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第十二章突变和重组的机理 第一节突变的分子基础第二节重组的分子基础第三节转座遗传因子 1 第一节突变的分子基础 一 基因突变的种类从DNA碱基顺序改变来分 突变一般可分为碱基置换突变 移码突变 整码突变及染色体错误配对和不等交换4种 一 碱基替 置 换突变一个碱基被另一碱基取代而造成的突变称为碱基替 置 换突变 凡是一个嘌呤被另一个嘌呤所取代 或者一个嘧啶被另一个嘧啶所取代的置换称为转换 transition 一个嘌呤被另一个嘧啶所取代或一个嘧啶被另一个嘌呤所替代的置换称为颠换 transversion 2 第一节突变的分子基础 3 第一节突变的分子基础 二 移码突变移码突变 frame shiftmutation 是指DNA链上插入或丢失1个 2个甚至多个碱基 但不是三联体密码子及其倍数 在读码时 由于原来的密码子移位 导致在插入或丢失碱基部位以后的编码都发生了相应改变 移码突变造成的肽链延长或缩短 取决于移码终止密码子推后或提前出现 三 整码突变如果在DNA链的密码子之间插入或丢失一个或几个密码子 则合成的肽链将增加或减少一个或几个氨基酸 但插入或丢失部位的前后氨基酸顺序不变 称为整码突变 codonmutation 或密码子插入或丢失 codoninsertionordeletion 4 第一节突变的分子基础 四 染色体错误配对不等交换染色体错误配对不等交换 mispairedsynapsisandunequalcrossing over 减数分裂期间 同源染色体间的同源部分发生联会和交换 如果联会时配对不精确 会发生不等交换 造成一部分基因缺失和部分基因重复 二 基因突变的分子效应由于碱基置换导致核苷酸顺序的改变 对多肽链中氨基酸顺序的影响 有下列几种类型 一 同义突变由于密码子具有兼并性 因此 单个碱基置换后使mRNA上改变后的密码子与改变前所编码的氨基酸一样 肽链中出现同一氨基酸 同义突变不易检出 据估计 自然界中这样的突变频度占相当高比例 5 第一节突变的分子基础 DNA CTA CTGmRNA GAU GACPr ASP ASP 6 第一节突变的分子基础 二 错义突变指DNA分子中的核苷酸置换后改变了mRNA上遗传密码 从而导致合成的多肽链中一个氨基酸被另一氨基酸所取代 这种情况称为错义突变 missensemutation 错义突变结果产生异常蛋白质和酶 但也有不少基因由于错义突变而产生部分降低活性和异质组分的酶 从而不完全抑制了催化反应 有些错义突变不影响蛋白质或酶的生物活性 因而不表现出明显的表型效应 三 无义突变当单个碱基置换导致出现终止密码子 UAG UAA UGA 时 多肽链将提前终止合成 所产生的蛋白质 或酶 大都失去活性或丧失正常功能 此种突变称为无义突变 non sensemutation 7 第一节突变的分子基础 DNA ACC CCCmRNA UGG GGGPr Trp Gly色氨酸甘氨酸 DNA ACC ATCmRNA UGG UAGPr Trp 终止 8 第一节突变的分子基础 四 终止密码突变当DNA分子中一个终止密码发生突变 成为编码氨基酸的密码子时 多肽链的合成将继续进行下去 肽链延长直到遇到下一个终止密码子时方停止 因而形成了延长的异常肽链 这种突变称为终止密码突变 terminationcodonmutation 这也是种延长突变 elongtionmutation 五 抑制基因突变当基因内部不同位置上的不同碱基发生了两次突变 其中一次抑制了另一次突变的遗传效应 这种突变称为抑制基因突变 suppressorgenemutation 例如HbHarlem是 链第6位谷氨酸变成缬氨酸 第73位天冬氨酸变成天冬酰胺 如果单纯 6谷氨酸 缬氨酸 则可产生HbS病 往往造成死亡 但HbHarlem临床表现却较轻 即 73的突变抑制了 6突变的有害效应 9 第一节突变的分子基础 三 化学诱变因素及其机理 一 碱基类似物诱发突变碱基类似物 一种化合物的分子结构与4种天然化合物的结构类似 在化学反应中取代了天然化合物 引起错误配对 从而由一个碱基对代替另一个不同的碱基对 常见的碱基类似物有5 溴尿嘧啶 BU 和2 氨基嘌呤 AP 10 第一节突变的分子基础 例如 5 溴尿嘧啶 BU 是胸腺嘧啶 T 的结构类似物引起的碱基替换 正常情况 A T 酮式BU A 烯醇式BU G 少见 当BU参与DNA复制时 BU在酮式与烯醇式之间转换 结果G CA T 11 第一节突变的分子基础 A A 图10 95 溴尿嘧啶诱变机理 复制时掺入掺入后第一次复制掺入后第二次复制 12 第一节突变的分子基础 2 氨基嘌呤 2 AP 它是一种腺嘌呤的类似物 它可和胸腺嘧啶配对 当2 AP以和胸腺嘧啶配对形式进人DNA后 它可再和胞嘧啶配对 从而产生A T到G C的转换 或当2 AP以和胞嘧啶配对形式进人DNA后再和胸腺嘧啶配对后产主G C到A T的转换 2 氨基嘌呤 13 第一节突变的分子基础 14 第一节突变的分子基础 二 DNA修饰物 碱基作用物 诱发突变 DNA修饰物 通过化学变化改造DNA分子结构的物质 其作用与DNA复制无关 三类 亚硝酸 烷化剂 羟胺 1 亚硝酸 HNO2 是一种很有效的诱变剂 已知可以引起许多生物的突变 如烟草花叶病病毒 T T 和E coli等 15 第一节突变的分子基础 已知亚硝酸有氧化脱氢作用 它使腺嘌呤 脱去氨基 成为次黄嘌呤 H 使胞嘧啶 C 脱去氨基 成为尿嘧啶 U 使鸟嘌呤 G 脱去氨基 为黄嘌呤 脱氨后生成的次黄嘌呤跟胞嘧啶配对 脱氨后生成的尿嘧啶跟腺嘌呤配对 黄嘌呤不能跟其它任何碱基配对 所以这种改变可能对细胞是致死的 16 第一节突变的分子基础 17 2 烷化剂 一类具有一个或多个活性烷基的化合物 并不掺入DNA而是通过改变碱基的结构从而引起特异性错配芥子气 硫酸二乙酯 DES 甲基磺酸乙酯 EMS 乙烯亚胺 EI 亚硝基胍等 1 主要是使DNA中的碱基发生烷化作用 例如EMS能使鸟嘌呤的N位置上带有乙基 成为7一乙基鸟嘌呤 这种鸟嘌呤不与胞嘧啶配对 而与胸腺嘧啶配对 故能使G一C转换成A T 2 烷化剂的另一作用是脱嘌呤 例如烷基在鸟嘌呤N位上活化 糖苷键而引起断裂 使嘌呤整个地从DNA链上脱下来 产生一个缺口 复制时 在与缺口对应的位点上就可能配上任何一个碱基 从而引起转换或颠换 而且 去嘌呤后的DNA也容易发生断裂 引起缺失或其他突变 烷化作用主要发生在碱基的N1 N3 N7位置上 最容易发生在G的N7位置上 形成7 烷基鸟嘌呤 7 烷基鸟嘌呤可与胸腺嘧啶配对烷化作用主要发生在碱基的N1 N3 N7位置上 最容易发生在G的N7位置上 形成7 烷基鸟嘌呤 7 烷基鸟嘌呤可与胸腺嘧啶配对 从而产生GC AT的转换 从而产生GC AT的转换 18 第一节突变的分子基础 19 第一节突变的分子基础 3 羟胺 HA 是一种还原剂 可将胞嘧啶 C 上的氨基变为醇基 使C与A配对 从而是GC对转换为AT对 20 第一节突变的分子基础 三 嵌合剂导致突变作用 能够结合到DNA分子中 引起DNA分子中遗传密码的阅读顺序发生改变 从而导致突变 吖啶类 如原黄素 吖黄素 吖啶黄 分子扁平 能插入DNA相邻碱基对间 使DNA分子双链歪斜 导致交换时出现不等交换 产生的重组分子一个碱基多 一个碱基少 21 第一节突变的分子基础 22 第一节突变的分子基础 23 第一节突变的分子基础 24 第一节突变的分子基础 编码顺序改变与血红蛋白病 1 碱基替换 镰形细胞贫血症 患者 HbSHbS能产生血红蛋白S正常 HbAHbA能产生血红蛋白AHbAHbs能产生血红蛋白A与S血红蛋白A与S所带电荷不同导致迁移率不同 通过电泳可以区分开来 25 第一节突变的分子基础 26 第一节突变的分子基础 2 终止密码子突变 终止密码子突变 使突变后的密码子能编码某一氨基酸 使肽链合成延长 3 移码突变 使合成的肽链延长或缩短 一基因一条多肽链 27 第二节重组的分子基础 一 基因重组的可能机理 1 染色体断裂愈合模型1 联会时 两同源染色体互相缠绕形成相关螺旋 染色体内扭力和染色单体间的扭力保持平衡 2 染色体分成染色单体时 同源染色体间的引力被斥力代替 平衡受破坏 只有当两个非姊妹染色单体在同一点上同时断裂时 平衡才得以恢复 3 染色单体断裂后 断裂端螺旋部分松开 一个单体的断裂端跟另一非姊妹单体的相应断裂端接触 互相愈合 形成重组的染色单体 28 第二节重组的分子基础 重组并不总是相互的 4 4 不能解释链孢酶出现的5 3和6 2的分离比 29 第二节重组的分子基础 2 模写选择模型 重组是复制的直接结果在复制过程中 子染色体可以调换模板 本来是以某一亲本染色体为模板 可以转而以另一亲本为模板 1 复制为全保留 违反半保留复制的原则 2 仅限于二线交换 无三线 四线双交换 3 配对交换在M期 复制在S期 30 第二节重组的分子基础 32 第二节重组的分子基础 二 基因转变面包酵母 突变基因pdxp 在培养基中添加吡哆醇才能生长 对酸度敏感 突变基因pdx 吡哆醇需要型突变 对酸度不敏感 pdxp pdx 33 第二节重组的分子基础 出现的频率比突变率高 34 第二节重组的分子基础 基因转变 一个基因转变为另一个等位基因 转换区外的基因重组是正常的交互方式 粪生粪壳菌g 决定子囊孢子的灰色g 决定子囊孢子的黑色g g 200 000子囊 其中0 06 5 30 05 6 20 008 3 1 1 3或异常的4 4 35 第二节重组的分子基础 正常分离 染色单体转变 半染色单体转变 36 第二节重组的分子基础 37 第二节重组的分子基础 染色单体转变 在6 2或2 6子囊中 减数分裂的4个产物 有一个产物发生基因转变 半染色单体转变 在5 3或3 1 1 3的子囊中 减数分裂的4个产物 有一个或两个产物的一半发生基因转变 转变可以影响到一个DNA分子双链 也可以影响到其中一条链 减数后分离 分离发生在减数分裂后的有丝分裂中 基因转变和重组相关 减数后分离 post meioticsegregation 其异常分离在重组过程中形成的杂合双链DNA分子没有得到及时较正 在随后有丝分裂中随着DNA复制和染色单体分裂所致 38 第二节重组的分子基础 特征 具高保真性 即转换后的等位基因与转换者完全相同 转换事件往往与邻位的交换事件相伴而生 交换频率比转换频率高好几倍 且涉及到相同的染色单体 转换会提高相邻交换的负干涉系数 极性化分离 39 第二节重组的分子基础 三 遗传重组的分子基础 杂种DNA模型 Holliday模型 AB ab ab ab AB AB 40 第二节重组的分子基础 AB ab AB ab A B a b 41 第二节重组的分子基础 A B a b A B b a A B b a A b a B A B a b 42 第二节重组的分子基础 g 或 是ACAGTg 或 是ACATTTGTCATGTAA异源双链DNA区域为ACAGTTGTAA 43 第二节重组的分子基础 44 第二节重组的分子基础 基因转变实质 是异源双链DNA错配的核苷酸对在修复校正过程中所发生的一个基因转变为他的等位基因的现象 45 第三节转座遗传因子 46 第三节转座遗传因子 BarbaraMcClintock美国女遗传学家 20世纪40年代开始研究Ac Ds 花了20年时间 终生没有结婚 47 第三节转座遗传因子 McClintock认为 已知有色基因C 第九染色体上 是显性 可使籽粒有色 但在C旁有一个基因叫Ds 它能抑制了基因C的作用 使籽粒无色 当Ds从C上移走后 C作用恢复 出现颜色 Ds从C上移走的早 花斑就大 反之就小 因此花斑的大小是Ds从C上移走的早晚引起的 Ds的移动还受另一个因子 Ac 的控制 当Ac存在时 Ds可移动 Ac丢失 则Ds不能移动 48 第三节转座遗传因子 49 第三节转座遗传因子 概念转座遗传因子 transposablegeneticelement 细胞中能改变自身位置的一段DNA顺序 一些基因可以从染色体的一个基因座位转到另一个基因座位 该特性称转座 这些基因叫转座子 trsnsposon 又叫跳跃基因 jumpinggenes 解离因子 Ds dissociation 可使染色体在近旁断裂的机会增加 并因此改变邻近基因的表型效应 激活因子 Ac activator 可位于基因组中任何其他地方 Ac的存在可以解除Ds对C的抑制作用 使色素基因C得以表达 50 第三节转座遗传因子 一 转座子的分类和结构特征 一 原核生物转座子的类型 1 插入序列 insertionsequences IS 最简单的转座子 二个分离的反向末端重复序列 invertedterminalrepeats ITR 一个转座酶 transposase 编码基因 51 2 复合转座子 类转座子 由IS类转座组件构成的复合体 组成 两端为IS中间编码抗生素物质 3 复杂转座子 类转座子 TnA家族 携带转座和耐药等基因的独立体家族 组成 两端为ITR 而不是IS中