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1、第十二章 突变和重组的分子机理,Chapter 12 Molecular Mechanism of Mutation and Recombination,12-1 Molecular Basis of Mutation,Gene mutation:一个基因内DNA序列结构的改变。,突变的类型:1.Spontaneous(自发的)mutation 2.Induced(诱发的)mutation,突变发生的部位:1.Gametic(配子的)mutation 2.Somatic(体细胞的)mutation,一、突变DNA改变的类型,1.碱基替换（base substitution）2.移码突变（fra
2、meshift mutation）：增加或减少一个或几个碱基对所造成的突变。3.大片段DNA的缺失和重复4.动态突变,-转换（transition）：Purine(嘌呤)replaces another purine OR a pyrimidine(嘧啶)replaces a pyrimidine.-颠换（transversion）：A purine substitutes a pyrimidine and vice versa.,1.碱基替换（Base substitution）,碱基替换对遗传信息的影响,同义突变（Samesense mutation）错义突变（Missense mutat
3、ion）无义突变（Nonsense mutation）中性突变（Neutral mutation）,某基因一个碱基对的变化改变了mRNA中的一个密码子(如改变密码子的第三个核苷酸)，由于密码子的简并性，该密码子与原密码子编码同一种的氨基酸，产生的蛋白质仍为野生型功能。沉默突变（Silent mutation),同义突变（Samesense mutation）,错义突变（Missense mutation）,由于单个碱基替换导致肽链中的氨基酸发生改变。,又例如：人的-hemoglobin基因的第六个密码子GAAGUA，导致-hemoglobin链的一个氨基酸替换（GluVal），若该个体是突变的
4、纯合子，他将是镰刀形贫血病患者，HbAHbs。,镰刀形贫血病的氨基酸变化,无义突变（Nonsense mutation）,由于某一碱基被替换后，原来编码某一氨基酸的密码子突变成为终止密码子（UAG、UAA或UGA），从而造成蛋白质尚未全部合成就终止了翻译，形成无功能的多肽链。,Both lysine and arginine are basic in nature and function in a similar manner.基因中一个碱基对的变化改变mRNA的一个密码子，产生氨基酸的替换，但不影响蛋白质的功能。,中性突变（neutral mutation）,ATG CCC GAA GTG
5、 TAC GGG CTT CAC Met Pro Glu Val,ATG CTC CGA AGT G TAC GAG GCT TCA C Met Val Arg Ser,frameshift mutation(阅读框架发生改变),2.移码突变（frameshift mutation）,Results from insertion or deletion of one or two nucleotide(s)in the gene severe effects.,Insertion of GC base pair causes change in every codon after this o
6、ne.Frameshift mutations usually cause a shift in the reading frame and usually cause much change in the protein.,在人类基因组中有大量的重复序列，其中不少是微卫星DNA（microsatellite DNA）或称简单串联重复序列，如(TA)n,(CGG)n当这些重复序列靠近基因或位于基因中时，其拷贝数的变异可引起人类遗传病。由于这类变异只是重复单位的拷贝数发生变化，与前面介绍的突变方式不同，故称为动态突变。这些重复序列在每次减数分裂过程中均发生变化，是一种遗传不稳定单位(geneti
7、c instability)。关于导致三核苷酸拷贝数扩增的原因，目前有一些假说，如复制滑动说等，但都有待研究证实。,4.动态突变（dynamic mutation）,二、诱变(Induced Mutations)的机制,Mutagens(诱变剂)Physical mutagens（物理诱变剂)Chemical mutagens（化学诱变剂),Physical mutagens（物理诱变剂)1.High-energy ionizing radiation（电离辐射）:-粒子辐射:,射线、质子、中子-电磁辐射：x、射线 2.Nonionizing radiation（非电离辐射）:UV light
8、 紫外线,Mutagens(诱变剂),物理诱变剂的特点：作用是随机的，无特异性。,1.电离辐射（ionizing radiation）,辐射 穿透细胞 使细胞里原子中的电子从它们的轨道中撞击出来 形成离子电离辐射（ionizing radiation）对细胞的物理学效应：(电离辐射的直接作用)X-ray,-ray或带电粒子 生物体 从细胞中各种原子成分的外层击出电子 产生很多离子对 引起细胞内(或DNA)原子或分子的电离和激发。,同时产生对细胞的辐射化学效应：细胞内物质（主要是水分）吸收辐射的能量：H2O H2O e-(正离子)（自由电子）e-+H2O H2O-(负离子)进一步反应：H2O+H
9、+OHO H2O-OH-+Ho自由基能互相反应，并能和其他分子发生反应，总起来称为辐射的间接作用：HO OHO H2O HO HO H2 OHO OHO H2O2 H O2 HO2当过氧化氢，其它有机过氧化物和这些自由基（HO和OHO）与细胞中的核酸、蛋白质、酶等大分子物质发生化学变化时，水的射解就具有生物效应了。,水的射解作用,H2O,形成离子和自由基,电离辐射,辐射的物理效应化学效应 对细胞的遗传学效应是：诱导染色体断裂、染色体重排以及造成点突变。可将辐射对遗传物质的诱变作用机理概括如下：直接作用 间接作用 直接或间接作用物理学效应 电离或激发 水的射解，形成化学效应 HO、OHo、H2O
10、2、HO2及其它氧化物生物化学效应（遗传学效应）点突变、染色体畸变 酶的变化生物效应 体细胞或 不育 死亡 性细胞突变,电离辐射遗传学效应的两个重要结论,电离辐射可诱发基因突变和染色体断裂，它们的频率跟辐射剂量成正比。辐射效应有累加作用。低强度长期照射（慢照射）与高强度短期照射（急性照射），诱发的突变数一样。连续照射与间歇数小时的分次照射，产生的突变数也一样。,2.紫外线(ultraviolet light)和诱变,紫外线属非电离辐射(nonionizing)，即它没有足够的能量来诱导离子化。但紫外线也是一种诱变剂，在足够高的剂量时，它仍能杀死细胞。紫外照射的能量X 射线的能量，因此紫外线的穿
11、透能力有限。30可穿透玉米花粉壁，8可穿过鸡蛋的卵黄膜，这很难保证实验群体中每一细胞都接受同样的辐射能量，紫外线很少用作高等生物的诱变剂，而多用在微生物、生殖细胞、花粉粒以及培养中的细胞等。,2.紫外线(ultraviolet light)和诱变,医院常用紫外线作灭菌剂（sterilizing agent）。紫外线引起突变，因为DNA中嘌呤和嘧啶碱基在紫外分布区（254260nm）有一个非常强的紫外光吸收，在该波长UV光诱发基因突变主要是通过引起DNA中发生光化学变化。紫外线照射对DNA的效应之一是在DNA双螺旋相同链的相邻嘧啶分子间或在相反链上的嘧啶分子间形成异常的化学键，多数诱导的是邻近的
12、胸腺嘧啶形成胸腺嘧啶二聚体（thymine dimers）TT、少数CC、CT和TC二聚体。,异常配对在DNA链中产生膨胀（凸出部分），引起双螺旋构型的局部变化。,TT阻碍DNA双链的分开和下一步的复制有TT的DNA模板 DNA复制，pol将两个腺嘌呤核苷酸加进去 不能形成正确的氢键 被pol 35 校对而切除 反反复复发生，产生空耗过程。即：大量的dATP被分解，而DNA复制毫无进展，但蛋白质仍在不断合成，而DNA不能复制，细胞也不能分裂，最后导致细胞死亡。对于胸腺嘧啶二聚体，主要有五种修复途径：光复活、暗修复(或切除修复)、重组修复、SOS修复、二聚体糖基酶修复。(p219-225),紫外
13、辐射引起的皮肤损害,日晒伤 慢性日光性皮肤损伤 多形性日光疹 外源性光感性皮炎 Bloom综合症 Cockayne综合症 着色性干皮症,Mutagens(诱变剂),Chemical mutagens（化学诱变剂)1.碱基类似物（Base analogs）2.碱基修饰剂（Base modifying agents）3.嵌入剂（Intercalating agents）,1.碱基类似物（Base analogs）,分子结构与DNA分子中的正常碱基极其相似，可以在DNA复制中代替天然碱基，引起配对错误。引起突变的原因是：互变异构体的存在-酮式（普通状态）-烯醇式（稀有状态）两种状态中的每一种状态与D
14、NA的不同碱基配对，结果产生碱基对的替换突变（substitution mutation）。,5溴尿嘧啶,正常状态：酮式5-BU类似于T，将只与A配对(5-BU=A).,稀有状态：烯醇式 5-BU类似于C，它只与G配对(5-BUG).,5溴尿嘧啶的诱变机制,烯醇式,酮式,酮式,烯醇式,一旦5-BU被插入DNA中，它就通过在二种形式（酮式和稀有的烯醇式）之间的转变来引起突变。,2氨基嘌呤2-amino purine(2-AP):,稀有状态:亚氨基状态2-AP类似于G，与C配对。,正常状态:氨基状态2-AP类似于A，与T配对。,2-AP也是诱导碱基转换突变，可以从AT GC或GCAT，取决于它最初
15、整合进入DNA时的状态。,用于AIDS（acquired immunodeficiency syndrome）病治疗的AZT（azidothymidine，叠氮胸苷）就是T的类似物，而且是反转录酶的底物（但不是复制酶的合适底物）。,许多化学物质作为诱变剂，通过直接修饰碱基的化学结构。主要有三种类型：,2.碱基修饰剂（Base-Modifying Agents）,（或叫直接诱变剂）,脱氨基剂：能使碱基上的氨基脱落，从而改变碱基的结构和配对特性。亚硝酸（Nitrous acid,HNO2）：应用广泛，使 G 脱氨基变成黄嘌呤（X）。C 脱氨基变成 U，A 脱氨基变成次黄嘌呤（H），不过 G 脱氨基
16、后变成黄嘌呤实际上并没有诱变效应，因为黄嘌呤的配对特性同G一样，仍同C配对。,Deaminating agent Nitrous acid(亚硝酸),1,3,黄嘌呤,1,3,鸟嘌呤,胞嘧啶,胞嘧啶,次黄嘌呤,腺嘌呤,腺嘌呤,尿嘧啶,图12-4 脱氨基作用造成的转换,烷化剂（Alkylating agent）,烷化剂是带有一个或几个不稳定烷基的化合物，能同碱基起作用，使之带上烷基(CH3，-CH2CH3)，继而引起复制时碱基错配。比较常见的有：甲基硫酸乙酯（Methyl methane sulfonate MMS）乙基硫酸乙酯（Ethyl methane sulfonate EMS）亚硝基胍（N
17、itrosoguanidine,NG）芥子气（Mustard gas)等,Methylmethane sulfonate(MMS甲基硫酸乙酯)introduces an alkyl group(甲基)onto the bases.,鸟嘌呤,胸腺嘧啶,transfer ethyl groups onto specific position of bases,乙基硫酸乙酯（Ethyl methane sulfonate EMS）,烷化剂的另一个作用可能是脱嘌呤作用，即：使嘌呤烷基化后同糖结合的键断裂，嘌呤从DNA长链上脱落，造成一个空档。等到复制时，与空档相当的地方就可以配上任何一种碱基，引起转换
18、、颠换、移码突变或染色体断裂等。,烷化剂（Alkylating agent）,羟化剂 Hydroxylating agent,羟胺（hydroxylamine）NH2OH：使 C 的氨基带上羟基，变成羟化胞嘧啶。羟化胞嘧啶的配对特性象 T，所以它不再同 G 配对而同 A 配对，结果使 GC 转换成 AT。Makes only G:C=A:T transitions,1,2,4,胞嘧啶,3.嵌入剂（Intercalating agents）,嵌入诱变剂包括:吖啶类染料：硫酸原黄素(proflavin)、吖啶（Acridine）、黄素（acriflavine）溴化乙淀（Ethidium bromide,EB）等，,Acridine dyes,produces frameshifts（移码突变）,诱发突变与人类的癌症,现代生活环境使每个人都可能接触各种各样的药品、化妆品、食物防腐剂、杀虫剂、工业用试剂、污染物等，研究表明在175种已知的致癌剂中，有157种是诱变剂。,
