遗传的分子基础4.ppt

第三章遗传的分子基础 一 DNA是遗传物质的间接证据 1 同种生物的不同个体间 其细胞中DNA的含量具有稳定性 2 同一个体不同组织的细胞间DNA的含量具有稳定性 3 同一个体不同发育阶段 其细胞中的DNA含量也具有稳定性 4 DNA仅在能自我复制的细胞器上找到 二 DNA是遗传物质的直接证据 1 细菌的转化 2 噬菌体的侵染与繁殖 3 烟草花叶病毒的感染和繁殖 三个经典实验 孟德尔 Mendel 的遗传因子 一个因子决定一个性状 1865年 约翰森 Johannsen 首先提出基因一词 1909年 JohannGregorMendel 1822 1884 一 基因概念的提出 1857年 奥地利的一名神父孟德尔在他所在的修道院后院开始进行长达8年的豌豆杂交实验 1865年 孟德尔根据豌豆杂交实验的结果 发表了著名的论文 植物杂交试验 阐述了他所发现的显性 隐性遗传现象和两个重要遗传学规律 分离规律和自由组合规律 孟德尔的遗传因子 孟德尔提出 生物的遗传性状是通过 遗传因子 hereditaryfactor 进行传递的 遗传因子是一些独立的遗传单位孟德尔把可观察的性状和控制它的内在的遗传因子区分开来遗传因子作为基因的雏形名词诞生了 1900年 是遗传学史乃至生物科学史上划时代的一年 来自三个国家的三位学者独立地 重新发现 了孟德尔的遗传规律 他们是荷兰的德弗里斯 HugoDeVries 1848 1935 德国的柯灵斯 CarlErichCorrens 1864 1933 和澳大利亚的契马克 ErichvonTschermak Seysenegg 1871 1962 从此 遗传学进人了孟德尔时代 重新发现 孟德尔 HugoDeVries 1848 1935 CarlErichCorrens 1864 1933 ErichvonTschermak 1871 1962 重新发现孟德尔的生物学家 1909年 丹麦遗传学家约翰逊在 精密遗传学原理 一书中根据希腊语 给予生命 之义 创造 基因 gene 一词来代替孟德尔假定的 遗传因子 从此基因便成为遗传因子的代名词一直沿用至今 不过此时的基因仍然是一个未经证实的 仅靠逻辑推理得出的概念 WilhelmLudwigJohannsen 1857 1927 二 基因结构和功能的探索 随着遗传学 分子生物学 生物化学的发展 人们对基因本性的认识逐渐深入 基因的概念和涵义也不断地发展和丰富 1 基因与染色体 在孟德尔的成果获得承认后 生物界都知道是遗传因子 即基因 决定了生物的遗传 但是 基因究竟在细胞内的什么地方 摩尔根以果蝇为试验对象回答了这一问题 基因在染色体上 摩尔根和他的学生利用果蝇作了大量的研究 1926年出版 基因论 建立了著名的基因学说 ThomasHuntMorgan 1866 1945 摩尔根在 基因论 中绘制了果蝇基因位置图 首次完成了当时最新的基因概念的描述 基因是在染色体上呈线性排列的遗传单位 它不仅是决定性状的功能单位 也是一个突变单位和交换单位 至此 人们对基因概念的理解更加具体和丰富了 摩尔根果蝇遗传实验具有划时代意义 人类第一次把基因与染色体联系起来 认为基因是一种物质 是染色体上的一个特定的区段 确立并发展了染色体的遗传理论 ThomanHuntMorgan 1866 1945 因发现染色体的遗传机制 创立染色体遗传理论而于1933年获诺贝尔生理学医学奖 基因是何物 基因的物质结构和化学组成怎样 基因是如何决定遗传性状的 这些问题在摩尔根时代仍然是谜 摩尔根确定了染色体是基因的载体 基因研究发展到细胞学水平之后 急需解决两个基本问题 1 基因的化学本性是什么 2 基因是如何工作的 2 基因与DNA 在研究基因的化学本质上 细胞化学起了重要作用 细胞化学研究表明 染色体的主要成分是蛋白质和核酸 那么 基因究竟是蛋白质还是核酸 蛋白质作为生命物质的主要成分和生命活动的体现者 它不仅参与所有的生命过程 而且它的化学结构也有多样性和可塑性 所以在相当一段时间里 学术界认为基因是蛋白质 认为只有像蛋白质这样复杂的大分子才能决定细胞的特征和遗传 认识到基因的化学本质是核酸而不是蛋白质 经历了一段漫长的历史过程 发现DNA的遗传功能 始于1928年格里菲斯 P Griffith 所做的用肺炎双球菌感染小鼠的实验 FredericGriffith1879 1941 一 转化实验1928年 英国医生F Griffith首次发现 试验菌 Streptococcuspneumoniae 肺炎链球菌 S型 致病菌株 具夹膜 菌落表面光滑 smooth R型 非致病菌株 不具夹膜 菌落外观多褶 rough 试验动物 小鼠 导致R型细菌发生转化的因子 其化学本质究竟是什么 这个问题 与遗传学家提出的 基因的化学本质是什么 实质上是同一个问题 格里菲斯发现的转化现象为以后认识到DNA是遗传物质奠定了基础 在美国纽约洛克菲勒研究所工作的Avery立刻敏感地抓住了这一问题 并在此基础上继续研究 取得了重大突破 他们在实验中发现 死去的S型菌并未复活 而是S型菌的DNA进入了R型菌 使其转化为新的S型致病肺炎双球菌 艾弗里等人的实验不仅揭开了 格里菲斯之谜 并且在世界上第一次证明基因就在DNA上 艾弗里等人的实验证据 分离S型死菌的提取液 分别检测各分离组分 蛋白质 类脂 多糖 RNA和DNA 的转化活性 只有DNA具有转化因子活性 进一步的实验 用化学法和酶法 去除S型死菌抽提物中的蛋白质 类脂 多糖和RNA 抽提物的剩余物质 R型 转化 S型1944年 他们确认 转化因子 就是DNA 艾弗里等人的试验和结论是对DNA认识史上的一次重大突破 彻底改变了DNA在生物体内无足轻重的传统观念 但当时的主流观点并不接受艾弗里DNA是遗传物质的观念 认为提取的DNA无论如何纯净 仍然可能有残余的蛋白质 蛋白质才是有活性的转化因子 针对学术界的否定意见 艾弗里于1946年用蛋白酶 RNA酶和DNA酶分别处理肺炎球菌的细胞抽提物 结果 1 可以破坏 消化蛋白质的胰蛋白酶和糜蛋白酶不影响转化活性 2 分解 消化RNA 而不是消化分解DNA 的RNA酶对转化活性无影响 3 在加入分解 消化DNA的DNA酶后 转化活性丧失 这些实验进一步证明了DNA作为遗传信息载体的功能 发现遗传物质的化学本质是DNA 这是基因研究上一个重要的里程碑 但在当时 这项重要的发现并未引起足够的重视 艾弗里虽曾被提名为诺贝尔奖的候选人 但当时评奖委员会认为 最好等到DNA的转化机理更多地为人们所了解的时候再说 可是 当争议平息 诺贝尔奖评选委员会准备授奖之时 他已经去世了 当人们为艾弗里的实验而激烈争论时 研究噬菌体的美国微生物学家赫尔希等人在考虑 能否将蛋白质和DNA完全分开 单独观察DNA的作用呢 他们受赫里奥特思路的启发设计了一个精巧的噬菌体感染实验 赫尔希与德尔布吕克和卢里亚一起 获1969年的诺贝尔生理学医学奖奖 AlfredDayHershey 1908 1997 二 噬菌体感染试验 1952年 A D Hershey和M Chase利用示踪元素对大肠杆菌T2噬菌体的吸附 增殖和释放进行了一系列的研究 示踪元素 35S 标记蛋白质 32P 标记DNA 试验微生物 大肠杆菌T2噬菌体 试验 分两组 噬菌体的感染实验 让这两种T2噬菌体侵染不含标记元素的大肠杆菌 并在T2噬菌体完成吸附和侵入后 强烈搅拌洗涤 使吸附在菌体外表的T2噬菌体蛋白质外壳脱离细胞并均匀分布 再进行离心沉淀 分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记 结论 说明在噬菌体感染过程中 其蛋白质外壳根本未进入宿主细胞 进入细胞的只有DNA 而进入宿主细胞的DNA可以使整个T2噬菌体复制完成 因此证实了DNA是噬菌体遗传信息的载体 三 植物病毒的拆开与重建实验 1956年 H Fraenkel Conrat用两株植物病毒进行的试验 试验用病毒 TMV 烟草花叶病毒HRV 霍氏车前花叶病毒感染分离纯化感染分离纯化原始拆开重建杂合的罹病的重新分离病毒株病毒烟叶的病毒 人们彻底摒弃蛋白质是基因的化学本质的概念 是在1953年沃森和克里克提出著名的DNA双螺旋分子结构模型之后 1953年4月25日英国的 Nature 刊登了沃森和克立克的DNA的双螺旋结构模型 这一天是分子生物学的诞生日 JamesDeweyWatson 1928 FrancisHarryComptonCrick 1916 1953年 DNA双螺旋结构模型被提出来了 两位创立者是美国生物化学家沃森 JamesDeweyWatson 1928 和英国生物物理学家克里克 FrancisHarryComptonCrick 1916 获1962年的诺贝尔生理学医学奖 富兰克林拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片 这张照片正是发现DNA结构的关键 DNA双螺旋模型 DNA分子双螺旋结构模型的发现 是生物学史上的一座里程碑 为DNA复制提供了构型上的解释 使人们对DNA作为基因的物质基础不再怀疑 奠定了分子遗传学的基础 DNA双螺旋模型在科学上的影响是深远的 从1857年孟德尔进行豌豆杂交实验算起 经过无数科学家近百年的探索 蒙在生命遗传奥秘上的面纱正在一层层地剥去 科学探索的道路是螺旋式的 科学家们在阶梯上不断攀登 一个新的螺旋展现在他们的眼前 而这将引起一场生命科学的革命 最初由孟德尔提出的遗传因子的概念 通过摩尔根 艾弗里 赫尔希和沃森 克里克等几代科学家的研究 已经使生物遗传机制建立在遗传物质DNA的基础之上 第二节核酸的化学结构 一 两种核酸及其分布1 核酸的组成以核苷酸为单元构成的多聚体 是一种高分子化合物 二 DNA的分子结构 DNA的一级结构不仅以密码子形式蕴藏了遗传信息 还决定了DNA的二级结构 实现了一定程度上对遗传信息复制和表达的调控 DNA双螺旋结构的特点 虽然碱基只有4种 但各种碱基对排列顺序没有限制 即假定某一段DNA分子链有100个碱基对 则该段就有4100各不同的排列组合形式 即可有4100种不同性质的基因 现知 基因就是DNA分子链上的一个特定的区段 其平均大小约为1000个碱基对 这说明对DNA分子贮存了大量正常和变异的遗传信息 满足了生物的遗传和多样性的要求 特别是通过DNA分子的准确复制 又可使遗传信息得到稳定和连续的传递 三 RNA的分子结构与DNA的区别 第四节DNA的复制 在原核生物中 DNA链上不存在内含子 因此转录和翻译过程比真核生物简单 第五节基因的表达 DNA如何储存并表达遗传信息 这个问题引起了很多物理学家的兴趣 1945年 薛定谔在 生命是什么 一书中提出了遗传密码的概念 1954年 物理学家伽莫夫提出三联体密码的概念 1961年 尼伦伯格和马太利用三联体密码合成了由笨丙氨酸组成的多肽长链 到1966年 64种遗传密码的含义全部得到了解答 形成了一部密码辞典 二 蛋白质的生物合成 蛋白质是由20种不同的氨基酸组成的 每种蛋白质都有其特定的氨基酸序列 DNA是由4种不同的核昔酸组成的 每种生物的DNA也各有其特定的核苷酸序列 核苷酸序列的不同 表现为碱基 遗传密码 的不同 因为它们的骨架 脱氧核糖与磷酸根是完全一样的 大量的试验证明 这两种序列之间有平行的线性关系 也就是说 碱基序列决定了氨基酸的序列 DNA的碱基序列决定氨基酸序列的过程即蛋白质的合成过程 实际上包括遗传密码的转录和翻译两个步骤 转录就是以DNA双链之一的遗传密码为模板 把遗传密码以互补的方式转录到信使核糖核酸 mRNA 上 翻译就是mRNA携带着转录的遗传密码附着在核糖体上 把由转运核糖核酸 tRNA 运来的各种氨基酸 按照mRNA的密码顺序 相互连接起来成为多肽链 并进一步折叠起来成为有活性的蛋白质分子 所以蛋白质的合成是mRNA tRNA rRNA和核糖体协同作用的结果 基因的表达 三 现代分子遗传学关于基因的概念 1 现代基因概念DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列 是遗传物质的最小功能单位 合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列 除部分病毒RNA 即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核苷酸序列 还包括为保证转录所必需的调控序列 基因组 携带生物体全部遗传信息的核酸量 从分子水平来说 基因有3个基本特性 1 基因可自体复制 2 基因决定性状 3 基因突变 原核细胞绝大部分DNA都是可转录为RNA的 不转录的DNA仅占5 左右 很少有重复的DNA序列 真核细胞中的DNA核苷酸系列有很多是没有表达功能的 即没有基因作用的 有基因功能的不超过10 例如人的DNA序列中有基因功能的估计只有3 左右 基因组的基因之间常有许多重复的核苷酸序列 2 基因的功能类别 1 蛋白质基因 其最终产物为蛋白质 结构基因 structuregene 编码酶和结构蛋白的基因 结构基因的突变可导致特定蛋白质 或酶 一级结构的改变或影响蛋白质 或酶 量的改变 调节基因 regulatorgene 指某些可调节控制结构基因表达的基因 调控基因的突变可以影响一个或多个结构基因的功能 或导致一个或多个蛋白质 或酶 量的改变 2 RNA基因 其最终产物是tRNA和rRNA 3 不转录的基因 不产生任何产物 对基因表达起调节控制作用 启动基因 启动子 启动区 转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位 操纵基因 位于结构基因 一个或多个 的前端 与阻遏蛋白或激活蛋白结合 控制结构基因活动的DNA区段 是操纵结构基因的基因 3 基因的几种特殊形式 1 重复基因 指在基因组中有多份拷贝的基因 往往是生命活动中最基本 最重要的基因 2 重叠基因 指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列 或是指一段DNA序列为两个或两个以上基因的组成部分 3 断裂基因 指基因的编码序列在DNA分子上是不连续排列的 而是被不编码的序列所隔开 编码的序列称为外显子 对应于mRNA序列的区域 是一个基因表达为多肽链的部分 不编码的间隔序列称为内含子 内含子只转录 在前mRNA pre mRNA 时被剪切掉 大多数真核生物的基因为不连续基因 interrupted或discontinuousgene 或断裂基因 splitgene 外显子 内含子 外显子 外显子 外显子 内含子 4 跳跃基因 jumpinggene 指可在DNA分子间进行转移的DNA片段 也称为转座遗传因子 transposablegeneticelement 转座元件或转座基因 transposableelement TE 可动基因 mobilegene 美国女遗传学家麦克林托克于1951年提出了可移动的遗传基因 即 跳跃基因 学说 基因可从染色体的一个位置跳跃到另一个位置 甚至从一条染色体跳跃到另一条染色体 为研究遗传信息的表达与调控 生物进化与癌变提供了线索 于1983年获诺贝尔奖 BarbaraMcClintock1902 1992 5 假基因即与正常功能基因顺序基本相同却不具有控制蛋白质合成的功能的基因 在真核生物中是很普遍存在 形成的主要原因是碱基对缺失或插入以致不能正常编码 第六节基因突变 一 突变的概念 基因突变是摩尔根于1910年首先肯定的 他在大量的红眼果绳中发现了一只白眼突变果绳 大量研究表明在动 植物以及细菌 病毒中广泛存在基因突变的现象 黑眼睛老鼠 红眼白老鼠 黄种人 白化人 出现频率约5 10万分之一 小麦红粒 白粒 水稻矮生性 棉花短果枝 玉米的糯性胚乳等性状 不同皮色的老鼠 不同肤色的蛇 不同翅形的果蝇 不同眼色的果蝇 孔雀翅膀羽色的变化 白化变异 不同颜色的金鱼草花朵 月季的红花和白花 彩色棉 苹果熟色变异 柑橘无籽变异 突变 Mutation 突变是遗传物质的一种可遗传的变化 形态和功能改变是以遗传的变化为基础的突变包括染色体数量的变化 染色体结构的变化和染色体上基因本身的变化等多种多样的现象 返回 先天愚型病患者有三条21号染色体 新生儿患病概率与母亲年龄有关 先天愚型病患者有独特的面部特征 下图 二 突变率与突变频率 突变率 每一个细胞每一个世代中发生突变的概率 突变率的测定在群体遗传学 进化的研究以及诱变育种中等方面非常重要 突变频率 在一个液体培养基培养的细菌 在一定数目的野生型细菌中出现的突变型数目 突变率是按一个世代来计算的 如某一个细菌 其突变率10 8 就是指108个细菌分裂成2xl08个细菌时 平均出现1个突变株 突变率的计算 M 出现突变株的数量N2 测定时的菌落总数N1 接种时的菌落总数 携带突变基因的细胞或个体 称为突变体 没有发生基因突变的细胞或个体称为野生型 基因突变可发生在个体发育的任何阶段 以及体细胞或生殖细胞周期的任何分期 如果突变发生在体细胞中 突变的变异只能在体细胞中传递 因此体细胞突变不能直接遗传下代 生殖细胞的突变率比体细胞高 主要因为生殖细胞在减数分裂时对外界环境具有较高的敏感性 如果显性突变基因在生殖细胞中发生 它们的效应可能通过受精卵而直接遗传后代并立即在于代中表现出来 如果突变基因是隐性的 则其效应就可能被其等位基因所遮盖 如果突变发生在某一配子中 那么 在子代中只有某一个有可能承继这个突变基因 如果突变发生在配子发生的早期阶段 如发生在成熟分裂的性母细胞 则多个配子都有可能接受这个突变基因 因此 突变基因传到后代的可能性就会增加 三 微生物基因突变的类型 根据突变发生的方式 根据突变体表型特征的不同 根据遗传信息的改变 自发突变 诱发突变 形态突变型 生化突变型 致死突变型 条件致死突变型 错义突变 同义突变 无义突变 根据遗传物质的结构改变 碱基置换 移码 DNA片段的缺失和插入 造成形态改变的突变型 包括影响细胞形态的突变型以及影响细菌 霉菌 放线菌等的菌落形态以及影响噬菌体的噬菌斑的突变型 前者例如影响孢子颜色 鞭毛的有无等突变型 后者例如影响细菌菌活表面光滑或粗糙 影响噬菌斑的大小和清晰程度等突变型 形态突变型 按突变体表型特征分 形态突变型 按突变体表型特征分 生化突变型 指没有形态效应的生化突变型 最为常见的是营养缺陷型 营养缺陷型是由于代谢过程的缺陷而成为必需某种物质才能生长的突变型 它们在微生物遗传学研究中应用非常广泛 抗药性突变也是微生物遗传学中常用的一类生化突变型 按突变体表型特征分 造成个体死亡或生活力下降的突变型 后者称为半致死突变型 一个隐性的致死突变基因可以在二倍体生物中以杂合状态保存下来 可是不能在单倍体生物中保存下来 所以致死突变在微生物中研究得不多 致死突变型 按突变体表型特征分 在某一条件下具有致死效应而在另一条件下没有致死效应的突变型 广泛应用的一类是温度敏感突变型 这些突变型在一个温度中并不致死 所以可以在这温度中保存下来 它们在另一温度中是致死的 通过它们的致死作用 可以用来研究基因的作用等问题 条件致死突变型 按突变体表型特征分 遗传学上常用的几个突变株 1 营养缺陷型突变株由于代谢障碍而成为必胡添加某种物质才能生长的突变株 不添加腺嘌呤 添加腺嘌呤 2 温度敏感突变株 指可在某一温度下生长而在另一温度下不生长的突变株 这类突变是由于某一蛋白质的氨基酸发生改变 造成蛋白质或一级结构的改变 这样蛋白质只有在许可的温度下才能维持空间结构 具有正常的生物活性 当达到限制温度时 该蛋白就要变性失去功能 大肠杆菌 20 40 能很好的生长 大肠杆菌 40 不能生长 3 抗性突变株 指对某种药物具有一定抵抗能力的突变株 链霉素抗性突变株可以在加放1000u ml链霉素的培养基上生长 而野生型则不能生长 加入1000u ml链霉素 不加入1000u ml链霉素 中性突变 neutralmutation 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 silentmutation 蛋白质中相应位点是发生了相同氨基酸的取代 即同义突变 按遗传信息的改变方式分 基因突变的种类 错义突变 missensemutation 指碱基序列的改变导致基因产物 尤其是氨基酸序列的改变 错义突变若是刚好影响到蛋白质活性中心的氨基酸序列 将产生严重的后果 如果发生突变的基因是看家基因 错义突变可能成为致死突变 无义突变 mutation 由于一对或几对碱基对的改变而使决定某一氨基酸的密码子变成一个终止密码子的基因突变叫无义突变 按遗传信息的改变方式分 基因突变的种类 讨论 调控基因突变的后果 四 基因突变的规律 自发性随机性独立性稳定性可逆性稀有性 以细菌的抗药性突变为例来说明这些规律 波动试验充分论证了细菌对于各种药物的抗性突变都和药物存在无关 在一个包括亿万个细菌的群体中 可以得到抗链霉素的突变型 也可以得到抗这一种或那一种药物的突变型 可是抗某一种药物的突变型细菌往往并不抗另一种药物 也就是说各个抗性突变的发生是独立无关的 对于各种药物的抗性突变的发生彼此独立无关 艾姆氏试验的基本方法 缺陷型菌株 营养缺乏型平板 37 2 3天 待测试剂 图8 10 正常回复突变 诱变剂诱变 艾姆氏试验已成为测试化学物质诱变作用的标准方法 其原理是检验待测试剂能否使营养缺陷型菌株的回复突变增加 抗药性突变型的稳定性 抗药性 基因突变 生理适应 蜡状芽抱杆菌等的青霉素霉是一种诱导酶 细菌接触青霉素后细胞中使出现大量的青霉素酶 对于青霉素的抗性便相应地提高 可是这种抗性在程度上不及由于基因突变而造成的抗性 而且是不稳定的 细菌停止接触青霉素后抗性便很快地消失 稳定的遗传在不含有链霉素的培养基上接种传代无数次 它的抗药性丝毫没有改变 细苗常表现出交叉抗性现象 表面上看是该菌对两种抗生素同时出敏感变为抗性 但究其本质 并不是由于基因突变的相关性 而是由于某一基因突变所产生的表型效应带有相关性 例如 当与细胞壁透性有关的基因发生突变时 细胞即可在表型上表现出对两种以上的药物的抗性 又如对两种结构和作用机理相似的抗生素 若细胞发生了影响其相应生理功能的基因突变后 也会表现出双重抗性 野生型基因可以通过突变而成为突变型基因 那么突变型基因会不会通过突变而成为野生型基因呢 抗药性基因的回复突变 突变 基本培养基 大肠杆菌色氨酸和乳糖营养缺陷型突变株 野生型大肠杆菌 诱变处理 基本培养基 诱变处理 基本培养基 五 突变的分子机制 基因相当于染色体上的一点 称为位点 1ocus 细胞水平 一个位点还可以分成许多基本单位 称为座位 分子水平 一个座位一般指的是一个核苷酸对 其中一个碱基发生改变 可能产生一个突变 突变就是基因内不同座位的改变 这种由突变子的改变而引起的突变称为真正的点突变 DNA分子中的碱基 碱基对数目或碱基序列的改变 染色体 形态 数目 发生改变 突变的分子机制 突变的原因 突变的原因 自发突变 诱发突变 DNA复制错误 环境因素 自身代谢产物的诱变 1 DNA复制错误 A 以DNA为模板按碱基配对进行DNA复制是一个严格而精确的事件 但也不是完全不发生错误的 碱基配对的错误频率约为10 1 10 2 在DNA复制酶的作用下碱基错误配对频率降到约10 5 10 6 复制过程中如有错误的核苷酸参入 DNA聚合酶还会暂停催化作用 以其3 5 外切核酸酶的活性切除错误接上的核苷酸 然后再继续正确的复制 这种校正作用广泛存在于原核和真核的DNA聚合酶中 可以说是对DNA复制错误的修复形式 从而保证了复制的准确性 但校正后的错配率仍约在10 10左右 即每复制1010个核苷酸大概会有一个碱基的错误 1 互变异构效应四种碱基的第六位上的酮基和氨基 胸腺嘧啶 T 和鸟嘌呤 G 可以酮式或烯醇式出现 胞嘧啶 C 和腺瞟呤 A 可以氨基式或亚氨基式出现 平衡一般倾向于酮式和氨基式 因此 在DNA双链结构中以AT和GC碱基对为主 可是在偶然情况下T也会以稀有的烯醇式形式出现 因而在DNA复制到达这一位置的一瞬间 通过DNA多聚酶的作用 在它的相对位置上就不出现A而出现G 如果C以稀有的亚氨基形式出现 在新合成的DNA单链的相对位置上就将是A而不是G DNA除了有酮式一烯醉式互变和氨基式一亚氨基式互变以外 还存在正一反的互变 正一反互变是由碱基一脱氧核糖键的旋转所引起的 转换或颠换 腺嘌呤的亚氨基式能与腺嘌呤或鸟嘌呤的正式配对 鸟嘌呤的烯醇式和亚氨基式也能与鸟嘌呤或腺嘌呤的正式配对 在DNA复制中发生的另一种错误形式是DNA环出或称为跳格 这导致移码突变 小的缺失或增加小的重复单位等 若是模板链的跳格 则会产生碱基对的缺失 若是新合成的链的跳格则会增加碱基对 当DNA中碱基的增减不是3的倍数时 跳格就会引起移码突变 2 环出 微生物所处的环境也是引起自发突变的主要原因 这些因素包括宇宙空间的各种短波辐射 高温的诱变效应以及自然界中普遍存在的一些低浓度诱变物质微生物在自身代谢过程中产生的一些化合物 重氮丝氨酸 过氧化氢等具有诱变作用 例如 用过氧化氢用为诱变剂处理剂加入过氧化氢酶 可以降低诱变作用 2 环境因素和自身代谢产物的诱变 1 脱氨基作用引起 2 脱嘌呤作用引起 3 转座子或插入序列引起 4 不等交换产生重复和缺失突变 突变热点 突变热点是指DNA链中具有很高突变率的碱基位点 不论是在自发突变 还是诱发突变过程中 都不难发现突变热点的存在 突变热点具有远高于一般位点的突变率 除了同一基因内部的不同位点之间存在着差异十分悬殊的突变率外 在同一种生物中的不同基因之间包表现出很大的突变率差异 六 DNA的修复机制 一 DNA的防护机制 回复突变的频率 正突变 抑制 基因间抑制 抑制作用发生在不同的基因间 如 当DNA上某碱基发生了突变 凑巧tRNA上的反密码子也发生了改变 成为野生型 致死和选择 当防护机制未能起到修复突变的作用 而该突变又是致死突变 则该突变体将在群体中被选择所淘汰 DNA修复 DNArepairing 是细胞对DNA受损伤后的一种反应 这种反应可能使DNA结构恢复原样 重新能执行它原来的功能 细胞内存在大量的DNA修复系统去修复DNA损伤 二 DNA的修复机制 1 回复修复这是较简单的修复方式 一般都能将DNA修复到原样 光修复 单链断裂的重接 碱基的直接插入 烷基的转移 回复修复 1 光修复这是最早发现的DNA修复方式 修复是由细菌中的DNA光解酶 photolyase 完成 此酶能特异性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合的二聚体 并与其结合 这步反应不需要光 结合后如受300 600nm波长的光照射 则此酶就被激活 将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体 然后酶从DNA链上释放 DNA恢复正常结构 后来发现类似的修复酶广泛存在于动植物中 人体细胞中也有发现 2 单链断裂的重接DNA单链断裂是常见的损伤 其中一部分可仅由DNA连接酶 ligase 参与而完全修复 此酶在各类生物各种细胞中都普遍存在 修复反应容易进行 但双链断裂几乎不能修复 3 碱基的直接插入DNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点 能被DNA嘌呤插入酶 insertase 识别结合 在k 存在的条件下 催化游离嘌呤或脱氧嘌呤核苷插入生成糖苷键 且催化插入的碱基有高度专一性 与另一条链上的碱基严格配对 使DNA完全恢复 4 烷基的转移在细胞中发现有一种6甲基鸟嘌呤甲基转移酶 能直接将甲基从DNA链鸟嘌呤6位上的甲基移到蛋白质的半胱氨酸残基上而修复损伤的DNA 这个酶的修复能力并不很强 但在低剂量烷化剂作用下能诱导出此酶的修复活性 是修复DNA损伤最为普遍的方式 对多种DNA损伤后重组修复DNA损伤包括碱基脱落形成的无碱基位点 嘧啶二聚体 碱基烷基化 单链断裂等都能起修复作用 这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中 也是人体细胞主要的DNA修复机制 修复过程需要多种酶的一系列作用 2 切除修复 excisionrepair 首先由核酸酶识别DNA的损伤位点 在损伤部位的5 侧切开磷酸二酯键 不同的DNA损伤需要不同的特殊核酸内切酶来识别和切割 由5 3 核酸外切酶将有损伤的DNA片段切除 在DNA聚合酶的催化下 以完整的互补链为模板 按5 3 方向DNA链 填补已切除的空隙 由DNA连接酶将新合成的DNA片段与原来的DNA断链连接起来 这样完成的修复能使DNA恢复原来的结构 切除修复在切除损伤段落后是以原来正确的互补链为模板来合成新的段落而做到修复的 但在某些情况下没有互补链可以直接利用 例如在DNA复制进行时发生DNA损伤 此时DNA两条链已经分开 重组修复不能完全去除损伤 损伤的DNA段落仍然保留在亲代DNA链上 只是重组修复后合成的DNA分子是不带有损伤的 但经多次复制后 损伤就被 冲淡 了 在子代细胞中只有一个细胞是带有损伤