基因突变与遗传重组的分子机制

1、Chapter 7 基因突变与遗传重组的分子机制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is the process of producing a mutation.Mutations are of fundamental importance in MB 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

2、究基因功能的重要手段。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Fig 7.1 A point mutation can be permanently incorporated by DNA replication 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： Silent mutation(沉默突变)(p308) Misense mutation(错义突变) (p3

3、07) Nonsense mutation(无义突变) (p307)7.1 基因突变 B、插入和缺失突变一般情况下可能引起移框突变n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。n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cystic fibrosis (遗传性胰腺病)Fig 7.2 examples of types of mutations in protein-coding sequences 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

4、环境条件或某种遗传背景下才能表现出来的突变性状。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。1、单碱基的变化A)脱氨基作用 GC base pair to GU may lead to a mutant RNA or protein product B)烷基化 GC base pair to AT pairC)氧化 GC base pair to AT pair Hoogsteen basepair 7.1.3 有关DNA突变的类型2 结构的改变UV 线引起 TT o

5、r CT 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（for example: EB) 能引起DNA在复制过程中碱基的缺失或插入碱基类似物（Base analogs引起复制过程中碱基的错配。7.1.3 有关DNA突变的类型3 DNA 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(most severe DNA damage)7.1.3 有关DNA突变的类型7.2 生物体保证稳定遗传的机制（DNA的修复）7.2.1 DNA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

6、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10-117.2.1 哺乳动物中的细胞中碱基错配修复(1) 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，MutS- MutLcomplex）(2) 5 or 3 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(3) EXO1 利用其外切酶的功能将包含错配碱基的部分切除。4) DNA 聚合酶将切开的单链从 5 3 合成（ DNA 聚合酶 需要其他因子的辅助）5)DNA连接酶将切口链接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

7、点C碱基脱氨基或DNA复制过程中直接参入无嘌呤/无嘧啶核酸内切酶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 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（Nucleotide excision repair07.2.2.2 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 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. Co

8、li 中该途径是存在 “SOS pathway”中。7.2.2 DNA 修复的倾向错误修复(补充)1 DNA 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-prone pol)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。7.2.2.3 DNA 重组修复 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

9、分的合成来实现的。7.2.2.4 SOS系统7.2 DNA双链断裂修复（补充） Homologous recombination(主要在原核生物和单细胞的真核生物中) Nonhomologou recombination（主要哺乳动物中）Nonhomologous end-joiningConsequnce of nonhomologous end-joining:Lead to insertion or deletion at the break site.But important to maintaining the intrgrity of the genomeNonhomologou

10、s end-joining去除损伤或多余的DNA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: chromatin loosening, sensing DNA damage by repair machinery removal of damage by repair machinery gap filled in by DNA polymerase chromatin remodel总结：在不同途径修复的共同特点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The phage transform experiment

11、 of Meselson and Weigle (1961) In the experiment, new genotypes were found. Recombination happened before DNA replication.7.3.3 同源重组的分子机制A、Holliday Model（R. Holliday，1964) Holliday Junctions form during recombinationHJs can be resolved 2 ways, only one produces true recombinant molecules7. 3 基因重组交换的

12、分子机制重组分子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大肠杆菌中 recBCD 复合体介导的同源重组Part I: 切刻和交换Nicking and Exchanging大肠杆菌中 recBCD 复合体介导的同源重组Part I: Nicking and Exchanging1.A nick is created in one strand by recBCD at a Chi sequence (GCTGGTGG), found every 5000 bp.2.Unwinding of DNA containing Chi sequence by

13、recBCD allows binding of SSB and recA. 3.recA promotes strand invasion into homologous DNA, displacing one strand.4.The displaced strand base-pairs with the single strand left behind on the other chromosome.5.The displaced and now paired strand is nicked (by recBCD?) to complete strand exchange. rec

14、BCD Pathway of Homologous RecombinationPart II: Branch Migration and ResolutionrecBCD Pathway of Homologous Rec. Part II: Branch Migration and Resolution1.Nicks are sealed Holliday Junction2.Branch migration (ruvA + ruvB) 3.Resolution of Holliday Junction (ruvC)RecBCD : A complex enzymeRecBCD has:1.

15、Endonuclease subunits (recBCD) that cut one DNA strand close to Chi sequence.2.DNA helicase activity (recBC subunit) and3.DNA-dependent ATPase activityunwinds DNA to generate SS regionsRecA 38 kDa protein that polymerizes onto SS DNA 5-3 Catalyzes strand exchange, also an ATPase Also binds DS DNA, b

16、ut not as strongly as SSRecA Function Dissected 3 steps of strand exchange:1. Pre-synapsis: recA coats single stranded DNA (accelerated by SSB, get more relaxed structure, Fig. 22.8)2. Synapsis: alignment of complementary sequences in SS and DS DNA (paranemic or side-by-side structure)3. Post-synaps

17、is or strand-exchange: SS DNA replaces the same strand in the duplex to form a new DS DNA (requires ATP hydrolysis)RuvA and RuvB DNA helicase that catalyzes branch migration RuvA tetramer binds to HJ (each DNA helix between subunits) RuvB is a hexamer ring, has helicase & ATPase activity 2 copie

18、s of ruvB bind at the HJ (to ruvA and 2 of the DNA helices) Branch migration is in the direction of recA mediated strand-exchangeRuvC bound to Holliday junctionHomework There are three different types for DNA repair, what are the common features and the differences among them?Mutations are of fundam

19、ental importance in MB 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。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: chromatin loosening, sensing DNA damage by repair machinery removal of damage by repair machin