分子生物學(xué)導(dǎo)論第章DNA的突變和修復(fù)

第3章DNA的突變與修復(fù)當(dāng)前1頁，總共81頁。本次內(nèi)容1、DNA的突變2、DNA的修復(fù)3、DNA的轉(zhuǎn)座當(dāng)前2頁，總共81頁。DNA的損傷自發(fā)復(fù)制錯誤：10－9自發(fā)脫嘌呤、脫嘧啶、脫氨基、自發(fā)水解細(xì)胞呼吸副產(chǎn)品——自由基損傷堿基紫外線損傷（最易形成TT二聚體）電離輻射損傷

堿基破壞、戊糖分解、鏈斷裂、DNA交聯(lián)化學(xué)損傷堿基類似物，致癌化學(xué)品（EB）當(dāng)前3頁，總共81頁。1、突變1.1單堿基變化1.2結(jié)構(gòu)畸變1.3突變熱點(diǎn)1.4誘變劑當(dāng)前4頁，總共81頁。一個正常的生物體叫作野生型（wildtype,WT）,如果DNA發(fā)生改變，就會使生物體的某些性狀有所改變，這種改變了性狀的生物體相對于正常的生物體來說，就成為突變體（mutant）。

當(dāng)突變發(fā)生在體細(xì)胞中時，突變只能作用于攜帶該細(xì)胞（或該細(xì)胞的后裔細(xì)胞）的個體；當(dāng)突變發(fā)生在性細(xì)胞中時，突變可遺傳給下一代。當(dāng)前5頁，總共81頁。所有的組織都有可能隨機(jī)地與環(huán)境反應(yīng)產(chǎn)生突變，這種突變叫做自發(fā)突變（spontaneousmutagenesis）。

是DNA復(fù)制中（或參與DNA復(fù)制的其他事件中）的差錯或環(huán)境傷害的結(jié)果。突變是罕見事件，對好的表型有害的自發(fā)突變在進(jìn)化過程中被淘汰。自發(fā)突變的發(fā)生率對每個組織來說都是特征性的，這種特征是背景水平（backgroundlever，本底水平）的突變。

突變的本底水平指一個生物體的基因組中序列變化積聚的速率。使用了誘變劑的突變叫誘發(fā)突變（inducedmutagenesis）當(dāng)前6頁，總共81頁。突變?yōu)樯镞M(jìn)化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。突變有多種形式，從大片段DNA的插入（或缺失）一直到單個堿基的突變。突變可以自發(fā)產(chǎn)生，也可以通過誘變劑的誘發(fā)產(chǎn)生。任何生物體的突變率取決于，突變的發(fā)生及其被消除之間的平衡。按平均數(shù)而言，堿基突變率是每代10-9～10-10，即1000bp的基因以每代的概率突變，細(xì)菌基因組的突變率是每代3×10-3。當(dāng)前7頁，總共81頁。1.1單堿基變化（點(diǎn)突變）常見的單堿基突變是轉(zhuǎn)換（transition），即：一個嘧啶變成另一個嘧啶，或是一個嘌呤變成另一個嘌呤，也就是C→T，A→G；或反過來（viceversa）。

另一種不常見的形式是顛換（trans-version），即：一個嘌呤被一個嘧啶替代，或反過來，結(jié)果AT變成了TA或CG。轉(zhuǎn)換和顛換造成點(diǎn)突變（pointmutation）。當(dāng)前8頁，總共81頁。

轉(zhuǎn)換顛換發(fā)生頻率當(dāng)前9頁，總共81頁。1.2DNA結(jié)構(gòu)變化插入（insertion）指DNA鏈中插入一段堿基對（一對或少數(shù)幾對堿基），使基因的功能或閱讀框發(fā)生變化的情況。移碼（frameshift）：如果1個（或2個）堿基插入到某基因的蛋白質(zhì)編碼區(qū)5’端，插入點(diǎn)后的密碼發(fā)生錯誤，使原來的編碼區(qū)編碼另一種不同的蛋白質(zhì)。如果插入3個額外堿基，插入點(diǎn)之后的密碼序列不會改變。當(dāng)前10頁，總共81頁。正?；駽ATCATCAT--------------------

hishishis-------------功能蛋白插入一個堿基CATTCATCAT------------------

hisserser-------------非功能蛋白插入三個堿基CATTAT

CATCAT--------------

histyrhishis---------功能蛋白堿基插入與三聯(lián)密碼插入一個堿基造成移碼；三個則插入點(diǎn)后密碼序列不變。當(dāng)前11頁，總共81頁。缺失（deletion）指DNA鏈中丟失一對或幾對堿基，使基因的功能或閱讀框發(fā)生變化的情況。

正常HbACNUCU

AAAUACCGUUAA---ThrSerLysTyrArgTer突變HbACNUCAAAUACCGUU----ThrSerAsnThrVal血紅蛋白基因編碼區(qū)中單個堿基缺失,造成合成一條較長的α鏈.當(dāng)前12頁，總共81頁。

小結(jié)當(dāng)前13頁，總共81頁。

當(dāng)前14頁，總共81頁。通讀(readthrough):在終止密碼子上的移碼，會使翻譯過程通過原來的終止密碼子繼續(xù)進(jìn)行下去。缺失和插入可能會造成翻譯提前終止、通讀或者產(chǎn)生其它非功能蛋白。較大片段的缺失、插入插入因子、轉(zhuǎn)座等當(dāng)前15頁，總共81頁。1.3突變熱點(diǎn)熱點(diǎn)（hotspot）是基因組的一個位點(diǎn)，這里的突變頻率大大提高，比相鄰位點(diǎn)通常高出一個數(shù)量級。

許多熱點(diǎn)是由修飾堿基產(chǎn)生的。。修飾堿基（modifiedbase）除了合成DNA的T、C、A、G（或合成RNA的U、C、A、G）以外的所有堿基；它們是由核酸合成后的化學(xué)修飾所產(chǎn)生的。5-甲基胞嘧啶是熱點(diǎn)的常見原因，它可自發(fā)地脫氨基形成胸腺嘧啶。當(dāng)前16頁，總共81頁。

1.4

誘變劑

1.4.1物理誘變劑物理誘變劑：紫外線，γ－射線，x－射線，快中子等；當(dāng)前17頁，總共81頁。1.4.2化學(xué)誘變劑1、堿基類似物

5-溴尿嘧啶（5BU）、2-氨基嘌呤（2AP）2、堿基修飾劑（脫氨因子、羥基化因子、烷化劑）

亞硝酸、羥氨、MMS3、嵌入劑（移碼誘變劑）

溴化乙錠（EB）、原黃素當(dāng)前18頁，總共81頁。

5-溴尿嘧啶BrDuAT→GCGC→AT當(dāng)前19頁，總共81頁。

亞硝基化試劑亞硝基胍二甲基-亞硝化劑二乙基-亞硝化劑當(dāng)前20頁，總共81頁。

當(dāng)前21頁，總共81頁。亞硝酸當(dāng)前22頁，總共81頁。

去氨基去氨基5-甲基-胞嘧啶胞嘧啶C胸腺嘧啶T轉(zhuǎn)換當(dāng)前23頁，總共81頁。

當(dāng)前24頁，總共81頁。

腺嘌呤G烷基化試劑，如MMS胞嘧啶C胸腺嘧啶TO6-甲基腺嘌呤GC→AT當(dāng)前25頁，總共81頁。本次內(nèi)容1、DNA的突變2、DNA的修復(fù)3、DNA的轉(zhuǎn)座當(dāng)前26頁，總共81頁。大腸桿菌中DNA的修復(fù)系統(tǒng)SOS系統(tǒng)DNA的修復(fù)，導(dǎo)致變異當(dāng)前27頁，總共81頁。光裂合酶（DNA光解酶，photolyase）把環(huán)丁烷胸腺嘧啶二體、

6-4光化物還原成單體O6-甲基鳥嘌呤轉(zhuǎn)甲基酶2.1直接修復(fù)當(dāng)前28頁，總共81頁。

當(dāng)前29頁，總共81頁。甲基轉(zhuǎn)移酶O6-甲基鳥嘌呤核苷酸鳥嘌呤核苷酸當(dāng)前30頁，總共81頁。2.2錯配修復(fù)錯配修復(fù)系統(tǒng)保存母鏈，修正子鏈如何識別母鏈？識別母鏈：甲基化

Dam甲基化酶能使母鏈在開始復(fù)制前幾秒鐘內(nèi)被甲基化。（甲基化位點(diǎn)：GATC中的A的N6位甲基化。）當(dāng)前31頁，總共81頁。

1

發(fā)現(xiàn)錯配堿基2母鏈：甲基化子鏈：未甲基化當(dāng)前32頁，總共81頁。根據(jù)母鏈甲基化原則找出錯配堿基的示意圖a.發(fā)現(xiàn)堿基錯配。b.在水解ATP的作用下，MutS,MutL與堿基錯配位點(diǎn)的DNA雙鏈相結(jié)合。c.MutS-MutL在DNA雙鏈上移動，發(fā)現(xiàn)甲基化DNA后由MutH切開非甲基化的子鏈。當(dāng)前33頁，總共81頁。堿基錯配修復(fù)過程示意圖當(dāng)前34頁，總共81頁。當(dāng)錯配堿基位于切口3’下游端時，在MutL-MutS、解鏈酶II、DNA外切酶VII的作用下從錯配堿基3’下游端開始切除單鏈DNA直到錯配位點(diǎn)，并在PolIII和SSB的作用下合成新的子鏈片段。當(dāng)前35頁，總共81頁。若錯配堿基位于切口的5’上游端，則在DNA外切酶I或X的作用下切除單鏈DNA直到錯配位點(diǎn)，再合成新的子鏈片段。5’5’5’3’3’3’當(dāng)前36頁，總共81頁。2.3切除修復(fù)堿基切除修復(fù)

AP位點(diǎn)：糖苷水解酶能特異性切除受損核苷酸上的N-β-糖苷鍵，在DNA鏈上形成去嘌呤或去嘧啶位點(diǎn)，統(tǒng)稱為AP位點(diǎn)。核苷酸切除修復(fù)

DNA鏈上相應(yīng)位置的核苷酸發(fā)生損傷，導(dǎo)致雙鏈之間無法形成氫鍵。當(dāng)前37頁，總共81頁。DNA分子中常見的幾種核苷酸非酶促轉(zhuǎn)變反應(yīng)a.脫氨基反應(yīng)當(dāng)前38頁，總共81頁。

DNA分子中常見的幾種核苷酸非酶促轉(zhuǎn)變反應(yīng)b.脫嘌呤反應(yīng)（N-β糖苷鍵被水解）當(dāng)前39頁，總共81頁。DNA分子中一旦產(chǎn)生了AP位點(diǎn)，內(nèi)切酶就會把受損核苷酸的糖苷-磷酸鍵切開，移去AP位點(diǎn)附近小片段DNA，并由DNA聚合酶I和DNA連接酶共同完成修復(fù)。DNArepairbybaseexcision堿基受損DNA糖苷酶AP位點(diǎn)AP核酸內(nèi)切酶當(dāng)前40頁，總共81頁。DNArepairbynucleotideexcision損傷發(fā)生后，首先由DNA切割酶在已損傷的核苷酸5’和3’位分別切開磷酸糖苷鍵，產(chǎn)生并移去DNA小片段，然后由DNA聚合酶合成新片段，并由DNA連接酶完成修復(fù)中的最后步驟。受損核苷酸DNA切割酶修復(fù)因子當(dāng)前41頁，總共81頁。大腸桿菌和人類細(xì)胞中的核苷酸切除修復(fù)過程示意圖當(dāng)前42頁，總共81頁。2.4重組修復(fù)（Recombinationrepair）遺傳信息有缺損的子代DNA分子通過遺傳重組的方式加以彌補(bǔ)，即從同源DNA的母鏈上將相應(yīng)核苷酸序列片段移至子鏈缺口處，然后用再合成的序列來補(bǔ)上母鏈的空缺。當(dāng)前43頁，總共81頁。DNA的重組修復(fù)胸腺嘧啶二聚體復(fù)制核酸酶及重組蛋白修復(fù)復(fù)制DNA聚合酶DNA連接酶重組當(dāng)前44頁，總共81頁。2.5SOS反應(yīng)SOSresponse&DNArepairSOS反應(yīng)：是細(xì)胞DNA受到損傷或復(fù)制系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下，為求得生存而出現(xiàn)的應(yīng)急效應(yīng)。SOS反應(yīng)誘導(dǎo)的修復(fù)系統(tǒng)包括避免差錯修復(fù)(errorfreerepair)和易產(chǎn)生差錯修復(fù)(error-pronerepair)SOS反應(yīng)能誘導(dǎo)切除修復(fù)和重組修復(fù)中某些關(guān)鍵酶和蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，使其含量上升，加強(qiáng)切除修復(fù)和重組修復(fù)的能力。另外，還能誘導(dǎo)產(chǎn)生缺乏校對功能的DNA聚合酶，能在DNA損傷部位復(fù)制而避免了死亡，但是帶來高變異率。當(dāng)前45頁，總共81頁。本次內(nèi)容1、DNA的突變2、DNA的修復(fù)3、DNA的轉(zhuǎn)座當(dāng)前46頁，總共81頁。DNA的轉(zhuǎn)座，或稱移位（transposition），是由可移位因子（transposableelement）介導(dǎo)的遺傳物質(zhì)重排現(xiàn)象。當(dāng)前47頁，總共81頁。

轉(zhuǎn)座子（轉(zhuǎn)座元件）

（transposon，Tn，transposableelement）

存在于染色體DNA上可自主復(fù)制和位移的基本單位。

是基因組中可移動的單獨(dú)的序列；能把自己運(yùn)送到其他的位置上。

一個轉(zhuǎn)座子由基因組的一個位置移到另一個位置的過程稱為轉(zhuǎn)座。促進(jìn)轉(zhuǎn)座的酶稱為轉(zhuǎn)座酶，轉(zhuǎn)座子常常編碼它自己的轉(zhuǎn)座酶；轉(zhuǎn)座子每次移動時攜帶轉(zhuǎn)座必需的基因在轉(zhuǎn)座酶的幫助下一起在基因組內(nèi)躍遷，所以轉(zhuǎn)座子又稱為跳躍基因（jumpinggene)。當(dāng)前48頁，總共81頁。轉(zhuǎn)座以很低的頻率發(fā)生；轉(zhuǎn)座子的插入是隨機(jī)的，不依賴于轉(zhuǎn)座子和靶位點(diǎn)之間任何序列的同源性（有時有程度不同的傾向性）；轉(zhuǎn)座子有時插入到一個結(jié)構(gòu)基因或基因調(diào)節(jié)序列內(nèi)并引起基因表達(dá)改變。轉(zhuǎn)座子的特點(diǎn)當(dāng)前49頁，總共81頁。3.1.1插入序列（insertionalsequence，IS）最簡單的轉(zhuǎn)座子，不含任何宿主基因，只含有為其自身轉(zhuǎn)座所需的（轉(zhuǎn)座酶）基因。IS元件是細(xì)菌染色體和質(zhì)粒的正常組成。λ::IS1

倒(反)向末端重復(fù)(invertedterminalrepeat)某些轉(zhuǎn)座子兩端取向相反的短的相關(guān)序列(或相同序列)。

順(正)向重復(fù)(invertedterminalrepeat)

一個DNA分子內(nèi)取向相同的同一序列（或密切相關(guān)序列）的兩份到多份拷貝。

轉(zhuǎn)座酶（transposase）為轉(zhuǎn)座子插入新位置提供酶活性。

3.1轉(zhuǎn)座子的分類和結(jié)構(gòu)特征當(dāng)前50頁，總共81頁。

當(dāng)前51頁，總共81頁。

當(dāng)前52頁，總共81頁。

轉(zhuǎn)座完成后，靶位點(diǎn)形成兩個拷貝，位于轉(zhuǎn)座子的兩端，形成同向重復(fù)序列（directrepeats）。當(dāng)前53頁，總共81頁。

當(dāng)前54頁，總共81頁。IS元件結(jié)構(gòu)識別：其末端是倒轉(zhuǎn)重復(fù)序列，鄰近末端的旁側(cè)存在宿主DNA的短正向重復(fù)序列。多數(shù)IS元件在宿主DNA的多個位點(diǎn)插入，但也有些有其偏愛的特異宿主位點(diǎn)。除IS1外的所有IS元件都含有單一的長編碼區(qū)。此區(qū)編碼轉(zhuǎn)座酶。不同轉(zhuǎn)座元件的轉(zhuǎn)座頻率不同。一般為每代10-3～10-4次/元件。IS序列的結(jié)構(gòu)特征當(dāng)前55頁，總共81頁。3.1.2復(fù)合轉(zhuǎn)座子(compositetransposon)有些轉(zhuǎn)座子除轉(zhuǎn)座功能外，中心區(qū)還攜帶抗藥性(或其它)標(biāo)記，兩側(cè)有IS元件“臂”，而被稱為復(fù)合轉(zhuǎn)座子。在復(fù)合轉(zhuǎn)座子中，IS序列不能單獨(dú)移動。大部分情況下，IS序列決定和調(diào)節(jié)復(fù)合轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座能力。當(dāng)前56頁，總共81頁。兩端的IS1序列相同、同向重復(fù)（IS1末端的反向重復(fù)區(qū)、轉(zhuǎn)座酶編碼區(qū)相同）Tn9轉(zhuǎn)座子CamR當(dāng)前57頁，總共81頁。Tn903轉(zhuǎn)座子兩端的IS903序列相同、反向重復(fù)（IS末端的反向重復(fù)區(qū)、轉(zhuǎn)座酶編碼區(qū)相同）kanR當(dāng)前58頁，總共81頁。名稱左末端中心區(qū)（抗藥標(biāo)記）右末端Tn10IS10L無功能terRIS10R有功能Tn5IS50L無功能kanRIS50R有功能兩端的IS序列不相同、反向重復(fù)（IS的轉(zhuǎn)座酶編碼區(qū)高度同源但不相同）Tn10、Tn5轉(zhuǎn)座子當(dāng)前59頁，總共81頁。3.1.3TnA家族

無IS序列，兩翼帶有38bp的倒轉(zhuǎn)重復(fù)序列。mRNA靶位點(diǎn)復(fù)制靶位點(diǎn)復(fù)制左倒轉(zhuǎn)重復(fù)（38bp）右倒轉(zhuǎn)重復(fù)（38bp）轉(zhuǎn)座酶解離酶β-內(nèi)酰胺酶當(dāng)前60頁，總共81頁。3.2轉(zhuǎn)座的作用機(jī)制特征：受體分子中有一段很短的（3-12bp）、稱為靶序列的DNA會被復(fù)制，使插入的轉(zhuǎn)座子位于兩個重復(fù)的靶序列之間。不同轉(zhuǎn)座子的靶序列長度不同，但特定轉(zhuǎn)座子復(fù)制的靶序列長度是一樣的。如IS1兩翼有9個堿基對的靶序列，Tn3兩端總有5bp的靶序列。當(dāng)前61頁，總共81頁。

轉(zhuǎn)座子靶位點(diǎn)兩翼的正向重復(fù)是因交錯切割所產(chǎn)生的突出末端與轉(zhuǎn)座子相連而形成

靶序列的復(fù)制源于特定內(nèi)切酶所形成的粘性末端。當(dāng)前62頁，總共81頁。當(dāng)前63頁，總共81頁。轉(zhuǎn)座復(fù)制性轉(zhuǎn)座：TnA

整個轉(zhuǎn)座子被復(fù)制，

移動和轉(zhuǎn)位的是原轉(zhuǎn)座子的拷貝。非復(fù)制性轉(zhuǎn)座：IS、Mu、Tn5原始轉(zhuǎn)座子作為可移動的實(shí)體直接被移位。當(dāng)前64頁，總共81頁。當(dāng)前65頁，總共81頁。當(dāng)前66頁，總共81頁。3.3轉(zhuǎn)座作用的遺傳學(xué)效應(yīng)插入突變?nèi)绮迦氩倏v子前，造成極性突變，使結(jié)構(gòu)基因表達(dá)失活產(chǎn)生新基因轉(zhuǎn)座子的抗藥基因染色體畸變?nèi)笔?、倒位引起生物進(jìn)化構(gòu)成新的操縱子或表達(dá)單元當(dāng)前67頁，總共81頁。當(dāng)前68頁，總共81頁。當(dāng)前69頁，總共81頁。當(dāng)前70頁，總共81頁。3.4真核生物中的轉(zhuǎn)座子3.4.1玉米中的轉(zhuǎn)座子玉米的控制元件形成轉(zhuǎn)座子家族當(dāng)前71頁，總共81頁。

每個控制元件家族都含有自主成員和非自主成員，自主成分可以轉(zhuǎn)座，非自主成分不能獨(dú)立轉(zhuǎn)座。自主和非自主這樣的配對組合成分可以分成4個以上的家族。玉米中主要控制元件家族當(dāng)前72頁，總共81頁。同一家族的自主性因子能為非自