第七章基因突变

1、 第七章 基因突变 染 色 体 畸 变 碱 基 错 配 复 制 错 误 突 变 DNA 复 制 跳 格 自 发 突 变 脱 嘌 呤 基 因 突 变 化 学 错 误 脱 氨 基 氧 化 损 伤 放 射 线 -产 生 嘌 呤 二 聚 体 诱 发 突 变 碱 基 类 似 物 :5BU,2AP 化 学 诱 变 剂 碱 基 修 饰 物 :NA,HA,烷 化 剂 DNA 插 入 剂 :吖 啶 类基因突变:由于DNA分子中碱基所发生的改变,导致DNA分子结构发生稳定的改变。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-Mu

2、tM,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基因突变的修复方式:第一节第一节 基因突变的类型基因突变的类型 体细胞突变体细胞突变（somatic mutation） 生殖细胞突变生殖细胞突变（germ-line mutations） 转换转换（transition）是指同类碱基之间的替换。 颠换颠换（transversion mutation）是嘌呤与嘧啶之间的替换。 表 21-1 突变的各种类型 转换 Py 与 Py，Pu 与 Pu 之间变换，多见 点突变，碱基替换 颠

3、换 Py 与 Pu 之间变换，少见 插入 1-2 个碱基 移码突变 丢失 1-2 个碱基 发生移码 缺失突变 缺失大片段 DNA（十几到几千个碱基） 突变类型 A G T C 转换 颠换 图 21-1 转换与颠换 从对遗传信息的改变看： 点突变中的碱基替代突变可进一步分为：点突变中的碱基替代突变可进一步分为： 1 1、同义突变：没有改变产物氨基酸序列、同义突变：没有改变产物氨基酸序列 的密码子变化。的密码子变化。 2 2、错义突变：碱基序列的改变引起了产物、错义突变：碱基序列的改变引起了产物 氨基酸序列的密码子变化。氨基酸序列的密码子变化。 3 3、无义突变：产生终止密码子的突变。、无义突变：

4、产生终止密码子的突变。 无义突变中产生无义突变中产生UAGUAG的为瑚珀型的为瑚珀型AmbAmb 无义突变中产生无义突变中产生UAAUAA的为赫石型的为赫石型OchOch 无义突变中产生无义突变中产生UGAUGA的为乳石型的为乳石型OpaOpa 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）蛋白质中相应位点是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）由于碱基数目的改变所引起的密码子阅读框架发生改变。 表 21-2 点突变的

5、类型(以 Tyr 的密码子为例) 无义突变同义突变错义突变DNA TACTAA , TAG RNA UAC UAA UAG aa Tyr Och AmbTAC TAT UAC UAU Tyr TyrTAC TCC UAC UCC Tyr Ser回复突变与抑制突变回复突变与抑制突变回复突变回复突变（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 mutation）突变的作用还可以通过其它位点的突变而得到减少或校正。抑制基因所引起

6、的抑制突变抑制基因所引起的抑制突变-基因间抑制基因间抑制 抑制基因抑制基因（suppressor）或称校正基因校正基因: 能够逆转或抑制另一个突变效应的基因。能够逆转或抑制另一个突变效应的基因。 （一）无义抑制（nonsense suppressor） 产生互补于由于突变所产生的无 义密码子的tRNA反密码子的突变 1. tRNA反密码子的突变 2. tRNA其它结构的改变无义突变使 UUG 变为 UAG Tyr-tRNA 阅读 UAG 密码子AUG UUG UAA AUG UAG UAA AUG UAG UAA UACAAC AUC AUG 释放因子 抑制突变 Leu Tyr Tyr图 14

7、17 带有突变反密码子的 tRNA 可抑制无义突变表 14-6 由反密码子突变而产生的无义抑制基因 野生型 抑制基因基因tRNA识别的密码子反密码子反密码子识别的密码子SupD(su1)SerUCGCGACUAUAGSupE(su2)GlnCAGCUGCUAUAGSupF(su3)TyrUAC, UAUGUACUAUAGSupC(su4)TyrUAC/UAUGUAUUAUAA/UAGSupG(su5)LysAAA/AAGUUUUUAUAA/UAGSupU(su7)TrpUGGCCAUCAUGA/UGG(二)错义抑制 产生能够互补于由于突变而产生的错义密码子的tRNA反密码子的突变 1.完全恢复

8、活性-氨基酸种类不变 2.部分恢复活性-氨基酸种类变化 （二）错义抑制 错义突变 错义突变AUG AGA UAA AUG GGA UAA AUG AGA UAAUCU CCU UCU 抑制突变 Arg Gly Gly图 14-18 反密码子发生突变可抑制错义突变抑制突变的特点: 1.不是所有抑制基因都能产生有功能的蛋白质，关键是要看氨基酸取代的情况。 2. 校正的作用不可能是完全的。 校正的tRNA分子是有限的而且还要和释放 因子竞争； 若是错义抑制的话，由于氨基酸发生取 代,使得蛋白质的活性有所降低。 3. 每种抑制tRNA一般都只识别UAG终止密码子，而不再识别原来相应的密码子。 4. 当

9、细胞中含有多个tRNA拷贝时，抑制才能发挥作用。 5. 有的抑制基因，不仅可以识别终止密码子，而且还可以识别原来的密码子。如野生型tRNATrp的反密码子是CCA，它可以识别原来的密码子UGG，而且还可以识别终止密码子UGA。6.校正基因一般不会影响正常的终止(1)校正基因识别的终止密码子不一定和正常终止的密码子相同。有时正常终止位点有两个连续的终止密码子，而且结构不同，如UAG-UAA；(2)释放因子将和抑制基因竞争和终止密码子的结合；(3)抑制基因的效率很低，通常为15%，所以常不会抑制正常终止。 第二节第二节 突变的原因突变的原因 一一.自发突变自发突变（spontaneous muta

10、tions） 突变率（mutation rate）是指在单位时间内某种突变发生的概率. (一) DNA复制错误 (二) 自发的化学变化 1. 脱嘌呤脱嘌呤（depurination） 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）(一)DNA复制错误 A ATGTC TACAG ATGTC ATGTC TATAG TATAGA ATGTC TACAG ATGTC TACAG A ATGTC TACAG ATGTC TACAG 新链 5 3 A G T TT C A A A A A C G 模板链

11、3 5 新合成链环出 5 3 5 T 3 A G T T A G T T T TT C A A A A C G T C A A A A A C G 3 A 5 3 5 模板链环出 新链上插入一个碱基 新链上缺失一个碱基 5 3 5 T 3 A G T T T T G C A G T T T T T G CT C A A A A C G T C A A A A A C G 3 A 5 3 5 图214 在 DNA复制中由于 DNA的错误环出自发产生碱基的插入和缺失 (参考 Peter J. Russell: Genetics, 3rd ed.,Fig18-8)(二) 自发的化学变化 1.脱嘌呤

12、A ATGTC TACAG ATGTC ATGTC TACAG TACAG A ATGTC TACAG ATGGC TACCG A ATGGC TACAG ATGCC TACAG 2.脱氨基 NH2 O H H H N N Deamination H N O H N O Cytosine Uracil Fig. 21- Deamination of cytosine to uracil. NH2 O H3C H3C H N N Deamination H N O H N O 5-methyleytosine (5mC) Thymine (T) Fig.21- Deamination of 5-

13、methylcytosine to thymine. 3.氧化损伤 过氧化物原子团（O2-） （H2O2），（-OH）等需氧代谢的副产物都是有活性的氧化剂， 它们可导致DNA的氧化损伤， T氧化后产生T乙二醇， G氧化后产生8-氧-7,8二氢脱氧鸟嘌呤二二. 诱发突变诱发突变 (一一) 放射线放射线 紫外线、 X-射线、 射线、 宇宙射线 (二二) 化学物质化学物质 1.碱基类似物 (1) 5-溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU） (2) 氨基嘌呤（2-aminopurine 2-AP） (3) 迭氮胸苷（AZT, azidothymidine） 2.碱基的修饰剂 (1) 亚硝酸（

14、introus acid, NA） (2) 羟胺 (3) 烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化 3.DNA插入剂 原黄素（proflavin） 吖啶橙（acridine orange） 溴化3,8-二氨基-5-乙基-6-苯基菲啶鎓 （etnidium bramide） ICR的复合物等 (一一) 紫外线诱发胸苷二聚体紫外线诱发胸苷二聚体 O O UV O O H CH3 H CH3 H CH3 CH3 H N N N N O N H O N H O N H H N O Thymine Thymine Thymine dimer O O 4 5 4 5 3 6 6 2 1 Fig. 21- Prod

15、uction of thymine dimer by ultraviolet light irradiation. A A G G T BUK BUE C 酮式 烯醇式(二二) 化学物质化学物质 1.碱基类似物 （1）5-溴尿嘧啶和T很相似，仅在第5个碳元子上由Br取代了甲基 5-BU有，酮式酮式，烯醇式烯醇式两种异构体，可分别与A及G配对结合 A A G G T BUK BUE C 酮式 烯醇式 (2) 2-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A T G CA 2AP 2AP*

16、 GT T C C 2. 碱基的修饰剂 (1) 亚硝酸（introus acid, NA）有氧化脱氨作用，可使 G 第 2 个 碳 原 子 上 的 氨 脱 去 ， 产 生 黄 嘌 呤（xanthine,x），次黄嘌呤 (H) 仍和C配对，故不产生转换突变。但C和A脱氨后分别产生U和次黄嘌呤H，产生了转换，使C G转换成A T，A T转换成G C HNO2 A H G G A A T C C C U T HNO2 （2）羟胺只特异地和胞嘧啶起反应，在第4个C原子上加-OH，产生4-OH-C，此产 物可以和A 配对，使C G转换成T A HA C 4-OH-C T G A A (3)烷化剂烷化剂如

17、甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥(NM),甲基黄酸甲脂（MMS）,亚硝基胍（NG）等，它们的作用是使碱基烷基化，EMS使G的第6位烷化，使T的第4位上烷化，结果产生的O-6-E-G和 O-4-E-T分别和T、G配对，导致G C对转换成A T对；T A对转换成C G G O-6-E-G A T O-4-E-T C C T T A G G3.DNA插入剂 (a) 增加碱基 插入剂分子 模板链 5 ATCAG TTACT3 新合成链 3TAGTC G AATGA5 068nm 随机选择碱基 嵌入插入剂处 下一轮复制 5 ATCAG C TTACT 3 3TAGTC G AATGA 5(b)缺失碱基 模板

18、链 5 ATCAG T TACT3 新合成链 3TAGTC ATGA5 插入剂失去 后复制 插入剂 5 ATCAGTACT 3 3TAGTCATGA 5 图 21-15 插入突变导制碱基的增加(a)和减少(b) 4. 体外定点突变 1985年加拿大的Michael Smith建立，于1993年获得了诺贝尔化学奖。 具体方法有三种： （1）聚核苷酸介导的用单链模板定点突 变； （2）双引物法定点突变； （3）用掺入U的单链为模板进行聚核苷 酸介导的体外定点突变。 A A T G G A 图 21- DNA 的体外定点突变 一一.直接修复（直接修复（Direct repair） (一) 通过DNA

19、聚合酶校正修复 (二)光复活反应 光复活光复活（photoreactivation）或光修复光修复（light repair） 光裂合酶（photolyase),由phr 基因编码 烷基转移酶（Alkyltransferases）第三节第三节 DNA的修复机的修复机 (一) 一般切除修复 切除修复(excixion-repair) 暗修复（dark repair） 短短-补丁修复补丁修复（short-patch repair） 长长-补丁修复补丁修复（long-patch repair） 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二二 切除修复

20、切除修复（excixion-repair） 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 Ligase seals nickFig. 21- Excision repar removes and replaces a st

21、retch of DNA that includes the dameged base (s) 在E.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 Deformation of DNA UvaA UvaB UvrA recognizes damage & binds with UvrB UvaC UvaB UvrA released; UvrC binds UvaC UvaB UvrC nicks DNA on both sides of damage Uv

22、a D UvrD unwinds region Fig. 21- The Uvr sistem operates in stages in which UvrAB recognizes damage, UvrBC nicks the DNA, and UvrD unwinds the marked region. Uvr系统在修复各阶段中的作用UvrAB识别损伤； UvrBC在DNA上切一缺口； UvrD使被标记区解旋 (二) 特殊切除修复途径 (1) AP核酸内切酶修复途径 AP位点位点 :无嘌呤（apurinic）和 无嘧啶（apyrimidinic）位点 (2) 糖基酶修复途径 Nucl

23、eotide containingA damaged base 5 3 A ATCGTAGATAGCTAA TACCATCTATCGATT 3 5 Glycosylase enzyme recognizes damaged base and cleaves bond 5 3 between base and sugas, A ATCGTAGATAGCTAA releasing the base.TACCATCTATCGATT 3 5 AP endonuclease cleaves phosphodiester bond 5 3 next to missing base. A ATCGTAGAT

24、AGCTAA TACCATCTATCGATT DNA polymerase I repairs region 3 5 by rmoving nucleotides in the 5 - to-3 direction and inserting new 5 3 DNA in the resulting gap 5 -to-3 A ATCGTAGATAGCTAA directionTACCATCTATCGATT 3 5 DNA ligase seals the remainig nick. 5 3 A ATCGTAGATAGCTAA TACCATCTATCGATT3 5 Fig. 21- Repa

25、ir of AP site. 三、复制后修复三、复制后修复 (一) 错配修复（mismatch repairmismatch repair） (1) 识别错配的碱基对； (2) 对错配的一对碱基要能准确区别哪一个 是错的，哪一个是对的； (3) 切除错误的碱基，并进行修复合成。 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 enz