《基因突变的机制与分子重组的原理》课件

基因突变的机制与分子重组的原理课程目标理解基因突变概念掌握突变类型和特征突变机制探究深入了解DNA变化的分子过程分子重组原理掌握遗传信息交换的过程生物学意义第一部分：基因突变概述突变意义生物多样性和进化的基础突变类型多种形式的DNA序列改变3概念基础DNA序列的永久性变化什么是基因突变？永久性改变DNA序列的稳定性变化发生位置体细胞或生殖细胞生物学意义遗传变异的重要来源基因突变的类型点突变单个核苷酸的改变插入突变添加核苷酸缺失突变丢失核苷酸重复突变序列重复倒位突变序列方向颠倒点突变定义单个核苷酸的改变类型转换（嘌呤↔嘌呤）和颠换（嘌呤↔嘧啶）实例镰状细胞贫血症（A→T突变）插入突变1+核苷酸添加DNA序列中插入一个或多个碱基3n阅读框变化非3的倍数导致移码突变40+亨廷顿例证CAG三联体重复次数超过40次缺失突变DNA缺失一个或多个核苷酸的丢失功能影响蛋白质结构改变，功能丧失杜氏肌营养不良肌肉萎缩，肌力下降重复突变重复机制DNA序列片段被复制，形成重复序列常见于微卫星区域和串联重复序列功能影响基因表达改变，蛋白质功能异常可能导致过度表达或功能增强脆性X综合征FMR1基因中CGG三联体异常扩增智力障碍，特征性面容倒位突变定义特征DNA片段反向颠倒，序列顺序相反生物学影响基因断裂或调控区改变导致表达异常血友病A实例F8基因中的倒位影响凝血因子VIII第二部分：基因突变的机制自发性突变自然发生的DNA复制错误诱导性突变外部因素导致的DNA损伤3表观遗传修饰DNA修饰影响基因表达和突变率自发性突变定义特征无外部诱因，自然发生的DNA改变主要原因DNA聚合酶复制过程中的错误发生频率每个基因每代约10^-6DNA复制过程中的错误碱基配对错误A-C或G-T等非标准配对滑移错配复制过程中模板链与新链不对齐复制分叉停滞DNA损伤导致复制过程中断诱导性突变概念外部因素导致的DNA改变物理诱变辐射、紫外线等化学诱变烷化剂、亚硝酸等物理诱变因子：辐射电离辐射X射线γ射线质子束非电离辐射紫外线可见光红外线作用机制直接断裂DNA产生自由基间接损伤形成嘧啶二聚体物理诱变因子：紫外线形成胸腺嘧啶二聚体相邻胸腺嘧啶形成共价键阻碍DNA功能复制和转录受阻修复机制光修复酶直接修复或切除修复化学诱变因子：烷化剂烷化剂类型单功能和双功能烷化剂分子作用向DNA碱基添加烷基基团代表物质环氧乙烷、甲基磺酸乙酯化学诱变因子：亚硝酸亚硝酸导致DNA碱基脱氨，改变配对特性。亚硝酸钠作为食品添加剂可形成致癌亚硝胺。表观遗传修饰与基因突变DNA甲基化影响基因表达和突变率组蛋白修饰改变染色质结构和可及性非编码RNA调控基因表达和基因组稳定性DNA甲基化与基因突变CpG岛甲基化启动子区域的甲基化抑制基因表达5-甲基胞嘧啶脱氨转变为胸腺嘧啶，导致C→T突变甲基化异常与疾病肿瘤抑制基因沉默，癌基因激活第三部分：基因突变的修复机制专门修复系统针对特定损伤的精确修复多层次防御多种修复途径协同作用3基因组保护维持DNA完整性与稳定性DNA修复的重要性10^4每日损伤量每个细胞每天面临的DNA损伤数量99.9%修复效率正常细胞可修复的DNA损伤比例80%癌症关联与DNA修复缺陷相关的癌症比例直接修复光修复光修复酶直接修复嘧啶二聚体甲基转移酶去除O6-甲基鸟嘌呤上的甲基氧化损伤修复修复8-羟基鸟嘌呤等氧化损伤切除修复碱基切除修复修复单个碱基损伤核苷酸切除修复去除含有损伤的DNA片段错配修复修复复制错误引起的碱基错配碱基切除修复（BER）识别损伤DNA糖基化酶识别并切除受损碱基产生缺口AP内切酶切割无碱基位点填补缺口DNA聚合酶β填补缺口连接修复DNA连接酶封闭缺口核苷酸切除修复（NER）损伤识别识别大型DNA加成物损伤切除切除含损伤的DNA片段（约30bp）DNA合成以互补链为模板合成新链DNA连接DNA连接酶连接新合成的片段错配修复（MMR）错配识别MutS蛋白识别DNA错配区分新旧链通过甲基化模式区分模板链和新链切除错误片段MutH和MutL协助切除含错配的DNA片段合成和连接DNA聚合酶重新合成正确序列双链断裂修复同源重组修复利用同源DNA作为模板高保真度修复主要在S期和G2期非同源末端连接直接连接断裂的DNA末端可能导致小的插入或缺失全细胞周期可发生同源重组修复（HR）1双链断裂形成内源或外源因素导致DNA双链断裂末端处理MRN复合物形成3'单链DNA尾同源搜索Rad51帮助寻找同源序列链交换和合成形成D-loop，DNA合成修复缺口非同源末端连接（NHEJ）断裂识别Ku70/80复合物结合断裂末端蛋白复合物形成招募DNA-PKcs和其他修复因子末端处理去除不兼容的末端结构连接由DNA连接酶IV完成末端连接第四部分：分子重组的原理分子重组是遗传信息交换的基本过程，对基因多样性和进化至关重要什么是分子重组？概念定义DNA分子间遗传信息的交换过程重组类型同源重组和非同源重组两大类生物学意义增加遗传多样性，促进物种进化同源重组的机制双链断裂DNA双链断裂的形成末端处理形成3'单链DNA尾同源搜索寻找并入侵同源序列Holliday结构形成和解析特殊结构双链断裂的形成Spo11蛋白减数分裂中主动诱导双链断裂拓扑异构酶II样功能外源因素电离辐射直接断裂DNA化学物质损伤DNA骨架复制分叉崩溃复制过程中遇到DNA损伤导致分叉停滞和崩溃末端处理MRN复合物Mre11-Rad50-Nbs1蛋白复合物5'→3'切除去除5'端核苷酸，露出3'端单链形成产生3'单链DNA尾，准备入侵同源搜索和链侵入Rad51是同源重组中最关键的蛋白，形成核蛋白丝结构，帮助寻找同源序列并形成D-loop结构Holliday结构的形成和解析双Holliday结构链交换后形成的十字状结构解析酶作用Gen1或MUS81切割Holliday结2交叉产物水平切割产生交叉over类型3非交叉产物垂直切割产生非交叉over类型非同源重组概念定义不需要序列同源性的DNA重组主要类型非同源末端连接和转座生物学意义促进基因组重组和进化非同源末端连接（NHEJ）Ku70/80结合保护断裂末端免受降解DNA-PKcs激活启动修复信号通路3末端处理去除不兼容结构连接完成DNA连接酶IV连接断裂末端转座保守型转座DNA序列完全从一处移动到另一处复制型转座DNA序列复制并插入新位置实例：Tn5转座子含有抗生素抗性基因，广泛用于分子克隆第五部分：分子重组在生物学中的应用1精准医疗基因治疗与个体化治疗生物技术基因工程与分子育种3基础研究功能基因组学与系统生物学基因工程中的应用1重组DNA技术DNA片段的体外重组与克隆基因敲除与敲入创建特定基因缺失或插入的模型生物CRISPR基因编辑精确修改基因组序列重组DNA技术DNA切割限制性内切酶在特定位点切割DNA片段连接DNA连接酶连接不同来源的DNA片段载体转化重组DNA导入宿主细胞克隆筛选选择含有目标基因的克隆基因敲除和基因敲入基因敲除通过同源重组使特定基因失活研究基因功能缺失的表型基因敲入插入外源基因或修饰的基因研究基因功能获得的表型应用实例疾病模型的建立药物靶点的验证CRISPR-Cas9基因编辑靶向识别引导RNA精确定位目标序列DNA切割Cas9核酸酶切割双链DNA基因组编辑利用细胞修复机制引入特定改变医疗应用治疗遗传性疾病和癌症分子重组在进化中的作用遗传多样性创造新的基因组合基因交流促进有益突变在群体中传播2适应性进化加速对环境变化的适应有害突变清除将有害突变与有益突变分离分子重组与癌症染色体易位费城染色体t(9;22)导致慢性粒细胞白血病抑癌基因失活p53基因突变或缺失导致多种癌症癌基因激活RAS基因突变导致持续增殖信号分子重组与免疫系统1V(D)J重组抗体和T细胞受体基因片段重排2多样性产生可产生超过10^12种不同抗体适应性免疫针对各种病原体的特异性防御免疫记忆形成长期免疫记忆细胞第六部分：基因突变和分子重组的检测方法PCR基础技术扩增特定DNA片段2测序技术读取DNA序列信息3细胞染色体检测观察染色体结构变异芯片技术高通量检测基因变异PCR-RFLP技术原理突变改变限制酶切位点应用检测已知点突变优势简单、快速、经济DNA测序技术Sanger测序双脱氧链终止法，读长较长二代测序高通量平行测序，成本低三代测序单分子实时测序，超长读长荧光原位杂交（FISH）1-5Mb检测范围可检测的染色体异常最小大小99%准确率检测大型染色体异常的准确性24染色体全景可同时标记不同颜色的人类染色体数量单核苷酸多态性（SNP）芯片技术原理基于DNA杂交和荧光检测可同时分析数十万至数百万个SNP位点主要应用全基因组关联分析遗传疾病风险评估药物基因组学研究技术优势高通量自动化程度高成本效益好第七部分：基因突变和分子重组的生物学意义基因突变和分子重组是生物进化的基础，提供遗传变异并促进物种适应环境变化遗传多样性的来源新等位基因突变产生新的基因变体基因重组现有基因的新组合2基因流动群体间基因交流3适应性进化自然选择保留有利变异物种进化的驱动力有害突变淘汰降低适应度的变异被清除有利突变保留增强适应度的变异被选择基因重组作用促进有益基因组合的形成疾病发生的分子基础遗传性疾病单基因或多基因突变导致肿瘤发生多步骤基因变异积累药物耐受性突变