第5章基因组变异

第5章基因组的变异5．1诱变和DNA修复基概念和定义突变是基因型中可遗传的变化，它由基因组中某一特定区域的核苷酸残基序列变化造成的。这些变化包括以下四种方式的诱变(mutagenesis)：(1)在DNA复制中核苷酸的错误掺入。(2)对DNA的损伤(可能是自发的，或是被环境中的诱变剂所诱导)以及细胞的修复。(3)异常重组(例如，末端的连接，复制中链的跳格，不对等的交换)(参见异常重组和不对等交换)。(4)可移动遗传因子的活性(见可移动的遗传因子)。单个碱基的错误掺人和损伤常产生点突变(pointmutations)，也就是一个核苷酸被另一个代替(参见转换和颠换)。基因中的点突变可以改变编码蛋白的性质，那些基因外的点突变会影响一些DNA-蛋白间的相互作用。碱基的损伤还能导致致命的复制阻断。其他形式的DNA损伤(例如染色体断裂)，异常重组和可移动因子的活性往往造成更显著的大突变(macromutations)，这会影响到许多相邻的核苷酸。因此，突变能通过几种不同机制影响基因的功能，经常是有害影响。细胞将许多资源用来维持和修复DNA。它具有保证DNA复制忠实性的机制，同时有在溶液中修复被破坏的核苷酸，修复和取代DNA中被损伤的碱基并调节它们的活性以应答DNA的损伤。所有细胞都有一个自发突变率，定义为一段特定时间内基因组正常发生的突变次数。这个比例反映了DNA复制忠实性和修复的效率。控制这些过程的基因的突变可能会增高或减少自发突变率，这些基因被分别称为增变基因(mutator)和抗变基因(antimutatorgenes)。5．2诱变和复制忠实性DNA合成过程中核苷酸的错误掺入尽管DNA碱基形成特定碱基对，但这不是一个高度精确的过程。从能量上考虑，预计也可以产生1％一10％的出错频率。复制机构的成分通过三个主要机制将复制的精确度提高了几个数量级。(1)DNA聚合酶的碱基选择；(2)DNA聚合酶的外切酶校正功能；(3)辅助蛋白稳定复制复合体的功能(例如单链结合蛋白，它限制了模板DNA二级结构的形成)。当dNTP结合到模板-引物-酶的三元复合体上时，DNA聚合酶具有高度选择性，错配核苷酸的结合没有正确配对的稳定。根据特定的酶，错配的类型和其前后序列的情况的差异，鉴别错误的水平变化范围可从0—400倍。这反映了鉴别过程中碱基配对和堆积力的影响。再有，发生在结合之后的以及将dNTP置于酶的活性位置的构象变化的频率，对于形成Watson—Crick配对的碱基来说要大5000倍。正确配对的碱基形成磷酸二酯键的频率也要高一些。这三种鉴别步骤的相对重要性对各种多聚酶是不同的。校正功能由DNA聚合酶内在的3’→5’外切酶活性完成。每一次加入的步骤后都有一个稍微的停顿，这让多聚酶除去错配的碱基，但是校正的主要部分发生在随后的多聚循环的起始。当引物末端和模板错配后掺入的频率非常低，这为外切酶活性提供了一个好机会。因此，校正是一种掌握时机的行为，它由多聚酶不能有效地延伸错配末端这种性质来控制。在E.coli中，这些因素将积累的出错频率降至每107个碱基对只有一次错误掺入，但这仍比观察到的自发突变率高三至四个数量级。更高的忠实性是由复制后错配修复造成的，它在复制后将新合成链中错配核苷酸纠正过来。DNA中瞬时的、自发的化学变化与DNA合成相联系的出错频率(在错配修复和校正之前)反映了多聚酶在选择核苷酸时的不精确性。多聚酶内在的性质(就是说，偶尔掺入错配核苷酸的趋向)是造成出错的部分原因，但这也反映了DNA碱基经历自发的、瞬时的变化的能力，这些变化涉及氢原子的重排。这类变化是互变异构移位(tautomericshifts)，而形成的同分异构体是互变异构体(tautomers)(图14．1)。所有碱基以具有一定平衡的互变异构形式的混合物存在(尽管对那些出现在DNA和RNA中的碱基来说，一种形式的互变异构体很稳定，且转化成不稳定形式的时间很短)。不同形式的互变异构体可能与互补链中的不同碱基配对。例如，稳定的鸟嘌呤的酮式互变异构体只与胞嘧啶配对，但不多见的烯醇式形式与胸腺嘧啶配对。绝大多数互变异构转化是无害的，因为它们出现在双链DNA中且迅速回到起初状态。然而，如果在复制中模板发生一次变化，就会发生一次错误掺入。如果这不被纠正，一次突变将出现在下一轮复制中。起初错误掺人的碱基不一定会形成突变，因为它可能在被用作模板前被正确核苷酸取代。移码诱变选择和校正增加了替换的忠实性，也就是掺入一个核苷酸而不是另一个的正确性。DNA聚合酶显示的另一种类型的不忠实性是移码造成的不忠实性，这是在模板复制时与引物链从寄存器(register)滑出时造成的。这个过程，有时称为跳格(slipping)，打滑(stuttering)或震颤(chattering)会产生小的插入或丢失。在编码区跳格会产生移码突变，但这个术语被用来描述所有这类性质的突变而不管它们发生在哪儿。移码诱变更依赖于模板的性质而不是DNA聚合酶。这类突变被重复序列(诱发跳格)和互补区域(便于形成发夹和其他二级结构)激发。这些区域是突变热点。移码错误会因为加工的减少而增加，这暗示着当多聚酶从模板解离后移码更易发生(这提供了一个可能的解释，为什么观察到的前导链和滞后链合成的忠实性不同，见复制)单链结合蛋白减少移码错误，它增加了单链DNA的稳定性且避免了二级结构的产生。5．3DNA损伤：突变和致死DNA损伤DNA总是在受到攻击，遭受多种损伤。DNA的一个损伤区域被称为一个损害(1esion)。DNA损伤的影响是两方面的。①如果一个损害改变了碱基配对的专一性，它被称为误导的损伤(misinstructionallesion)，且可能在下一轮复制中通过图14。1显示的机制产生一个突变。②如果一个损害使DNA不能特异于一个互补碱基，它被称为非指导的损害(noninstructionallession)，可能产生一个复制阻断(那儿复制叉被延误了)，这是致死的，因此DNA损伤可能产生突变或致死。为了避免复制阻断的致死效应，细胞发展了损伤耐受机制，这让复制能在损害存在的情况下继续(参见重组修复，SOS反应)。产生于损害位置的突变称为定向突变(targetedmutation)，其他位置的突变，例如归因于复制错误的突变称非定向突变(参见基因导向)。预示突变的损害称为前诱变损伤(premutageniclesion)。DNA损伤的种类DNA损伤可以定义为任何不是正常完好无损DNA分子具有的结构，并且如果不处理的话，会造成突变和复制中断，一些类型的DNA损伤列在表5．1中。表5．1DNA损伤的分类和它们是如何产生的损伤类型定义起因异常碱基DNA中除A,C,G,T外的碱基自发脱氨；物理/化学因素造成的碱基损伤；复制过程中尿嘧啶和碱基类似物渗入；化学基团加到碱基上；AP位点一个无碱基位点（一个碱基从DNA主干上被除去的位点）自发碱基丢失异常碱基的酶切缺口(nick)双链中的一条链丢失一个或多个核苷酸形外切酶活性造成的缺口(往往与修复有联系)成的位点由不完全复制造成的缺口(包括切除引物和复制上的旁路)切口双链一条链骨架上的损伤，并没有碱基缺物理/化学上的对DNA骨架的损伤失。切口的特点是通过进一步破坏DNAAP位点的β—去除末端来阻止简单的重新连接修复合成后的切口保存与许多细胞过程联系的外切酶活性断裂(双链断裂)双链的两条链上的损害，这样分子被切开了对DNA骨架的物理/化学性的损伤与某些细胞过程联系的外切酶活性交联DNA链共价连接造成的损伤包括链内交联和链间交联)紫外线诱导的碱基二聚体化，化学诱导的交联自发和诱导损害DNA可能内在地(由于分子自身性质)或外在地(由于外界因素效应)遭受损伤。自发损害的产生由于DNA分子内在性质或与DNA损伤性化学试剂，例如作为新陈代谢副产物产生的自由基团)。由这些损害产生的突变，加上那些通过复制和重组错误产生的突变，以及可移动遗传因子活动造成的突变组成了自发突变，这是特定生物自发突变率的基础。诱发的损害由称为诱变剂(mutagens)的DNA损伤因子作用形成，然而特定诱变剂和天然新陈代谢副产物造成DNA损伤的分子机制是一样的。这儿，自发和诱变损害的区分变得模糊了。某些化学反应在DNA中通过自发产生来产生损害这包括脱氨(碱基上失去氨基)和通过水解N—糖苷键造成碱基丢失，这个过程根据碱基类型称为脱嘌呤或脱嘧啶。脱氨产生误导损害，造成的后果列于表5．2。水解造成的碱基丢失产生一个非指导性的AP位点(表5．1)，它阻断复制。然而在E．coli的SOS反应(参阅)中，转损害(translesion)的合成可能会越过AP位点发生，且腺嘌呤残基被优先掺入，即所谓的A法则。除了这些内在的自发反应，氧反应因子，例如自由基团，会造成一系列氧化型DNA损害。脱氨、碱基丢失和氧化型损伤也会被诱变剂诱导。表5．2脱氨造成的结果正常碱基互补碱基脱氨产物互补碱基后果AT次黄嘌呤CA-G转换CG尿嘧啶AG-A转换GC黄嘌呤不固定复制中断TA无5—甲基胞嘧啶GTAG—A转换四种DNA碱基(加上5—甲基胞嘧啶)特异配对的碱基以及它们损伤的产物环境中损伤DNA且导致突变或致死的因子是基因毒性(表5．3)的。诱变剂可以是化学的、物理的或生物的因子(表5.4)。化学或物理的诱变剂通过与DNA作用使键断裂或重新排列，或新的键生成。这往往包含增加新的化学基团。生物诱变剂为可移动遗传因子，它们通过转座进入DNA而打断它，它们还造成各种类型的结构重排。表5．3基因毒性因子的分类基因毒性剂定义致癌剂促使真核细胞肿瘤转化的因子。许多致癌物也是诱变剂，但反过来并不总是正确断裂剂诱导染色体破裂，也就是双链断裂的因子诱变剂通过直接和DNA作用或产生新陈代谢产物来促成诱变的因子致癌物诱导肿瘤形成的因子超诱变剂特别有效的诱变剂，例如甲基磺酸乙酯调聚剂导致复制提早结束的因子，例如2’，3’—二脱氧核苷致畸(胎)剂诱导发育异常的因子，不一定是基因毒性因子，就是说包括不改变DNA结构而发挥作用的分子表5．4不同种类的诱变剂诱变剂描述化学诱变刑脱氨剂诱导碱基脱氨的因子，包括非专一性的硝酸和专一地使胞嘧啶脱氨的亚硫酸氢钠。烷化剂与核酸的亲核中心反应的分子。它用链烷以及其衍生物来取代亲核中心。这类化学性质往往是强有力的诱变剂，例如MS和二甲基亚硝胺。烷化剂导致多种类型DNA损伤：碱基修饰会改变烷化剂的配对能力，造成复制中的错误掺入。另一方面，一个大型加合物(bulkyadduct)会阻断复制。双功能的因子(能使两个亲核中心烷基化)会造成交联。大型加合物供体这是一种当代谢后具有能将大型化学基团加到碱基上的活性的分子。例如黄曲霉素B，和苯丙吡。这类反应的结果是形成一个膨胀的扭曲的双螺旋，它会阻断复制。碱基类似物这是一些类似碱基的分子，它们能形成可以掺人正在生成的核苷酸链的核苷酸(例如，溴脱氧尿嘧啶)。与主要碱基不同的是，碱基类似物会显示异常的碱基配对性质。例如，它们能与不止一种碱基配对，因为它们在不同的互变异构形式下都能保持稳定。碱基类似物通常用一种高度专一的方式产生点突变。插入剂具有平面结构的分子，它能嵌人到DNA的碱基之间(例如溴化乙啶，丫啶橙)。插入因子通过解旋DNA链而增加其长度。这会诱导移码突变，阻断复制且抑制核昔酸的切除修复，这通过使酶束缚在无活性复合物状态来完成。交联剂这是使DNA链便于共价连接的分子。这些药剂因子包括双功能性的烷化剂，氮芥和硫芥，铂的衍生物。平面分子，补骨脂素当暴露于紫外光时也会交联DNA。物理诱变剂电离辐射电离辐射导致各种DNA损伤，包括碱基损伤，糖环的损伤，裂口和断裂。电离辐射的效应可能是直接的(由DNA分子中原子电离造成)或间接的(由细胞中其他活性分子产生，主要是活性氧组分(reactiveoxygenspecies)，它们与洲A相互作用)。紫外辐射紫外诱导的损伤称为光合产物。紫外辐射的主要效应是产生相邻碱基连接的光合二聚体。最常见的光合二聚体是环丁基嘧啶二聚体，它可在任何两个相邻嘧啶间产生，T＝T是最普遍的，其他依次为C＝T，T＝C，C＝C．另一