基因突变与DNA损伤修复

1、13 基因突变与DNA损伤修复要点：要点： 1. 1.基因突变的相关概念、类型基因突变的相关概念、类型 2. 2.基因突变的机制基因突变的机制 3. 3.基因突变的修复机制基因突变的修复机制 4.4.基因突变的检测基因突变的检测基因突变（基因突变（gene mutationgene mutation）: :基因的核苷酸顺序基因的核苷酸顺序或数目发生改变。仅涉及或数目发生改变。仅涉及DNADNA分子中单个碱基的分子中单个碱基的改变称点突变（改变称点突变（point mutationpoint mutation）。涉及多个碱。涉及多个碱基的还有缺失、重复和插入。基的还有缺失、重复和插入。突变体突变

2、体( (mutant)mutant)：具有突变表型的细胞或个体。具有突变表型的细胞或个体。13.1 13.1 基因突变的概念、类别及性质基因突变的概念、类别及性质 （1 1）概念）概念 从突变的表型从突变的表型: : 1 1）形态突变：突变影响生物的形态结构。）形态突变：突变影响生物的形态结构。 2 2）生化突变：突变影响生物的代谢过程，导致）生化突变：突变影响生物的代谢过程，导致一个特定生化功能的改变或丧失。一个特定生化功能的改变或丧失。 3 3）致死突变：突变影响生物个体的生活力。分）致死突变：突变影响生物个体的生活力。分为显性致死和隐性致死。为显性致死和隐性致死。 4 4）条件致死突变：

3、在某一些条件下致死，而在）条件致死突变：在某一些条件下致死，而在另一些条件下成活的突变。另一些条件下成活的突变。（2 2）突变类型）突变类型 从对遗传信息的改变从对遗传信息的改变: 1 1）同义突变）同义突变: :碱基序列的改变没有引起产物氨基碱基序列的改变没有引起产物氨基酸序列的改变酸序列的改变, ,与密码子的简并性有关。与密码子的简并性有关。2 2）无义突变）无义突变: :某个碱基的改变使代表某种氨基酸某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变成了终止密码子，使蛋白质合成提前的密码子变成了终止密码子，使蛋白质合成提前终止，因而蛋白质产物一般是没有活性的。终止，因而蛋白质产物一般是没有活性的。

4、3 3）错义突变）错义突变: : 碱基序列的改变引起了产物氨基酸序碱基序列的改变引起了产物氨基酸序列的改变。列的改变。 有些错义突变严重影响蛋白质活性甚至完全无有些错义突变严重影响蛋白质活性甚至完全无活性，从而影响了表现型。如果该基因是必须基因，活性，从而影响了表现型。如果该基因是必须基因，则称为致死突变。则称为致死突变。 有些有些错义突变的产物仍有部分活性，使表型介错义突变的产物仍有部分活性，使表型介于野生型与突变型之间的中间类型，称为渗漏突变。于野生型与突变型之间的中间类型，称为渗漏突变。 有些错义突变不影响或基本上不影响蛋白质的有些错义突变不影响或基本上不影响蛋白质的活性，不表现明显的性

5、状变化，称为中性突变。活性，不表现明显的性状变化，称为中性突变。 按其发生的原因按其发生的原因: :1)1)自发突变（自发突变（spontaneous mutationspontaneous mutation）：在自）：在自然情况下发生的突变。然情况下发生的突变。2)2)诱发突变（诱发突变（induced mutationinduced mutation）：人们有意）：人们有意识地利用物理、化学诱变因素引起的突变识地利用物理、化学诱变因素引起的突变 。随机性：可发生在体细胞和生殖细胞中。随机性：可发生在体细胞和生殖细胞中。 生殖细胞的突变频率高于体细胞。体细胞突变生殖细胞的突变频率高于体细胞。

6、体细胞突变在显性或纯合状态才能表现，出现嵌合体。在显性或纯合状态才能表现，出现嵌合体。稀有性稀有性 ：突变率是很低的。：突变率是很低的。 高等动植物高等动植物1010-5-51010-8-8，细菌，细菌1010-4-41010-10-10，反应，反应了物种的基因的相对稳定性。了物种的基因的相对稳定性。（3）突变的性质可逆性可逆性1)1) 野生型基因野生型基因 突变型。突变型。 2) 2) 回复突变率一般低于正突变率。回复突变率一般低于正突变率。3) 3) 真正的回复突变很少发生。常被第二个位点真正的回复突变很少发生。常被第二个位点的突变所抑制，抑制因子突变（的突变所抑制，抑制因子突变（supp

7、ressor suppressor mutationmutation）。）。4)4)回复突变的有无是区别基因突变与染色体缺失回复突变的有无是区别基因突变与染色体缺失或重复的标志。或重复的标志。 正突变正突变回复突变回复突变 突变的多方向性和复等位基因突变的多方向性和复等位基因 同一基因可突变为多个等位基因。突变的同一基因可突变为多个等位基因。突变的基因可以再突变。这一系列的等位基因就叫做基因可以再突变。这一系列的等位基因就叫做复等位基因。这是由于同一座位内的不同位点复等位基因。这是由于同一座位内的不同位点上的结构发生变化产生的。上的结构发生变化产生的。 突变的有害性和有利性。突变的有害性和有利

8、性。 一般，有害突变多，有利突变少。一般，有害突变多，有利突变少。 eg. 5-BU eg. 5-BU是胸腺嘧啶是胸腺嘧啶( (T)T)的结构类似物，酮式的结构类似物，酮式结构易与结构易与A A配对；烯醇式结构易与配对；烯醇式结构易与G G配对。配对。13.2.1 13.2.1 碱基类似物碱基类似物 13.2 点突变的诱变机制A.TA. 5-BU（酮式）G. 5-BU （烯醇式） G.C A. 5-BUG.CA.T 2-AP 2-AP是腺嘌呤的类似物，既可与是腺嘌呤的类似物，既可与T T配对，也配对，也可与可与C C配对。配对。A.T 2-AP.T2-AP.CG.CG.C2-AP.C 2-AP

9、.T A.T（1 1）烷化剂）烷化剂: : 甲磺酸乙酯甲磺酸乙酯( (EMS)EMS)、亚硝基胍亚硝基胍( (NG)NG)等。等。通过改变碱基结构使碱基错配。当通过改变碱基结构使碱基错配。当G G烷基化后可与烷基化后可与T T配对，导致碱基转换。配对，导致碱基转换。 G.CG.CA.TA.T。 或：烷化剂使嘌呤脱落，造成转换、颠换；或：烷化剂使嘌呤脱落，造成转换、颠换；DNADNA链的断裂或交联。链的断裂或交联。13.2.2 13.2.2 碱基改变碱基改变（2 2）嵌入剂）嵌入剂 eg. eg. 吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对的吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对的类似物，易造成移码突变。类似物

10、，易造成移码突变。（1 1）紫外线：）紫外线： 产生环丁烷嘧啶二聚体和产生环丁烷嘧啶二聚体和6-46-4光产物。光产物。 双链间形成，阻碍双链间形成，阻碍DNADNA的复制。的复制。同一链上相邻同一链上相邻T T间形成，阻碍碱基的正常配对和间形成，阻碍碱基的正常配对和腺嘌呤的正常掺入，使复制在这个点上停止或错腺嘌呤的正常掺入，使复制在这个点上停止或错误进行，产生碱基顺序改变了的新链。误进行，产生碱基顺序改变了的新链。13.2.3 13.2.3 碱基损伤碱基损伤（2 2）黄曲霉）黄曲霉(B1)(B1)的作用的作用 使鸟嘌呤使鸟嘌呤G G脱落，脱落，SOSSOS修复引入修复引入A, A, 造成造成

11、G.CG.CA.TA.T。13.2.4 13.2.4 基因的定点突变基因的定点突变1 1）寡核苷酸诱导的基因定点突变）寡核苷酸诱导的基因定点突变 将某基因克隆到载体上将某基因克隆到载体上人工合成含有突变人工合成含有突变位点的一对引物（突变位点位于引物中心附近，位点的一对引物（突变位点位于引物中心附近，两端有足够的序列足以互补配对）两端有足够的序列足以互补配对）PCRPCR扩增扩增DpnDpn酶切酶切将突变将突变DNADNA转入受体转入受体筛选重组子。筛选重组子。2 2）双引物法）双引物法 将某基因克隆到载体上将某基因克隆到载体上人工合成一对互人工合成一对互补的含有突变碱基的引物补的含有突变碱基

12、的引物在基因的上游和下游在基因的上游和下游各设计一个引物，分别与突变位置处的一个引各设计一个引物，分别与突变位置处的一个引物进行物进行PCRPCR扩增扩增两个两个PCRPCR产物混合产物混合延伸后就可延伸后就可获得有特定位点突变的基因。获得有特定位点突变的基因。13.3 13.3 自发突变的机制自发突变的机制 1 DNA 1 DNA复制错误复制错误( (errors of DNA errors of DNA replication)replication) a a 转换转换 b b 颠换颠换 A T G CC C 移码突变：增加或减少一个或几个碱基对的移码突变：增加或减少一个或几个碱基对的突变

13、，引起密码编组的移动。突变，引起密码编组的移动。egeg：Hb WayneHb Wayne是是138138位位UCCUCC失去一个失去一个C C，使，使链的合成不在原来应该终止的地方停止，一直链的合成不在原来应该终止的地方停止，一直到到146146位合成精氨酸后才终止，从而使位合成精氨酸后才终止，从而使链延链延长。长。 d d 缺失和重复突变缺失和重复突变e e 插入突变插入突变 （转座子）（转座子）自发损伤自发损伤 a a 脱嘌呤：碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破脱嘌呤：碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏，从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从坏，从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从DNADNA分子上分子上脱落下

14、来。脱落下来。 b b 脱氨基：如胞嘧啶脱氨基后变成尿嘧啶。脱氨基：如胞嘧啶脱氨基后变成尿嘧啶。U=A,U=A,结果结果G-CA-TG-CA-T。3 3 氧化损伤：氧化损伤：O O2 2- -，OHOH- -，H H2 2O O2 2可对可对DNADNA造成损伤。造成损伤。如：如：8-oxo dG8-oxo dG与与A A配对，导致配对，导致G G.C.CdGdG.A.AT.AT.A13.4 13.4 动态突变动态突变 在基因的编码区、在基因的编码区、3 3或或5 5-UTR-UTR、启动子区、启动子区、内含子区出现的三核苷酸重复，及其他长短不等内含子区出现的三核苷酸重复，及其他长短不等的小卫

15、星、微卫星序列的重复拷贝数，在减数分的小卫星、微卫星序列的重复拷贝数，在减数分裂或体细胞有丝分裂过程中发生扩增而造成遗传裂或体细胞有丝分裂过程中发生扩增而造成遗传物质的不稳定。亦称为基因组的不稳定性，可造物质的不稳定。亦称为基因组的不稳定性，可造成基因功能丧失或获得异常改变的产物。成基因功能丧失或获得异常改变的产物。13.5 DNA损伤修复机制13.5.1 13.5.1 光复活光复活(photoreactivation)(photoreactivation)（原核）（原核）概念：可见光存在的条件下，在光复活酶作用概念：可见光存在的条件下，在光复活酶作用下将下将UVUV引起嘧啶二聚体引起嘧啶二聚

16、体分解为单体的过程。分解为单体的过程。过程过程 光复活酶与光复活酶与T=TT=T结合形成复合物结合形成复合物; ; 复合物吸收可见光切断复合物吸收可见光切断T=TT=T之间的之间的C-CC-C共价键共价键, ,使二聚体变成单体使二聚体变成单体; ; 光复活酶从光复活酶从DNADNA链解离。链解离。13.5.2 13.5.2 切除修复（核苷酸外切修复、暗修复）切除修复（核苷酸外切修复、暗修复）(1)(1)切除修复切除修复 在在DNADNA内切酶、内切酶、DNADNA聚合酶、外切酶、聚合酶、外切酶、DNADNA连接连接酶等共同作用下，将酶等共同作用下，将DNADNA受损部位部分切除，并以受损部位部

17、分切除，并以其中一条链为模板，合成修复。其中一条链为模板，合成修复。 消除由消除由UVUV引起的损伤引起的损伤，也能消除由，也能消除由电离辐射电离辐射和化学诱变剂引起的其他损伤和化学诱变剂引起的其他损伤。切除的片段可由。切除的片段可由几十到上万几十到上万bpbp，分别称短补丁修复、长补丁修复。分别称短补丁修复、长补丁修复。（2）DNADNA糖苷酶修复及糖苷酶修复及APAP核酸酶修复途径核酸酶修复途径 E.coli E.coli 不明显的损伤不明显的损伤, ,需要特异性修复。需要特异性修复。DNADNA糖苷酶修复：如果碱基被共价修饰，糖基化糖苷酶修复：如果碱基被共价修饰，糖基化酶可作用于酶可作用

18、于C-NC-N糖苷键，使碱基释放，产生无碱糖苷键，使碱基释放，产生无碱基基( (AP)AP)位点位点, , 再由再由APAP内切酶修复系统修复。内切酶修复系统修复。APAP内切酶修复系统修复：由内切酶、外切酶、内切酶修复系统修复：由内切酶、外切酶、聚合酶和连接酶活性来完成，以修复聚合酶和连接酶活性来完成，以修复APAP位点。位点。13.5.3 13.5.3 错配修复系统错配修复系统修复杂种修复杂种DNADNA错配碱基及基因转变。错配碱基及基因转变。13.5.4 13.5.4 重组修复重组修复(1)(1)复制：以损伤单链为模板复制时，越过损伤复制：以损伤单链为模板复制时，越过损伤部位，对应位点留

19、下缺口；未损伤单链复制成完部位，对应位点留下缺口；未损伤单链复制成完整双链。整双链。(2)(2)重组：缺口单链与完整同源单链重组，缺口重组：缺口单链与完整同源单链重组，缺口转移到完整链，使损伤单链的互补链完整，损伤转移到完整链，使损伤单链的互补链完整，损伤单链仍然保留。单链仍然保留。(3)(3)再合成：转移后的缺口以新的互补链为模板再合成：转移后的缺口以新的互补链为模板聚合补齐。聚合补齐。13.5.5 SOS13.5.5 SOS修复修复a a 通过式修复：损伤较大时通过式修复：损伤较大时( (如产生很多的如产生很多的T=T)T=T)，正常的正常的DNADNA多聚酶复制到损伤位点时，其活性受多聚

20、酶复制到损伤位点时，其活性受到抑制，短暂抑制后产生一种新的到抑制，短暂抑制后产生一种新的DNADNA多聚酶，多聚酶，由于其修复校正功能较低，新合成的由于其修复校正功能较低，新合成的DNADNA碱基错碱基错配频率较高，易引起突变。配频率较高，易引起突变。b b 切除式修复：切除式修复：DNADNA双链均有损伤且距离较近时双链均有损伤且距离较近时的一种可能的修复机制。的一种可能的修复机制。13.6 13.6 基因突变的检测基因突变的检测13.6.1 13.6.1 病毒和细菌基因突变的检测病毒和细菌基因突变的检测 利用寄主范围、生长速度、噬菌斑大小、形利用寄主范围、生长速度、噬菌斑大小、形态等性状可

21、检测病毒突变。态等性状可检测病毒突变。 通过在培养基中添加抗生素或噬菌体即可筛通过在培养基中添加抗生素或噬菌体即可筛选细菌抗性突变体。选细菌抗性突变体。细菌营养缺陷型的检测：利用在完全培养基上细菌营养缺陷型的检测：利用在完全培养基上能正常生长，在基本培养基上不能生长的影印能正常生长，在基本培养基上不能生长的影印培养实验。首先采用青霉素富集法浓缩大量突培养实验。首先采用青霉素富集法浓缩大量突变体，再进行负选择。变体，再进行负选择。13.6.2真菌营养缺陷型的检出菌丝过滤法真菌营养缺陷型的检出菌丝过滤法分生孢子分生孢子诱变处理诱变处理基本培养基基本培养基 未萌发孢子萌发菌丝未萌发孢子萌发菌丝培养去

22、除培养去除( (过滤过滤) )少数少数 死亡营养死亡营养野生型野生型 孢子缺陷型孢子缺陷型( (去除去除) ) 营养培养基营养培养基13.6.313.6.3 果蝇突变体的检测果蝇突变体的检测（1 1） 果蝇果蝇X X连锁隐性突变的检出连锁隐性突变的检出 ClBClB法法ClBClB品系：品系：l l隐性致死基因；隐性致死基因；B B棒眼棒眼 C C交换抑制因子交换抑制因子(B(Bl l倒位）；倒位）； Muller-5 Muller-5法法Muller-5Muller-5品系品系: :B(B(棒眼棒眼)-)-W Wa a( (杏眼杏眼)-)-sc(sc(小盾片少小盾片少刚毛刚毛) )并具重复倒

23、位。并具重复倒位。 “并连并连X X染色体染色体”法法（2 2） 常染色体突变常染色体突变平衡致死系平衡致死系( (CyCy和和S)S)13-1713.6.4 13.6.4 人类显性突变的检测人类显性突变的检测 需依靠家系、出生调查，运用电泳技术、需依靠家系、出生调查，运用电泳技术、DNADNA标记技术，筛选各种蛋白质、酶或标记技术，筛选各种蛋白质、酶或DNADNA分子的微小分子的微小差异，这些微小差异是可遗传的。差异，这些微小差异是可遗传的。13.6.5 13.6.5 植物及其他动物突变体的检测植物及其他动物突变体的检测 利用分离定律利用分离定律 转座子插入突变的检测、转座子插入突变的检测、

24、T-DNAT-DNA插入突变的检插入突变的检测、测、RNAiRNAi技术等。技术等。 从突变的表型从突变的表型: : 1 1）形态突变：突变影响生物的形态结构。）形态突变：突变影响生物的形态结构。 2 2）生化突变：突变影响生物的代谢过程，导致）生化突变：突变影响生物的代谢过程，导致一个特定生化功能的改变或丧失。一个特定生化功能的改变或丧失。 3 3）致死突变：突变影响生物个体的生活力。分）致死突变：突变影响生物个体的生活力。分为显性致死和隐性致死。为显性致死和隐性致死。 4 4）条件致死突变：在某一些条件下致死，而在）条件致死突变：在某一些条件下致死，而在另一些条件下成活的突变。另一些条件下

25、成活的突变。（2 2）突变类型）突变类型可逆性可逆性1)1) 野生型基因野生型基因 突变型。突变型。 2) 2) 回复突变率一般低于正突变率。回复突变率一般低于正突变率。3) 3) 真正的回复突变很少发生。常被第二个位点真正的回复突变很少发生。常被第二个位点的突变所抑制，抑制因子突变（的突变所抑制，抑制因子突变（suppressor suppressor mutationmutation）。）。4)4)回复突变的有无是区别基因突变与染色体缺失回复突变的有无是区别基因突变与染色体缺失或重复的标志。或重复的标志。 正突变正突变回复突变回复突变可逆性可逆性1)1) 野生型基因野生型基因 突变型。突变型。 2) 2) 回复突变率一般低于正突变率。回复突变率一般低于正突变率。3) 3) 真正的回复突变很少发生。常被第二个位点真正的回复突变很少发生。常被第二个位点的突变所抑制，抑制因子突变（的突变所抑制，抑制因子突变（