第9章 基因突变和表观遗传变异

寡核苷酸介导的单链模板定点突变
A G A G T A
图 21- DNA 的体外定点突变
基于PCR 的体外定点突变
基于PCR 的体外定点突变
9.4 突变剂的检测
用 Ames法 检测诱变剂
突变和人类疾病

（一）自发突变和人类的疾病



一.重复序列异常所引起的遗传病 线粒体的脑脊髓病（mitochondlrial encephalomyopathies)是线粒体重复顺序之 间产生缺失所致。 脆性X染色体综合征 X-连锁脊髓和延髓肌娄缩，也称Kennedy’s症 强直性肌营养不良（Myotonic dystrophy）


2. 碱基的修饰剂
(1) 亚硝酸（introus acid, NA）有氧化脱氨作 用，可使G第2个碳原子上的氨脱去，产生黄嘌呤 （xanthine,x），次黄嘌呤 (H) 仍和C配对，故 不产生转换突变。但C和A脱氨后分别产生U和次 黄嘌呤H，产生了转换，使C∶G转换成A∶T， A∶T转换成G∶C
9.2.2.1 放射线诱发的突变
电离辐射（X-，-射线）诱发染色体畸变 和基因突变（碱基降解/脱氨……） 射线波长-能量-诱变效应的关系 UV 照射造成嘧啶二聚体-切除-碱基随机插 入=突变

9.2.2.2 化学物质诱变 1.碱基类似物

（1）5-溴尿嘧啶和T很相似，仅在第5 个碳元子上由Br取代了甲基,5-BU有酮 式、烯醇式两种异构体，可分别与A及G 配对结合
亚硝酸（introus acid, NA）有氧化脱氨作用， 可使G →黄嘌呤（X）仍和C配对，故不产生突变； 但C脱氨→ U，使C∶G转换成A∶T； A脱氨→次黄嘌呤H，使A∶T转换成G∶C。
碱基修饰剂的诱变作用
(1) 亚硝酸 (2) 羟胺 (3) MMS/EMS

（2）羟胺只特异地和胞嘧啶起反应，在 第4个C原子上加-OH，产生4-OH-C，此 产 物可以和A 配对，使C∶G转换成T∶A
Damage Mutant base is mismatched and/or distorts stractur Incision Endonuclease cleaves on both sides of damaged ba Excision Exonuclease removes DNA Between nicks Synthesis Polymerase synthesizes Replacement DNA
碱基类似物（5-BU）的掺入——转换
碱基类似物（2-AP）的掺入——转换
碱基类似物 （2-AP）的掺入 ——转换

(2) 2-氨基嘌呤(2-AP)也是碱基的类似 物，有正常状态和稀有状态两种异构体， 可分别与T和C配对结合。当2-AP掺入到 DNA复制中时，由于其异构体的变换而 导致A∶T G∶C
9.2.1.2 自发的化学变化 1.脱嘌呤作用
2.脱氨基作用:C →U
脱氨基作用: 5mC →T[突变热点]
3.氧化作用损伤碱基




过氧化物原子团（O2-） （H2O2），（-OH）等需氧代谢的副产物 都是有活性的氧化剂， 它们可导致DNA的氧化损伤， T氧化后产生T－乙二醇， G氧化后产生8-氧-7,8二氢脱氧鸟嘌呤、 8-氧鸟嘌呤(8-O-G)或“ GO”， GO可和A错配，导致G→T。
9.2.1.3 转座子和插入序列引起的基因突变
9.2.1.4 不等交换产生重 复和缺失突变
9.2.2 诱发突变的分子基础



9.2.2.1 放射线的诱发突变 紫外线、 X-射线、 γ射线、 宇宙射线 9.2.2.2 化学物质的诱发突变 1.碱基类似物 (1) 5-溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU） (2) 氨基嘌呤（2-aminopurine 2-AP） (3) 迭氮胸苷（AZT, azidothymidine）
L. Stadler 玉米子粒胚乳颜色突变检出
CC×cc ↓ Cc
cc（无色）→存在突变
拟南芥及其突变检出 ？
9.6.2 分子遗传学检出法

9.6.2.1 单链构像异构多态性 （PCR-SSCP）
9.6.1 传统遗传学检出法




1、微生物突变的检出 抗性筛选——positive selection eg. +pen pen r 营养缺陷型筛选——negative selection eg. penicillin enrichment method 青霉素阻止细胞壁成分的合成，对扩增细胞致死 [MM+pen] (-/+) [CM] [MM] + -
点发生的氨基酸的取代并不影响蛋白质的功能;
沉默突变（silent mutation）蛋白质中相应位点
发生了相同氨基酸的取代，即同义突变。
移码突变（frameshift mutation） 回复突变（reverse mutation）， 一类是正向突变（forward mutation）突变方向是从 野生型向突变型；另一种是回复突变，其突变方向是 从突变型向野生型 抑制突变（suppressor mutation）突变的作用还可以通 过其它位点的突变（A B）而得到补偿或校正。
Ligase seals nick Fig. 21- Excision repar removes and replaces a stretch of DNA that includes the dameged base (s)
E.Coli 中的切除修复系统
切除：外切酶除去切口间的DNA
损伤：突变的碱基错配或改变DNA结构
合成：DNA pol 合成取代DNA
剪切：内切酶在损伤碱基位点两侧剪切
连接酶封闭缺口
Uvr系统在修复各 阶段中的作用： UvrAB识别损伤， UvrBC在DNA上切 一缺口， UvrD使被标记区 解旋

着色性干皮病 （Xeroderma pigmentosum） 是一种切除修复 酶的缺陷
(二) 特殊切除修复途径

DNA结构 与复制
DNA复制中的 保真机制
3’ → 5’ 核酸外切酶 活性——校对功能
碱基的互变异构可造成复制差错
碱 基 的 互 变 异 构 可 造 成 复 制 差 错
DNA复制中碱基互变异构引起的突变
DNA复制中碱基互变异构引起的突变
DNA复制中碱基环出/跳格造成移码突变
DNA复制中碱基环出/跳格造成缺失与重复


(1) AP核酸内切酶修复途径 AP位点 :无嘌呤（apurinic）和 无嘧啶（apyrimidinic）位点 (2) 糖基酶修复途径
重组修复（recombination-repair）
在E.coli中的提取(retrival)系统
9.6 基因突变的检出


9.6.1 传统遗传学检出法 9.6.2 分子遗传学检出法
(二) 诱发突变和人类的肿瘤
9.5 基因突变的生物学防护与修复
9.5.1 DNA的防护机制 1、密码的简并性、相似性 2、回复突变 3、抑制突变（基因间抑制与基因内抑制） 4、 二倍体和多倍体 5、致死与选择
9.5.2 DNA的修复机制


一.直接修复（Direct repair） (一) 通过DNA聚合酶校正(3’ →5’外切)修复 (二)光复活反应 光 复 活 （ photoreactivation ） 或 光 修 复 （light repair） 光裂合酶（photolyase),由phr 基因编码 烷基转移酶（Alkyltransferases）(如对m6G)
9.1 基因突变的类型
1. 体细胞突变与 生殖细胞突变 2. 突变的类型： 形态~，生化~， 失去功能的~： 无效~-渗漏~， 获得功能的~， 致死~条件致死~ 3. 突变的性质： 稀有性（10-4~10-9） 可逆性， 突变的多方向性 与复等位基因
突变的多方向性 与复等位基因
中性突变（neutral mutation）多肽链中相应位
9 基因突变和表观遗传变异
表观遗传变异
直接修复
修复
切除修复
复制后修复
DNA Pol 3'→5'外切酶活性 光复活—光裂合酶 一般切除修复——UvrABC 系统 AP 内切酶 特殊切除修复 糖基酶 GO 系统-MutM,MutY,MutT 错配修复-Dam, MutL,MutH,UvrD 重组修复-RecA SOS 修复-RecA,LexA,UvrAB,UmuC,HimA
百度文库 9.2 基因突变的分子基础






9.2.1.自发突变的分子基础 突变率（mutation rate）指在单位时间内某种突 变发生的概率. 9.2.1.1 DNA复制错误 9.2.1.2 自发的化学变化 1. 脱嘌呤（depurination）作用 2. 脱氨（基）(deamination)作用 3. 氧化作用损伤碱基（oxidatively damaged bases） 4. 转座子和插入序列引起的突变




2.碱基的修饰剂 (1) 亚硝酸（introus acid, NA） (2) 羟胺 (3) 烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化 3.DNA插入剂 原黄素（proflavin） 吖啶橙（acridine orange） 溴化3,8-二氨基-5-乙基-6-苯基菲啶鎓 （etnidium bramide） ICR的复合物等
…
CGG CGG CGG … 6～54 拷贝 …
正常
… CGG CGG CGG CGG CGG 50～200 拷贝
NTM
… CGG CGG CGG CGG 50～200 拷贝
CGG
…
女儿
… CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG 200～1300 拷贝
CGG
CGG
CGG
…
患者
图 21-19 在脆性 X 综合征中 FMR－1 基因内 CGG 3 个核苷酸扩增。NTM：正常男性
WT …ACCTACCTCCCTCACCAAAGC……～5000bp……TTCAACCTCCCTCACCATTGG…… 缺失～5000bp
KS
……ACCAACCTCCCTCACCATTGG……
图 21-18 野生型(WT)DNA 顺序和 Kearns-Sayre/ 慢性眼外肌瘫痪综合征(KS)患者的 DNA 缺失
UV损伤的光修复/ 光复活


PR酶，光能 UV→Py=Py特异 低等生物的主要修 复方式
二、切除修复（excision-repair）

(一) 一般切除修复 切除修复(excision-repair) 暗修复（dark repair）
切-补（-切）-封
短-补丁修复（short-patch repair）（~20nt)组成型 长-补丁修复（long-patch repair） （1500nt)诱导型 着色性干皮病（Xeroderma pigmentosum）是一种切 除修复酶的缺陷
2、果蝇突变的检出
（1）果蝇伴性隐性致死/非致死突变的检出
利用 Muller-5品系检出X隐性突变
（2）常染色体基因突变的检出
——平衡致死系的利用
（1）果蝇伴性隐性致死/非致死突变的检出 利用 Muller-5品系检出X隐性突变
（2）常染色体基因突变的检出 ——平衡致死系的利用
3、植物突变的检出

(3)烷化剂如甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥 (NM),甲基黄酸甲脂（MMS）,亚硝基胍 （NG）等，它们的作用是使碱基烷基化， EMS使G的第6位烷化，使T的第4位上烷 化，结果产生的O-6-E-G和 O-4-E-T分别 和T、G配对，导致G∶C对转换成A∶T对； T∶A对转换成C∶G
烷化剂如甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥(NM),甲基黄酸甲 脂（MMS）,亚硝基胍（NG）等， 使G → O-6-M-G=T配对，导致G∶C对转换成A∶T； 使T →O-4-M-T ≡ G配对，导致T∶A对转换成C∶G；
3.DNA插入剂 导致碱基增减
嵌合剂的插入——移码突变
9.3 体外定点诱变


1985 年 加 拿 大 的 Michael Smith 建 立 ， 于 1993年获得了诺贝尔化学奖。 具体方法有三种： （1）寡核苷酸介导的单链模板定点突变； （2）双引物法定点突变； （3）用掺入U的单链为模板进行寡核苷 酸介导的体外定点突变。