5分子生物学第五章-基因突变和修复

Chapter5GenemutationandDNArepairing第五章基因突变与修复第一节基因突变第二节顺反子和突变互补第三节突变修复Mutationscanbeinducedbychemicalmodificationofabase.MutationschangethesequenceofDNA突变改变DNA顺序第一节基因突变•突变mutation:在基因组的某一特定区域核苷酸序列发生改变而引起的基因型稳定的可遗传改变。•突变体mutant：带有某一特定突变基因的基因组、细胞或个体。•染色体突变和基因突变、基因外突变一、基因突变的结构•基因突变是指基因的一种等位形式变成另一种等位形式,突变是相对于正常而言的•遗传学研究中，将自然界中普遍出现的性状或指定实验用的某一品系的性状，作为“野生型”或“正常”的性状。与这种性状相关的等位基因称为野生型等位基因，一般记为+，或a+，b+等。•任何不同于野生型等位基因的称为突变型等位基因•从野生型变为突变型，称为正向突变(forwardmutation)；反之，从突变型也可变回成野生型，则称为回复突变(backmutation)或逆向突变(reversemuta—tion)。•野生型等位基因和突变型等位基因的适合度fitness(生存和繁殖的能力)不同二、基因突变的特点•1、不对应性。突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系•2、自发性。在没有人为诱发因素的情况下，各种遗传性状的改变可以自发地产生。•3、稀有性。自发突变的频率较低，而且稳定，一般在10-6～10-9间。•4、独立性。某一基因的突变，即不提高也不降低其他任何基因的突变率。突变不仅对某一细胞是随机的，且对某一基因也是随机的。•5、可诱变性：通过各种物理、化学诱变剂的作用，可提高突变率，一般可提高10～105倍。•6、稳定性：突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化，所以产生的新性状也是稳定的和可遗传的。•7、可逆性：任何性状既有可能正向突变，也有可能发生回复突变，两者发生的频率基本相同自然界的各种辐射环境中的化学物质环境中的生物因素生物体内的DNA复制错误DNA自发损伤和修复能力的缺陷转座因子的作用三、自发突变(spontaneousmutataon)和诱发突变(inducedmutation)（一）自发突变(spontaneousmutataon)1、定义指生物体在无人工干预下自然发生的低频率基因突变。2、产生原因：3、自发突变的机制•(1)背景辐射和自然环境因素的诱变。不少“自发突变”实质上是由一些原因不详的低剂量诱变因素长期的综合效应导致。•(2)微生物自身有害代谢产物的诱变。活性氧是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物，它们可能是自发突变中的一种内源诱变剂。•(3)由DNA复制过程中碱基配对错误引起。据统计，DNA链每次复制中，每个碱基对错误配对的频率是10-7～10-11，而一个基因平均约含1000bp，故自发突变频率约为10-6。因此，若对细菌做一般液体培养时，因其细胞浓度常可达到108个/ml，故经常会在其中产生自发突变株。DNA复制错误AATGTCTACAGATGTCATGTCTATAGTATAGAATGTCTACAGATGTCTACAGAATGTCTACAGATGTCTACAGa.环状突出效应•有人提出，在DNA的复制过程中，如果其中某一单链上偶然产生一个小环，则会因其上的基因越过复制而发生遗传缺失，从而造成自发突变。•如果是模板链出现环出现象，会产生缺失突变•如果是正在合成的子链出现环出现象，会产生插入突变新链5’3’AGTTTCAAAAACG模板链3’5’新合成链环出5’3’5’T3’AGTTAGTTTTTCAAAACGTCAAAAACG3’A5’3’5’模板链环出新链上插入一个碱基新链上缺失一个碱基5’3’5’T3’AGTTTTGCAGTTTTTGCTCAAAACGTCAAAAACG3’A5’3’5’图21－4在DNA复制中由于DNA的错误环出自发产生碱基的插入和缺失(参考PeterJ.Russell:Genetics,3rded.,Fig18-8)SpontaneousDNAlesions1.InherentchemicalreactivityoftheDNA2.Thepresenceofnormal,reactivechemicalspecieswithinthecell1.Deamination(脱氨作用）:•CU(mayberemovedbyUracilDNAglycosylase)•methylcytosinem5CT（normalresidue）（inCpGislands)2.Depurination(脱瞟呤作用):breakoftheglycosylicbondbyhydrolyticreactionnon-codinglesion.产生无瞟呤AP位点3.Depyrimidination(脱嘧啶作用):raredeamination--ATGCTACG----TACGATGC----ATGUTACG----TACGATGC----ATGTACG----TACGATGC--U--ATGCTACG----TACGATGC--UuracilDNAglycosylaseCytosinedeaminationandrepairNH2OH3CH3CHNNDeaminationHNOHNO5-methyleytosine(5mC)Thymine(T)Fig.21-Deaminationof5-methylcytosinetothymine.AATGTCTACAGATGTCATGTCTACAGTACAGAATGTCTACAGATGGCTACCGAATGGCTACAGATGCCTACAG脱嘌呤氧化损伤•过氧化物原子团（O2-）•（H2O2），（-OH）等需氧代谢的副产物都是有活性的氧化剂，•它们可导致DNA的氧化损伤，•T氧化后产生T－乙二醇，•G氧化后产生8-氧-7,8二氢脱氧鸟嘌呤、8-氧鸟嘌呤(8-O-G)或“GO”，•GO可和A错配，导致G→T。Oxidativedamage(氧化损伤）ThelevelsofoxidationcanbeincreasedbyhydroxylradicalsfromtheradiolysisofH2Ocausedbyionizingradiation.离子辐射使水分解产生羟基，增加氧化作用OxidationproductsReactiveoxygenspecies(ROS)presentsinallaerobic需氧cells.Superoxide过氧化物hydrogenperoxide过氧化氢Hydroxylradical(•OH)羟基SpontaneousmutationsoccurthroughoutthelacIgeneofE.coli,butareconcentratedatahotspot.Mutationsareconcentratedathotspots•自发突变具有突变热点，不同突变剂也有其各自的突变热点。5-mC是生物体内的突变热点？!•5-甲基胞嘧啶•氧化脱氨基反应•胸腺嘧啶•脲嘧啶•脲嘧啶—DNA—糖苷酶，将脲嘧啶残基除去。•修复系统”将一个C碱基插入与之配对•保护系统无法识别这样的变化C突变为U不是生物体内的突变热点？!所有能诱发基因突变的因子，称为诱变剂(mutagen)。（二）诱发突变(spontaneousmutataon)1、定义诱发突变简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。2、诱发突变的机制（1）碱基的置换转换transition：即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换颠换transversion：即一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换。（2）移码突变指诱变剂会使DNA序列中一个或少数几个核苷酸发生增添(插入)或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和翻译错误的一类突变。（3）染色体畸变包括染色体结构上的缺失、重复、插入、易位和倒位，和染色体数目的变化。（4）转座因子:•（1）碱基的置换•a.转换transition：即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换•b.颠换transversion：即一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换。AGTC转换颠换图21-1转换与颠换碱基的置换•同义突变（same-senseorsynonymousmutation）：由于密码子具有兼并性，单个碱基置换后并没有引起肽链中氨基酸序列的改变。同义突变不易检出。•错义突变（missensemutation）：DNA分子中的核苷酸置换后改变了mRNA上遗传密码，导致合成的多肽链中一个氨基酸被另一氨基酸所取代。•无义突变（non-sensemutation）：当单个碱基置换导致出现终止密码子时，多肽链将提前终止合成，所产生的蛋白质（或酶）大都失去活性或丧失正常功能。表21-2点突变的类型(以Tyr的密码子为例)无义突变同义突变错义突变DNATAC→TAA,TAG↓↓↓↓RNAUACUAAUAG↓↓↓↓aaTyrOchAmbTAC→TAT↓↓UACUAU↓↓TyrTyrTAC→TCC↓↓UACUCC↓↓TyrSer碱基的置换•终止密码突变(terminationcodonmutation)：当DNA分子中一个终止密码发生突变，成为编码氨基酸的密码子时，多肽链的合成将继续进行下去，肽链延长直到遇到下一个终止密码子时方停止，因而形成了延长的异常肽链。也称为延长突变（elongtionmutation）或通读突变(read-throughmutation)。•抑制基因突变（suppressorgenemutation）：当基因内部不同位置上的不同碱基发生了两次突变，其中一次抑制了另一次突变的遗传效应。直接引起置换的诱变剂•可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂•在体内或离体条件下均有作用•包括放射线(紫外线、X-射线、γ射线、宇宙射线)和亚硝酸、羟胺和各种烷化剂，如硫酸二乙酯（DES）、甲基磺酸乙酯（EMS）、N-甲基-N′-硝基-N-亚硝基胍（NTG）、乙烯亚胺、环氧乙酸、氮芥等碱基的修饰剂•它们可与一个或几个碱基发生生化反应，引起DNA复制时发生转换。能引起颠换的诱变剂很少。紫外线诱发胸苷二聚体OOUVOOHCH3HCH3HCH3CH3HNNNNONHONHONHHNOThymineThymineThyminedimerOO454536621Fig.21-Productionofthyminedimerbyultravioletlightirradiation.•碱基的修饰剂•(1)亚硝酸（introusacid,NA）有氧化脱氨作用HNO2胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）HNO2腺嘌呤（A）次黄嘌呤（H）HNO2鸟嘌呤（G）黄嘌呤（X）HNO2AHGGAATCCCUTHNO2Nitrousacid（亚硝酸）:deaminatesCtoproduceU,resultinginG·CA·U（transition)Nitrousacid:deaminatesAtoproduceG,resultinginA·TG·C（transition)•（2）羟胺只特异地和胞嘧啶起反应，在第4个C原子上加-OH，产生4-OH-C，此产物可以和A配对，使C∶G转换成T∶AHAC4-OH-CTGAA•(3)烷化剂如甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥(NM),甲基黄酸甲脂（MMS）,亚硝基胍（NG）等，它们的作用是使碱基烷基化，EMS使G的第6位烷化，使T的第4位上烷化，结果产生的O-6-E-G和O-4-E-T分别和T、G配对，导致G∶C对转换成A∶T对；T∶A对转换成C∶GGO-6-E-GATO-4-E-TCCTTAGGAlkylation(烷基化作用）Electrophilic亲电子的chemicalswhichrea