基因突变和修复

关于基因突变和修复突变（Mutation,即基因突变）指细胞中的遗传基因（通常指存在于细胞核中的脱氧核糖核酸）发生的改变。它包括单个碱基改变所引起的点突变，或多个碱基的缺失、重复和插入。原因可以是细胞分裂时遗传基因的复制发生错误、或受化学物质、辐射或病毒的影响。突变通常会导致细胞运作不正常或死亡，甚至可以在较高等生物中引发癌症。但同时，突变也被视为物种进化的“推动力”：不理想的突变会经天择过程被淘汰，而对物种有利的突变则会被累积下去。一、突变第2页,共61页，2024年2月25日，星期天几乎任何导致DNA损伤的因素都能够导致DNA突变，前提是它们造成的损伤在DNA复制之前还没有被细胞内的修复系统修复，因此，可以这样认为，导致DNA损伤的原因在某种意义上就是导致DNA突变的原因。由内在因素引起的突变被称为自发性突变，由外在因素引发的突变被称为诱发突变。各种导致DNA突变的内外因素总称为突变原。1、突变的起因第3页,共61页，2024年2月25日，星期天细胞内源的因素环境因素

-例如化学试剂、污染物和UV线疾病治疗-例如离子辐射和化疗1、突变的起因第4页,共61页，2024年2月25日，星期天细胞内源因素复制错误（P496)

DNA合成过程中出现碱基错配而引起了碱基替换。互变异构体复制滑移

DNA本身的不稳定脱嘌呤/脱嘧啶碱基的自发脱氨基活性氧的作用DNA,蛋白质和脂质的氧化第5页,共61页，2024年2月25日，星期天（互变异构体）烯醇式的T和G的配对

第6页,共61页，2024年2月25日，星期天复制打滑引起的移框突变第7页,共61页，2024年2月25日，星期天脱嘌呤比脱嘧啶更容易在DNA分子上产生AP位点大肠杆菌-1次脱嘌呤/基因组/复制嗜热水生菌-300次脱嘌呤/基因组/复制哺乳动物细胞-10000次脱嘌呤/基因组/复制脱嘌呤/脱嘧啶第8页,共61页，2024年2月25日，星期天DNA分子上的自发脱嘌呤作用和自发脱氨基作用第9页,共61页，2024年2月25日，星期天活性氧（ROS）由正常的细胞代谢产生线粒体利用细胞~85%O2，是ROS的主要来源导致DNA、蛋白质和脂质损伤常见的形式：过氧化氢(H2O2)超氧化物自由基(O2•-)羟基自由基(HO•)过氧亚硝基阴离子(O=NOO-)烷过氧化物(ROOH)烷氧自由基(RO•)第10页,共61页，2024年2月25日，星期天活性氧的碱基修饰作用

第11页,共61页，2024年2月25日，星期天自发脱氨基和活性氧作用引起的碱基转换第12页,共61页，2024年2月25日，星期天环境（诱变）因素(P500)化学试剂碱基类似物、脱氨剂、烷化剂、嵌入剂物理因素UV、离子辐射(γ-射线、x-射线）、高温第13页,共61页，2024年2月25日，星期天诱变剂诱发的点突变第14页,共61页，2024年2月25日，星期天碱基类似物诱发的点突变第15页,共61页，2024年2月25日，星期天鸟嘌呤的甲基化导致碱基错配

第16页,共61页，2024年2月25日，星期天溴化乙锭诱变效应第17页,共61页，2024年2月25日，星期天嵌入试剂诱发的移框突变第18页,共61页，2024年2月25日，星期天紫外线引起的碱基损伤

第19页,共61页，2024年2月25日，星期天离子辐射引起的DNA链断裂

第20页,共61页，2024年2月25日，星期天DNA损伤的因素和损伤的主要类型损伤类型实例/原因碱基丢失自发脱碱基（热、酸），脱嘌呤>脱嘧啶碱基修饰形成碱基复合物，例如，8-羟基脱氧鸟嘌呤（离子辐射或活性氧），6-烷基鸟嘌呤（烷基化试剂）碱基交联嘧啶二聚体和6-4光产物（UV）碱基转换C→U，A→I（自发脱氨基）碱基错配GT（4种dNTP浓度不平衡、碱基的互变异构或碱基之间的差别不足）DNA链断裂因磷酸二酯键被破坏引起单链断裂或双链断裂（离子辐射或特殊的化学试剂），因脱氧核糖环3号位发生断裂引起的DNA链断裂（博来霉素）DNA链间交联互补双链之间产生交联（双功能试剂的作用）DNA与蛋白质的交联UV第21页,共61页，2024年2月25日，星期天突变的类型点突变是指DNA分子某一位点上所发生的一种碱基对变成另外一种碱基对的突变。移码突变是指在一个蛋白质基因的编码区发生的一个或多个核苷酸（非3的整数倍）的缺失或插入。2、突变的影响第22页,共61页，2024年2月25日，星期天突变对基因组的影响（P503)同义突变(synonymousmutation)错义突变(missensemutation)无义突变(nonsensemutation)通读突变(readthroughmutation)移码突变(frameshiftmutation)第23页,共61页，2024年2月25日，星期天碱基突变的几种方式第24页,共61页，2024年2月25日，星期天移框突变第25页,共61页，2024年2月25日，星期天突变对多细胞生物的影响DNA突变可能是隐性的，也可能是显性的。单倍体不足：突变后，正常的等位基因所编码的蛋白不足以维持正常的应有的生物学功能。功能获得：赋予蛋白异常活性，很多发生在调控序列。第26页,共61页，2024年2月25日，星期天突变对微生物的影响选择性突变:在选择性培养基上能快速鉴别与区分的突变。非选择性突变：无法用选择性或鉴别性培养基来鉴别与区分的微生物突变。第27页,共61页，2024年2月25日，星期天由野生型菌株（wildtypestrain）通过基因突变而丧失合成一种或几种生长因子的能力。在培养野生型菌株的基本培养基不能生长，但可在加入对应的生长因子后能从基本培养基中筛选出。营养缺陷型（P506）第28页,共61页，2024年2月25日，星期天原始或出发菌株对某种化学或物理因子无抗性经基因突变后成为具有抗性可在加有相应理化因子的平板中选择抗性突变型第29页,共61页，2024年2月25日，星期天出发菌株经突变在某种条件下可生长，而在另一种条件下不能生长繁殖。例：E.ColiTs突变株，即温度敏感突变株,有些菌株在37oC下生长正常,却不能在42oC下生长;T4噬菌体的某些突变株在25oC下具有感染性,而37oC下丧失条件致死突变型第30页,共61页，2024年2月25日，星期天即由突变而产生个体或菌落形态所发生的非选择性突变例:孢子有无或颜色变化、鞭毛有无或荚膜有无的突变，有时可引起菌落表观改变而具有选择性。形态突变型第31页,共61页，2024年2月25日，星期天基因突变导致菌体抗原结构发生变化类型多：细胞壁成份改变或丧失、荚膜改变或丧失及鞭毛的有无等。抗原性突变型第32页,共61页，2024年2月25日，星期天由基因突变所致的获得代谢产物的产量高于出发菌株之变异株，常称产量突变株或高产菌株（highproducingmutant）。产量性状是多基因与复杂因素的综合结果，故获取高产菌株是一个逐步累积、变异机理十分复杂探索过程。分为：正变株（plusmutant）、负变株（minusmutant）产量变异型第33页,共61页，2024年2月25日，星期天高频突变是非正常基因修复的结果达尔文进化论与拉马克进化论程序性突变与随机突变区别3、高频突变和程序性突变(508)第34页,共61页，2024年2月25日，星期天二、DNA的修复（P510）直接修复切除修复错配修复双链断裂修复（包括非同源末端连接和重组修复）损伤跨越DNA是唯一一种在发生损伤以后可以被完全修复的分子，而其他生物大分子在受到损伤以后要么被降解，要么被取代。当然，并不是发生在DNA分子上的所有损伤都能修复。如果受到的损伤不能及时被修复，可导致细胞的癌变和早衰。第35页,共61页，2024年2月25日，星期天直接修复嘧啶二聚体的直接修复——由DNA光裂合酶催化。此酶直接识别和结合嘧啶二聚体。然后，利用辅基捕捉到的光能，将嘧啶二聚体打开，最后再与DNA解离。但是胎盘类哺乳动物却没有这种酶。烷基化碱基的直接修复——由特定的烷基转移酶催化DNA链断裂的直接修复——由DNA连接酶催化。第36页,共61页，2024年2月25日，星期天嘧啶二聚体的直接修复

第37页,共61页，2024年2月25日，星期天烷基化碱基的直接修复第38页,共61页，2024年2月25日，星期天切除修复切除修复先切除损伤的碱基或核苷酸，然后，重新合成正常的核苷酸，最后，再经连接酶重新连接，将原来的切口缝合。整个切除修复过程包括识别、切除、重新合成和重新连接。切除修复又分为碱基切除修复（BER）和核苷酸切除修复（NER），两者的主要差别在于识别损伤的机制上，前者是直接识别具体的受损伤的碱基，而后者并不识别具体的损伤，而是识别损伤对DNA双螺旋结构造成的扭曲。第39页,共61页，2024年2月25日，星期天碱基切除修复DNA糖苷酶切除受损伤的碱基短修补——是主要途径，约占80%~90%，只需合成属于AP位点的1个正常的核苷酸长修补——是次要途径，约占10%~20%，为短修补途径的备用途径，要合成1小段寡聚核苷酸第40页,共61页，2024年2月25日，星期天尿嘧啶的切除修复第41页,共61页，2024年2月25日，星期天DNA糖苷酶都是沿着DNA小沟扫描DNA，当找到受损伤的碱基后即与DNA结合，并导致DNA结构发生歪曲，以便将损伤的碱基挤出双螺旋，进入它的活性中心被切割第42页,共61页，2024年2月25日，星期天真核细胞的碱基切除修复

第43页,共61页，2024年2月25日，星期天核苷酸切除修复NER最初的切点是损伤部位附近的3′,5′-磷酸二酯键，主要用来修复因UV、丝裂霉素C和顺铂等因素造成的比较大的损伤，如嘧啶二聚体、6-4光产物或体积较大的碱基加合物以及链间交联等导致DNA结构发生扭曲并影响到DNA复制的损伤，此外，约20%碱基的氧化性损伤也由它修复。在修复过程中，损伤以寡聚核苷酸的形式被切除。由于NER识别损伤的机制并非针对损伤本身，而是损伤对DNA双螺旋结构造成的扭曲，因此，NER能够使用相同的机制和几乎同一套修复蛋白去修复一系列性质并不相同的损伤。第44页,共61页，2024年2月25日，星期天NER在所有的生物具有相同的步骤：识别损伤—由特殊的蛋白质完成，并由此引发一系列的蛋白质与受损伤DNA的有序结合；切除损伤—特殊的内切酶在损伤部位的两侧切开DNA链，随后两个切口之间带有损伤的DNA片段被去除；修复合成—DNA聚合酶以另外一条链为模板，合成已被切除的序列；缝合切口—由DNA连接酶催化。第45页,共61页，2024年2月25日，星期天受到ATP水解的驱动，2个UvrA与1个UvrB形成三聚体复合物（UvrA2UvrB1）；该复合物与DNA随机结合后，沿着DNA链移动，以探测损伤的位置。当遇到嘧啶二聚体时，通过水解ATP，造成损伤部位的DNA双螺旋发生局部解链和进一步弯曲，致使UvrB与损伤部位形成更紧密的接触；UvrA在ATP水解后离开复合物，留下UvrB横跨损伤部位；大肠杆菌的核苷酸切除修复第46页,共61页，2024年2月25日，星期天UvrC被UvrB招募到损伤部位后激活UvrB的核酸内切酶活性，UvrB在距离嘧啶二聚体的下游4nt的位置切开DNA链；与此同时，UvrC的核酸内切酶活性被UvrB激活，在距离嘧啶二聚体的上游7nt的位置切开DNA链；大肠杆菌的核苷酸切除修复第47页,共61页，2024年2月25日，星期天在解链酶UvrD的作用下，ATP被水解，包含嘧啶二聚体的DNA片段发生解链而离开双螺旋，UvrC也随之而去；最后，DNA聚合酶I或II填补空缺；DNA连接酶则缝合切口。大肠杆菌的核苷酸切除修复第48页,共61页，2024年2月25日，星期天真核生物两类核苷酸切除修复全局性基因组NER和转录偶联性NER全局性基因组NER负责修复整个基因组的损伤，速度慢，效率低。转录偶联性NER专门负责修复那些正在转录的基因在模板链上的损伤，速度快，效率高。两类NER的主要差别在于识别损伤的机制上，至于损伤识别以后发生的修复反应并无本质上的不同。转录偶联性NER由RNA聚合酶识别损伤，当RNA聚合酶转录到受损伤部位而前进受阻的时候，转录偶联系统即被起动。第49页,共61页，2024年2月25日，星期天全局性NER和转录偶联性NER第50页,共61页，2024年2月25日，星期天错配修复（P516）错配修复

（MMR）系统主要用来修复DNA分子上错配碱基对，此外，还能修复一些因“复制打滑”而诱发的核苷酸插入或缺失损伤。错配修复系统必须能保证只会将子链上错误的碱基切除，而不会把母链中本来就正确的碱基切除。大肠杆菌的MMR系统利用甲基化来区分子链和母链的，因此，大肠杆菌内修复复制中产生的错配碱基的系统又称为甲基化导向的错配修复。至于其它细菌和真核细胞如何区分子链和母链的尚不清楚。第51页,共61页，2024年2月25日，星期天大肠杆菌MMR作用的主要步骤首先由MutS识别并结合除了C-C以外的错配碱基对，MutL随后结合；在错配碱基对两侧的DNA通过MutS作相向移动；MutH与MutL和GATC位点结合；MutH的核酸内切酶活性被MutS/MutL激活，在非甲基化GATC的5′端切开子链；UvrD作为解链酶，催化被切开的含有错配碱基的子链与母链的分离，SSB则与母链上处于单链状态的区域结合，特殊的外切酶将游离出来的含有错配碱基的单链DNA进行水解。如果MutH的切点在错配碱基的3′端，将由外切核酸酶I从3′→5′方向水解。如果MutH的切点在在错配碱基的5′端，则由外切核酸酶VII和RecJ来降解；DNA聚合酶III和连接酶分别进行缺口的修复合成和切口的缝合。第52页,共61页，2024年2月25日，星期天参与错配修复的蛋白质和酶的名称和功能大肠杆菌酵母哺乳动物大肠杆菌中蛋白质的功能MutSMsh2,Msh6,Msh3Msh1Msh4，Msh5Msh2,Msh6,Msh3不明Msh4，Msh5识别错配碱基，具有弱的ATP酶活性。

Mlh1Pms1Mlh2,Mlh3Mlh1Pms2Pms1调节MutS和MutH之间的相互作用，与UvrD作用。MutH不明不明结合半甲基化的GATC位点，序列和甲基化特异性内切酶，剪切非甲基化GATC的5′-端。UvrD不明不明解链酶II，催化被切开的含有错配碱基的子链与母链的分离。第53页,共61页，2024年2月25日，星期天双链断裂修复同源重组修复——利用细胞内一些促进同源重组的蛋白质来从同源染色体那里获得合适的修复断裂