第3讲 基因突变及DNA损伤修复2

1、ATAC严重的后果是：严重的后果是： 移码突变移码突变碱基缺失碱基缺失模板链错排模板链错排 电离辐射：电离辐射：1.1.对细胞的物理学效应（电离辐射的直接作用）：对细胞的物理学效应（电离辐射的直接作用）： 射线或者带电粒子射线或者带电粒子 生物体生物体 从细胞中各种原从细胞中各种原子成分的外层击出电子子成分的外层击出电子 产生很多离子对产生很多离子对 引引起细胞内起细胞内（或或DNA)DNA)原子或者分子的电离和激发原子或者分子的电离和激发 遗传物质改变遗传物质改变细胞内的高自由基含量细胞内的高自由基含量DNADNA造成了伤害造成了伤害 在在YutaiYutai A A中中ROSROS含量很高

2、含量很高光复活酶与光复活酶与TT二聚体形成的复合物二聚体形成的复合物利用可见光能切断利用可见光能切断TT二聚体的两个二聚体的两个CC键形成单体键形成单体切切移移补补封封 Damage Mutant base is mismatched and/or distorts stractur Incision Endonuclease cleaves on both sides of damaged ba Excision Exonuclease removes DNA Between nicks Synthesis Polymerase synthesizes Replacement DNA Lig

3、ase seals nickFig. 21- Excision repar removes and replaces a stretch of DNA that includes the dameged base (s) 一般切除修复示意图一般切除修复示意图原核生物原核生物DNA切除修复机制切除修复机制UvrA识别损伤并识别损伤并和和UvrB结合一起结合一起结合于受损部位结合于受损部位UvrA解离解离UvrC结合结合UvrC 在损伤位点在损伤位点两侧切割两侧切割UvrD将损伤部位将损伤部位的的 DNA解旋并解旋并释放受损释放受损DNAPOlI进行修复合成并进行修复合成并填补缺口填补缺口( (a

4、)APa)AP核酸内切酶修复途径核酸内切酶修复途径(b)(b)糖基酶修复途径糖基酶修复途径糖基酶修复途径糖基酶修复途径 Template strand with N6-methyl Template correct base adenine DNA strand 5 * 3 GATC CTAG 3 5 Newly-made DNA Unmethylated Newly made with incorrect adenine DNA strand * GATC 3 Mismatch enzyme binds to CTAG 5 unmethylated GATC on new strand an

5、d to mispaired 3 base on the same strand. 5 * GATC 3 Mismatch correction enzyme CTAG 5 excises section of new DNA strand ,including mispaired 3 base. 5 * GATC 3 DNA polymerase repairs CTAG 5 the gap , producing correct Base. Fig. 21- Mechanism of mismatch correction repair. 5 recombinated Lesion par

6、ental DNA Repaired Parental DNA Recombination Repair Fig. 21- Postreplication recombination repair Site of frequent mismatchings Fig. 21- Error-prone (SOS) repair (lesion by-pass) LexALexA和和RecARecA之间的拮抗关系之间的拮抗关系DNA修复系统突变造成的人类疾病修复系统突变造成的人类疾病1. 根据突变的来源分为：根据突变的来源分为：nSpontaneous mutation: 在自然界中发生的，在自然界

7、中发生的，不管是由于自然界中突变剂作用的结果还不管是由于自然界中突变剂作用的结果还是由于偶然的是由于偶然的DNA复制错误被保留下来的复制错误被保留下来的突变，都叫自发性突变。突变，都叫自发性突变。 nInduced mutation：由于人们使用突变剂处：由于人们使用突变剂处理而产生的突变叫诱发性突变。理而产生的突变叫诱发性突变。3. 3. 从对阅读框架的影响来看：从对阅读框架的影响来看： 移框突变移框突变（frameshift mutation ）。）。 插入、缺失一个或两个碱基都能引起移框突变；插入、缺失一个或两个碱基都能引起移框突变； 扁平的碱性染料分子的嵌合也常引起移框突变。扁平的碱性

8、染料分子的嵌合也常引起移框突变。 移框突变不但改变了产物的氨基酸组成，而且会出移框突变不但改变了产物的氨基酸组成，而且会出 现蛋白质合成的过早终止。现蛋白质合成的过早终止。 如果移框突变发生在必需基因上，常常是致死的。如果移框突变发生在必需基因上，常常是致死的。 如插入或缺失三个碱基，则可能对阅读框架影响不如插入或缺失三个碱基，则可能对阅读框架影响不大，其产物常常有活性或有部分活性。大，其产物常常有活性或有部分活性。4. 4. 从遗传信息的改变来看：从遗传信息的改变来看： 同义突变（同义突变（synonymous mutation）：指指碱基碱基序列的改变序列的改变没有引起产物氨基酸序列的变化

9、，这没有引起产物氨基酸序列的变化，这主要与密码子的简并性有关。主要与密码子的简并性有关。 错义突变（错义突变（missense mutation）：指碱基序指碱基序列的改变引起了产物氨基酸序列的改变。列的改变引起了产物氨基酸序列的改变。 无义突变（无义突变（nonsense mutation）：指某个碱指某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白质基的改变使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子，导致肽链合成过早终止。合成的终止密码子，导致肽链合成过早终止。5. 从对表现型的影响看：从对表现型的影响看：致死突变致死突变( (Lethal mutation):):有些错义突变或无义

10、突变严有些错义突变或无义突变严重影响到蛋白质活性甚至完全无活性重影响到蛋白质活性甚至完全无活性, , 从而影响了表现从而影响了表现型。型。渗漏突变渗漏突变( (Leaky mutation):):有些错义突变有些错义突变或无义突变或无义突变的的产物仍然有部分活性产物仍然有部分活性, ,使表现型介于完全的突变型和野使表现型介于完全的突变型和野生型之间的中间类型。生型之间的中间类型。中性突变中性突变(Neutral mutation): 有些错义突变不影响或基本有些错义突变不影响或基本上不影响蛋白质活性上不影响蛋白质活性, ,不表现出明显的性状变化。中性不表现出明显的性状变化。中性突变与同义突变统

11、称为无声突变突变与同义突变统称为无声突变( (silent mutationsilent mutation) )。6. 回复突变和抑制突变回复突变和抑制突变 回复突变回复突变(reversion)： 抑制突变抑制突变(suppressor mutation)： 基因内与基因间抑制突变：基因内与基因间抑制突变： 这株矮状水稻是四川农业大学的科研人员通过这株矮状水稻是四川农业大学的科研人员通过EMS诱导而诱导而得到的水稻得到的水稻突变突变体并发现这个导致突变的隐性基因体并发现这个导致突变的隐性基因fp2位于水位于水稻的第稻的第10号染色体上。结果表明，号染色体上。结果表明，fp2基因可能通过影响微

12、纤基因可能通过影响微纤丝和细胞壁组分的合成与沉积，从而影响初生和次生细胞壁的丝和细胞壁组分的合成与沉积，从而影响初生和次生细胞壁的形成、细胞壁厚度及细胞延展性，最终导致水稻植株机械强度形成、细胞壁厚度及细胞延展性，最终导致水稻植株机械强度和形态的改变。这项研究对于降低株高、改善株型的水稻育种和形态的改变。这项研究对于降低株高、改善株型的水稻育种具有一定的意义。具有一定的意义。 通过物理辐通过物理辐射产生的水射产生的水稻突变体稻突变体 最常用的手段是农杆菌介导的转基因的方法最常用的手段是农杆菌介导的转基因的方法在大多数的双子叶植物和少数单子叶植物中已经成熟在大多数的双子叶植物和少数单子叶植物中已

13、经成熟 不需要特殊的仪器设备，任何实验室都能操作不需要特殊的仪器设备，任何实验室都能操作 农杆菌是土壤中的一种细菌，能够导致植物产生冠瘿病农杆菌中含有 Ti质粒 (Tumor-inducing plasmid)Ti质粒含有T-DNA序列，T-DNA可以注射进入植物的核DNATi PlasmidT-DNA regionAuxinLeft borderCytokininOpineOpine catabolismRight bordervir genesori12-24 kbpPlant cellAgrobacteriumNucleus 农杆菌介导的植物转基因T-DNATi plasmidPlant

14、 cellAgrobacteriumwoundT-DNATi plasmidNucleus 农杆菌介导的植物转基因CCH3OOHOCH3CH3OAcetosyringone 乙酰丁香酮乙酰丁香酮CCH2OHOOHOCH3CH3OHydroxyacetosyringone 羟基乙酰羟基乙酰 丁香酮丁香酮 农杆菌介导的植物转基因农杆菌介导的植物转基因Plant cellAgrobacteriumNucleusSingle-stranded copy of T-DNA(protected by ssDNA binding protein)woundChromatinT-DNAporeT-DNA 农杆

15、菌介导的植物转基因农杆菌介导的植物转基因利用农杆菌转导的方法获得了转基利用农杆菌转导的方法获得了转基因植株因植株 T-DNAT-DNA标签突变体所用载体标签突变体所用载体转基因流程图转基因流程图 胚性愈伤 抗性愈伤 再生植株 PCR检测阳性率70 转基因植株108 株 T-DNA插入导致水稻雄性不育插入导致水稻雄性不育The Rice Tapetum Degeneration Retardation Gene Is Required for Tapetum Degradationand Anther Development ( The Plant Cell, Vol. 18, 29993014

16、, November 2006)细胞学显微结构观察显示花粉的绒毡层出现了问题细胞学显微结构观察显示花粉的绒毡层出现了问题The Rice Tapetum Degeneration Retardation Gene Is Required for Tapetum Degradationand Anther Development ( The Plant Cell, Vol. 18, 29993014, November 2006)Bt CropsCrops have been transformed with different Cry genes that produce toxins act

17、ive against that crops particular pestInsecticide use drastically reduced on Bt crops Genes have conferred very effective resistance- more than 40 different Cry genes have been used to date- yield has increased- diversity of native insect populations has increasedpromoterRegulatory sequences recogni

18、sed by plant(either from plant gene or plant virus gene).Frequently use 35S CaMV promoterpolyA+Bt Transgenes Introduced into PlantsCodon usage modified for efficient expression in plants and to remove cryptic splice sites etcBt Cry2002年年5月月8日播种，日播种，6月月1日插秧，抗虫转基因日插秧，抗虫转基因水稻恢复系株系及其配制的杂交稻组合各水稻恢复系株系及其配制

19、的杂交稻组合各18个；个；恢复系及杂交稻组合的对照分别为明恢恢复系及杂交稻组合的对照分别为明恢86及及优明优明86；转基因材料与对照在横竖二个方向间；转基因材料与对照在横竖二个方向间隔种植如国际象棋棋盘，每个方块为正方形，隔种植如国际象棋棋盘，每个方块为正方形，边长为边长为3m。 From: Zhu Zhen与产量性状相关的基因与产量性状相关的基因控制粒重宽粒基因控制粒重宽粒基因GW2水稻产量相关的功能基因研究上，粒重基因”作为决定水稻产量的要素之一，正成为国际研究热点，林鸿宣研究组成功克隆控制水稻粒宽粒重的基因GW2，这把拥有自主知识产权的“基因钥匙”，在高产分子育种方面显示出重要应用前景

20、。转转GW2基基因反义链因反义链（GW2 cDNA）转转GW2基基因正义链因正义链增加粒宽增加粒宽且增加粒且增加粒重重（Song et al., 2007）控制产量主效控制产量主效QTL基因基因Gn1aGn1a编码一个细胞分裂素氧化酶（编码一个细胞分裂素氧化酶（osCKX2），降低），降低其表达可以促进细胞分裂素在花序分生组织的积累，增其表达可以促进细胞分裂素在花序分生组织的积累，增加颖花数目，最终能提高水稻产量。加颖花数目，最终能提高水稻产量。转基因验证结果转基因验证结果表明：表明：Gn1a的高的高表达使花序变小，表达使花序变小，Gn1a沉默明显提沉默明显提高产量。高产量。（Ashikari

21、 et al., 2005）育性有关的基因克隆育性有关的基因克隆水稻不育、育性恢复基因及相关基因的分水稻不育、育性恢复基因及相关基因的分子机理研究一直受到广泛重视子机理研究一直受到广泛重视 ，目前克隆，目前克隆了部分基因，这对于杂交水稻的发展具有了部分基因，这对于杂交水稻的发展具有重要的理论指导意义。重要的理论指导意义。不育相关基因的克隆不育相关基因的克隆恢复基因的克隆恢复基因的克隆 三系杂交稻在中国的发展历程三系杂交稻在中国的发展历程 不育有关基因的克隆不育有关基因的克隆红莲型水稻雄性不育基因红莲型水稻雄性不育基因orfH79orfH79转基因植株转基因植株: 108株株25株株83株株组成

22、性启组成性启动子动子 Ubi花药特异性启花药特异性启动子动子Os45转基因获得转基因获得T0代代108株，其中完全不育株，其中完全不育25株，部分不育株，部分不育83 株；株；对其中一个部分不育株系的对其中一个部分不育株系的T1代代PCR检测表明不育株与可育株之比为检测表明不育株与可育株之比为1:1 温敏不育基因温敏不育基因Upg1Upg1基因在水稻小花中基因在水稻小花中表达产生表达产生UGPase酶，特酶，特别是在花粉发育过程中，别是在花粉发育过程中，通过共抑制和通过共抑制和RNAi技术技术产生基因的异常将导致产生基因的异常将导致温敏核不育现象。这为温敏核不育现象。这为通过基因工程创造两系通

23、过基因工程创造两系新型不育系提供了一个新型不育系提供了一个很好的思路。很好的思路。（Chen et al., 2007）msp1TransformantMSP1基因（基因（Multiple Sporocyte）TDR基因（基因（Tapetum Degeneration Retardation）MSP1编码一个编码一个LRR receptor蛋白激活酶，蛋白激活酶，msp1隐性突变体导致激活酶在雌雄孢囊积隐性突变体导致激活酶在雌雄孢囊积累过多，花粉囊壁和绒毡层累过多，花粉囊壁和绒毡层 发育扰乱，从发育扰乱，从而导致雄性不育。而导致雄性不育。导入导入MSP1全片段使全片段使突变体的育性恢复突变体的

24、育性恢复TDR基因在绒毡层基因在绒毡层 发育和发育和退化过程中起着关键的调退化过程中起着关键的调节作用，该基因突变同样节作用，该基因突变同样导致雄性不育导致雄性不育（Nonomura et al., 2003）（Li et al., 2006）wildaid1Aid1隐性突变体隐性突变体能产生三种不同类能产生三种不同类型的不育型的不育（1）花）花粉不育；（粉不育；（2）花）花粉可育，但花粉囊粉可育，但花粉囊不张开；（不张开；（3）花）花粉可育，且花粉囊粉可育，且花粉囊张开，但与开花期张开，但与开花期不同步，导致不能不同步，导致不能受粉。利用受粉。利用AID1基因可培育新的不基因可培育新的不育类

25、型。育类型。AID1（anther indehiscence1）基因）基因花粉囊花粉囊不能开不能开裂导致裂导致的不育的不育（Zhu et al., 2004）恢复基因恢复基因Rf1Rf1的克隆的克隆水水稻稻BT型型细细胞胞质质雄雄性性不不育育恢恢复复基基因因Rf1Rf1转基因验证结果表明：转基因验证结果表明：ctG16（Rf1）可使）可使BT型不育系的育性恢复，结实率为型不育系的育性恢复，结实率为0-87%T0Rf1是第一个克隆的水稻恢复基因，它编码一个PPR791蛋白，通过降低CMS基因表达使细胞质雄性不育恢复。BT-CMS（KFA）T0（Rf1a）T0（Rf1a）T0（Rf1b）(Komo

26、ri et.al.,2004)耐低磷基因耐低磷基因osPTF1转转osPTF1基因效果表明：分蘖能力、根、芽的数量在低磷的情况下比野生型提高基因效果表明：分蘖能力、根、芽的数量在低磷的情况下比野生型提高30%浙江大学吴平教授克隆了国际上第一个在植物中具有明确提高磷效率功能的转录因子OsPTF1 。这对于提高作物磷效率，降低生产成本，减少因过多施用磷肥而造成的环境污染具有重要意义。 (Yi al., 2005) )林林鸿宣等鸿宣等成功克隆了与水稻耐盐相关的数量性状基成功克隆了与水稻耐盐相关的数量性状基SKC1，这是至今植这是至今植物中第一个被克隆的耐盐相关物中第一个被克隆的耐盐相关QTL。SKC1基因能在高盐条件下调节基因能在高盐条件下调节K+/Na+浓度动态平衡，从而提高耐盐能力。浓度动态平衡，从而提高耐盐能力。SKC1 为水稻耐盐遗传育种为水稻耐盐遗传育种研究提供了有利基因，通过分子标记辅助育种，可