第二十一章基因突变ppt课件

第二十一章基因突变 染色体畸变 碱基错配 复制错误 突变 DNA 复制跳格 自发突变 脱嘌呤 基因突变 化学错误 脱氨基 氧化损伤 放射线-产生嘌呤二聚体 诱发突变 碱基类似物:5BU,2AP 化学诱变剂 碱基修饰物:NA,HA,烷化剂 DNA 插入剂:吖啶类DNA Pol 35外切酶活性直接修复光复活光裂合酶一般切除修复UvrABC 系统AP 内切酶糖基酶切除修复特殊切除修复GO 系统-MutM,MutY,MutT错配修复-Dam,MutL,MutH,UvrD重组修复-RecA修复复制后修复SOS 修复-RecA,LexA,UvrAB,UmuC,HimA第一节第一节 基因突变的类型基因突变的类型 体细胞突变体细胞突变somatic mutation 生殖细胞突变生殖细胞突变germ-line mutations 转换转换transition是指同类碱基之间的交换。是指同类碱基之间的交换。颠换颠换transversion mutation是嘌呤与嘧啶是嘌呤与嘧啶之间的交换。之间的交换。表 21-1 突变的各种类型 转换 Py 与 Py，Pu 与 Pu 之间变换，多见 点突变，碱基替换 颠换 Py 与 Pu 之间变换，少见 插入 1-2 个碱基 移码突变 丢失 1-2 个碱基 发生移码 缺失突变 缺失大片段 DNA（十几到几千个碱基）突变类型 A G T C 转换 颠换 图 21-1 转换与颠换 中性突变中性突变neutral mutation多肽链中相应位多肽链中相应位点发生的氨基酸的取代并不影响蛋白质的功能点发生的氨基酸的取代并不影响蛋白质的功能;沉默突变沉默突变silent mutation蛋白质中相应位蛋白质中相应位点点是发生了一样氨基酸的取代，即同义突变。是发生了一样氨基酸的取代，即同义突变。移码突变移码突变frameshift mutation回复突变回复突变reverse mutation，一类是正向突变一类是正向突变forward mutation突变突变方向是从野生型向突变型；另一种是回复突方向是从野生型向突变型；另一种是回复突变，其突变方向是从突变型向野生型变，其突变方向是从突变型向野生型抑制突变抑制突变suppressor mutation突变的作用突变的作用还可以经过其它位点的突变而得到减少或校还可以经过其它位点的突变而得到减少或校正。正。表 21-2 点突变的类型(以 Tyr 的密码子为例)无义突变同义突变错义突变DNA TACTAA,TAG RNA UAC UAA UAG aa Tyr Och AmbTAC TAT UAC UAU Tyr TyrTAC TCC UAC UCC Tyr Ser 第二节 突变的缘由 一一.自发突变自发突变spontaneous mutations 突变率突变率mutation rate是指在单位时是指在单位时间内某种突变发生的概率间内某种突变发生的概率.(一一)DNA复制错误复制错误(二二)自发的化学变化自发的化学变化 1.脱嘌呤脱嘌呤depurination 2.脱氨基脱氨基(deamination)作用作用 3.氧化作用损伤碱基氧化作用损伤碱基oxidatively damaged bases(一)DNA复制错误 A ATGTC TACAG ATGTC ATGTC TATAG TATAGA ATGTC TACAG ATGTC TACAG A ATGTC TACAG ATGTC TACAG 新链 5 3 A G T TT C A A A A A C G 模板链 3 5 新合成链环出 5 3 5 T 3 A G T T A G T T T TT C A A A A C G T C A A A A A C G 3 A 5 3 5 模板链环出 新链上插入一个碱基 新链上缺失一个碱基 5 3 5 T 3 A G T T T T G C A G T T T T T G CT C A A A A C G T C A A A A A C G 3 A 5 3 5 图214 在 DNA复制中由于 DNA的错误环出自发产生碱基的插入和缺失 (参考 Peter J.Russell:Genetics,3rd ed.,Fig18-8)(二)自发的化学变化 1.脱嘌呤 A ATGTC TACAG ATGTC ATGTC TACAG TACAG A ATGTC TACAG ATGGC TACCG A ATGGC TACAG ATGCC TACAG 2.脱氨基 NH2 O H H H N N Deamination H N O H N O Cytosine Uracil Fig.21-Deamination of cytosine to uracil.NH2 O H3C H3C H N N Deamination H N O H N O 5-methyleytosine(5mC)Thymine(T)Fig.21-Deamination of 5-methylcytosine to thymine.3.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。二二.诱发突变诱发突变(一一)放射线放射线 紫外线、紫外线、X-射线、射线、射线、射线、宇宙射线宇宙射线(二二)化学物质化学物质 1.碱基类似物碱基类似物 (1)5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶5-bromouracil,5-BU (2)氨基嘌呤氨基嘌呤2-aminopurine 2-AP (3)迭氮胸苷迭氮胸苷AZT,azidothymidine 2.碱基的修饰剂 (1)亚硝酸introus acid,NA (2)羟胺 (3)烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化 3.DNA插入剂 原黄素proflavin 吖啶橙acridine orange 溴化3,8-二氨基-5-乙基-6-苯基菲啶鎓 etnidium bramide ICR的复合物等 (一一)紫外线诱发胸苷二聚体紫外线诱发胸苷二聚体 O O UV O O H CH3 H CH3 H CH3 CH3 H N N N N O N H O N H O N H H N O Thymine Thymine Thymine dimer O O 4 5 4 5 3 6 6 2 1 Fig.21-Production of thymine dimer by ultraviolet light irradiation.A A G G T BUK BUE C 酮式 烯醇式(二二)化学物质化学物质 1.碱基类似物碱基类似物 15-溴尿嘧啶和T很类似，仅在第5个碳元子上由Br取代了甲基 5-BU有，酮式，烯醇式两种异构体，可分别与A及G配对结合 A A G G T BUK BUE C 酮式 烯醇式(2)2-氨基嘌呤(2-AP)也是碱基的类似物，有正常形状和稀有形状两种异构体，可分别与T和C配对结合。当2-AP掺入到 DNA复制中时，由于其异构体的变换而导致A T G CA 2AP 2AP*GT T C C 2.碱基的修饰剂 (1)亚硝酸introus acid,NA有氧化脱氨作用，可使G第2个碳原子上的 氨 脱 去，产 生 黄 嘌 呤xanthine,x，次黄嘌呤(H)仍和C配对，故不产生转换突变。但C和A脱氨后分别产生U和次黄嘌呤H，产生了转换，使C G转换成A T，A T转换成G C HNO2 A H G G A A T C C C U T HNO2 2羟胺只特异地和胞嘧啶起反响，在第4个C原子上加-OH，产生4-OH-C，此产 物可以和A 配对，使C G转换成T A HA C 4-OH-C T G A A (3)烷化剂如甲基黄酸乙脂EMS,氮芥(NM),甲基黄酸甲脂MMS,亚硝基胍NG等，它们的作用是使碱基烷基化，EMS使G的第6位烷化，使T的第4位上烷化，结果产生的O-6-E-G和 O-4-E-T分别和T、G配对，导致GC对转换成AT对；TA对转换成CG G O-6-E-G A T O-4-E-T C C T T A G G3.DNA插入剂 (a)增加碱基 插入剂分子 模板链 5 ATCAG TTACT3 新合成链 3TAGTC G AATGA5 068nm 随机选择碱基 嵌入插入剂处 下一轮复制 5 ATCAG C TTACT 3 3TAGTC G AATGA 5(b)缺失碱基 模板链 5 ATCAG T TACT3 新合成链 3TAGTC ATGA5 插入剂失去 后复制 插入剂 5 ATCAGTACT 3 3TAGTCATGA 5 图 21-15 插入突变导制碱基的增加(a)和减少(b)4.体外定点突变 1985年加拿大的Michael Smith建立，于1993年获得了诺贝尔化学奖。详细方法有三种：1聚核苷酸介导的用单链模板定点突 变；2双引物法定点突变；3用掺入U的单链为模板进展聚核苷 酸介导的体外定点突变。A A T G G A 图 21-DNA 的体外定点突变 用 Ames法检测诱变剂 Rat Isolate and Centrifuge Rat liver enzymes Grind liver Experiment 1 Experiment 2 Experiment 3 his base-pair his frameshift substitution mutant mutantRat liver Potential Rat liver Potential Rat liver his mutantEnzyme mutagen Enzyme mutagen Enzyme strain Mix solutions Mix solutions Mix solutions and plate and plate and plate his+revertant his+revertant Spontaneouscolonies colonies revertant Fig.21-Ames test for potential mutagens.第三节 突变和人类疾病 自发突变和人类的疾病 一.反复序列异常所引起的遗传病 线粒体的脑脊髓病mitochondlrial encephalomyopathies)是线粒体反复顺序之间产生缺失所致。脆性X染色体综合征 X-连锁脊髓和延髓肌娄缩，也称Kennedys症 强直性肌营养不良Myotonic dystrophyWT ACCTACCTCCCTCACCAAAGC5000bpTTCAACCTCCCTCACCATTGG 缺失5000bp KS ACCAACCTCCCTCACCATTGG图 21-18 野生型(WT)DNA 顺序和 Kearns-Sayre/慢性眼外肌瘫痪综合征(KS)患者的 DNA 缺失 CGG CGG CGG 正常 654 拷贝 CGG CGG CGG CGG CGG NTM 50200 拷贝 CGG CGG CGG CGG CGG 女儿 50200 拷贝 CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG 患者 2001300 拷贝 图 21-19 在脆性 X 综合征中 FMR1 基因内 CGG 3 个核苷酸扩增。NTM：正常男性(二)诱发突变和人类的肿瘤 第四节 DNA的修复机 一.直接修复Direct repair(一)经过DNA聚合酶校正修复(二)光复活反响 光复活photoreactivation或光修复light repair 光裂合酶photolyase),由phr 基因编码 烷基转移酶Alkyltransferases(一)普通切除修复 切除修复(excixion-repair)暗修复dark repair 短-补丁修复short-patch repair 长-补丁修复long-patch repair 着色性干皮病Xeroderma pigmentosum是一种切除修复酶的缺陷二二 切除修复切除修复excixion-repairexcixion-repair Damage Mutant base is mismatched and/or distorts stractur Incision Endonuclease cleaves on both sides of damaged ba Excision Exonuclease removes DNA Between nicks Synthesis Polymerase synthesizes Replacement DNA Ligase seals nickFig.21-Excision repar removes and replaces a stretch of DNA that includes the dameged base(s)在E.coli中的切除修复系统损伤：突变的碱基错配或改动DNA构造剪切：内切酶在损伤碱基位点两侧剪切切除：外切酶除去切口间的DNA合成：DNA pol 合成取代DNA衔接酶封锁缺口 Deformation of DNA UvaA UvaB UvrA recognizes damage&binds with UvrB UvaC UvaB UvrA released;UvrC binds UvaC UvaB UvrC nicks DNA on both sides of damage Uva D UvrD unwinds region Fig.21-The Uvr sistem operates in stages in which UvrAB recognizes damage,UvrBC nicks the DNA,and UvrD unwinds the marked region.Uvr系统在修复各阶段中的作用UvrAB识别损伤；UvrBC在DNA上切一缺口；UvrD使被标志区解旋(二)特殊切除修复途径(1)AP核酸内切酶修复途径 AP位点:无嘌呤apurinic和 无嘧啶apyrimidinic位点(2)糖基酶修复途径(3)GO系统 Nucleotide containingA damaged base 5 3 A ATCGTAGATAGCTAA TACCATCTATCGATT 3 5 Glycosylase enzyme recognizes damaged base and cleaves bond 5 3 between base and sugas,A ATCGTAGATAGCTAA releasing the base.TACCATCTATCGATT 3 5 AP endonuclease cleaves phosphodiester bond 5 3 next to missing base.A ATCGTAGATAGCTAA TACCATCTATCGATT DNA polymerase I repairs region 3 5 by rmoving nucleotides in the 5-to-3 direction and inserting new 5 3 DNA in the resulting gap 5-to-3 A ATCGTAGATAGCTAA directionTACCATCTATCGATT 3 5 DNA ligase seals the remainig nick.5 3 A ATCGTAGATAGCTAA TACCATCTATCGATT3 5 Fig.21-Repair of AP site.(a)复制 C GO A Mut Y C C A C G GO GO GO GO 氧化损伤 GO C C G Mut M (b)8-0-GTP 8-0-GMP T A 5 Mut T 加入 4 种 3 A GO GO G 碱8-0-G A A C 复制 T Mut M A GO G C GO C C 图 21-8-氧鸟嘌呤(8-O-G)GO 修复系统 三、复制后修复(一)错配修复mismatch repair(1)识别错配的碱基对；(2)对错配的一对碱基要能准确区别哪一个 是错的，哪一个是对的；(3)切除错误的碱基，并进展修复合成。Template strand with N6-methyl Template correct base adenine DNA strand 5 *3 GATC CTAG 3 5 Newly-made DNA Unmethylated Newly made with incorrect adenine DNA strand *GATC 3 Mismatch enzyme binds to CTAG 5 unmethylated GATC on new strand and to mispaired 3 base on the same strand.5 *GATC 3 Mismatch correction enzyme CTAG 5 excises section of new DNA strand,including mispaired 3 base.5 *GATC 3 DNA polymerase repairs CTAG 5 the gap,producing correct Base.Fig.21-Mechanism of mismatch correction repair.MutSMutLMutSMutHMutS识别错配位点,并易位到GATC位点。MutH在GATC位点剪切非甲基化链，内切酶从GATC到错配位点降解DNA GATC G GATC CTAG T CTAG *S L *S L GATC G GATC GATC G GATC CTAG T CTAG CTAG T CTAG ssB U H ssB U *ssB G *GATC GATC GATC ssB G GATC U U CTAG CTAG CTAG CTAG H T ssB H T Polymerase Polymerase GATC G GATC GATC G GATC CTAG C CTAG CTAG C CTAG CTAG T GATC G GATC CTAG C CTAG Fig.Two proposed models to explain how mismatch repair corrects errors after a DNA strand has been sythesized.(二)重组修复recombination-repain 5 recombinated Lesion parental DNA Repaired Parental DNA Recombination Repair Fig.21-Postreplication recombination repair在E.coli中的提取(retrival)系统(三)SOS修复系统过失倾向修复过失倾向修复Error prone repairJeam Weigle 等发现等发现 UV 感染感染 细菌细菌(用用UV照射过照射过)存活率高存活率高噬菌体噬菌体 细菌细菌(UV未照射过未照射过)存活率低存活率低UV-复活复活UV-reactivation，也称，也称W-复活复活SOS反响反响SOS response Site of frequent mismatchings Fig.21-Error-prone(SOS)repair(lesion by-pass)