第04章基因和染色体PPT课件

.,1,第四章基因和染色体,.,2,第一节基因突变和表观遗传变异一、基因突变概说突变：遗传物质的改变。畸变：染色体数目和结构（大范围）的改变。可在显微镜下看见。基因突变或点突变：基因的一种等位形式变成另一种等位形（DNA小范围的改变）。一般在显微镜下看不到，但通常在表型上有所表现。传统上，突变一般指基因突变（范围小）。,.,3,自发突变：在自然情况下产生的突变。自发突变的原因：自然射线如宇宙射线、生物体的放射性元素如放射性碳、钾等。温度的极端变化。环境化学物质。细胞代谢物：因种子贮存久了常增加突变率，陈旧种子提取物可致突变。,第一节基因突变和表观遗传变异,一、基因突变概说,.,4,诱发突变：人为地通过物理的或化学的方法诱发产生的突变。诱变剂(mutagen)：所有能诱发基因突变的因子。由于癌的发生也同基因突变密切相关，因此，诱变剂往往同时也具有致癌作用，是一种致癌物(carcinogen)。,第一节基因突变和表观遗传变异,一、基因突变概说,.,5,突变率(mutationrate)：在一个世代中或其他规定的单位时间内，一个细胞发生某一突变事件的概率。有性生殖的生物中突变率：通常用一定数目配子中的突变型配子数来表示。无性生殖的细菌中突变率：用一定数目的细菌在一次分裂过程中发生突变的次数来表示。特定基因的自发突变率：高等生物：110101105细菌：110104104,不同的生物，有不同的突变率；同一生物的不同基因也有不同的突变率。,第一节基因突变和表观遗传变异,一、基因突变概说,.,6,1.稀有性：1101041042.随机性：基因的突变是不定向的，也就是说，突变发生在什么基因、什么位置并不对应于诱变因子。比如，低温并不引起耐寒的突变，使用青霉素并不引起抗青霉素的突变。可是，在低温条件下，的确可以找到抗寒的作物；用了青霉素后，有些细菌确是出现了抗药性。这是为什么呢?其实，低温和青霉素在这里只是一种选择因子。,2.突变的三个基本规律,3.可逆性：正向突变(forwardmutation)：从野生型变为突变型。回复突变(backmutation)或逆向突变(reversemutation)：从突变型变回成野生型。,第一节基因突变和表观遗传变异,一、基因突变概说,.,7,二、点突变和移码突变,1.转换(transition)：一种嘌呤置换了另一种嘌呤或一种嘧啶置换另一种嘧啶。2.颠换(transversion)：即嘌呤和嘧啶之间的互。转换比颠换更为常见。,碱基置换,1点突变（碱基置换）：单个碱基对的置换。,第一节基因突变和表观遗传变异,.,8,根据基因转录和翻译产生的蛋白质可以把点突变分为,同义突变(same-sensemutation)或中性突变(neutralmutation)：突变没有改变最后产生的蛋白质的结构和功能（即使改变了所编码的个别氨基酸）。错义突变(missensemutation)：突变改变了最后产生的蛋白质的结构和功能，成为另一种蛋白质。这种点突变大多数发生在密码子的第一位或第二位核苷酸。无义突变(nonsensemutation)：一个编码氨基酸的密码子，变成了一个终止密码子。产生截短的蛋白质片段，这种蛋白质往往是没有活性的。,1点突变（碱基置换）,第一节基因突变和表观遗传变异,.,9,2.移码突变(frameshiftmutation):基因的编码序列中增加或缺失几个核苷酸，使下游阅读框发生改变。整码突变(inframemutation)：当插入或缺失的核苷酸数目是3的整倍数时，其结果是密码子的插入或缺失，不引起下游阅读框的改变。突变热点(hotspot)：容易发生突变的位点。,二、点突变和移码突变,第一节基因突变和表观遗传变异,.,10,三、自发突变的分子基础,DNA复制错误,1）互变异构作用,2）环出效应（滑移错配）,第一节基因突变和表观遗传变异,.,11,1）互变异构机制a.四种碱基都以互变异物形式存在（以左边占绝对优势）：b.当DNA复制到某碱基进行配对的瞬间，碱基以稀有的形式出现时，就引起置换。,T（酮式）T（烯醇式）,AG,N,HN,O,O,H,CH3,N,N,O,HO,H,CH3,T（酮式）,T（烯醇式）,三、自发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,12,G（酮式）G（烯醇式）,CT,N,N,H,N,NH,O,N,N,H,N,N,OH,G（酮式）,G（烯醇式）,NH2,NH2,1）互变异构机制,三、自发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,13,A（氨基式）A（亚氨基式）,TC,N,N,H,N,N,HNH,N,N,H,N,NH,HN,A（氨基式）,A（亚氨基式）,1）互变异构机制,三、自发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,14,C（氨基式）C（亚氨基式）,GA,N,N,O,HHN,H,H,N,HN,O,HN,H,H,C（氨基式）,C（亚氨基式）,1）互变异构机制,三、自发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,15,2）环出效应（滑移错配）,-T-T-C复制方向-A-A-G-G-T-A-,-T-T-C-A-A-A-GT-A-,G,环出，产生AT配对,-T-T-C-A-A-T-A-A-G-G-T-A-,恢复正常,三、自发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,16,四、诱发突变的分子基础1.辐射辐射的诱变作用始见三十年代X射线对微生物的诱变作用。,辐射诱变,直接间接：辐射使DNA以外的物质发生变化，变化的物质再作用于DNA引起突变。,DNA释放电子，产生离子，骨架断裂，引起畸变。形成T二聚体，致使复制差错引起突变或影响正常转录和复制而致死。,第一节基因突变和表观遗传变异,.,17,非电离辐射紫外线（UV）紫外线是一种使用最早、应用广泛、效果明显的物理诱变剂。它的诱变率高，且不易回复突变。在工业微生物育种史上曾经发挥过及其重要的作用，迄今仍然是微生物育种中最常用和有效的诱变剂之一。紫外线的诱变机制:DNA吸收紫外线后，可引起：DNA与蛋白质的交联胞嘧啶与尿嘧啶之间的水合作用DNA链的断裂链内和链间的嘧啶二聚体：这是最主要的引起突变的原因。,第一节基因突变和表观遗传变异,.,18,1NH,HN,O,O,CH3,H,2,3,4,5,6,胸腺嘧啶,1NH,HN,O,O,CH3,H,2,3,4,5,6,1NH,NH,O,O,CH3,H,2,3,4,5,6,胸腺嘧啶二聚体,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,19,TTAA,ATTA,链内嘧啶二聚体影响碱基配对，使复制停止，或超越二聚体继续复制，在子代DNA中形成缺口，并在缺口中插入错误的碱基而造成突变。链间嘧啶二聚体阻碍双链分开，使复制终止，造成DNA异常状态。,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,20,2.化学诱变的机制基因突变是DNA分子结构改变的结果，故能和DNA分子发生化学反应的物质均是诱变剂。1）碱基结构类似物：5溴尿嘧啶（BU）5溴尿嘧啶（BU）是胸腺嘧啶的结构类似物，在DNA合成过程中可取代胸腺嘧啶而渗入DNA分子中，并进而引起突变。,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,21,诱变机理T和BU是以酮式和烯醇式这两种互变异构体形式存在的。不过在正常生理条件下，T的酮式（与A配对）占绝对优势，极少可能出现烯醇式（同G配对），故其同A配对而非同G配对，相当稳定。BU的酮式也占绝对优势，不过由于Br原子的强正电性，使BU比T较多地出现烯醇式。因此，BU同G配对的概率比T同G配对的概率大。,1）碱基结构类似物,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,22,1NH,HN,O,O,CH3,H,2,3,4,5,6,1NH,HN,O,O,Br,H,2,3,4,5,6,1N,N,O,OH,CH3,H,2,3,4,5,6,胸腺嘧啶T(酮式，与A配对）,胸腺嘧啶T(烯醇式，与G配对）,1N,N,O,OH,Br,H,2,3,4,5,6,5-溴尿嘧啶BU（酮式，与A配对）,5-溴尿嘧啶BU（烯醇式，与G配对）,1）碱基结构类似物,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,23,腺嘌呤,1）碱基结构类似物,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,24,由于BU较多地出现烯醇式同G配对，故其渗入DNA后经过二次复制，使AT对变为GC对。,AT,AT（酮式）,ABU(酮式）,ATGBU（烯醇式）,GCABU（酮式）,复制错误：,AT,GC,1）碱基结构类似物,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,25,GC,GC,GBU(烯醇式）,GCABU（酮式）,ATABU（酮式）,若GC对复制时，BU代替C形成GBU对，则经二次复制，形成AT对。,渗入错误：,AT,GC,1）碱基结构类似物,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,26,2）亚硝酸对DNA起氧化脱氨作用，使CU，而引起GCAT转换。,1N,N,O,NH2,H,H,2,3,4,5,6,HNO2,1N,HN,O,O,H,H,2,3,4,5,6,Cyt,Ura,GC,GU,GCAU,ATAU,HNO2,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,27,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,28,O,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,29,2）羟胺（HA）专一性同C发生反应，同其他碱基不发生反应。,CG,C*G,C*ACG,C*ATA,NH2OH,改变了结构的C,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,30,4）烷化剂是一类相当有效的主要的诱变剂。1.功能：烷化剂具有一到多个活性基团，这些基团易于取代DNA分子中的活泼的氢原子，直接使碱基和磷酸基烷基化（具体反应不祥，较复杂），从而改变DNA分子结构，引起点突变。2.拟辐射化合物：除诱发点突变外，烷化剂尚能诱发染色体畸变，因此又被称为拟辐射化合物（因畸变常为辐射所诱发）。,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,31,5）吖啶类染料是主要的移码诱变剂。其诱变机制和它的能嵌入DNA分子中间这一特性有关，嵌入使DNA容易环出和有利于核酸内切酶作用。,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,32,N,NH2,5-氨基吖啶,N,CH2CH3,+,Br,溴乙锭,四、诱发突变的分子基础,第一节基因突变和表观遗传变异,.,33,五、同源重组的异源或杂种模型（hetroduplexorhybridDNAmodel)1964年由RobinHolliday提出，又被称为Holliday模型，用来解释同源重组机理。,重组,同源重组：依赖于大范围DNA同源序列间的联会配对，重组可发生在配对区域的任何位置上，交换是对等的。,非同源重组（位点专一重组）：依赖于少量DNA同源序列间的联会配对，联会只限于某些序列，重组只发生在这些配对位置上，交换是不对等的。,第一节基因突变和表观遗传变异,.,34,五、重组的异源或杂种模型,第一节基因突变和表观遗传变异,.,35,基因转换(geneconversion):减数分裂生成的4个子细胞中，3个子细胞得到了一个亲本的等位基因，1个子细胞得到另一个亲本的等位基因，这种亲本之间等位基因被调换的过程称为基因转换。基因转换是由重组和DNA修复过程所造成。,第一节基因突变和表观遗传变异,五、重组的异源或杂种模型,.,36,位点专一重组：噬菌体DNA的整合和切离是典型的位点专一重组。,噬菌体感染细菌,整合,裂解,切离,大肠杆菌DNA上的att位点：记为att或attB，长度为23bp，分B、O和B三个部分。DNA上的att位点：记为attP，长度为240bp，分P、O和P三个部分。,整合和切离，都是通过DNA和细菌DNA特定的附着位点att(attach)之间的重组来实现的。,第一节基因突变和表观遗传变异,五、重组的异源或杂种模型,.,37,核心序列：即O序列，全长15bp。DNA的整合和切离都发生在attB和attP各自的O序列中，核心序列两侧的序列对重组也是起作用的。如以核心序列中心碱基记为零，则一侧P的必需长度为l60bp，另一侧的P的必需长度为80bp，所以attP的必需长度为240bp。attB的必需长度短得多，在零点一侧的B为11bp，另一侧的B也是11bp，所以attB仅23bp。attB和attP中的B、B和P、P的序列各不相同，只有O序列是完全相同的。,第一节基因突变和表观遗传变异,五、重组的异源或杂种模型,.,38,DNA,大肠杆菌DNA,23bp的att或attB,0,11bpB,11bpB,160bpP,80bpP,240bp的attP,0,完全同源的O序列,.,39,DNA整合过程中既没有DNA的降解，也没有DNA的合成：attP和attB两个位点结合后，在一种DNA结合蛋白质Int的拓扑异构酶的活性催化下，使两个DNA分子的各一条单链断裂，在一瞬间旋转后仍在Int作用下连接成半交叉，形成重组中间体即Holliday结构，接着另外两条单链通过同样的过程断裂重组，从而完成重组。,第一节基因突变和表观遗传变异,五、重组的异源或杂种模型,.,40,六、动态突变（dynamicmutation）,动态突变：基因的编码序列或其两侧某种三核苷酸密码子拷贝数目的增加。它可引起生物表型的改变，导致疾病的产生。动态突变最初是在与人类神经系统疾病相关的基因中发现的。患者基因中某种三核苷酸的拷贝数目远远多于正常个体的拷贝数，且拷贝数在患者的不同类型的细胞或同类细胞的不同细胞中可以是不同的，这种突变导致了疾病的发生。,第一节基因突变和表观遗传变异,.,41,重复拷贝数改变后的基因的可突变性(mutability)，将不同于拷贝数改变前的基因:扩增的重复序列不稳定地传递给下一代，往往倾向于增加几个重复拷贝。即基因每次复制都倾向于增加拷贝数，基因变异的速度非常快，是动态的。,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,42,普通基因的突变率是很低的，突变后的基因仍然有着与其上代相同的突变率，而且变动是很小的。比如，编码血纤维原肽(400个氨基酸组成)的基因的突变率，估计是每20万年改变一个氨基酸，这些突变可说是“静止的”。由于三核苷酸扩增突变不同于此，所以称之为动态突变(dynamicmutation)。动态突变也可称为基因组不稳定性(genomicinstability)。遗传早现(anticipation)：重复拷贝数越多，病情越严重，发病年龄越小。,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,43,三联体密码子的重复与疾病,疾病密码子正常拷贝患者拷贝脊髓肌肉萎缩症CAG(gln)11-3340-62亨廷顿症CAG(gln)11-3442-100X脆性染色体CGG(arg)6-54250-4000强直型肌营养不良CTG(leu)7-2349-75小脑共济失调CAG(gln)4-1840-200,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,44,亨廷顿舞蹈病(Huntingtondisease，HD)是由亨廷顿蛋白(huntingtin，Htt)N端多聚谷氨酰胺序列重复数增加所引起的神经退行性疾病，至病原因尚未完全清楚。有证据表明，一组半胱氨酸蛋白酶(caspase)和钙蛋白酶(calpain)可剪切突变Htt，产生毒性较大的N端Htt片段，此片段是舞蹈病发病机制中的重要一步，阻断这一过程可能为这种目前无法治愈的疾病提供潜在的治疗方案。,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,45,HD基因位于4号染色体（短臂1区6带）上，该蛋白分子量为348KDa，在人体组织中几乎所有的细胞浆内均有分布。实验表明，敲除Huntingtin基因的生物会出现神经退化性反应。因此亨廷顿蛋白对维持细胞的生存是必须的，但是它的具体生理功能尚不清楚。,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,46,X脆性染色体综合症是由于在X染色体P27.3位置上CGG拷贝数目增加到200以上，引起基因的改变。突变的部分很容易被打断，所以被称为是脆性染色体。,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,47,脆性位点是染色体上在特殊条件下易断裂的位点，可能为收缩或缝隙。,在人类染色体上已发现一系列的脆性位点。其中研究最详尽的位于X染色体上，目前发现其与智障有关。,脆性X综合症为X连锁遗传，出现几率在男婴中为1/2500，主要成因可能是因为CGG三核苷片段重复数目的变化。,关于三核苷酸重复拷贝数扩增突变引起疾病的作用机制，还没有一个很完整的解释，但目前已提出了一些假说，而且都有各自的实验依据，现分述于后。,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,48,三核苷酸重复拷贝扩增的致病假说,蛋白质交联形成不溶性包膜,CAG-CAG-CAG-.（CAG扩增的基因）,富含谷氨酰氨的蛋白质,重复数超过一定的阈值时，神经细胞中转谷氨酰氨酶与此蛋白质作用。（此酶底物是富含谷氨酰胺的蛋白质，其正常的功能为：在哺乳动物发育过程中，角质细胞中的包膜素在它的作用下所形成的产物与其它蛋白质结合形成不溶性的包膜。）,不溶性包膜,影响神经细胞功能,与其它蛋白质交联,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,49,能量供应不足,甘油醛磷酸脱氢酶（GAPDH）,糖,脑所需能量,糖,能量,GAPDH易与病人致病蛋白中的polygln结合，失去活性，产生亨廷顿症,使脑细胞不能获得足够的能量,三核苷酸重复拷贝扩增的致病假说,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,50,蛋白质翻译受阻FMR1基因是引起智能低下的X染色体脆性综合症的致病基因。FMR1基因表达的蛋白，是正常人智力发育中的重要功能蛋白。其发病机理是基因5端非翻译区(CGG)n三核苷酸串联重复序列大量扩增，产生的mRNA不能与完整的核糖体结合，阻止了FMR蛋白生成，导致脆性X染色体综合症。,三核苷酸重复拷贝扩增的致病假说,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,51,CGG三核苷酸拷贝数：正常人为50份左右。患者的拷贝急剧增加：一个19月龄的男性患儿的成纤维细胞在离体条件下培养，发现不同细胞的FMR1基因中CGG的拷贝数有很大变动，从57份拷贝到300份拷贝不等。,三核苷酸重复拷贝扩增的致病假说,患儿母亲的FMR1基因中CGG拷贝数为70,患儿外祖母的CGG拷贝数为60,这表现出CGG拷贝数有逐代增加的趋势；她们的表型虽都是正常的，但她们的FMR1基因都是前突变等位基因(premutationallele)。,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,52,患儿所有成纤维细胞（FMR1基因中CGG的拷贝数有很大变动）的FMR1mRNA的水平都是正常的；但FMR蛋白的数量随CGG拷贝数的增加而减少：,三核苷酸重复拷贝扩增的致病假说,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,53,原因：正常人的FMR1mRNA可同412个完整的核糖体结合，翻译产生蛋白质。当CGG拷贝数增加超过一定阈值后，FMR1基因转录产生的mRNA中有很大一部分只能同核糖体的4080S亚基相结合，不能同完整的核糖体结合，因而FMR蛋白产物大量减少；CGG为285份重复拷贝时，FMR1mRNA全都同4080S核糖体亚基结合，以致不再生成FMR蛋白。,三核苷酸重复拷贝扩增的致病假说,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,54,基因产物的毒性积累,(CAG，谷氨酰胺)n扩增的人雄性激素受体cDNA,导入,猴肾细胞COS系,产生,富含gln的蛋白质,易于同细胞核结合，不能被正常降解，在细胞内积累产生毒性。,COS凋亡,三核苷酸重复拷贝扩增的致病假说,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,55,在与发育有关的一些基因中也出现三核苷酸拷贝数扩增现象，例如：与常染色体显性遗传的多趾相关的HOXD13蛋白的N端，丙氨酸的重复数从正常的15个增加到22个以上。研究过的三个家系中分别为22、23和25个，但编码的密码子可以是GCG、GCA、GCT和GCC。,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,56,三核苷酸扩增突变与基因的显隐性也有关系，但其机制仍不清楚。如：人类的眼咽肌营养不良症(OPMD)基因位于14q11，编码N端多聚丙氨酸的密码子GCG正常拷贝数为6，大于6时呈现疾病，其显隐性与拷贝数有关：(GCG)7：隐性遗传；(GCG)8以上：显性遗传；(GCG)7(GCG)9杂合子：症状特别严重。(GCG)7在人群中约占2。,第一节基因突变和表观遗传变异,六、动态突变（dynamicmutation）,.,57,七、表观遗传变异表观遗传变异(epigeneticvariation)：指可以通过有丝分裂或减数分裂而传递的基因功能的变化，这种变化不涉及基因的DNA序列的改变。已发现的表观遗传变异有：甲基化(methylation)、乙酰化(acetylation)等DNA和蛋白质的修饰，基因组印记(genomicimprinting)，RNA编辑(RNAediting)，RNA干扰(RNAinterference，RNAi)等。这种变异的遗传不符合孟德尔遗传规律。,第一节基因突变和表观遗传变异,Epigenetic：后成的,外成的,.,58,表观遗传学这个名词是沃丁顿(WaddingtonCH)于1942年提出的：遗传(heredity)和继承(inheritance)是遗传学研究的主旨，而基因型产生表型的过程则属于表观遗传学的范畴。因为在那时，许多生物学家都认为细胞的分化是由于基因组发生了改变，分化产生不同类型的细胞是细胞基因组内的基因增加或减少的结果。沃丁顿不同意这种说法，他认为，在产生各种类型的细胞时，细胞内的整套基因始终是保持恒定的，差别只在于不同类型的细胞内的基因处在不同的工作状态。,第一节基因突变和表观遗传变异,.,59,1987年霍利德(HollidayR)进一步指出可以在两个层面上研究高等生物的基因的属性：第一个层面是基因在世代间传递的规律，这是遗传学。第二个层面是生物从受精卵到成体的发育过程中基因活性变化的模式，这是表观遗传学。,第一节基因突变和表观遗传变异,.,60,1994年，霍利德对表观遗传学的内涵又作了补充和修正：基因表达活性的变化不仅发生在发育过程中，而且也发生在生物体已经分化的细胞中；基因表达的某些变化可通过有丝分裂的细胞遗传下去。基因表达的可遗传的变化是可以回复的；可回复的基因表达的改变并不改变基因的DNA序列。因此，霍利德概括出如下的观点：表观遗传学研究的是从上代向下代传递的信息，而不是DNA序列本身，这是一种不以DNA序列的差别为基础的细胞核遗传。,第一节基因突变和表观遗传变异,.,61,对基因组而言，不仅仅是序列包含遗传信息，而且其修饰也可以记载遗传信息。表观遗传变异涉及基因表达的改变，涉及细胞病变、肿瘤发生、发育异常等。因而表观遗传学同临床医学、转基因工程技术、动植物发育畸形和可动遗传元件的活性等密切相关，在基础理论和实际应用领域中都是热点。,第一节基因突变和表观遗传变异,.,62,1.DNA和蛋白质的修饰1)甲基化(methylation)：在甲基化酶(methylase)的作用下，将一个甲基(methyl)添加在DNA分子中的碱基上。最常见的是加在胞嘧啶上，形成5甲基胞嘧啶，用mC来表示。,1N,N,O,NH2,H,H,2,3,4,5,6,methylase,Cyt,1N,N,O,NH2,CH3,H,2,3,4,5,6,5甲基胞嘧啶mC,七、表观遗传变异,第一节基因突变和表观遗传变异,.,63,2）甲基化的效应：常成为自发点突变的热点(hotspot)：出现GC转换为AT的突变。这是因为5一甲基胞嘧啶会以相当高的频率自发产生脱氨作用，用酮基来取代氨基，从而使5甲基胞嘧啶转换成胸腺嘧啶。抑制或降低转录水平：甲基化与非甲基化基因的转录活性在原核生物中相差103倍左右，在真核生物中相差106。哺乳动物基因组内约有6000万个mC，这种甲基化并不是随机的。,1.DNA甲基化,第一节基因突变和表观遗传变异,七、表观遗传变异,.,64,高度甲基化的基因，如女性两条X染色体中的一条X染色体上的基因，一般处于失活状态。为细胞存活所需而一直处于活性转录状态的持家基因(housekeepinggene)则始终保持低水平的甲基化。在生物发育的某一阶段或细胞分化的某种状态下，原先处于甲基化状态的基因，也可以被诱导去除甲基化(demethylation)而出现转录活性。,第一节基因突变和表观遗传变异,1.DNA甲基化,七、表观遗传变异,.,65,CpG岛（或HTF岛，HpaIItinyfragments-islands）：基因组中长度为3003000bp的富含CpG二核苷酸的一些区域，主要存在于转录起始点附近。可利用CpG序列作遗传标记，作为筛选基因的标志。由于这种重复序列可用限制性内切酶Hpa切成许多个DNA小片段，所以又把这种CpG重复序列称为HTF岛。启动子区中CpG岛的未甲基化状态是基因转录所必需的，而CpG序列中的C的甲基化可导致基因转录被抑制。,第一节基因突变和表观遗传变异,1.DNA甲基化,七、表观遗传变异,.,66,哺乳动物基因组中含有约40,000个HTF岛。在一般哺乳动物基因组中，5的胞嘧啶是甲基化成为mCpG，而且在DNA的两条单链上对称出现。mCpG占全部CpG的70。CpG岛一般是非甲基化的。,第一节基因突变和表观遗传变异,1.DNA甲基化,七、表观遗传变异,.,67,染色质的不同类型和核小体的结构同染色质的活性密切相关。染色质重塑(chromatinremodeling)：改变核小体的结构和位置，造成染色质凝集程度的变化，从而影响到基因表达活性的改变，产生不同的表型。这一切除了由于DNA甲基化的作用外，还有组蛋白的修饰作用。组蛋白的修饰中很重要的是乙酰化和去乙酰化。一般而言，组蛋白乙酰化程度高的区域内，基因多半处于活性表达状态。,第一节基因突变和表观遗传变异,1.DNA甲基化,七、表观遗传变异,131021,8,19-20,.,68,组蛋白也有甲基化修饰，如组蛋白H3和H4中的精氨酸甲基化去除，可引起基因沉默。此外，组蛋白的磷酸化、糖基化或泛素化也都可以影响组蛋白同DNA结合的特性，从而改变基因表达的活性。,第一节基因突变和表观遗传变异,1.DNA甲基化,七、表观遗传变异,.,69,2.基因组印记（genomicimprinting）基因组印记：某些基因在世代传递过程中，由于DNA的甲基化等作用，基因功能受亲本的基因组的影响，表现出不同的表型效应。就好像被打上了父母的印记一样。被打上父母印记的基因在生殖细胞形成时，印记会被抹去，重新打上自己的印记。产生基因组印记的机制主要涉及DNA甲基化和染色质结构变化。印记失活的基因通常是高度甲基化，表达的等位基因则是低甲基化。另外，染色质压缩包装成染色体时的多种因素，也可能影响到被包装在染色质结构中的基因的转录状态。,七、表观遗传变异,第一节基因突变和表观遗传变异,.,70,亨廷顿舞蹈病是常染色体显性遗传病，外现率接近100，患者发病年龄与致病基因HD的来源有关：来自父亲时发病早，来自母亲时发病迟。,HD,HD,HD发病早,HD发病迟,HD发病早,2.基因组印记,七、表观遗传变异,第一节基因突变和表观遗传变异,.,71,PraderWilli综合征（症状是肥胖，手、脚都很小，性腺发育不良，智力低下）患者：来自父亲的15号染色体缺失15q11片段。,第一节基因突变和表观遗传变异,2.基因组印记,七、表观遗传变异,.,72,Angelman综合征（又称“happypuppet”综合征。患者的面容特殊，大嘴傻笑，红面颊，步态不稳，癫痫，智力低下）患者：来自母亲的15号染色体缺失15q11片段。,.,73,没有缺失突变的PraderWilli综合征患者：15号染色体并没有缺失，只是这些患者的两条15号染色体都是来自母亲（这种现象称为单亲二体性，uniparentaldisomy）。没有缺失突变的Angelman综合征患者：染色体也都是正常的，只不过他们的两条15号染色体都是来自父亲。这些综合征的出现，并不是缺少了父方或母方的15号染色体上的那个区段。这说明，15q11这一区段的功能，来自父方和母方的染色体是不能彼此替代的。,第一节基因突变和表观遗传变异,2.基因组印记,七、表观遗传变异,.,74,印记基因主要有以下几方面的特点：印记基因遍布于整个基因组中，有人估计人类有近100个印记基因。有些印记基因聚集成簇，形成染色体印记区。紧密连锁的印记基因，可表现出不同的印记效应。如小鼠7号染色体远端的连锁基因，IGF2是母亲印记失活基因，H19是父方印记失活基因。印记基因的内含子一般均较小，内含子外显子长度之比也较小，雄性印记基因的重组率高于雌性印记基因。基因表达有组织特异性。例如小鼠父方染色体上的Ins1和Ins2两个基因在卵黄中是单个等位基因表达，而在胰腺组织中则是双等位基因表达。,第一节基因突变和表观遗传变异,2.基因组印记,七、表观遗传变异,.,75,3.RNA编辑RNA编辑：由于mRNA分子中核苷酸的缺失、插入或置换，使翻译生成的蛋白质的氨基酸组成不同于基因序列中的编码信息。RNA编辑同基因的选择剪接或可变剪接(alternativesplicing)一样，使得一个基因序列有可能产生几种不同的蛋白质，这可能是生物在长期进化过程中形成的、更经济有效地扩展原有遗传信息的机制。,第一节基因突变和表观遗传变异,七、表观遗传变异,.,76,RNA编辑详细机制目前尚不清楚。RNA编辑最早是在锥虫(Trypanosoma)线粒体基因中发现的，其编辑的模型如图。gRNA分子是线粒体基因转录的长5570核苷酸的RNA，能通过正常的碱基配对途径，或通过GU配对方式与mRNA上的互补序列配对。,第一节基因突变和表观遗传变异,七、表观遗传变异,3.RNA编辑,.,77,4RNA干扰RNA干扰（RNAinterference,RNAi）：长双链RNA（200bp）进入细胞后对与其有同源序列的mRNA的表达的阻断作用。RNAi是生物体内的一种自然现象，普遍存在于真核生物，它可能是生物体保持自身基因组的稳定的一种自我防御机制。有证据表明，没有RNA干扰活性的植物更容易受到病毒的感染和侵袭。RNAi有缺陷的线虫体内转座子的活性增强，影响到基因组的稳定性。,七、表观遗传变异,第一节基因突变和表观遗传变异,.,78,一、参与RNAi反应的酶RNaseIII:一种特异切割双链RNA的酶。Dicer酶：RNaseIII家族的一个成员，参与RNAi反应。功能：在ATP的协助下，逐步切割由外源导入或者由转基因，病毒感染等各种方式引入的双链RNA，将双链RNA裂解成21到23个核苷酸的片断，每个片段的3端都有2个碱基突出，称为siRNA（smallorshortinterferenceRNA）siRNA启动细胞内的RNAi反应。RDRP：以RNA为模板指导RNA合成的聚合酶（RNA-directedRNApolymerase），是mRNA复制酶。,七、表观遗传变异,4RNA干扰,RNAi的原理,第一节基因突变和表观遗传变异,.,79,二、RNAi的反应过程1.起始阶段:依赖于ATP的Dicer酶将进入细胞的外源双链RNA切割为21-23核苷酸长的小分子干扰RNA片段(siRNAs)。2.效应阶段:（1）RNA诱导的沉默复合物（RNA-inducedsilencingcomplex,RISC)的形成:由siRNA双链结合一个内切核酶复合物而产生。（2）RISC激活:需ATP的将复合物中小分子RNA解双链的过程。,七、表观遗传变异,4RNA干扰,RNAi的原理,第一节基因突变和表观遗传变异,.,80,（3）靶mRNA的切割：激活的RISC通过碱基配对定位到同源mRNA上，并在距离siRNA3端12个碱基的位置切割mRNA。3siRNA可循环扩增：siRNA可作为mRNA复制时的引物，使mRNA生成双链RNA。新产生的双链RNA被核酸酶切割，于是在mRNA被降解的同时产生了更多的siRNA；这些siRNA可使更多的靶mRNA复制成双链RNA。如此循环往复，siRNA不断地得到扩增，RNAi效应也就不断地得到加强。所以少量的siRNA也可以引发高效的RNA干扰。,七、表观遗传变异,4RNA干扰,RNAi的原理,第一节基因突变和表观遗传变异,.,81,七、表观遗传变异,4RNA干扰,dsRNA,Dicer+ATP,siRNA,Endo-ribonuclease,RISC,siRNAunwinding,ActivatedRISC,AssociationwithtargetmRNA,TargetmRNAcleavage,RDRP，以siRNA为引物，类似于PCR扩增(线虫中）,targetmRNA,asprimer,第一节基因突变和表观遗传变异,.,82,长度为2128核苷酸的单链非编码RNA，能同靶RNA3非翻泽区(3UTR)互补结合，从而阻遏或下调基因表达产生蛋白质的活性。它的前体是7090核苷酸的发夹结构RNA。现在已知的miRNA有200多种，人基因组中估计有200250个miRNA基因，但对其结构和功能的认识还只是初步的。,七、表观遗传变异,4RNA干扰,微RNA(miRNA或microRNA)：,第一节基因突变和表观遗传变异,.,83,第二节染色体的主要组成一、细菌的染色体：封闭环状双链DNA分子，4200Kb（1300微米），约编码2000-5000个基因。它虽然没有真核生物染色体那种特定的形态特征，但也是有一定的结构。从外形上看，细菌的染色体就像是一簇或一片相当密集的草丛，占据细菌细胞体积的13左右，形成了所谓的拟核(nucleoid)。,.,84,当细菌细胞裂解时，释放出双链DNA环突(loop)：同一些蛋白质结合在一起的超螺旋结构。目前，还不十分清楚这类碱性蛋白质是通过什么途径同双链DNA环突相结合的。,一、细菌的染色体,.,85,一、细菌的染色体,.,86,二、真核生物的染色体结构要复杂得多，一般包括四个组成部分：着丝粒、端粒、复制起始点以及编码和非编码序列。光学显微镜下可见的染色体：染色质在细胞分裂过程中，经过致密缠绕、折叠、凝缩和精巧包装而形成的固定形态。染色体是由核小体(nucleosome)构成的。,第二节染色体的主要组成,.,87,染色质与染色体,二、真核生物的染色体,.,88,第二节染色体的主要组成,二、真核生物的染色体,.,89,组蛋白(histone)：由4种组蛋白H2A、H2B、H3和H4各二个分子，形成一个组蛋白八聚体。,1.核小体,2.DNA：平均长度约200bp的DNA分子盘绕在组蛋白八聚体构成的核心结构外面，形成了一个核小体。这时染色质的压缩包装比(packingratio)为6左右。在这200bp中，146bp是直接盘绕在组蛋白八聚体核心外面，其余的DNA是用于连接下一个核小体。连接相邻2个核小体的DNA分子上结合了另一种组蛋白H1。组蛋白H1包含了一组密切相关的蛋白质，其数量相当于核心组蛋白的一半。,第二节染色体的主要组成,二、真核生物的染色体,.,90,核小体的结构,第二节染色体的主要组成,二、真核生物的染色体,.,91,第二节染色体的主要组成,二、真核生物的染色体,.,92,2.DNA复制起点（1）复制子(replicon)：发生复制的单个DNA单元。每个复制子在每次细胞分裂期间只发动一次复制事件。（2）复制起点(originofreplication)：复制子中控制复制启动的元件。（3）复制终点(terminus)：复制子中使复制终止的元件。,第二节染色体的主要组成,二、真核生物的染色体,.,93,（4）原核细胞染色体的复制：整个染色体就是一个复制子，在一个复制起点上启动复制整条染色体。质粒也是一个复制子。严紧型质粒：复制受控于细菌细胞而同细菌染色体同步复制。松弛型质粒：独立于细菌细胞而自主地进行复制。（5）真核生物染色体的复制：每个染色体有许多个复制子，每一复制子的复制速率低于原核生物。,2.DNA复制起点,第二节染色体的主要组成,.,94,自主复制序列(autonomouslyreplicatingsequence，ARS)：来自酵母的第一个分离出来的真核生物的染色体复制子中启动DNA复制的序列。ARS有一个AT富集区，这个区域内有若干个位点，当这些位点发生突变时会影响到复制起始的功能。所有已知的ARS的惟一的同源序列：在一个14bp的“核心”区中，由11个AT碱基对组成的一致序列。缺失这个一致序列时，复制起始功能就完全消失。,第二节染色体的主要组成,2.DNA复制起点,.,95,第二节染色体的主要组成,2.DNA复制起点,?,.,96,（6）复制方式：有多种类型。A.滚环式复制(rollingcirclereplication)这是噬菌体中常见的DNA复制方式。B.复制叉式复制DNA复制的保真度很高，据观察每复制109核苷酸对中只有1个差错，这是由于DNA聚合酶本身还具有外切酶的作用，可以清除错配的碱基，起到“校对”的功能。,第二节染色体的主要组成,2.DNA复制起点,.,97,2.DNA复制起点,.,98,.,99,3.端粒（telomere）端粒：染色体末端由富含G的短的串联重复序列组成的像“帽子”似的结构。它使染色体之间不会出现端端融合，也不会因端部松散而导致解体。一个基因组内的所有端粒，都由相同的重复序列组成。不同物种的染色体端粒的重复序列是各异的。哺乳动物和其他脊椎动物染色体端粒的重复序列中有一个TTAGGG保守序列，串联重复序列的长度在2kb到20kb之间。,第二节染色体的主要组成,.,100,端粒酶：一种蛋白质核酸复合物，其功能是由物种专一的一种内源RNA作为模板合成DNA片段，添加在染色体的3端，形成结构特殊的端粒。,3.端粒（telomere）,第二节染色体的主要组成,.,101,每分裂一次，DNA就缩短一些,第二节染色体的主要组成,3.端粒（telomere）,.,102,第二节染色体的主要组成,3.端粒（telomere）,.,103,实验证明:体细胞里没有端粒酶的活性，所以体细胞每分裂一次，端粒也就缩短一些。随着细胞不断地进行分裂，端粒的长度将越来越短，当达到一个临界长度时，细胞染色体会失去稳定性，使细胞不能再进行分裂而进入凋亡(apoptosis)。端粒的长度决定了细胞的寿命，所以端粒被称为分子钟(molecularclock)或有丝分裂钟(mitoticclock)。,第二节染色体的主要组成,3.端粒（telomere）,.,104,端粒的长度随着年龄的增长而缩短。来自新生儿的体细胞可在体外传代培养8090代，来自70岁老人的体细胞在体外只能传代培养2030代，而且端粒的重复序列长度也缩短很多。人生殖细胞有端粒酶的活性：使染色体的末端比体细胞染色体的末端长出几千个碱基对。包括干细胞(stemcell)在内的所有体细胞里都未测得端粒酶的活性。,第二节染色体的主要组成,3.端粒（telomere）,.,105,端粒酶活性的惟一例外：来源于体细胞的恶性肿瘤细胞重新出现了端粒酶活性，能补偿正常的端粒序列丢失，使端粒的重复序列不会达到导致细胞死亡的临界长度，从而获得细胞的“永生性”(immortality)。这样，恶性肿瘤细胞在体内或体外都能无限制地分裂增殖。因此，端粒除了与染色体的个体性和稳定性密切相关外，还涉及到细胞的寿限、衰老和死亡，对肿瘤的发病和治疗都有重大作用。,第二节染色体的主要组成,3.端粒（telomere）,.,106,4.着丝粒(centromere)：是真核生物细胞在进行有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)时，染色体分离的一种“装置”。着丝粒位于异染色质区内（卫星DNA富集区），有一个直径约400nm的很致密的颗粒状结构（称为动粒），与纺锤丝相连。,第二节染色体的主要组成,.,107,第三节染色体的改变包括数目的改变和结构的改变这两大类,.,108,一、染色体结构的改变起源于染色体或染色单体的断裂,a.不愈合，无着丝粒片断丧失，产生缺失。b.同一断裂的两个断裂端同重新愈合恢复原样。c.非同一断裂的两个断裂端愈合，产生各类变异：易位、倒位、重复。,第三节染色体的改变,染色体断裂后可沿三个方向发展,.,109,由此产生如下各类变异，这些变异最早都是在果蝇中发现的：a.缺失(deletion)：染色体丧失了片断。b.重复(duplication)：染色体增加了片断。c.倒位(inversion)：染色体片断180度颠倒，造成染色体内重新排列。d.易位(translocation)：非同源染色体间互换片断。造成染色体间重排（染色体片断从原来的位置上转移到其他位置）。,一、染色体结构的改变,第三节染色体的改变,.,110,1.缺失(deletion)（1）细胞学效应：缺失杂合体细胞减数分裂同源染色体配对时形成缺失环。（2）遗传学效应：出现突变，影响生活力。如缺失太大，可能致死。缺失纯合体所受影响比缺失杂合体更大。有时出现拟显性现象：因显性基因的缺失而使等位的隐性基因效应显现出来。,