基因突变与DNA损失修复.ppt
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1、第13章 基因突变与DNA损失修复,本章将讲述,1、点突变及其分子效应 2、点突变的诱发机制 3、自发突变 4、动态突变,5、DNA损失修复机制 6、基因突变的检测,13.1 13.1.1,点突变及其分子效应 点突变的类型,基因突变(Gene mutation):一个基因内DNA序列结构 的改变,包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换等。这 种突变是一种遗传物质的可遗传的改变,通常从一个等位基因 变为另一个新的等位基因。 点 突 变(point mutations):影响基因中(DNA中)的 一单个碱基对的那 些基因突变。,点突变的类型 (1) 碱基替换(base substution) 一
2、对碱基替换另一对碱基所造成的突变,可分为: 转换(transition) 替换发生在同 类碱基之间,即一种嘌呤替换另一种嘌呤, 一种嘧啶替换另一种嘧啶。 转换突变的四种类型:,ATGC TACG,GCAT CGTA, 颠换(transversion),不同类型的碱基间的替换,即嘌,呤被替换成嘧啶,或是相反。这种替换较为少见。,八种类型的颠换突变: ATCG ATTA GCTA GCCG TAGC TAAT CGAT CGGC,(2) 碱基的增加及缺失,通常称为插入缺失(insertion and deletion, indel ),。插入缺失突变指的是一个碱基对被插入或从DNA中被删除,,有时
3、也可能一次同时发生碱基对的插入和缺失。,13.1.2,点突变的分子效应,(1) 突变发生在基因编码区 在蛋白质水平上可造成:, 同义突变( synonymous mutation),某基因的一个,碱基对的变化改变了mRNA中的一个密码子,该密码子与原密 码子一样编码相同的氨基酸,产生的蛋白质仍为野生型功能 。若碱基替换发生在密码子的第三位时,由于密码子的简并 性,并不能产生错误的氨基酸,故同义突变又称为沉默突变 ( silent mutation) 。 例:由ATGC转换突变而产生的一个沉默突变使密码子 从5-AAA-3变为5-AAG-3,这两种密码子都是Lys的专用密,码子,图13-1,错义
4、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。 在DNA中一对碱基的改变引起一个mRNA密码的改变,结果使,得多肽链中原来的一个氨基酸,变为另一个氨基酸,导致表型,的改变。如图132C,一对碱基ATGC转换突变,使得,DNA从5-AAA-3变成5-GAA-3,mRNA密码子从,3-TTT-5,3-CTT-5,图132,5-AAA-3(Lysine) 5-GAA-3(Glutamic acid 谷氨酸)。,例如:人的-hemoglobin基因在第六个密码子上一对核苷酸的,变化导致-hemoglobin链的一个氨基酸替换(GluVal),若,该个体是突变
5、的纯合子,他将是镰刀形贫血病患者,HbAHbs,图133,移码突变(frameshift mutation): 由基因内增加或减少一个或多个碱基对所引起的密码子 的改变。(当只含有一个碱基的变化时,这种移码突变为 点突变)。 例如:增加或减少一个碱基对,移动了mRNA阅读框一个 碱基,结果一个不正确的氨基酸被加到多肽链突变后的位,点。,图135,通常,移码突变得到新的密码子产生一个较短的蛋白质或造 成对正常终止密码子的通读(readthrough),得到比正常 蛋白质更长的蛋白质,二种情况都是无功能的蛋白质。,(2) 突变发生在基因的非编码区,调节区和非编码区的DNA序列,在DNA水平上,它们
6、,包括RNA多聚酶及其相关因子和特定转录因子的结合位点。 在RNA水平上则包括核糖体结合位点,真核生物mRNA 外 显子交接区5和3端拼接位点以及调节mRNA进入细胞特 定区域和组分的翻译调节和定位信号位点。,结合位点一旦被破坏很可能改变基因在特定时间、组织 或特定环境反应中的表达量,某些结合位点的突变可能完全 阻遏基因正常表达的必经步骤,如果RNA聚合酶或剪接因子 ( splicing factor)的接合位点发生突变则可使基因产物完 全失活或阻断其产生。调节位点的突变通常只改变产生蛋白 质的数量而不是其结构。区分特定基因在DNA水平的改变与 在表型水平上的改变是十分重要的,在基因的非编码区
7、发生 的许多点突变,往往只引起细小的或完全没有表型上的改变 ,这些点突变通常发生在调节蛋白结合位点之间的DNA 序 列,这些序列可能与基因功能无关或位于基因内的重复区。,13.1.3,基因突变的多向性和可逆性,同一个基因可以向不同的方向突变,但在染色体上的座 位不变。,例如:果蝇X染色体上的基因W,W(白眼),We(曙红眼)) (Wb,Wbf,Wa,Wc,Wt,Wx等) 这些基因都是等位的,影响同一种性状眼睛颜色, 彼此间不能交换和重组,它们是同一个基因向不同方向发生 突变而产生的复等位基因的起源。,此外,当某个基因A突变成a以后,也可以再向反方向发生突,变,回复成原来的A,并使表型恢复原状,
8、这叫回复突变(,reverse mutations/ reversion/back mutation) 突变,A,回复,a,AAA(Lys) wild-type,forward,GAA (Glu) reverse mutant,AAA(Lys) wild-type,Exact reversion,正向突变(Forward mutation)是引起基因型从野生型变为,突变型的突变。,回复突变(reverse mutation)是使得基因型从突变型为野生,型的突变。,Equivalent reversion (等价回复突变),UCC(Ser),forward,UGC(Cys),reverse,AG
9、C(Ser),wild-type,Mutant,wild-type,一种突变的效应可由另一种抑制基因突变,(suppressor mutation)来减少或取消,,即:在不同于原来的位点的突变(也叫第二或第二点,突变Second-site mutation),r/x (=FCO),Reversion,r/x (=FCO),r/y suppressor,一个抑制基因突变并不导致一个原来突变的回复,而是遮蔽 或补偿最初突变的效应,也就是说,真正的原位回复突变很 少(回复到野生型的DNA序列),而大多数是第二点突变。 原来的突变位点依然存在,而它的表型效应被基因组第二位 点的突变所抑制,因而称为抑制
10、基因突变。,两种:基因内抑制基因突变(Intragenic Suppressors),基因间抑制基因突变(intergenic Suppressors) 不论是基因内的还是基因间的抑制起作用都产生有功能 或有部分功能的蛋白质,这样,只有在原来的突变和抑制基 因突变都存在于相同的细胞内时可能恢复蛋白质的功能。,功能缺失型突变与功能获得型突变,由于突变导致基因功能的丧失或减弱,这种突变称为功能,缺失型突变(loss-of-function mutation )。,如果由于DNA序列的插入、丢失或重要的碱基替换造成的 蛋白质功能的完全丧失,或导致转录产物的提前终止,使得基 因功能完全丧失,则称为零突
11、变或剔除突变(null mutations or knockout mutations)。,如果基因突变仅造成基因表达水平或基因产物活性的降低 ,这种突变称为亚效突变(hypomorphic mutation)或渗漏突 变(leaky mutation)。,如果这个基因的突变导致表型变异,那么零突变表型变异 应该是完全彻底的,而亚效突变的表型取得于基因表达水平或 基因产物活性降低的程度,介于零突变与野生型之间。功能缺 失突变一般是隐性突变。,功能获得型突变(gain-of-function mutation),这种突变赋予了蛋白质异常的活性,并可能产生新的表型。很多这 类突变发生在基因的调节序
12、列而不是编码区,因而其后果有多种情况。 如果基因表达的空间方式被改变,即基因表达产物在基因原来不表达 的部位积累,这种表达方式叫异位表达(ectopic expression)。基因 的异位表达经常导致超出预期的表型变化,例如在果蝇任何非眼组织( 腿、嘴、腹和翅等)异位表达eyeless可导致复眼的部分组织以及完整的 眼色素的产生。如果一个基因在个体基因组中具有多个拷贝,功能缺失 型突变一般不造成明显的表型变异,因为突变拷贝的功能会被其它正常 的拷贝所弥补。而功能获得型突变则可以使基因原来的功能互相叠加, 表型更加明显。,13.2 物理因素 化学因素,突变发生的原因和机制 诱发突变,1927年
13、 H.J.Muller 用X射线处理果蝇精子, 果蝇后代的突变率可以成百上千倍地增加。 证明X射线可以诱发突变 同一时期,Stadler用X射线和射线处理 大麦和玉米种子,也得到了相似结果。 1945年第一颗原子弹爆炸,人们才开始认识 到Muller发现的重要意义。 1946年Muller获诺贝尔物理奖,(1)DNA复制错误,链 滑 动 (strand-slippage),Because the same short homologous,unit (CA, for example) is repeated over and over again, DNA polymerase may dev
14、elop a stutter during replication, that is, it may slip and make a second copy of the same,dinucleotide, or skip over a dinucleotide.,在DNA的复制过程中由于DNA的错误环出自发地产生碱基的 插入和缺失突变,e-,(2)辐射和诱变,生物体接触的辐射线:X射线、射线、射线、,射线、以及中子和质子等。 粒子辐射:射线、射线、和不同能量的中子、质子等。 电磁波辐射:射线、X射线,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(ionizi
15、ng radiation),对细胞的物理学效应: (电离辐射的直接作用),e+,X射线、射线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引起遗传物质的改变。,H2O,同时产生对细胞的辐射化学效应:,细胞内物质吸收辐射的能量(主要是水分):,H2O,电离辐射 , e-,(正离子) (自由离子) e- + H2O H2O- (负离子),射解作用,进一步反应:,H2 O H2O+ H+ + OH H2O- OH- + H ,形成离子和自由基,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: H OH H2O H
16、H H2 OH OH H2O2 H O2 HO2 当过氧化氢,其它有机过氧化物和这些自由基(H 和OH )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。,氧化物及其过氧基(HO2),大分子表面,核酸,转移,蛋白 酶,将会使大分子发生有损于活细胞结构的化学变化。,射线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,H 、OH 、H2O2、HO2,及其它氧化物,生物化学效应,(遗传学效应),点突
17、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,氧化损伤, 过氧化物原子团(O2-), (H2O2 ),(-OH)等需氧代谢的副产物都是有活性,的氧化剂,, 它们可导致DNA的氧化损伤,, T氧化后产生T乙二醇,, G氧化后产生8-氧-7,8二氢脱氧鸟嘌呤、8-氧鸟嘌呤(8-,O-G)或“ GO”,, GO可和A错配,导致GT。,电离辐射的遗传学效应在大多数生物中有两个重要结论:, 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。 例: 2000r 6的X连锁隐性致死 4000r 12的X连锁隐性致死 在相当范围内存在着线性关系, 辐射效应有累加作用,低
18、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。,大多数生物中,在总剂量相同的情况下,用低剂量率处理的多表现生,长正常,而过高的剂量率处理的常引起生长异常或死亡。,建议:在日常生活中应尽量避免和照射源的不必要接触, 而在诱变研究实践中,要多考虑到剂量率的作用。,果蝇精子,(3) 紫外线和诱变 紫外线(ultraviolet light)属非电离辐射(nonionizing),,即它没有足够的能量来诱导离子化。但紫外线是一种诱变剂,,在足够高的剂量时,它仍能杀死细胞。,医院用紫外线作为灭菌剂(sterilizing ag
19、ent)。 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中光化学变化。,紫外照射的能量X射线的能量,紫外线的穿透能力有限:,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。,太阳-非常强的UV照射,但多数紫外线被大气层,中的臭氧层所屏蔽。,人类的日光浴晒黑皮肤,过度的照射引起损伤。 紫外线照对DNA效应之一是在DNA双螺旋的相同链的,相邻的嘧啶分子间或在相
20、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胸腺嘧啶-形成胸,腺嘧啶二聚体(thymine dimers)TT少数CC、 7.7,CT和TC二聚体。这些异常配对在DNA链中产生膨胀,(凸 出部分)7.8,破坏As与相反链Ts的碱基配对。,两个碱基平面被环丁基所扭转,引起双螺旋构型的局,部变化,同时氢键的减弱。,TT阻碍DNA双链的分开和下一步的复制。,TT的DNA模板DAN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
21、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:,光复合、切除修复、重组修复、SOS修复、二聚体糖基酶,修复。,三,类,(4) 化学诱变剂(chemical Mutagens),基碱类似物(Base analogs),基碱修饰剂(Base modifying agents) 嵌入剂 (Intercalating agents), 碱基类似物,其分子结构极其相似于DNA分子中的正常碱 基,故可以结合进复制的DNA链中去。,引起突变的原因是:它们能够以互变异构体的状态形式存 在。一种普通状态(酮式)和 一种稀有状态(烯醇式) 两种状态中的每一种状态与DNA的一种不同的碱基配对,
22、结 果产生碱基对替换突变(substitution mutation) 5溴尿嘧啶 5溴尿嘧啶,酮式,烯醇式,例如:两种常见的碱基类似物诱变剂: 5溴尿嘧啶(5-bromouracil, 5Bu) 2氨基嘌呤(2-aminopurine, 2AP),5Bu类似胸腺嘧啶(T),只是以Br原子取代了甲基。,正常状态:5Bu类似于T,将只与DNA中的A配对,Bu=A,稀有状态:5Bu类似于C,它只与G配对 Bu=G 一旦5Bu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。,5Bu诱导的突变可经5Bu第二次处理回复,碱基类似物2氨基 嘌呤(2AP)作为诱变剂起作用基本
23、上象5Bu那种方式起作用,7.10,2AP也是以正常状态和稀有状态存在。,正常状态 :2AP类似于A,但是在嘌呤环上不同,的是有一个氨基。正常状态与T配对。,稀有状态: 2AP类似于G,与C配对,象5BU那样,2AP诱,导碱基转换突变,可以从AT GC或GCAT, 取决于它最初整合进入DNA时的状态。,注意:因为以上所涉及的突变在两种情况下都是转换,所以,5Bu能够使由2AP诱导的突变回复,反之亦然。,碱基替代的遗传学效应主要是影响遗传信息的传递。,由于单个碱基被代换可以产生:,链终止突变 错义突变,错义突变的抑制突变 最终表现遗传的变异,并不是所有的碱基类似物都是诱变剂。 AZT(azido
24、thymidine,叠氮胸腺嘧啶)是一种已批准治,疗AIDS(acquired immunodeficiency syndrome 获得性免疫,缺损综合症)病人的药物,AZT是碱基T的类似物,但不是诱变,剂,因为它并不引起碱基对变化。,AIDS病毒,HIV1(human immunodeficiency virus-1),是一种反转录病毒:HIV1 RNA,cDNA,在基因组DNA中指导新的病毒整合进寄主基因组DNA中,AZT在病毒RNA cDNA步骤中作为反转录酶的一种底物。,AZT并不是细胞DNA多聚酶的好底物,所以,它并不使宿主 DNA合成受到影响。,AZT作为一种选择毒性(select
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