基因突變和修復

關于基因突變和修復第1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三突變（Mutation,即基因突變）指細胞中的遺傳基因（通常指存在于細胞核中的脫氧核糖核酸）發(fā)生的改變。它包括單個堿基改變所引起的點突變，或多個堿基的缺失、重復和插入。原因可以是細胞分裂時遺傳基因的復制發(fā)生錯誤、或受化學物質、輻射或病毒的影響。突變通常會導致細胞運作不正?；蛩劳觯踔量梢栽谳^高等生物中引發(fā)癌癥。但同時，突變也被視為物種進化的“推動力”：不理想的突變會經天擇過程被淘汰，而對物種有利的突變則會被累積下去。一、突變第2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三幾乎任何導致DNA損傷的因素都能夠導致DNA突變，前提是它們造成的損傷在DNA復制之前還沒有被細胞內的修復系統(tǒng)修復，因此，可以這樣認為，導致DNA損傷的原因在某種意義上就是導致DNA突變的原因。由內在因素引起的突變被稱為自發(fā)性突變，由外在因素引發(fā)的突變被稱為誘發(fā)突變。各種導致DNA突變的內外因素總稱為突變原。1、突變的起因第3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三細胞內源的因素環(huán)境因素

-例如化學試劑、污染物和UV線疾病治療-例如離子輻射和化療1、突變的起因第4頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三細胞內源因素復制錯誤（P496)

DNA合成過程中出現堿基錯配而引起了堿基替換。互變異構體復制滑移

DNA本身的不穩(wěn)定脫嘌呤/脫嘧啶堿基的自發(fā)脫氨基活性氧的作用DNA,蛋白質和脂質的氧化第5頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三（互變異構體）烯醇式的T和G的配對

第6頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三復制打滑引起的移框突變第7頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三脫嘌呤比脫嘧啶更容易在DNA分子上產生AP位點大腸桿菌-1次脫嘌呤/基因組/復制嗜熱水生菌-300次脫嘌呤/基因組/復制哺乳動物細胞-10000次脫嘌呤/基因組/復制脫嘌呤/脫嘧啶第8頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三DNA分子上的自發(fā)脫嘌呤作用和自發(fā)脫氨基作用第9頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三活性氧（ROS）由正常的細胞代謝產生線粒體利用細胞~85%O2，是ROS的主要來源導致DNA、蛋白質和脂質損傷常見的形式：過氧化氫(H2O2)超氧化物自由基(O2?-)羥基自由基(HO?)過氧亞硝基陰離子(O=NOO-)烷過氧化物(ROOH)烷氧自由基(RO?)第10頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三活性氧的堿基修飾作用

第11頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三自發(fā)脫氨基和活性氧作用引起的堿基轉換第12頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三環(huán)境（誘變）因素(P500)化學試劑堿基類似物、脫氨劑、烷化劑、嵌入劑物理因素UV、離子輻射(γ-射線、x-射線）、高溫第13頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三誘變劑誘發(fā)的點突變第14頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三堿基類似物誘發(fā)的點突變第15頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三鳥嘌呤的甲基化導致堿基錯配

第16頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三溴化乙錠誘變效應第17頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三嵌入試劑誘發(fā)的移框突變第18頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三紫外線引起的堿基損傷

第19頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三離子輻射引起的DNA鏈斷裂

第20頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三DNA損傷的因素和損傷的主要類型損傷類型實例/原因堿基丟失自發(fā)脫堿基（熱、酸），脫嘌呤>脫嘧啶堿基修飾形成堿基復合物，例如，8-羥基脫氧鳥嘌呤（離子輻射或活性氧），6-烷基鳥嘌呤（烷基化試劑）堿基交聯嘧啶二聚體和6-4光產物（UV）堿基轉換C→U，A→I（自發(fā)脫氨基）堿基錯配GT（4種dNTP濃度不平衡、堿基的互變異構或堿基之間的差別不足）DNA鏈斷裂因磷酸二酯鍵被破壞引起單鏈斷裂或雙鏈斷裂（離子輻射或特殊的化學試劑），因脫氧核糖環(huán)3號位發(fā)生斷裂引起的DNA鏈斷裂（博來霉素）DNA鏈間交聯互補雙鏈之間產生交聯（雙功能試劑的作用）DNA與蛋白質的交聯UV第21頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三突變的類型點突變是指DNA分子某一位點上所發(fā)生的一種堿基對變成另外一種堿基對的突變。移碼突變是指在一個蛋白質基因的編碼區(qū)發(fā)生的一個或多個核苷酸（非3的整數倍）的缺失或插入。2、突變的影響第22頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三突變對基因組的影響（P503)同義突變(synonymousmutation)錯義突變(missensemutation)無義突變(nonsensemutation)通讀突變(readthroughmutation)移碼突變(frameshiftmutation)第23頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三堿基突變的幾種方式第24頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三移框突變第25頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三突變對多細胞生物的影響DNA突變可能是隱性的，也可能是顯性的。單倍體不足：突變后，正常的等位基因所編碼的蛋白不足以維持正常的應有的生物學功能。功能獲得：賦予蛋白異?；钚?，很多發(fā)生在調控序列。第26頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三突變對微生物的影響選擇性突變:在選擇性培養(yǎng)基上能快速鑒別與區(qū)分的突變。非選擇性突變：無法用選擇性或鑒別性培養(yǎng)基來鑒別與區(qū)分的微生物突變。第27頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三由野生型菌株（wildtypestrain）通過基因突變而喪失合成一種或幾種生長因子的能力。在培養(yǎng)野生型菌株的基本培養(yǎng)基不能生長，但可在加入對應的生長因子后能從基本培養(yǎng)基中篩選出。營養(yǎng)缺陷型（P506）第28頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三原始或出發(fā)菌株對某種化學或物理因子無抗性經基因突變后成為具有抗性可在加有相應理化因子的平板中選擇抗性突變型第29頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三出發(fā)菌株經突變在某種條件下可生長，而在另一種條件下不能生長繁殖。例：E.ColiTs突變株，即溫度敏感突變株,有些菌株在37oC下生長正常,卻不能在42oC下生長;T4噬菌體的某些突變株在25oC下具有感染性,而37oC下喪失條件致死突變型第30頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三即由突變而產生個體或菌落形態(tài)所發(fā)生的非選擇性突變例:孢子有無或顏色變化、鞭毛有無或莢膜有無的突變，有時可引起菌落表觀改變而具有選擇性。形態(tài)突變型第31頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三基因突變導致菌體抗原結構發(fā)生變化類型多：細胞壁成份改變或喪失、莢膜改變或喪失及鞭毛的有無等?？乖酝蛔冃偷?2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三由基因突變所致的獲得代謝產物的產量高于出發(fā)菌株之變異株，常稱產量突變株或高產菌株（highproducingmutant）。產量性狀是多基因與復雜因素的綜合結果，故獲取高產菌株是一個逐步累積、變異機理十分復雜探索過程。分為：正變株（plusmutant）、負變株（minusmutant）產量變異型第33頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三高頻突變是非正?；蛐迯偷慕Y果達爾文進化論與拉馬克進化論程序性突變與隨機突變區(qū)別3、高頻突變和程序性突變(508)第34頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三二、DNA的修復（P510）直接修復切除修復錯配修復雙鏈斷裂修復（包括非同源末端連接和重組修復）損傷跨越DNA是唯一一種在發(fā)生損傷以后可以被完全修復的分子，而其他生物大分子在受到損傷以后要么被降解，要么被取代。當然，并不是發(fā)生在DNA分子上的所有損傷都能修復。如果受到的損傷不能及時被修復，可導致細胞的癌變和早衰。第35頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三直接修復嘧啶二聚體的直接修復——由DNA光裂合酶催化。此酶直接識別和結合嘧啶二聚體。然后，利用輔基捕捉到的光能，將嘧啶二聚體打開，最后再與DNA解離。但是胎盤類哺乳動物卻沒有這種酶。烷基化堿基的直接修復——由特定的烷基轉移酶催化DNA鏈斷裂的直接修復——由DNA連接酶催化。第36頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三嘧啶二聚體的直接修復

第37頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三烷基化堿基的直接修復第38頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三切除修復切除修復先切除損傷的堿基或核苷酸，然后，重新合成正常的核苷酸，最后，再經連接酶重新連接，將原來的切口縫合。整個切除修復過程包括識別、切除、重新合成和重新連接。切除修復又分為堿基切除修復（BER）和核苷酸切除修復（NER），兩者的主要差別在于識別損傷的機制上，前者是直接識別具體的受損傷的堿基，而后者并不識別具體的損傷，而是識別損傷對DNA雙螺旋結構造成的扭曲。第39頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三堿基切除修復DNA糖苷酶切除受損傷的堿基短修補——是主要途徑，約占80%~90%，只需合成屬于AP位點的1個正常的核苷酸長修補——是次要途徑，約占10%~20%，為短修補途徑的備用途徑，要合成1小段寡聚核苷酸第40頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三尿嘧啶的切除修復第41頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三DNA糖苷酶都是沿著DNA小溝掃描DNA，當找到受損傷的堿基后即與DNA結合，并導致DNA結構發(fā)生歪曲，以便將損傷的堿基擠出雙螺旋，進入它的活性中心被切割第42頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三真核細胞的堿基切除修復

第43頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三核苷酸切除修復NER最初的切點是損傷部位附近的3′,5′-磷酸二酯鍵，主要用來修復因UV、絲裂霉素C和順鉑等因素造成的比較大的損傷，如嘧啶二聚體、6-4光產物或體積較大的堿基加合物以及鏈間交聯等導致DNA結構發(fā)生扭曲并影響到DNA復制的損傷，此外，約20%堿基的氧化性損傷也由它修復。在修復過程中，損傷以寡聚核苷酸的形式被切除。由于NER識別損傷的機制并非針對損傷本身，而是損傷對DNA雙螺旋結構造成的扭曲，因此，NER能夠使用相同的機制和幾乎同一套修復蛋白去修復一系列性質并不相同的損傷。第44頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三NER在所有的生物具有相同的步驟：識別損傷—由特殊的蛋白質完成，并由此引發(fā)一系列的蛋白質與受損傷DNA的有序結合；切除損傷—特殊的內切酶在損傷部位的兩側切開DNA鏈，隨后兩個切口之間帶有損傷的DNA片段被去除；修復合成—DNA聚合酶以另外一條鏈為模板，合成已被切除的序列；縫合切口—由DNA連接酶催化。第45頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三受到ATP水解的驅動，2個UvrA與1個UvrB形成三聚體復合物（UvrA2UvrB1）；該復合物與DNA隨機結合后，沿著DNA鏈移動，以探測損傷的位置。當遇到嘧啶二聚體時，通過水解ATP，造成損傷部位的DNA雙螺旋發(fā)生局部解鏈和進一步彎曲，致使UvrB與損傷部位形成更緊密的接觸；UvrA在ATP水解后離開復合物，留下UvrB橫跨損傷部位；大腸桿菌的核苷酸切除修復第46頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三UvrC被UvrB招募到損傷部位后激活UvrB的核酸內切酶活性，UvrB在距離嘧啶二聚體的下游4nt的位置切開DNA鏈；與此同時，UvrC的核酸內切酶活性被UvrB激活，在距離嘧啶二聚體的上游7nt的位置切開DNA鏈；大腸桿菌的核苷酸切除修復第47頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三在解鏈酶UvrD的作用下，ATP被水解，包含嘧啶二聚體的DNA片段發(fā)生解鏈而離開雙螺旋，UvrC也隨之而去；最后，DNA聚合酶I或II填補空缺；DNA連接酶則縫合切口。大腸桿菌的核苷酸切除修復第48頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三真核生物兩類核苷酸切除修復全局性基因組NER和轉錄偶聯性NER全局性基因組NER負責修復整個基因組的損傷，速度慢，效率低。轉錄偶聯性NER專門負責修復那些正在轉錄的基因在模板鏈上的損傷，速度快，效率高。兩類NER的主要差別在于識別損傷的機制上，至于損傷識別以后發(fā)生的修復反應并無本質上的不同。轉錄偶聯性NER由RNA聚合酶識別損傷，當RNA聚合酶轉錄到受損傷部位而前進受阻的時候，轉錄偶聯系統(tǒng)即被起動。第49頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三全局性NER和轉錄偶聯性NER第50頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三錯配修復（P516）錯配修復

（MMR）系統(tǒng)主要用來修復DNA分子上錯配堿基對，此外，還能修復一些因“復制打滑”而誘發(fā)的核苷酸插入或缺失損傷。錯配修復系統(tǒng)必須能保證只會將子鏈上錯誤的堿基切除，而不會把母鏈中本來就正確的堿基切除。大腸桿菌的MMR系統(tǒng)利用甲基化來區(qū)分子鏈和母鏈的，因此，大腸桿菌內修復復制中產生的錯配堿基的系統(tǒng)又稱為甲基化導向的錯配修復。至于其它細菌和真核細胞如何區(qū)分子鏈和母鏈的尚不清楚。第51頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三大腸桿菌MMR作用的主要步驟首先由MutS識別并結合除了C-C以外的錯配堿基對，MutL隨后結合；在錯配堿基對兩側的DNA通過MutS作相向移動；MutH與MutL和GATC位點結合；MutH的核酸內切酶活性被MutS/MutL激活，在非甲基化GATC的5′端切開子鏈；UvrD作為解鏈酶，催化被切開的含有錯配堿基的子鏈與母鏈的分離，SSB則與母鏈上處于單鏈狀態(tài)的區(qū)域結合，特殊的外切酶將游離出來的含有錯配堿基的單鏈DNA進行水解。如果MutH的切點在錯配堿基的3′端，將由外切核酸酶I從3′→5′方向水解。如果MutH的切點在在錯配堿基的5′端，則由外切核酸酶VII和RecJ來降解；DNA聚合酶III和連接酶分別進行缺口的修復合成和切口的縫合。第52頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三參與錯配修復的蛋白質和酶的名稱和功能大腸桿菌酵母哺乳動物大腸桿菌中蛋白質的功能MutSMsh2,Msh6,Msh3Msh1Msh4，Msh5Msh2,Msh6,Msh3不明Msh4，Msh5識別錯配堿基，具有弱的ATP酶活性。

Mlh1Pms1Mlh2,Mlh3Mlh1Pms2Pms1調節(jié)MutS和MutH之間的相互作用，與UvrD作用。MutH不明不明結合半甲基化的GATC位點，序列和甲基化特異性內切酶，剪切非甲基化GATC的5′-端。UvrD不明不明解鏈酶II，催化被切開的含有錯配堿基的子鏈與母鏈的分離。第53頁，共61頁，2023年，2月20日，星期三雙鏈斷裂修復同源重組修復——利用細胞內一些促進同