分子遗传学之基因突变和DNA损伤修复

null一， 基因突变一， 基因突变The World's Worst Genetic Mutation in a Dog null染色体畸变（chromosome aberration） 基因突变（gene mutation） null体细胞突变（somatic mutation） 体细胞突变不会传递给子代，但可传递给由突变细胞分裂所形成的各代子细胞，在局部形成突变细胞群而成为病变甚至癌变的基础。 生殖细胞中的突变 可通过有性生殖遗传给后代，并存在于子代的每个细胞里，从而使后代的遗传性状发生相应改变。 null第一节 基因突变的一般特性 第二节 诱发基因突变的因素 第三节 基因突变的形式与分子 第四节 DNA损伤的修复 第一节 基因突变的一般特性第一节 基因突变的一般特性1.多向性 任何基因座（locus）上的基因，都有可能独立地发生多次不同的突变而形成其新的等位基因，这就是基因突变的多向性。 复等位基因（multiple alleles） 群体中存在于同一基因座上，决定同一类相对形状，经由突变而来，且具有３种或３种以上不同形式的等位基因互称为复等位基因。如人类ABO血型系统 。 null2.重复性 已经发生突变的基因，在一定的条件下，还可能再次独立地发生突变而形成其另外一种新的等位基因形式。也是群体中复等位基因存在的主要成因之一。 3.随机性 突变的发生也都是随机的。 突变率（mutation rate）：基因的突变频率，是基因的一种等位形式在某一世代突变成其另外等位形式的概率。 null4.稀有性 是一种非频发的稀有事件。人类基因的突变率也大约仅仅为：10-6～10-4／生殖细胞／位点／代。 5.可逆性 基因的突变是可逆的。 正向突变（forward mutation）野生型基因，通过突变形成其等位的突变型基因； 回复突变（reverse mutation）突变型基因，突变为其相应的野生型基因。 一般情况下，正向突变率总是远远高于回复突变率。 null6.有害性 生殖细胞或受精卵中基因的突变是绝大多数人类遗传病发生的根本原因。 体细胞突变则常常是肿瘤发 生的病理遗传学基础。 基因突变的有害性往往只是相对的。第二节 基因突变的诱发因素第二节 基因突变的诱发因素根据基因突变发生的原因，可将之划分为： 自发突变（spontaneous mutation）是在自然条件下，没有人为干涉，未经任何人工处理而发生的突变。 诱发突变（induced mutation）则是指在人为的干涉下，经过特殊的人工处理所产生的突变。 凡是能够诱发基因突变的各种内外环境因素，均被称之为诱变剂（mutagen），包括物理因素、化学因素和生物因素。 一、物理因素一、物理因素（一）紫外线 在紫外线的照射下，细胞内DNA的结构发生损伤，通常是DNA顺序中相邻的嘧啶类碱基结合成嘧啶二聚体，最常见的为胸腺嘧啶二聚体（TT），使DNA的局部结构变形，当复制或转录进行到这一区域时，碱基配对发生错误，从而引起新合成的DNA或RNA链的碱基改变。 null（二）电离和电磁辐射 一定强度或剂量的射线（如X-射线、γ-射线和快中子等）或电磁波辐射击中遗传物质，被吸收的能量，引发遗传物质内部的辐射化学反应，导致染色体和DNA链的断裂性损伤；断裂的染色体或DNA序列片段发生重排，则会进而造成染色体结构的畸变。     射线的诱变作用不仅与其一次性的照射强度或剂量有关，而且还具有照射强度或剂量的累积效应。二、化学因素二、化学因素1.羟胺类  羟胺（hydroxylamine，HA）是一种还原性化合物。可引起DNA分子中胞嘧啶（C）发生化学组分的改变，并因此不能与其互补碱基鸟嘌呤（G）正常配对，转而与腺嘌呤（A）配对结合。经两次复制后，原本的C-G碱基对即变换成突变的T-A碱基对。 null2.亚硝酸类化合物 该类物质可引起碱基的脱氨基作用而造成原有碱基分子结构及化学性质的改变。例如，A被脱氨基后即衍生为次黄嘌呤（H）；H将不能与胸腺嘧啶（T）正常配对， 转而形成了与C的互补结合。经过DNA复制之后，即由原来正常的T-A碱基对变成了突变的C-G碱基对。null3. 碱基类似物 一 些碱基类似物可以掺入DNA分子中而取代某些正常碱基，引起突变的发生。如５-溴尿嘧啶（5-BU）的化学结构与T极为相似，它既可以和A互补，也可以和 G配对。一旦其取代T，并形成了与G的配对，那么，经过DNA的一次复制，就会使原来的A-T碱基对变成突变的G-C碱基对。 null4.芳香族化合物 吖啶及焦宁类等扁平分子构型的芳香类族合物，能够嵌入到DNA序列中，造成碱基的插入或丢失，导致插入或丢失点之后整个编码顺序的改变。  5.烷化剂类物质 如甲醛、氯乙烯、氮芥等均具有高度的诱变活性。该类物质能够将烷基基团引入多核苷酸链上的任一位置，从而造成被烷基化的核苷酸发生配对错误而导致突变的发生。如烷化鸟嘌呤可与T配对，形成G-C→A-T的转换。三、生物因素三、生物因素（一）病毒 流感病毒、麻疹病毒和风、疱疹等多种DNA病毒，是常见的生物诱变因素。机制不清。 RNA病毒也具有诱发基因突变的作用，通过其cDNA对宿主细胞DNA序列的插入引起突变发生的。 （二）细菌与真菌 细菌和真菌所产生的毒素或代谢产物 往往具有强烈的诱变作用。例如，生 活于花生、玉米等作物中的黄曲霉菌 产生的黄曲霉素，就具有致突变作用， 并被认为是肝癌发生的重要诱发因素 之一。H1N1亚型猪流感病毒电子显微图片 第三节 基因突变的形式与分子机制第三节 基因突变的形式与分子机制一、静态突变（static mutation） 生物各世代中基因突变的发生，总是以相对稳定的一定频率发生，并且能够使得这些突变随着世代的繁衍、交替而得以传递。 依据静态突变发生的不同分子遗传学机制，又可将之划分为点突变与片段突变。（一）点突变（一）点突变点突变（point mutation）是DNA多核苷酸链中单个碱基或碱基对的改变。 null1．碱基替换（base substitution） DNA链中碱基或碱基对被置换、替代的突变形式。 同类碱基之间的替换，又被称之为转换（transition） 被另外一种碱基所置换，则称之为颠换（transversion） null（1）同义突变 遗传密码子所编码的氨基酸种类保持不变。 （2）无义突变 遗传密码子变成为不编码任何氨基酸的终止密码UAA、 UAG 或UGA的突变。 （3）终止密码突变 终止密码变成了具有氨基酸编码功能的遗传密码子。 （4）错义突变 遗传密码子所编码的氨基酸种类改变。定点突变技术定点突变技术切除甲基化nullPH FUSION突变热点突变热点从理论上讲，DNA分子上每一个碱基都可能发生突变，但实际上突变部位并非完全随机分布。 DNA分子上的各个部分有着不同的突变频率，即DNA分子某些部位的突变频率大大高于平均数，这些部位就称为突变热点（hot spots of mutation）。 形成突变热点的原因较多，一般认为是5－甲基胞嘧啶（MeC）的存在，MeC脱氨氧化后生成T，引起G－MeC→A-T转换； 短的连续重复顺序处容易发生插入或缺失突变（CpG岛）； 有的与突变剂种类有关，如DNA顺序中某个碱基对突变剂更敏感，有的则相反。 null修复系统对 G-T的识别效率比对G-U的低（ 后者U能被DNA U 糖基水解酶切除突变热点分析用途：预防癌症(分析某种癌症细胞的基因突变热点，可能会找出其分子机理） 设计新的疫苗（如对流感病毒突变热点分析，可以预测将来可能的突变方向， 不容易，因为突变是随机的!） null2．移码突变（frame-shift mutation） 碱基对插入或缺失导致遗传密码子组合发生改变。 影响： 1）一个或两个碱基对的插入或缺失将造成插入或缺失位点之后整个密码子组合及顺序的改变。 2）3个碱基对的插入或缺失。 null（二）片段突变（二）片段突变 片断突变是DNA分子中某些小的序列片段的缺失、重复或重排。 1．缺失  在DNA复制或损伤的修复过程中，某一片断没有被正常复制或未能得到修复所致。 可能的机制是：DNA聚合酶从模板链上滑脱。   2．重复 在DNA的复制过程中，DNA聚合酶从模板链上滑脱后，又重新返回到已被复制过的模板链再度进行复制合成，造成新链中相应片段的重复。   3．重排 分子机制是DNA分子的断裂。即当DNA分子发生两处以上的断裂后，所形成的断裂片段两端颠倒重接，或者不同的断裂片段改变原来的结构顺序重新连接。诱变剂的检测-Ames 测试诱变剂的检测-Ames 测试Ames等人发现90％以上的诱变剂是致癌物质，由此，他们创立了一种快速测定法，即利用是否能引起鼠伤寒沙门氏菌组氨酸缺陷型（hisˉ）菌株的回复突变来判断化学物质是否诱变剂和致癌剂，并能区别突变的类型（置换或移码突变）。 这组检测菌株含有下列突变：① 组氨酸基因突变（hisˉ），根据选择性培养基上出现his＋的回复突变率可测出诱变剂或致癌物的诱变效率。②脂多糖屏障丢失（rfa），该菌株的细胞壁基因有缺陷，使待测物容易进入细胞内。③紫外线切除修复系统缺失（△uvrB）,同时其附近的硝基还原酶和生物素基因缺失（bioˉ），使致癌物引起的遗传损伤的修复降低到最小的程度。④抗药性标记R，示某些菌株具有抗氨苄青霉素（ampicillin）的质粒，从而提高了检出的灵敏性。 nullnull Ames测试是一种反向突变测试，用来确定样品是否是诱变物和因此更可能是致癌物。把一些测试样品和基因改造过的细菌混合在一起涂布平板，如果细菌能够生长，则样品已使得细菌反向突变，样品则可能是诱变因素。 突变体的制造与应用突变体的制造与应用突变体视遗传学研究的重组材料：表型和基因型是基因功能研究的直接证据。 传统以寻找自发突变体为主（如3系育种杂交水稻，寻找合适的不育系非常困难） 可以使用现代技术大规模建立突变体库，提供各种各样的遗传材料，再进行分析，注：不可用于人类）化学试剂烷化剂诱导化学试剂烷化剂诱导甲磺酸乙酯（EMS）诱变获得突变体群体。 突变频率高，类型多。平均分布，无所谓突变热点 简单方便，快速。已经成功用于果蝇，线虫，拟南芥，水稻，小麦等各种生物 原理：EMS是一种烷化剂,通过将烷基加到DNA 的核苷酸鸟嘌呤上,使DNA 在复制时错误的将G-C 碱基对转换为A-T 碱基对,因而引起点突变。 null电离辐射：快中子 还有所谓航空育种等：重力丧失，各种宇宙射线等 分子生物学方法 T-DNA 插入突变 转座子转座插入突变 突变体分析（突变定位)突变体分析（突变定位)有表型! 构建基因组文库 染色体步行 逐渐缩小基因范围 测序确定突变的碱基 回复突变验证等第四节 DNA损伤的修复第四节 DNA损伤的修复一、紫外线引起的DNA损伤修复 （一）光复活修复（photoreactivation repair） 光复活酶，在可见光的作用下，该酶被激活，并能够特异性地识别、结合嘧啶二聚体，形成酶－DNA复合体。利用可见光所提供的能量，嘧啶二聚体在酶的作用下解聚；修复完成，光复合酶亦随之从DNA上解离、释放。 null（二）切除修复 （excision repair） 修复过程需要解旋酶、核酸内切酶、DNA聚合酶和连接酶等的参与。 切除修复发生在DNA复制之前。 修复中，首先是由核酸内切酶在嘧啶二聚体近旁 3‘端一侧特定部位，切断该DNA单链，然后以其互补的正常链为模板，在DNA聚合酶的作用下，合成一段相应的单链碱基序列片断；再由DNA连接酶在切口 处将新合成的片断连接起来。DNA连接酶催化新合成片段在缺口处与被修复链的连接，完成对损伤的DNA修复。 着色性干皮病 (Xeroderma pigmentosum) 着色性干皮病 (Xeroderma pigmentosum) 是一种隐性遗传性疾病，有些呈性联遗传。因核酸内切酶异常造成DNA修复障碍所致。临床以光暴露部位色素增加和角化及癌变为特征。 1. 幼年发病，常有家族发病史。 2. 面部等暴露部位出现红斑、褐色斑点及斑片，伴毛细血 管扩张，间有色素脱失斑和萎缩或疤痕。皮肤干燥。数年内发生基底细胞癌、鳞癌及恶性黑素瘤。 3.皮肤和眼对日光敏感。 4.病情随年龄逐渐加重，多数患者于20岁前因恶性肿瘤而死亡。 5.组织病理 晚期出现表皮非典型性增生、日光角化及鳞癌和基底细胞癌等恶性肿瘤。着色性干皮病患儿脸部特征着色性干皮病患儿脸部特征着色性干皮病背部, 着色性干皮病背部, 着色性干皮病组织切片着色性干皮病的并发症着色性干皮病的并发症着色性干皮病的治疗着色性干皮病的治疗避免紫外线照射 避免肿瘤致病因子 对症治疗null （三）重组修复（recombination repair） 使得新合成的两个DNA分子中，其中的一个具有完全正常的结构，原来的损伤则依然存在于另一个DNA分子而并未能被修复、消除。 ① 带有损伤的DNA分子片断；② DNA复制越过损伤部位，在新合成互补子链的对应部位留下缺口；与之同时，另外一个DNA分子得以完整的复制、合成；③ 由核酸内切酶在完整的DNA分子同源链切割，形成一个与缺口互补的游离单链片段；④ 损伤DNA分子新子链上留有的缺口，经过交换、重组后得以弥补；其缺口则被交换、转移到另一个DNA分子的母链上；⑤ 在DNA聚合酶和连接酶的先后作用下，缺口修复。 null重组修复（recombination repair）二、电离辐射引起的DNA修复二、电离辐射引起的DNA修复修复机制尚不十分清楚。 （一）超快修复 ２分钟之内 （二）快修复 数分钟之内 （三）慢修复 40～60分钟 三、修复缺陷引起的疾病三、修复缺陷引起的疾病