基因突变和表观遗传变异ppt课件

1、9 基因突变和表观遗传变异基因突变和表观遗传变异表观遗传变异表观遗传变异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,HimA9.1 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 体细胞突变与体细胞突变与生殖细胞突变生殖细胞突变2. 突变

2、的类型：突变的类型：形状形状，生化，生化，失去功能的失去功能的：无效无效-渗漏渗漏，获得功能的获得功能的，致死致死条件致死条件致死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中性突变中性突变neutral mutation多肽链中相应多肽链中相应位位点发生的氨基酸的取代并不影响蛋白质的功能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蛋白质中相应位蛋白质中相应位点点发生了相同氨基酸的取代，即同义突变。发生了相同氨基酸的取代，即同义突变。移码突变移码突变frameshift mutation）回复突变回复突变reverse mutation），

3、）， 一类是正向突变一类是正向突变forward mutation突变方向是突变方向是从野生型向突变型；另一种是回复突变，其突变方向从野生型向突变型；另一种是回复突变，其突变方向是从突变型向野生型是从突变型向野生型抑制突变抑制突变suppressor mutation突变的作用还可突变的作用还可以通过其它位点的突变以通过其它位点的突变A B而得到补偿或校正。而得到补偿或校正。 9.2 基因突变的分子基础基因突变的分子基础n9.2.1.自发突变的分子基础自发突变的分子基础n突变率突变率mutation rate指在单位时间内某种突指在单位时间内某种突变发生的概率变发生的概率. n9.2.1.1

4、DNA复制错误复制错误n9.2.1.2 自发的化学变化自发的化学变化n 1. 脱嘌呤脱嘌呤depurination作用作用n 2. 脱氨基）脱氨基）(deamination)作用作用n 3. 氧化作用损伤碱基氧化作用损伤碱基oxidatively damaged bases）n 4. 转座子和插入序列引起的突变转座子和插入序列引起的突变nDNA结构结构与复制与复制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复制中的复制中的保真机制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

5、的突变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复制中碱基互变异构引起的突变DNA复制中碱基环出复制中碱基环出/跳格造成移码突变跳格造成移码突变DNA复制中碱基环出复制中碱基环出/跳格造成缺失与重复跳格造成缺失与重复9.2.1.2 自发的化学变化 1.脱嘌呤作用 2.脱氨基作用:C U脱氨基作用脱氨基作用: 5mC T突变热点突变热点3.氧化作用损伤碱基氧化作用损伤碱基n过氧化物原子团过氧化物原子团O2-）n（H2O2），（），（-OH等需氧代谢的副产等需氧代谢的副产物都是有活性的氧化剂，物都是有活性的氧化剂， n它们可导致它们可导致DNA的氧化损伤，的氧化损伤，nT氧化

6、后产生氧化后产生T乙二醇，乙二醇，nG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”，nGO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 不等交换产生重不等交换产生重复和缺失突变复和缺失突变9.2.2 诱发突变的分子基础诱发突变的分子基础n9.2.2.1 放射线的诱发突变放射线的诱发突变n 紫外线、紫外线、 X-射线、射线、 射线、射线、 宇宙射线宇宙射线n9.2.2.2 化学物质的诱发突变化学物质的诱发突变n 1.碱基类似物碱基类似物n (1

7、) 5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶5-bromouracil,5-BU）n (2) 氨基嘌呤氨基嘌呤2-aminopurine 2-AP）n (3) 迭氮胸苷迭氮胸苷AZT, azidothymidine） n 2.碱基的修饰剂碱基的修饰剂n (1) 亚硝酸亚硝酸introus acid, NA）n (2) 羟胺羟胺n (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n 3.DNA插入剂插入剂n 原黄素原黄素proflavin）n 吖啶橙吖啶橙acridine orange）n 溴化溴化3,8-二氨基二氨基-5-乙基乙基-6-苯基菲啶鎓苯基菲啶鎓n （etnidium brami

8、de）n 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n电离辐射电离辐射X-，-射线诱发染色体畸变射线诱发染色体畸变和基因突变碱基降解和基因突变碱基降解/脱氨脱氨）n射线波长射线波长-能量能量-诱变效应的关系诱变效应的关系nUV 照射造成嘧啶二聚体照射造成嘧啶二聚体-切除切除-碱基随机插碱基随机插入入=突变突变9.2.2.2 化学物质诱变化学物质诱变 1.碱基类似物碱基类似物n（15-溴尿嘧啶和溴尿嘧啶和T很相似，仅在第很相似，仅在第5个碳元子上由个碳元子上由Br取代了甲基取代了甲基,5-BU有酮有酮式、烯醇式两种异构体，可分别与式、烯醇式两种异构体，可分别与A及

9、及G配对结合配对结合碱基类似物碱基类似物5-BU的掺入的掺入转换转换碱基类似物碱基类似物2-AP的掺入的掺入转换转换碱基类似物碱基类似物（2-AP的掺入的掺入转换转换n(2) 2-氨基嘌呤氨基嘌呤(2-AP)也是碱基的类似也是碱基的类似物，有正常状态和稀有状态两种异构体，物，有正常状态和稀有状态两种异构体，可分别与可分别与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，由于其异构体的变换而复制中时，由于其异构体的变换而导致导致A T G Cn2. 碱基的修饰剂碱基的修饰剂n (1) 亚硝酸亚硝酸introus acid, NA有氧化脱氨作用，可使有氧化脱氨作用，可使G第第

10、2个碳个碳原子上的氨脱去，产生黄嘌呤原子上的氨脱去，产生黄嘌呤xanthine,x），次黄嘌呤），次黄嘌呤 (H) 仍和仍和C配对，故不产生转换突变。配对，故不产生转换突变。但但C和和A脱氨后分别产生脱氨后分别产生U和次黄嘌和次黄嘌呤呤H，产生了转换，使，产生了转换，使C G转换成转换成A T，A T转换成转换成G C亚硝酸亚硝酸introus acid, NA有氧化脱氨作用，有氧化脱氨作用，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

11、诱变作用碱基修饰剂的诱变作用(1) 亚硝酸亚硝酸 (2) 羟胺羟胺(3) MMS/EMSn（2羟胺只特异地和胞嘧啶起反应，在羟胺只特异地和胞嘧啶起反应，在第第4个个C原子上加原子上加-OH，产生，产生4-OH-C，此，此产产 物可以和物可以和A 配对，使配对，使C G转换成转换成T An(3)(3)烷化剂如甲基黄酸乙脂烷化剂如甲基黄酸乙脂EMSEMS）, ,氮芥氮芥(NM),(NM),甲基黄酸甲脂甲基黄酸甲脂MMSMMS）, ,亚硝基胍亚硝基胍NGNG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，EMSEMS使使G G的第的第6 6位烷化，使位烷化，使T T的第的第4 4位上烷化

12、，位上烷化，结果产生的结果产生的O-6-E-GO-6-E-G和和 O-4-E-T O-4-E-T分别和分别和T T、G G配对，导致配对，导致GCGC对转换成对转换成ATAT对；对；TATA对转换成对转换成CGCG烷化剂如甲基黄酸乙脂烷化剂如甲基黄酸乙脂EMS）,氮芥氮芥(NM),甲基黄酸甲甲基黄酸甲脂脂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对转换成对转换成A T；使使T O-4-M-T G配对，导致配对，导致T A对转换成对转换成C G；3.DNA插入剂插入剂导致碱基增减导致碱基增减嵌合剂的插入嵌合剂的插入移码突变移码突变9.3 体外定点诱

13、变体外定点诱变n1985年加拿大的年加拿大的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。n具体方法有三种：具体方法有三种：n（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；n（2双引物法定点突变；双引物法定点突变；n（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n 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 基于基于PCR 的体外定点突变的体外定点突变基于基于PCR 的体外定点突变的体外定

14、点突变9.4 突变剂的检测突变剂的检测用用 Ames法法检测诱变剂检测诱变剂突变和人类疾病突变和人类疾病n（一自发突变和人类的疾病（一自发突变和人类的疾病n一一.重复序列异常所引起的遗传病重复序列异常所引起的遗传病n线粒体的脑脊髓病线粒体的脑脊髓病mitochondlrial encephalomyopathies)是线粒体重是线粒体重复顺序之间产生缺失所致。复顺序之间产生缺失所致。n脆性脆性X染色体综合征染色体综合征nX-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n强直性肌营养不良强直性肌营养不良Myotonic dystrophy）WT ACCTACCTCCC

15、TCACCAAAGC5000bpTTCAACCTCCCTCACCATTGG 缺失5000bp KS ACCAACCTCCCTCACCATTGG图 21-18 野生型(WT)DNA 顺序和 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

16、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基因突变的生物学防护与修复 9.5.1 DNA的防护机制的防护机制1、密码的简并性、相似性、密码的简并性、相似性 2、回复突变、回复突变3、抑制突变基因间抑制与基因内抑制）、抑制突变基因间抑制与基因内抑制）4、 二倍体和多倍体二倍体和多倍体5、致死与选择、致死与选择 9.5.2 DNA的修复机制的修复机制n一一.直接修复直接修复Direct repair）n(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n(二二)光复活反应光复活反应n光复活光复活photorea

17、ctivation或光修复或光修复light repair）n光裂合酶光裂合酶photolyase),由由phr 基因编码基因编码n烷基转移酶烷基转移酶Alkyltransferases）(如对如对m6G)UV损伤的光修复损伤的光修复/光复活光复活nPR酶，光能酶，光能nUVPy=Py特异特异n低等生物的主要修低等生物的主要修复方式复方式n(一一) 一般切除修复一般切除修复n 切除修复切除修复(excision-repair) 暗修复暗修复dark repair）n 切切-补（补（-切）切）-封封n短短-补丁修复补丁修复short-patch repair）（）（20nt)组成型组成型n长长-

18、补丁修复补丁修复long-patch repair） （1500nt)诱导型诱导型n着色性干皮病着色性干皮病Xeroderma pigmentosum是一种切是一种切除修复酶的缺陷除修复酶的缺陷二、切除修复二、切除修复excision-repairexcision-repair） Damage Mutant base is mismatched and/or distorts stractur Incision Endonuclease cleaves on both sides of damaged ba Excision Exonuclease removes DNA Between ni

19、cks Synthesis Polymerase synthesizes Replacement DNA Ligase seals nickFig. 21- Excision repar removes and replaces a stretch of DNA that includes the dameged base (s) E.Coli 中的切除修复系统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

20、别损伤，识别损伤， UvrBC在在DNA上切上切一缺口，一缺口， UvrD使被标记区使被标记区解旋解旋n着色性干皮病着色性干皮病（Xeroderma pigmentosum）是一种切除修复是一种切除修复酶的缺陷酶的缺陷 (二二) 特殊切除修复途径特殊切除修复途径n(1) AP核酸内切酶修复途径核酸内切酶修复途径n AP位点位点 :无嘌呤无嘌呤apurinic和和n 无嘧啶无嘧啶apyrimidinic位点位点n(2) 糖基酶修复途径糖基酶修复途径重组修复重组修复recombination-repairrecombination-repair）在在E.coli中的提取中的提取(retrival)

21、系统系统9.6 基因突变的检出基因突变的检出 n9.6.1 传统遗传学检出法传统遗传学检出法n9.6.2 分子遗传学检出法分子遗传学检出法 9.6.1 传统遗传学检出法传统遗传学检出法n1、微生物突变的检出、微生物突变的检出n抗性筛选抗性筛选positive selection eg. +pen pen r n营养缺陷型筛选营养缺陷型筛选negative selection eg. penicillin enrichment method 青霉素阻止细胞壁成分的合成，对扩增细胞致死青霉素阻止细胞壁成分的合成，对扩增细胞致死nMM+pen (-/+) CM MM + -2、果蝇突变的检出、果蝇突

22、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3、植物突变的检出、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

23、芥及其突变检出 ？9.6.2 分子遗传学检出法分子遗传学检出法 n9.6.2.1 单链构像异构多态性单链构像异构多态性 （PCR-SSCP）PCR-SSCPPCR-RFLP9.6.2.2 用毛细管电泳技术检测点突变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等位基因特异寡核苷酸杂交 n利用碱基对差异利用碱基对差异-杂交强度差异检测杂交强度差异检测9.6.2.4 序列分析与序列分析与DNA芯片检测芯片检测nSequencing nSequencing is the pr

24、ocedure of choice for SNP discovery. The most common forms of sequencing 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 elect

25、rophoresis or slab gels. DNA序列分析序列分析1） Sanger 双脱氧链末端终双脱氧链末端终止法止法/酶促酶促DNA序列测定序列测定法法nMaxam-Gilbert 化学降解法化学降解法n碱基特异修饰碱基特异修饰-特特异断裂异断裂DNA序列分析序列分析2） DNA芯片芯片/微阵列技术微阵列技术Allele 1Allele 1Allele 2Allele 2+Enzyme+ddATP+dCTP/dGTP/dTTPAllele 1Unlabeled Primer (23mer) T C TExtended Primer (24mer) T C TAT GAAllele 2Unlabeled Primer(23mer)A C TExtended Primer (26-mer)A C TMassArray （2）nFigure II. Same DNA, different peo