基因突变及分子细胞生物学效应 Gene Mutation

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1 基因突变及分子细胞生物学效应 Gene Mutation
井冈山大学医学院 生物学与医学遗传学教研室

2 一切生物细胞内的基因都能保持其相对稳定性，但在一定内外因素的影响下，遗传物质就可能发生变化，这种遗传物质的变化及其所引起的表型改变称为突变（mutation）。

3 第一节 基因突变的一般特性 多向性 同一基因座上的基因可独立发生多次不同的突变而形成复等位基因。 可逆性
突变的方向可逆,可以是正突变，也可以是回复突变。 有害性 突变会导致人类许多疾病的发生。 稀有性 在自然状态下发生突变的频率很低。 随机性 可重复性

4 第二节 诱发基因突变的因素 在自然条件下，未经人工处理而发生的突变为自发突变（spontaneous mutation）。
经人工处理而发生的突变是诱发突变（induced mutaion）。 能诱发基因突变的各种内外环境因素统称为诱变剂（mutagen）。

5 一、物理因素 紫外线

6 紫外线 紫外线的照射可使DNA顺序中相邻的嘧啶类碱基结合成嘧啶二聚体，最常见的为胸腺嘧啶二聚体（TT）。在复制或转录进行时，该处碱基配对发生错误，从而引起新合成的DNA或RNA链的碱基改变。

7 紫外线诱发的胸腺嘧啶二聚体

8 射线直接击中DNA链，DNA分子吸收能量后引起DNA链和染色体的断裂，片段发生重排，引起染色体结构畸变 。
电离辐射 射线直接击中DNA链，DNA分子吸收能量后引起DNA链和染色体的断裂，片段发生重排，引起染色体结构畸变 。

9 其他物理因素 电磁辐射 高温 严寒

10 羟胺（hydroxylamine，HA）
二、化学因素 羟胺（hydroxylamine，HA） 可使胞嘧啶（C）的化学成分发生改变，而不能正常地与鸟嘌呤（G）配对，而改为与腺嘌呤（A）互补。经两次复制后，C-G碱基对就变换成T-A碱基对。

11 羟胺引起DNA碱基对的改变

12 亚硝酸或含亚硝基化合物 可使碱基脱去氨基（-NH2）而产生结构改变，从而引起碱 基错误配对。

13 亚硝酸引起DNA碱基对的改变 图中A被其脱去氨基后可变成次黄嘌呤（H），H不能再与T配对，而变为与
配对，经DNA复制后，可形成T-A→C-G的转换。

14 具有高度诱变化学因素活性的烷化剂，可将烷基（CH3-、C2H5-等）引入多核苷酸链上的任何位置，被其烷基化的核苷酸将产生错误配对而引起突变。

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16 烷化剂引起的DNA碱基对的改变

17 碱基类似物 某些碱基类似物可以取代碱基而插入DNA分子引起突变 。

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19 5-BU引起的DNA碱基对的改变 5-BU与腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）均可配对。如果5-BU取代T以后一直保持与A配对，所产生的影响并不大；若与G配对，经一次复制后，就可以使原来的A-T对变换成G-C对。

20 芳香族化合物 吖啶类和焦宁类等扁平分子构型的芳香族化合物可以嵌入DNA的核苷酸序列中，导致碱基插入或丢失的移码突变。

21 三、生物因素 病毒 风疹、麻疹、流感、疱疹等 真菌和细菌 毒素

22 第三节 基因突变的形式 静态突变 动态突变

23 一、静态突变（static mutation）
是在一定条件下生物各世代中以相对稳定的频率发生的基因突变。可分为点突变和片段突变 。

24 DNA链中一个或一对碱基发生的改变，两种形式：碱基替换和移码突变。
点突变（point mutation） DNA链中一个或一对碱基发生的改变，两种形式：碱基替换和移码突变。

25 碱基替换（base substitution）
DNA链中碱基之间互相替换，从而使被替换部位的三联体密码意义发生改变。

26 转换（transition）:一种嘌呤-嘧啶对被另一种嘌呤-嘧啶对所替换。
颠换（transvertion）:一种嘌呤-嘧啶对被另一种嘧啶-嘌呤对所替换 。

27 同义突变（same sense mutation）
碱基被替换之后，产生了新的密码子，但新旧密码子同义，所编码的氨基酸种类保持不变，因此同义突变并不产生突变效应 。

28 无义突变（non-sense mutation）
碱基替换使编码氨基酸的密码变成终止密码UAA、UAG或UGA。

29 错义突变（missense mutation）
碱基替换使编码某种氨基酸的密码子变成编码另一种氨基酸的密码子，从而使多肽链的氨基酸种类和序列发生改变。

30 错义突变引发疾病——镰刀状红细胞贫血

31 终止密码突变（terminator codon mutation）
DNA分子中的某一个终止密码突变为编码氨基酸的密码，从而使多肽链的合成至此仍继续下去，直至下一个终止密码为止，形成超长的异常多肽链。

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33 影响非密码子区域的突变 调控序列突变：使蛋白质合成的速度或效率发生改变，进而影响着这些蛋白质的功能，并引起疾病。
内含子与外显子剪辑位点突变：GT-AG中的任一碱基发生置换而导致剪辑和加工异常，不能形成正确的mRNA分子。

34 移码突变（frame-shift mutation）
基因组DNA链中插入或缺失1个或几个碱基对， 从而使自插入或缺失的那一点以下的三联体密码 的组合发生改变，进而使其编码的氨基酸种类和 序列发生变化。

35 移码突变

36 碱基对插入和（或）缺失的数目和方式不同，对其后的密码组合的改变的影响程度不同。
移码突变引起的最小变化是在DNA链上增加或减少一个遗传密码导致合成的多肽链多或少一个氨基酸，若大范围改变密码组合则会引起的整条多肽链的氨基酸种类及序列的变化。 移码突变的后果严重，通常是导致一条或几条多肽链丧失活性或根本不能合成，进而严重影响细胞或机体的正常生命活动。

37 片段突变 片段突变是DNA链中某些小片段的碱基序列发生缺失、重复或重排。

38 串联重复的三核苷酸序列随着世代传递而拷贝数逐代累加的突变方式。
二、动态突变 串联重复的三核苷酸序列随着世代传递而拷贝数逐代累加的突变方式。

39 例如：脆性X综合症 Xq27.3内（CGG）n重复 数：60-200，正常：6-60 脆性X综合症患者：
智能低下，皮肤松弛，关节过度伸展，长脸。 例如：脆性X综合症 Xq27.3内（CGG）n重复 数：60-200，正常：6-60

40 例如：Huntington 舞蹈病 4p16.3 CAG 36～121 正常6～35

41 例如：SBMA Xq11-q12 CAG 40-72 雄激素受体蛋白 运动神经元受损

42 第四节 DNA损伤的修复 生物体内存在着多种DNA修复系统，当DNA受到损伤时，在一定条件下，这些修复系统可以部分地修正DNA分子的损伤，从而大大降低突变所引起的有害效应，保持遗传物质的稳定性。

43 一、紫外线引起的DNA损伤的修复 光复活修复（photoreactivation repair）

44 光复活修复的过程

45 切除修复（excision repair）
也称为暗修复（dark repair）。光在这种修复过程中不起任何作用。切除修复发生在复制之前，需要其它酶的参与。

46 核酸内切酶先在嘧啶二聚体附近切开DNA单链，然后以另一条正常链为模板，按碱基互补原则补齐需切除部分的碱基序列，最后由核酸内切酶切去含嘧啶二聚体的片段，并由连接酶将断口与新合成的DNA片段连接起来。

47 重组修复（recombination repair）
含有嘧啶二聚体或其它结构损伤的DNA仍可进行复制，当复制到损伤部位时，DNA子链中与损伤部位相对应的部位出现缺口。复制结束后，完整的母链与有缺口的子链重组，使缺口转移到母链上，母链上的缺口由DNA聚合酶合成互补片段，再由连接酶连接完整，从而使复制出来的DNA分子的结构恢复正常。该过程发生在复制之后。

48 重组修复的过程

49 二、电离辐射引起的DNA损伤的修复 超快修复：修复速度极快，在适宜条件下，大约2分钟内即可完成修复。 快修复：一般在X线照射后数分钟内，即可使超快修复所剩下的断裂单链的90％被修复。 慢修复：是由重组修复系统对快修复所不能修复的单链断裂加以修复的过程。一般修复时间较长。

50 三、修复缺陷引起的疾病 修复系统本身是由一系列基因所编码的酶所组成的，修复系统的缺陷将使遗传物质的损伤不能得到尽快修复，突变将以各种形式存在并遗传下来，最终导致疾病的发生。

51 例如：着色性干皮病 UV→嘧啶二聚体 光修复系统异常 解旋酶、核酸内切酶等修复蛋白的基因突变

52 对光敏感，皮肤、眼、 舌易受损； 皮肤上皮鳞状细胞 或基底细胞皮肤癌； 伴性发育不良、生长迟缓、 神经系统异常而学习能力差
例如：着色性干皮病 对光敏感，皮肤、眼、 舌易受损； 皮肤上皮鳞状细胞 或基底细胞皮肤癌； 伴性发育不良、生长迟缓、 神经系统异常而学习能力差

53 例如：Bloom syndrome 光敏感性reqQ解旋酶家族基因突变 身材矮小、免疫功 能低下、日光敏感 性面部红斑和轻度 颜面畸形

54 Effects of Gene Mutation on Cells
基因突变的分子细胞生物学效应 Effects of Gene Mutation on Cells

55 基因突变→蛋白功能改变→细 胞效应→性状改变

56 人体疾病是细胞病变的综合反映，而细胞病变则是细胞在致病因素的作用下，组成细胞的若干分子相互作用的结果。生物因素、理化因素和遗传因素都可能通过各种途径影响到细胞内的成分，从而导致细胞病变。

57 第一节 基因突变引起蛋白功能异常 突变影响活性蛋白的生物合成 突变改变了蛋白质的功能效应 突变蛋白的细胞定位与病变位置的关系
蛋白质的分子异常与临床表现的关系

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59 一、基因突变导致异常蛋白的生成 原发性损害(primary abnormalities) 突变改变了蛋白质的一级结构 继发性损害(secondary abnormalities) 突变干扰多肽链的合成过程

60 突变与疾病的关系 突变涉及的 步骤 原发损害 病例 继发性损害 核苷酸序列 转录、RNA剪切 地中海贫血、HPFH 转录的调节
急性间隙性卟啉症 mRNA 翻译 地中海贫血 翻译的调节 多肽 多肽链折叠 LDL受体突变2型 翻译后修饰 Ehlers-Danlos综合征 三维空间构象 亚单位聚合、 细胞定位 胶原形成缺陷 亚单位聚合和亚细 胞定位的调节 Zellweger综合征、I细 胞病 生物学功能 蛋白质降解 Tay-Sachs病 蛋白质降解的调节 未知

61 影响mRNA和蛋白质合成的突变 影响mRNA和蛋白质合成的原发缺陷 例如：β-珠蛋白生成障碍性贫血 点突变导致转录受阻→ β-珠蛋白生成减少

62 影响mRNA和蛋白质合成的突变 影响mRNA和蛋白质合成速率的继发缺陷 例如：急性间隙性卟啉症 血红素的合成与急性卟啉症的发生

63 例如：急性间隙性卟啉症 缺乏PBG脱氨酶使细胞内ALA、胆色素原不能转化为血红素，血红素含量下降；而血红素的下降则调节着ALA合成酶表达的增加ALA和胆色素原更严重的积聚，导致疾病。

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65 急性间隙性卟啉症 （青春期以后出现神经 系统症状） 患有急性间隙性卟啉症的英王乔治 急性间隙性卟啉症患者

66 影响蛋白质结构的突变 改变蛋白质结构的原发性突变 例如：Huntington 舞蹈病

67 例如：Huntington 舞蹈病

68 例如：Ehlers-Danlos综合征Ⅱ型
影响蛋白质结构的突变 影响蛋白质结构的继发性因素-翻译后修饰缺陷 例如：Ehlers-Danlos综合征Ⅱ型 赖氨酸羟化酶缺陷所致，胶原分子上的赖氨酸不能被羟化，使 胶原分子间的连结发生障碍，而不能适应于组织细胞内胶原网 络结构的形成，最终而导致结缔组织的结构改变和功能紊乱。

69 Ehlers-Danlos综合征

70 影响蛋白质的亚细胞定位的因素 影响蛋白质细胞转运的原发缺陷 例如：甲基丙二氨酸尿症 甲基丙二酰辅酶A羧基变位酶基因突变，使其不能进入线粒体。线粒体内的甲基丙酰CoA因此不能转变为琥珀酰CoA，在线粒体内堆积而发病。

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72 影响蛋白质的亚细胞定位的因素 影响蛋白质细胞内转运的继发因素 例如：I-细胞病 溶酶体内的酸性水解酶的转运受阻，甘露糖转变为M-6-P的酶缺陷，致酸性水解酶不能进入溶酶体而堆积于细胞质中并释放到体液中。

73 I-细胞病 患者具有多种临床效应， 包括骨骼异常、严重 的生长迟缓和智力低下等。

74 影响蛋白质与其它因子结合的突变 影响亚单位组装成多聚体相互集积的原发突变 例如：成骨不全症 蛋白亚单位亲和力减低，如Ⅰ型胶原组装异常致使 骨发育不良。

75 由于不能形成多聚体蛋白而引起继发性功能缺陷 例如：Zellweger综合征 （脑-肝-肾综合征）
影响蛋白质与其他因子结合的突变 由于不能形成多聚体蛋白而引起继发性功能缺陷 例如：Zellweger综合征 （脑-肝-肾综合征） 孪生兄弟中一为Zellweger综合征患者（右），一正常。

76 影响辅基或辅助因子与蛋白质结合、去除的突变
影响辅助因子与蛋白质结合的原发突变 例如：同型胱氨酸尿症 本病的分子缺陷是由于基因缺陷而致胱硫醚合成酶与辅助因子磷酸吡哆醛的结合障碍而失去活性。大剂量的吡哆醛(维生素B6)具有一定的治疗作用

77 H4-甲基-叶酸 H4-甲基-叶酸 H4-甲基 甲基 H4-甲基-叶酸

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79 结构基因的突变降低了突变蛋白的稳定性 许多结构基因的突变者导致由其所编码的蛋白稳定性降低，而导致遗传病的发生。

80 功能丢失的突变 功能加强的突变 新特性的突变 显性负效应 异时或异位基因表达 二、基因突变导致蛋白质功能异常
Von willebrand 病，vWF与血小板结合的功能加强，不易从血小板上分离，患者损伤时，带有vWF的血小板的凝血作用减弱。

81 突变对蛋白功能的效应

82 三、突变导致组织细胞蛋白表达类型的改变 组织特异性蛋白（tissue-specific protein）突变 一般情况下，组织特异性蛋白的突变所引起的病理 生理改变常局限于原发的特定的组织内部。

83 持家蛋白突变所引起的临床效应通常局限在一个或几个持家蛋白起特殊作用的组织中。
持家蛋白的突变　 持家蛋白突变所引起的临床效应通常局限在一个或几个持家蛋白起特殊作用的组织中。

84 四、突变蛋白的分子细胞病理学效应与相应临床表型之间的关系
同一基因的不同突变产生不同的临床表型 同一单基因（基因座）的不同突变产生极其不同的临床表型意味着遗传异质性（等位基因异质性）与临床异质性之间存在着因果联系。

85 产生这种现象的原因常常与一种无义介导的mRNA降解（nonsense-mediated mRNA decay, NMD）机制有关。已知NMD是广泛存在于真核生物细胞中的一种mRNA质量监控机制。该机制通过识别和降解含有提前终止密码子（premature translational-termination codon，PTC）的转录产物进而防止有潜在毒性的截短蛋白的产生。

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87 同一基因的不同突变可改变疾病的遗传方式 同一基因在不同位置发生基因突变有时会改变遗传病的遗传方式。

88 突变所引起的结果有时尚无法预测 目前在很多情况下，尚不能估计或推测某一 突变应该或不应该引起这样或那样的生化或 临床表型。

89 第二节 基因突变引起性状改变的分子生 物学机制
第二节 基因突变引起性状改变的分子生 物学机制 先天性代谢病（遗传性酶病） 分子病

90 一、基因突变引起酶分子的异常 结构基因突变引起的酶结构改变　　 ①酶完全失去活性；②酶具一定程度的活性，但稳定性降低，容易被迅速裂解而失去活性；③酶与底物的亲和力降低。④复合酶的酶蛋白分子与辅助因子的亲和力下降。 调节基因突变引起酶合成速度下降　

91 二、酶分子异常引起的代谢缺陷 酶的生成和体内酶促反应

92 膜转运酶的缺陷 例如：色氨酸加氧酶缺乏症 患者肠粘膜细胞上缺乏色氨酸的转运酶（色氨酸加氧酶），因而色氨酸不能被吸收。 色氨酸是细胞内合成烟酰胺、5-羟色胺等的原材料，色氨酸的缺乏导致烟酰胺和5-羟色胺不能生成，从而使整个机体的代谢过程发生紊乱。 临床上主要表现为：反复发作的小脑运动失调、皮肤粗糙和色素沉着或表皮破溃等。

93 色氨酸代谢示意图

94 酶缺陷导致中间产物或底物的堆积 例如：半乳糖血症

95 体内半乳糖代谢途径

96 次要代谢途径的开放，有可能引起某些副产物的推积
例如：苯丙酮尿症 酶缺陷使代谢终产物减少或缺乏 例如：白化病

97 图中：1.苯丙酮尿症缺陷部位2.尿黑酸尿症缺陷部位3.白化病缺陷部位
苯丙氨酸与酪氨酸代谢 图中：1.苯丙酮尿症缺陷部位2.尿黑酸尿症缺陷部位3.白化病缺陷部位

98 图中：①17α-羟化酶；②17,20裂解酶；③11β-羟化酶
酶缺陷导致反馈抑制减弱 肾上腺皮质激素的合成 图中：①17α-羟化酶；②17,20裂解酶；③11β-羟化酶

99 21-羟化酶的缺陷，使孕酮和17-羟孕酮不能转化为醛固酮和可的松等盐皮质激素与糖皮质激素，却形成大量的雄烯二酮和睾酮。由于血中皮质激素的缺乏，可负反馈性地促使垂体分泌过量的促肾上腺皮质激素(ACTH)，使肾上腺皮质增生。结果并不能增加皮质激素的合成，而继续使睾酮等性激素大量合成 。

100 例如：先天性肾上腺皮质增生症 男婴患者刚出生时，外生殖器正常或稍大，但不久之后，即体重迅速增长，出现阴毛、腋毛（但睾丸不发育）等一系列假性早熟现象。女婴患者刚出生时就表现出外生殖器异常，阴蒂肥大，大阴唇发育，随着年龄的增长逐渐男性化，3岁以后就可出现阴毛等假性畸形现象。

101 三、非酶分子缺陷而导致的分子病 基因突变除了引起酶蛋白的缺陷以外，还可以通过影响非酶蛋白分子的结构和数量，而导致性状的改变，甚至疾病的发生。 非酶蛋白分子结构和数量的异常所引起的疾病，统称为分子病（molecular disease）。

102 分子病 基因突变还可以通过影响非酶蛋白分子（运输蛋白、免疫蛋白、膜载体蛋白、受体蛋白 ）的结构和数量，从而改变机体细胞的生物学性状，并最终导致机体遗传性状的异常，为分子病（molecular medicine）。