基因突變和修復(fù)

關(guān)于基因突變和修復(fù)突變（Mutation,即基因突變）指細(xì)胞中的遺傳基因（通常指存在于細(xì)胞核中的脫氧核糖核酸）發(fā)生的改變。它包括單個(gè)堿基改變所引起的點(diǎn)突變，或多個(gè)堿基的缺失、重復(fù)和插入。原因可以是細(xì)胞分裂時(shí)遺傳基因的復(fù)制發(fā)生錯(cuò)誤、或受化學(xué)物質(zhì)、輻射或病毒的影響。突變通常會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞運(yùn)作不正?；蛩劳觯踔量梢栽谳^高等生物中引發(fā)癌癥。但同時(shí)，突變也被視為物種進(jìn)化的“推動(dòng)力”：不理想的突變會(huì)經(jīng)天擇過(guò)程被淘汰，而對(duì)物種有利的突變則會(huì)被累積下去。一、突變第2頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天幾乎任何導(dǎo)致DNA損傷的因素都能夠?qū)е翫NA突變，前提是它們?cè)斐傻膿p傷在DNA復(fù)制之前還沒(méi)有被細(xì)胞內(nèi)的修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)，因此，可以這樣認(rèn)為，導(dǎo)致DNA損傷的原因在某種意義上就是導(dǎo)致DNA突變的原因。由內(nèi)在因素引起的突變被稱(chēng)為自發(fā)性突變，由外在因素引發(fā)的突變被稱(chēng)為誘發(fā)突變。各種導(dǎo)致DNA突變的內(nèi)外因素總稱(chēng)為突變?cè)?、突變的起因第3頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天細(xì)胞內(nèi)源的因素環(huán)境因素

-例如化學(xué)試劑、污染物和UV線(xiàn)疾病治療-例如離子輻射和化療1、突變的起因第4頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天細(xì)胞內(nèi)源因素復(fù)制錯(cuò)誤（P496)

DNA合成過(guò)程中出現(xiàn)堿基錯(cuò)配而引起了堿基替換。互變異構(gòu)體復(fù)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(zhì)和脂質(zhì)的氧化第5頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天（互變異構(gòu)體）烯醇式的T和G的配對(duì)

第6頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天復(fù)制打滑引起的移框突變第7頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天脫嘌呤比脫嘧啶更容易在DNA分子上產(chǎn)生AP位點(diǎn)大腸桿菌-1次脫嘌呤/基因組/復(fù)制嗜熱水生菌-300次脫嘌呤/基因組/復(fù)制哺乳動(dòng)物細(xì)胞-10000次脫嘌呤/基因組/復(fù)制脫嘌呤/脫嘧啶第8頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天活性氧（ROS）由正常的細(xì)胞代謝產(chǎn)生線(xiàn)粒體利用細(xì)胞~85%O2，是ROS的主要來(lái)源導(dǎo)致DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)損傷常見(jiàn)的形式：過(guò)氧化氫(H2O2)超氧化物自由基(O2?-)羥基自由基(HO?)過(guò)氧亞硝基陰離子(O=NOO-)烷過(guò)氧化物(ROOH)烷氧自由基(RO?)第10頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天活性氧的堿基修飾作用

第11頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天自發(fā)脫氨基和活性氧作用引起的堿基轉(zhuǎn)換第12頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天環(huán)境（誘變）因素(P500)化學(xué)試劑堿基類(lèi)似物、脫氨劑、烷化劑、嵌入劑物理因素UV、離子輻射(γ-射線(xiàn)、x-射線(xiàn)）、高溫第13頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天誘變劑誘發(fā)的點(diǎn)突變第14頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天堿基類(lèi)似物誘發(fā)的點(diǎn)突變第15頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天鳥(niǎo)嘌呤的甲基化導(dǎo)致堿基錯(cuò)配

第16頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天溴化乙錠誘變效應(yīng)第17頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天嵌入試劑誘發(fā)的移框突變第18頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天紫外線(xiàn)引起的堿基損傷

第19頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天離子輻射引起的DNA鏈斷裂

第20頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天DNA損傷的因素和損傷的主要類(lèi)型損傷類(lèi)型實(shí)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(fù)合物，例如，8-羥基脫氧鳥(niǎo)嘌呤（離子輻射或活性氧），6-烷基鳥(niǎo)嘌呤（烷基化試劑）堿基交聯(lián)嘧啶二聚體和6-4光產(chǎn)物（UV）堿基轉(zhuǎn)換C→U，A→I（自發(fā)脫氨基）堿基錯(cuò)配GT（4種dNTP濃度不平衡、堿基的互變異構(gòu)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(xué)試劑），因脫氧核糖環(huán)3號(hào)位發(fā)生斷裂引起的DNA鏈斷裂（博來(lái)霉素）DNA鏈間交聯(lián)互補(bǔ)雙鏈之間產(chǎn)生交聯(lián)（雙功能試劑的作用）DNA與蛋白質(zhì)的交聯(lián)UV第21頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天突變的類(lèi)型點(diǎn)突變是指DNA分子某一位點(diǎn)上所發(fā)生的一種堿基對(duì)變成另外一種堿基對(duì)的突變。移碼突變是指在一個(gè)蛋白質(zhì)基因的編碼區(qū)發(fā)生的一個(gè)或多個(gè)核苷酸（非3的整數(shù)倍）的缺失或插入。2、突變的影響第22頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天突變對(duì)基因組的影響（P503)同義突變(synonymousmutation)錯(cuò)義突變(missensemutation)無(wú)義突變(nonsensemutation)通讀突變(readthroughmutation)移碼突變(frameshiftmutation)第23頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天堿基突變的幾種方式第24頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天移框突變第25頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天突變對(duì)多細(xì)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(yīng)有的生物學(xué)功能。功能獲得：賦予蛋白異?；钚?，很多發(fā)生在調(diào)控序列。第26頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天突變對(duì)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(wú)法用選擇性或鑒別性培養(yǎng)基來(lái)鑒別與區(qū)分的微生物突變。第27頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天由野生型菌株（wildtypestrain）通過(guò)基因突變而喪失合成一種或幾種生長(zhǎng)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(zhǎng)，但可在加入對(duì)應(yīng)的生長(zhǎng)因子后能從基本培養(yǎng)基中篩選出。營(yíng)養(yǎng)缺陷型（P506）第28頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天原始或出發(fā)菌株對(duì)某種化學(xué)或物理因子無(wú)抗性經(jīng)基因突變后成為具有抗性可在加有相應(yīng)理化因子的平板中選擇抗性突變型第29頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天出發(fā)菌株經(jīng)突變?cè)谀撤N條件下可生長(zhǎng)，而在另一種條件下不能生長(zhǎng)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(zhǎng)正常,卻不能在42oC下生長(zhǎng);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(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天即由突變而產(chǎn)生個(gè)體或菌落形態(tài)所發(fā)生的非選擇性突變例:孢子有無(wú)或顏色變化、鞭毛有無(wú)或莢膜有無(wú)的突變，有時(shí)可引起菌落表觀改變而具有選擇性。形態(tài)突變型第31頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因突變導(dǎo)致菌體抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生變化類(lèi)型多：細(xì)胞壁成份改變或喪失、莢膜改變或喪失及鞭毛的有無(wú)等?？乖酝蛔冃偷?2頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天由基因突變所致的獲得代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量高于出發(fā)菌株之變異株，常稱(chēng)產(chǎn)量突變株或高產(chǎn)菌株（highproducingmutant）。產(chǎn)量性狀是多基因與復(fù)雜因素的綜合結(jié)果，故獲取高產(chǎn)菌株是一個(gè)逐步累積、變異機(jī)理十分復(fù)雜探索過(guò)程。分為：正變株（plusmutant）、負(fù)變株（minusmutant）產(chǎn)量變異型第33頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天高頻突變是非正?；蛐迯?fù)的結(jié)果達(dá)爾文進(jìn)化論與拉馬克進(jìn)化論程序性突變與隨機(jī)突變區(qū)別3、高頻突變和程序性突變(508)第34頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、DNA的修復(fù)（P510）直接修復(fù)切除修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)雙鏈斷裂修復(fù)（包括非同源末端連接和重組修復(fù)）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(fù)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(dāng)然，并不是發(fā)生在DNA分子上的所有損傷都能修復(fù)。如果受到的損傷不能及時(shí)被修復(fù)，可導(dǎo)致細(xì)胞的癌變和早衰。第35頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天直接修復(fù)嘧啶二聚體的直接修復(fù)——由DNA光裂合酶催化。此酶直接識(shí)別和結(jié)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(kāi)，最后再與DNA解離。但是胎盤(pán)類(lèi)哺乳動(dòng)物卻沒(méi)有這種酶。烷基化堿基的直接修復(fù)——由特定的烷基轉(zhuǎn)移酶催化DNA鏈斷裂的直接修復(fù)——由DNA連接酶催化。第36頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天嘧啶二聚體的直接修復(fù)

第37頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天烷基化堿基的直接修復(fù)第38頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天切除修復(fù)切除修復(fù)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(jīng)連接酶重新連接，將原來(lái)的切口縫合。整個(gè)切除修復(fù)過(guò)程包括識(shí)別、切除、重新合成和重新連接。切除修復(fù)又分為堿基切除修復(fù)（BER）和核苷酸切除修復(fù)（NER），兩者的主要差別在于識(shí)別損傷的機(jī)制上，前者是直接識(shí)別具體的受損傷的堿基，而后者并不識(shí)別具體的損傷，而是識(shí)別損傷對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)造成的扭曲。第39頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天堿基切除修復(fù)DNA糖苷酶切除受損傷的堿基短修補(bǔ)——是主要途徑，約占80%~90%，只需合成屬于AP位點(diǎn)的1個(gè)正常的核苷酸長(zhǎng)修補(bǔ)——是次要途徑，約占10%~20%，為短修補(bǔ)途徑的備用途徑，要合成1小段寡聚核苷酸第40頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天尿嘧啶的切除修復(fù)第41頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天DNA糖苷酶都是沿著DNA小溝掃描DNA，當(dāng)找到受損傷的堿基后即與DNA結(jié)合，并導(dǎo)致DNA結(jié)構(gòu)發(fā)生歪曲，以便將損傷的堿基擠出雙螺旋，進(jìn)入它的活性中心被切割第42頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天真核細(xì)胞的堿基切除修復(fù)

第43頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天核苷酸切除修復(fù)NER最初的切點(diǎn)是損傷部位附近的3′,5′-磷酸二酯鍵，主要用來(lái)修復(fù)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(chǎn)物或體積較大的堿基加合物以及鏈間交聯(lián)等導(dǎo)致DNA結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲并影響到DNA復(fù)制的損傷，此外，約20%堿基的氧化性損傷也由它修復(fù)。在修復(fù)過(guò)程中，損傷以寡聚核苷酸的形式被切除。由于NER識(shí)別損傷的機(jī)制并非針對(duì)損傷本身，而是損傷對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)造成的扭曲，因此，NER能夠使用相同的機(jī)制和幾乎同一套修復(fù)蛋白去修復(fù)一系列性質(zhì)并不相同的損傷。第44頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天NER在所有的生物具有相同的步驟：識(shí)別損傷—由特殊的蛋白質(zhì)完成，并由此引發(fā)一系列的蛋白質(zhì)與受損傷DNA的有序結(jié)合；切除損傷—特殊的內(nèi)切酶在損傷部位的兩側(cè)切開(kāi)DNA鏈，隨后兩個(gè)切口之間帶有損傷的DNA片段被去除；修復(fù)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(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天受到ATP水解的驅(qū)動(dòng)，2個(gè)UvrA與1個(gè)UvrB形成三聚體復(fù)合物（UvrA2UvrB1）；該復(fù)合物與DNA隨機(jī)結(jié)合后，沿著DNA鏈移動(dòng)，以探測(cè)損傷的位置。當(dāng)遇到嘧啶二聚體時(shí)，通過(guò)水解ATP，造成損傷部位的DNA雙螺旋發(fā)生局部解鏈和進(jìn)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(kāi)復(fù)合物，留下UvrB橫跨損傷部位；大腸桿菌的核苷酸切除修復(fù)第46頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天UvrC被UvrB招募到損傷部位后激活UvrB的核酸內(nèi)切酶活性，UvrB在距離嘧啶二聚體的下游4nt的位置切開(kāi)DNA鏈；與此同時(shí)，UvrC的核酸內(nèi)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(kāi)DNA鏈；大腸桿菌的核苷酸切除修復(fù)第47頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天在解鏈酶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(kāi)雙螺旋，UvrC也隨之而去；最后，DNA聚合酶I或II填補(bǔ)空缺；DNA連接酶則縫合切口。大腸桿菌的核苷酸切除修復(fù)第48頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天真核生物兩類(lèi)核苷酸切除修復(fù)全局性基因組NER和轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)性NER全局性基因組NER負(fù)責(zé)修復(fù)整個(gè)基因組的損傷，速度慢，效率低。轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)性NER專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)修復(fù)那些正在轉(zhuǎn)錄的基因在模板鏈上的損傷，速度快，效率高。兩類(lèi)NER的主要差別在于識(shí)別損傷的機(jī)制上，至于損傷識(shí)別以后發(fā)生的修復(fù)反應(yīng)并無(wú)本質(zhì)上的不同。轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)性NER由RNA聚合酶識(shí)別損傷，當(dāng)RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄到受損傷部位而前進(jìn)受阻的時(shí)候，轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)系統(tǒng)即被起動(dòng)。第49頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天全局性NER和轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)性NER第50頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天錯(cuò)配修復(fù)（P516）錯(cuò)配修復(fù)

（MMR）系統(tǒng)主要用來(lái)修復(fù)DNA分子上錯(cuò)配堿基對(duì)，此外，還能修復(fù)一些因“復(fù)制打滑”而誘發(fā)的核苷酸插入或缺失損傷。錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)必須能保證只會(huì)將子鏈上錯(cuò)誤的堿基切除，而不會(huì)把母鏈中本來(lái)就正確的堿基切除。大腸桿菌的MMR系統(tǒng)利用甲基化來(lái)區(qū)分子鏈和母鏈的，因此，大腸桿菌內(nèi)修復(fù)復(fù)制中產(chǎn)生的錯(cuò)配堿基的系統(tǒng)又稱(chēng)為甲基化導(dǎo)向的錯(cuò)配修復(fù)。至于其它細(xì)菌和真核細(xì)胞如何區(qū)分子鏈和母鏈的尚不清楚。第51頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天大腸桿菌MMR作用的主要步驟首先由MutS識(shí)別并結(jié)合除了C-C以外的錯(cuò)配堿基對(duì)，MutL隨后結(jié)合；在錯(cuò)配堿基對(duì)兩側(cè)的DNA通過(guò)MutS作相向移動(dòng)；MutH與MutL和GATC位點(diǎn)結(jié)合；MutH的核酸內(nèi)切酶活性被MutS/MutL激活，在非甲基化GATC的5′端切開(kāi)子鏈；UvrD作為解鏈酶，催化被切開(kāi)的含有錯(cuò)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(jié)合，特殊的外切酶將游離出來(lái)的含有錯(cuò)配堿基的單鏈DNA進(jìn)行水解。如果MutH的切點(diǎn)在錯(cuò)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(diǎn)在在錯(cuò)配堿基的5′端，則由外切核酸酶VII和RecJ來(lái)降解；DNA聚合酶III和連接酶分別進(jìn)行缺口的修復(fù)合成和切口的縫合。第52頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天參與錯(cuò)配修復(fù)的蛋白質(zhì)和酶的名稱(chēng)和功能大腸桿菌酵母哺乳動(dòng)物大腸桿菌中蛋白質(zhì)的功能MutSMsh2,Msh6,Msh3Msh1Msh4，Msh5Msh2,Msh6,Msh3不明Msh4，Msh5識(shí)別錯(cuò)配堿基，具有弱的ATP酶活性。

Mlh1Pms1Mlh2,Mlh3Mlh1Pms2Pms1調(diào)節(jié)MutS和MutH之間的相互作用，與UvrD作用。MutH不明不明結(jié)合半甲基化的GATC位點(diǎn)，序列和甲基化特異性?xún)?nèi)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(kāi)的含有錯(cuò)配堿基的子鏈與母鏈的分離。第53頁(yè),共61頁(yè)，2024年2月25日，星期天雙鏈斷裂修復(fù)同源重組修復(fù)——利用細(xì)胞內(nèi)一些促進(jìn)同源重組的蛋白質(zhì)來(lái)從同源染色體那里獲得合適的修復(fù)斷裂