1突變和重組的分子機理課件

第十二章突變和重組的分子機理Chapter12MolecularMechanismofMutationandRecombination§12-1MolecularBasisofMutationGenemutation:一個基因內(nèi)DNA序列結(jié)構(gòu)的改變。突變的類型:1.Spontaneous(自發(fā)的)mutation2.Induced(誘發(fā)的)mutation突變發(fā)生的部位:1.Gametic(配子的)mutation2.Somatic(體細胞的)mutation一、突變DNA改變的類型1.堿基替換（basesubstitution）2.移碼突變（frameshiftmutation）：增加或減少一個或幾個堿基對所造成的突變。3.大片段DNA的缺失和重復4.動態(tài)突變堿基替換對遺傳信息的影響同義突變（Samesensemutation）錯義突變（Missensemutation）無義突變（Nonsensemutation）中性突變（Neutralmutation）某基因一個堿基對的變化改變了mRNA中的一個密碼子(如改變密碼子的第三個核苷酸)，由于密碼子的簡并性，該密碼子與原密碼子編碼同一種的氨基酸，產(chǎn)生的蛋白質(zhì)仍為野生型功能。沉默突變（Silentmutation)同義突變（Samesensemutation）錯義突變（Missensemutation）由于單個堿基替換導致肽鏈中的氨基酸發(fā)生改變。又例如：人的β-hemoglobin基因的第六個密碼子GAA→GUA，導致β-hemoglobin鏈的一個氨基酸替換（Glu→Val），若該個體是突變的純合子，他將是鐮刀形貧血病患者，HbA→Hbs。鐮刀形貧血病的氨基酸變化Bothlysineandargininearebasicinnatureandfunctioninasimilarmanner.基因中一個堿基對的變化改變mRNA的一個密碼子，產(chǎn)生氨基酸的替換，但不影響蛋白質(zhì)的功能。中性突變（neutralmutation）ATGCCCGAAGTGTACGGGCTTCACMetProGluValATGCTCCGAAGTGTACGAGGCTTCACMetValArgSer

frameshiftmutation(閱讀框架發(fā)生改變)2.移碼突變（frameshiftmutation）Resultsfrominsertionordeletionofoneortwonucleotide(s)inthegene—severeeffects.在人類基因組中有大量的重復序列，其中不少是微衛(wèi)星DNA（microsatelliteDNA）或稱簡單串聯(lián)重復序列，如(TA)n,(CGG)n當這些重復序列靠近基因或位于基因中時，其拷貝數(shù)的變異可引起人類遺傳病。由于這類變異只是重復單位的拷貝數(shù)發(fā)生變化，與前面介紹的突變方式不同，故稱為動態(tài)突變。這些重復序列在每次減數(shù)分裂過程中均發(fā)生變化，是一種遺傳不穩(wěn)定單位(geneticinstability)。關(guān)于導致三核苷酸拷貝數(shù)擴增的原因，目前有一些假說，如復制滑動說等，但都有待研究證實。4.動態(tài)突變（dynamicmutation）動態(tài)突變與人類遺傳病疾病名稱重復核苷酸組成及影響的核苷酸重復位置正常重復次數(shù)（n）致病重復次數(shù)（n）亨廷頓舞蹈癥(HD)(CAG)n(谷氨酰胺)第一外顯子6-3536-121脊髓及肌球萎縮(SMA)(CAG)n(谷氨酰胺)第一外顯子11-3340-62脆性X綜合征(FRAXA)(CGG)n(精氨酸)5′-UTR6-5960-230以上肌強直性營養(yǎng)不良癥(DM1)(CTG)n(亮氨酸)3′-UTR5-3750-3000二、誘變(InducedMutations)的機制Mutagens(誘變劑)Physicalmutagens（物理誘變劑)Chemicalmutagens（化學誘變劑)1.電離輻射（ionizingradiation）輻射→穿透細胞→使細胞里原子中的電子從它們的軌道中撞擊出來→形成離子電離輻射（ionizingradiation）對細胞的物理學效應(yīng)：(電離輻射的直接作用)X-ray,γ-ray或帶電粒子→生物體→從細胞中各種原子成分的外層擊出電子→產(chǎn)生很多離子對→引起細胞內(nèi)(或DNA)原子或分子的電離和激發(fā)。同時產(chǎn)生對細胞的輻射化學效應(yīng)：

細胞內(nèi)物質(zhì)（主要是水分）吸收輻射的能量：

H2OH2O＋＋e-(正離子)（自由電子）e-+H2O→H2O-(負離子)

進一步反應(yīng)：H2O+H++OHOH2O-→OH-+Ho自由基能互相反應(yīng)，并能和其他分子發(fā)生反應(yīng)，總起來稱為輻射的間接作用：HO＋OHO→H2OHO＋HO→H2OHO＋OHO→H2O2H＋O2→HO2當過氧化氫，其它有機過氧化物和這些自由基（HO和OHO）與細胞中的核酸、蛋白質(zhì)、酶等大分子物質(zhì)發(fā)生化學變化時，水的射解就具有生物效應(yīng)了。

‘水的射解作用’H2O形成離子和自由基電離輻射輻射的物理效應(yīng)＋化學效應(yīng)→對細胞的遺傳學效應(yīng)是：誘導染色體斷裂、染色體重排以及造成點突變?？蓪⑤椛鋵z傳物質(zhì)的誘變作用機理概括如下：直接作用間接作用直接或間接作用物理學效應(yīng)電離或激發(fā)水的射解，形成化學效應(yīng)HO、OHo、H2O2、HO2及其它氧化物生物化學效應(yīng)（遺傳學效應(yīng)）點突變、染色體畸變酶的變化

生物效應(yīng)體細胞或不育死亡性細胞突變2.紫外線(ultravioletlight)和誘變紫外線屬非電離輻射(nonionizing)，即它沒有足夠的能量來誘導離子化。但紫外線也是一種誘變劑，在足夠高的劑量時，它仍能殺死細胞。紫外照射的能量＜X射線的能量，因此紫外線的穿透能力有限。30％可穿透玉米花粉壁，8％可穿過雞蛋的卵黃膜，這很難保證實驗群體中每一細胞都接受同樣的輻射能量，紫外線很少用作高等生物的誘變劑，而多用在微生物、生殖細胞、花粉粒以及培養(yǎng)中的細胞等。2.紫外線(ultravioletlight)和誘變醫(yī)院常用紫外線作滅菌劑（sterilizingagent）。紫外線引起突變，因為DNA中嘌呤和嘧啶堿基在紫外分布區(qū)（254～260nm）有一個非常強的紫外光吸收，在該波長UV光誘發(fā)基因突變主要是通過引起DNA中發(fā)生光化學變化。紫外線照射對DNA的效應(yīng)之一是在DNA雙螺旋相同鏈的相鄰嘧啶分子間或在相反鏈上的嘧啶分子間形成異常的化學鍵，多數(shù)誘導的是鄰近的胸腺嘧啶形成胸腺嘧啶二聚體（thyminedimers）TT、少數(shù)CC、CT和TC二聚體。TT阻礙DNA雙鏈的分開和下一步的復制有TT的DNA模板→DNA復制，polⅢ將兩個腺嘌呤核苷酸加進去→不能形成正確的氫鍵→被polⅢ3’→5’校對而切除→反反復復發(fā)生，產(chǎn)生空耗過程。即：大量的dATP被分解，而DNA復制毫無進展，但蛋白質(zhì)仍在不斷合成，而DNA不能復制，細胞也不能分裂，最后導致細胞死亡。對于胸腺嘧啶二聚體，主要有五種修復途徑：光復活、暗修復(或切除修復)、重組修復、SOS修復、二聚體糖基酶修復。(p219-225)紫外輻射引起的皮膚損害日曬傷慢性日光性皮膚損傷多形性日光疹外源性光感性皮炎Bloom綜合癥Cockayne綜合癥著色性干皮癥5－溴尿嘧啶正常狀態(tài)：酮式5-BU類似于T，將只與A配對(5-BU=A).稀有狀態(tài)：烯醇式

5-BU類似于C，它只與G配對(5-BU≡G).5－溴尿嘧啶的誘變機制烯醇式酮式酮式烯醇式一旦5-BU被插入DNA中，它就通過在二種形式（酮式和稀有的烯醇式）之間的轉(zhuǎn)變來引起突變。2—氨基嘌呤2-aminopurine(2-AP):稀有狀態(tài):亞氨基狀態(tài)2-AP類似于G，與C配對。正常狀態(tài):氨基狀態(tài)2-AP類似于A，與T配對。2-AP也是誘導堿基轉(zhuǎn)換突變，可以從AT→GC或GC→AT，取決于它最初整合進入DNA時的狀態(tài)。用于AIDS（acquiredimmunodeficiencysyndrome）病治療的AZT（azidothymidine，疊氮胸苷）就是T的類似物，而且是反轉(zhuǎn)錄酶的底物（但不是復制酶的合適底物）。

許多化學物質(zhì)作為誘變劑，通過直接修飾堿基的化學結(jié)構(gòu)。主要有三種類型：2.堿基修飾劑（Base-ModifyingAgents）（或叫直接誘變劑）脫氨基劑（Deaminatingagent）烷化劑（Alkylatingagent）羥化劑（Hydroxylatingagent）⑴脫氨基劑：能使堿基上的氨基脫落，從而改變堿基的結(jié)構(gòu)和配對特性。亞硝酸（Nitrousacid,HNO2）：應(yīng)用廣泛，使G

脫氨基變成黃嘌呤（X）。

C脫氨基變成U，

A

脫氨基變成次黃嘌呤（H），不過G脫氨基后變成黃嘌呤實際上并沒有誘變效應(yīng)，因為黃嘌呤的配對特性同G一樣，仍同C配對。Deaminatingagent＝Nitrousacid(亞硝酸)AATTTHHHCCCG13黃嘌呤13鳥嘌呤胞嘧啶胞嘧啶次黃嘌呤腺嘌呤腺嘌呤尿嘧啶圖12-4脫氨基作用造成的轉(zhuǎn)換⑵烷化劑（Alkylatingagent）烷化劑是帶有一個或幾個不穩(wěn)定烷基的化合物，能同堿基起作用，使之帶上烷基(～CH3，-CH2CH3)，繼而引起復制時堿基錯配。比較常見的有：甲基硫酸乙酯（MethylmethanesulfonateMMS）乙基硫酸乙酯（EthylmethanesulfonateEMS）亞硝基胍（Nitrosoguanidine,NG）芥子氣（Mustardgas)等Methylmethanesulfonate(MMS甲基硫酸乙酯)

introducesanalkylgroup(甲基)ontothebases.鳥嘌呤胸腺嘧啶transferethylgroupsontospecificpositionofbases乙基硫酸乙酯（EthylmethanesulfonateEMS）烷化劑的另一個作用可能是脫嘌呤作用，即：使嘌呤烷基化后同糖結(jié)合的鍵斷裂，嘌呤從DNA長鏈上脫落，造成一個空檔。等到復制時，與空檔相當?shù)牡胤骄涂梢耘渖先魏我环N堿基，引起轉(zhuǎn)換、顛換、移碼突變或染色體斷裂等。烷化劑（Alkylatingagent）羥化劑Hydroxylatingagent羥胺（hydroxylamine）NH2OH：使C的氨基帶上羥基，變成羥化胞嘧啶。羥化胞嘧啶的配對特性象T，所以它不再同G配對而同A配對，結(jié)果使G－C轉(zhuǎn)換成A－T。

Makesonly