高等教育基因突变和表观遗传变异PPT课件

1、DNA Pol 35外切酶活性 直接修复 光复活光裂合酶 一般切除修复UvrABC 系统 AP 内切酶 糖基酶 切除修复 特殊切除修复 GO 系统-MutM,MutY,MutT 错配修复-Dam, MutL,MutH,UvrD 重组修复-RecA 修复 复制后修复 SOS 修复-RecA,LexA,UvrAB,UmuC,HimA 9.1 基因突变的类型基因突变的类型 3. 突变的性质：突变的性质： 稀有性稀有性（10-410-9） 可逆性，可逆性， 突变的多方向性突变的多方向性 与复等位基因与复等位基因 1. 体细胞突变与 生殖细胞突变 2. 突变的类型： 形态，生化， 失去功能的： 无效-渗

2、漏， 获得功能的， 致死条件致死 突变的多方向性 与复等位基因 中性突变中性突变（neutral mutation）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; 沉默突变沉默突变（silent mutation）蛋白质中相应位点 发生了相同氨基酸的取代，即同义突变。同义突变。 移码突变移码突变（frameshift mutation） 回复突变回复突变（reverse mutation）， 一类是正向突变正向突变（forward mutation）突变方向 是从野生型向突变型；另一种是回复突变回复突变，其突变 方向是从突变型向野生型 抑制突变抑制突变（suppressor mut

3、ation）突变的作用还 可以通过其它位点的突变（A B）而得到补偿或 校正。 9.2 基因突变的分子基础 9.2.1.自发突变的分子基础自发突变的分子基础 突变率突变率（mutation rate）指在单位时间内某种突变发生的概率指在单位时间内某种突变发生的概率. 9.2.1.1 DNA复制错误复制错误 9.2.1.2 自发的化学变化自发的化学变化 1. 脱嘌呤脱嘌呤（depurination）作用 2. 脱氨脱氨（基）(deamination)作用 3. 氧化作用损伤碱基氧化作用损伤碱基（oxidatively damaged bases） 4. 转座子和插入序列引起的突变转座子和插入序列

4、引起的突变 nDNA结构 与复制 3 5 核酸外切酶核酸外切酶 活性活性校对功能校对功能 DNA复制中的 保真机制 碱基的互变异构可造成复制差错 碱基的互变异构可造成复制差错碱基的互变异构可造成复制差错 DNA复制中碱基互变异构引起的突 变 DNA复制中碱基互变异构引起的突变 DNA复制中碱基环出/跳格造成移码突 变 DNA复制中碱基环出/跳格造成缺失与重 复 9.2.1.2 自发的化学变化自发的化学变化 1.脱嘌呤作脱嘌呤作 用用 2.脱氨基作用:C U 脱氨基作用: 5mC T突变热点 3.氧化作用损伤碱基 过氧化物原子团（过氧化物原子团（O2-） （H2O2），（），（-OH）等需氧代谢

5、的副产物都是有活性的氧化剂，）等需氧代谢的副产物都是有活性的氧化剂， 它们可导致它们可导致DNA的氧化损伤，的氧化损伤， T氧化后产生氧化后产生T乙二醇乙二醇， G氧化后产生氧化后产生8-氧氧-7,8二氢脱氧鸟嘌呤、二氢脱氧鸟嘌呤、8-氧鸟嘌呤氧鸟嘌呤(8-O-G)或或“ GO”， GO可和可和A错配，导致错配，导致GT。 9.2.1.3 转座子和插入序列引起的基因突 变 9.2.1.4 不等交换产生重 复和缺失突变 9.2.2 诱发突变的分子基础 9.2.2.1 放射线的诱发突变放射线的诱发突变 紫外线紫外线、 X-射线、射线、 射线、射线、 宇宙射线宇宙射线 9.2.2.2 化学物质的诱发

6、突变化学物质的诱发突变 1.碱基类似物碱基类似物 (1) 5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU） (2) 氨基嘌呤（氨基嘌呤（2-aminopurine 2-AP） (3) 迭氮胸苷（迭氮胸苷（AZT, azidothymidine） 2.碱基的修饰剂碱基的修饰剂 (1) 亚硝酸（亚硝酸（introus acid, NA） (2) 羟胺羟胺 (3) 烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化 3.DNA插入剂插入剂 原黄素（原黄素（proflavin） 吖啶橙（吖啶橙（acridine orange） 溴化溴化3,8-二氨基二氨基-5-乙基乙基-6

7、-苯基菲啶鎓苯基菲啶鎓 （etnidium bramide） ICR的复合物等的复合物等 9.2.2.1 放射线诱发的突变放射线诱发的突变 电离辐射（X-， -射线）诱发染色体畸变和基因突变（碱基降解/脱氨） 射线波长-能量-诱变效应的关系 UV 照射造成嘧啶二聚体-切除-碱基随机插入=突变 9.2.2.2 化学物质诱变化学物质诱变 1.碱基类似碱基类似 物物 n（1）5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶和和T很相似，仅在第很相似，仅在第5个个 碳元子上由碳元子上由Br取代了甲基取代了甲基,5-BU有酮式、有酮式、 烯醇式两种异构体，可分别与烯醇式两种异构体，可分别与A及及G配对配对 结合结合 碱基类似物（5

8、-BU）的掺入转 换 碱基类似物（2-AP）的掺入转换 碱基类似物 （2-AP）的掺入 转换 (2) 2-氨基嘌呤氨基嘌呤(2-AP)也是碱基的类似物，有正常状态和稀有状态两种异也是碱基的类似物，有正常状态和稀有状态两种异 构体，可分别与构体，可分别与T和和C配对结合。当配对结合。当2-AP掺入到掺入到 DNA复制中时，由于其异复制中时，由于其异 构体的变换而导致构体的变换而导致AT G C 2. 碱基的修饰剂碱基的修饰剂 (1) 亚硝酸亚硝酸（introus acid, NA）有）有氧化脱氨氧化脱氨 作用，可使作用，可使G第第2个碳原子上的氨脱去，产生黄个碳原子上的氨脱去，产生黄 嘌呤（嘌呤

9、（xanthine,x），次黄嘌呤），次黄嘌呤 (H) 仍和仍和C配配 对，故不产生转换突变。但对，故不产生转换突变。但C和和A脱氨脱氨后分别产后分别产 生生U和次黄嘌呤和次黄嘌呤H，产生了，产生了转换转换，使，使CG转换成转换成 AT，AT转换成转换成GC 亚硝酸亚硝酸（introus acid, NA）有）有氧化脱氨氧化脱氨作用，作用， 可使可使G 黄嘌呤（黄嘌呤（X）仍和）仍和C配对，故不产生突变；配对，故不产生突变； 但但C脱氨脱氨 U，使，使C G转换成转换成A T； A脱氨脱氨次黄嘌呤次黄嘌呤H，使，使A T转换成转换成G C。 碱基修饰剂的诱变作用 (1) 亚硝酸亚硝酸 (2)

10、羟胺羟胺(3) MMS/EMS （2）羟胺羟胺只特异地和只特异地和胞嘧啶胞嘧啶起反应，在第起反应，在第4个个C原子上加原子上加-OH，产生，产生4-OH- C，此产，此产 物可以和物可以和A 配对配对，使，使CG转换成转换成TA (3)(3)烷化剂烷化剂如如甲基黄酸乙脂（甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥氮芥(NM),甲基黄酸甲脂（甲基黄酸甲脂（MMS）,亚亚 硝基胍（硝基胍（NG）等，它们的作用是使碱基烷基化，）等，它们的作用是使碱基烷基化，EMS使使G的第的第6位烷化，使位烷化，使 T的第的第4位上烷化，结果产生的位上烷化，结果产生的O-6-E-G和和 O-4-E-T分别和分别和T、G配对，导致

11、配对，导致 GC对转换成对转换成AT对；对；TA对转换成对转换成CG 烷化剂烷化剂如如甲基黄酸乙脂（甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥氮芥(NM),甲基黄酸甲脂甲基黄酸甲脂 （MMS）,亚硝基胍（亚硝基胍（NG）等，）等， 使使G O-6-M-G=T配对，导致配对，导致G C对对转换转换成成A T； 使使T O-4-M-T G配对，导致配对，导致T A对对转换转换成成C G； 3.DNA插入剂插入剂导致碱基增导致碱基增 减减 嵌合剂的插入移码突 变 9.3 体外定点诱变 1985年年加拿大的加拿大的Michael Smith建立，于建立，于1993年获得了诺贝尔化学奖。年获得了诺贝尔化学奖。 具体方

12、法有三种：具体方法有三种： （1）寡核苷酸介导的单链模板定点突变；）寡核苷酸介导的单链模板定点突变； （2）双引物法定点突变；）双引物法定点突变； （3）用掺入）用掺入U的单链为模板进行寡核苷的单链为模板进行寡核苷 酸介导的体外定点突变。酸介导的体外定点突变。 寡核苷酸介导的单链模板定点突变寡核苷酸介导的单链模板定点突变 A A T G G A 图 21- DNA 的体外定点突变 基于PCR 的体外定点突变 基于PCR 的体外定点突变 9.4 突变剂的检测 用 Ames法 检测诱变剂 突变和人类疾病 （一）自发突变和人类的疾病（一）自发突变和人类的疾病 一一.重复序列异常所引起的遗传病重复序列

13、异常所引起的遗传病 线粒体的脑脊髓病（线粒体的脑脊髓病（mitochondlrial encephalomyopathies)是线粒体重复顺序是线粒体重复顺序 之间产生缺失所致。之间产生缺失所致。 脆性脆性X染色体综合征染色体综合征 X-连锁脊髓和延髓肌娄缩，也称连锁脊髓和延髓肌娄缩，也称Kennedys症症 强直性肌营养不良（强直性肌营养不良（Myotonic dystrophy） WT ACCTACCTCCCTCACCAAAGC5000bpTTCAACCTCCCTCACCATTGG 缺失5000bp KS ACCAACCTCCCTCACCATTGG 图 21-18 野生型(WT)DNA 顺

14、序和 Kearns-Sayre/ 慢性眼外肌瘫痪综合征(KS)患者的 DNA 缺失 CGG CGG CGG 正常 654 拷贝 CGG CGG CGG CGG CGG NTM 50200 拷贝 CGG CGG CGG CGG CGG 女儿 50200 拷贝 CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG 患者 2001300 拷贝 图 21-19 在脆性 X 综合征中 FMR1 基因内 CGG 3 个核苷酸扩增。NTM：正常男性 (二) 诱发突变和人类的肿瘤 9.5 基因突变的生物学防护与修复 9.5.1 DNA的防护机制 1、密码的简并性、相似性 2、回复突变

15、 3、抑制突变（基因间抑制与基因内抑制） 4、 二倍体和多倍体 5、致死与选择 9.5.2 DNA的修复机制的修复机制 一一.直接修复（直接修复（Direct repair） (一一) 通过通过DNA聚合酶校正聚合酶校正(3 5外切外切)修复修复 (二二)光复活反应光复活反应 光复活（光复活（photoreactivation）或光修复（）或光修复（light repair） 光裂合酶（光裂合酶（photolyase),由由phr 基因编码基因编码 烷基转移酶（烷基转移酶（Alkyltransferases）(如对如对m6G) UV损伤的光修复 /光复活 PR酶，光能 UVPy=Py特异 低等

16、生物的主要修复方式 (一一) 一般切除修复一般切除修复 切除修复切除修复(excision-repair) 暗修复（暗修复（dark repair） 切-补（-切）-封 短短-补丁修复（补丁修复（short-patch repair）（）（20nt)20nt)组成 型 长长-补丁修复（补丁修复（long-patch repair） （1500nt)1500nt)诱导 型 着色性干皮病（着色性干皮病（Xeroderma pigmentosum）是一）是一 种切除修复酶的缺陷种切除修复酶的缺陷 二、切除修复（excision-repair） Damage Mutant base is mismat

17、ched and/or distorts stractur Incision Endonuclease cleaves on both sides of damaged ba Excision Exonuclease removes DNA Between nicks Synthesis Polymerase synthesizes Replacement DNA Ligase seals nick Fig. 21- Excision repar removes and replaces a stretch of DNA that includes the dameged base (s) E

18、.Coli 中的切除修复系统 损伤：突变的碱基错配或改变DNA结构 剪切：内切酶在损伤碱基位点两侧剪切 切除：外切酶除去切口间的DNA 合成：DNA pol 合成取代DNA 连接酶封闭缺口 Uvr系统在修复各系统在修复各 阶段中的作用：阶段中的作用： UvrAB识别损伤，识别损伤， UvrBC在在DNA上上 切一缺口，切一缺口， UvrD使被标记区使被标记区 解旋解旋 着色性干皮病着色性干皮病 （Xeroderma pigmentosum） 是一种切除修复酶的缺陷是一种切除修复酶的缺陷 (二) 特殊切除修复途径 (1) AP核酸内切酶修复途径 AP位点 :无嘌呤（apurinic）和 无嘧啶（

19、apyrimidinic）位点 (2) 糖基酶修复途径 重组修复（recombination-recombination- repairrepair） 在E.coli中的提取(retrival)系统 9.6 基因突变的检出 9.6.1 传统遗传学检出法 9.6.2 分子遗传学检出法 9.6.1 传统遗传学检出法 1、微生物突变的检出 抗性筛选positive selection eg. +pen pen r 营养缺陷型筛选negative selection eg. penicillin enrichment method 青霉素阻止细胞壁成分的合成，对扩增细胞致死 MM+pen (-/+)

20、CM MM + - 2、果蝇突变的检出 （1）果蝇伴性隐性致死）果蝇伴性隐性致死/非致死突变的检出非致死突变的检出 利用利用 Muller-5品系检出品系检出X隐性突变隐性突变 （2）常染色体基因突变的检出）常染色体基因突变的检出 平衡致死系的利用平衡致死系的利用 （1）果蝇伴性隐性致死/非致死突变的检出 利用 Muller-5品系检出X隐性突变 （2）常染色体基因突变的检 出 平衡致死系的利用 3、植物突变的检出 L. Stadler 玉米子粒胚乳颜色突变检出玉米子粒胚乳颜色突变检出 CCcc Cccc（无色）（无色）存在突变存在突变 拟南芥及其突变检出拟南芥及其突变检出 ？ 9.6.2 分

21、子遗传学检出法 9.6.2.1 单链构像异构多态性 （PCR-SSCP） PCR-SSCPPCR-RFLP 9.6.2.2 用毛细管电泳技术检测点突 变 毛细管、毛细管、 强电场（离强电场（离 子表面积、子表面积、 外形差异）、外形差异）、 高散热、高散热、 高通量高通量 9.6.2.3 等位基因特异寡核苷酸杂交 利用碱基对差异-杂交强度差异检测 9.6.2.4 序列分析与DNA芯片检测 Sequencing Sequencing is the procedure of choice for SNP discovery. The most common forms of sequencing

22、are based on primer extension using either a) dye-primers and unlabeled terminators or b) unlabeled primers and dye- terminators. The products of the reaction are then separated using electrophoresis using either capillary electrophoresis or slab gels. DNA序列分析（1） Sanger 双脱氧链末端终双脱氧链末端终 止止法法/酶促酶促DNA序列

23、测定序列测定 法法 Maxam-Gilbert 化学降解法 碱基特异修饰-特异断裂 DNA序列分析（2） DNA芯片/微阵列技术 Allele 1 Allele 1 Allele 2 Allele 2 +Enzyme +ddATP +dCTP/dGTP/dTTP Allele 1 Unlabeled Primer (23mer) T C T Extended Primer (24mer) T C T A T GA Allele 2 Unlabeled Primer(23mer) A C T Extended Primer (26-mer) A C T MassArray （2） Figure

24、II. Same DNA, different people: monozygotic twins share the same genome, but a different epigenome. The distinct pattern of DNA methylation and histone modifications can explain different phenotypes and individual susceptibility to disease. Proc Natl Acad Sci USA 102, 10604-10609, 2005. 9.7 表观遗传变异 在DNA序列未改变的情况下，基因表达的可遗传变化称表观遗传修饰（ epigenetic modification）或表观遗传变异（epigenetic variation）. 表观遗传修饰/表观遗传变异 多源于DNA甲基化和