5分子生物学第五章-基因突变和修复

• (1) 亚硝酸（introus acid, NA）有氧化脱氨作用
HNO2
胞嘧啶（C）
尿嘧啶（U）
HNO2
腺嘌呤（A）
HNO2
鸟嘌呤（G）
次黄嘌呤（H） 黄嘌呤（X）
2、产生原因：
➢ 自然界的各种辐射 ➢ 环境中的化学物质 ➢ 环境中的生物因素 ➢ 生物体内的DNA复制错误 ➢ DNA自发损伤和修复能力的缺陷 ➢ 转座因子的作用
3、自发突变的机制
• (1) 背景辐射和自然环境因素的诱变。不少“自发突变” 实质上是由一些原因不详的低剂量诱变因素长期的综 合效应导致。
NH2
O
H3C
H3C
H
N
N
Deamination
HNO
HNO
5-methyleytosine (5mC)
Thymine (T)
Fig.21- Deamination of 5-methylcytosine to thymine.
脱嘌呤
A
A
AT GT C
TACAG
AT GT C TACAG
A AT GGC TACAG
islands) 2. Depurination (脱瞟呤作用) : break of the glycosylic bond by
hydrolytic reaction > non-coding lesion.产生无瞟呤AP位点 3. Depyrimidination (脱嘧啶作用) : rare
5-mC是生物 体内的突变 热点？!
•5-甲基胞嘧啶
•胸腺嘧啶
•保护系统无 法识别这样 的变化
•氧化脱氨基反应 •脲嘧啶
•脲嘧啶—DNA—糖苷酶， 将脲嘧啶残基除去。
•修复系统”将一个C碱 基插入与之配对
C突变为U 不是生物 体内的突 变热点？!
（二）诱发突变(spontaneous mutataon) 1、定义
嘌呤(8-O-G)或“ GO”， • GO可和A错配，导致G→T。
Oxidative damage (氧化损伤）
Reactive oxygen species (ROS) presents in all aerobic需氧cells. Superoxide过氧化物 hydrogen peroxide过氧化氢 Hydroxyl radical (•OH)羟基
3’
5’
AGT TT T GC
TCAAAACG
3’
A
5’ 3’
新链上插入一个碱基
T
3’
AGT TT TT GC
TCAAAAACG
5’
图 21－4 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)
诱发突变简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理、 化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。
所有能诱发基因突变的因子，称为诱变剂(mutagen)。
2、诱发突变的机制
（1）碱基的置换 转换transition：即DNA链中的一个嘌呤被另一个
嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换 颠换transversion：即一个嘌呤被另一个嘧啶或是
• 遗传学研究中，将自然界中普遍出现的性状 或指定实验用的某一品系的性状，作为“野 生型”或“正常”的性状。与这种性状相关 的等位基因称为野生型等位基因，一般记为+， 或a+，b+等。
• 任何不同于野生型等位基因的称为突变型等 位基因
• 从野生型变为突变型，称为正向突变 (forward mutation)；反之，从突变型也可变 回成野生型，则称为回复突变(back mutation) 或逆向突变(reverse muta—tion)。
Cytosine deamination and repair deamination
--ATGCTACG---TACGATGC--
--ATGCTACG---TACGATGC--
--ATGUTACG---TACGATGC--
Uuracil DNA glycosylase U
--ATG TACG---TACGATGC--
碱基的置换
• 终止密码突变(termination codon mutation)：当 DNA分子中一个终止密码发生突变，成为编码氨基 酸的密码子时，多肽链的合成将继续进行下去，肽 链延长直到遇到下一个终止密码子时方停止，因而 形成了延长的异常肽链。也称为延长突变 （elongtion mutation）或通读突变(read-through mutation)。
Mutations are concentrated at hotspots
Spontaneous mutations occur throughout the lacI gene of E. coli, but are concentrated at a hotspot.
•自发突变具有突变热点，不同突变剂也有其各自的突变热点。
Oxidation products The levels of oxidation can be increased by hydroxyl radicals from
the radiolysis of H2O caused by ionizing radiation. 离子辐射使水分解产生羟基，增加氧化作用
一、基因突变的结构
• 突变mutation: 在基因组的某一特定区域核 苷酸序列发生改变而引起的基因型稳定的可 遗传改变。
• 突变体mutant：带有某一特定突变基因的基 因组、细胞或个体。
• 染色体突变和基因突变、基因外突变
Fra Baidu bibliotek
• 基因突变是指基因的一种等位形式变成另一 种等位形式,突变是相对于正常而言的
Chapter 5 Gene mutation and DNA repairing
第五章 基因突变与修复
第一节 基因突变 第二节 顺反子和突变互补 第三节 突变修复
第一节 基因突变 Mutations change the sequence of DNA
突变改变DNA顺序
Mutations can be induced by chemical modification of a base.
• (2) 微生物自身有害代谢产物的诱变。活性氧是普遍存 在于微生物体内的一种代谢产物，它们可能是自发突 变中的一种内源诱变剂。
• (3)由DNA复制过程中碱基配对错误引起。据统计， DNA链每次复制中，每个碱基对错误配对的频率是107～10-11，而一个基因平均约含1000 bp，故自发突变 频率约为10-6。因此，若对细菌做一般液体培养时， 因其细胞浓度常可达到108个/ml，故经常会在其中产 生自发突变株。
• 7、可逆性：任何性状既有可能正向突变，也有可能发生回复 突变，两者发生的频率基本相同
三、自发突变(spontaneous mutataon)和 诱发突变(induced mutation)
（一）自发突变(spontaneous mutataon)
1、定义 指生物体在无人工干预下自然发生的 低频率基因突变 。
和亚硝酸、羟胺和各种烷化剂，如硫酸二乙酯 （DES）、甲基磺酸乙酯（EMS）、N-甲基-N′-硝 基-N -亚硝基胍（NTG）、乙烯亚胺、环氧乙酸、 氮芥等碱基的修饰剂
• 它们可与一个或几个碱基发生生化反应，引起DNA 复制时发生转换。能引起颠换的诱变剂很少。
紫外线诱发胸苷二聚体
O
H N
O
CH3 H N
DNA复制错误
A AT GT C TACAG
A
AT GT C
TACAG
AT GT C TATAG
A AT GT C TACAG
AT GT C TATAG
AT GT C TACAG
AT GT C TACAG
a.环状突出效应
• 有人提出，在DNA的复制过程中，如果其中某一单 链上偶然产生一个小环，则会因其上的基因越过复 制而发生遗传缺失，从而造成自发突变。
AT GT C TACAG
AT GT C TACAG
AT GGC TACCG
AT GCC TACAG
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
表 21-2 点突变的类型(以 Tyr 的密码子为例)
无义突变 DNA TAC→TAA , TAG
↓↓↓↓ RNA UAC UAA UAG
↓↓↓↓ aa Tyr Och Amb
同义突变 TAC → TAT
↓↓ UAC UAU
↓↓ Tyr Tyr
错义突变
TAC→ TCC
↓
↓
UAC UCC
↓
↓
Tyr Ser
Spontaneous DNA lesions
1. Inherent chemical reactivity of the DNA 2. The presence of normal, reactive chemical species within
the cell
1. Deamination (脱氨作用）: • CU (may be removed by Uracil DNA glycosylase) • methylcytosine m5C T （normal residue）（in CpG
•野生型等位基因和突变型等位基因的适合 度fitness(生存和繁殖的能力)不同
二、基因突变的特点
• 1、不对应性。突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应 关系
• 2、自发性。在没有人为诱发因素的情况下，各种遗传性状的 改变可以自发地产生。
• 3、稀有性。自发突变的频率较低，而且稳定，一般在10-6～ 10-9 间。
• a.转换transition：即DNA链中的一个嘌呤被 另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换
• b.颠换transversion：即一个嘌呤被另一个嘧 啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换。
A
G
T
C
转换 颠换
碱基的置换
• 同义突变（same-sense or synonymous mutation）：由于密码子具有兼并性，单个碱基置 换后并没有引起肽链中氨基酸序列的改变。同义突 变不易检出。
• 抑制基因突变（suppressor gene mutation）：当 基因内部不同位置上的不同碱基发生了两次突变， 其中一次抑制了另一次突变的遗传效应。
直接引起置换的诱变剂
• 可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂 • 在体内或离体条件下均有作用 • 包括放射线(紫外线、 X-射线、 γ射线、 宇宙射线)
UV
O
O
CH3
H
CH3 CH3
H
N
N
O
NH
ONH
O N HH N O
Thymine
Thymine
Thymine dimer
OO
4
5
4
5
3
6
62
1
Fig. 21- Production of thymine dimer by ultraviolet light irradiation.
• 碱基的修饰剂
• 4、独立性。某一基因的突变，即不提高也不降低其他任何基 因的突变率。突变不仅对某一细胞是随机的，且对某一基因也 是随机的。
• 5、可诱变性：通过各种物理、化学诱变剂的作用，可提高突 变率，一般可提高10～105倍。
• 6、稳定性：突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化， 所以产生的新性状也是稳定的和可遗传的。
一个嘧啶被另一个嘌呤所置换。 （2）移码突变 指诱变剂会使DNA序列中一个或少 数几个核苷酸发生增添(插入)或缺失，从而使该部 位后面的全部遗传密码发生转录和翻译错误的一类 突变。 （3）染色体畸变 包括染色体结构上的缺失、重复、 插入、易位和倒位，和染色体数目的变化。 （4）转座因子:
• （1）碱基的置换
• 如果是模板链出现环出现象，会产生缺失突变 • 如果是正在合成的子链出现环出现象，会产生插入
突变
新链 5’
3’
AGTT
模板链 3’
TCAAAAACG
5’ 新合成链环出
5’
3’
5’
T
3’
AGTT
AGT TT T
TCAAAACG
TCAAAAACG
3’
A
5’ 3’
5’
模板链环出 新链上缺失一个碱基
5’
• 错义突变（missense mutation）：DNA分子中的 核苷酸置换后改变了mRNA上遗传密码，导致合成 的多肽链中一个氨基酸被另一氨基酸所取代。
• 无义突变（non-sense mutation）：当单个碱基置 换导致出现终止密码子时，多肽链将提前终止合成， 所产生的蛋白质（或酶）大都失去活性或丧失正常 功能。