chapter7基因突變與遺傳重組的分子機(jī)制

1、chapter7基因突變與遺傳重組的分子機(jī)制有關(guān)突變的幾個(gè)名詞突變體 (mutant)：只與野生型或正常型不同的基因或個(gè)體突變(mutation)：指DNA分子上發(fā)生的可遺傳的變化突變劑(mutagen)：只能引起突變或增加突變頻率的物理的或化學(xué)因素誘變 Mutagenesis ：產(chǎn)生突變的過程is the process of producing a mutation.Mutations are of fundamental importance in MB突變時(shí)遺傳變異和進(jìn)化的動(dòng)力主要?jiǎng)恿?。一般情況下，突變時(shí)對(duì)生物體是有害的。少數(shù)可產(chǎn)生有利的突變。突變的生物體是研究基因功能的重要手段。7.

2、1 基因突變 根據(jù)DNA發(fā)生的變化，可以將突變分為點(diǎn)突變，插入或缺失突變等A、點(diǎn)突變分為轉(zhuǎn)換和顛換兩種類型：轉(zhuǎn)換Tansitions 指 嘧啶與嘌呤之間，或嘧啶與嘧啶之間的變化。顛換 Transversion ：嘌呤與嘧啶之間的變化Fig 7.1 A point mutation can be permanently incorporated by DNA replication點(diǎn)突變可引起mRNA上密碼子的改變，根據(jù)密碼子的突變類型將突變分為：Silent mutation(沉默突變)(p308)Misense mutation(錯(cuò)義突變) (p307)Nonsense mutation(無

3、義突變) (p307)7.1 基因突變 B、插入和缺失突變一般情況下可能引起移框突變移框突變: 由于基因編碼區(qū)的單個(gè)或兩個(gè)堿基的缺失或插入，引起的mRNA 上讀碼框的改變。三堿基的缺失，盡管不改變讀碼框，只引起個(gè)別氨基酸的缺失，但可能引起DNA復(fù)制的不穩(wěn)定性。如cystic fibrosis (遺傳性胰腺病)Fig 7.2 examples of types of mutations in protein-coding sequences 基因突變后的表達(dá)類型突變后賦予生物體表現(xiàn)型，如形態(tài)特征、生理特征的變化。條件型突變：在一定的環(huán)境條件或某種遺傳背景下才能表現(xiàn)出來的突變性狀。7.1.3 基因

4、的誘發(fā)突變可以引起DNA變化有很多物理或化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)因使正常的DNA雙螺旋發(fā)生了變化，導(dǎo)致在復(fù)制過程中，偏離正常的堿基配對(duì)方式，最終引起基因的突變。1、單堿基的變化脫氨基作用 GC base pair to GU may lead to a mutant RNA or protein product 烷基化 GC base pair to AT pair氧化 GC base pair to AT pair Hoogsteen basepair 7.1.3 有關(guān)DNA突變的類型2 構(gòu)造的改變UV 線引起 TT or CT 二聚體，形成的二聚體使得DNA雙螺旋構(gòu)造的改變，使DNA復(fù)制過程中，

5、結(jié)合酶的前進(jìn)受阻。嵌入試劑for example: EB) 能引起DNA在復(fù)制過程中堿基的缺失或插入堿基類似物Base analogs引起復(fù)制過程中堿基的錯(cuò)配。7.1.3 有關(guān)DNA突變的類型3 DNA 骨架鏈的斷裂無堿基位點(diǎn): 由于核苷酸上，堿基和核糖間的糖苷鍵的斷裂，導(dǎo)致了堿基的缺失。雙鏈的斷裂(most severe DNA damage)7.1.3 有關(guān)DNA突變的類型7.2 生物體保證穩(wěn)定遺傳的機(jī)制DNA的修復(fù)7.2.1 DNA復(fù)制過程中的錯(cuò)配修復(fù)在DNA復(fù)制過程中，盡管DNA聚合酶具有比較高的保真性，但參入錯(cuò)誤堿基的概率仍然在10-8，但自然突變的頻率在10-11.1 哺乳動(dòng)物中的

6、細(xì)胞中堿基錯(cuò)配修復(fù)對(duì)錯(cuò)配堿基的識(shí)別通過新生堿基鏈中甲基化程度的識(shí)別進(jìn)展，MutS- MutLcomplex5 or 3 單鏈的斷裂由核酸內(nèi)切酶EXO1來完成，該內(nèi)切酶與DNA復(fù)制機(jī)器PCNA 和RFC形成復(fù)合體EXO1 利用其外切酶的功能將包含錯(cuò)配堿基的局部切除。4) DNA 聚合酶將切開的單鏈從 5 3 合成 DNA 聚合酶 需要其他因子的輔助5)DNA連接酶將切口鏈接7.2.2 尿嘧啶-N-糖苷系統(tǒng)堿基切除修復(fù)，ung修復(fù)尿嘧啶-N-糖苷切除形成無堿基位點(diǎn)C堿基脫氨基或DNA復(fù)制過程中直接參入無嘌呤/無嘧啶核酸內(nèi)切酶7.2.2.1 光修復(fù)DNA 光修復(fù)酶翻開二聚體嘧啶二聚體吸收可見光由蛋白

7、復(fù)合體識(shí)別嘧啶二聚體由解旋酶將嘧啶二聚體處的雙螺旋解開7.2.2.2 切補(bǔ)修復(fù)Nucleotide excision repair07.2.2.2 切補(bǔ)修復(fù)3內(nèi)切酶， 6個(gè)堿基5內(nèi)切酶，20個(gè)堿基特異的內(nèi)切酶在損傷5端和3端翻開磷酸二酯鍵釋放損傷的單鏈修復(fù)合成鏈接傾向錯(cuò)誤修復(fù)的結(jié)果a)可能在損傷的部位插入一個(gè)不正確的堿基，造成代換突變b)可能在損傷的下游插入一個(gè)堿基，形成移框突變。傾向錯(cuò)誤修復(fù)是的細(xì)胞得以存活，但存在高突變的率 。E. Coli 中該途徑是存在 “SOS pathway中。7.2.2 DNA 修復(fù)的傾向錯(cuò)誤修復(fù)(補(bǔ)充)1 DNA 復(fù)制及其在TT 二聚體處停滯。2 復(fù)制及其中高保

8、證的DNA聚合酶被置換成易錯(cuò)聚合酶error-prone pol)3 通過易錯(cuò)聚合酶在損傷處的復(fù)制，DNA復(fù)制通過了損傷處，并在下游某處停留，再次被置換成高保證的DNA聚合酶。7.2.2.3 DNA 重組修復(fù)許多損傷DNA或抑制大腸桿菌復(fù)制的手段引起一系列綜合的表現(xiàn)型改變，稱為SOS反響。這是由RecA蛋白和LexA抑制物互相作用而引起的。SOS反響表現(xiàn)為修復(fù)損傷DNA的才能增強(qiáng), 這是通過誘導(dǎo)長補(bǔ)丁修復(fù)系統(tǒng)和RecA重組修復(fù)系統(tǒng)組分的合成來實(shí)現(xiàn)的。7. SOS系統(tǒng)7.2 DNA雙鏈斷裂修復(fù)補(bǔ)充Homologous recombination(主要在原核生物和單細(xì)胞的真核生物中)Nonhomo

9、logou recombination主要哺乳動(dòng)物中Nonhomologous end-joiningConsequnce of nonhomologous end-joining:Lead to insertion or deletion at the break site.But important to maintaining the intrgrity of the genomeNonhomologous end-joining去除損傷或多余的DNA多個(gè)蛋白互相作用，批次間按次序在DNA上進(jìn)展裝備完成各自的功能，最終完成DNA的修復(fù)。.修復(fù)的共同步驟: chromatin loosen

10、ing, sensing DNA damage by repair machinery removal of damage by repair machinery gap filled in by DNA polymerase chromatin remodel總結(jié)：在不同途徑修復(fù)的共同特點(diǎn)7. 3 基因重組交換的分子機(jī)制7.3.1 同源重組的實(shí)驗(yàn)證明The phage transform experiment of Meselson and Weigle (1961)In the experiment, new genotypes were found.Recombination happe

11、ned before DNA replication.7.3.3 同源重組的分子機(jī)制A、Holliday ModelR. Holliday，1964) Holliday Junctions form during recombinationHJs can be resolved 2 ways, only one produces true recombinant molecules7. 3 基因重組交換的分子機(jī)制重組分子7.3.3 同源重組的分子機(jī)制B、大腸桿菌中有關(guān)重組交換的酶以及重組交換的分子機(jī)制大腸桿菌中 recBCD 復(fù)合體介導(dǎo)的同源重組Part I: 切刻和交換Nicking and

12、 Exchanging大腸桿菌中 recBCD 復(fù)合體介導(dǎo)的同源重組Part I: Nicking and ExchangingA nick is created in one strand by recBCD at a Chi sequence (GCTGGTGG), found every 5000 bp.Unwinding of DNA containing Chi sequence by recBCD allows binding of SSB and recA. recA promotes strand invasion into homologous DNA, displacing

13、 one strand.The displaced strand base-pairs with the single strand left behind on the other chromosome.The displaced and now paired strand is nicked (by recBCD?) to complete strand exchange. recBCD Pathway of Homologous RecombinationPart II: Branch Migration and ResolutionrecBCD Pathway of Homologou

14、s Rec. Part II: Branch Migration and ResolutionNicks are sealed Holliday JunctionBranch migration (ruvA + ruvB) Resolution of Holliday Junction (ruvC)RecBCD : A complex enzymeRecBCD has:Endonuclease subunits (recBCD) that cut one DNA strand close to Chi sequence.DNA helicase activity (recBC subunit)

15、 andDNA-dependent ATPase activityunwinds DNA to generate SS regionsRecA38 kDa protein that polymerizes onto SS DNA 5-3Catalyzes strand exchange, also an ATPaseAlso binds DS DNA, but not as strongly as SSRecA Function Dissected 3 steps of strand exchange:Pre-synapsis: recA coats single stranded DNA (

16、accelerated by SSB, get more relaxed structure, Fig. 22.8)Synapsis: alignment of complementary sequences in SS and DS DNA (paranemic or side-by-side structure)Post-synapsis or strand-exchange: SS DNA replaces the same strand in the duplex to form a new DS DNA (requires ATP hydrolysis)RuvA and RuvBDNA helicase that catalyzes branch migrationRuvA tetramer binds to HJ (each DNA helix between subunits)RuvB is a hexamer ring, has helicase & ATPase activity 2 copies of ruvB bind