1、第二十一章基因突變 染色體畸變 堿基錯配 復制錯誤 突變 DNA 復制跳格 自發突變 脫嘌呤 基因突變 化學錯誤 脫氨基 氧化損傷 放射線-產生嘌呤二聚體 誘發突變 堿基類似物:5BU,2AP 化學誘變劑 堿基修飾物:NA,HA,烷化劑 DNA 插入劑:吖啶類DNA Pol 35外切酶活性直接修復光復活光裂合酶一般切除修復UvrABC 系統AP 內切酶糖基酶切除修復特殊切除修復GO 系統-MutM,MutY,MutT錯配修復-Dam, MutL,MutH,UvrD重組修復-RecA修復復制后修復SOS 修復-RecA,LexA,UvrAB,UmuC,HimA第一節第一節 基因突變的類型基因突變

2、的類型 體細胞突變體細胞突變somatic mutation 生殖細胞突變生殖細胞突變germ-line mutations 轉換轉換transition是指同類堿基之間的交換。是指同類堿基之間的交換。 顛換顛換transversion mutation是嘌呤與嘧啶是嘌呤與嘧啶之間的交換。之間的交換。 表 21-1 突變的各種類型 轉換 Py 與 Py，Pu 與 Pu 之間變換，多見 點突變，堿基替換 顛換 Py 與 Pu 之間變換，少見 插入 1-2 個堿基 移碼突變 丟失 1-2 個堿基 發生移碼 缺失突變 缺失大片段 DNA（十幾到幾千個堿基） 突變類型 A G T C 轉換 顛換 圖

3、21-1 轉換與顛換 中性突變中性突變neutral mutation多肽鏈中相應位多肽鏈中相應位點發生的氨基酸的取代并不影響蛋白質的功能點發生的氨基酸的取代并不影響蛋白質的功能;沉默突變沉默突變silent mutation蛋白質中相應位蛋白質中相應位點點是發生了一樣氨基酸的取代，即同義突變。是發生了一樣氨基酸的取代，即同義突變。移碼突變移碼突變frameshift mutation回復突變回復突變reverse mutation， 一類是正向突變一類是正向突變forward mutation突變突變方向是從野生型向突變型；另一種是回復突方向是從野生型向突變型；另一種是回復突變，其突變方向是

4、從突變型向野生型變，其突變方向是從突變型向野生型抑制突變抑制突變suppressor mutation突變的作用突變的作用還可以經過其它位點的突變而得到減少或校還可以經過其它位點的突變而得到減少或校正。正。 表 21-2 點突變的類型(以 Tyr 的密碼子為例) 無義突變同義突變錯義突變DNA TACTAA , TAG RNA UAC UAA UAG aa Tyr Och AmbTAC TAT UAC UAU Tyr TyrTAC TCC UAC UCC Tyr Ser 第二節 突變的緣由 一一.自發突變自發突變spontaneous mutations 突變率突變率mutation rate

5、是指在單位時是指在單位時間內某種突變發生的概率間內某種突變發生的概率. (一一) DNA復制錯誤復制錯誤 (二二) 自發的化學變化自發的化學變化 1. 脫嘌呤脫嘌呤depurination 2. 脫氨基脫氨基(deamination)作用作用 3. 氧化作用損傷堿基氧化作用損傷堿基oxidatively damaged bases(一)DNA復制錯誤 A ATGTC TACAG ATGTC ATGTC TATAG TATAGA ATGTC TACAG ATGTC TACAG A ATGTC TACAG ATGTC TACAG 新鏈 5 3 A G T TT C A A A A A C G 模板

6、鏈 3 5 新合成鏈環出 5 3 5 T 3 A G T T A G T T T TT C A A A A C G T C A A A A A C G 3 A 5 3 5 模板鏈環出 新鏈上插入一個堿基 新鏈上缺失一個堿基 5 3 5 T 3 A G T T T T G C A G T T T T T G CT C A A A A C G T C A A A A A C G 3 A 5 3 5 圖214 在 DNA復制中由于 DNA的錯誤環出自發產生堿基的插入和缺失 (參考 Peter J. Russell: Genetics, 3rd ed.,Fig18-8)(二) 自發的化學變化 1.脫嘌

7、呤 A ATGTC TACAG ATGTC ATGTC TACAG TACAG A ATGTC TACAG ATGGC TACCG A ATGGC TACAG ATGCC TACAG 2.脫氨基 NH2 O H H H N N Deamination H N O H N O Cytosine Uracil Fig. 21- Deamination of cytosine to uracil. NH2 O H3C H3C H N N Deamination H N O H N O 5-methyleytosine (5mC) Thymine (T) Fig.21- Deamination of

8、5-methylcytosine to thymine. 3.氧化損傷 過氧化物原子團O2- H2O2，-OH等需氧代謝的副產物都是有活性的氧化劑， 它們可導致DNA的氧化損傷， T氧化后產生T乙二醇， G氧化后產生8-氧-7,8二氫脫氧鳥嘌呤、8-氧鳥嘌呤(8-O-G)或“ GO， GO可和A錯配，導致GT。二二. 誘發突變誘發突變 (一一) 放射線放射線 紫外線、紫外線、 X-射線、射線、 射線、射線、 宇宙射線宇宙射線 (二二) 化學物質化學物質 1.堿基類似物堿基類似物 (1) 5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶5-bromouracil,5-BU (2) 氨基嘌呤氨基嘌呤2-aminopurine

9、 2-AP (3) 迭氮胸苷迭氮胸苷AZT, azidothymidine 2.堿基的修飾劑 (1) 亞硝酸introus acid, NA (2) 羥胺 (3) 烷化劑，它們的作用是使堿基烷基化 3.DNA插入劑 原黃素proflavin 吖啶橙acridine orange 溴化3,8-二氨基-5-乙基-6-苯基菲啶鎓 etnidium bramide ICR的復合物等 (一一) 紫外線誘發胸苷二聚體紫外線誘發胸苷二聚體 O O UV O O H CH3 H CH3 H CH3 CH3 H N N N N O N H O N H O N H H N O Thymine Thymine Th

10、ymine dimer O O 4 5 4 5 3 6 6 2 1 Fig. 21- Production of thymine dimer by ultraviolet light irradiation. A A G G T BUK BUE C 酮式 烯醇式(二二) 化學物質化學物質 1.堿基類似物堿基類似物 15-溴尿嘧啶和T很類似，僅在第5個碳元子上由Br取代了甲基 5-BU有，酮式，烯醇式兩種異構體，可分別與A及G配對結合 A A G G T BUK BUE C 酮式 烯醇式 (2) 2-氨基嘌呤(2-AP)也是堿基的類似物，有正常形狀和稀有形狀兩種異構體，可分別與T和C配對結合。當

11、2-AP摻入到 DNA復制中時，由于其異構體的變換而導致A T G CA 2AP 2AP* GT T C C 2. 堿基的修飾劑 (1) 亞硝酸introus acid, NA有氧化脫氨作用，可使G第2個碳原子上的 氨 脫 去 ， 產 生 黃 嘌 呤xanthine,x，次黃嘌呤 (H) 仍和C配對，故不產生轉換突變。但C和A脫氨后分別產生U和次黃嘌呤H，產生了轉換，使C G轉換成A T，A T轉換成G C HNO2 A H G G A A T C C C U T HNO2 2羥胺只特異地和胞嘧啶起反響，在第4個C原子上加-OH，產生4-OH-C，此產 物可以和A 配對，使C G轉換成T A

12、HA C 4-OH-C T G A A (3)烷化劑如甲基黃酸乙脂EMS,氮芥(NM),甲基黃酸甲脂MMS,亞硝基胍NG等，它們的作用是使堿基烷基化，EMS使G的第6位烷化，使T的第4位上烷化，結果產生的O-6-E-G和 O-4-E-T分別和T、G配對，導致GC對轉換成AT對；TA對轉換成CG G O-6-E-G A T O-4-E-T C C T T A G G3.DNA插入劑 (a) 增加堿基 插入劑分子 模板鏈 5 ATCAG TTACT3 新合成鏈 3TAGTC G AATGA5 068nm 隨機選擇堿基 嵌入插入劑處 下一輪復制 5 ATCAG C TTACT 3 3TAGTC G

13、AATGA 5(b)缺失堿基 模板鏈 5 ATCAG T TACT3 新合成鏈 3TAGTC ATGA5 插入劑失去 后復制 插入劑 5 ATCAGTACT 3 3TAGTCATGA 5 圖 21-15 插入突變導制堿基的增加(a)和減少(b) 4. 體外定點突變 1985年加拿大的Michael Smith建立，于1993年獲得了諾貝爾化學獎。 詳細方法有三種： 1聚核苷酸介導的用單鏈模板定點突 變； 2雙引物法定點突變； 3用摻入U的單鏈為模板進展聚核苷 酸介導的體外定點突變。 A A T G G A 圖 21- DNA 的體外定點突變 用 Ames法檢測誘變劑 Rat Isolate a

14、nd Centrifuge Rat liver enzymes Grind liver Experiment 1 Experiment 2 Experiment 3 his base-pair his frameshift substitution mutant mutantRat liver Potential Rat liver Potential Rat liver his mutantEnzyme mutagen Enzyme mutagen Enzyme strain Mix solutions Mix solutions Mix solutions and plate and pl

15、ate and plate his+ revertant his+ revertant Spontaneouscolonies colonies revertant Fig. 21- Ames test for potential mutagens. 第三節 突變和人類疾病 自發突變和人類的疾病 一.反復序列異常所引起的遺傳病 線粒體的腦脊髓病mitochondlrial encephalomyopathies)是線粒體反復順序之間產生缺失所致。 脆性X染色體綜合征 X-連鎖脊髓和延髓肌婁縮，也稱Kennedys癥 強直性肌營養不良Myotonic dystrophyWT ACCTACCTCC

16、CTCACCAAAGC5000bpTTCAACCTCCCTCACCATTGG 缺失5000bp KS ACCAACCTCCCTCACCATTGG圖 21-18 野生型(WT)DNA 順序和 Kearns-Sayre/ 慢性眼外肌癱瘓綜合征(KS)患者的 DNA 缺失 CGG CGG CGG 正常 654 拷貝 CGG CGG CGG CGG CGG NTM 50200 拷貝 CGG CGG CGG CGG CGG 女兒 50200 拷貝 CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG 患者 2001300 拷貝 圖 21-19 在脆性 X 綜合征中 FMR1 基

17、因內 CGG 3 個核苷酸擴增。NTM：正常男性 (二) 誘發突變和人類的腫瘤 第四節 DNA的修復機 一.直接修復Direct repair (一) 經過DNA聚合酶校正修復 (二)光復活反響 光復活photoreactivation或光修復light repair 光裂合酶photolyase),由phr 基因編碼 烷基轉移酶Alkyltransferases (一) 普通切除修復 切除修復(excixion-repair) 暗修復dark repair 短-補丁修復short-patch repair 長-補丁修復long-patch repair 著色性干皮病Xeroderma pig

18、mentosum是一種切除修復酶的缺陷二二 切除修復切除修復excixion-repairexcixion-repair Damage Mutant base is mismatched and/or distorts stractur Incision Endonuclease cleaves on both sides of damaged ba Excision Exonuclease removes DNA Between nicks Synthesis Polymerase synthesizes Replacement DNA Ligase seals nickFig. 21- E

19、xcision repar removes and replaces a stretch of DNA that includes the dameged base (s) 在E.coli中的切除修復系統損傷：突變的堿基錯配或改動DNA構造剪切：內切酶在損傷堿基位點兩側剪切切除：外切酶除去切口間的DNA合成：DNA pol 合成取代DNA銜接酶封鎖缺口 Deformation of DNA UvaA UvaB UvrA recognizes damage & binds with UvrB UvaC UvaB UvrA released; UvrC binds UvaC UvaB UvrC n

20、icks DNA on both sides of damage Uva D UvrD unwinds region Fig. 21- The Uvr sistem operates in stages in which UvrAB recognizes damage, UvrBC nicks the DNA, and UvrD unwinds the marked region. Uvr系統在修復各階段中的作用UvrAB識別損傷； UvrBC在DNA上切一缺口； UvrD使被標志區解旋 (二) 特殊切除修復途徑 (1) AP核酸內切酶修復途徑 AP位點 :無嘌呤apurinic和 無嘧啶ap

21、yrimidinic位點 (2) 糖基酶修復途徑 (3)GO系統 Nucleotide containingA damaged base 5 3 A ATCGTAGATAGCTAA TACCATCTATCGATT 3 5 Glycosylase enzyme recognizes damaged base and cleaves bond 5 3 between base and sugas, A ATCGTAGATAGCTAA releasing the base.TACCATCTATCGATT 3 5 AP endonuclease cleaves phosphodiester bond

22、5 3 next to missing base. A ATCGTAGATAGCTAA TACCATCTATCGATT DNA polymerase I repairs region 3 5 by rmoving nucleotides in the 5 - to-3 direction and inserting new 5 3 DNA in the resulting gap 5 -to-3 A ATCGTAGATAGCTAA directionTACCATCTATCGATT 3 5 DNA ligase seals the remainig nick. 5 3 A ATCGTAGATAG

23、CTAA TACCATCTATCGATT3 5 Fig. 21- Repair of AP site. (a) 復制 C GO A Mut Y C C A C G GO GO GO GO 氧化損傷 GO C C G Mut M (b) 8-0-GTP 8-0-GMP T A 5 Mut T 加入 4 種 3 A GO GO G 堿8-0-G A A C 復制 T Mut M A GO G C GO C C 圖 21- 8-氧鳥嘌呤(8-O-G) GO 修復系統 三、復制后修復 (一) 錯配修復mismatch repair(1) 識別錯配的堿基對；(2) 對錯配的一對堿基要能準確區別哪一個 是

24、錯的，哪一個是對的；(3) 切除錯誤的堿基，并進展修復合成。 Template strand with N6-methyl Template correct base adenine DNA strand 5 * 3 GATC CTAG 3 5 Newly-made DNA Unmethylated Newly made with incorrect adenine DNA strand * GATC 3 Mismatch enzyme binds to CTAG 5 unmethylated GATC on new strand and to mispaired 3 base on the

25、same strand. 5 * GATC 3 Mismatch correction enzyme CTAG 5 excises section of new DNA strand ,including mispaired 3 base. 5 * GATC 3 DNA polymerase repairs CTAG 5 the gap , producing correct Base. Fig. 21- Mechanism of mismatch correction repair.MutSMutLMutSMutHMutS識別錯配位點,并易位到GATC位點。MutH在GATC位點剪切非甲基化鏈，內