南开大学遗传学18遗传变异的分子机理基因突变.ppt

第 一 节 基 因 突 变 的 分 子 基 础一 、 自 发 突 变 (spontanueous mutation) 包 括 DNA复 制 的 错 误 和 自 发 损 伤 。1 DNA复 制 错 误 (1)转 换 突 变 (transition mutation)DNA中 的 碱 基 由 一 种 异 构 体 转 变 为 另 一 种 异 构 体 的互 变 异 构 作 用 会 引 起 碱 基 错 配 。 DNA的 四 种碱 基 的 互 变 异构 体 。嘧 啶 上 3位和 4位 之 间 的 H以 及 嘌 呤 上 的1位 和 6位 之 间的 H的 移 位 会改 变 碱 基 配 对的 能 力 。 (烯 醇 式 )(亚 胺 式 )(酮 式 )（ 氨 基 式 ）（ 氨 基 式 ） (亚 胺 式 ) (酮 式 ) (烯 醇 式 ) 互 变 异 构 作 用会 引 起 碱 基 错配 。T烯 醇 式 -G T-G烯 醇 式 C亚 胺 式 -AC-A亚 胺 式 在 DNA复 制 中 一 个 G互 变 成 烯 醇 式 Gt， 从而 与 T配 对 ， 在 下 次复 制 时 Gt回 到 稳 定 的酮 式 结 构 G， 这 时 已掺 入 到 Gt对 面 的 T将 与A 配 对 ， 由 此 引 起GC AT的 转 换 。 一 个嘌 呤 被 另 一 个 嘌 呤 取代 ， 或 一 个 嘧 啶 被 另一 个 嘧 啶 取 代 称 转 换 突 变 （ transition mutation ） 。 （ 3） 移 码 突 变 (Frame shift mutations) 经 常 发 生 在 重 复 序 列 区 。 其 模 型 为 ： CT5CTG AG AG A3GACTCTCTCTCTCTGCA5CTG AG AG A3GACTCTCTCTGCA5CTG AG AG AG ACGT3GACTCTCTCTGCA5CGTTTT3GCAAAAACGTAC5C TTT3GCAAAAACGTAC5C T TTTTGCTAG3GCAAAAACGTACGTGT (a)(b)(c) CTAddition Deletion(d)(e)(f) 由 于 非 3及 其 倍 数 个 碱 基 的 插 入 或 缺 失 造 成 移 码 突 变 （ frame shift mutation） 半胱 丝氨 谷氨 缬氨 改变 半胱 精氨 赖氨 亮氨DNA TGC TCG CAA GTT GA TGC CGC AAG TTG 读码框 插 入 或 缺 失 会 造 成 其 下 游 三 联 体 密 码 子 错 读 ，生 成 完 全 不 同 的 肽 链 。 缺失T 2 自 发 损 伤 除 复 制 错 误 外 ， DNA自 发 性 损 伤 造 成 突 变 。(1)细 胞 中 经 常 发 生 脱 嘌 呤 作 用 (depurination)， 使 脱 氧 核 糖和 碱 基 G或 A连 接 的 糖 苷 键 被 打 断 ， 从 而 失 去 G或 A， 复 制 时 在 脱嘌 呤 位 点 对 面 插 入 碱 基 造 成 突 变 。 损 伤 的 结 果 造 成 转 换 和 颠 换(transversion， 一 个 嘧 啶 被 一 个 嘌 呤 取 代 ， 或 一 个 嘌 呤 被 一个 嘧 啶 取 代 ) 。(2) 脱 氨 基 作 用 (deamination)： 如 胞 嘧 啶 C脱 氨 基 后 形 成 了 尿嘧 啶 U， 在 复 制 过 程 中 将 与 A配 对 ， 从 而 引 起 GC AT转 换 突 变 。 脱氨基 复制 G C A U A T 突变 细 胞 中 有 一 种 修 复 酶 能识 别 DNA中 的 尿 嘧 啶 并 将其 切 除 ， 称 尿 嘧 啶 DNA糖 基 酶 。5甲 基 胞 嘧 啶 是 发 生GC AT转 换 突 变 的 热 点 。因 为 5甲 基 胞 嘧 啶 脱 氨 基后 形 成 的 T不 能 被 上 述 修复 酶 识 别 ， 因 此 不 能 被 修复 。 图 14.29 糖 基 水 解 酶 通 过 攻 击 碱 基 与 脱 氧 核糖 之 间 的 共 价 键 将 碱 基 去 除 。 二、诱发突变 1. 天 然 碱 基 类 似 物胸 腺 嘧 啶 类 似 物 5溴 尿 嘧 啶 （ 5-BU） ， 由于 胸 腺 嘧 啶 中 5CH3被 Br取 代 会 导 致 5-BU变 换 异构 体 ， 使 其 碱 基 的 配 对能 力 发 生 变 化 。 天 然 碱 基 类 似 物 的 掺 入 诱 发 突 变 胸 腺 嘧 啶 类 似 物 5溴 尿 嘧 啶 （ 5-BU） ， 由 于 胸 腺 嘧 啶 中 5CH3被 Br取 代 会 导 致 5-BU变 换 异 构 体 ， 使 其 碱 基 的 配 对 能 力 发 生 变 化 。 A5-BUT G5-BUC （ 酮 式 ） （ 烯 醇 式 ） 2 特 异 性 错 配 改 变 某 一 碱 基 的 结 构（1）烷 化 剂 ： 如 甲 基 磺 酸 乙 酯 EMS， 烷 化 剂 能 在 DNA上 的 四 个 碱基 发 生 作 用 ， 使 其 增 加 烷 基 侧 链 ， 其 最 大 的 特 异 性 是 在 鸟 嘌 呤的 6位 氧 上 增 加 一 个 烷 基 侧 链 导 致 与 T错 配 ， 从 而 在 下 个 复 制 周期 中 产 生 GC AT转 换 。 16 （2）羟 胺 HA：NH2OH也 是 特 定 诱 发 GC AT转 换 的 诱 变 剂 。 能 在 胞 嘧啶 4位 上 的 氨 基 氮 上 发 生 羟 基 化 作 用 产 生 N4羟 基 胞 嘧啶 ， 它 能 象 T那 样 与 A配 对 ， 产 生 GC AT转 换 。 N4羟基胞嘧啶腺嘌呤ANH2OH胞嘧啶C4 3 （3） 亚 硝 酸 能 诱 发 胞 嘧 啶 脱 氨 基 成 为 尿 嘧 啶 U， 尿 嘧啶 会 与 A配 对 ， 诱 发 GC AT转 换 突 变 ； 亚 硝 酸 还 能 诱 发 腺 嘌 呤 脱 氨 基 形 成 次 黄 嘌 呤 H，H能 和 C配 对 ， 诱 发 AT GC转 换 突 变 。 | | 亚 硝 酸 | | 复 制 | | (1) G C A U A T | | C脱 氨 基 | | | | | | 亚 硝 酸 | | 复 制 | | (2) A T H C G C | | A脱 氨 基 | | | | 亚 硝 酸 可 诱 发 两 个 方 向 上 的 转 换 。 （4）黄 曲 霉 毒 素 B1的 诱 变 作 用 （ AFB1） ：强 烈 的 致 癌 物 ， 它 能 在 鸟 嘌 呤 G上 接 上 一 个 黄 曲 霉 毒素 分 子 ， 从 而 使 其 脱 去 嘌 呤 ， 在 复 制 过 程 中 会 在 脱 嘌呤 位 置 的 对 面 优 先 插 入 一 个 腺 嘌 呤 A， 从 而 诱 发 GC TA的 颠 换 。 容 错 (error-prone )复 制 。当 DNA聚 合 酶 在 路 过 子 代 DNA的 某 位 点 不 能 插 入 一 个 互 补碱 基 时 ， 便 插 入 一 个 错 误 碱基 ， 即 容 错 合 成 。 这 种 错 误其 实 代 表 一 个 突 变 ， 主 要 存在 RecA催 化 的 SOS修 复 系 统 。 SOS (save our souls)呼救 信 号 应 答 系 统 ： 在 E. coli受 紫 外 线 照 射 或 其 他 原因 而 激 活 RecA的 蛋 白 酶 活 性 ，切 割 阻 遏 蛋 白 LexA从 而 诱 导一 系 列 包 括 修 复 在 内 的 酶 学活 动 。3 容 错 复 制 SOS系 统 图 14.36 大 肠 杆 菌 中 LexA蛋 白 阻 遏 包 括 修 复 系 统在 内 的 多 种 基 因 表 达 ， RecA的 激 活 导 致 了 LexA蛋白 的 水 解 ， 开 启 了 修 复 系 统 基 因 的 表 达 。 (1)紫 外 线 UV的 诱 变 作 用 能 使 DNA上 同 一 链 中 相 邻 的 TT变 为 二 聚 体 TT， 干 扰 正 常 碱基 配 对 能 力 ， 在 DNA复 制 过 程 中 将 发 生 错 误 导 致 突 变 。Covalent cross-links 共 价 交 联 (2)烷 化 剂 造 成 的 DNA互 补 链 的 交 联 图 14.26 修 饰 或 除 掉 碱 基 引 起 的 结 构 错 误 会 阻碍 复 制 或 在 每 次 复 制 循 环 中 引 起 突 变 ， 直 至 被除 掉 。 一 、 损 伤 的 直 接 修 复UV引 起 的 光 损 伤 TT二 聚 体 能被 光 复 活 酶 修 复 ， 该 酶 能 在 暗处 和 TT二 聚 体 结 合 ， 形 成 酶 和DNA复 合 体 ， 在 光 照 条 件 下 ，复 合 体 分 解 ， 使 TT二 聚 体 分 解为 原 先 正 常 的 碱 基 。光 复 活 酶 不 能 在 暗 处 起 修 复作 用 ， 故 也 称 光 修 复 作 用 。 如 何 提 高 UV诱 发 突 变 的 频 率 ？ 二 、 切 除 修 复 途 径 Excision repair systems此 作 用 不 需 要 光 照 ， 而 是经 修 复 酶 将 损 伤 切 除 修 补的 过 程 ， 亦 称 暗 修 复 。 1 一 般 切 除 修 复 ： 切补 核 酸 酶 （ UVRA， B， C基因 编 码 ） 能 识 别 一 些 大 的损 伤 ， 将 受 损 碱 基 及 两 旁的 碱 基 切 除 。 造 成 的 缺 口由 DNA pol I合 成 填 补 ，并 由 连 接 酶 封 口 。图 14.27 在 切 除 -修 复 中 ， 受 损 伤的 序 列 被 除 去 ， 代 之 以 完 好 的 DNA链 。 图 14.28 在 切 除 修 复 系 统 (Uvr)各 阶 段 反应 中 ， UvrAB识 别 损 伤 部 位 ， UvrBC将 DNA切 开 ， UvrD将 已 做 过 标 记 的 区 域 解 旋 。 切 除 修 复 的 uvr系 统 包 括 3个基 因 ， uvrA， B， C， 编 码 一 种修 复 核 酸 内 切 酶 的 成 分 (图14.28)。首 先 ， UvrAB组 分 识 别 嘧 啶二 聚 体 和 其 它 较 大 的 损 伤 。 然后 UvrA解 离 (需 要 ATP)， UvrC与 UvrB结 合 。 UvrBC重 组 使 损伤 两 边 都 产 生 一 个 切 口 ， 切 口位 置 是 在 损 伤 5端 的 7个 核 苷酸 处 ， 3端 的 3-4个 核 苷 酸 处 。也 需 要 ATP。UvrD是 一 个 解 旋 酶 ， 能 使 DNA解 旋 以 释 放 两 个 切 口 之 间的 单 链 。 切 除 涉 及 到 的 酶 可 能是 DNA聚 合 酶 I。 在 人 类 中 这 也 是 一 种 重 要 的修 复 途 径 。 着 色 性 干 皮 症 (XP)是 由 于 缺 乏 切 补 修 复 酶 造 成 的遗 传 性 缺 陷 ， 正 常 人 的 皮 肤 细胞 和 该 缺 陷 者 的 皮 肤 细 胞 在 培养 时 对 UV的 敏 感 性 有 很 大 差 异， 具 有 该 缺 陷 的 人 在 30岁 之 前就 易 死 于 皮 肤 癌 。右 图 示 意 ： 在 人 的 XP修 复 系 统 中 ， 解 旋酶 在 受 损 伤 部 位 将 DNA解 开 ， 内 切 酶 在损 伤 部 位 两 端 做 两 个 切 口 ， 然 后 用 新 合成 的 DNA置 换 被 切 除 的 部 分 。 2 AP核 酸 内 切 酶修 复 途 径单 个 嘌 呤 或 嘧 啶 脱 去 后的 位 点 称 AP位 点 ， 细 胞中 自 发 产 生 的 AP位 点 的频 率 很 高 。由 一 种 专 门 在 AP位 点 上切 割 的 酶 切 断 DNA上的 磷 酸 二 酯 键 。 然 后 再起 动 由 DNA外 切 酶 、 DNA聚 合 酶 I和 连 接 酶 参 与 的切 除 修 复 过 程 。 DNA聚 合 酶 I合 成 新 链 AP位点AP核 酸 酶 打 开 一 切 口 外 切 酶 切 除 部 分 单 链 连 接 酶 封 口 3.DNA糖 基 酶修 复 途 径该 酶 切 断 N-糖 苷 链 (碱 基 与 糖 的 连 接 )，能 将 DNA中 的 异 常 碱基 切 除 ， 切 除 后 在DNA上 形 成 AP位 点 ，再 经 AP核 酸 内 切 酶 途径 修 复 。 保 证 DNA中 的 正 常 碱基 不 是 尿 嘧 啶 U而 是胞 嘧 啶 和 胸 腺 嘧 啶 的机 制 。 异 常 碱 基 U形 成 AP位 点经 AP核 酸 内切 酶 途 径 修复 4 重 组 修 复 作 用 ： 图 示 ： 在 重 组 修 复 中 ， 受 损 伤 的 序 列 被 除去 ， 在 未 损 伤 链 对 面 代 之 以 完 好 的 DNA链 。 损伤：一条链上的碱基损伤复制产生正常链和缺口链 来自正常链的挽救序列修复缺口正常链缺口被修复挽 救 (retrieval)修 复 ， 又 因为 其 修 复 过 程 与 遗 传 重 组 过 程相 似 ， 因 此 也 称 为 “ 重 组 修复 ” (recombination-repair)。挽 救 修 复 机 制 。 此 系 统 在 处 理含 有 复 制 损 伤 碱 基 模 板 产 生 的子 代 双 链 中 的 缺 陷 起 作 用 。 修复 模 型 见 右 图 。 假 如 在 双 螺 旋链 上 有 嘧 啶 二 聚 体 ， 引 起 DNA双 螺 旋 结 构 扭 曲 ， 当 DNA复 制 时 ，嘧 啶 二 聚 体 阻 止 损 伤 位 点 成 为模 板 ， 复 制 只 能 被 迫 放 弃 该 位点 。 四 、 修 复 的 总 体 策 略 ， 细 胞 是 如 何 有 序 地 行 使修 复 作 用 的 ？ 1.细 胞 不 会 合 成 各 种 酶 去 修 复 各 种 类 型 的 损 伤 。 那会 消 耗 太 大 的 能 量 。2.一 般 先 用 一 种 通 用 的 切 除 修 复 系 统 除 去 DNA上 造成 明 显 缺 陷 的 损 伤 。3.损 伤 太 小 并 未 造 成 明 显 缺 陷 时 ， 采 用 特 殊 的 切 除修 复 系 统 （ 如 DNA糖 基 酶 修 复 系 统 ） 。4.为 消 除 可 能 产 生 的 复 制 错 误 时 ， 起 用 复 制 后 错 配修 复 系 统 ， 并 能 修 复 其 它 修 复 系 统 遗 留 下 的 损 伤 。5.各 种 修 复 系 统 并 不 是 万 能 的 ， 不 能 把 所 有 的 DNA损 伤 全 部 修 复 完 好 生 物 发 生 变 异 进 化 的 原 因 。