基因组进化(1)

1、.1 基因组进化的分子基础基因组进化的分子基础 .2 .3 基因组进化的分子基础基因组进化的分子基础: w突突 变变 w重重 组组 w转转 座座 .4 w本章主要内容本章主要内容 基因组进化的分子基础基因组进化的分子基础 突变的分类及作用效应突变的分类及作用效应 同源重组的简单过程及同源重组的简单过程及Holliday结构形成结构形成 的分子机制的分子机制 转座子的分类及作用机理转座子的分类及作用机理 .5 w突变是小范围的核苷酸序列的改变。突变是小范围的核苷酸序列的改变。 突变引起的遗传改变能引起蛋白质中氨基酸 序列的变化，该变化引起表型的改变，通过 自然选择发生作用。 w重组可导致部分基因

2、组的重构。重组可导致部分基因组的重构。 突变突变 1.1 1.1 突变的机制突变的机制 自发性损伤自发性损伤( (复制复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、中的损伤、碱基的自发性化学改变、 自发脱碱基、自发脱碱基、 细胞的代谢产物对细胞的代谢产物对DNADNA的损伤的损伤) ) 物理因素引起的损伤物理因素引起的损伤( (电离辐射、紫外线、热诱变等电离辐射、紫外线、热诱变等) ) 化学因素引起的损伤化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物、嵌入试剂等）（烷化剂、碱基类似物、嵌入试剂等） 碱基异构式引起碱基异构式引起DNA复制过程的错误复制过程的错误 -自发突变自发突变 碱基异构式碱基异构式: A(a

3、mino 氨基氨基) A(imino 亚氨基亚氨基) C(a) C(i) G(keto 酮式酮式) G(enol 烯醇式烯醇式) G(k) G(e,i) T(keto) T(enol-2) or T(enol-4) 碱基异构式引起碱基异构式引起DNA复制的错配复制的错配 G(k) C(a) 正确配对正确配对 A(a) T(k) 错误配对错误配对 G(k) T(e) A(a) C(i) A(i, anti) A(a, syn) A(i, anti) G(k, syn) G(e,i, anti) G(k, syn) G(e,i, anti) A(a, syn) A(i) C(a) G(e) T(k

4、) A(a) T(k) A(a, anti) T(k, anti) C(i) C(a, anti) A(a) A(i, anti) 碱基异构式引起碱基异构式引起DNA的错配突变的错配突变 C(i) C(a) G(k, syn) G(k, syn) G(k, anti) G(k) 碱基类似物（碱基类似物（Base analog） 2-氨基嘌呤氨基嘌呤(AP或或2-AP) 2-Amino purine 5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(BrU) 5-Bromine Uracil O O Br NH2 5-BrU : G : A 烯醇式烯醇式enolenol Br OH H O Br 酮式酮式KetoKeto

5、H O AGCTTCCTA TCGAAGGAT AGCTBCCTA TCGAAGGAT 酮式5-BrU的渗入 AGCTBCCTA TCGAAGGAT AGCTCCCTA TCGAGGGAT 第二轮复制 ATGC 转变转变 AGCTBCCTA TCGAGGGAT AGCTTCCTA TCGAAGGAT 第一轮复制 酮式到烯醇 式的转变 烯醇式渗入为烯醇式渗入为 GCAT 转变转变 碱基的化学修饰导致突变碱基的化学修饰导致突变 又称化学突变剂：又称化学突变剂： 亚硝酸（亚硝酸（nitrous acid HNO2） 羟胺（羟胺（hydroxylamine HA） 甲磺酸乙酯（甲磺酸乙酯（ethyl

6、mathanesulfonate EMS） N-甲基甲基-N-硝基硝基-N-亚硝基胍亚硝基胍 （N-mathyl-N-nitro-N-nitrosoguanidion NNG） NH2OH (Hydroxylamine HA 羟胺羟胺) C(i) A(a) HNH H O C(a) HA HNH H H O H N H HO HN H H O H N H HO N H 嵌合剂的致突变作用嵌合剂的致突变作用 吖啶橙吖啶橙 (Acridine Orange (Acridine Orange AO) ) 扁平染料分子扁平染料分子 溴化乙锭溴化乙锭 (Ethidium Bromide (Ethidiu

7、m Bromide EB ) ) -ATTTTTCG - -TAAAAAGC- -A TTTCG - -T AAAGC- TAO T -AT EB TTTTCG- -TA 分子插入分子插入 AO EB -ATTTCG - -TAAAGC- -ATXTTTTCG- -TAX AAAAGC-XAAAAGC - 结果产生移框突变结果产生移框突变 紫外线的致突变作用紫外线的致突变作用 -嘧啶二聚体嘧啶二聚体 (TT dimer ) U.V. C T T A 脱氨氧化脱氨氧化 U.V. CU A(a) U.V. U.V.H2O H+ + OH- C(a) C(i) A(a) 脱嘌呤脱嘌呤 造成的突变：碱

8、基替代、缺失、重复、移框造成的突变：碱基替代、缺失、重复、移框 同义突变同义突变：没有改变产物氨基酸序列的密码子：没有改变产物氨基酸序列的密码子 错义突变错义突变：碱基序列的改变引起了氨基酸序列的改变：碱基序列的改变引起了氨基酸序列的改变 （中性突变、渗漏突变（中性突变、渗漏突变: 表型介于野生型与完全突变型之间表型介于野生型与完全突变型之间） 无义突变无义突变：碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变：碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变 为蛋白合成的终止密码子为蛋白合成的终止密码子 连读突变连读突变：与终止突变正好相反，终止密码子变成指：与终止突变正好相反，终止密码子变成指 令某一氨基酸的密码

9、子，使翻译继续进行令某一氨基酸的密码子，使翻译继续进行 DNA诱变剂及相应的损伤类型诱变剂及相应的损伤类型 DNA损伤造成的后果损伤造成的后果 SOS repair 是一种错误倾向性极强的修复机制是一种错误倾向性极强的修复机制 是进化中形成的是进化中形成的“ 丧失某些信息而存活总比死亡好一丧失某些信息而存活总比死亡好一 些些” 的措施的措施 （正常状态下，（正常状态下，SOS是关闭的）是关闭的） SOS 修复机制修复机制 SOS 修复无模板指导的修复无模板指导的DNA复制复制 大剂量的紫外线照射，大量的二聚体产生大剂量的紫外线照射，大量的二聚体产生 SOS系统诱导，错误潜伏的复系统诱导，错误潜

10、伏的复 制超越二聚体而进行制超越二聚体而进行 错误碱基错误碱基 SOS 修复只是修复只是SOS反应的一部分反应的一部分 RecA在在SOS反应反应 中起核心作用中起核心作用 RecA与与LexA组组 成调控环路成调控环路 DNA 损伤损伤 SOS RecA RecA受受LexALexA的的 部分抑制部分抑制 RecA-P; 三种功能三种功能 a、 DNA 重组活性重组活性 b、 与与S.S. DNA结合活性结合活性 c、 少数蛋白的少数蛋白的proteinase活性活性 当当DNA正常复制时正常复制时 （无复制受阻，无（无复制受阻，无DNA损伤，损伤， 无无TT dimer） RecA-p不表

11、现不表现proteinase活性活性 当当DNA复制受阻复制受阻/ DNA damaged 细胞内原少量表达的细胞内原少量表达的RecA-p与与S.S, DNA结合结合 激活激活RecA-p的的proteinase活性活性 修复损伤修复损伤 LexA-p降解降解 RecA-p高效表达高效表达 SOS open 当当DNA复制度过难关后复制度过难关后 RecA-p很快消失很快消失LexA gene onSOS off 大肠杆菌（乳糖操纵大肠杆菌（乳糖操纵 子发生移码突变）子发生移码突变） 在只有乳糖的在只有乳糖的 培养基上培养培养基上培养 发现正常生长的细胞（乳糖发现正常生长的细胞（乳糖 操纵子

12、发生第二次突变）操纵子发生第二次突变） 恢复野恢复野 生型生型 引发激烈争论：引发激烈争论：”环境影响生物的表型环境影响生物的表型”, ”生物对环境作出响应发生程序性突变生物对环境作出响应发生程序性突变” DNA的修复系统：的修复系统： 碱基切除修复碱基切除修复 将受损的核苷酸碱基周围一段核苷酸切除，然后通将受损的核苷酸碱基周围一段核苷酸切除，然后通 过过DNA多聚酶重新合成多聚酶重新合成 核苷酸切除修复核苷酸切除修复 与碱基修复系统类似，只是切除的受损与碱基修复系统类似，只是切除的受损DNA范围更范围更 大，涉及更多极端损伤的类型大，涉及更多极端损伤的类型 错配修复错配修复 重组修复重组修复

13、 复制前进行复制前进行 不易出错不易出错 UvrA, B, C gene 内切核酸酶内切核酸酶 （Endonucleases） 外切核酸酶外切核酸酶 （Exonuclease） DNA pol Ligase 碱基切除修复碱基切除修复 核苷酸切除修复核苷酸切除修复 核苷酸切除修复核苷酸切除修复 DNA mismatch + - A- - -C- DNApol (= 10-8) 经第二次校正经第二次校正= 10-11 错配修复错配修复 系统系统(MRS Mismatch Repair System) 校正校正活性所漏校的碱基校正校正活性所漏校的碱基, 使复制的保真性提高使复制的保真性提高10210

14、3 倍倍 错配修复系统组成（错配修复系统组成（Mismatch repair system） DNA polymerase Helicase SSB 外切核酸酶外切核酸酶 (和和) 连接酶连接酶 MCE (mismatch correct enzyme) 3 subunits mutH, L, S dam geneDNA腺嘌呤甲基化酶腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶甲基化酶) 扫描新生链中错配碱基扫描新生链中错配碱基 识别新生链中非识别新生链中非 m6A 的的GATC序列序列 酶切含错配碱基的新生酶切含错配碱基的新生DNA区段区段 甲基化程度的差异甲基化程度的差异 a、MutH/MutS 扫描识

15、别错配扫描识别错配 碱基和邻近的碱基和邻近的GATC序列序列 切点甲基化切点甲基化GATC中中 G的的5侧侧 DNA helicase II, SSB, exonuclease I去除包括错去除包括错 配碱基的片段配碱基的片段 DNA polymerase III 和和 DNA ligase 填充缺口填充缺口 昂贵的代价用于保证昂贵的代价用于保证DNADNA的准确性的准确性 修复过程修复过程 后复制修复、后复制修复、E. coli的挽回系统的挽回系统 E. coli 存活存活% U.V 计量计量 w.t. UvrA+ RecA+ uvr a- rec a- 该系统存在的实验证据该系统存在的实验

16、证据 Rec-A. gene 以某种方式参与以某种方式参与DNA损伤修复损伤修复 Rec修复系统比切除修复系统更有效修复系统比切除修复系统更有效 目前知道目前知道 Uvr系统负责切除二聚体系统负责切除二聚体 Rec系统负责消除没有被切除的二聚体系统负责消除没有被切除的二聚体 可能造成的后果可能造成的后果 TT TT AA AA TT TT TT TT AA AA TT TT 变性变性 E.coli (Rec-A, uvr-a-) D.S. DNA S.S. DNA U.V. 复制复制 提取提取 变性变性 复制过程越过二聚体而在相应新链上留下缺口复制过程越过二聚体而在相应新链上留下缺口 二聚体后

17、起始二聚体后起始 修复时期的证明修复时期的证明 重组修复重组修复 ( (链转移修复链转移修复) ) 复制后修复复制后修复 容易出错容易出错 RecA, DNApolymerae ligase 二聚体后起始二聚体后起始 RecA 聚合酶、连接酶聚合酶、连接酶 重组修复后的损伤位点可重组修复后的损伤位点可 由其它机制进一步修复由其它机制进一步修复 大肠杆菌DNA复制的差错率107个核苷酸1个错误; 2条新合成的子链中差错率分布不一致, 延滞链复制的 差错率是引导链的2020倍倍; 造成子链差错率非均一性的主要原因造成子链差错率非均一性的主要原因: DNA双链复制的非对称性双链复制的非对称性; 延滞

18、链的复制总比先行链慢一拍延滞链的复制总比先行链慢一拍, ,先行链在复制前只先行链在复制前只 有很短的有很短的DNADNA双链区解链双链区解链, ,但延滞链却要求很长的一段单但延滞链却要求很长的一段单 链暴露链暴露; ; “亲本链亲本链”“重组体重组体” 3 5 5 3 Meselson-Radding模型模型 单链入侵模型（链转移模型）单链入侵模型（链转移模型） 置换置换 侵入侵入 Loop切除切除 同化同化 异构化异构化 分支迁移分支迁移 5 切割切割 att位点为位点为 POP(240bp) BOB(23bp) 整合过程需要整合过程需要整合酶整合酶 （integrase Int）（）（编码编码） 和和寄主的整合宿主因子寄主的整合宿主因子IHF （integration host factor） 共同作用共同作用 转座转座: 是基因进化的一种重要方式是基因进化的一种重要方式,它不是重组它不是重组,但利用了重组但利用了重组 的过程的过程,它是一段它是一段DNA或其拷贝从基因组的一个位置转移到另或其拷贝从基因组的一个位置