基因组学第12章

动态突变—三核苷酸扩张
三 核 苷 酸 扩 张 机 制
DNA单链的非对称性进化
1）DNA双链的非对称性复制导致延滞链突变率提高 其一， 延滞链的复制总比先行链慢一拍，要求很长的一段单链暴 露，增加了延滞链模板受到伤害的机会。其二，延滞链采 取冈畸模型复制，在引物除去后由DNA多聚酶I填补空隙。 DNA多聚酶I的碱基选择活性及校读能力均比DNA多聚酶 III差。 2）单向复制使暴露链突变率增加 人细胞线粒体DNA的两条 单链有重链（heavy strand，H）和轻链（light strand，L） 之分。重链暴露状态要持续较长时间，受损伤的可能性大 大增加。 3）转录的非对称性使非转录链突变率升高 非转录链则保持 短暂的单链暴露状态，增加了碱基突变的可能。细菌，酵 母和哺乳动物中均有转录偶联修复系统。非转录链缺少相 应的修复机制。转录状态使非转录链脱氨基比例增加4倍。
重 组 时 DNA 单 链 侵 入 同 源 双 链
RecA 与 DNA 结合后形成一个蛋白质包裹的 DNA 纤 丝，侵入同源双螺旋 DNA形成D环结构。 D环 的中间产物是一个三链（triplex），侵入的多聚 核苷酸位于完整的双螺旋主沟内并与其配对的核 苷酸碱基建立氢键连接。
分叉前移的机制
SOS倾向差错修复机制
在复制遇到缺碱基伤口 （X）时，DNA多聚酶III 全酶（polIII，由催化核 心，β夹板和γ复合体组 成）停滞不前。RecA蛋白 与伤口下游的单链DNA结 形成核酸蛋白纤丝。 UmuD’2C复合物在核酸 蛋白纤丝不同位置结合， 但只有结合在断口附近的 复合物才组成突变体 (mutasome)，它们由 UmuD’2C，polIII， RecA等组成。突变体协助 复制装置通过伤口，并在 缺碱位置优先掺入dAMP （A）.
（1 ）
RecBCD 酶与线性分子的未端结合然后解旋，随后朝 前寻找第一个 8碱基基序 5‘GCTGGTGG3’，又称 叉点（chi site）。大肠杆菌基因组平均6 kb有一个 叉点。 RecBCD 的核酸酶在离叉点 3’ 端约 56 个核苷 酸处切开单链产生游离单链未端，然后侵入基因组 同源区段内部。
DNA修复
大多数细胞都有4种不同的DNA修复系统： 错配修复 该系统修复复制中发生的差错，切除 含错误碱基的DNA单链，然后再将缺口补平。 碱基切除修复 将碱基受损的核苷酸周围一段核 苷酸切除，然后再通过 DNA多聚酶重新合成。 核苷酸切除修复 与碱基修复系统类似，只是切 除的受损DNA范围更大。 重组修复 用于修复断裂的双链。
第12章 基因组进化的分子机制
1) 突变 2) 重组 3) 转座
基因组突变的类型
1) 染色体水平的突变 染色体组变异---倍性改变 染色体数目变异---单体, 缺体, 三体, 非整倍性 染色体重排---倒位, 易位, 区段重复, 区段缺失 2) DNA水平的突变 碱基代换, 碱基缺失, 碱基插入, 顺序重复, 一般将DNA碱基顺序的突变称之位点突变.
误导掺入
In tautomerization, for example, an amino group (-NH2), usually an H-bond donor, can tautomerize to an imino form (=NH) and become an H-bond acceptor. Or a keto group (C=O), normally an H-bond acceptor, can tautomerize to an enol C-OH, an H-bond donor.
DNA重组
DNA重组有两种方式： 1）同源重组； 2）双链断裂重组。
染 色 体 配 对 与 交 叉
同源姐妹染色体的交换与重组产生的表型 改变称为变异. 变异不涉及基因或染色体的 突变, 但能提供大量的基因型, 是重要的进 化动力之一.
同 源 重 组 Holli day
模 型
大 肠 杆 菌 同 源 重 组 过 程
复制时延滞链暴露的时间更长
非对称性复制引起的突变
线粒 体
DNA
的单 向复 制与 突变
突变率与生物复杂性
1）这是一个意味深长的话题。现存生物，包括低等生物 和高等生物基因组的自发突变率约为10-9，这是各种 因素综合作用的结果。有理由相信，突变率一定经历 过自然选择。 2）每个基因都有积累突变的风险，由于大多数突变都是 有害的，因此生物含有的基因数越多，发生突变的机 率越大。 3）平均突变率为生物的复杂性设定了一个上限。群体遗 传学家估计，根据DNA复制的忠实性，哺乳动物含有 的基因数不会超过60 000。换句话说，如果DNA突变 率维持在10-8，生物结构的复杂性只到果蝇为止。
复制差错造成点突变的原因
错配突变 从化学角度来看，碱基互补的方式并不特别精确。 根据概率计算，纯化学的碱基配对差错率为5-10%。 误导掺入 每一种核苷酸都有二种互变异构体（tautomer）， 它们处在动态平衡中。如果复制叉经过某一胸腺嘧啶碱基， 而后者又恰恰处在烯酮式异构体时，就会发生一次错配。 因为烯酮式胸腺嘧啶更趋向于与G而不是与A配对。稀有的 亚氨基腺嘌呤异构体优先与C而非与T配对，烯醇鸟嘌呤异 构体优先与胸腺嘧啶T配对。 滑序复制 如果模板中含有较短的重复顺序，特别容易在原 位发生插入和缺失突变，起因于重复顺序的滑序复制 （replication slippage）。滑序复制使基因组在许多位点出 现动态的重复顺序数量变化，造成子代群体在同一位点产 生许多不同的等位形式。滑序复制是动态突变的主要原因.
引起突变的因素
1) 化学因素 化学诱变剂: 烷化剂, 硝酸盐类, 苯酚类 2) 物理因素 放射线, 紫外线. 3) 生物因素 DNA修复酶基因突变可引起许多突变
突 变 的复
1）许多生物种属都有一些专门负责损伤DNA复制的 多聚酶，它们可在特定的条件下以倾向差错或 无差错方式复制DNA。目前已在人细胞中发现具 有倾向差错复制的DNA多聚酶η (eta)，该酶如 发生突变，可引起着色性干皮病，这是一种皮 肤癌。 2）生物之所以选择这种高突变率的修复系统可能 同进化有关，倾向差错DNA复制在遭遇不利的生 存环境时能增加突变获得更多的多样性，使种 群得以繁衍。
大肠杆菌适应性突变（或称定向突变）
1）大肠杆菌的一个品系在乳糖操纵子中有一移码突变，不 能利用环境中的乳糖。当这些细胞涂抹到只有乳糖的培 养基上时，可发现正常生长的细胞，说明在乳糖操纵子 中发生了第二次突变，恢复了野生型表型。具有这种效 应的突变频率远高于预期值，也高于基因组中其它区域 的平均突变率。 2）上述实验提出一个饶有兴趣的观点，即细菌可以发生定 向突变以适应它们所遇到的选择压力。换句话说，环境 可直接影响生物的表型，如拉马克曾经主张的那样，其 所蕴含的非达尔文主义的观点引起了广泛而激烈的争论。
动物中多倍体物种及为罕见
多细胞动物基因组缺少多倍体的原因可能同动物 的发育模式有关。动物的发育为封闭式, 胚胎 发育时几乎所有未来的器官原基均在同一时间 产生，需要高度协调。多倍体带来的基因剂量 的不平衡会对动物胚胎发育产生致命的影响。 植物的发育是开放式的, 营养器官可以不断地重 复地产生, 生殖器官与营养器官是同源的。此 外植物细胞可直接从外界吸收营养, 绝大多数 细胞都有叶绿体，可以独立进行光合作用获取 能量，降低了器官和组织彼此间相互依赖的程 度。植物这种相对独立的生长发育模式, 可以 忍受多倍体带来的基因剂量不平衡影响，减轻 自然选择的压力。
DNA
修复 的类 型及 其所 需蛋 白质
错 配 修 复
复制时如果发生了碱基错配掺入, 细胞可以根据是否甲 基化来确定哪条DNA单链是新合成链, 从而判别错配的 碱基位置, 并启动修复机制切除错配碱基.
碱 基 切 除 修 复
核 苷 酸 切 除 修 复
光 致 复 活 修 复
复 制 损 伤 修 复
SOS倾向差错修复的调控
LexA蛋白抑制SOS系统基因的表达. LexA蛋白具蛋白酶活 性, RecA蛋白可激活LexA, 使其自我降解, 解除抑制.
DNA损伤时LexA蛋白应激反应
The SOS response is activated when the replication fork stalls and RecA protein binds to exposed ssDNA (or UV-damaged dsDNA). The RecA protein:DNA complex binds a protein, LexA. The LexA protein has proteolytic
叉点前移在5‘-A/TTG/C-3’顺序优先停止,该顺序在大肠杆菌基因组中 经常出现. 当RuvAB复合物离开叉点后, 两个RuvC蛋白取而代之,并完 成Holliday结构的解体任务. 交叉DNA中的异源配对双链必需交互切 割才能彼此分开, 切割事件在5‘-A/TTG/C-3’顺序的T和G/C之间.
染色体组变异---倍性改变
1)已知高等植物中约30-50%的物种为多倍 体. 根据被子植物和裸子植物代表性物 种EST数据的比较分析推断，现存被子 植物共同祖先的基因组曾经经历过一次 全基因组的加倍。 See: Cui L et al. Widespread genome duplications throughout the history of flowering plants, Genome Research, 2006, 16:738-749. 2)动物中多倍体物种及为罕见.
activity, and its binding induces a conformational change that causes LexA protein to cleave itself. Because LexA protein blocks expression of many genes encoding a set of proteins mediating error-prone replication, LexA protein’s self-destruction leads to synthesis of these proteins. These proteins then assemble at the lesion and form a mutasome, an errorprone replication apparatus that allows DNA polymerase to replicate past the lesion.