第十二章 基因组进化的分子基础6
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造成子链差错率非均一性的主要原因:
♫ DNA双链复制的非对称性;
延滞链的复制总比先行链慢一拍,先行链在复制前只有很短的DNA 双链区解链,但延滞链却要求很长的一段单链暴露;
延滞连采取冈畸模型复制,大肠杆菌基因组每隔2Kb起始一次引物 合成,DNA多聚酶Ⅰ的碱基选择活性及较读能力均比DNA多聚酶Ⅲ差
♫ 转录的非对称性;
O
OH
H
Br
:G
O
烯醇式enol
H
Br
:A
O
酮式Keto
5-BrU
AGCTTCCTA TCGAAGGAT
酮式5-BrU的渗入
AGCTBCCTA
TCGAAGGAT
第一轮复制
酮式到稀醇
式的转变
AGCTTCCTA AGCTBCCTA TCGAAGGAT TCGAGGGAT
第二轮复制
AGCTBCCTA TCGAAGGAT
显性、隐姓； 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;
◙ 突变率与生物的复杂性
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Leabharlann Baidu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
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。
NH2OH (Hydroxylamine HA 羟胺)
HNH
H
HA
HNH H
H
O
H
O
HN
C(a)
HO
HN H
H
NH
H
O
HN
HO
C(i) A(a)
• 嵌合剂的质突变作用
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
♫ 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；
♫ 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；
• 逆转录转座子
以RNA为中介
DNA转座 ♫复制转座
♫ 保守转座
杂种分子形成后
细菌中,转座子切除 后留下的空缺不能修 复,供体分子降解
真核生物中,空缺由 双链断裂重组修复
逆转录转座
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
A·TG·C 转变
AGCTCCCTA TCGAGGGAT
烯醇式渗入为 G·CA·T 转变
• 碱基的化学修饰导致突变
又称化学突变剂： 亚硝酸（nitrous acid HNO2） 羟氨（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）
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
1.5 DNA单链的非对称性进化
大肠杆菌DNA复制的差错率107个核苷酸1个错误;
2条新合成的子链中差错率分布不一致, 延滞链复制的差错率是引导链 的20倍;
1.1.1 自发性损伤
错配突变
纯化学的碱基配对差错率为：5％～10％
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：
♪ 渗入碱基的筛选 ♪ 错配碱基的校正
误导渗入
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)
转录时,非转录链则保持短暂单链暴露状态,增加了碱基突变的可能., 已知单链状态的胞嘧啶脱氨基的比例高于双链DNA上百倍,转录状态使 非转录链脱氨基比例增加4倍;
2.重组
同源重组 Holliday模型
“亲本链”
“重组体”
3‘ 5‘ 5‘ 3‘
5’
切割 Meselson-Radding模型 单链入侵模型（链转移模型）
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 生性
发现正常生长的细胞（乳糖 操纵子发生第二次突变）
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
双链断裂重组模型
3. 转座
转座: 是基因进化的一种重要方式,它不是重组,但利用 了重组的过程,它是一段DNA或其拷贝从基因组的一个 位置转移到另一位置，并在插入位点两测产生1对很短 的正向重复序列
根据转座机制可分为2个大的范畴:
• DNA转座子
以DNA区段作为转座成分
又可分为复制转座和保守转座
（中性突变、渗漏突变） 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
◙ 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 －－不参与时代间的遗传事件 种质细胞－－负责将遗传物质传递给下一代
A(i, anti) G(k, syn)
C(a, anti) G(k, asynnti))
滑序复制
1.1.2 化学因素引起的损伤
• 碱基类似物（Base analog）
5-溴尿嘧啶(BrU) 5-Bromine Uracil
O
Br
2-氨基嘌呤(AP或2-AP) 2-Amino purine
NH2
-A
TTTCG -
-ATTTTTCG - AO -T
AAAGC-
-TAAAAAGC- EB -AT EB TTTTCG-
-TA X A- AAAGC
结果产生－－－移框突变
-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 )
A(i, anti) A(a, syn) A(i, anti) G(k, syn)
G(e,i, anti) G(k, syn) G(e,i, anti) A(a, syn)
碱基异构式引起DNA的错配突变
A(a)
A(a)
C(i)
G(k)
C(ai)) T(k)
A(a, anti) T(k, anti)
U.V.
…C T T A…
C U.V. H2O
U.V.
脱氨氧化
H+ + OH-
C(a)
U.V.
脱嘌呤
造
成
的
突
U A(a)
变
：
碱
基
替
代
、
缺
C(i) A(a)
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
第十二章 基因组进化 的分子基础
基因组进化的分子基础: 突变 重组 转座
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）
错误碱基
SOS 修复只是SOS反应的一部分
RecA在SOS反应 反应中起核心作用
RecA与LexA组成 调控环路
DNA 损伤
RecA受LexA的 部分抑制
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） RecA-p不表现proteinase活性
A(imino 亚氨基) C(a)
G(keto 酮式)
G(enol 烯醇式) G(k)
T(keto)
T(enol-2’) or T(enol-4’)
C(i) G(e,i)
碱基异构式引起DNA复制的错配
正确配对 A(a) T(k)
G(k) C(a)
错误配对 A(a) C(i)
G(k) T(e)
A(i) C(a) G(e) T(k)
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
修复损伤
激活RecA-p的proteinase活性 LexA-p降解
RecA-p高效表达
SOS open
当DNA复制度过难关后
RecA-p很快消失
LexA gene on
SOS off
大肠杆菌的适应性突变
置换
侵入
Loop切除 同化 异构化 分支迁移
位点专一性重组
大肠杆菌的位点专一 性重组(同源重组):
◘ att位点为 POP’(240bp) BOB’(23bp)
◘ 整合过程需要λ整合酶 （integrase Int）（λ编码） 和寄主的整合宿主因子IHF （integration host factor） 共同作用
♫ DNA双链复制的非对称性;
延滞链的复制总比先行链慢一拍,先行链在复制前只有很短的DNA 双链区解链,但延滞链却要求很长的一段单链暴露;
延滞连采取冈畸模型复制,大肠杆菌基因组每隔2Kb起始一次引物 合成,DNA多聚酶Ⅰ的碱基选择活性及较读能力均比DNA多聚酶Ⅲ差
♫ 转录的非对称性;
O
OH
H
Br
:G
O
烯醇式enol
H
Br
:A
O
酮式Keto
5-BrU
AGCTTCCTA TCGAAGGAT
酮式5-BrU的渗入
AGCTBCCTA
TCGAAGGAT
第一轮复制
酮式到稀醇
式的转变
AGCTTCCTA AGCTBCCTA TCGAAGGAT TCGAGGGAT
第二轮复制
AGCTBCCTA TCGAAGGAT
显性、隐姓； 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;
◙ 突变率与生物的复杂性
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Leabharlann Baidu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
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。
NH2OH (Hydroxylamine HA 羟胺)
HNH
H
HA
HNH H
H
O
H
O
HN
C(a)
HO
HN H
H
NH
H
O
HN
HO
C(i) A(a)
• 嵌合剂的质突变作用
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
♫ 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；
♫ 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；
• 逆转录转座子
以RNA为中介
DNA转座 ♫复制转座
♫ 保守转座
杂种分子形成后
细菌中,转座子切除 后留下的空缺不能修 复,供体分子降解
真核生物中,空缺由 双链断裂重组修复
逆转录转座
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
A·TG·C 转变
AGCTCCCTA TCGAGGGAT
烯醇式渗入为 G·CA·T 转变
• 碱基的化学修饰导致突变
又称化学突变剂： 亚硝酸（nitrous acid HNO2） 羟氨（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）
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
1.5 DNA单链的非对称性进化
大肠杆菌DNA复制的差错率107个核苷酸1个错误;
2条新合成的子链中差错率分布不一致, 延滞链复制的差错率是引导链 的20倍;
1.1.1 自发性损伤
错配突变
纯化学的碱基配对差错率为：5％～10％
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：
♪ 渗入碱基的筛选 ♪ 错配碱基的校正
误导渗入
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)
转录时,非转录链则保持短暂单链暴露状态,增加了碱基突变的可能., 已知单链状态的胞嘧啶脱氨基的比例高于双链DNA上百倍,转录状态使 非转录链脱氨基比例增加4倍;
2.重组
同源重组 Holliday模型
“亲本链”
“重组体”
3‘ 5‘ 5‘ 3‘
5’
切割 Meselson-Radding模型 单链入侵模型（链转移模型）
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 生性
发现正常生长的细胞（乳糖 操纵子发生第二次突变）
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
双链断裂重组模型
3. 转座
转座: 是基因进化的一种重要方式,它不是重组,但利用 了重组的过程,它是一段DNA或其拷贝从基因组的一个 位置转移到另一位置，并在插入位点两测产生1对很短 的正向重复序列
根据转座机制可分为2个大的范畴:
• DNA转座子
以DNA区段作为转座成分
又可分为复制转座和保守转座
（中性突变、渗漏突变） 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
◙ 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 －－不参与时代间的遗传事件 种质细胞－－负责将遗传物质传递给下一代
A(i, anti) G(k, syn)
C(a, anti) G(k, asynnti))
滑序复制
1.1.2 化学因素引起的损伤
• 碱基类似物（Base analog）
5-溴尿嘧啶(BrU) 5-Bromine Uracil
O
Br
2-氨基嘌呤(AP或2-AP) 2-Amino purine
NH2
-A
TTTCG -
-ATTTTTCG - AO -T
AAAGC-
-TAAAAAGC- EB -AT EB TTTTCG-
-TA X A- AAAGC
结果产生－－－移框突变
-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 )
A(i, anti) A(a, syn) A(i, anti) G(k, syn)
G(e,i, anti) G(k, syn) G(e,i, anti) A(a, syn)
碱基异构式引起DNA的错配突变
A(a)
A(a)
C(i)
G(k)
C(ai)) T(k)
A(a, anti) T(k, anti)
U.V.
…C T T A…
C U.V. H2O
U.V.
脱氨氧化
H+ + OH-
C(a)
U.V.
脱嘌呤
造
成
的
突
U A(a)
变
：
碱
基
替
代
、
缺
C(i) A(a)
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
第十二章 基因组进化 的分子基础
基因组进化的分子基础: 突变 重组 转座
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）
错误碱基
SOS 修复只是SOS反应的一部分
RecA在SOS反应 反应中起核心作用
RecA与LexA组成 调控环路
DNA 损伤
RecA受LexA的 部分抑制
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） RecA-p不表现proteinase活性
A(imino 亚氨基) C(a)
G(keto 酮式)
G(enol 烯醇式) G(k)
T(keto)
T(enol-2’) or T(enol-4’)
C(i) G(e,i)
碱基异构式引起DNA复制的错配
正确配对 A(a) T(k)
G(k) C(a)
错误配对 A(a) C(i)
G(k) T(e)
A(i) C(a) G(e) T(k)
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
修复损伤
激活RecA-p的proteinase活性 LexA-p降解
RecA-p高效表达
SOS open
当DNA复制度过难关后
RecA-p很快消失
LexA gene on
SOS off
大肠杆菌的适应性突变
置换
侵入
Loop切除 同化 异构化 分支迁移
位点专一性重组
大肠杆菌的位点专一 性重组(同源重组):
◘ att位点为 POP’(240bp) BOB’(23bp)
◘ 整合过程需要λ整合酶 （integrase Int）（λ编码） 和寄主的整合宿主因子IHF （integration host factor） 共同作用