样产生，是否导致两侧遗传标记重组，它们都含有一个异源双链DNA区。第三节 转座遗传因子细胞中能改变自身位置的一段DNA顺序，叫做转座遗传因子（transposable genetic element），简称转座因子，TE。一、玉米的控制系统1932年，美国玉米遗传学家BMcClintock发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，于1951年，第一次提出转座因子的概念。因为玉米中发现的转座因子除了具有转座的特性外，还具有调节其他基因的作用。又称之为控制因子（Controlling elements）。其中一个称之为解离因子（DS，dissociation），DS插入色素基因C的近旁或中间时，玉米籽粒不能形成色素，当DS离开C基因后，抑制作用被解除。 Ds的解离又受另一控制因子激活因子（Ac，activator）的影响。Ac可位于基因组中任何其他地方。Ac丢失，Ds趋向稳定。Ac的作用是自主的，而Ds行为却依赖于Ac，这是因为Ds和Ac在很大程度上表现出核苷酸序列的同源，特别是两端的序列是相同的。只是Ds基因不同程度的缺失是间序列，如丢失产生转座所需要有关酶-转位酶。二、原核生物中的转座因子1967年，在大肠杆菌半乳糖操纵子的突变型研究中第一次在细菌中发现了可转移座位的插入序列1插入序列（insertion sequences，IS）dgal-和dgal+的区别：(1)不能被碱基替换所回复，但又可回复突变。(2) 密度梯度离心证明dgal-比重大于dgal+。(3)dgal-和dgal+分子杂交可见杂合双链上出现一个多余的DNA环。IS1的特点：(1)768核苷酸 (2)本身没有表型效应，只携带转座酶基因 (3)如F因子和大肠杆菌的染色体上有一些相同的插入序列 (4)具有某些共同的结构特征：两端的核苷酸顺序完全相同或相近。但方向相反，称为反向重复序列（inverted repeal(IS)sequences）。含有IS的质粒变性，单链复性。出现颈环结构（哑铃状结构）。(5)IS插入“靶”DNA后，在IS两端出现一小段顺向重复的靶DNA序列 5-11 hp2转座子（transposon，Tn）是一类较大的转座因子，除了含有与转座有关的基因外，(1)还带有抗药基因以及其它基因。如Tn3含有3个基因：(a)编码-内酰胺酶的氨苄青霉素抗性基因（ampk），转座酶基因（tnpA）和编一种阻遏物的调节基因（tnpk）。(b)分子大小200025000np。(c)两端为IR。(d)转座子则赋于宿主细菌一定的表型。3转座噬菌体1963发现。 Mu（Mutator phage）三、转座机制以细菌的转座子为例1切开 转座酶有两种功能(1)识别受体靶点。从5端切开，产生两个粘性末端。(2)识别自身两边的IR。3切开。2接合 成为共合体 共价链齐头相连，形成两个缺口。3复制 DNA多聚酶补上缺口，连接酶连接，形成顺向重复序列。4重组 在特定位点重组。共合体分离成两部分。转座子是以它的一个复制品转移到另一位置，而在原来位置上仍然保留原有的转座子。四、转座因子的遗传学效应1引起插入突变。2插入位置上出现新基因。3、切离，发生回复突变，或染色体畸变。4造成同源序列整合。5增加新的变异，有利于进化。第四节 DNA损伤的修复生物在长期的进化中，不仅演化出能纠正偶然的复制错误的系统，而且还存在着能修复由环境因素和体内化学物质造成的DNA分子损伤的系统。如果按原样修复，不会引起突变，偶然出现差错，引起突变。因此，突变往往是DNA损伤与修复这两个过程共同作用的结果。一、紫外线照射对DNA的损伤1紫外线主要作用在DNA上，因为波长26 nm 的紫外线照射，杀菌率和诱变率最高，而这个波长正是DNA的吸收峰。2紫外线照射对DNA的一个损伤作用是形成嘧啶二聚体，即在相邻的两个嘧啶之间形成化学键，使两个碱基平面扭转，引起双螺旋构型的局部变化，同时氢键盘结合力也显著减弱。3嘧啶二聚体中，最常见的是TT，也有CC和CT。4含有二聚体的DNA单链，不能做为复制的模板，新合成链在二聚体的对面两旁留下缺口。二、DNA损伤的修复1 光复活（photoreaetivation） 就地修复（1）用紫外线照射细菌，并在黑暗中培养。杀菌数与剂量成正比，如接触可见光（310440nm），存活率大大提高。并能降低突变率，这是由于光复活酶（PR酶）催化嘧啶二聚体分解成为单体。(2)过程：a 光复活酶识别变型