第七章基因突变

第七章基因突变第一节基因突变概说（掌握）第二节基因突变的分子基础（理解）第三节ＤＮＡ损伤的修复（掌握）生物变异的来源大致可分为二个方面：•基因重组（generecombination）：这是包括通过父母本杂交而产生染色体重新组合以及减数分裂时的染色体重组，这种变异服从于一般的遗传规律。•突变（mutation）：这是指由于遗传物质的改变而导致的变异。突异可分为两大类，一是细胞学水平上可看到的变异，包括染色体数目和结构的改变，特称为染色体变异。另一类是细胞学水平上看不到的基因突变（genemutation）第一节基因突变概说基因突变（genemutation）：是指一个基因内部可以遗传的结构改变。是基因分子内部在某种条件作用下所发生的一个或几个核苷酸的改变，导致结构蛋白或酶的改变，从而影响有机体的大小、品质、颜色、结构和生长率等性状的改变。基因突变一般在染色体结构上是看不到的，实际微小的突变与染色体畸变的界限并不明确，特别是微细的畸变更是如此。正常红细胞镰刀型细胞分子表面电荷改变→疏水区域，导致溶解度下降→HbS聚合形成凝胶化的棒状结构→红细胞变成镰刀状→血粘性增加→栓塞→痛性危象。同时，变形能力降低→挤压时易破裂→溶血性贫血。杂合子（HbAHbS）不表现临床症状，但在氧分压低时可引起部分细胞镰变。一、基因突变的类型•根据诱发的原因，基因突变可分为以下两个类型：1.自发突变（spontaneousmutation），所谓的自发突变，是指在没有人工特设的诱发条件下，由于外界环境的自然作用或生物体内生理或生化变化而诱发的突变。根据这个定义，我们知道所谓的自发突变并不是没原因的突变，而是指人工特设诱变因素以外的其它因素引起的突变。2.人工诱变：这是指由人工特设诱发因素而引起的突变。•根据突变的分子机理，突变又可分为以下三种：１．转换（transition）：指ＤＮＡ分子中的嘌呤为另一种嘌呤或嘧啶为另一种嘧啶所取代而引起的突变。例:碱基对突变为２．颠换（transversion），指DNA分子中的嘌呤被嘧啶取代或嘧啶被嘌呤取代所引起的突变。例:碱基对突变为或３．移码突变（frameshiftmutation）：指ＤＮＡ分子中插入或缺失一个或少数几个核苷酸，使整个阅读框改变而引起的突变。GCATGCTACG•根据突变引起的表型特征，可将突变分为：１．形态突变（morphologicalmutation），或称可见突变(visiblemutation)，是泛指能造成外形改变的突变。２．致死突变（lethalmutation）：是指能造成个体死亡的突变，致死突变型又可分为全致死突变型（９０％以上死亡），亚致死突变（50%~90%％死亡）；半致死突变（10%~50%死亡）和弱致死突变（10%以下死亡）。3．条件致死突变（conditionallethalmutation)：指在一定条件下表现致死效应，而在其它条件下可以存活的突变。4．生化突变（biochemicalmutation)：指没有形态效应，但导致某种特定生化功能改变的突变。•与突变有关的几个概念(重点)１．同义突变（samesenseorsynonymousmutation）：指虽然基因已发生突变，但仍编码同一种氨基酸，这是因为密码子有简并性。２．无义突变（nonsensemutation）：是指由于突变而使其某一编码子突变为终止密码子（UGA,UAG，UGG）。３．错义突变（mis-sensemutation）：又称歧义突变，是指由于突变而导致多肽链上氨基酸的改变，大多数的突变属于此类。４．延长突变（elongationmutation）：这是一类刚好与无义突变相反的突变，是由于终止密码子突变为编码子，使肽链延长。二、基因突变的一般特征•突变频率：突变频率是指生物体在每一世代中（单细胞生物以每一细胞）发生突变的频率，也就是一定时间内突变可能发生的次数。突变频率一般是很低的，不同的生物，不同的基因其突变率相关是较大的。如果在人工诱变条件下，突变频率可以大大提高，有时可达几千倍。•突变发生的时期和部位：从理论上讲，突变可以发生在生物个体发育的任何时期，在体细胞或性细胞中都可发生，但性细胞发生的频率要比体细胞高些。•突变的多方向性：基因的突变可以向多个方向进行，一个基因Ａ可以突变为a1、a2、a3……an等而构成所谓的复等位基因（multiplealleles）。这些复等位基因可以从野生型基因突变产生，也可以从其它任何一个突变基因突变产生。•突变的重演性：指同种生物的同一基因突变为相同的表型，可以在不同个体间重复出现。例如果蝇的白眼突变就曾发生过几次。•突变的可逆性：即可发生回复突变，显性基因Ａ可以突变为隐性基因ａ，而隐性基因ａ也可以突变为显性基因Ａ，前者称为正向突变（forwardmutation）。后者称为反问突变或回复突变（backmutation）。正向突变和反向突变的发生频率是不一样的。在多数情况下，正向突变率总是高于反向突变率。这是因为一个野生型基因内部的许多位点都可能发生改变而导致基因突变。但是一个基因内部却只有那个被改变了的结构恢复原状，才可发生回复突变。需要指出的是，由于缺失而引起的突变不能发生回复突变。•突变的有害性与有利性：多数事例表明，突变大多数是有害的。这是因为生物经长期的自然选择，产生了与外界环境相同协调的关系，这种关系一旦因突变而改变便可能干扰内部的生理生化过程，所以大部分突变对生物体是不利的。少数的突变能促进和加强某些生命活力，所以是有利的突变。例如作物抗病性，微生物的抗药性等，这些突变为生物进化提供了最有利的条件。•抗药性突变与药物：微生物产生抗药性突变与药物的存在与否没有关系。药物的存在只是起筛选作用。第二节基因突变的分子基础一.自发突变由DNA复制错误、自发损伤和转座因子等多重原因引起。1.DNA复制错误:在DNA复制过程中，可能产生碱基的错配，带有错配碱基的DNA在下一次复制时，则会引起碱基的替代，从而引起DNA分子的错误。由于DNA分子中的碱基本身存在着交替的化学结构，称为互变异构体（tautomer），当碱基以它稀有的形式出现时就可能与错误的碱基配对，这种碱基化学结构的改变过程称为互变异构移位（tautomericshift）。每种碱基有几种互变异构体,可在DNA复制时自发发生.2.自发损伤脱嘌呤脱氨基氧化性损伤碱基脱嘌呤是自发化学变化中最常见的一种，它是由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键断裂，从而引起一个鸟嘌呤或一个腺嘌呤从DNA分子上脱落下来。研究发现，在37℃条件下培养一个哺乳动物细胞20小时，会有数以千计的嘌呤通过脱嘌呤作用自发地脱落。如果这种损伤得不到修复，就会引起很大的遗传损伤，因为在DNA复制过程中，无嘌呤位点将没有特异碱基与之互补，而可能随机地选择一个碱基插进去，结果导致突变。脱氨基作用是指在一个碱基上去掉氨基，常见的是胞嘧啶（C）和5-甲基胞嘧啶（5mC），它们脱氨基后分别变成尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T），从而使DNA分子受到损伤。由于在DNA中U不是一个正常碱基，因此如果它不被除去修复，在DNA复制中它将与腺嘌呤（A）配对，导致原来的GC碱基对转变为AT碱基对。图:脱氨基造成的碱基转换在生物基因组内存在的可移动DNA序列转座因子（transposon）或插入序列（insertionsequence），通过在基因组内的移动也经常引起基因功能的失活或改变。现已知道，在玉米、果蝇等生物中发生的一些典型突变就是由于这类可移动DNA序列的插入所引起的。–图:转座子或插入序列引起基因突变的机制二.诱发突变(一)、常用诱变剂及其诱变机理1、物理诱变因素及其诱变机理，包括电离射线和非电离射线。传物质发生作用：直接作用与间接作用当电离辐射的射线碰撞基因任何分子时，射线的能量使基因任何分子的某些原子外围的电子脱离轨道，于是这些原子就从中性变为带正电荷的离子，这叫做“原发电离”。在射线经过的通路上，在形成大量离子对的过程中所产生的电子，多数尚有较大的能量，能引起第二次电离。这叫做“次级电离”。由于从一个原子外层脱离轨道的电子必然被另一个原子所捕获，所以离子是成对出现的，称为离子对。次级电离的结果，轻则造成基因分子结构的改组，产生突变了的新基因，重则造成染色体的断裂，引起染色体结构的畸变•直接作用：指射线直接作用于遗传物质，例如电离射线和紫外线都可引起ＤＮＡ骨架的断裂，从而造成染色体畸变。辐射（例如紫外线）还可使ＤＮＡ分子上相邻的嘧啶成为二聚体，最常见的是胸腺嘧啶二聚体（Ｔ＝Ｔ）Ｔ＝Ｔ的存在可以带来ＤＮＡ分子的扭曲，从而影响正常的复制和转录，严重时可致死。也可能使ＤＮＡ复制造成差错而诱发突变。•间接作用：所谓间接作用，是指辐射首先作用于遗传物质以外的其它物质，使这些物质发生变化，这些变化了的物质再作用于遗传物质从而引起一系列的遗传学效应。例如ｘ射线可以使细胞中的H2O产生H2O2和游离基。H2O+O2OH+HO2所形成的H2O2、OH和HO2以及它们产生的其它连锁反应才是真正的诱变剂，作用于染色体而引起突变。电离辐射H2O2◆物理诱变的非特异性：对DNA分子及其核苷酸残基无选择性，所以没有专化性和特异性可言。◆◆紫外线(380-15nm)的作用机制：◆激发作用使原子外围的电子活跃起来，造成基因分子链的离新。这些分子链已经离析的基因在重新组合的时候，不免要发生差错，于是出现基因突变。紫外线(UV)特别作用于嘧啶，使得同链上邻近的嘧啶核苷酸之间形成多价的联合。最通常的结果是促使胸腺嘧啶联合成二聚体；或是将胞嘧啶脱氨成尿嘧啶，或是将水加到嘧啶的C4、C5位置上成为光产物。它可以削弱C—G之间的氢键，使DNA链发生局部分离或变性。•辐射诱变的特点（１）辐射诱变剂引起的基因突变率和染色体断裂的频率与剂量成正比而与照射的方式无关。即辐射有累积效应。（２）分裂中的细胞更容易受损伤，特别是生殖细胞。（３）产生的遗传学效应比较复杂，可引起死亡、癌变、碱基置换（颠换和转换），移码突变、染色体畸变等。2、常用化学诱变剂及其作用机制（１）．化学诱变剂的特点：化学诱变剂与辐射一样可以引起染色体畸变和基因突变，故又称为拟辐射物质。化学诱变与辐射作用的不同是：诱变效率低、对ＤＮＡ损伤小，突变谱不广，但可育的有利突变较多，而且诱变剂的作用一般具有专一性。（２）．化学诱变剂的类型及作用机制A烷化剂：这是一类带有一个（单功能烷化剂）或几个（多功能烷化剂）不稳定的烷基，可与核酸中的碱基起化学反应的物质。◆烷化剂是目前应用最广泛而有效的诱变剂。最常用的有甲基磺酸乙酯(EMS)，甲基磺酸甲酯(MMS)、亚硝酸胍等。◆它们都带有一个或多个活泼的烷基，这些烷基能够移到其它电子密度较高的分子中去，从而改变氢键的结合能力。★烷化作用最容易发生在G的N7位置上，形成7–烷基鸟嘌呤。7–烷基鸟嘌呤可与胸腺嘧啶配对，使GC→AT转换★烷化作用使DNA的碱基容易受到水解而从DNA链上裂解下来，造成碱基的缺失★烷化剂的另一个作用是与磷酸结成不稳定的磷酸酯，磷酸酯水解成磷酸和脱氧核糖，使DNA链断裂，从而引起突变。大多数烷化剂可在鸟嘌呤的第七位上产生烷化作用，形成７－烷基鸟嘌呤。７－烷基鸟嘌呤很不稳定，可以脱去烷基而恢复原状，也可以使核糖－鸟嘌呤间的共价键断裂而脱去鸟嘌呤。脱去鸟嘌呤的位置上便形成一个空位，这一空位有以下几个可能的效应：•ＤＮＡ复制时空位的相对位置上出现Ｔ而引起转换GOOATTCCGC•ＤＮＡ复制时，在空位的相对位置上出现Ａ或Ｇ，引起颠换：•导致ＤＮＡ断裂，引起染色体畸变成移码突变。也可能并不脱去７－烷基鸟嘌呤，但由于７－烷基嘌呤的存在使碱基错配而导致点突变。GOOTAACCOCGGB碱基类似物：指与DNA分子中碱基结构十分相似的化学物质。5–溴尿嘧啶(5BU)，5—溴去氧尿核苷、2—氨基嘌呤等。这类与DNA碱基类似的化合物，常常能参入到DNA分子中去，好像是它的正常组成成分。在DNA复制时引起碱基配对上的差错，最终导致碱基对的替换，引起突变。当DNA复制时