第九章 突变、修复与重组

二、烷基的转移
一些酶可将烷基从核苷酸转移到自身的多肽链上，
例如，在人类细胞中发现有一种O6-甲基鸟嘌呤甲基
转移酶，能直接将DNA链鸟嘌呤O 6 位上的甲基移到 蛋白质的半胱氨酸残基上而修复损伤的DNA。
三、核苷酸切除修复
核苷酸切除修复需要移去一段包括损伤在内的核 苷酸序列，然后再通过DNA合成把余下的单链缺口
改变了野生型性状的突变，使性状由 野生型变为突变型。
回复突变（reverse mutation）：
使突变型性状恢复到野生型性状的 突变。 大多数回复突变都发生在另一位点。因此，这样的突变 并未恢复野生型的序列，只是其表型被抑制了。第二点 突变可以发生在同一基因上，也可以发生在不同的基因 上，前者称为基因内抑制，后者称为基因间抑制。
•
非条件型突变: 在任何条件下均可表现的突变 条件型突变: 突变的表现 = 突变基因型 + 诱导条件
根据突变的方式：
碱基替换（base substitution），DNA分子中一个碱 基被另一个碱基替代 又称点突变 插入（insertion），DNA序列中插入一个或多个碱基 缺失（deletion），DNA序列上缺失一个或多个碱基 重复（duplication），一段碱基序列发生一次重复 易位（translocation），一段碱基序列从原来的位 置移出，并插入到基因组的另一位置 倒位（inversion），一段碱基序列发生倒转，但仍 保留在原来的位置上
填补上。它可以修复一系列损伤，包括环丁烷二聚
体、6－4光产物和链间交联等引起的DNA变形 （major distortion）。尽管这些损伤也可以通过 途径进行修复，但NER是它们的主要修复手段。其 他能够引起DNA产生显著变形的损伤也可以通过该
途径进行修复。但是，这种机制不能修复DNA上的
错配碱基，以及仅造成DNA微小变形的碱性类似物 和甲基化碱基。
3.脱氨基： 腺嘌呤（A)脱氨基变为次黄嘌呤（H）
AT
GC
胞嘧啶（C）脱氨基变为尿嘧啶（U）
GC
AT
诱发突变的分子基础 诱变剂可以取代碱基，改变碱基或破坏碱基， 使DNA发生错配，而引起基因突变。
诱变剂的分类： 物理诱变剂（电离辐射等） 化学诱变剂（碱基类似物、脱氨剂、烷化剂、嵌 入剂等） 生物因素(黄曲霉素等)
一条子代DNA分子上的C ∶ G被 T∶ A所取代。细胞在 进化过程中，形成了多种修复机制，以保证在损伤阻 遏复制或者产生突变之前就识别并修复损伤。
一、光 复 活（ Photoreactivation ）
在可见光存在的情况下，DNA光解酶（DNA photolyase） 把环丁烷嘧啶二聚体分解为单体。DNA光解酶,又称光 复活酶（photoreactivating enzyme）。光解酶在暗 中结合到环丁烷二聚体上，吸收300～350 nm的光后被 激活，裂解二聚体后与DNA分子脱离。从光复活修复过 程可以看出，光解酶不是将嘧啶二聚体替换掉，而是 将两个嘧啶环之间的非正常化学键切开，恢复到原来 的形式。由于这种修复作用只在可见光下才可发生， 所以这种修复机制称为光复活。
碱基替换：
根据碱基变化的不同，可以分为：
转换（transition)：嘌呤与嘌呤之间，或嘧啶 与嘧啶之间的替换 颠换（transversion）：嘌呤与嘧啶之间的替换。
缺失、插入 缺 失 和 插 入 常 导 致 移 码 突 变 （ frameshift mutations），结果产生截短的或异常的多肽链。
4 通读（reading through):碱基替换使终止密码子突
变为编码氨基酸的密码子，转录出的mRNA在翻译时不能适时 终止。
按突变发生的原因分类 • 自发突变(spontaneous mutation):在自然状况 下发生的突变。
• 诱发突变(induced mutation):外界因素诱发 引起的突变。
修复过程需要多种酶的一系列作用，其中包括UvrA,
UvrB, UvrC 和 UvrD。由2个UvrA亚基和1个UvrB亚基
构成的复合体，非特异性地结合在DNA分子上，并沿
DNA分子滑动，对DNA进行扫描，其中UvrA负责检测螺 旋中的扭曲，一旦抵达扭曲部位，UvrA就会退出复合 体。UvrB募集UvrC, UvrC具有核酸内切酶活性，它切 断损伤位点两侧的磷酸二酯键，3’切割点距损伤位点4
根据对遗传信息的影响
1 同义突变(samesense mutation) ：
碱基替换改变密码子但并不改变氨基酸 如GAU→GAC，但仍是天冬氨酸 密码子的简并性 DNA的容错机制。
2
错义突变（missense mutation）：
指碱基替换改变密码子并改变氨基酸。
错义突变使蛋白质一级结构改变，导致蛋白质活性和功 能不同程度的改变。一般性质相似的氨基酸替换对蛋白质的 影响小，而性质不同的氨基酸的替换可能强烈的影响蛋白质 的功能。例如人的镰刀性贫血症（HbS)。
自发突变的分子基础
• DNA复制错误
• 自发损伤
• 转座因子
DNA复制错误
• 遗传物质是DNA,DNA复制是半保留复制,如果发生 错误,引起碱基替换(base substitution), 造成 DNA遗传信息的改变。从而导致基因突变。
正常情况下,A-T配对,氨基态的腺嘌呤(A)只与胸 腺嘧啶(T)配对,但有时可转变成稀有的亚氨基形式, 可以与胞嘧啶配对,形成A-C, 再经一次复制,DNA分 子中的A-T对变成了G-C对.
正常人 红细胞
镰刀状贫 血病人的 红细胞
CTT
谷氨酸
CAT
缬氨酸
中性突变（neural mutation): 不影响蛋白质正常功能的错义突变
同义突变与中性突变又称为： 无声突变或沉默突变（silent mutation)
3 无义突变（nonsense mutation):碱基替换使编
码氨基酸的密码子突变为终止密码子，mRNA在翻译时提前 终止，形成的肽链不完全，一般没有活性。
AGCTTCCTA TCGAAGGAT
1. Base analog incorporation
AGCTBCCTA TCGAAGGAT
2. 1st round of replication
AGCTTCCTA TCGAAGGAT
AGCTBCCTA TCGAGGGAT
3. 2nd round of replication
AGCTBCCTA TCGAAGGAT AGCTCCCTA TCGAGGGAT
A· TG· transition C
2. 脱氨剂 (Deamination agents）
除去碱基上的氨基，改变其配对性质
3. 烷化剂 (Alkylating ）
使DNA中的碱基发生烷化作用，引起特异性错配，或脱嘌呤。 包括芥子气，甲磺酸已酯（EMS），亚硝基胍(NG)等。如EMS,
－5个核苷酸，5’切割点距损伤位点8个核苷酸。
UvrD与5’端的切点结合。UvrD是一种解旋酶（又称DNA
helicase II），它解开两个切点之间的DNA双螺旋，
导致一段短的带有损伤的ssDNA和UvrC被释放出来，
此时UvrB仍结合于另一条单链DNA分子上，可能是防
止单链被降解,也可能是指导DNA聚合酶I与缺口的3’ OH结合，合成一段新的核苷酸片断填补缺口，同时释
变热点，发生在热点上的突变常常是相同的。 大多数突变热点是DNA分子中的5－甲基胞嘧啶位点。
5mC处的突变率明显高于其它碱基处
增变基因（mutator gene）： 突变后可使整个基因组中的突变率明显上升 的基因。
增变基 因大多 与DNA 复制或 修复有 关。
第二节 DNA的修复
一系列物理或化学因素可以对DNA造成化学损伤。这
放出UvrB,最后一个磷酸二酯键由DNA连接酶催化形
成。
核苷酸的切除修复
DNA解螺旋酶
核苷酸切除修复（2）
uvrB、uvrA 蛋白结合 uvrD 切除
或缺失一个碱基，造成移码突变。
黄曲霉素B1(AFB1)：霉变的花生等食物 中含有大量的AFB1 ，AFB1是一种强致癌剂。 可在G的N-T位形成一个加成复合物即产生 无嘌呤位点，使GC颠换为T-A，引起基因突 变。可导致肝癌。
二、正向突变、回复突变与突变的校正 正向突变（forward mutation）：
根据突变发生的细胞类型：
• 生殖细胞突变(Germline mutation) • 体细胞突变(Somatic mutation)
可遗传给后代
仅表现于当代，癌症
根据对基因功能的影响
• 功能失活突变（loss of function mutation)：
使基因功能失活或显著下降的突变。 • 功能获得突变（gain of function mutation): 使基因功能增强或不受抑制的突变。 根据突变的表达类型 •
自发损伤(spontaneous lesions)
自然产生的DNA损伤引起突变
1. 脱嘌呤：最为常见，DNA分子中碱基和脱氧核糖间的糖 苷键受到破坏，从而引起鸟嘌呤(G)或腺嘌呤(A)从DNA分子 上脱落下来。
常引起缺失或插入突变
2. 氧化性损伤：个体自然产生的氧化基，氧化物如超氧 自由基,氢氧自由基及过氧化基等，能对DNA造成氧化性损 伤，引起突变。
使G的N位置带有已基（已烷化），成为7-已基鸟嘌呤，不与C配
对而与T配对，使G-C转换成A-T。
4.嵌入剂（intercalating agents） 吖啶橙（acridine orange）、Βιβλιοθήκη Baidu黄素( proflavine) 和溴化乙啶（ethidium bromide）
吖啶类化合物是一种平面三环分子， 其大小和形状与一个碱基对相似， 插入DNA分子中两个相邻的碱基之 间，使得原来相邻的碱基对分开一 定的距离，致使DNA在复制时增加
第九章 突变、修复与重组
第一节 突变
第二节 修复 第三节 重组
本章要点：
• 突变的概念、类型 • DNA修复的主要方式 • 了解重组的分子基础
第一节：突变（mutation) 一、突变的主要类型
突变是DNA碱基序列水平上的永久的、可遗传的改变。 广义的突变包括染色体畸变和基因突变 狭义的突变通常指基因突变 根据突变发生的细胞类型、对基因功能的影响、突变的方 式、发生的原因等可对突变进行不同的分类
些因素包括化学诱变剂、辐射以及DNA分子自发的化
学反应等。有些类型的DNA损伤，如胸腺嘧啶二聚体
或DNA骨架的断裂，使得DNA不能再作为复制和转录
的模板。
另一些损伤产生了改变了的碱基，它们不会阻止复制
和转录的进行，但是可引起错配，在下一轮复制之后
导致DNA序列的永久改变。例如，胞嘧啶通过脱氨作
用转化为尿嘧啶，产生U∶G错配，在下一轮复制之后，
CCU
UCU
Gly
Gly
基因间移码抑制突变
基因内和基因间的错义（无义）、移码抑制突变均 由相应的错义（无义）、移码突变抑制
突变热点（hot spot），
突变可以发生在基因组中的任一位点。但是在基因组中，也 存在一些位点，这些位点发生突变的几率比随机分布所估计的
要高出许多，可能是预期的10倍或100倍，这些位点被称为突
1. 基因内抑制
氨基酸上所带的电荷影响蛋白质构象
氨基酸侧链的大小影响构象
2．基因间抑制
如：无义突变的表型 可被tRNA基因的突变 所抑制
基因间抑制常发生在 tRNA或tRNA功能相 关基因上。
错义抑制突变( Missense suppressor )
GGA CCU
Gly
AGA UCU
Arg Gly
(1)物理诱变剂 • 紫外线 • X－射线和γ－射线
紫外线：波长为100～400 nm的电磁辐射，非电离辐射， 直接作用于DNA。 嘧啶二聚体 胸腺嘧啶 X-射线和γ-射线：电离辐射 • 直接作用于DNA，对DNA产生损伤 产生多 种突变，并且常常造成DNA重排，例如缺失、 倒转和移位。 • 作用于水分子以及其他分子产生离子和自由基， 自由基对DNA分子产生广泛损伤。
(2)化学诱变剂
1
碱基类似物：
与碱基结构类似，可替代正常碱基掺入DNA 分子，引起碱基替换。 如5-溴尿嘧啶（BU）是胸腺嘧啶T的类似物，可 掺入DNA分子中。 酮式BU与A配对，而烯醇式与G配对 容易引起G-C对与A-T对的互相转换。。
碱基类似物还有5-溴脱氧尿苷（BrdU），5-尿嘧啶，5-氯尿 嘧啶及其脱氧核苷，2-氨基嘌呤（2-AP）等