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第四节基因突变的分子基础一、突变的分子机制细胞水平:基因—位点(locus)分子水平:基因—位点—若干座位(site)—核苷酸对碱基改变镰刀型贫血症突变的两种方式:1、分子结构的改变:如碱基替换,倒位2、移码碱基替换(basesubstitution):一个碱基对被另一碱基对替换。包括转换(transtion)和颠换(transversion)。移码突变(frameshiftmutation):增加或减少一个或几个碱基对。•基因突变与氨基酸顺序同义突变(samesensemutation):密码子发生改变,但所编码的氨基酸不变。错义突变(missensemutation):DNA中碱基对替换,使mRNA的某一密码子改变,由它所编码的氨基酸不同。很多错义突变造成蛋白质的部分或完全失活,从而表现出突变性状。无义突变(nonsensemutation):碱基替换改变了mRNA上的一个密码子,成为3个密码子UAG,UAA和UGA中的一个时,就出现无义突变。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酪氨酸丝氨酸终止密码子碱基类似物的诱发突变碱基替换(basesubstitution):一个碱基对被另一碱基对替换。包括转换(transtion)和颠换(transversion)转换(transtion):嘌呤被嘌呤,嘧啶被嘧啶替换的现象颠换(transversion):嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤的替换碱基类似物(Baseanalogues)可以在DNA复制中代替某种碱基,引起配对错误,从而由一种碱基对代替另一种碱基对。1.碱基类似物(1)5-溴尿嘧啶和T很相似,仅在第5个碳元子上由Br取代了甲基.5-BU有酮式,烯醇式两种异构体,可分别与A及G配对结合AAGGTBUKBUEC酮式烯醇式5-溴尿嘧啶(5-bromouracil,BU)是胸腺嘧啶的结构类似物。AT·AT·ABU·GBU·AT·ABU·GC·GC·GBU·ABU·ABU·GC·GC·AT·(2)2-氨基嘌呤(2-AP)也是碱基(A)的类似物,有正常状态和稀有状态两种异构体,可分别与T和C配对结合。当2-AP掺入到DNA复制中时,由于其异构体的变换而导致A∶TG∶CA2AP2AP*GTTCC2-氨基嘌呤(2-aminopurine)可取代腺嘌呤与T配对A·TAP·TA·TA·TAP·CGC·AP·T叠氮胸苷(AZT,azidothymidine):T的类似物是用于治疗爱滋病(acquiredimmunodeficiencysyndrome)的一种药物。HIV-1人的细胞反转录RNAcDNA整合入宿主DNA新病毒AZT在病毒RNA→DNA的阶段是反转录酶的底物,但在细胞中却不是DNA聚合酶的合适底物。这样AZT的作用是一种选择性的毒物,可以抑制病毒cDNA的产物,阻断新的病毒的合成。改变DNA化学结构的诱变剂•亚硝酸(nitrousacid,HNO2):具有氧化脱氨作用。AHHNO2CUHNO2GHNO2XC·GNAU·AA·TA·TNAH·CC·G发生碱基转换2.脱氨基NH2OHHHNNDeaminationHNOHNOCytosineUracilFig.21-Deaminationofcytosinetouracil.•烷化剂烷化剂是目前应用最广泛而有效的诱变剂。最常用的有甲基磺酸乙酯(EMS)、甲基磺酸甲酯(MMS)、亚硝酸胍等。它们都带有一个或多个活泼的烷基,这些烷基能够移到其他电子密度较高的分子中去,使碱基许多位置上增加了烷基,从而多方面改变氢键的结合能力。烷化作用主要发生在碱基的N1、N3、N7位置上。最容易发生在G的N7位置上,形成7-烷基鸟嘌呤。7-烷基鸟嘌呤可与胸腺嘧啶配对,从而产生GC→AT的转换。烷化作用可使DNA的碱基容易受到水解而从DNA上裂解下来,造成碱基的缺失。从而引起碱基的转换与颠换及移码突变。2.碱基的修饰剂(1)亚硝酸(introusacid,NA)有氧化脱氨作用,可使G第2个碳原子上的氨脱去,产生黄嘌呤(xanthine,x),次黄嘌呤(H)仍和C配对,故不产生转换突变。但C和A脱氨后分别产生U和次黄嘌呤H,产生了转换,使C∶G转换成A∶T,A∶T转换成G∶CHNO2AHGGAATCCCUTHNO2•结合到DNA分子上的化合物(插入突变剂)(Intercalatingmutagents)包括原黄素(proflavin)、acridineorange等。它们通过插入到DNA双螺旋双链或单链的两个相邻的碱基之间,起到插入诱变的作用,这种突变往往是移码突变。Acridine类诱发突变的一个重要特征是,acridine化合物所诱发的突变型能用acridine来使之回复,但不能有碱基类似物使之回复TACGAATCGGGTATTATGCTTAGCCCATAATACGAATCGGGTATTATGCTTAGCCCATAACG染料分子嵌入复制插入一个碱基对移码突变•辐射的诱变作用紫外线(ultravioletlight,UV):能使DNA产生两种光生成物--环丁烷嘧啶光二聚体和6-4光生成物。胸腺嘧啶二聚体通常发生在同一DNA链上两个相临的胸腺嘧啶之间,也可发生在不同单链之间,这种二聚体是很稳定的。阻碍单链分开,影响复制复制在胸腺嘧啶对应处随意渗入碱基,引起突变。紫外线诱发胸苷二聚体OOUVOOHCH3HCH3HCH3CH3HNNNNONHONHONHHNOThymineThymineThyminedimerOO454536621Fig.21-Productionofthyminedimerbyultravioletlightirradiation.•黄曲霉素B1(aflatoxinB1,AFB1)在鸟嘌呤N-7位置上形成一个加成复合物进而产生无嘌呤位点。它要求SOS系统参与,SOS越过这些无嘌呤位点并在其对应处选择性插入腺嘌呤。ACGTATGCATAFB1ACTATGCAT复制ACGTATGCAT+ACTATGAAT复制ACTTATGAAT•突变热点(hotspotsofmutation)和增变基因(mutatorgenes)突变热点在基因内的分布并不是随机的,某些位点上突变型很多,其突变率大大高于平均数。这些位点就称为突变热点。形成突变热点的最主要原因是5-甲基胞嘧啶(MeC)的存在。MeC诱变剂氧化脱氨T短的重复序列也容易形成突变热点。因为这些地方容易发生插入或缺失,这是由于DNA复制时发生模板链与新生链之间碱基配对的滑动造成的。二、突变的修复(一)DNA的防护机制1.简并2.回复突变3.抑制4.致死5.多倍体二、突变的修复(二)DNA的修复1.光修复2.暗修复3.重组修复4.SOS修复(二)DNA的修复1.光修复(二)DNA的修复1.光修复DamageMutantbaseismismatchedand/ordistortsstracturIncisionEndonucleasecleavesonbothsidesofdamagedbaExcisionExonucleaseremovesDNABetweennicksSynthesisPolymerasesynthesizesReplacementDNALigasesealsnickFig.21-ExcisionreparremovesandreplacesastretchofDNAthatincludesthedamegedbase(s)在E.coli中的切除修复系统(暗修复)损伤:突变的碱基错配或改变DNA结构剪切:内切酶在损伤碱基位点两侧剪切切除:外切酶除去切口间的DNA合成:DNApol合成取代DNA连接酶封闭缺口DeformationofDNAUvaAUvaBUvrArecognizesdamage&bindswithUvrBUvaCUvaBUvrAreleased;UvrCbindsUvaCUvaBUvrCnicksDNAonbothsidesofdamageUvaDUvrDunwindsregionFig.21-TheUvrsistemoperatesinstagesinwhichUvrABrecognizesdamage,UvrBCnickstheDNA,andUvrDunwindsthemarkedregion.Uvr系统在修复各阶段中的作用UvrAB识别损伤;UvrBC在DNA上切一缺口;UvrD使被标记区解旋三、复制后修复(一)错配修复(mismatchrepair)(1)识别错配的碱基对;(2)对错配的一对碱基要能准确区别哪一个是错的,哪一个是对的;(3)切除错误的碱基,并进行修复合成。三、复制后修复三、复制后修复TemplatestrandwithN6-methylTemplatecorrectbaseadenineDNAstrand5’*3’GATCCTAG3’5’Newly-madeDNAUnmethylatedNewlymadewithincorrectadenineDNAstrand*GATC3’MismatchenzymebindstoCTAG5’unmethylatedGATConnewstrandandtomispaired3’baseonthesamestrand.5’*GATC3’MismatchcorrectionenzymeCTAG5’excisessectionofnewDNAstrand,includingmispaired3’base.5’*GATC3’DNApolymeraserepairsCTAG5’thegap,producingcorrectBase.Fig.21-Mechanismofmismatchcorrectionrepair.MutSMutLMutSMutHMutS识别错配位点,并易位到GATC位点。MutH在GATC位点剪切非甲基化链,内切酶从GATC到错配位点降解DNAGATCGGATCCTAGTCTAG*SL*SLGATCGGATCGATCGGATCCTAGTCTAGCTAGTCTAGssBUHssBU*ssBG*GATCGATCGATCssBGGATCUUCTAGCTAGCTAGCTAGHTssBHTPolymerasePolymeraseGATCGGATCGATCGGATCCTAGCCTAGCTAGCCTAGCTAGTGATCGGATCCTAGCCTAGFig.TwoproposedmodelstoexplainhowmismatchrepaircorrectserrorsafteraDNAstrandhasbeensythesized.(二)重组修复(recombination-repain)5’recombinatedLesionparentalDNARepairedParentalDNARecombinationRepairFig.21-Postreplicationrecombinationrepair在E.coli中的提取(retrival)系统(三)SOS修复系统(后复制修复)差错倾向修复(Errorpronerepair)JeamWeigle等发现UV感染细菌(用UV照射过)-存活率高λ噬菌体细菌(UV未照射过)-存活率低UV-复活(UV-reactivation),也称W-复活SOS反应(SOSresponse)SiteoffrequentmismatchingsFig.21-Error-prone(SOS)repair(lesionby-pass)癌基因与癌产物活性改变结构改变产物失活调控区的突变癌基因易位-改变了调控产物数量染色体重排插入-插入致癌病毒,引入强启动子的改变缺失-缺失抗癌基因和负调控序列双微体扩增均染区肿瘤细胞的特点1.癌症多细胞器官性的疾病,这些器官的细胞生长异常,失去调
本文标题:第十章基因突变B..
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