基因突變和損傷修復(fù)

1、關(guān)于基因突變與損傷修復(fù)第一張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基因突變的相關(guān)概念 一、突變的概念 突變(mutation) :基因結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致表型的改變的變化 突變體(mutant)：具有突變表型的細(xì)胞或個(gè)體 正向突變(forward mutation)：偏離野生型性狀的突變 反向突變(back mutation)：由偏離的性狀回復(fù)為野生型性狀的突變 自發(fā)突變(spontaneous mutation)：在自然條件下產(chǎn)生的突變 誘發(fā)突變(induced mutation）：機(jī)體在誘發(fā)環(huán)境下產(chǎn)生的突變 第二張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 生化突變(biochemic

2、al mutation）：使機(jī)體的代謝過程發(fā)生改變或喪失的突變 無效突變(null mutaion)：完全喪失原有基因功能的突變 滲漏突變(leaky mutation) ：部分喪失原有基因功能的突變 致死突變(lethal mutation) ：影響生物體的生活力，導(dǎo)致個(gè)體死亡的突變 條件致死突變(conditional lethal mutation)：在給定的某種條件下可以存活，如果缺少這種條件就會(huì)致死的突變第三張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二、突變類型 1.突變發(fā)生的 細(xì)胞類型 體細(xì)胞突變(somatic mutation) Clone：無性繁殖。 生殖細(xì)胞突變(germi

3、nal mutation) 2.突變 的表型: (1)形態(tài)突變 morphological mutaion (2)生化突變 biochemical mutaion (3)失去功能突變 loss-of-function mutation (4)獲得功能突變 gain-of-function mutation (5)致死突變 lethal mutaion (6)條件致死突變 conditional lethal mutaion 第四張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月三、突變的性質(zhì) 1.稀有性:突變發(fā)生的頻率很低 突變率(mutation rate):在特定的條件下,單位時(shí)間間內(nèi)(通常為一個(gè)

4、世代),一個(gè)細(xì)胞發(fā)生某一事件的概率. 高等真核生物自發(fā)突變概率為1/10-510-10。 2.可逆性：突變型可以恢復(fù)為野生型，通常由發(fā)生在第二個(gè)位點(diǎn)的突變所回復(fù)，如抑制基因敏感因子?；貜?fù)突變率一般小于正向突變率?？赡嫘詤^(qū)別于染色體的缺失。 3.多向性（隨機(jī)性）：多方向，形成復(fù)等位基因。 第五張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 基因突變的分子基礎(chǔ)一、自發(fā)突變(spontaneous mutation) 自發(fā)突變可能由復(fù)制錯(cuò)誤、DNA損傷和轉(zhuǎn)座作用等引起。 1.DNA復(fù)制錯(cuò)誤(errors of DNA replication) DNA堿基有互變異構(gòu)體，造成DNA復(fù)制過程中的DNA錯(cuò)

5、配。 轉(zhuǎn)換：Purine Pu;或者 Pyrimidine Py 顛換：Pu Py; 或者PyPu 移碼突變：增加或減少幾個(gè)堿基,導(dǎo)致蛋白質(zhì)翻譯錯(cuò)位。 缺失和重復(fù)：大片段堿基的缺失或重復(fù)，如E.coli乳糖發(fā)酵調(diào)節(jié)基因lac中四堿基重復(fù)序列。 野生型: 5-GTCTGGCTGGCTGGC-3 突變型FS5: 5-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3 突變型FS2: 5-GTCTGGCTGGC-3第六張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月返回第七張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2.DNA損傷（lesions） 脫嘌呤 由于堿基和脫氧核糖間的糖苷鍵受到破壞,從而引起一個(gè)鳥嘌呤或

6、腺嘌呤從DNA分子上脫落下來. 脫氨基 C脫氨基變成U;A脫氨基變成H,：A AT H-T H-C H-C A-T G-CB GC G-U A-UA-U G-C A-T 造成轉(zhuǎn)換 氧化損傷（oxidative lesions）: O2- OH- H2O2 可對(duì)DNA造成損傷第八張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二、誘發(fā)突變（induced mutaion） 多種理化因素都可以誘導(dǎo)DNA的突變1.誘變機(jī)制 堿基類似物 eg. 5-BU 和5-BrdU是胸腺嘧啶(T)的結(jié)構(gòu)類似物，酮式結(jié)構(gòu)易與A配對(duì)；烯醇式結(jié)構(gòu)易與G配對(duì)。另有2-氨基嘌呤(2-AP, A類似物)、5- 氟尿嘧啶、5-氯尿嘧

7、啶等。 特異性錯(cuò)配 eg.烷化劑: 甲磺酸乙酯(EMS)、亞硝基胍( NG)、芥子氣等。通過改變堿基結(jié)構(gòu)使堿基錯(cuò)配。 如：G-C; 當(dāng)G烷基化后可與T配對(duì)，導(dǎo)致堿基轉(zhuǎn)換。 或者烷化劑使嘌呤脫落，造成轉(zhuǎn)換、顛換、斷裂或其他突變 第九張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 嵌合劑的致突作用 eg. .吖啶類染料: 吖啶橙、吖啶黃素、原黃素等堿基對(duì)的類似物，易造成移碼突變。 輻射誘導(dǎo)效應(yīng) (1)紫外線UV:形成嘧啶二聚體，如T二聚體，同一條單鏈內(nèi)，影響復(fù)制時(shí)與A的配對(duì)，使復(fù)制中止；雙鏈之間，影響雙鏈變性，并影響復(fù)制。 重復(fù)、缺失、移碼突變 (2)電離輻射：如X-ray、可引起堿基的降解或脫落，A

8、變成H;C變成T，出現(xiàn)轉(zhuǎn)換。 物理物理化學(xué)生物化學(xué)大分子損傷黃曲霉的作用 使鳥嘌呤G脫落，SOS修復(fù)引入A, 造成突變。第十張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2.堿基替換的遺傳效應(yīng) () 同義突變（samesense mutation）不改變氨基酸的密碼子變化，與密碼子的兼并性有關(guān). 如GAU/GACAsp. () 錯(cuò)義突變（missense mutation） 堿基替換的結(jié)果引起氨基酸序列的改變. () 無義突變（nonsense mutation）編碼區(qū)的單堿基突變導(dǎo)致終止密碼子(UAG/UGA/UAA)的形成, 使 mRNA的翻譯提前終止, 形成不完全的肽鏈. 如鐮刀型貧血癥：血

9、紅蛋白B鏈(146Aa)，6號(hào)氨基酸的替換, 導(dǎo)致明顯的表型癥狀。GluVal, 若Glu Asp則影響較小。第十一張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月3.移碼突變及其產(chǎn)生 在基因的外顯子中插入或缺失1, 2或4個(gè)核苷酸,使閱讀信息發(fā)生錯(cuò)位,從而使翻譯的蛋白質(zhì)序列與原來完全不同. eg. E.coli中乳糖發(fā)酵的調(diào)節(jié)基因(lac): 野生型: 5-GTCTGGCTGGCTGGC-3 移碼突變: 5-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3 移碼突變 : 5-GTCTGGCTGGC-34.突變熱點(diǎn)和增變基因 基因中 某些位點(diǎn)比其它位點(diǎn)突變率高，稱突變熱點(diǎn)。 Eg. 分析T4-Phage

10、r 基因1500個(gè)突變體： r A (1800bp)有200個(gè)位點(diǎn)； r B (850bp)有108個(gè)位點(diǎn) 。第十二張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 形成原因：1. 5-MeC的存在，5-甲基胞嘧啶(MeC)脫氨基后變成T, 使G-C部位轉(zhuǎn)變成A-T部位；2. 短的重復(fù)序列的存在，容易配對(duì)錯(cuò)位，造成重復(fù)或缺失3. 與誘變劑類型有關(guān)，不同誘變劑出現(xiàn)不同的熱點(diǎn)。4. 增變基因(mutator gene)：該基因的突變會(huì)使整個(gè)基因組的突變頻率增高，eg. A. DNA多聚酶基因，突變后使多聚酶的3 5校正功能降低或喪失，使基因組突變頻率增高； B. dam基因，突變后使堿基的錯(cuò)配修復(fù)功能降

11、低或喪失，使基因組突變頻率增高。第十三張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月三、誘變與腫瘤 腫瘤的形成與否取決于機(jī)體中癌基因和抑癌基因的平衡，抑癌基因突變會(huì)致癌。一些誘變劑可以特異性的誘導(dǎo)抑癌基因突變，導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。eg. 黃曲霉素、UV(ultraviolet)等. 黃曲霉素可誘導(dǎo)P53基因G T顛換，導(dǎo)致肝癌的發(fā)生； UV可誘導(dǎo)P53基因5 -TC-3發(fā)生C T顛換，形成“T二聚體”，導(dǎo)致人類鱗狀細(xì)胞皮膚癌的發(fā)生。四、定點(diǎn)誘變 定義：利用人工合成的寡核苷酸，在離體的條件下，制造基因中任何部位的位點(diǎn)特異性突變的技術(shù)。 反義遺傳學(xué)（reverse genetics）: 合成連接(單鏈M13

12、)復(fù)制轉(zhuǎn)化檢測第十四張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月五 動(dòng)態(tài)突變（dynamic mutation）DNA序列中由于寡核苷酸拷貝數(shù)目的變化，引起生物表型改變的突變，稱為動(dòng)態(tài)突變。動(dòng)態(tài)突變通常是由三聯(lián)體密碼子重復(fù)數(shù)目的增加而形成的。X脆性染色體綜合癥是由于在X染色體P27.3位置上CGG拷貝數(shù)目增加到200以上，引起基因的改變，形成痕跡很重的染色體，突變的部分很容易被打斷，所以被稱為是脆性染色體。第十五張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月Fig 6.11a The fragile X and a normal X chromosome from a female (left),

13、and the fragile X and a normal Y chromosome from a male (right). 2003 John Wiley and Sons PublishersCredit: From Richards and Sutherland, Trends in Genetics, vol. 8(7), p. 249, 1992. Photo courtesy Grant Sutherland.第十六張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月脆性X綜合癥為X連鎖遺傳，出現(xiàn)幾率在男嬰中為1/2500，常由表型正常但帶有一個(gè)主要成因可能是因?yàn)镃GG三核苷片段重復(fù)數(shù)目

14、的變化。第十七張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月三聯(lián)體密碼子的重復(fù)與疾病疾 病 密碼子 正?？截?患者拷貝脊髓肌肉萎縮癥 CAG(gln) 11-33 40-62亨廷頓癥 CAG(gln) 11-34 42-100X脆性染色體 CGG(arg) 6-54 250-4000強(qiáng)直型肌營養(yǎng)不良 CTG(leu) 7-23 49-75小腦共濟(jì)失調(diào) CAG(glu) 4-18 40-200第十八張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié)生物體對(duì)突變的修復(fù)機(jī)制一 光復(fù)活(photoreactivation) 1. 概念：在可見光存在的條件下，在光復(fù)活酶作用下將UV引起嘧啶二聚體分解為單體的過

15、程。 2. 條件：可見光(300600nm)、PR酶、嘧啶二聚體 3. 作用過程： 光復(fù)活酶與T=T結(jié)合形成復(fù)合物; 復(fù)合物吸收可見光切斷T=T之間的C-C共價(jià)鍵,使二聚體變成單體; 光復(fù)酶從DNA鏈解離. *光復(fù)活是原核生物中的一種主要修復(fù)形式。第十九張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 光復(fù)活過程已在細(xì)菌、酵母、原生動(dòng)物、哺乳動(dòng)物乃至人類細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)。 第二十張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二 切除修復(fù)1.概念:（核苷酸外切修復(fù)、暗修復(fù)）先在損傷的任何一端打開磷酸二酯鍵，然后外切掉一段寡核苷酸；留下的缺口由修復(fù)性合成來填補(bǔ)，再由連接酶將其連接起來。酶作用不需要光的激活，但黑暗

16、不是必要條件。2.特點(diǎn)：消除由UV引起的損傷，也能消除由電離輻射和化學(xué)誘變劑引起的其他損傷。切除的片段可由幾十到上萬bp，分別稱短補(bǔ)丁修復(fù)、長補(bǔ)丁修復(fù)。3.過程： 內(nèi)切酶的作用在DNA損傷的一端,切開形成一個(gè)切口; 外切酶的作用將損傷部位切除; 聚合酶的作用將切口補(bǔ)齊,留下一個(gè)切口; 連接酶的作用將DNA連接形成完整的DNA鏈。第二十一張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月4.特異性切除修復(fù) E.coli 中明顯的損傷，可在UvrA、 UvrB、 UvrC的作用下得以修復(fù)，但不明顯的損傷需要特異性修復(fù)。 (1)糖基化酶修復(fù)：如果堿基被共價(jià)修飾，糖基化酶可作用于C-N糖苷鍵，使堿基釋放，產(chǎn)生

17、無堿基(AP)位點(diǎn), 再由AP內(nèi)切酶修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)。 (2)AP內(nèi)切酶修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)：也由內(nèi)切、外切、聚合和連接四種酶活性來完成，以修復(fù)AP位點(diǎn)。 *以上兩種修復(fù)過程都沒有涉及到DNA的重組,屬于無誤差的修復(fù)。第二十二張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月p221切除修復(fù)有兩種情況: 一是先補(bǔ)后切,一是先切后補(bǔ)。一般認(rèn)為先補(bǔ)后切比較合理。 切除修復(fù)不僅能除去T=T,還可以除去DNA上的其它損害。第二十三張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 三 重組修復(fù)1.概念: 通過對(duì)DNA的復(fù)制和同源鏈的重組，來完成對(duì)損傷部位的修復(fù)，又稱復(fù)制后修復(fù)。2.特點(diǎn): 修復(fù)過程伴隨DNA的復(fù)制和重組； 僅修復(fù)

18、新合成的不完整的單鏈，原先的損傷單鏈仍然保留； 部分重組蛋白的精確性差，修復(fù)的出錯(cuò)率較高。3.重組修復(fù)過程： (1)復(fù)制：以損傷單鏈為模板復(fù)制時(shí)，越過損傷部位，對(duì)應(yīng)位點(diǎn)留下缺口；未損傷單鏈復(fù)制成完整雙鏈。 (2)重組：缺口單鏈與完整同源單鏈重組，缺口轉(zhuǎn)移到完整鏈，使損傷單鏈的互補(bǔ)鏈完整，損傷單鏈仍然保留。 (3)再合成：轉(zhuǎn)移后的缺口以新的互補(bǔ)鏈為模板聚合補(bǔ)齊。 第二十四張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 重組修復(fù)并沒有從親代中除去T 二聚體，在以后的復(fù)制中還必須經(jīng)過重組修復(fù)的過程。但是隨著復(fù)制的繼續(xù)，損傷的鏈將在群體中逐步被“稀釋”第二十五張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月四

19、SOS修復(fù)1. 概念：是在DNA分子受損傷的范圍較大而且復(fù)制受到抑制時(shí)出現(xiàn)的一種應(yīng)急修復(fù)作用。2.可能的機(jī)理:過程 當(dāng)DNA損傷較大時(shí)(如產(chǎn)生很多的T=T)，正常的DNA多聚酶復(fù)制到損傷位點(diǎn)時(shí)，其活性受到抑制； 短暫抑制后產(chǎn)生一種新的DNA多聚酶，催化損傷部位DNA的復(fù)制，由于新的DNA多聚酶的修復(fù)校正功能較低，新合成的堿基錯(cuò)配頻率較高，易引起突變。3.特點(diǎn)： 修復(fù)系統(tǒng)需要在DNA分子受損傷的范圍較大而且復(fù)制受到抑制時(shí)才能夠啟動(dòng)。 修復(fù)系統(tǒng)對(duì)錯(cuò)配堿基的修復(fù)校正功能低下，從而增加突變的頻率。第二十六張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月在緊急情況下，細(xì)胞通過一定水平的變異來換取細(xì)胞的幸存，有

20、利于細(xì)胞逃生。 4.SOS系統(tǒng)的啟動(dòng)： 通過操縱子(結(jié)構(gòu)基因、啟動(dòng)子、操縱基因、調(diào)節(jié)基因)來實(shí)現(xiàn)： A. SOS基因：recA基因、UvrA、UvrB、UmuC等，也稱din基因 (damage inducible gene)，為操縱子的結(jié)構(gòu)基因； B. lex基因：阻遏蛋白基因，正常情況下結(jié)合在操縱基因上； C. recA基因：重組蛋白基因，應(yīng)急狀態(tài)下啟動(dòng)蛋白質(zhì)水解酶活性，水解阻遏蛋白，使din基因高效表達(dá)，從而啟動(dòng)SOS修復(fù)系統(tǒng)。第二十七張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月五 電離輻射損傷的修復(fù) 氫鍵斷裂：DNA分子雙鏈之間1.電離輻射效應(yīng) * 共價(jià)鍵斷裂：DNA單鏈斷 裂、雙鏈斷裂

21、、堿基和糖基損傷 交聯(lián)作用：DNA與DNA、DNA 與蛋白質(zhì)之間發(fā)生2.電離輻射的修復(fù)：1、超快修復(fù)(0, 2min) (E. coli) 無O2、單鏈 (DNA連接酶) 2、快修復(fù)(幾分鐘) 其余90斷裂單鏈 (聚合酶) 3、慢修復(fù)(37 ,40-60min) 剩余單鏈 (重組修復(fù)酶系統(tǒng))第二十八張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月六 修復(fù)缺陷與人類疾病1. 著色性干皮病 (XP, xeroderma pigmentosum) 位于1p的隱性基因控制，干性皮膚伴隨神經(jīng)系統(tǒng)疾病，由切除二聚體能力缺損造成。2. Cockayne Syndrome (CS) 侏儒、視網(wǎng)膜萎縮。由缺損紫外線引

22、起的DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)引起。3. 共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥 4. 早老癥第二十九張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié)、基因突變的檢測一、大腸桿菌 突變體的檢測 1.影印法StrR突變體 單菌落基本培養(yǎng)所有菌落生長挑選抗性菌落抗性培養(yǎng) StrR培養(yǎng)抗性菌落生長 (影印) StrR菌落 2.青霉素法營養(yǎng)缺陷突變體 野生型細(xì)菌誘變處理Pc培養(yǎng)少數(shù)菌落生長 多數(shù)野生型細(xì)菌死亡! 基本培養(yǎng) 突變型和少數(shù)野生型細(xì)菌 營養(yǎng)缺陷菌落 營養(yǎng)補(bǔ)充培養(yǎng) （驗(yàn)證）第三十一張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二 真菌營養(yǎng)缺陷型的檢出菌絲過濾法麥孢菌營養(yǎng)缺陷

23、型 萌發(fā)菌絲去除！分生孢子誘變處理液體通氣培養(yǎng) (24h) 未萌發(fā)孢子培養(yǎng) 萌發(fā)菌絲去除！ 萌發(fā)菌絲去除！ 未萌發(fā)孢子 未萌發(fā)孢子補(bǔ)充營養(yǎng)培養(yǎng)營養(yǎng)缺陷型 說明：未萌發(fā)孢子死亡、營養(yǎng)缺陷和少數(shù)野生型 第三十二張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月三 果蠅突變的檢出1.性連鎖基因隱性突變的檢出(ClB法、 Muller- 5) (1) ClB品系：C交換抑制因子；l隱性致死突變；B棒眼 檢出步驟：A. 將待測的果蠅與雜合（ClB/+）果蠅雜交； B. 將F1 ClB 與F1 （野生型）單對(duì)雜交，目的是檢查某一特定X染色體上的突變； C. 觀察分析： 有X隱性致死突變，F(xiàn)2 無雄蠅(:ClB和l死亡); 隱性非致死突變， F2預(yù)期 :=2:1，突變性狀只在F2雄蠅表現(xiàn)，F(xiàn)1ClB中不表現(xiàn)； 無X隱性突變，在F2 僅表現(xiàn)簡單的 :=2:1。第三十三張，PPT共四十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 (2) Muller-5法： A. Muller-5品系:B(棒眼)-Wa(杏眼)-sc(小盾片少剛毛)并具重復(fù)倒位。 B. 檢出步驟 : . 將待測的果蠅與純合Muller果蠅雜交. . 將F1 自交, 目的是檢查某一特定X染色體上的突變. . 觀察分析F2： 如果無X隱性致死突變預(yù)