第七章基因突變

第七章基因突變第一節(jié)基因突變概說（掌握）第二節(jié)基因突變的分子基礎(chǔ)（理解）

第三節(jié)ＤＮＡ損傷的修復(fù)（掌握）

生物變異的來源大致可分為二個(gè)方面：基因重組（generecombination）：這是包括通過父母本雜交而產(chǎn)生染色體重新組合以及減數(shù)分裂時(shí)的染色體重組，這種變異服從于一般的遺傳規(guī)律。突變（mutation）：這是指由于遺傳物質(zhì)的改變而導(dǎo)致的變異。突異可分為兩大類，一是細(xì)胞學(xué)水平上可看到的變異，包括染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)的改變，特稱為染色體變異。另一類是細(xì)胞學(xué)水平上看不到的基因突變（genemutation）第一節(jié)基因突變概說基因突變（genemutation）：是指一個(gè)基因內(nèi)部可以遺傳的結(jié)構(gòu)改變。是基因分子內(nèi)部在某種條件作用下所發(fā)生的一個(gè)或幾個(gè)核苷酸的改變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)蛋白或酶的改變，從而影響有機(jī)體的大小、品質(zhì)、顏色、結(jié)構(gòu)和生長率等性狀的改變?；蛲蛔円话阍谌旧w結(jié)構(gòu)上是看不到的，實(shí)際微小的突變與染色體畸變的界限并不明確，特別是微細(xì)的畸變更是如此。正常紅細(xì)胞鐮刀型細(xì)胞分子表面電荷改變→疏水區(qū)域，導(dǎo)致溶解度下降→HbS聚合形成凝膠化的棒狀結(jié)構(gòu)→紅細(xì)胞變成鐮刀狀→血粘性增加→栓塞→痛性危象。同時(shí)，變形能力降低→擠壓時(shí)易破裂→溶血性貧血。雜合子（HbAHbS）不表現(xiàn)臨床癥狀，但在氧分壓低時(shí)可引起部分細(xì)胞鐮變。一、基因突變的類型根據(jù)誘發(fā)的原因，基因突變可分為以下兩個(gè)類型：1.自發(fā)突變（spontaneousmutation），所謂的自發(fā)突變，是指在沒有人工特設(shè)的誘發(fā)條件下，由于外界環(huán)境的自然作用或生物體內(nèi)生理或生化變化而誘發(fā)的突變。根據(jù)這個(gè)定義，我們知道所謂的自發(fā)突變并不是沒原因的突變，而是指人工特設(shè)誘變因素以外的其它因素引起的突變。2.人工誘變：這是指由人工特設(shè)誘發(fā)因素而引起的突變。根據(jù)突變的分子機(jī)理，突變又可分為以下三種：１．轉(zhuǎn)換（transition）：指ＤＮＡ分子中的嘌呤為另一種嘌呤或嘧啶為另一種嘧啶所取代而引起的突變。例:堿基對突變?yōu)椋玻崜Q（transversion），指DNA分子中的嘌呤被嘧啶取代或嘧啶被嘌呤取代所引起的突變。例:堿基對突變?yōu)榛颍常拼a突變（frameshiftmutation）：指ＤＮＡ分子中插入或缺失一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)核苷酸，使整個(gè)閱讀框改變而引起的突變。GCATGCTACG根據(jù)突變引起的表型特征，可將突變分為：１．形態(tài)突變（morphologicalmutation），或稱可見突變(visiblemutation)，是泛指能造成外形改變的突變。２．致死突變（lethalmutation）：是指能造成個(gè)體死亡的突變，致死突變型又可分為全致死突變型（９０％以上死亡），亞致死突變（50%~90%％死亡）；半致死突變（10%~50%死亡）和弱致死突變（10%以下死亡）。3．條件致死突變（conditionallethalmutation)：指在一定條件下表現(xiàn)致死效應(yīng)，而在其它條件下可以存活的突變。4．生化突變（biochemicalmutation)：指沒有形態(tài)效應(yīng)，但導(dǎo)致某種特定生化功能改變的突變。與突變有關(guān)的幾個(gè)概念(重點(diǎn))１．同義突變（samesenseorsynonymousmutation）：指雖然基因已發(fā)生突變，但仍編碼同一種氨基酸，這是因?yàn)槊艽a子有簡并性。２．無義突變（nonsensemutation）：是指由于突變而使其某一編碼子突變?yōu)榻K止密碼子（UGA,UAG，UGG）。３．錯(cuò)義突變（mis-sensemutation）：又稱歧義突變，是指由于突變而導(dǎo)致多肽鏈上氨基酸的改變，大多數(shù)的突變屬于此類。４．延長突變（elongationmutation）：這是一類剛好與無義突變相反的突變，是由于終止密碼子突變?yōu)榫幋a子，使肽鏈延長。二、基因突變的一般特征突變頻率：突變頻率是指生物體在每一世代中（單細(xì)胞生物以每一細(xì)胞）發(fā)生突變的頻率，也就是一定時(shí)間內(nèi)突變可能發(fā)生的次數(shù)。突變頻率一般是很低的，不同的生物，不同的基因其突變率相關(guān)是較大的。如果在人工誘變條件下，突變頻率可以大大提高，有時(shí)可達(dá)幾千倍。突變發(fā)生的時(shí)期和部位：從理論上講，突變可以發(fā)生在生物個(gè)體發(fā)育的任何時(shí)期，在體細(xì)胞或性細(xì)胞中都可發(fā)生，但性細(xì)胞發(fā)生的頻率要比體細(xì)胞高些。

突變的多方向性：基因的突變可以向多個(gè)方向進(jìn)行，一個(gè)基因Ａ可以突變?yōu)閍1、a2、a3……an等而構(gòu)成所謂的復(fù)等位基因（multiplealleles）。這些復(fù)等位基因可以從野生型基因突變產(chǎn)生，也可以從其它任何一個(gè)突變基因突變產(chǎn)生。突變的重演性：指同種生物的同一基因突變?yōu)橄嗤谋硇停梢栽诓煌瑐€(gè)體間重復(fù)出現(xiàn)。例如果蠅的白眼突變就曾發(fā)生過幾次。突變的可逆性：即可發(fā)生回復(fù)突變，顯性基因Ａ可以突變?yōu)殡[性基因ａ，而隱性基因ａ也可以突變?yōu)轱@性基因Ａ，前者稱為正向突變（forwardmutation）。后者稱為反問突變或回復(fù)突變（backmutation）。正向突變和反向突變的發(fā)生頻率是不一樣的。在多數(shù)情況下，正向突變率總是高于反向突變率。這是因?yàn)橐粋€(gè)野生型基因內(nèi)部的許多位點(diǎn)都可能發(fā)生改變而導(dǎo)致基因突變。但是一個(gè)基因內(nèi)部卻只有那個(gè)被改變了的結(jié)構(gòu)恢復(fù)原狀，才可發(fā)生回復(fù)突變。需要指出的是，由于缺失而引起的突變不能發(fā)生回復(fù)突變。突變的有害性與有利性：多數(shù)事例表明，突變大多數(shù)是有害的。這是因?yàn)樯锝?jīng)長期的自然選擇，產(chǎn)生了與外界環(huán)境相同協(xié)調(diào)的關(guān)系，這種關(guān)系一旦因突變而改變便可能干擾內(nèi)部的生理生化過程，所以大部分突變對生物體是不利的。少數(shù)的突變能促進(jìn)和加強(qiáng)某些生命活力，所以是有利的突變。例如作物抗病性，微生物的抗藥性等，這些突變?yōu)樯镞M(jìn)化提供了最有利的條件?？顾幮酝蛔兣c藥物：微生物產(chǎn)生抗藥性突變與藥物的存在與否沒有關(guān)系。藥物的存在只是起篩選作用。第二節(jié)基因突變的分子基礎(chǔ)一.自發(fā)突變

由DNA復(fù)制錯(cuò)誤、自發(fā)損傷和轉(zhuǎn)座因子等多重原因引起。1.DNA復(fù)制錯(cuò)誤:在DNA復(fù)制過程中，可能產(chǎn)生堿基的錯(cuò)配，帶有錯(cuò)配堿基的DNA在下一次復(fù)制時(shí)，則會(huì)引起堿基的替代，從而引起DNA分子的錯(cuò)誤。由于DNA分子中的堿基本身存在著交替的化學(xué)結(jié)構(gòu)，稱為互變異構(gòu)體（tautomer），當(dāng)堿基以它稀有的形式出現(xiàn)時(shí)就可能與錯(cuò)誤的堿基配對，這種堿基化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變過程稱為互變異構(gòu)移位（tautomericshift）。每種堿基有幾種互變異構(gòu)體,可在DNA復(fù)制時(shí)自發(fā)發(fā)生.2.自發(fā)損傷脫嘌呤脫氨基氧化性損傷堿基脫嘌呤是自發(fā)化學(xué)變化中最常見的一種，它是由于堿基和脫氧核糖間的糖苷鍵斷裂，從而引起一個(gè)鳥嘌呤或一個(gè)腺嘌呤從DNA分子上脫落下來。研究發(fā)現(xiàn)，在37℃條件下培養(yǎng)一個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞20小時(shí)，會(huì)有數(shù)以千計(jì)的嘌呤通過脫嘌呤作用自發(fā)地脫落。如果這種損傷得不到修復(fù)，就會(huì)引起很大的遺傳損傷，因?yàn)樵贒NA復(fù)制過程中，無嘌呤位點(diǎn)將沒有特異堿基與之互補(bǔ)，而可能隨機(jī)地選擇一個(gè)堿基插進(jìn)去，結(jié)果導(dǎo)致突變。脫氨基作用是指在一個(gè)堿基上去掉氨基，常見的是胞嘧啶（C）和5-甲基胞嘧啶（5mC），它們脫氨基后分別變成尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T），從而使DNA分子受到損傷。由于在DNA中U不是一個(gè)正常堿基，因此如果它不被除去修復(fù)，在DNA復(fù)制中它將與腺嘌呤（A）配對，導(dǎo)致原來的GC堿基對轉(zhuǎn)變?yōu)锳T堿基對。圖:脫氨基造成的堿基轉(zhuǎn)換在生物基因組內(nèi)存在的可移動(dòng)DNA序列轉(zhuǎn)座因子（transposon）或插入序列（insertionsequence），通過在基因組內(nèi)的移動(dòng)也經(jīng)常引起基因功能的失活或改變?，F(xiàn)已知道，在玉米、果蠅等生物中發(fā)生的一些典型突變就是由于這類可移動(dòng)DNA序列的插入所引起的。圖:轉(zhuǎn)座子或插入序列引起基因突變的機(jī)制

二.誘發(fā)突變(一)、常用誘變劑及其誘變機(jī)理1、物理誘變因素及其誘變機(jī)理在多種物理誘變因素中研究得最多的是射線，包括電離射線和非電離射線。不管電離或非電離射線都可通過兩個(gè)途徑對遺傳物質(zhì)發(fā)生作用：直接作用與間接作用

當(dāng)電離輻射的射線碰撞基因任何分子時(shí)，射線的能量使基因任何分子的某些原子外圍的電子脫離軌道，于是這些原子就從中性變?yōu)閹д姾傻碾x子，這叫做“原發(fā)電離”。在射線經(jīng)過的通路上，在形成大量離子對的過程中所產(chǎn)生的電子，多數(shù)尚有較大的能量，能引起第二次電離。這叫做“次級電離”。由于從一個(gè)原子外層脫離軌道的電子必然被另一個(gè)原子所捕獲，所以離子是成對出現(xiàn)的，稱為離子對。次級電離的結(jié)果，輕則造成基因分子結(jié)構(gòu)的改組，產(chǎn)生突變了的新基因，重則造成染色體的斷裂，引起染色體結(jié)構(gòu)的畸變直接作用：指射線直接作用于遺傳物質(zhì)，例如電離射線和紫外線都可引起ＤＮＡ骨架的斷裂，從而造成染色體畸變。輻射（例如紫外線）還可使ＤＮＡ分子上相鄰的嘧啶成為二聚體，最常見的是胸腺嘧啶二聚體（Ｔ＝Ｔ）

Ｔ＝Ｔ的存在可以帶來ＤＮＡ分子的扭曲，從而影響正常的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，嚴(yán)重時(shí)可致死。也可能使ＤＮＡ復(fù)制造成差錯(cuò)而誘發(fā)突變。間接作用：所謂間接作用，是指輻射首先作用于遺傳物質(zhì)以外的其它物質(zhì)，使這些物質(zhì)發(fā)生變化，這些變化了的物質(zhì)再作用于遺傳物質(zhì)從而引起一系列的遺傳學(xué)效應(yīng)。例如ｘ射線可以使細(xì)胞中的H2O產(chǎn)生H2O2和游離基。

H2O+O2OH+HO2

所形成的H2O2

、OH和HO2以及它們產(chǎn)生的其它連鎖反應(yīng)才是真正的誘變劑，作用于染色體而引起突變。電離輻射H2O2◆物理誘變的非特異性：對DNA分子及其核苷酸殘基無選擇性，所以沒有?；院吞禺愋钥裳??！簟糇贤饩€(380-15nm)的作用機(jī)制：◆激發(fā)作用使原子外圍的電子活躍起來，造成基因分子鏈的離新。這些分子鏈已經(jīng)離析的基因在重新組合的時(shí)候，不免要發(fā)生差錯(cuò)，于是出現(xiàn)基因突變。紫外線(UV)特別作用于嘧啶，使得同鏈上鄰近的嘧啶核苷酸之間形成多價(jià)的聯(lián)合。最通常的結(jié)果是促使胸腺嘧啶聯(lián)合成二聚體；或是將胞嘧啶脫氨成尿嘧啶，或是將水加到嘧啶的C4、C5位置上成為光產(chǎn)物。它可以削弱C—G之間的氫鍵，使DNA鏈發(fā)生局部分離或變性。輻射誘變的特點(diǎn)（１）輻射誘變劑引起的基因突變率和染色體斷裂的頻率與劑量成正比而與照射的方式無關(guān)。即輻射有累積效應(yīng)。（２）分裂中的細(xì)胞更容易受損傷，特別是生殖細(xì)胞。（３）產(chǎn)生的遺傳學(xué)效應(yīng)比較復(fù)雜，可引起死亡、癌變、堿基置換（顛換和轉(zhuǎn)換），移碼突變、染色體畸變等。2、常用化學(xué)誘變劑及其作用機(jī)制（１）．化學(xué)誘變劑的特點(diǎn)：化學(xué)誘變劑與輻射一樣可以引起染色體畸變和基因突變，故又稱為擬輻射物質(zhì)?；瘜W(xué)誘變與輻射作用的不同是：誘變效率低、對ＤＮＡ損傷小，突變譜不廣，但可育的有利突變較多，而且誘變劑的作用一般具有專一性。（２）．化學(xué)誘變劑的類型及作用機(jī)制A烷化劑：這是一類帶有一個(gè)（單功能烷化劑）或幾個(gè)（多功能烷化劑）不穩(wěn)定的烷基，可與核酸中的堿基起化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)?！敉榛瘎┦悄壳皯?yīng)用最廣泛而有效的誘變劑。最常用的有甲基磺酸乙酯(EMS)，甲基磺酸甲酯(MMS)、亞硝酸胍等?！羲鼈兌紟в幸粋€(gè)或多個(gè)活潑的烷基，這些烷基能夠移到其它電子密度較高的分子中去，從而改變氫鍵的結(jié)合能力?！锿榛饔米钊菀装l(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，使GC→AT轉(zhuǎn)換★烷化作用使DNA的堿基容易受到水解而從DNA鏈上裂解下來，造成堿基的缺失★烷化劑的另一個(gè)作用是與磷酸結(jié)成不穩(wěn)定的磷酸酯，磷酸酯水解成磷酸和脫氧核糖，使DNA鏈斷裂，從而引起突變。

大多數(shù)烷化劑可在鳥嘌呤的第七位上產(chǎn)生烷化作用，形成７－烷基鳥嘌呤。７－烷基鳥嘌呤很不穩(wěn)定，可以脫去烷基而恢復(fù)原狀，也可以使核糖－鳥嘌呤間的共價(jià)鍵斷裂而脫去鳥嘌呤。脫去鳥嘌呤的位置上便形成一個(gè)空位，這一空位有以下幾個(gè)可能的效應(yīng)：ＤＮＡ復(fù)制時(shí)空位的相對位置上出現(xiàn)Ｔ而引起轉(zhuǎn)換

GO

OA

TTCC

GCＤＮＡ復(fù)制時(shí)，在空位的相對位置上出現(xiàn)Ａ或Ｇ，引起顛換：導(dǎo)致ＤＮＡ斷裂，引起染色體畸變成移碼突變。也可能并不脫去７－烷基鳥嘌呤，但由于７－烷基嘌呤的存在使堿基錯(cuò)配而導(dǎo)致點(diǎn)突變。GOOTAACCOC

GGB堿基類似物：指與DNA分子中堿基結(jié)構(gòu)十分相似的化學(xué)物質(zhì)。5–溴尿嘧啶(5BU)，

5—溴去氧尿核苷、2—氨基嘌呤等。這類與DNA堿基類似的化合物，常常能參入到DNA分子中去，好像是它的正常組成成分。在DNA復(fù)制時(shí)引起堿基配對上的差錯(cuò)，最終導(dǎo)致堿基對的替換，引起突變。當(dāng)DNA復(fù)制時(shí)，這些類似物可以摻入到DNA分子中而引起誤配，例如５－溴尿嘧啶（5-BU）以酮式存在時(shí)可與Ａ配對，以烯醇式存在時(shí)可與Ｇ配對，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換的發(fā)生。同時(shí)，有5-Bu引起的突變也可以由再誘發(fā)回復(fù)突變。2-氨基嘌呤也有類似的情況。5-BU的誘變機(jī)制：

AAGTTCAAGGTBUBUBUGGACCTGGAACBUBUBU（３）亞硝酸（HNO2）：HNO2的主要作用是氧化脫氨，Ｃ經(jīng)氧化脫氨后變?yōu)閁；Ａ變?yōu)榇吸S嘌呤（Ｈ）；Ｇ變?yōu)辄S嘌呤（Ｘ）。C羥胺（NH2OH）：這一誘變劑幾乎只和Ｃ發(fā)生反應(yīng)，而不與其它三種堿基發(fā)生反應(yīng)。所以它只能引起→的轉(zhuǎn)換。D亞硝基胍：這是一類強(qiáng)誘變劑，所以又稱為超誘變劑。亞硝基胍的另一特點(diǎn)是它可誘發(fā)鄰近幾個(gè)基因同時(shí)發(fā)生突變，即所謂的并發(fā)突變。E吖啶類染料：這一類誘變劑的特點(diǎn)是誘發(fā)移碼突變，使ＤＮＡ分子增加或缺失幾對核苷酸。

GCAT第三節(jié)動(dòng)態(tài)突變

是指人類基因組中存在一些微衛(wèi)星DNA或稱為短串聯(lián)重復(fù)序列尤其是三核苷酸的重復(fù)如CAG、CCG、CTG、CGG，在靠近基因或位于基因序列之中，其重復(fù)次數(shù)在一代一代傳遞過程中會(huì)出現(xiàn)明顯的增加現(xiàn)象。

目前發(fā)現(xiàn)有近20種遺傳病和脆性位點(diǎn)與動(dòng)態(tài)突變有關(guān)，這種新突變機(jī)制的發(fā)現(xiàn)為這些疾病的基因診斷提供了簡便有效的方法。也解釋了遺傳早現(xiàn)的分子基礎(chǔ)。如脆性X綜合癥基因（CGG)，正常人為6~54拷貝數(shù)，攜帶者為60~200，患者為200~2000。ExpansionoftheCGGtripletintheFMR-1geneseeninthefragileXsyndrome.Normalpersonshavefrom6to54copiesoftheCGGrepeat,whereasmembersofsusceptiblefamiliesdisplayanincrease(premutation)inthenumberofrepeats:normallytransmittingmales(NTMs)andtheirdaughtersarephenotypicallynormalbutdisplayfrom50to200copiesoftheCGGtriplet;thenumberofrepeatsexpandstosome200to1300inthoseshowingfullsymptomsofthedisease.第四節(jié)、ＤＮＡ損傷的修復(fù)1、光復(fù)活作用（photoreactivation）：經(jīng)UV照射后的細(xì)菌等細(xì)胞如果暴露在可見光下時(shí)，存活數(shù)顯然大于在黑暗中培養(yǎng)的同一處理物。這是因?yàn)榧?xì)胞中含有一種可見光激活的酶，稱光復(fù)合酶。這種酶可與經(jīng)UV照射過的ＤＮＡ的黑暗中結(jié)合，如果經(jīng)可見光激活便可將二聚體分開來，同時(shí)酶脫離ＤＮＡ。光復(fù)活過程已在細(xì)菌、酵母、原生動(dòng)物、哺乳動(dòng)物乃至人類細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)。２．暗復(fù)活（darkreactivation）：又稱切補(bǔ)修復(fù)（excisionrepair），所謂的暗復(fù)活是指修復(fù)ＤＮＡ的損傷并不需要光的激活作用，而不是指修復(fù)過程必須在暗中進(jìn)行。這一過程大約有四個(gè)酶參與，即首先由核酸內(nèi)切酶的作用下在ＤＮＡ損傷部位造成單鏈斷裂，然后在核酸外切酶的作用下切除二聚體及周圍的少數(shù)幾個(gè)核苷酸，而后在DNApol

I或Ⅱ的作用下修補(bǔ)缺口，最后由連接酶連接成一個(gè)完整的ＤＮＡ雙鏈。重組修復(fù)（recombinationrepair）：重組修復(fù)是在DNA復(fù)制的情況下進(jìn)行的，所以又稱復(fù)制后修復(fù)。過程大致是：（１）帶有二聚體的ＤＮＡ單鏈仍可做為模板進(jìn)行DNA復(fù)制，但是子代DNA鏈中在與二聚體對應(yīng)的部位出現(xiàn)空隙。（２）有缺口的子代DNA鏈與另一完整的母鏈進(jìn)行重組，空隙由母鏈來的片段彌補(bǔ)而將空隙轉(zhuǎn)移給母鏈。（３）重組后，空缺已不再對著二聚體部位，而是面對著另一正常的單