基因组的变异与损伤修复

第4章基因组的变异与DNA损失修复124.1基因组的变异与稳定性维持（基因突变）4.2DNA损伤4.3DNA损伤修复的机制34.1.基因组的变异与稳定性维持4•突变：是遗传物质发生了可遗传的改变，而这种改变可发生在染色体水平和基因水平上。4.1.1基因突变的种类染色体结构和数目变异(染色体畸变)(广义突变)DNA水平的突变，基因突变（点突变）（狭义突变）•突变类型：分为点突变和插入与缺失突变。5●按突变对密码子的改变类型●按核苷酸取代类型转换PyPyPuPu颠换PyPu4.1.1基因突变的种类错义突变：无义突变：同义突变：DNA突变引起mRNA密码子变为另一个氨基酸密码。DNA突变引起mRNA密码子变为一种终止密码。DNA突变虽引起mRNA密码子变为另一种密码，但由于密码子的简并性，未使编码的氨基酸发生改变。6●点突变效应（单核苷酸突变）---同义突变GAA(谷氨酸)→GAG(谷氨酸)---错义突变GAA(谷氨酸)→AAA(赖氨酸)---无义突变GAA(谷氨酸)→TAA(stop)●插入或缺失不等于3的倍数的核苷酸，引起读码框架的改变。叫移码突变。=3×dNt±aa≠3×dNt移码突变74.1.2单核苷酸多态性（SNP）•SNP是由单个核苷酸的变异引起的DNA序列多态性。8•在人类基因组中，存在0.1%的SNP位点，是形成个体差异的主要原因。90%的人类群体变异都是SNP。•一般SNP引起的突变是中性的。但是，人类镰刀形细胞贫血病，GAG（谷氨酸）→GTG（缬氨酸）。4.1.3拷贝数变异•拷贝数变异人类或其他哺乳类基因组中，不同大小的DNA片段拷贝数突变，这些拷贝的删除、插入、复制和复合多位点的变异，统称拷贝数变异。其突变率高于SNP。9•拷贝数变异可以遗传，引起基因活性变化。例如，吃粮食的人比吃肉的人Amy1基因拷贝数更多。α-突触核蛋白基因拷贝数增加2-3倍，导致帕金森综合症。淀粉样前体蛋白基因拷贝数增加，导致老年性痴呆症。4.1.4定点突变•定点突变为了获得所需的蛋白质，按照预先设计对基因的编码区和控制区进行缺失、插入或碱基替换。10Kunkel定点突变法突变引物4.1.5基因动态突变•基因动态突变也叫基因组不稳定性，是以DNA重组序列拷贝数在传递不稳定为特征的一类突变，能引起基因长度改变。11•三核苷酸重复拷贝数在正常情况下有一定的变异范围，而扩展时就表现为疾病，这种突变不稳定，其拷贝数与病情正相关。例如，亨廷顿舞蹈症HD为（CAG）n扩增；而Sca10基因内第9内含子的（ATTCT）n扩增超过4000次时发病（正常人n仅10到20）。4.2突变发生的机理(自发突变，诱发突变)122014年诺贝尔生理学或医学奖约翰·奥基夫梅－布里特爱德华·莫泽“发现大脑定位系统细胞”一、基因的自发突变•自发突变：特指在DNA复制过程中，由于细胞内碱基异构体替代正常结构的碱基掺入到DNA分子中，引起的复制的错误，或由于重复序列间的不对称交换形成的突变。141.碱基异构式引起DNA复制过程的错误a)碱基异构式A6(氨式)A(亚氨式)C4(a)C(i)G6(酮式)G(烯醇式)G(k)G(e和i)T4(k)T(e-2’)或T(e-4’)15(amino)(imino)(keto)(enol)16T嘧啶环G嘌呤环A嘌呤环123456123456123456A(氨式)A(亚氨式)C(氨式)C(亚氨式)G(酮式)G(烯醇式)G(烯醇式和亚氨式)T(酮式)T(2’烯醇式)T(4’烯醇式)17b)碱基异构式引起DNA复制的错配18碱基异构式引起DNA复制的错配19A(i)反式=A（a）顺式G(e,i)反式=G（k）顺式A(i)反式=G（k）顺式G(e,i)反式=A（a）顺式碱基异构式引起DNA复制的错配A(a)T(k)G(k)C(a)正确配对错误配对G(k)T(e)A(a)C(i)A(i,反式)A(a,顺式)A(i,反式)G(k,顺式)G(e,i,反式)G(k,顺式)G(e,i,反式)A(a,顺式)A(i)C(a)G(e)T(k)20C(i)A(a)T(k)A(a,反式)T(k,反式)C(a,反式)A(a)A(a,反式)c)碱基异构式引起DNA的错配突变C(i)C(a)G(k,顺式)G(k,顺式)G(k,反式)G(k)A/TG/CA/TG/Cd)增变基因野生型维持遗传的稳定性突变型随机引起其他各类基因的突变“被冤枉的基因”增变基因类别DNA聚合酶相关基因3’5’编辑功能发生突变错配修复系统的基因MCE(错配校正酶)DNA损伤修复系统基因错配修复功能丧失突变率升高修复过程是基因突变的重要来源•诱变类型物理诱变化学诱变二、基因的诱发突变电离辐射，如Χ、γ、α、β射线非电离辐射，如紫外线抑制碱基合成的诱变剂，如6-巯基嘌呤碱基类似物，如5-溴尿嘧啶修饰碱基结构的诱变剂，如亚硝酸插入诱变剂，如吖啶橙241.物理诱变a)电离辐射诱变Co60(χ)(γ)射线Cs137(χ)(γ)射线H3(α)射线P32，S35(β)射线卫星搭载诱变:高真空，强辐射，微重力(χ)(γ)射线穿透性（外照射处理）(α)(β)射线非穿透性（内标记处理）dNt电荷及碱基结构改变25卫星搭载育种太空蔬菜微重力高辐射强射线26b)非电离辐射—紫外线(U.V)---在相邻TT间形成共价键产生嘧啶二聚体(TT二聚体)∧U.V.…CTTA…共价键27DNA氧化脱氨U.V.C(a)UA(a)U.V.U.V.H2OH++OH-C(a)C(i)A(a)光解作用氨式胞嘧啶亚氨式胞嘧啶脱嘌呤28C/GA/T2.化学诱变a)抑制碱基合成的化学诱变剂6-巯基嘌呤抑制嘌呤合成SH5-氨基尿嘧啶抑制嘧啶合成OOH2N29b)碱基类似物(5-BrU)BrBr酮式烯醇式30A/TG/C5-BrU(k)5-BrU(e)复制BrU(k)BrU(e)ATGC复制错误A/TG/C掺入错误G/CA/T→BrU(e)→G→BrU(k)→T31(k)HNO2(亚硝酸NA)ACG次黄嘌呤CUA黄嘌呤？氧化脱氨HNO2c)修饰碱基结构的诱变剂A→次黄嘌呤=CC→U=AG→黄嘌呤32修饰碱基结构的诱变剂NH2OH（羟胺）HNHHOC(a)HAHNHHHOHNHHOC(i)A(a)NHHOHNHHONHH羟胺胞嘧啶33G/CA/T烷化剂:烷基转移到碱基上，发生烷基化，导致碱基配对方式改变，产生脱嘌呤作用或使DNA分子交联。EMS(甲基磺酸乙酯)CH3—S—O--CH2CH3OOMMS甲基磺酸甲酯CH3—S—O--CH3OOSM(硫芥子气)HSCH2CH2ClCH2CH2Cl34d)插入诱变剂AO(吖啶橙)扁平分子EB(溴化乙锭)-ATTTTTCG--TAAAAAGC--ATTTCG--TAAAGC-TAOT-ATEBTTTTCG--TA分子插入AOEB-ATTTCG--TAAAGC--ATX’TTTTCG--TAXAAAAGC-XAAAAGC-移码突变354.3.生物体保证稳定遗传的机制36复制过程中的错配修复DNA的损伤修复基因的回复突变密码的简并致死突变多倍体……DNA水平的修复和校正机制主要有复制过程中的错配修复、DNA损伤修复、基因的回复突变等。一、复制过程中的错配修复机制(错误率=10-11)DNA错配+-----A------------C---DNApol(错误率=10-8)经第二次校正为10-11错配修复系统（MRS）381.错配修复系统（mismatchrepairsystem,MRS）DNA聚合酶连接酶错配校正酶(mismatchcorrectenzyme，MCE)具有3个亚基（H,L,S）dam基因m6A甲基化酶扫描新生链中错配碱基(L)识别新生链中非m6A的GATC序列(H)酶切含错配碱基的新生DNA区段(S)39MCE扫描DNA中的GATC(回文序列)为m6A甲基化敏感位点平均每2kb左右有一GATC序列3’-------C----------CTAG----------CTAG----5’5’-----------T----------GATC----------GATC----3’3’-------------------------------------------------------5’少梯度多（m6A）新生链40MCE扫描核酸内切酶聚合酶连接酶GATCGATCCTAGCTAGTCGATCGATCCTAGCTAGTGATCGATCCTAGCTAGTACC412.ung系统(尿嘧啶-N-糖苷酶系统)---TAGC------ATCG------TAGC------ACG---U---TAGC---ung酶GCUAU---TAGC------ACG---Apurinase(内切酶)---TAGC------ADNA聚合酶连接酶TCG---U是T的类似物42phR471aa二、DNA的损伤修复1.光修复----TT--------AA--------TT--------AA--------TT--------AA--------TT--------AA----•复制前&避免差错•400nm蓝光&phR基因(光修复酶)可见光激活复制前(光修复、切除修复)复制后(重组修复、抢救修复)432.切补修复•复制前避免差错•UvrA,B,C基因内切酶外切酶•DNA聚合酶•连接酶切补修复44E.coli存活率%U.V计量野生型UvrA+RecA+RecA+uvra-reca-uvra-3.重组修复45E.colik12野生型5003200uvr-a/Rec-A850Uvr-A/rec-a320uvr-a/rec-a0.21.3存活率为对照37%的U.V.计量基因型(尔格/mm2)TT数量/107bpRec-A基因以某种方式参与DNA损伤修复46●存在与重组有关的暗修复机制●与Rec-A基因引起的DNA链转移有关●TT二聚体未被修复，仅表现在后代群体中TT二聚体浓度的稀释●链的非准确转移，导致突变机率的增加47Rupp.Howard-FlandersTTTTAAAATTTTTTTTAAAATTTT变性E.coli(Rec-A,uvr-6-)双链DNA单链DNAU.V.复制提取变性TTTTTTAAAAAA在新生链中，DNA复制可以跳过TT二聚体区继续复制48重组修复(DNA链转移修复)•复制后•倾向差错•RecA，DNA聚合酶•需要连接酶494.SOS修复(U.V.修复或W修复)JeanWeigleE.coliE.coliE.coliλ8010100突变型100%50%10%•A.E.coli中噬菌体DNA损伤被修复了•A和B.U.V.诱导E.coli进行SOS修复•SOS修复(倾向差错)产生高频率的突变ABC考察λ噬菌体基因修复（抢救）情况50DNA损伤300X信号RecA降解LexASOSUmuDC突变---诱导前.LexA蛋白Rec-A,UmuDC…11基因负调控---U.V.损伤DNA信号(单链DNA尾巴或5Nt单链DNA)机制SOS受RecA和LexA调控LexARecAUmuDC51RecASOSRecA蛋白：具有三种功能●DNA重组活性●与单链DNA结合活性●少数蛋白的蛋白酶活性当DNA正常复制时（无复制受阻，无DNA损伤，无TT二聚体）RecA蛋白不表现蛋白酶活性52当DNA复制受阻/DNA损伤时能量大量消耗细胞内原少量表达的RecA蛋白与单链DNA结合激活RecA蛋白的蛋白酶活性“空转反应”修复损伤LexA蛋白降解RecA蛋白高效表达300倍表达SOS启动53当DNA复制度过难关后SOS修复是一种倾向差错极强的修复机制是进化中形成的“竭尽全力，治病救人”的措施（正常状态下，SOS是关闭的）RecA蛋白很快消失LexA基因表达SOS关闭54突变的形成DNA未经修复经过修复/校正死亡突变率降低倾向差错修复(间接）(重组修复，SOS）避免差错修复（直接）(光修复，切补修复)形成突变不形成突变DNA损伤/错误修复物理诱变，化学诱变，自发突变突变是在修复过程中形成的（非准确的修复）55三、基因的回复