第二章 基因突变和表观遗传变异

化学物质诱发的突变
• 1.碱基类似物诱发的突变； • 2.碱基的修饰剂改变DNA化学结构从而导致 • 突变； • 3.DNA插入剂。
碱基类似物诱发的突变
• 当一种化合物的分子结构很像天然化合物时，在某 个化学反应中就可能取代天然化合物。在DNA复制 中，少数碱基类似物可以代替这种或那种天然碱基， 引起配对错误，由一种碱基代替另一不同碱基对， 从而引发基因突变。 • 例如：5-溴脱氧尿苷（5-bromodeoxyuridine,brdU） 跟胸腺嘧啶T结构很相似，它有两种异构体：一种 是酮式，另一种是烯醇式，它们可分别与A及G配对。
主要内容
• • • • • • • 1.基因突变的类型； 2. 基因突变的分子基础； 3. DNA的体外定点诱变； 4.突变剂的检测； 5.基因突变的生物学防护与修复； 6.基因突变的检出； 7. 表观遗传变异；
基本概念
• 基因突变（gene mutation）：也称点突变， 是指组成基因物质的DNA分子中碱基的改变。 这种改变无法用显微镜直接观察，只能通过 化学反应或遗传实验来证明。 • 表观遗传变异(epigenetic variation)：则是另 一种类型的遗传性变化，指在基因的DNA序 列不发生改变的情况下，在基因表达时发生 的可遗传的变化，这种变化同样导致表型的 改变。
由碱基的互变异构引起的错误碱基配对
• 碱基本身存在着交替的化学结构，称为互变 异构体。当碱基以它罕见的形式出现时就可 能和错误的碱基形成碱基对。这种碱基化学 结构的改变过程称为互变异构移位。由于互 变异构移位导致在DNA复制时可能产生碱基 的错配，如A和C配对。
DNA环出或跳格（slippage）
迈克尔· 史密斯与定点突变技术
• 根据生物学理论知识，基因会发生突变，突变可以自发，也可以 诱发。但在加拿大生物化学家M· 史密斯（Michael Smith ，1932－ 2000年）发明定点突变法之前，突变株的产生必须经由自然界或用化 学等方法诱使基因体突变。这类方法属于随机突变，突变株必须在生 物形状上有所改变，才能确定有突变发生，但除非用分子生物方法或 遗传方法找到此突变处，否则无法确定突变位置。也就是说，这种突 变是盲目的。而史密斯发明的定点突变法却是有目的的，该法可经由 设计好的寡核苷酸，在任何一个基因片段上进行随意或设计好的突变， 也就是说，这种突变是预先设定好的，所以也有人将该法称为“反遗 传法”。 有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性突破的方 法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来的。现在，几乎每个生 物实验室都会用定点突变法来研究基因或蛋白质的功能。定点突变法 的应用不仅广泛用于基因工程技术领域，还可用于农业培育抗虫、抗 病的良种，用于医学矫正遗传病、治疗癌症等病。
2. 基因突变的分子基础
• （1）DNA复制错误引起的基因突变： • DNA聚合酶复制1010个核苷酸仅一个会发生错误， 人类基因组的30亿个碱基对中，每分裂三次才会有 一次错误发生，而且这些突变中仅有一小部分是可 见的，因为它们大部分发生在非基因区或为沉默突 变，因而自发突变的几率很低。但考虑到一个个体 发育，如人体是由1016个细胞组成，那么累计起来 的突变也就不少了。 • 突变率：是指在单位时间内某种突变发生的概率，
逆向思维的例子
• 逆向思维的一个典型例子是“司马光砸 缸”。有人落水，常规的思维模式是“救 人离水”，而司马光面对紧急险情，运用 了逆向思维，果断地用石头把缸砸破， “让水离人”，救了小伙伴性命。
逆向思维的例子
• 日本有一家企业生产圆珠笔，其产品优势是使用时间 长。然而投放市场后销路并不好，原因在于圆珠笔芯中的 油墨还没有使用完，笔芯上的圆珠就坏了。厂家不惜重金 请来许多专家对笔芯上的圆珠质量进行攻关，效果都不理 想，专家断言：只能改进到目前这种效果了。 • 后来，这家企业的一名普通的操作工用一个极为简单 的方法,解决了这个令许多专家都束手无策的难题。他将 笔杆截去了一段。这样，笔芯上的圆珠报废时，油墨也正 好使用完了。 • 这个事例告诉我们：当我们走到绝路时，不妨转过身， 打破传统的常规的思维模式，换另一个方法去思考问题， 也许柳暗花明的惊喜就会展现在你的面前。
紫外线诱变
• 是最常用的诱变手段。 • 紫外诱变的原理：DNA中的嘌呤和嘧啶有很 强的吸收光的能力，特别是对波长为254260nm的UV。这种波长的UV能通过DNA光 化学变化初步诱导基因突变，使DNA合成延 伸衰减。 • UV诱变最明显的变异是引起DNA同一链上的 两个嘧啶核苷酸共价联结，形成嘧啶二聚体， 其中最常见的是T=T。
转座子和插入序列引起的基因突变
• 生物体内含有一类能从一个位点跳到另一个 位点的可移动的DNA序列，称为转座子 （transposon）或插入序列（insertion sequence）。它们插入基因序列中经常引起 基因功能的失活。如果该基因编码一种重要 的产物，那么就会引起一个突变表型的产生。
不等交换所引起的基因突变
• 减数分裂过程中的重组错误也会产生自发突 变。在正常情况下，配对同源染色体间的交 换是非常精确的，然而，当含有随机重复的 染色体时，就会在重复序列间发生错误配对。 错配区中所发生的重组叫不等交换，这种不 等交换会产生重复和缺失突变。 • 前提条件：染色体上的基因A和基因B的绝大 多数序列是同源的（可以配对），因此在减 数分裂时，这两个基因就可能错配。
史密斯的贡献
• 史密斯的上述方案的实施， 使基因定位突变方法有了 很大变化和发展。揭示蛋 白质功能原理是人们长期 研究的目标。史密斯为实 现这个目标提供了方法， 对生物学和化学研究均具 有划时代的意义。为此， 史密斯因创立寡核苷酸导 向的定位，而与穆利斯同 时获得了1993年诺贝尔化 学奖。史密斯获奖时年已 61岁。
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1993年诺贝尔化学奖获得者-史密斯 个人简介
迈克尔· 史密斯，加拿大化学家。1932年生于英国布莱克 普尔，就读于曼彻斯特大学获博士学位。1958年移居加拿大， 曾任加拿大温哥华大不列颠哥伦比亚大学生物技术实验室主 任。 • 1978年，史密斯提出用一个改变了部分密码子的寡核甘 酸与一个单链质粒载带的蛋白结构基因配对，然后在合适的 宿主细胞中复制扩增，这样就可以得到结构基因发生定位突 变的质粒。于是，当这个突变后的质粒进行基因表达时，就 可以得到含特定氨基酸改变了的蛋白质。其工作原理就是分 子生物学的基本原理：编码基因脱氧核糖核酸(DNA)顺序决 定相应的蛋白质氨基酸顺序，改变特定部位的脱氧核糖核酸 (DNA)顺序，就可以改变相应的蛋白质中的特定氨基酸品种 及排列顺序。
基因突变的后果
• • • • 1.转换和颠换的后果： 错义突变（missense mutation）：密码子的改变引起一个与原来完全不同的氨基酸的改变。 无义突变（nonsense mutation）：当碱基替换使mRNA上的密码子成为终止密码子时，就 出现无义突变。如无义突变出现在基因中间，翻译进行到无义密码子时，肽链停止伸长， 因而无义突变通常产生较大的表型效应。 同义突变（silent mutation）：虽然由于突变密码子不同了，但它们仍然编码相同的氨基 酸，这样蛋白质的结构并没有发生改变。 中性突变（neutral mutation）:虽然由于突变产生了不同的氨基酸，但这个氨基酸与原来 的氨基酸有类似的结构和性质，因而并没有改变蛋白质的性质和功能。另外，中性突变也 可能是由于发生突变的氨基酸对蛋白质的功能并没有重要的作用，因而也就没有引起表型 改变。 2.移码突变的后果： 移码突变包括插入突变和删除突变。插入或删除1或2个碱基对将引起mRNA读码框的改变， 因而引起蛋白序列的较大改变。另外，发生移码后，正常的翻译终止信号消失，蛋白质被 提前或推迟终止，因此所产生的蛋白质将失去活性。 3.缺失突变的后果： 所产生的蛋白质不完整或发生错误，因而多数情况下也将失去活性。
由5-溴尿嘧啶所引起的突变
叠氮胸苷（AZT）
• 是一种治疗艾滋病的药物。它是一种碱基类 似物，能作为T的类似物掺入ＤＮＡ中。ＡＺ Ｔ在病毒ＲＮＡ－ＤＮＡ的阶段是反转录酶 的底物，但在细胞中它却不是ＤＮＡ聚合酶 的合适底物。因此是一种选择性毒物，可以 抑制病毒ＤＮＡ的合成，从而阻断新的病毒 的产生。
在DNA复制中发生的另一种错误形式是DNA环 出，这导致移码突变、小的缺失或增加小的 重复单位等。
人类中DNA跳格突变导致的疾病
• 脆性X染色体综合症（fragile-X syndrome）： 遗传性智力迟钝，男性发病率为1/1200，女 性发病率为1/2500。这种病患者是由于X染色 体上脆性位点随机重复的三核苷酸序列CGG 的数目的增加引起的，推测是由于DNA跳格 加工引起的。此外，患者除了重复单位不同 外，X染色体上还存在缺失或点突变。
碱基的修饰剂改变DNA化学结构从而导致突变 • 有的诱变剂并不是掺入到ＤＮＡ中，而是通 过直接地修饰碱基的化学结构，改变其性质 而导致诱变，如亚硝酸、羟胺、烷化剂（芥 子气、甲基甲黄酸和亚硝基胍等）等。
诱发突变的分子基础
• 自发突变的频率很低，使用诱变剂可以增加 突变的频率。常用的两类诱变剂是放射线和 化学物质。 • 1.射线诱发的突变： • 由于当波长减少时能量增大，因此紫外线比 可见光的能量要高一些，离子射线比非离子 射线的能量大，γ射线比X射线能量大。电离 射线可诱导基因突变和染色体的断裂。
逆向思维-成功的一把金钥匙
第二章 基因突变和表观遗传变异
By Li Gang
什么是逆向思维法？
• 所谓逆向思维法，就是指人们为达到一定 目标，从相反的角度来思考问题，从中引 导启发思维的方法。逆向思维是一种比较 特殊的思维方式，它的思维取向总是与常 人的思维取向相反，比如人弃我取，人进 我退，人动我静等。
1 基因突变的类型
• (1)碱基替换（base-pair substitutions）:一个碱基 对被另一碱基对代替，如GC对替换成AT对。碱基 替换时，如果嘌呤被嘌呤代替，嘧啶被嘧啶代替， 叫做转换（transition）;而嘌呤被嘧啶代替，嘧啶被 嘌呤代替，则叫颠换（transversion）。 • (2)移码突变（frameshift mutation）:增加或减少 一个或几个碱基对（改变的碱基数不是3或3的倍数） 所致，使得该位点后面的RNA序列发生移码，从而产 生无功能的蛋白质。 • （3）基因缺失（deletion mutation）:缺失大片段 DNA（从十几个到几千个碱基）。