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第13章基因突变与DNA损失修复本章将讲述1、点突变及其分子效应2、点突变的诱发机制3、自发突变4、动态突变5、DNA损失修复机制6、基因突变的检测13.113.1.1点突变及其分子效应点突变的类型基因突变（Genemutation）：一个基因内DNA序列结构的改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换等。这种突变是一种遗传物质的可遗传的改变，通常从一个等位基因变为另一个新的等位基因。点突变（pointmutations）:影响基因中（DNA中）的一单个碱基对的那些基因突变。点突变的类型（1）碱基替换（basesubstution）一对碱基替换另一对碱基所造成的突变，可分为：①转换（transition）替换发生在同类碱基之间，即一种嘌呤替换另一种嘌呤，一种嘧啶替换另一种嘧啶。转换突变的四种类型：AT→GCTA→CGGC→ATCG→TA②颠换（transversion）不同类型的碱基间的替换，即嘌呤被替换成嘧啶，或是相反。这种替换较为少见。八种类型的颠换突变：AT→CGAT→TAGC→TAGC→CGTA→GCTA→ATCG→ATCG→GC（2）碱基的增加及缺失通常称为插入／缺失（insertionanddeletion，indel）。插入／缺失突变指的是一个碱基对被插入或从DNA中被删除，有时也可能一次同时发生碱基对的插入和缺失。13.1.2点突变的分子效应（1）突变发生在基因编码区在蛋白质水平上可造成：①同义突变（synonymousmutation）某基因的一个碱基对的变化改变了mRNA中的一个密码子，该密码子与原密码子一样编码相同的氨基酸，产生的蛋白质仍为野生型功能。若碱基替换发生在密码子的第三位时，由于密码子的简并性，并不能产生错误的氨基酸，故同义突变又称为沉默突变（silentmutation）。例：由AT→GC转换突变而产生的一个沉默突变使密码子从5’-AAA-3’变为5’-AAG-3’，这两种密码子都是Lys的专用密码子图13-1②错义突变（missensemutation）:由于单个碱基替换导致肽链中的氨基酸发生改变。在DNA中一对碱基的改变引起一个mRNA密码的改变，结果使得多肽链中原来的一个氨基酸，变为另一个氨基酸，导致表型的改变。如图13－2C，一对碱基AT→GC转换突变，使得DNA从5’-AAA-3’变成5’-GAA-3’mRNA密码子从3’-TTT-5’3’-CTT-5’5’-AAA-3’（Lysine）5’-GAA-3’（Glutamicacid谷氨酸）。例如：人的β-hemoglobin基因在第六个密码子上一对核苷酸的变化导致β-hemoglobin链的一个氨基酸替换（Glu→Val），若该个体是突变的纯合子，他将是镰刀形贫血病患者，HbA→Hbs图13－2图13－3③无义突变（nonsensemutation）：由于某一碱基被替换后，原来编码某一氨基酸的密码子突变成为终止密码子（UAG、UAA或UGA），从而造成蛋白质尚未因为一个无义突变使多肽链在不正确的地方链终止，这种突变提前使肽链终止。如果无义突变发生在靠近基因的开放阅读框的3′末端，则所产生的蛋白质有可能保有一些生物学功能，但多数的无义突变产物的功能往往会完全丧失。全部合成就终止了翻译，形成无功能的多肽链。图13－4④中性突变（neutralmutation）：基因中一个碱基对的变化改变mRNA的一个密码子，产生氨基酸的替换，但不影响蛋白质的功能，从mRNA信息翻译的蛋白质的功能上检测不到所发生的变化。中性突变是一组（subset）错义突变，在这些突变的地方新的密码子编码一种不同的氨基酸从化学上与原来的氨基酸相等，因此并不影响蛋白质的功能。AAA→AGAChangingbasicLystobasicArg(willnotalterproteinfuctioninmanycases)图13－4⑤移码突变（frameshiftmutation）:由基因内增加或减少一个或多个碱基对所引起的密码子的改变。（当只含有一个碱基的变化时，这种移码突变为点突变）。例如：增加或减少一个碱基对，移动了mRNA阅读框一个碱基，结果一个不正确的氨基酸被加到多肽链突变后的位点。通常移码突变得到新的密码子产生一个较短的蛋白质或造成对正常终止密码子的通读（readthrough），得到比正常蛋白质更长的蛋白质，二种情况都是无功能的蛋白质。图13－5（2）突变发生在基因的非编码区调节区和非编码区的DNA序列，在DNA水平上，它们包括RNA多聚酶及其相关因子和特定转录因子的结合位点。在RNA水平上则包括核糖体结合位点，真核生物mRNA外显子交接区5′和3′端拼接位点以及调节mRNA进入细胞特定区域和组分的翻译调节和定位信号位点。结合位点一旦被破坏很可能改变基因在特定时间、组织或特定环境反应中的表达量，某些结合位点的突变可能完全阻遏基因正常表达的必经步骤，如果RNA聚合酶或剪接因子（splicingfactor）的接合位点发生突变则可使基因产物完全失活或阻断其产生。调节位点的突变通常只改变产生蛋白质的数量而不是其结构。区分特定基因在DNA水平的改变与在表型水平上的改变是十分重要的，在基因的非编码区发生的许多点突变，往往只引起细小的或完全没有表型上的改变，这些点突变通常发生在调节蛋白结合位点之间的DNA序列，这些序列可能与基因功能无关或位于基因内的重复区。13.1.3基因突变的多向性和可逆性同一个基因可以向不同的方向突变，但在染色体上的座位不变。例如：果蝇X染色体上的基因WW（白眼）We（曙红眼)）(Wb,Wbf,Wa,Wc,Wt,Wx等）这些基因都是等位的，影响同一种性状——眼睛颜色，彼此间不能交换和重组，它们是同一个基因向不同方向发生突变而产生的——复等位基因的起源。此外，当某个基因A突变成a以后，也可以再向反方向发生突变，回复成原来的A，并使表型恢复原状，这叫回复突变（AaAAA(Lys)wild-typeAAA(Lys)wild-typeExactreversion正向突变（Forwardmutation）是引起基因型从野生型变为突变型的突变。回复突变（reversemutation）是使得基因型从突变型为野生型的突变。reversemutations/reversion/backmutation）突变回复forwardGAA(Glu)reversemutantEquivalentreversion(等价回复突变)UCC(Ser)forwardUGC(Cys)reverseAGC(Ser)wild-typeMutantwild-type一种突变的效应可由另一种抑制基因突变（suppressormutation）来减少或取消，即：在不同于原来的位点的突变（也叫第二或第二点突变Second-sitemutation）r//x(=FCO)r//x(=FCO)r//ysuppressorReversion一个抑制基因突变并不导致一个原来突变的回复，而是遮蔽或补偿最初突变的效应，也就是说，真正的原位回复突变很少（回复到野生型的DNA序列），而大多数是第二点突变。原来的突变位点依然存在，而它的表型效应被基因组第二位点的突变所抑制，因而称为抑制基因突变。两种：基因内抑制基因突变（IntragenicSuppressors）基因间抑制基因突变（intergenicSuppressors）不论是基因内的还是基因间的抑制起作用都产生有功能或有部分功能的蛋白质，这样，只有在原来的突变和抑制基因突变都存在于相同的细胞内时可能恢复蛋白质的功能。功能缺失型突变与功能获得型突变由于突变导致基因功能的丧失或减弱，这种突变称为功能缺失型突变（loss-of-functionmutation）。如果由于DNA序列的插入、丢失或重要的碱基替换造成的蛋白质功能的完全丧失，或导致转录产物的提前终止，使得基因功能完全丧失，则称为零突变或剔除突变（nullmutationsorknockoutmutations）。如果基因突变仅造成基因表达水平或基因产物活性的降低，这种突变称为亚效突变（hypomorphicmutation）或渗漏突变（leakymutation）。如果这个基因的突变导致表型变异，那么零突变表型变异应该是完全彻底的，而亚效突变的表型取得于基因表达水平或基因产物活性降低的程度，介于零突变与野生型之间。功能缺失突变一般是隐性突变。这种突变赋予了蛋白质异常的活性，并可能产生新的表型。很多这类突变发生在基因的调节序列而不是编码区，因而其后果有多种情况。如果基因表达的空间方式被改变，即基因表达产物在基因原来不表达的部位积累，这种表达方式叫异位表达（ectopicexpression）。基因的异位表达经常导致超出预期的表型变化，例如在果蝇任何非眼组织（腿、嘴、腹和翅等）异位表达eyeless可导致复眼的部分组织以及完整的眼色素的产生。如果一个基因在个体基因组中具有多个拷贝，功能缺失型突变一般不造成明显的表型变异，因为突变拷贝的功能会被其它正常的拷贝所弥补。而功能获得型突变则可以使基因原来的功能互相叠加，表型更加明显。功能获得型突变（gain-of-functionmutation）1927年H.J.Muller用X射线处理果蝇精子,果蝇后代的突变率可以成百上千倍地增加。证明X射线可以诱发突变同一时期，Stadler用X射线和γ射线处理大麦和玉米种子，也得到了相似结果。1945年第一颗原子弹爆炸，人们才开始认识到Muller发现的重要意义。1946年Muller获诺贝尔物理奖13.2物理因素化学因素突变发生的原因和机制诱发突变一、DNA复制错误Becausethesameshorthomologousunit(CA,forexample)isrepeatedoverandoveragain,DNApolymerasemaydevelopastutterduringreplication,thatis,itmayslipandmakeasecondcopyofthesamedinucleotide,orskipoveradinucleotide.链滑动（strand-slippage）在DNA的复制过程中由于DNA的错误环出自发地产生碱基的插入和缺失突变二、辐射和诱变生物体接触的辐射线：X射线、α射线、β射线、γ射线、以及中子和质子等。粒子辐射：α射线、β射线、和不同能量的中子、质子等。电磁波辐射：γ射线、X射线辐射→穿透细胞→使细胞里原子中的电子从它们的轨道中撞击出来→形成离子电离辐射（ionizingradiation）对细胞的物理学效应：(电离辐射的直接作用)X射线、γ射线或带电粒子→生物体→从细胞中各种原子成分的外层击出电子→产生很多离子对→引起细胞内（或DNA）原子或分子的电离和激发→引起遗传物质的改变。e-e+H2O同时产生对细胞的辐射化学效应：细胞内物质吸收辐射的能量（主要是水分）：＋e-(正离子)（自由离子）e-+H2O→H2O-(负离子)进一步反应：H2O+H2O-H+→OH-+OHO+Ho自由基能互相反应，并能和其他分子发生反应－总起来称为辐射的间接作用：HO＋OHO→H2OHO＋HO→H2OHO＋OHO→H2O2H＋O2→HO2当过氧化氢，其它有机过氧化物和这些自由基（HO和OHO）与细胞中的核酸、蛋白质、酶等大分子物质发生化学变化时，水的射解就具有生物效应了。电离辐射H2OH2O＋‘射解作用’形成离子和自由基氧化物及其过氧基（HO2）大分子表面核酸转移蛋白酶将会使大分子发生有损于活细胞结构的化学变化。射线的物理效应＋化学效应→对细胞的遗传学效应是：诱导染色体断裂、染色体重排以及造成点突变。可将辐射对遗传物质的诱变作用机理概括如下：直接作用间接作用直接或间接作用物理学效应电离或激发水的射解，形成化学效应HO、OHo、H2O2、HO2及其它氧化物生物化学效应（遗传学效应）点突变、染色体畸变酶的变化生物效应体细胞或不育死亡性细胞突变氧化损伤•过氧化物原子团（O2-）•（H