基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ)

1、基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ)基因組進(jìn)化的分子基礎(chǔ):突 變 重 組轉(zhuǎn) 座突變 1.1 突變的機(jī)制 自發(fā)性損傷(復(fù)制中的損傷、堿基的自發(fā)性化學(xué)改變、 自發(fā)脫堿基、 細(xì)胞的代謝產(chǎn)物對(duì)DNA的損傷) 物理因素引起的損傷(電離輻射、紫外線、熱誘變等) 化學(xué)因素引起的損傷(烷化劑、堿基類(lèi)似物、嵌入試劑等) 1.1.1 自發(fā)性損傷錯(cuò)配突變 純化學(xué)的堿基配對(duì)差錯(cuò)率為:510 為維持基因組的穩(wěn)定性,DNA 的復(fù)制必須增加幾個(gè)數(shù)量級(jí),提高DNA復(fù)制的精確性有2種方法: 滲入堿基的篩選 錯(cuò)配堿基的校正 堿基異構(gòu)式引起DNA復(fù)制過(guò)程的錯(cuò)誤 -自發(fā)突變堿基異構(gòu)式: A(amino 氨基) A(imino 亞氨基) C(a) C

2、(i) G(keto 酮式) G(enol 烯醇式) G(k) G(e,i) T(keto) T(enol-2) or T(enol-4) 誤導(dǎo)滲入堿基異構(gòu)式引起DNA復(fù)制的錯(cuò)配 G(k) C(a) 正確配對(duì) A(a) T(k) 錯(cuò)誤配對(duì) G(k) T(e) A(a) C(i) A(i, anti) A(a, syn) A(i, anti) G(k, syn) G(e,i, anti) G(k, syn) G(e,i, anti) A(a, syn) A(i) C(a) G(e) T(k) A(a) T(k) A(a, anti) T(k, anti) C(i) C(a, anti) A(a)

3、 A(i, anti) 堿基異構(gòu)式引起DNA的錯(cuò)配突變 C(i) C(a)G(k, syn) G(k, syn) G(k, anti)G(k)滑序復(fù)制 堿基類(lèi)似物(Base analog)2-氨基嘌呤(AP或2-AP)2-Amino purine5-溴尿嘧啶(BrU)5-Bromine Uracil OO BrNH21.1.2 化學(xué)因素引起的損傷5-BrU: G: A 烯醇式enolBrOHHOBr 酮式KetoHOAGCTTCCTATCGAAGGATAGCTBCCTATCGAAGGAT酮式5-BrU的滲入AGCTBCCTATCGAAGGATAGCTCCCTATCGAGGGAT第二輪復(fù)制ATG

4、C 轉(zhuǎn)變AGCTBCCTATCGAGGGATAGCTTCCTATCGAAGGAT第一輪復(fù)制酮式到稀醇式的轉(zhuǎn)變烯醇式滲入為 GCAT 轉(zhuǎn)變 堿基的化學(xué)修飾導(dǎo)致突變又稱(chēng)化學(xué)突變劑: 亞硝酸(nitrous acid HNO2) 羥氨(hydroxylamine HA) 甲磺酸乙酯(ethyl mathanesulfonate EMS) N-甲基-N-硝基-N-亞硝基胍 (N-mathyl-N-nitro-N-nitrosoguanidion NNG)NH2OH (Hydroxylamine HA 羥胺)C(i) A(a)HNHHOC(a)HAHNHHHOHNHHOHNHHOHNHHONH 嵌合劑的

5、質(zhì)突變作用吖啶橙 (Acridine Orange AO) 扁平染料分子溴化乙錠 (Ethidium Bromide EB )-ATTTTTCG -TAAAAAGC-A TTTCG -T AAAGC-TAO T-AT EB TTTTCG-TA分子插入AOEB-ATTTCG -TAAAGC-ATXTTTTCG-TAX AAAAGC-XAAAAGC-結(jié)果產(chǎn)生移框突變 紫外線的致突變作用-嘧啶二聚體 (TT dimer )U.V.C T T A物理因素引起的損傷 脫氨氧化 U.V.CU A(a)U.V.U.V.H2O H+ + OH-C(a) C(i) A(a) 脫嘌呤造成的突變:堿基替代、缺失、重

6、復(fù)、移框1.2 突變的效應(yīng) 突變對(duì)基因組的影響 同義突變:沒(méi)有改變產(chǎn)物氨基酸序列的密碼子 錯(cuò)義突變:堿基序列的改變引起了氨基酸序列的改變 (中性突變、滲漏突變)無(wú)義突變:堿基的改變使代表某種氨基酸的密碼子變 為蛋白合成的終止密碼子 連讀突變:與終止突變正好相反,終止密碼子變成指 令某一氨基酸的密碼子,使翻譯繼續(xù)進(jìn)行 突變對(duì)多細(xì)胞生物的影響 多細(xì)胞生物的細(xì)胞有2種類(lèi)型: 體細(xì)胞 不參與時(shí)代間的遺傳事件 種質(zhì)細(xì)胞負(fù)責(zé)將遺傳物質(zhì)傳遞給下一代 多細(xì)胞突變產(chǎn)生的影響: 體細(xì)胞 僅限其本身、不會(huì)影響后代及進(jìn)化; 即使死亡,也有同類(lèi)型的體細(xì)胞存在; 引起細(xì)胞無(wú)限增值的突變,使細(xì)胞分裂失去控制,產(chǎn)生腫瘤; 種

7、質(zhì)細(xì)胞當(dāng)代不會(huì)對(duì)個(gè)體表型產(chǎn)生重要影響,局限于很小的器官; 可以傳遞給下一代,使子代個(gè)體所有細(xì)胞都含有從親代繼承的突變; 多細(xì)胞生物的突變效應(yīng)分為2類(lèi):功能喪失:使蛋白質(zhì)的活性降低或喪失; 顯性、隱姓; 顯性導(dǎo)致遺傳病,如Marfan綜合癥,產(chǎn)生異常的結(jié)締組織蛋白原纖維蛋白;功能增益:突變提供一種異常蛋白質(zhì)活性; 一般為顯性; 多發(fā)生在調(diào)控區(qū),如使1個(gè)或多個(gè)基因在錯(cuò)誤的組織中表達(dá),導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂,或控制細(xì)胞周期的一個(gè)或幾個(gè)基因的過(guò)量表達(dá),使細(xì)胞分裂失控引發(fā)癌癥; 突變率與生物的復(fù)雜性 生物進(jìn)化的基本動(dòng)力:突變 如果突變率太高基因組處于不穩(wěn)定狀態(tài),不利于進(jìn)化; 現(xiàn)存生物,包括低等生物和高等生物基

8、因組的自發(fā)突變率約為109這是各種因素綜合作用的結(jié)果; 每個(gè)基因都有積累突變的風(fēng)險(xiǎn),而大多數(shù)突變都是有害的,因此生物含有的基因數(shù)越多,發(fā)生突變的幾率越大,由此判斷平均突變率為生物的復(fù)雜性設(shè)定了一個(gè)上限; 群體遺傳學(xué)家估計(jì),根據(jù)DNA復(fù)制的忠實(shí)性,哺乳動(dòng)物含有基因數(shù)不超過(guò)60 000。1.3 超突變和程序性突變SOS修復(fù)系統(tǒng)傾向增加突變SOS repair 是一種錯(cuò)誤傾向性極強(qiáng)的修復(fù)機(jī)制是進(jìn)化中形成的“ 喪失某些信息而存活總比死亡好一些” 的措施(正常狀態(tài)下,SOS是關(guān)閉的) SOS 修復(fù)機(jī)制 SOS 修復(fù)無(wú)模板指導(dǎo)的DNA復(fù)制 大劑量的紫外線照射,大量的二聚體產(chǎn)生 SOS系統(tǒng)誘導(dǎo),錯(cuò)誤潛伏的復(fù)

9、制超越二聚體而進(jìn)行錯(cuò)誤堿基 SOS 修復(fù)只是SOS反應(yīng)的一部分 RecA在SOS反應(yīng)反應(yīng)中起核心作用 RecA與LexA組成調(diào)控環(huán)路DNA 損傷 SOS RecA受LexA的部分抑制RecA-P; 三種功能a、 DNA 重組活性b、 與S.S. DNA結(jié)合活性c、 少數(shù)蛋白的proteinase活性當(dāng)DNA正常復(fù)制時(shí)（無(wú)復(fù)制受阻，無(wú)DNA損傷， 無(wú)TT dimer） RecA-p不表現(xiàn)proteinase活性當(dāng)DNA復(fù)制受阻/ DNA damaged細(xì)胞內(nèi)原少量表達(dá)的RecA-p與S.S, DNA結(jié)合激活RecA-p的proteinase活性修復(fù)損傷LexA-p降解RecA-p高效表達(dá) SOS

10、 open當(dāng)DNA復(fù)制度過(guò)難關(guān)后RecA-p很快消失LexA gene onSOS off免疫球蛋白基因V片段中突變的引入免疫球蛋白多樣性產(chǎn)生的過(guò)程: 免疫球蛋白重鏈和輕鏈基因的V,D,J,C片段重組連接; 重組后還可通過(guò)V基因片段的超突變?cè)黾佣鄻有?大腸桿菌的適應(yīng)性突變大腸桿菌(乳糖操縱子發(fā)生移碼突變)在只有乳糖的培養(yǎng)基上培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)正常生長(zhǎng)的細(xì)胞(乳糖操縱子發(fā)生第二次突變)恢復(fù)野生性引發(fā)激烈爭(zhēng)論:”環(huán)境影響生物的表型”, ”生物對(duì)環(huán)境作出響應(yīng)發(fā)生程序性突變”1.4 DNA修復(fù)DNA的修復(fù)系統(tǒng): 堿基切除修復(fù) 將受損的核苷酸堿基周?chē)欢魏塑账崆谐?然后通過(guò)DNA多聚酶重新合成 核苷酸切除修復(fù) 與

11、堿基修復(fù)系統(tǒng)類(lèi)似,只是切除的受損DNA范圍更大,涉及更多極端損傷的類(lèi)型 錯(cuò)配修復(fù) 重組修復(fù)堿基切除修復(fù) 復(fù)制前進(jìn)行 不易出錯(cuò)UvrA, B, C gene 內(nèi)切核酸酶(Endonucleases) 外切核酸酶 (Exonuclease) DNA pol Ligase 堿基切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)DNA mismatch+ - A- -C-DNApol (= 10-8)經(jīng)第二次校正= 10-11錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)(MRSMismatch RepairSystem) 校正校正活性所漏校的堿基, 使復(fù)制的保真性提高102103倍錯(cuò)配修復(fù) 錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)組成(Mismatch rep

12、air system)DNA polymeraseHelicase SSB 外切核酸酶 (和) 連接酶MCE (mismatch correct enzyme) 3 subunits mutH, L, S dam geneDNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)掃描新生鏈中錯(cuò)配堿基識(shí)別新生鏈中非 m6A 的GATC序列酶切含錯(cuò)配堿基的新生DNA區(qū)段 甲基化程度的差異a、MutH/MutS 掃描識(shí)別錯(cuò)配 堿基和鄰近的GATC序列 切點(diǎn)甲基化GATC中 G的5側(cè) DNA helicase II, SSB, exonuclease I去除包括錯(cuò) 配堿基的片段 DNA polymerase III 和

13、DNA ligase 填充缺口昂貴的代價(jià)用于保證DNA的準(zhǔn)確性 修復(fù)過(guò)程 后復(fù)制修復(fù)、E.coli的挽回系統(tǒng)E.coli 存活%U.V 計(jì)量w.t.UvrA+ RecA+ uvr a-rec a-該系統(tǒng)存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)重組修復(fù) Rec-A. gene 以某種方式參與DNA損傷修復(fù) Rec修復(fù)系統(tǒng)比切除修復(fù)系統(tǒng)更有效 目前知道 Uvr系統(tǒng)負(fù)責(zé)切除二聚體 Rec系統(tǒng)負(fù)責(zé)消除沒(méi)有被切除的二聚體 可能造成的后果TT TTAA AATT TTTT TTAA AATT TT變性 E.coli (Rec-A, uvr-a-)D.S. DNAS.S. DNAU.V. 復(fù)制提取 變性復(fù)制過(guò)程越過(guò)二聚體而在相應(yīng)新鏈

14、上留下缺口二聚體后起始 修復(fù)時(shí)期的證明 重組修復(fù) (鏈轉(zhuǎn)移修復(fù)) 復(fù)制后修復(fù) 容易出錯(cuò) RecA, DNApolymerae ligase二聚體后起始 RecA 聚合酶、連接酶重組修復(fù)后的損傷位點(diǎn)可由其它機(jī)制進(jìn)一步修復(fù)DNA修復(fù)和人類(lèi)疾病1.5 DNA單鏈的非對(duì)稱(chēng)性進(jìn)化大腸桿菌DNA復(fù)制的差錯(cuò)率107個(gè)核苷酸1個(gè)錯(cuò)誤;2條新合成的子鏈中差錯(cuò)率分布不一致, 延滯鏈復(fù)制的差錯(cuò)率是引導(dǎo)鏈的20倍;造成子鏈差錯(cuò)率非均一性的主要原因: DNA雙鏈復(fù)制的非對(duì)稱(chēng)性; 延滯鏈的復(fù)制總比先行鏈慢一拍,先行鏈在復(fù)制前只有很短的DNA雙鏈區(qū)解鏈,但延滯鏈卻要求很長(zhǎng)的一段單鏈暴露; 延滯連采取岡畸模型復(fù)制,大腸桿菌基

15、因組每隔2Kb起始一次引物合成,DNA多聚酶的堿基選擇活性及較讀能力均比DNA多聚酶差 轉(zhuǎn)錄的非對(duì)稱(chēng)性; 轉(zhuǎn)錄時(shí),非轉(zhuǎn)錄鏈則保持短暫?jiǎn)捂湵┞稜顟B(tài),增加了堿基突變的可能.,已知單鏈狀態(tài)的胞嘧啶脫氨基的比例高于雙鏈DNA上百倍,轉(zhuǎn)錄狀態(tài)使非轉(zhuǎn)錄鏈脫氨基比例增加4倍;2.重組同源重組 Holliday模型“親本鏈”“重組體”3553Meselson-Radding模型單鏈入侵模型(鏈轉(zhuǎn)移模型)置換侵入Loop切除同化 異構(gòu)化 分支遷移5切割位點(diǎn)專(zhuān)一性重組大腸桿菌的位點(diǎn)專(zhuān)一性重組(同源重組): att位點(diǎn)為 POP(240bp) BOB(23bp) 整合過(guò)程需要整合酶 (integrase Int)(編碼) 和寄主的整合宿主因子IHF (integration host factor) 共同作用免疫球蛋白基因的重排(雙鏈斷裂重接模型):雙鏈斷裂重組模型3. 轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座: 是基因進(jìn)化的一種重要方式,它不是重組,但利用了重組的過(guò)程,它是一段DNA或