基因组进化

引发激烈争论：”环境影响生物的表型”, ”生物对环境作出响应发生程序性突变”
1.4 DNA修复
DNA的修复系统：
♫ 碱基切除修复 将受损的核苷酸碱基周围一段核苷酸切除，然后通 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，涉及更多极端损伤的类型 ♫ 错配修复 ♫ 重组修复
碱基异构式引起DNA复制的错配
正确配对 A(a) T(k) C(i) C(a) G(k) G(k) G(e) C(a) T(e) T(k) A(i, anti) G(e,i, anti) G(k, syn) A(a, syn)
错误配对 A(a) A(i) A(i, anti)
A(a, syn) G(k, syn)
C(a)
HO
HO
C(i) A(a)
• 嵌合剂的致突变作用
吖啶橙 (Acridine Orange AO) 溴化乙锭 (Ethidium Bromide EB ) 分子插入 TAO T -A TTTCG -T AAAGC-ATTTTTCG - AO -TAAAAAGCEB -AT EB TTTTCG-TA X AAAAGC 结果产生－－－移框突变
酮式到烯醇 式的转变
AGCTBCCTA TCGAGGGAT
H
O
Br
:A
第二轮复制
AGCTBCCTA TCGAAGGAT AGCTCCCTA TCGAGGGAT
酮式Keto 5-BrU
A· TG· 转变 C
烯醇式渗入为
G· CA· 转变 T
• 碱基的化学修饰导致突变
又称化学突变剂：
亚硝酸（nitrous acid HNO2）
MCE (mismatch correct enzyme) 3 subunits mutH, L, S
识别新生链中非 m6A 的GATC序列
扫描新生链中错配碱基 酶切含错配碱基的新生DNA区段
♪ 修复过程
a、MutH/MutS 扫描识别错配 碱基和邻近的GATC序列 切点－－甲基化GATC中 G的5’侧 甲基化程度的差异
uvr arec aU.V 计量
该 系 统 存 在 的 实 验 证 据
★ Rec-A. gene 以某种方式参与DNA损伤修复
♦ Rec修复系统比切除修复系统更有效 目前知道 ♫ Uvr系统负责切除二聚体 ♫ Rec系统负责消除没有被切除的二聚体 可能造成的后果
碱基切除修复
核苷酸切除修复 • 复制前进行 • 不易出错 •UvrA, B, C gene
碱基切除修复
核苷酸切除修复核
苷 酸 切 除 修 复
内切核酸酶
（Endonucleases） 外切核酸酶
（Exonuclease）
• DNA pol • Ligase
错配修复
♪ 校正校正活性所漏校的碱基, 使复制的保真性提高102～103倍
脱嘌呤
造 成 的 突 变 ： 碱 基 替 代 、 缺 失 、 重 复 、 移 框
1.2 突变的效应
◙ 突变对基因组的影响 同义突变：没有改变产物氨基酸序列的密码子 错义突变：碱基序列的改变引起了氨基酸序列的改变 （中性突变、渗漏突变: 表型介于野生型与完全突变型之间） 无义突变：碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变 为蛋白合成的终止密码子 连读突变：与终止突变正好相反，终止密码子变成指 令某一氨基酸的密码子，使翻译继续进行
错误碱基
SOS 修复只是SOS反应的一部分
RecA在SOS反应
中起核心作用
RecA受LexA的 部分抑制
RecA与LexA组 成调控环路 DNA 损伤
RecA-P; 三种功能 a、 DNA 重组活性 b、 与S.S. DNA结合活性 c、 少数蛋白的proteinase活性
当DNA正常复制时
（无复制受阻，无DNA损伤， 无TT dimer）
G(e,i, anti)
碱基异构式引起DNA的错配突变
A(a) C(i)
A(a) T(k)
G(k) C(a) C(i)
A(a, anti)
T(k, anti)
A(i, anti) G(k, syn)
C(a, anti) G(k, anti) syn)
滑序复制
1.1.2 化学因素引起的损伤
• 碱基类似物（Base analog）
RecA-p不表现proteinase活性
当DNA复制受阻/ DNA damaged
细胞内原少量表达的RecA-p
与S.S, DNA结合
激活RecA-p的proteinase活性 修复损伤 LexA-p降解 RecA-p高效表达 当DNA复制度过难关后 SOS open
RecA-p很快消失
LexA gene on
DNA诱变剂及相应的损伤类型
◙ 突变对多细胞生物的影响
♫ 多细胞生物的细胞有2种类型：
体细胞 －－不参与世代间的遗传事件 种质细胞－－负责将遗传物质传递给下一代 ♫ 多细胞突变产生的影响： 体细胞－－ 仅限其本身、不会影响后代及进化； 即使死亡，也有同类型的体细胞存在； 引起细胞无限增值的突变，使细胞分裂 失去控制，产生肿瘤； 种质细胞－－当代不会对个体表型产生重要影响， 局限于很小的器官； 可以传递给下一代，使子代个体所有细 胞都含有从亲代继承的突变；
羟胺（hydroxylamine HA） 甲磺酸乙酯（ethyl mathanesulfonate EMS） N-甲基-N’-硝基-N-亚硝基胍 （N-mathyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidion NNG）
NH2OH (Hydroxylamine HA 羟胺) HNH H HA O H H H H N O HNH H H H H N HN N H O
♫ 多细胞生物的突变效应分为2类：
功能丧失：使蛋白质的活性降低或丧失(显性、隐性)； 显性导致遗传病，如Marfan综合症，产生异常 的结缔组织蛋白原纤维蛋白； 功能增益：突变提供一种异常蛋白质活性； 一般为显性； 多发生在调控区,如使1个或多个基因在错误的 组织中表达,导致细胞功能紊乱，或控制细胞周期的一 个或几个基因的过量表达,使细胞分裂失控引发癌症;
重组可导致部分基因组的重构。
1. 突变 1.1 突变的机制
♦
自发性损伤(复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、
自发脱碱基、 细胞的代谢产物对DNA的损伤)
♦
♦
物理因素引起的损伤(电离辐射、紫外线、热诱变等)
化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物、嵌入试剂等）
1.1.1 自发性损伤 复制错误是突变的基本来源 错配突变 纯化学的碱基配对差错率为：5％～10％
基因组进化的分子基础:
突变
重组
转座
本章主要内容
♫ 基因组进化的分子基础 ♫ 突变的分类及作用效应 ♫ 同源重组的简单过程及Holliday结构形成 的分子机制 ♫ 转座子的分类及作用机理
突变是小范围的核苷酸序列的改变。
突变引起的遗传改变能引起蛋白质中氨基酸 序列的变化，该变化引起表型的改变，通过 自然选择发生作用。
a. How do DNA and protein molecules evolve? b. How are genes and organisms evolutionarily related?
2. Population genetics focuses on changes between generations. Molecular evolution considers the hundreds or thousands of generations needed for speciation, where small departures from Hardy-Weinberg equilibrium, random effects and slight differences in fitness can become very significant.
扁平染料分子
-ATTTCG -TAAAGC-ATX’TTTTCG-TAX AAAAGC-
物理因素引起的损伤
♪ 紫外线的致突变作用 ∧ ---嘧啶二聚体 (TT dimer )
…C T T A…
U.V.
U.V.
脱氨氧化 C U.V. H 2O H+ + OHU A(a)
C(a)
C(i)
A(a)
U.V.
5-溴尿嘧啶(BrU) 5-Bromine Uracil 2-氨基嘌呤(AP或2-AP) 2-Amino purine NH2 O
O
Br
OH
H
O
Br
AGCTTCCTA TCGAAGGAT
:G
酮式5-BrU的渗入
AGCTBCCTA TCGAAGGAT
烯醇式enol
第一轮复制
AGCTTCCTA TCGAAGGAT
DNA helicase II, SSB, exonuclease I去除包括错 配碱基的片段 DNA polymerase III 和 DNA ligase 填充缺口 昂贵的代价用于保证DNA的准确性
重组修复
后复制修复、E. coli的挽回系统
E. coli 存活%
w.t. UvrA+ RecA+
3. Development of techniques in molecular biology makes it possible to study molecular evolution, using genomes as historical records that can:
a. b. c. Reveal the dynamics of evolutionary processes. Indicate the chronology of change. Identify phylogenetic relationships between organisms.
+ ----- A----- ------C--DNA mismatch
错配修复 系统(MRS Mismatch Repair System)
DNApol (ξ = 10-8) Hale Waihona Puke Baidu第二次校正ξ = 10-11
♪ 错配修复系统组成（Mismatch repair system）
DNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶) DNA polymerase Helicase SSB 外切核酸酶 (Ⅰ和Ⅶ) 连接酶 dam gene
1.3 超突变和程序性突变 SOS修复系统倾向增加突变
SOS repair 是一种错误倾向性极强的修复机制 是进化中形成的“ 丧失某些信息而存活总比死亡好一 些” 的措施 （正常状态下，SOS是关闭的）
SOS 修复机制 SOS 修复－－无模板指导的DNA复制
大剂量的紫外线照射，大量的二聚体产生
SOS系统诱导，错误潜伏的复 制超越二聚体而进行
SOS off
免疫球蛋白基因V片段中突变的引入
免疫球蛋白多样性产生的过程： ♫ 免疫球蛋白重链和轻链基因的V,D,J,C片段重组连接； ♫ 重组后还可通过V基因片段的超突变增加多样性；
大肠杆菌的适应性突变
大肠杆菌（乳糖操纵 子发生移码突变） 在只有乳糖的 培养基上培养
恢复野 生型
发现正常生长的细胞（乳糖 操纵子发生第二次突变）
基因组进化的分子基础
马秀灵
1. Populations and genes change over evolutionary time. Molecular evolution examines DNA and proteins, addressing two types of questions:
DNA损伤造成的后果
◙ 突变率与生物的复杂性
生物进化的基本动力：突变 如果突变率太高－－基因组处于不稳定状态，不利于进化； 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； 每个基因都有积累突变的风险，而大多数突变都是有害的， 因此生物含有的基因数越多，发生突变的几率越大，由此 判断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 有基因数不超过60 000。
为维持基因组的稳定性，DNA 的复制必须增加几个 数量级，提高DNA复制的精确性有2种方法： ♪ 掺入碱基的筛选 ♪ 错配碱基的校正
误导掺入
碱基异构式引起DNA复制过程的错误 -----自发突变 碱基异构式: A(amino 氨基) G(keto 酮式) T(keto) A(imino 亚氨基) G(enol 烯醇式) T(enol-2’) or T(enol-4’) C(a) G(k) C(i) G(e,i)