第四章 基因突变和遗传重组

基因内抑制
基因间抑制
基因间的直接抑制
基因间的间接抑制
代谢途径的补偿抑制
异源多聚体蛋白酶的构 型吻合
直接抑制
对 错 义 突 变 的 抑 制
对无义突变的抑制
代
谢
途
径
红色面包霉精
的
氨酸和尿嘧啶
补
的合成
偿
异源多聚体蛋白酶的构型吻合
4.3 重组交换的分子机制
DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合，称 为遗传重组 (genetic recombination)。
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
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
4.2.2 尿嘧啶-N-糖苷酶系统 (ung system)
同源重组
同源重组又称一般性重组。 同 源 重 组 发 生 在 DNA 的 同 源序列之间，真核生物非 姐妹染色单体的交换，姐 妹染色单体的交换，细菌 及某些低等真核生物的转 化，细菌的转导、接合等 都属于这—类型。
真核生物的同源 重组发生在联会染 色体之间。
在减数分裂前期 I的偶线期，一对同 源染色体配对后形 成“联会复合体”， 由4条染色单体形成， 重组发生在姐妹染 色单体之间和非姐 妹染色单体之间。
4 基因突变和遗传重组
4.1 基因突变 4.2 生物体保证稳定遗传的机制 4.3 重组交换的分子机制
4.1 基因突变
4.1.1 突变的特点及种类
突变是遗传物质发生了可遗传的改变，而这 种改变可以发生在染色体水平和基因水平 上。
基因突变是发生在DNA水平上的突变。 突变体是生物在进化过程中自然选择的主要
Holliday中间体模型
双链断裂引发重组
基因转换
基因转换：一条 染色体上特定的 遗传基因被同源 染色体上的等位 基因所替代的非 相互重组的现象。
子囊菌的异常分离现象
同源重组的酶类
RecA ： 重 组 酶 基 因 ， 表达RecA蛋白。 R主ec要BC作D复用合：体具有核酸酶活
性性C结子链h。i、位合D；解N点游促A旋：离进分RH酶5的两子uo’活单vl条同lGi性系Cd链互源Ta和GD统补联yGNAT的会连TGA解PG并分单酶开 接3’活， 是发R生ec交BC换D点复。合。体的识别位点，
DNApol (ξ= 10-8) 经第二次校正ξ= 10-11
MRS组成
DNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)
dam gene
DNA polymerase Helicase SSB 外切核酸酶 (Ⅰ和Ⅶ) 连接酶
百度文库
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
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
4.2.4 回复突变
核苷酸水平: AGC(Ser) →ACC(Thr) →AGC(Ser) 密码简并水平: AGC(Ser) →AGG(Arg) →AGT(Ser) 氨基酸功能替代: AGC(Ser) →AGG(Arg) →GGG(Gly) 基因内抑制 基因间抑制
4.2.1 错配修复
4.2.2 尿嘧啶-N-糖苷酶系统
4.2.3 损伤修复
4.2.4 回复突变
4.2.1 错配修复
错配修复碱基来源：校正活性所漏校的碱基 使复制的保真性提高102～103倍
+ ------A--- ------C--DNA mismatch
错配修复 系统(MRS
Mismatch Repair System)
突变率
基因突变改变DNA序列
-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G-
转换：嘌呤被替换为嘌呤，嘧啶被替
点突变-A-G-C-T-换G-为A-嘧C-啶A-T-G-C-
基因 -T-C-A-G-C-T-G-T-A-C颠-G换-：换嘌为呤嘌被呤替-换T-为C-嘧C-啶C-，C-嘧T-啶G-被T-替A-C-G-
修复尿嘧啶的来源：dUTP的渗入 胞嘧啶的自发脱氨氧化
Ung修复过程
---TAGC-----ATCG---
---TAGC--AU CG
---TAGC-----ATCG---
ung-ase
---TAGC-----A UCG---
①AP内切酶U (Apurinase)
②
DNApol ---TAGC---
Ligase
---A CG---
③
4.2.3 DNA的损伤修复
光修复 切补修复 重组修复 抢救修复
光修复
DNA的损伤部位 在进入复制阶段 前就直接得以修 复。
切补修复
UvrA UvrB UvrC
重组修复
重组相关基因RecA参与的重组事 件对DNA损伤起重要作用。
抢救修复(SOS修复)
A
B
C
对象，是生物多样性形成的重要基础，也 是遗传学研究的重要基础。 野生型个体:没有发生突变的个体。
自发突变和诱发突变
➢ 自发突变(spontaneous mutation):由于正常 的细胞活动，或细胞与环境随机的相互作 用，这些过程会使所有生物都存在着一定 数目的突变，这些突变称为自发突变。
➢ 诱发突变(induced mutation):某些特定化合 物处理可增加突变率，这样产生的突变称 为诱发突变。能引起诱发突变产生的特定 化合物称为诱变剂(mutagen)。
是交换的热点。
重组修复的详细机制
位点专一性重组
发生在特异位点，但位点不一定是同源的。 靶位点短小，长度通常在14-50bp
噬菌体的专一性重组
PROR Cro tR1 CII O P Q S R
att tL2 int Pint Xis CIII tL1 N OLPL CI PRM
PRE
同源重组：DNA同源序列之间的重组。在真核生物中， 发生在减数分裂时期，在雄性个体（精子形成）与雌 性个体（卵子形成）中会发生。
位点专一性重组：发生在特定的成对序列之间。在原核 生物中，使噬菌体基因组整合到细菌染色体中去。
转座重组：转座子介导的转座使某些序列可以从染色体 的某个位点易位到其他位点。
拷贝选择：RNA病毒进行RNA合成时，聚合酶在模板链 之间跳跃，结果新合成的分子含有来自不同亲链的信 息。
定点诱变技术
➢ 体外定点诱变技术 ➢ DNA片段“洗牌”技术 ➢ 靶向诱导基因组局部突变 ➢ 转座子和Ti质粒诱变技术
体外定点诱变技术
DNA片段“洗牌”技术
靶向诱导基因组局部突变
4.2 生物体保证稳定遗传的机制
无论是在诱发还是自发条件下，当DNA分子的 结构发生改变或损伤之后 ，绝大多数都会被修复和 校正，使基因发生突变的可能性降低到最好的范围 内，而那些未能通过修复，或经过错误“抢救修复” 的DNA才是形成突变基因的前体。
E.coli
λ 80 mut. 100%
E.coli
10 50%
E.coli
100 10%
UV 复活或 W复活（Jean Weigh）
• 损坏的噬菌体 DNA 在E.coli A被修复 • E. coli 的SOS修复能被U.V.诱导 (A & B) • SOS 修复过程有非常高的突变频率(易出错)
缺失
基因突变引起密码子改变
错义突变：DNA突变引起mRNA中密码子改变， 编码另一种氨基酸。
无义突变：DNA突变引起mRNA中密码子改变 为一种终止密码。
同义突变：DNA突变虽引起mRNA密码子改变 为另一种密码，但由于密码子的简并作用未 使编码的氨基酸发生改变，也称沉默突变。
移码突变：由于在DNA中插入或缺失不等于3 的倍数的核苷酸，会引起mRNA的读码框架 的改变。
碱基异构式错配导致自发突变
4.1.3 基因的诱发突变
电离辐射：X射线、γ射线、α射线、
物理诱变
β射线。
非电离辐射：紫外线
化学诱变
抑制碱基合成的诱变剂 碱基类似物 修饰碱基结构的诱变剂
插入诱变剂
紫外线诱发基因突变
碱基类似物诱发基因突变
亚硝酸诱发基因突变
插入诱变剂诱发基因突变
丫啶橙（AO） 溴化乙锭（EB）
-A-G-T-C-G-A-C-A-T-G-C-
-A-G-G-G-G-A-C-A-T-G-C-
突变转换插入
颠换
-T-C-A-G-A-C缺-T-失G-T-A-C-G-
-A-G-T-C-T-G-A-C-A-T-G-C-
插入
-T-C- -A-C-T-G-T-A-C-G-A-G- -T-G-A-C-A-T-G-C-
突变的效应可逆转
正向突变：使基因失活的突变。 回复突变：突变使正向突变逆转，
产生野生型。
正确回复：原来突变的严
回复 格逆转。 突变 二次回复：第二次突变
发 生 在 DNA 其 他 部 位 ， 但是补偿了第一次突变
基因突变集中在热点
E coli lacI
4.1.2
基 因
碱 基 异
的
构
自
式
发
突
变
碱基异构式的错配