1突变和重组的分子机理课件

第十二章突变和重组的分子机理Chapter12MolecularMechanismofMutationandRecombination§12-1MolecularBasisofMutationGenemutation:一个基因内DNA序列结构的改变。突变的类型:1.Spontaneous(自发的)mutation2.Induced(诱发的)mutation突变发生的部位:1.Gametic(配子的)mutation2.Somatic(体细胞的)mutation一、突变DNA改变的类型1.碱基替换（basesubstitution）2.移码突变（frameshiftmutation）：增加或减少一个或几个碱基对所造成的突变。3.大片段DNA的缺失和重复4.动态突变碱基替换对遗传信息的影响同义突变（Samesensemutation）错义突变（Missensemutation）无义突变（Nonsensemutation）中性突变（Neutralmutation）某基因一个碱基对的变化改变了mRNA中的一个密码子(如改变密码子的第三个核苷酸)，由于密码子的简并性，该密码子与原密码子编码同一种的氨基酸，产生的蛋白质仍为野生型功能。沉默突变（Silentmutation)同义突变（Samesensemutation）错义突变（Missensemutation）由于单个碱基替换导致肽链中的氨基酸发生改变。又例如：人的β-hemoglobin基因的第六个密码子GAA→GUA，导致β-hemoglobin链的一个氨基酸替换（Glu→Val），若该个体是突变的纯合子，他将是镰刀形贫血病患者，HbA→Hbs。镰刀形贫血病的氨基酸变化Bothlysineandargininearebasicinnatureandfunctioninasimilarmanner.基因中一个碱基对的变化改变mRNA的一个密码子，产生氨基酸的替换，但不影响蛋白质的功能。中性突变（neutralmutation）ATGCCCGAAGTGTACGGGCTTCACMetProGluValATGCTCCGAAGTGTACGAGGCTTCACMetValArgSer

frameshiftmutation(阅读框架发生改变)2.移码突变（frameshiftmutation）Resultsfrominsertionordeletionofoneortwonucleotide(s)inthegene—severeeffects.在人类基因组中有大量的重复序列，其中不少是微卫星DNA（microsatelliteDNA）或称简单串联重复序列，如(TA)n,(CGG)n当这些重复序列靠近基因或位于基因中时，其拷贝数的变异可引起人类遗传病。由于这类变异只是重复单位的拷贝数发生变化，与前面介绍的突变方式不同，故称为动态突变。这些重复序列在每次减数分裂过程中均发生变化，是一种遗传不稳定单位(geneticinstability)。关于导致三核苷酸拷贝数扩增的原因，目前有一些假说，如复制滑动说等，但都有待研究证实。4.动态突变（dynamicmutation）动态突变与人类遗传病疾病名称重复核苷酸组成及影响的核苷酸重复位置正常重复次数（n）致病重复次数（n）亨廷顿舞蹈症(HD)(CAG)n(谷氨酰胺)第一外显子6-3536-121脊髓及肌球萎缩(SMA)(CAG)n(谷氨酰胺)第一外显子11-3340-62脆性X综合征(FRAXA)(CGG)n(精氨酸)5′-UTR6-5960-230以上肌强直性营养不良症(DM1)(CTG)n(亮氨酸)3′-UTR5-3750-3000二、诱变(InducedMutations)的机制Mutagens(诱变剂)Physicalmutagens（物理诱变剂)Chemicalmutagens（化学诱变剂)1.电离辐射（ionizingradiation）辐射→穿透细胞→使细胞里原子中的电子从它们的轨道中撞击出来→形成离子电离辐射（ionizingradiation）对细胞的物理学效应：(电离辐射的直接作用)X-ray,γ-ray或带电粒子→生物体→从细胞中各种原子成分的外层击出电子→产生很多离子对→引起细胞内(或DNA)原子或分子的电离和激发。同时产生对细胞的辐射化学效应：

细胞内物质（主要是水分）吸收辐射的能量：

H2OH2O＋＋e-(正离子)（自由电子）e-+H2O→H2O-(负离子)

进一步反应：H2O+H++OHOH2O-→OH-+Ho自由基能互相反应，并能和其他分子发生反应，总起来称为辐射的间接作用：HO＋OHO→H2OHO＋HO→H2OHO＋OHO→H2O2H＋O2→HO2当过氧化氢，其它有机过氧化物和这些自由基（HO和OHO）与细胞中的核酸、蛋白质、酶等大分子物质发生化学变化时，水的射解就具有生物效应了。

‘水的射解作用’H2O形成离子和自由基电离辐射辐射的物理效应＋化学效应→对细胞的遗传学效应是：诱导染色体断裂、染色体重排以及造成点突变。可将辐射对遗传物质的诱变作用机理概括如下：直接作用间接作用直接或间接作用物理学效应电离或激发水的射解，形成化学效应HO、OHo、H2O2、HO2及其它氧化物生物化学效应（遗传学效应）点突变、染色体畸变酶的变化

生物效应体细胞或不育死亡性细胞突变2.紫外线(ultravioletlight)和诱变紫外线属非电离辐射(nonionizing)，即它没有足够的能量来诱导离子化。但紫外线也是一种诱变剂，在足够高的剂量时，它仍能杀死细胞。紫外照射的能量＜X射线的能量，因此紫外线的穿透能力有限。30％可穿透玉米花粉壁，8％可穿过鸡蛋的卵黄膜，这很难保证实验群体中每一细胞都接受同样的辐射能量，紫外线很少用作高等生物的诱变剂，而多用在微生物、生殖细胞、花粉粒以及培养中的细胞等。2.紫外线(ultravioletlight)和诱变医院常用紫外线作灭菌剂（sterilizingagent）。紫外线引起突变，因为DNA中嘌呤和嘧啶碱基在紫外分布区（254～260nm）有一个非常强的紫外光吸收，在该波长UV光诱发基因突变主要是通过引起DNA中发生光化学变化。紫外线照射对DNA的效应之一是在DNA双螺旋相同链的相邻嘧啶分子间或在相反链上的嘧啶分子间形成异常的化学键，多数诱导的是邻近的胸腺嘧啶形成胸腺嘧啶二聚体（thyminedimers）TT、少数CC、CT和TC二聚体。TT阻碍DNA双链的分开和下一步的复制有TT的DNA模板→DNA复制，polⅢ将两个腺嘌呤核苷酸加进去→不能形成正确的氢键→被polⅢ3’→5’校对而切除→反反复复发生，产生空耗过程。即：大量的dATP被分解，而DNA复制毫无进展，但蛋白质仍在不断合成，而DNA不能复制，细胞也不能分裂，最后导致细胞死亡。对于胸腺嘧啶二聚体，主要有五种修复途径：光复活、暗修复(或切除修复)、重组修复、SOS修复、二聚体糖基酶修复。(p219-225)紫外辐射引起的皮肤损害日晒伤慢性日光性皮肤损伤多形性日光疹外源性光感性皮炎Bloom综合症Cockayne综合症着色性干皮症5－溴尿嘧啶正常状态：酮式5-BU类似于T，将只与A配对(5-BU=A).稀有状态：烯醇式

5-BU类似于C，它只与G配对(5-BU≡G).5－溴尿嘧啶的诱变机制烯醇式酮式酮式烯醇式一旦5-BU被插入DNA中，它就通过在二种形式（酮式和稀有的烯醇式）之间的转变来引起突变。2—氨基嘌呤2-aminopurine(2-AP):稀有状态:亚氨基状态2-AP类似于G，与C配对。正常状态:氨基状态2-AP类似于A，与T配对。2-AP也是诱导碱基转换突变，可以从AT→GC或GC→AT，取决于它最初整合进入DNA时的状态。用于AIDS（acquiredimmunodeficiencysyndrome）病治疗的AZT（azidothymidine，叠氮胸苷）就是T的类似物，而且是反转录酶的底物（但不是复制酶的合适底物）。

许多化学物质作为诱变剂，通过直接修饰碱基的化学结构。主要有三种类型：2.碱基修饰剂（Base-ModifyingAgents）（或叫直接诱变剂）脱氨基剂（Deaminatingagent）烷化剂（Alkylatingagent）羟化剂（Hydroxylatingagent）⑴脱氨基剂：能使碱基上的氨基脱落，从而改变碱基的结构和配对特性。亚硝酸（Nitrousacid,HNO2）：应用广泛，使G

脱氨基变成黄嘌呤（X）。

C脱氨基变成U，

A

脱氨基变成次黄嘌呤（H），不过G脱氨基后变成黄嘌呤实际上并没有诱变效应，因为黄嘌呤的配对特性同G一样，仍同C配对。Deaminatingagent＝Nitrousacid(亚硝酸)AATTTHHHCCCG13黄嘌呤13鸟嘌呤胞嘧啶胞嘧啶次黄嘌呤腺嘌呤腺嘌呤尿嘧啶图12-4脱氨基作用造成的转换⑵烷化剂（Alkylatingagent）烷化剂是带有一个或几个不稳定烷基的化合物，能同碱基起作用，使之带上烷基(～CH3，-CH2CH3)，继而引起复制时碱基错配。比较常见的有：甲基硫酸乙酯（MethylmethanesulfonateMMS）乙基硫酸乙酯（EthylmethanesulfonateEMS）亚硝基胍（Nitrosoguanidine,NG）芥子气（Mustardgas)等Methylmethanesulfonate(MMS甲基硫酸乙酯)

introducesanalkylgroup(甲基)ontothebases.鸟嘌呤胸腺嘧啶transferethylgroupsontospecificpositionofbases乙基硫酸乙酯（EthylmethanesulfonateEMS）烷化剂的另一个作用可能是脱嘌呤作用，即：使嘌呤烷基化后同糖结合的键断裂，嘌呤从DNA长链上脱落，造成一个空档。等到复制时，与空档相当的地方就可以配上任何一种碱基，引起转换、颠换、移码突变或染色体断裂等。烷化剂（Alkylatingagent）羟化剂Hydroxylatingagent羟胺（hydroxylamine）NH2OH：使C的氨基带上羟基，变成羟化胞嘧啶。羟化胞嘧啶的配对特性象T，所以它不再同G配对而同A配对，结果使G－C转换成A－T。

Makesonly