基因突变与损伤修复(ppt)
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DNA的损伤和修复ppt课件
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（a）亚硝酸修饰G、C、A；（b）羟基修饰C；（c）甲基磺酸乙酯修饰T（引自Russell,1992）.
3、嵌入染料对DNA的损伤作用
吖啶橙 (Acridine Orange AO) 溴化乙锭 (Ethidium Bromide EB )
扁平染料分子
分子插入
TAO T
-A
TTTCG -
-ATTTTTCG - AO -T
❖ 自由基可导致碱基、核糖、磷酸基的损伤，引起DNA的结构和 功能异常。
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7
（三）化学毒物致DNA损伤
❖ 按其作用原理可分为： 碱基类似物 碱基修饰物 嵌入染料
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8
1、碱基类似物（Base analog）
是指与DNA正常碱基结构类似的化合物,在DNA复制时掺入并与 互补链上碱基配对,从而引起碱基对的置换.
❖ 常见的DNA修复方式：直接修复、切除修复、错配修复和重 组修复
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(一）直接修复
❖ 直接修复
❖
细胞对DNA的某些损伤可以用很简单的方式加以修复
在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成。这种修复
方式叫直接修复。
包括：酶光学复活、嘌呤的直接插入、O6－甲基鸟嘌呤－ DNA甲基转移、单链断裂重接等。
常见的损伤有:碱基脱落、碱基破坏、嘧啶二聚体形成、单链和 双链DNA断裂、DNA交联、DNA-蛋白质交联等。
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（一） 碱基和核糖的破坏
❖ 由于碱基或者核糖的损伤，在DNA链上形成不稳定位点，最 终可导致DNA链的断裂。
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（二）错配
DNA损伤与修复ppt课件
核苷酸切除修复（nucleotide excision repair ）
① 首先，由一个酶系统识别DNA损伤部位；
② 其次，在损伤两侧切开DNA链，去除两个切口之间的 一段受损的寡核苷酸；
③ 再次，在DNA聚合酶作用下，以另一条链为模板，合 成一段新的DNA，填补缺损区；
④ 最后由连接酶连接，完成损伤修复。
缺失或插入都可导致框移突变 。 框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造
成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。
缺失引起框移突变：
正常 5’ ……G C A G U A C A U G U C ……
丙 缬 组缬
缺失C 5’ ……G A G U A C A U G U C ……
谷酪蛋丝
（三）重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病
复制或重组中的碱基 大肠杆菌中的MutH、MutL、MutS，人
配对错误
的MLH1、MSH2、MSH3、MSH6等
双链断裂
RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、 XRCC4
大范围的损伤或复制 RecA蛋白、LexA蛋白、其他类型DNA聚 中来不及修复的损伤 合酶
第三节
DNA损伤和修复的意义
The significance of DNA damage and repair
基因
CTC GAG
镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) β亚基
肽链 N-val ·his ·leu ·thr ·pro ·val ·glu ······C
基因
CAC GTG
（二）缺失、插入和框移突变造成蛋白质氨基酸 排列顺序发生改变
缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子 上消失。
插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插 入到DNA大分子中间。
基因突变及修复课件
将待分离突变株的原 始菌株以合适的稀释 度涂布到野生型菌株 和突变株均能生长的 平板(含完全培养基)， 培养形成单菌落
通过一消毒“印章”将 平板菌落分别原位移 位到含完全培养基的 平板(c)和某一营养物 质缺乏的平板(d)
培养后对照两个平板上形成的单菌落，在完全培养基的平板 (c)上生长而营养物质缺乏的平板(d)上不生长的菌落即所需分 离的突变型，挑选菌落在完全培养基上分离纯化
基因突变及修复
一、基因突变的类型及其分离 二、基因突变的分子基础 三、DNA损伤的修复
基因突变及修复
二、基因突变的分子基础
突变
自发突变
环境因素的影响，DNA复制过程的偶 然错误等而导致，一般频率较低，通 常为10-10~10-6
诱 变 某些物理、化学因素对生物体的DNA
进行直接作用，突变以较高的频率产生
2、诱发突变(induced mutation) 常 用 诱 变 剂
(1) 碱基类似物：5-溴尿嘧啶(胸腺嘧啶类似物)和2-氨基嘌呤(嘌 呤类似物)
(2) 插入染料：插入DNA分子的碱基对，使其分开，导致DNA 在复制过程中滑动→移码突变，如溴化乙锭、吖啶橙等染料
(3) 直接与DNA碱基起化学反应的诱变剂：如亚硝酸、羟胺和烷 化剂等
基本培养基+ 少量组氨酸 +少量诱变剂
原理：(his-)菌株在不含 组氨酸的培养基中不能 生长，或只有极少数的 自发回复突变子生长， 如果回复突变率因某种 化学诱变剂(或待测物) 的作用而增加，那么这 种化学药物可判断为具 有致癌性
基因突变及修复
二、基因突变的分子基础
3、诱变剂与致癌物质——Ames试验
基因突变及修复
一、基因突变的类型及其分离
第五章 DNA损伤修复和基因突变基因突变
•
•
3 基因突变
• 一个正常的生物体叫作野生型（wild type, WT） • 如果DNA发生改变，就会使生物体的某 些性状有所改变，这种改变了性状的生 物体相对于正常的生物体来说，就成为 突变体（mutant）。
• 所有的组织都有可能随机地与环境反应产生 突变，这种突变叫做自发突变（spontaneous mutagenesis）。 • 自发突变的发生率对每个组织来说都是特征 性的，这种特征是背景水平（background lever）的突变。 • 使用了诱变剂的突变叫诱发突变（induced mutagenesis）。
•
¾2.1.2错配修复系统
• 错配修复(mismatch repair）对DNA复制忠 实性的贡献率达10-2-10-3 ，DNA子链中的错 配几乎完全被修正，这充分反映了母链的 重要性。 • 该系统识别母链的根据来自Dam甲基化酶， 它能使位于5‘GATC序列中腺苷酸的6N位甲基 化。
• 一旦复制叉通过复制起始位点，母链就会 在开始DNA合成前的几秒至几分钟内被甲 基化。 • 只要两条DNA链上碱基配对出现错误，错 配修复系统就会根据“保存母链，修正子 链”的原则，找出错误碱基所在的DNA链， 并在对应于母链甲基化腺苷酸上游鸟苷酸 的5’位置切开子链，再根据错配碱基相对 于DNA切口的方位修复路径，合成新的子 链片段。
次黄嘌呤
Lac I，复制平均错误率10-9 DNA复制中的错误水平10-7—10-11 研究发现有一些基因的突变可以大 大提高整个基因组其它基因的突变率，这些 基因被称为增变基因(mutator genes)。
多个碱基改变造成的突变
转座子插入、重组错误
•
突变如何对表型产生影响
同义突变（synonymous mutation）指没有改变 产物氨基酸序列的密码子变化，与密码子的简 并性有关。 错义突变 （ missense mutation ）指碱基序列的 改变引起了产物氨基酸序列的改变。 无义突变（nonsense mutation或null mutation)指 某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变 为蛋白质合成的终止密码子，导致肽链合成过 早终止。
DNA的损伤修复及突变PPT课件
•47
着色性干皮病（xeroderma pigmentosis，XP） 是一种切除修复有缺陷的遗传性疾病。
在研究其发病机制时，发现一些相关的基 因，称为 XPA、XPB、XPC等。这些基因的表达产物起辨认 和切除损伤DNA作用的。
XP病人是由于XP基因有缺陷，不能修复紫外 线照射引起的DNA损伤，因此易发生皮肤癌。
•19
➢ DNA链断裂 脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而导致DNA链断裂。 一条链断裂称单链断裂（single strand broken）； DNA双链在同一处或相近处断裂称为双链断裂（double strand broken ）。
•20
➢交联（binding） 同一条DNA链上或两条DNA链上的碱基间以共价
烷化剂的种类很多，常见的有甲磺酸乙酯（EMS）、 亚硝基胍（NG）和芥子气等。
•27
EMS能使鸟嘌呤的 N位置上有乙基，成为7一 乙基鸟嘌呤。与胸腺嘧啶配对，故能使G-C转换成 A-T。
烷化剂的另一作用是脱嘌呤。例如烷基在鸟嘌 呤N位上活化糖苷键引起断裂，使嘌呤从DNA链上 脱掉，产生缺口。复制时，与缺口对应的位点上可 能配上任一碱基，从而引起转换或颠换；而且去嘌 呤后的DNA容易发生断裂，引起缺失或其他突变。
•46
• 管理基因( caretaker genes) : 执行DNA的损伤修复， 维持基因组的完整性。如着色性干皮病的修复基因 XPA→XPF。
• 看门基因( gatekeeper genes) : 控制细胞信号传导， 调控细胞的增殖、分化和凋亡。如p53、patched基 因和ras等。皮肤癌的发生与看门基因突变关系密 切。
移码突变： 由于插入或缺失突变引起DNA的阅读框（ORF）
发生改变，从而产生不同蛋白质的过程。
着色性干皮病（xeroderma pigmentosis，XP） 是一种切除修复有缺陷的遗传性疾病。
在研究其发病机制时，发现一些相关的基 因，称为 XPA、XPB、XPC等。这些基因的表达产物起辨认 和切除损伤DNA作用的。
XP病人是由于XP基因有缺陷，不能修复紫外 线照射引起的DNA损伤，因此易发生皮肤癌。
•19
➢ DNA链断裂 脱氧核糖破坏或磷酸二酯键断开而导致DNA链断裂。 一条链断裂称单链断裂（single strand broken）； DNA双链在同一处或相近处断裂称为双链断裂（double strand broken ）。
•20
➢交联（binding） 同一条DNA链上或两条DNA链上的碱基间以共价
烷化剂的种类很多，常见的有甲磺酸乙酯（EMS）、 亚硝基胍（NG）和芥子气等。
•27
EMS能使鸟嘌呤的 N位置上有乙基，成为7一 乙基鸟嘌呤。与胸腺嘧啶配对，故能使G-C转换成 A-T。
烷化剂的另一作用是脱嘌呤。例如烷基在鸟嘌 呤N位上活化糖苷键引起断裂，使嘌呤从DNA链上 脱掉，产生缺口。复制时，与缺口对应的位点上可 能配上任一碱基，从而引起转换或颠换；而且去嘌 呤后的DNA容易发生断裂，引起缺失或其他突变。
•46
• 管理基因( caretaker genes) : 执行DNA的损伤修复， 维持基因组的完整性。如着色性干皮病的修复基因 XPA→XPF。
• 看门基因( gatekeeper genes) : 控制细胞信号传导， 调控细胞的增殖、分化和凋亡。如p53、patched基 因和ras等。皮肤癌的发生与看门基因突变关系密 切。
移码突变： 由于插入或缺失突变引起DNA的阅读框（ORF）
发生改变，从而产生不同蛋白质的过程。
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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
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。
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。
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。
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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
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)
碱基的增加 或缺失
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
2、根据功能
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。
基因突变与损伤修 复(ppt)
优选基因突变与损伤修复
突变的一般特征
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
正向突变u 回复突变v
通常情况下：u>v
隐性a
突变的多向性
基因突变的方向不定的，可以多方向 发生。例如：A可以突变为a1、a2、a3`````
紫外线
DNA受到大剂量紫外 线（260nm）照射时，同一 条链上相邻的嘧啶以共价 键连成二聚体；TT, CC, CT之间都可形成二聚体。
4、基因定点突变
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 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。
复制时，U与A配对、H和X都与C配对会 导致子代DNA序列的错误变化。
（2）脱嘌呤与脱嘧啶 (碱基丢失)
自发水解使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落。 哺乳类动物细胞，在30ºC下，20h内DNA链自发脱落嘌呤约1000个， 嘧啶约500个。
n 氧化损伤
细胞呼吸的副产物O2-, H2O2造成DNA损伤，产 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DNA单链断裂等损伤; 这些损 失的积累可导致老化。
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
转换：Py-Py、Pu-Pu间的转换，多见。 碱基的替换
n 寡核苷酸诱导的基因定点突变 将某基因克隆到质粒载体中，人工合成含有突变
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PCR扩增 ；经DpnI酶切DNA；将突变DNA转入受体，筛选重组子 即可得到特定位点发生突变的基因。
n 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DNA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 处的一个引物进行PCR扩增，两个PCR扩增产物混合， 延伸后就可获得有特定位点图变得基因。
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
frameshift
3.碱基损伤
复等位基因：位于同一个基因位点上的 各个等位基因。
果蝇（W+）
白眼（w） 血红眼（wbl） 樱红眼（we） 杏红眼（wc） 珍珠色眼（wp） 浅黄眼（wj） 微色眼（wb）
密色眼（wh）
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
பைடு நூலகம்代谢关系打乱
生育 反常 致死
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。
基因突变与性状表现
1、基因突变的性状变异类型
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 1943年，S.Luria和Delbruck 进行的波动 试验 平板影印培养试验
自发突变的机制
自发损伤 自然状态下DNA的损伤 脱氨基、脱嘌呤及脱嘧啶
（1）碱基的脱氨基作用
碱基的环外氨基自发脱落，C变为U，A 变为次黄嘌呤（H），G变为黄嘌呤（X） 。
获得性突变（gain of function mutation）
三.点突变的分子效应
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
错义突变（missense mutation）：一个氨基 酸的密码子被另一个氨基酸密码子所取 代。
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。
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。
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。
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。
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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
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)
碱基的增加 或缺失
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
2、根据功能
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。
基因突变与损伤修 复(ppt)
优选基因突变与损伤修复
突变的一般特征
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
正向突变u 回复突变v
通常情况下：u>v
隐性a
突变的多向性
基因突变的方向不定的，可以多方向 发生。例如：A可以突变为a1、a2、a3`````
紫外线
DNA受到大剂量紫外 线（260nm）照射时，同一 条链上相邻的嘧啶以共价 键连成二聚体；TT, CC, CT之间都可形成二聚体。
4、基因定点突变
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 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。
复制时，U与A配对、H和X都与C配对会 导致子代DNA序列的错误变化。
（2）脱嘌呤与脱嘧啶 (碱基丢失)
自发水解使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落。 哺乳类动物细胞，在30ºC下，20h内DNA链自发脱落嘌呤约1000个， 嘧啶约500个。
n 氧化损伤
细胞呼吸的副产物O2-, H2O2造成DNA损伤，产 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DNA单链断裂等损伤; 这些损 失的积累可导致老化。
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
转换：Py-Py、Pu-Pu间的转换，多见。 碱基的替换
n 寡核苷酸诱导的基因定点突变 将某基因克隆到质粒载体中，人工合成含有突变
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PCR扩增 ；经DpnI酶切DNA；将突变DNA转入受体，筛选重组子 即可得到特定位点发生突变的基因。
n 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DNA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 处的一个引物进行PCR扩增，两个PCR扩增产物混合， 延伸后就可获得有特定位点图变得基因。
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
frameshift
3.碱基损伤
复等位基因：位于同一个基因位点上的 各个等位基因。
果蝇（W+）
白眼（w） 血红眼（wbl） 樱红眼（we） 杏红眼（wc） 珍珠色眼（wp） 浅黄眼（wj） 微色眼（wb）
密色眼（wh）
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
பைடு நூலகம்代谢关系打乱
生育 反常 致死
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。
基因突变与性状表现
1、基因突变的性状变异类型
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 1943年，S.Luria和Delbruck 进行的波动 试验 平板影印培养试验
自发突变的机制
自发损伤 自然状态下DNA的损伤 脱氨基、脱嘌呤及脱嘧啶
（1）碱基的脱氨基作用
碱基的环外氨基自发脱落，C变为U，A 变为次黄嘌呤（H），G变为黄嘌呤（X） 。
获得性突变（gain of function mutation）
三.点突变的分子效应
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
错义突变（missense mutation）：一个氨基 酸的密码子被另一个氨基酸密码子所取 代。
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。