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1、第第13章章 基因突变与基因突变与DNADNA损损 伤修复伤修复Gene mutation and Mechanisms of DNA repair遗传学第一节第一节 基因突变概述基因突变概述一、基因突变发生的时期与特征 基因突变：染色体上某一基因位点内部发生了化学性质变化与原来基因形成对性关系。 如:高杆D 矮杆d 突变体：由于基因突变而表现出突变性状的个体称突变体或突变型。突变的一般特征突变的一般特征n重演性和可逆性： 突变的重演性：主要指同一突变可以在同种生物的不同个体间多次发生。 显性A 隐性a 通常情况下：uv 正向突变u 回复突变v突变的多向性 基因突变的方向不定的，可以多方向发生
2、。例如：A可以突变为a1、a2、a3复等位基因：位于同一个基因位点上的各个等位基因。珍珠色眼（wp）果蝇（W+）白眼（w）血红眼（wbl）樱红眼（we）杏红眼（wc）浅黄眼（wj）微色眼（wb）密色眼（wh）n有害性和有利性并存如：致死基因、伴性致死、中性突变，有利突变：少数突变不仅对生物体，无害还有利于其生存。如植物高杆变矮杆，抗病性，早熟性。 基因突变原有协调打破代谢关系打乱生育反常致死n突变的平行性 亲缘关系相近的物种遗传基础较相似，因而往往发生相似的突变，这种现象称为突变的平行性。 了解一个物种内具有的变异，可以预见近缘其它种或属也同样存在相似的变异类型，对于人工育种有一定的参考意义。
3、 基因突变与性状表现1、基因突变的性状变异类型n形态突变：导致生物体外部形态结构（形态、大小、色泽等）产生肉眼可识别变异的突变，又称可见突变n生化突变：影响生物的代谢过程，导致特定生化功能改变或丧失的突变，如营养缺陷型。n致死突变：导致特定基因型突变体死亡的突变。2.显性突变和隐性突变的表现显性突变表现早而纯合晚，隐形突变表现晚纯合早。3.体细胞突变和性细胞突变 突变可以发生在生物个体发育的任何时期，即体细胞和性细胞均能发生突变。 性细胞突变频率比体细胞高，且可以通过受精作用传递给后代。体细胞则不能需将它与母体分离进行无性繁殖。“芽变”二、点突变的类型1、根据突变性质 碱基的替换碱基的增加 或
4、缺失转换：Py-Py、Pu-Pu间的转换，多见。颠换：Py-Pu之间的转换，少见。DNA中插入一个碱基对DNA中删除一个碱基对n功能丧失突变（loss of function mutation）：导致蛋白质活性减弱或者消失的突变。 无效突变（null mutation）：完全丧失基因功能的突变 渗漏突变（leaky mutation）：某基因发生突变后其产物仍具有原来的功能，但活性较野生型弱。n获得性突变（gain of function mutation） 2、根据功能n同义突变（synonymous）：一个氨基酸的密码子突变为该氨基酸的另一密码子时产生的突变。密码子简并性n错义突变（mis
5、sense mutation）：一个氨基酸的密码子被另一个氨基酸密码子所取代。n无义突变（nonsense mutation）：一个氨基酸的密码子突变翻译为终止密码子时，则导致产生不完整多肽，因而丧失功能。三三. .点突变的分子效应点突变的分子效应n移码突变（frameshift mutation）：由于插入或者缺失单个或几个（非3个）碱基，从而改变了自突变位点到开放阅读框的终止密码子间的全部序列。See movie第二节、点突变的诱变机制诱发突变（induced mutation）：由各种诱 变剂诱发产生的突变称为诱发突变。诱变剂（mutagen）：凡是可以诱发基因突变的因素。1、碱基类似物
6、 某些化学物质与天然的DNA的正常含氮碱基结构上非常相似，在合成DNA时取代正常的碱基掺入DNA分子，参与复制，这些物质即为碱基类似物（base analogue）。2、碱基改变n烷化剂（Alkylating agents） 乙基甲烷磺酸 ethylmethanesulfonate (EMS) 亚硝基胍 nitrosoguanidine (NG)n嵌入剂（Intercalating agents ） 原黄素 proflavin 吖啶橙 acridine orange 引起碱基对的插入或者缺失 Stabilize the loop formed during frameshift3.碱基损伤n紫
7、外线 DNA DNA受到大剂量紫外受到大剂量紫外线（线（260260nmnm）照射时，同一照射时，同一条链上相邻的条链上相邻的嘧啶以共价嘧啶以共价键连成二聚体键连成二聚体；TT, CC, TT, CC, CTCT之间都可形成二聚体。之间都可形成二聚体。4、基因定点突变基因的定点突变（基因的定点突变（site specific mutagenesis of gene）是指按照人们的意愿对基因的编码区和）是指按照人们的意愿对基因的编码区和表达调控区（包括启动子区）定向进行缺失、表达调控区（包括启动子区）定向进行缺失、插入或碱基替换等过程。插入或碱基替换等过程。n寡核苷酸诱导的基因定点突变寡核苷酸诱
8、导的基因定点突变 将某基因克隆到质粒载体中，人工合成含有突变将某基因克隆到质粒载体中，人工合成含有突变位点的一对引物，使该突变位点位于引物中心附近，位点的一对引物，使该突变位点位于引物中心附近，两端有足够的序列以保证其互补配对，进行两端有足够的序列以保证其互补配对，进行PCRPCR扩增；扩增；经经DpnIDpnI酶切酶切DNADNA；将突变；将突变DNADNA转入受体，筛选重组子即转入受体，筛选重组子即可得到特定位点发生突变的基因。可得到特定位点发生突变的基因。n双引物法双引物法 将克隆到任一质粒上的某基因的特定位点，设计两将克隆到任一质粒上的某基因的特定位点，设计两个互补的含有突变碱基的引物
9、，该引物应有足够的长个互补的含有突变碱基的引物，该引物应有足够的长度，以保证与该突变位点对应的质粒度，以保证与该突变位点对应的质粒DNADNA配对，在基因配对，在基因的上游和下游各设计一个引物，分别与突变位置处的的上游和下游各设计一个引物，分别与突变位置处的一个引物进行一个引物进行PCRPCR扩增，两个扩增，两个PCRPCR扩增产物混合，延伸扩增产物混合，延伸后就可获得有特定位点图变得基因。后就可获得有特定位点图变得基因。第三节、自发突变 在自然状态下无人干预条件下，自发发生的基因突变。 不定向性和随机性n1943年，S.Luria和Delbruck 进行的波动试验n平板影印培养试验自发突变的
10、机制n自发损伤 自然状态下DNA的损伤 脱氨基、脱嘌呤及脱嘧啶（1 1）碱基的脱氨基作用）碱基的脱氨基作用 碱基的环外氨基自发脱落，碱基的环外氨基自发脱落，C C变为变为U U，A A变为次黄嘌呤（变为次黄嘌呤（H H），），G G变为黄嘌呤（变为黄嘌呤（X X） 。 复制时，复制时，U U与与A A配对、配对、H H和和X X都与都与C C配对会配对会导致子代导致子代DNADNA序列的错误变化。序列的错误变化。（2 2）脱嘌呤与脱嘧啶）脱嘌呤与脱嘧啶 ( (碱基丢失碱基丢失) ) 自发水解使嘌呤和嘧啶从自发水解使嘌呤和嘧啶从DNADNA链的核糖磷酸骨架上脱落。链的核糖磷酸骨架上脱落。 哺乳类
11、动物细胞，在哺乳类动物细胞，在3030C C下，下，2020h h内内DNADNA链自发脱落嘌呤约链自发脱落嘌呤约10001000个，个，嘧啶约嘧啶约500500个。个。n 氧化损伤氧化损伤 细胞呼吸的副产物细胞呼吸的副产物O O2-2-, H, H2 2O O2 2造成造成DNADNA损伤，产损伤，产生一些碱基修饰物（胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧生一些碱基修饰物（胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等），还可引起啶等），还可引起DNADNA单链断裂等损伤单链断裂等损伤; ; 这些损失这些损失的积累可导致老化。的积累可导致老化。nDNA复制错误n其它可能的机制自然界中的放射性同位素，宇宙射线，紫外线等物
12、理化学因素。剧烈温度变化和极端温度。基因结构特殊性（5-mCG岛氧化脱氨变为T）重复序列（复制滑动）第四节、动态突变 主要是指在编码区、3或5-UTR、启动子区及内含子区出现三核苷酸重复，及其它长短不等的小卫星，微卫星序列的重复拷贝数，在减数分裂或体细胞有丝分裂过程中发生扩增而造成的遗传物质不稳定的状态。动态突变与人类疾病n三核苷酸重复异常扩增引起的神经疾病特征：除都具有三核苷酸重复数目的异常增加，致病基因间无同源性,即便都是由（CAG）n扩增引起疾病，但病变仅选择性的累及特定的体细胞遗传早现现象Steisinger model动态突变致病假说n毒性多聚谷氨酰胺假说n甘油醛磷酸脱氢酶抑制说n多
13、聚谷氨酰胺干扰转录因子假说nFMR-1的5端（CGG）n过度扩增假说第五节、DNA损伤修复机制1.光复活 (Photoreactivation repair in prokaryotes)2.切除修复（Excision Repair in Prokaryotes and Eukaryotes）Excision Repair in E.coli着色性干皮病着色性干皮病Xeroderma pigmentosumDNADNA糖苷酶修复及糖苷酶修复及APAP核酸酶修复系统核酸酶修复系统现象：现象：U U和和A A在复制中配对在复制中配对 C C自发脱氨基氧化而生成自发脱氨基氧化而生成U U修复机制：尿
14、嘧啶修复机制：尿嘧啶N N糖基酶系统糖基酶系统参与的酶：参与的酶：尿嘧啶尿嘧啶N N糖基酶糖基酶 APAP内切核酸酶内切核酸酶 (AP endonucleases(AP endonucleases ) ) DNA DNA聚合酶聚合酶 IIII DNADNA连接酶连接酶脱嘌呤脱嘌呤/ / 嘧啶位点（嘧啶位点（AP AP 位点位点) 修复机制：修复机制：尿嘧啶尿嘧啶N糖基酶系统糖基酶系统See movieAP核酸内切酶切开DNA链DNA外切酶切除损伤部位DNA链单链DNA聚合酶合成新的DNA片段DNA连接补平缺口 3.错配修复（Mismatch Repair）4. 重组修复（Recombinati
15、onal repair ）5. The SOS repair system -error prone (倾向差错) SOS反应：细胞DNA受到严重损伤或DNA修复系统受到抑制的紧急状态下，为生存而出现的应急反应。 第六节、突变的检测 (Detection of Mutation)1. Detection in bacteria and fungi（真菌）2. Detection in Drosophila（果蝇） CLB method C: 交换抑制因子（倒位） L: X染色体隐性致死基因 B: 棒状眼The attached X method3. Detection in humans 系谱分析（ pedigree analysis）Inherited cataract（白内障） of the eye伴X隐性遗传4、植物
