遗传学-基因突变.ppt

基因突变（genemutation）,主要内容,基因突变的概说基因突变的分子基础生物体的修复机制,一、基因突变的概说,基因突变是摩尔根于1910年首先肯定的现象,在大量红眼果绳中发现了一只白眼突变果绳。,（一）基因突变的定义,基因突变（genemutation）染色体上一个基因内部化学结构的改变，一个基因变成它的等位基因。或称基因的点突变（pointmutation）即DNA的单个碱基发生替换所引起的突变。,突变体（mutant）或称突变型:由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体。,如：黑眼睛老鼠红眼白老鼠；黄种人白化人（频率约1/510万）；小麦红粒白粒；水稻矮生性、棉花短果枝等性状。,（二）自然界生物性状突变现象,1.基因突变广泛存在：,一个祖先细胞由无性繁殖而产生的相同细胞群体叫做一个克隆（clone)。体细胞突变常形成一个“突变体区”，体细胞突变发生愈早，“突变体区”愈大。体细胞突变不能遗传给后代，可通过有性途径传递。,（三）基因突变的时期,1.体细胞突变（somaticmutation）,可通过参与受精而传给下一代。,2.生殖细胞突变（germinalmutation）,1.生物个体发育的任何时期均可发生：性细胞(突变)突变配子后代个体；体细胞(突变)突变体细胞组织器官。2.性细胞的突变频率比体细胞高：3.(等位)基因突变常常是独立发生的：4.突变时期不同，其表现也不相同：,基因突变的时期与表现,高等生物基因突变时期与性状表现,1.形态突变（morphologicalmutation），或称可见突变（visiblemutation），突变主要影响生物体的外在可见的形态结构。2.生化突变（biochemicalmutation)：影响生物的代谢过程，导致某种特定生化功能改变的突变。,（四）突变的类型,根据突变引起的表型特征，可将突变分为：,无效突变（nullmutation）：完全丧失基因功能的突变。渗漏突变（leakymutation）：基因功能不完全丧失的突变。,3.失去功能的突变（loss-of-functionmutations）,4.获得功能的突变（gain-of-functionmutations）,获得新的功能的突变,显性致死突变：在杂合状态就有致死作用隐性致死突变：在纯合时方有致死作用,5.致死突变（lethalmutation）：,是指能造成个体死亡的突变,6.条件致死突变（conditionallethalmutation)：,指在某些条件下能存活，而在某些条件下表现致死效应。,高等生物中的自发突变率：110511010细菌中的自发突变率：110441010,（五）突变的性质,1.突变的稀有性,指在正常情况下突变率很低,2.突变的可逆性,任何离开野生型等位基因的变化,任何回复到野生型的变化,多方向性：一个基因可以向不同方向发生突变，即它可以突变为一个以上的等位基因。复等位基因：位于同一基因座位上的三个或三个以上的等位基因。,3.突变的多方向性和复等位基因,大多数是有害的致死突变,4.突变的有害性和有利性,（1）有害性,中性突变：控制一些次要性状基因，即使发生突变，也不会影响生物的正常生理活动，因而仍能保持其正常的生活力和繁殖力，为自然选择保留下来。如水稻芒的有无等。,（2）有利突变,不但无害，而且有利。如抗倒、抗病、早熟等突变。,亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往发生相似的基因突变，称突变的平行性。由于突变平行性的存在，可以考虑一个物种或属所具有突变类型，在近缘物种或属内也可能存在，对人工诱变有一定的参考意义例如：玉米有高、矮秆变异类型，其它物种如水稻、大麦、高粱、玉米等同样存在着这些变异类型。,5.突变的平行性,二、基因突变的分子基础,自发突变(spontaneousmutation)：在自然状况下产生的突变。诱发突变（inducedmutaion）：有机体暴露在诱变剂中引起的遗传物质改变。,（1）转换（transitions）：一个嘌呤被另一个嘌呤替换，或一个嘧啶被另一个嘧啶替换。（2）颠换（transversions）一个嘧啶被一个嘌呤所替换，或反过来。,（一）自发突变(spontaneousmutation),1.DNA复制中的错误,一个碱基对被另一个碱基对替换造成的DNA水平的改变成为碱基替换（basesubtitution）,（3）移码突变,增加或减少一个或几个碱基所造成的突变。,大片段碱基的缺失或重复，如E.coli乳糖发酵调节基因lac中四碱基重复序列。,（4）缺失和重复,野生型:5-GTCTGGCTGGCTGGC-3突变型FS5:5-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3突变型FS2:5-GTCTGGCTGGC-3,突变热点（hotspots）：一个基因中比其它位点更容易突变的位点。,（1）脱嘌呤（depurination）：由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏,从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从DNA分子上脱落下来.,2.自发损伤（spontaneouslesions）,（2）脱氨基(deamination)：C脱氨基变成U；A脱氨基变成H，造成转换。,ATH-TH-CH-CA-TG-C,GCG-UA-UA-UG-CA-T,活泼氧化物如超氧基（O2-），过氧化氢（H2O2），氢氧基（-OH）对DNA本身的氧化损伤，也能引起突变。,（3）氧化性损伤碱基（oxidativelydamagedbases）,5-溴尿嘧啶（BU）是胸腺嘧啶(T)的结构类似物，5-BU有酮式和烯醇式两种异构体。酮式结构易与A配对；烯醇式结构易与G配对。,（二）诱发突变(inducedmutaion),1.诱变机制,（1）碱基类似物：,2-氨基嘌呤(2-AP)是腺嘌呤的类似物，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,烷化剂如甲黄酸乙脂（EMS）,亚硝基胍（NG）和芥子气等，它们的作用是使DNA中的碱基发生烷化作用。,（2）特异性错配：,某些诱变剂并不掺入DNA，而是通过改变碱基结构使碱基错配。,烷化剂的另一作用是脱嘌呤，造成转换、颠换、断裂或其他突变,EMS使G的第6位烷化，产生的O-6-E-G和T配对，导致GC对转换成AT对。,EMS使T的第4位上烷化，产生的O-4-E-T和G配对，导致TA对转换成CG。,吖啶类染料:吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对的类似物可嵌入到DNA双链或单链的碱基对之间，能引起单个碱基对的插入或缺失，造成移码突变。,（3）嵌合剂的致突变作用：,（4）辐射的诱导作用,同一条单链内，影响复制时与A的配对，中止复制；双链之间，影响双链变性，并影响复制。,A.紫外线UV:形成嘧啶二聚体，如胸腺嘧啶二聚体，,B.电离辐射：如X-ray、可引起碱基的降解或脱落，A变成H;C变成T，出现转换。,使鸟嘌呤G脱落，SOS修复引入A,造成突变。,（5）黄曲霉的作用,（1）同义突变（samesensemutation）不改变氨基酸的密码子变化，与密码子的简并性有关.如GAU/GACAsp.（2）错义突变（missensemutation）碱基替换的结果引起氨基酸序列的改变.（3）无义突变（nonsensemutation）编码区的单碱基突变导致终止密码子(UAG/UGA/UAA)的形成,使mRNA的翻译提前终止,形成不完全的肽链.,2.碱基替换的遗传效应,突变发生在基因编码区：,含有其他蛋白的结合位点，突变可能会引起某些蛋白的结合造成影响，从而影响蛋白的表达。,突变发生在基因非编码区：,动态突变：是在基因的编码区、3或5-UTR、启动子区、内含子区出现三核苷酸重复，及其他长短不同的小卫星、微卫星序列的重复拷贝数，在减数分裂活体细胞的有丝分裂过程中发生扩增而造成遗传物质的不稳定状态。,（三）动态突变(dynamicmutaion),这种三核苷酸重复拷贝数增加，不仅可发生在上代的生殖细胞中而遗传给下一代，而且在当代的体细胞中也可发生，并同样具有表型效应。一个个体的不同类型细胞或同一类型的不同细胞中，三核苷酸重复拷贝数也可以是不同的。,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。这不同于以往发现的基因突变。过去观察到的基因突变体仍然有着与其上代相同的突变率，突变率是很低的，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)。,这类突变可造成基因功能丧失或获得异常改变的产物，从而导致多种疾病，最初是在与人类神经系统疾病相关的基因中发现的。,在DNA复制时，当模板DNA含短重复序列时，可诱导复制滑动，即模板链及其拷贝发生位置的相对移动，即滑动错配，其结果使部分模板被重复复制或被遗漏，造成重复单位的增加或减少。,动态突变与人类疾病,除了都具有三核苷酸重复数目的异常增加外，致病基因序列之间没有同源性。即使都是由(CAG)n扩增引起的疾病，但病变仅选择性的累及特定的细胞。遗传早现现象：，在同一家系中，在传代过程中，重复序列拷贝数会逐代累加，子代发病会提早，症状也逐代加重。,三、生物体的修复机制,DNA损伤大体分为两大类,单个碱基改变影响DNA序列但不改变DNA的整体结构,结构受到干扰可能对复制或转录产生物理性的损伤,（一）错配修复（mismatchrepair）,修复在复制中的碱基错配,利用甲基化区分oldstrand和newstrand,Dam甲基化酶（Dammethylase）可使DNA的GATC序列中腺嘌呤N6位甲基化,MutS二聚体识别并结合错配位点MutL二聚体结合MutSMutS移位到GATC位点。MutH在GATC位点切开非甲基化链外切酶从GATC到错配位点降解DNA由DNA聚合酶和连接酶合成并连接新链,（二）直接修复(Directrepair),1.光复活修复（photoreactivationrepair）,在可见光存在的条件下，在光复活酶作用下将UV引起的嘧啶二聚体分解为单体的过程。,2.O6-甲基鸟嘌呤的修复,烷化剂引起的损伤O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶酶将甲基转移到自身的Cys残基上甲基转移酶失活，却刺激自身基因的表达。,（三）切除修复（Excision-repair）,1.概念:（核苷酸外切修复、暗修复）先在损伤的任何一端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡核苷酸；留下的缺口由修复性合成来填补，再由连接酶将其连接起来。,2.过程,UvrA识别损伤部位，并与UvrB结合,UvrA释放，UvrC结合,UvrC和UvrB在损伤处两端各打开一个缺口,UvrD解链，释放伤链,E.coli中的切除修复,3.特异性切除修复,不明显的损伤不能使DNA分子变形从而被普通切除修复系统识别，需要特异性修复。(1)糖基化酶修复：如果碱基损伤或错配，糖基化酶可作用于N-糖苷键，使碱基释放，产生无碱基(AP)位点,再由AP内切酶修复系统修复。(2)AP内切酶修复系统：也由内切、外切、聚合和连接四种酶活性来完成，以修复AP位点。,（四）重组修复（recombinationrepair）,1.概念:通过对DNA的复制和同源链的重组，来完成对损伤部位的修复，又称复制后修复。,2.特点:,修复过程伴随DNA的复制和重组；仅修复新合成的不完整的单链，原先的损伤单链仍然保留；部分重组蛋白的精确性差，修复的出错率较高。,3.重组修复过程：,(1)复制：以损伤单链为模板复制时，越过损伤部位，对应位点留下缺口；未损伤单链复制成完整双链。(2)重组：缺口单链与完整双链中的母链重组，缺口转移到母链，使损伤单链的互补链完整，损伤单链仍然保留。(3)再合成：转移后的缺口以新互补链为模板聚合补齐。,当DNA损伤较大时(如产生很多的T=T)，正常的DNA聚合酶复制到损伤位点时，其活性受到抑制；短暂抑制后产生一种新的DNA聚合酶，催化损伤部位DNA的复制，由于新的DNA聚合酶的修复校正功能较低，新合成的碱基错配频率较高，易引起突变。,（五）SOS修复,SOS修复是在DNA分子受损伤的范围较大而且复制受到抑制时出现的一种应急修复作用。,2.过程,1.概念：,3.特点,修复系统需要在DNA分子受损伤的范围较大而且复制受到抑制时才能够启动。修复系统对错配碱基的修复校正功能低下，从而增加突变的频率。在紧急情况下，细胞通过一定水平的变异来换取细胞的幸存，有利于细胞逃生。,4.SOS系统的启动,A.SOS基因：recA基因、UvrA、UvrB、UmuC等，也称din基因(damageinduciblegene)，为操纵子的结构基因；B.lexA基因：产物是一种阻遏蛋白，正常情况下结合在SOS系统各个基因的操纵子上，抑制基因表达；C.recA基因：应急状态下启动蛋白酶活性，水解lexA蛋白，使SOS基因高效表达，从而启动SOS修复系统。,1.着色性干皮病(XP,xerodermapigmentosum)位于1q的隐性基因控制，皮