基因组进化的分子基础

基因组进化的分子基础基因组进化的分子基础:突变重组转座1.突变1.1突变的机制♦自发性损伤(复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、自发脱碱基、细胞的代谢产物对DNA的损伤)♦物理因素引起的损伤(电离辐射、紫外线、热诱变等)♦化学因素引起的损伤(烷化剂、碱基类似物、嵌入试剂等)1.1.1自发性损伤错配突变纯化学的碱基配对差错率为:5％～10％为维持基因组的稳定性,DNA的复制必须增加几个数量级,提高DNA复制的精确性有2种方法:♪渗入碱基的筛选♪错配碱基的校正碱基异构式引起DNA复制过程的错误-----自发突变碱基异构式:A(amino氨基)A(imino亚氨基)C(a)C(i)G(keto酮式)G(enol烯醇式)G(k)G(e,i)T(keto)T(enol-2’)orT(enol-4’)误导渗入碱基异构式引起DNA复制的错配G(k)C(a)正确配对A(a)T(k)错误配对G(k)T(e)A(a)C(i)A(i,anti)A(a,syn)A(i,anti)G(k,syn)G(e,i,anti)G(k,syn)G(e,i,anti)A(a,syn)A(i)C(a)G(e)T(k)A(a)T(k)A(a,anti)T(k,anti)C(i)C(a,anti)A(a)A(i,anti)碱基异构式引起DNA的错配突变C(i)C(a)G(k,syn)G(k,syn)G(k,anti)G(k)滑序复制•碱基类似物(Baseanalog)2-氨基嘌呤(AP或2-AP)2-Aminopurine5-溴尿嘧啶(BrU)5-BromineUracilOOBrNH21.1.2化学因素引起的损伤5-BrU:G:A烯醇式enolBrOHHOBr酮式KetoHOAGCTTCCTATCGAAGGATAGCTBCCTATCGAAGGAT酮式5-BrU的渗入AGCTBCCTATCGAAGGATAGCTCCCTATCGAGGGAT第二轮复制A·TG·C转变AGCTBCCTATCGAGGGATAGCTTCCTATCGAAGGAT第一轮复制酮式到稀醇式的转变烯醇式渗入为G·CA·T转变•碱基的化学修饰导致突变又称化学突变剂:亚硝酸(nitrousacidHNO2)羟氨(hydroxylamineHA)甲磺酸乙酯(ethylmathanesulfonateEMS)N-甲基-N’-硝基-N-亚硝基胍(N-mathyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidionNNG)NH2OH(HydroxylamineHA羟胺)C(i)A(a)HNHHOC(a)HAHNHHHOHNHHOHNHHOHNHHONH•嵌合剂的质突变作用吖啶橙(AcridineOrangeAO)扁平染料分子溴化乙锭(EthidiumBromideEB)-ATTTTTCG--TAAAAAGC--ATTTCG--TAAAGC-TAOT-ATEBTTTTCG--TA分子插入AOEB-ATTTCG--TAAAGC--ATX’TTTTCG--TAXAAAAGC-XAAAAGC-结果产生－－－移框突变♪紫外线的致突变作用---嘧啶二聚体(TTdimer)∧U.V.…CTTA…物理因素引起的损伤脱氨氧化U.V.CUA(a)U.V.U.V.H2OH++OH-C(a)C(i)A(a)脱嘌呤造成的突变:碱基替代、缺失、重复、移框1.2突变的效应◙突变对基因组的影响同义突变:没有改变产物氨基酸序列的密码子错义突变:碱基序列的改变引起了氨基酸序列的改变(中性突变、渗漏突变)无义突变:碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白合成的终止密码子连读突变:与终止突变正好相反,终止密码子变成指令某一氨基酸的密码子,使翻译继续进行◙突变对多细胞生物的影响♫多细胞生物的细胞有2种类型:体细胞－－不参与时代间的遗传事件种质细胞－－负责将遗传物质传递给下一代♫多细胞突变产生的影响:体细胞－－仅限其本身、不会影响后代及进化;即使死亡,也有同类型的体细胞存在;引起细胞无限增值的突变,使细胞分裂失去控制,产生肿瘤;种质细胞－－当代不会对个体表型产生重要影响,局限于很小的器官;可以传递给下一代,使子代个体所有细胞都含有从亲代继承的突变;♫多细胞生物的突变效应分为2类:功能丧失:使蛋白质的活性降低或丧失;显性、隐姓;显性导致遗传病,如Marfan综合症,产生异常的结缔组织蛋白原纤维蛋白;功能增益:突变提供一种异常蛋白质活性;一般为显性;多发生在调控区,如使1个或多个基因在错误的组织中表达,导致细胞功能紊乱,或控制细胞周期的一个或几个基因的过量表达,使细胞分裂失控引发癌症;◙突变率与生物的复杂性生物进化的基本动力:突变如果突变率太高－－基因组处于不稳定状态,不利于进化;现存生物,包括低等生物和高等生物基因组的自发突变率约为10－9－－－－这是各种因素综合作用的结果;每个基因都有积累突变的风险,而大多数突变都是有害的,因此生物含有的基因数越多,发生突变的几率越大,由此判断平均突变率为生物的复杂性设定了一个上限;群体遗传学家估计,根据DNA复制的忠实性,哺乳动物含有基因数不超过60000。1.3超突变和程序性突变SOS修复系统倾向增加突变SOSrepair是一种错误倾向性极强的修复机制是进化中形成的“丧失某些信息而存活总比死亡好一些”的措施(正常状态下,SOS是关闭的)SOS修复机制SOS修复－－无模板指导的DNA复制大剂量的紫外线照射,大量的二聚体产生SOS系统诱导,错误潜伏的复制超越二聚体而进行错误碱基SOS修复只是SOS反应的一部分RecA在SOS反应反应中起核心作用RecA与LexA组成调控环路DNA损伤RecA受LexA的部分抑制RecA-P;三种功能a、DNA重组活性b、与S.S.DNA结合活性c、少数蛋白的proteinase活性当DNA正常复制时（无复制受阻，无DNA损伤，无TTdimer）RecA-p不表现proteinase活性当DNA复制受阻/DNAdamaged细胞内原少量表达的RecA-p与S.S,DNA结合激活RecA-p的proteinase活性修复损伤LexA-p降解RecA-p高效表达SOSopen当DNA复制度过难关后RecA-p很快消失LexAgeneonSOSoff免疫球蛋白基因V片段中突变的引入免疫球蛋白多样性产生的过程:♫免疫球蛋白重链和轻链基因的V,D,J,C片段重组连接;♫重组后还可通过V基因片段的超突变增加多样性;大肠杆菌的适应性突变大肠杆菌(乳糖操纵子发生移码突变)在只有乳糖的培养基上培养发现正常生长的细胞(乳糖操纵子发生第二次突变)恢复野生性引发激烈争论:”环境影响生物的表型”,”生物对环境作出响应发生程序性突变”1.4DNA修复DNA的修复系统:♫碱基切除修复将受损的核苷酸碱基周围一段核苷酸切除,然后通过DNA多聚酶重新合成♫核苷酸切除修复与碱基修复系统类似,只是切除的受损DNA范围更大,涉及更多极端损伤的类型♫错配修复♫重组修复碱基切除修复•复制前进行•不易出错•UvrA,B,Cgene内切核酸酶(Endonucleases)外切核酸酶(Exonuclease)•DNApol•Ligase碱基切除修复核苷酸切除修复核苷酸切除修复核苷酸切除修复DNAmismatch+-----A------------C---DNApol(ξ=10-8)经第二次校正ξ=10-11错配修复系统(MRSMismatchRepairSystem)♪校正校正活性所漏校的碱基,使复制的保真性提高102～103倍错配修复♪错配修复系统组成(Mismatchrepairsystem)DNApolymeraseHelicaseSSB外切核酸酶(Ⅰ和Ⅶ)连接酶MCE(mismatchcorrectenzyme)3subunitsmutH,L,SdamgeneDNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)扫描新生链中错配碱基识别新生链中非m6A的GATC序列酶切含错配碱基的新生DNA区段甲基化程度的差异a、MutH/MutS扫描识别错配碱基和邻近的GATC序列切点－－甲基化GATC中G的5’侧DNAhelicaseII,SSB,exonucleaseI去除包括错配碱基的片段DNApolymeraseIII和DNAligase填充缺口昂贵的代价用于保证DNA的准确性♪修复过程后复制修复、E.coli的挽回系统E.coli存活%U.V计量w.t.UvrA+RecA+uvra-reca-该系统存在的实验证据重组修复★Rec-A.gene以某种方式参与DNA损伤修复♦Rec修复系统比切除修复系统更有效目前知道♫Uvr系统负责切除二聚体♫Rec系统负责消除没有被切除的二聚体可能造成的后果TTTTAAAATTTTTTTTAAAATTTT变性E.coli(Rec-A,uvr-a-)D.S.DNAS.S.DNAU.V.复制提取变性复制过程越过二聚体而在相应新链上留下缺口★二聚体后起始★修复时期的证明重组修复(链转移修复)•复制后修复•容易出错•RecA,DNApolymerae•ligase二聚体后起始RecA聚合酶、连接酶重组修复后的损伤位点可由其它机制进一步修复DNA修复和人类疾病1.5DNA单链的非对称性进化大肠杆菌DNA复制的差错率107个核苷酸1个错误;2条新合成的子链中差错率分布不一致,延滞链复制的差错率是引导链的20倍;造成子链差错率非均一性的主要原因:♫DNA双链复制的非对称性;延滞链的复制总比先行链慢一拍,先行链在复制前只有很短的DNA双链区解链,但延滞链却要求很长的一段单链暴露;延滞连采取冈畸模型复制,大肠杆菌基因组每隔2Kb起始一次引物合成,DNA多聚酶Ⅰ的碱基选择活性及较读能力均比DNA多聚酶Ⅲ差♫转录的非对称性;转录时,非转录链则保持短暂单链暴露状态,增加了碱基突变的可能.,已知单链状态的胞嘧啶脱氨基的比例高于双链DNA上百倍,转录状态使非转录链脱氨基比例增加4倍;2.重组同源重组Holliday模型“亲本链”“重组体”3‘5‘5‘3‘Meselson-Radding模型单链入侵模型(链转移模型)置换侵入Loop切除同化异构化分支迁移5’切割位点专一性重组大肠杆菌的位点专一性重组(同源重组):◘att位点为POP’(240bp)BOB’(23bp)◘整合过程需要λ整合酶(integraseInt)(λ编码)和寄主的整合宿主因子IHF(integrationhostfactor)共同作用免疫球蛋白基因的重排(双链断裂重接模型):双链断裂重组模型3.转座转座:是基因进化的一种重要方式,它不是重组,但利用了重组的过程,它是一段DNA或其拷贝从基因组的一个位置转移到另一位置,并在插入位点两测产生1对很短的正向重复序列根据转座机制可分为2个大的范畴:•DNA转座子以DNA区段作为转座成分又可分为复制转座和保守转座•逆转录转座子以RNA为中介DNA转座♫复制转座♫保守转座杂种分子形成后细菌中,转座子切除后留下的空缺不能修复,供体分子降解真核生物中,空缺由双链断裂重组修复逆转录转座本章主要内容♫基因组进化的分子基础♫突变的分类及作用效应♫同源重组的简单过程及Holliday结构形成的分子机制♫转座子的分类及作用机理现今医学分为传统医学、基于“生物-医学模式”近代发展起来的西医，20世纪西医又发展到“社会-心理-生物医学”或综合医学模式，后基因组时代系统生物学的兴起，形成了系统医学在全球的迅速发展，成为继传统医学、西医学之后中、西医学汇通的未来医学。当代中国医学类专业比较优秀的学校有北京大学、华中科技医学化验医学定义（medicine），是处理人健康定义中人的生理处于良好状态相关问题的一种科学，（高血压心脏病糖尿病）以治疗预防生理疾病和提高人体生理机体健康为目的。狭义的医学只是疾病的治疗和机体有效功能的极限恢复，广义的医学还包括中国养生学和由此衍生的西方的营养学。现在世界上医学主要有西方微观西医学和东方宏观中医学两大系统体系。医学的科学性在与应用基础医学的理论不断完善和实践的验证，例如生化、生理、微生物学、解剖、病理