基因突变与遗传重组的分子机制

基因突变与遗传重组的分子机制第1页/共46页有关突变的几个名词突变体

(mutant)：只与野生型或正常型不同的基因或个体突变(mutation)：指DNA分子上发生的可遗传的变化突变剂(mutagen)：只能引起突变（或增加突变频率）的物理的或化学因素诱变（Mutagenesis）

：产生突变的过程istheprocessofproducingamutation.第2页/共46页MutationsareoffundamentalimportanceinMB突变时遗传变异和进化的动力主要动力。一般情况下，突变时对生物体是有害的。少数可产生有利的突变。突变的生物体是研究基因功能的重要手段。第3页/共46页7.1基因突变根据DNA发生的变化，可以将突变分为点突变，插入或缺失突变等A、点突变分为转换和颠换两种类型：转换（Tansitions）指

嘧啶与嘌呤之间，或嘧啶与嘧啶之间的变化。颠换（Transversion）：嘌呤与嘧啶之间的变化第4页/共46页Fig7.1ApointmutationcanbepermanentlyincorporatedbyDNAreplication第5页/共46页点突变可引起mRNA上密码子的改变，根据密码子的突变类型将突变分为：Silentmutation(沉默突变)(p308)Misensemutation(错义突变)(p307)Nonsensemutation(无义突变)(p307)7.1基因突变第6页/共46页B、插入和缺失突变一般情况下可能引起移框突变移框突变:由于基因编码区的单个或两个碱基的缺失或插入，引起的mRNA上读码框的改变。三碱基的缺失，尽管不改变读码框，只引起个别氨基酸的缺失，但可能引起DNA复制的不稳定性。如cysticfibrosis(遗传性胰腺病)第7页/共46页Fig7.2examplesoftypesofmutationsinprotein-codingsequences第8页/共46页7.1.2基因突变后的表达类型突变后赋予生物体表现型，如形态特征、生理特征的变化。条件型突变：在一定的环境条件或某种遗传背景下才能表现出来的突变性状。第9页/共46页7.1.3基因的诱发突变能够引起DNA变化有很多物理或化学物质，这些物质因使正常的DNA双螺旋发生了变化，导致在复制过程中，偏离正常的碱基配对方式，最终引起基因的突变。第10页/共46页1、单碱基的变化脱氨基作用GCbasepairtoGUmayleadtoamutantRNAorproteinproduct烷基化GCbasepairtoATpair氧化GCbasepairtoATpair

Hoogsteenbasepair7.1.3有关DNA突变的类型第11页/共46页2结构的改变UV线引起TTorCT二聚体，形成的二聚体使得DNA双螺旋结构的改变，使DNA复制过程中，结合酶的前进受阻。嵌入试剂（forexample:EB)能引起DNA在复制过程中碱基的缺失或插入碱基类似物（Baseanalogs引起复制过程中碱基的错配。7.1.3有关DNA突变的类型第12页/共46页第13页/共46页3DNA骨架链的断裂无碱基位点:由于核苷酸上，碱基和核糖间的糖苷键的断裂，导致了碱基的缺失。双链的断裂(mostsevereDNAdamage)7.1.3有关DNA突变的类型第14页/共46页7.2生物体保证稳定遗传的机制（DNA的修复）7.2.1DNA复制过程中的错配修复在DNA复制过程中，尽管DNA聚合酶具有比较高的保真性，但参入错误碱基的概率仍然在10-8，但自然突变的频率在10-11第15页/共46页7.2.1哺乳动物中的细胞中碱基错配修复对错配碱基的识别（通过新生碱基链中甲基化程度的识别进行，MutSα-MutLαcomplex）5’or3’单链的断裂（由核酸内切酶（EXO1）来完成，该内切酶与DNA复制机器PCNA和RFC形成复合体EXO1

利用其外切酶的功能将包含错配碱基的部分切除。第16页/共46页4)DNA聚合酶δ将切开的单链从5’

→3’合成（DNA聚合酶δ

需要其他因子的辅助）5)DNA连接酶将切口链接第17页/共46页7.2.2尿嘧啶-N-糖苷系统（碱基切除修复，ung修复）尿嘧啶-N-糖苷切除形成无碱基位点C碱基脱氨基或DNA复制过程中直接参入第18页/共46页无嘌呤/无嘧啶核酸内切酶第19页/共46页7.2.2.1光修复DNA光修复酶打开二聚体嘧啶二聚体吸收可见光第20页/共46页由蛋白复合体识别嘧啶二聚体由解旋酶将嘧啶二聚体处的双螺旋解开7.2.2.2切补修复（Nucleotideexcisionrepair0第21页/共46页7.2.2.2切补修复3‘内切酶，6个碱基5‘内切酶，20个碱基特异的内切酶在损伤5‘端和3’端打开磷酸二酯键释放损伤的单链修复合成链接第22页/共46页倾向错误修复的结果a)可能在损伤的部位插入一个不正确的碱基，造成代换突变b)可能在损伤的下游插入一个碱基，形成移框突变。倾向错误修复是的细胞得以存活，但存在高突变的率

。E.Coli中该途径是存在“SOSpathway”中。7.2.2DNA修复的倾向错误修复(补充)第23页/共46页1DNA复制及其在TT二聚体处停滞。2复制及其中高保证的DNA聚合酶被置换成易错聚合酶（error-pronepol)3通过易错聚合酶在损伤处的复制，DNA复制通过了损伤处，并在下游某处停留，再次被置换成高保证的DNA聚合酶。第24页/共46页7.2.2.3DNA重组修复第25页/共46页许多损伤DNA或抑制大肠杆菌复制的手段引起一系列综合的表现型改变，称为SOS反应。这是由RecA蛋白和LexA抑制物相互作用而引起的。SOS反应表现为修复损伤DNA的能力增强,这是通过诱导长补丁修复系统和RecA重组修复系统组分的合成来实现的。7.2.2.4

SOS系统第26页/共46页第27页/共46页7.2DNA双链断裂修复（补充）Homologousrecombination(主要在原核生物和单细胞的真核生物中)Nonhomologourecombination（主要哺乳动物中）第28页/共46页Nonhomologousend-joiningConsequnceofnonhomologousend-joining:Leadtoinsertionordeletionatthebreaksite.Butimportanttomaintainingtheintrgrityofthegenome第29页/共46页Nonhomologousend-joining去除损伤或多余的DNA第30页/共46页多个蛋白相互作用，批次间按次序在DNA上进行装备完成各自的功能，最终完成DNA的修复。.修复的共同步骤:chromatinloosening,sensingDNAdamagebyrepairmachinery→removalofdamagebyrepairmachinery→gapfilledinbyDNApolymerase→chromatinremodel总结：在不同途径修复的共同特点第31页/共46页7.3基因重组交换的分子机制7.3.1同源重组的实验证明ThephagetransformexperimentofMeselsonandWeigle(1961)Intheexperiment,newgenotypeswerefound.RecombinationhappenedbeforeDNAreplication.第32页/共46页7.3.3同源重组的分子机制A、HollidayModel（R.Holliday，1964)HollidayJunctionsformduringrecombinationHJscanberesolved2ways,onlyoneproducestruerecombinantmolecules7.3基因重组交换的分子机制重组分子第33页/共46页7.3.3同源重组的分子机制B、大肠杆菌中有关重组交换的酶以及重组交换的分子机制第34页/共46页大肠杆菌中

recBCD

复合体介导的同源重组PartI:切刻和交换NickingandExchanging第35页/共46页大肠杆菌中

recBCD

复合体介导的同源重组

PartI:NickingandExchangingAnickiscreatedinonestrandbyrecBCDataChi sequence(GCTGGTGG),foundevery5000bp.UnwindingofDNAcontainingChisequenceby recBCDallowsbindingofSSBandrecA.

recApromotesstrandinvasionintohomologous DNA,displacingonestrand.Thedisplacedstrandbase-pairswiththesingle strandleftbehindontheotherchromosome.Thedisplacedandnowpairedstrandisnicked (byrecBCD?)tocompletestrandexchange.

第36页/共46页recBCDPathwayofHomologousRecombination

PartII:BranchMigrationandResolution第37页/共46页recBCDPathwayofHomologousRec.

PartII:BranchMigrationandResolutionNicksaresealedHollidayJunctionBranchmigration(ruvA+ruvB)ResolutionofHollidayJunction(ruvC)第38页/共46页RecBCD:AcomplexenzymeRecBCDhas:Endonucleasesubunits(recBCD)thatcut oneDNAstrandclosetoChisequence.DNAhelicaseactivity(recBCsubunit)andDNA-dependentATPaseactivityunwindsDNAtogenerateSSregions第39页/共46页RecA38kDaproteinthatpolymerizesontoSSDNA5’-3’Catalyzesstrandexchange,alsoanATPaseAlsobindsDSDNA,butnotasstronglyasSS第40页/共46页RecAFunctionDissected

3stepsofstrandexchange:Pre-synapsis:recAcoatssinglestrandedDNA(acceleratedbySSB,getmorerelaxedstructure,Fig.22.8)Synapsis:alignmentofcomplementarysequencesinSSandDSDNA(paranemicorside-by-sidestructure)Post-synapsisorstrand-exchange:SSDNAreplacesthesame