突變和重組的機(jī)理和遺傳因子

1、突變和重組的機(jī)理和遺傳因子第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)第三節(jié) 轉(zhuǎn)座遺傳因子第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)一、基因突變的種類從DNA堿基順序改變來(lái)分，突變一般可分為堿基置換突變、移碼突變、整碼突變及染色體錯(cuò)誤配對(duì)和不等交換4種。(一) 堿基替(置)換突變一個(gè)堿基被另一堿基取代而造成的突變稱為堿基替(置)換突變。凡是一個(gè)嘌呤被另一個(gè)嘌呤所取代，或者一個(gè)嘧啶被另一個(gè)嘧啶所取代的置換稱為轉(zhuǎn)換（transition）；一個(gè)嘌呤被另一個(gè)嘧啶所取代或一個(gè)嘧啶被另一個(gè)嘌呤所替代的置換稱為顛換（transversion）。 第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)(二) 移碼突變移碼突變（frame

2、-shift mutation）是指DNA鏈上插入或丟失1個(gè)、2個(gè)甚至多個(gè)堿基（但不是三聯(lián)體密碼子及其倍數(shù)），在讀碼時(shí)，由于原來(lái)的密碼子移位，導(dǎo)致在插入或丟失堿基部位以后的編碼都發(fā)生了相應(yīng)改變。移碼突變?cè)斐傻碾逆溠娱L(zhǎng)或縮短，取決于移碼終止密碼子推后或提前出現(xiàn)。(三) 整碼突變?nèi)绻贒NA鏈的密碼子之間插入或丟失一個(gè)或幾個(gè)密碼子，則合成的肽鏈將增加或減少一個(gè)或幾個(gè)氨基酸，但插入或丟失部位的前后氨基酸順序不變，稱為整碼突變（codon mutation）或密碼子插入或丟失（codon insertion or deletion）。第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)(四) 染色體錯(cuò)誤配對(duì)不等交換染色體錯(cuò)誤配對(duì)不

3、等交換（mispaired synapsis and unequal crossing-over），減數(shù)分裂期間，同源染色體間的同源部分發(fā)生聯(lián)會(huì)和交換，如果聯(lián)會(huì)時(shí)配對(duì)不精確，會(huì)發(fā)生不等交換，造成一部分基因缺失和部分基因重復(fù)。二、基因突變的分子效應(yīng)由于堿基置換導(dǎo)致核苷酸順序的改變，對(duì)多肽鏈中氨基酸順序的影響，有下列幾種類型：(一)同義突變由于密碼子具有兼并性，因此，單個(gè)堿基置換后使mRNA上改變后的密碼子與改變前所編碼的氨基酸一樣，肽鏈中出現(xiàn)同一氨基酸。同義突變不易檢出。據(jù)估計(jì)，自然界中這樣的突變頻度占相當(dāng)高比例。 第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)DNA： CTACTGmRNA： GAUGACPr ： A

4、SPASP第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)(二)錯(cuò)義突變指DNA分子中的核苷酸置換后改變了mRNA上遺傳密碼，從而導(dǎo)致合成的多肽鏈中一個(gè)氨基酸被另一氨基酸所取代，這種情況稱為錯(cuò)義突變（missense mutation）。錯(cuò)義突變結(jié)果產(chǎn)生異常蛋白質(zhì)和酶。但也有不少基因由于錯(cuò)義突變而產(chǎn)生部分降低活性和異質(zhì)組分的酶，從而不完全抑制了催化反應(yīng) 。有些錯(cuò)義突變不影響蛋白質(zhì)或酶的生物活性，因而不表現(xiàn)出明顯的表型效應(yīng)。(三)無(wú)義突變當(dāng)單個(gè)堿基置換導(dǎo)致出現(xiàn)終止密碼子（UAG、UAA、UGA）時(shí)，多肽鏈將提前終止合成，所產(chǎn)生的蛋白質(zhì)（或酶）大都失去活性或喪失正常功能，此種突變稱為無(wú)義突變（non-sense mutat

5、ion）。 第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)DNA： ACC CCCmRNA： UGG GGGPr ： Trp Gly 色氨酸 甘氨酸DNA： ACC ATCmRNA： UGG UAGPr ： Trp 終止第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)(四)終止密碼突變當(dāng)DNA分子中一個(gè)終止密碼發(fā)生突變，成為編碼氨基酸的密碼子時(shí)，多肽鏈的合成將繼續(xù)進(jìn)行下去，肽鏈延長(zhǎng)直到遇到下一個(gè)終止密碼子時(shí)方停止，因而形成了延長(zhǎng)的異常肽鏈，這種突變稱為終止密碼突變（termination codon mutation），這也是種延長(zhǎng)突變（elongtion mutation）。(五)抑制基因突變當(dāng)基因內(nèi)部不同位置上的不同堿基發(fā)生了兩次突變，其

6、中一次抑制了另一次突變的遺傳效應(yīng)，這種突變稱為抑制基因突變（suppressor gene mutation）。例如Hb Harlem是鏈第6位谷氨酸變成纈氨酸，第73位天冬氨酸變成天冬酰胺；如果單純6谷氨酸纈氨酸，則可產(chǎn)生HbS病，往往造成死亡。但Hb Harlem臨床表現(xiàn)卻較輕，即73的突變抑制了6突變的有害效應(yīng)。第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)三、化學(xué)誘變因素及其機(jī)理（一）堿基類似物誘發(fā)突變堿基類似物：一種化合物的分子結(jié)構(gòu)與4種天然化合物的結(jié)構(gòu)類似，在化學(xué)反應(yīng)中取代了天然化合物，引起錯(cuò)誤配對(duì)，從而由一個(gè)堿基對(duì)代替另一個(gè)不同的堿基對(duì)。常見的堿基類似物有5-溴尿嘧啶（BU）和2-氨基嘌呤（AP）第一節(jié)

7、 突變的分子基礎(chǔ) 例如：5-溴尿嘧啶（BU）是胸腺嘧啶（T）的結(jié)構(gòu)類似物引起的堿基替換。 正常情況：A=T，酮式BU=A，烯醇式BUG（少見），當(dāng)BU參與DNA復(fù)制時(shí)，BU在酮式與烯醇式之間轉(zhuǎn)換，結(jié)果GC A=T。第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)AA圖109 5-溴尿嘧啶誘變機(jī)理復(fù)制時(shí)摻入 摻入后第一次復(fù)制 摻入后第二次復(fù)制第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)2氨基嘌呤（2AP），它是一種腺嘌呤的類似物，它可和胸腺嘧啶配對(duì)。當(dāng)2AP以和胸腺嘧啶配對(duì)形式進(jìn)人DNA后，它可再和胞嘧啶配對(duì)；從而產(chǎn)生AT到GC的轉(zhuǎn)換，或當(dāng)2AP以和胞嘧啶配對(duì)形式進(jìn)人DNA后再和胸腺嘧啶配對(duì)后產(chǎn)主GC到AT的轉(zhuǎn)換。2-氨基嘌呤第一節(jié) 突變的分

8、子基礎(chǔ)第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)（二）DNA修飾物（堿基作用物）誘發(fā)突變DNA修飾物：通過(guò)化學(xué)變化改造DNA分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。其作用與 DNA復(fù)制無(wú)關(guān)。 三類：亞硝酸、烷化劑、羥胺。1、亞硝酸（HNO2） 是一種很有效的誘變劑，已知可以引起許多生物的突變，如煙草花葉病病毒，T、T和等。第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)已知亞硝酸有氧化脫氫作用，它使腺嘌呤（）脫去氨基，成為次黃嘌呤（H），使胞嘧啶（C）脫去氨基，成為尿嘧啶（U），使鳥嘌呤（G）脫去氨基，為黃嘌呤。脫氨后生成的次黃嘌呤跟胞嘧啶配對(duì)，脫氨后生成的尿嘧啶跟腺嘌呤配對(duì)。黃嘌呤不能跟其它任何堿基配對(duì)，所以這種改變可能對(duì)細(xì)胞是致死的。 移碼突變氧化脫氨基作用

9、AH、CU、GX第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ) A HC C U A2、烷化劑：一類具有一個(gè)或多個(gè)活性烷基的化合物。并不摻入DNA而是通過(guò)改變堿基的結(jié)構(gòu)從而引起特異性錯(cuò)配 芥子氣、硫酸二乙酯（DES）、甲基磺酸乙酯 （EMS）、乙烯亞胺（EI）、亞硝基胍等。（1）主要是使DNA中的堿基發(fā)生烷化作用。例如EMS能使鳥嘌呤的N位置上帶有乙基，成為7一乙基鳥嘌呤。這種鳥嘌呤不與胞嘧啶配對(duì)，而與胸腺嘧啶配對(duì)，故能使G一C轉(zhuǎn)換成AT。（2）烷化劑的另一作用是脫嘌呤。例如烷基在鳥嘌呤N位上活化糖苷鍵而引起斷裂，使嘌呤整個(gè)地從DNA鏈上脫下來(lái)，產(chǎn)生一個(gè)缺口。復(fù)制時(shí)，在與缺口對(duì)應(yīng)的位點(diǎn)上就可能配上任何一個(gè)堿基，從而引

10、起轉(zhuǎn)換或顛換，而且，去嘌呤后的DNA也容易發(fā)生斷裂，引起缺失或其他突變。 烷化作用主要發(fā)生在堿基的N1、N3、N7位置上。最容易發(fā)生在G的N7位置上，形成7-烷基鳥嘌呤。 7-烷基鳥嘌呤可與胸腺嘧啶配對(duì)烷化作用主要發(fā)生在堿基的N1、N3、N7位置上。最容易發(fā)生在G的N7位置上，形成7-烷基鳥嘌呤。 7-烷基鳥嘌呤可與胸腺嘧啶配對(duì)，從而產(chǎn)生GCAT的轉(zhuǎn)換。，從而產(chǎn)生GCAT的轉(zhuǎn)換。第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ) G T T G第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)3、羥胺（HA）：是一種還原劑，可將胞嘧啶（C）上的氨基變?yōu)榇蓟?，使C與A配對(duì)，從而是GC對(duì)轉(zhuǎn)換為AT對(duì)。第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)(三) 嵌合劑導(dǎo)致突變作用：能

11、夠結(jié)合到DNA分子中，引起DNA分子中遺傳密碼的閱讀順序發(fā)生改變，從而導(dǎo)致突變。 吖啶類化合物 氮芥類（ICR）化合物增加（+）或減少（-）一個(gè)或幾個(gè)堿基對(duì) 移碼突變 吖啶類（如原黃素、吖黃素、吖啶黃）分子扁平,能插入DNA相鄰堿基對(duì)間，使DNA分子雙鏈歪斜，導(dǎo)致交換時(shí)出現(xiàn)不等交換，產(chǎn)生的重組分子一個(gè)堿基多，一個(gè)堿基少。第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)編碼順序改變與血紅蛋白病（1）堿基替換（鐮形細(xì)胞貧血癥）： 患者：HbSHbS 能產(chǎn)生血紅蛋白S正常：HbAHbA 能產(chǎn)生血紅蛋白AHbAHbs 能產(chǎn)生血紅蛋白A與S血紅蛋白A與S所帶電荷不

12、同導(dǎo)致遷移率不同，通過(guò)電泳可以區(qū)分開來(lái)。第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)第一節(jié) 突變的分子基礎(chǔ)（2）終止密碼子突變：終止密碼子突變，使突變后的密碼子能編碼某一氨基酸，使肽鏈合成延長(zhǎng)。（3）移碼突變：使合成的肽鏈延長(zhǎng)或縮短。一基因一條多肽鏈第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)一、基因重組的可能機(jī)理：（1）染色體斷裂愈合模型1）聯(lián)會(huì)時(shí)，兩同源染色體互相纏繞形成相關(guān)螺旋；染色體內(nèi)扭力和染色單體間的扭力保持平衡。2）染色體分成染色單體時(shí)，同源染色體間的引力被斥力代替，平衡受破壞，只有當(dāng)兩個(gè)非姊妹染色單體在同一點(diǎn)上同時(shí)斷裂時(shí)，平衡才得以恢復(fù)。3）染色單體斷裂后，斷裂端螺旋部分松開，一個(gè)單體的斷裂端跟另一非姊妹單體的相應(yīng)斷裂端接

13、觸，互相愈合，形成重組的染色單體。第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)重組并不總是相互的（4：4），不能解釋鏈孢酶出現(xiàn)的5：3和6：2的分離比第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)（2）模寫選擇模型-重組是復(fù)制的直接結(jié)果 在復(fù)制過(guò)程中，子染色體可以調(diào)換模板，本來(lái)是以某一親本染色體為模板，可以轉(zhuǎn)而以另一親本為模板。1、復(fù)制為全保留，違反半保留復(fù)制的原則。2、僅限于二線交換，無(wú)三線、四線雙交換。3、配對(duì)交換在M期、復(fù)制在S期第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)二、基因轉(zhuǎn)變面包酵母：突變基因pdxp（在培養(yǎng)基中添加吡哆醇才能生長(zhǎng)），對(duì)酸度敏感。突變基因pdx：吡哆醇需要型突變，對(duì)酸度不敏感。 +pdxp pdx+孢子對(duì)子

14、囊1234第一對(duì)+ pdxppdx + + pdx +第二對(duì) + +pdx + + pdxp + pdxp第三對(duì) + pdxp+ +pdx + +第四對(duì)Pdx + + pdxppdx + pdx +第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)出現(xiàn)的頻率比突變率高第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)基因轉(zhuǎn)變：一個(gè)基因轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)等位基因。轉(zhuǎn)換區(qū)外的基因重組是正常的交互方式。糞生糞殼菌 g-決定子囊孢子的灰色 g+決定子囊孢子的黑色 g+ g- 200，000子囊，其中006% 5：3005% 6：20008% 3：1：1：3或異常的4：4第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)正常分離染色單體轉(zhuǎn)變半染色單體轉(zhuǎn)變第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)第二節(jié) 重組的分

15、子基礎(chǔ)染色單體轉(zhuǎn)變：在6：2或2：6子囊中，減數(shù)分裂的4個(gè)產(chǎn)物，有一個(gè)產(chǎn)物發(fā)生基因轉(zhuǎn)變。半染色單體轉(zhuǎn)變：在5：3或3：1：1：3的子囊中，減數(shù)分裂的4個(gè)產(chǎn)物，有一個(gè)或兩個(gè)產(chǎn)物的一半發(fā)生基因轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變可以影響到一個(gè)DNA分子雙鏈，也可以影響到其中一條鏈。減數(shù)后分離：分離發(fā)生在減數(shù)分裂后的有絲分裂中。基因轉(zhuǎn)變和重組相關(guān)。減數(shù)后分離(post-meiotic segregation)：其異常分離在重組過(guò)程中形成的雜合雙鏈DNA分子沒(méi)有得到及時(shí)較正，在隨后有絲分裂中隨著DNA復(fù)制和染色單體分裂所致。第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)特征：具高保真性，即轉(zhuǎn)換后的等位基因與轉(zhuǎn)換者完全相同。轉(zhuǎn)換事件往往與鄰位的交換事件

16、相伴而生。交換頻率比轉(zhuǎn)換頻率高好幾倍，且涉及到相同的染色單體。轉(zhuǎn)換會(huì)提高相鄰交換的負(fù)干涉系數(shù)。極性化分離。第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)三、遺傳重組的分子基礎(chǔ)-雜種DNA模型（Holliday模型）A Ba ba ba bA BA B第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)A Ba b A B a bABab第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)ABabABbaABbaAbaBABab第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)g+ 或+是ACAGT g-或-是ACATT TGTCA TGTAA 異源雙鏈DNA區(qū)域?yàn)锳CAGT TGTAA第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)第二節(jié) 重組的分子基礎(chǔ)基因轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì):是異源雙鏈DNA錯(cuò)配的核苷酸對(duì)在修復(fù)校正過(guò)程中所發(fā)生的一個(gè)基因

17、轉(zhuǎn)變?yōu)樗牡任换虻默F(xiàn)象。第三節(jié) 轉(zhuǎn)座遺傳因子第三節(jié) 轉(zhuǎn)座遺傳因子Barbara McClintock美國(guó)女遺傳學(xué)家。20世紀(jì)40年代開始研究Ac-Ds，花了20年時(shí)間。終生沒(méi)有結(jié)婚。第三節(jié) 轉(zhuǎn)座遺傳因子McClintock認(rèn)為，已知有色基因C （第九染色體上，是顯性）可使籽粒有色，但在C旁有一個(gè)基因叫Ds，它能抑制了基因C的作用，使籽粒無(wú)色；當(dāng)Ds從C上移走后，C作用恢復(fù)，出現(xiàn)顏色；Ds從C上移走的早，花斑就大，反之就??；因此花斑的大小是Ds從C上移走的早晚引起的。Ds的移動(dòng)還受另一個(gè)因子（Ac）的控制，當(dāng)Ac存在時(shí)，Ds可移動(dòng)，Ac丟失，則Ds不能移動(dòng)。第三節(jié) 轉(zhuǎn)座遺傳因子第三節(jié) 轉(zhuǎn)座遺傳

18、因子概念轉(zhuǎn)座遺傳因子（transposable genetic element）：細(xì)胞中能改變自身位置的一段DNA順序。(一些基因可以從染色體的一個(gè)基因座位轉(zhuǎn)到另一個(gè)基因座位，該特性稱轉(zhuǎn)座，這些基因叫轉(zhuǎn)座子)（trsnsposon)，又叫跳躍基因（jumping genes).解離因子（Ds，dissociation）：可使染色體在近旁斷裂的機(jī)會(huì)增加，并因此改變鄰近基因的表型效應(yīng)。激活因子（Ac，activator）：可位于基因組中任何其他地方，Ac的存在可以解除Ds對(duì)C的抑制作用，使色素基因C得以表達(dá)。第三節(jié) 轉(zhuǎn)座遺傳因子一、轉(zhuǎn)座子的分類和結(jié)構(gòu)特征（一）原核生物轉(zhuǎn)座子的類型：1、插入序列（insertion sequences，IS） 最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)座子。 二個(gè)分離的反向末端重復(fù)序列 (inverted terminal repeats, ITR) 一個(gè)轉(zhuǎn)座酶（transposase)編碼基因 IRTransposase GeneIR2、復(fù)合轉(zhuǎn)座子 類轉(zhuǎn)座子 由IS類