第一节 突变的分子基础 第二节 遗传重组分子机理 第三节 转座遗传因子 第四节 DNA损伤的修复

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1 第一节 突变的分子基础 第二节 遗传重组分子机理 第三节 转座遗传因子 第四节 DNA损伤的修复
第12章 突变和重组机理 第一节 突变的分子基础 第二节 遗传重组分子机理 第三节 转座遗传因子 第四节 DNA损伤的修复 Genetics

2 第一节 突变的分子基础 基因突变是由于DNA分子中核苷酸顺序的改变，进而基因作用改变，最后导致个体表型的改变。

3 一、突变的两种方式 1．碱基替代（base substitution）：某一位点的一个碱基对被其他碱基对取代。碱基替换包括两种类型。 (1) 转换（transition）：是同型碱基之间的替换，即一种嘌呤被另一种嘌呤替换。或一种嘧啶被另一种嘧啶替换。

4 一、突变的两种方式 1．碱基替代（base substitution）：某一位点的一个碱基对被其他碱基对取代。碱基替换包括两种类型。 (2) 颠换（transversion）：嘌呤和嘧啶之间的替换。即嘌呤为嘧啶代替，嘧啶为嘌呤代替。

5 一、突变的两种方式 2．移码突变：DNA分子中增加或减少一个或几个碱基对，引起密码编组的移动（frame-shift mutation）。 G

6 一、突变的两种方式

7 一、突变的两种方式 Three basic types of gene mutations are base substitutions, insertions, and deletions.

8 一、突变的两种方式 Three basic types of gene mutations are base substitutions, insertions, and deletions.

9 二、突变产生的机理 1．互变异构化(tautomer)：一个质子的位置变化而改变了碱基氢键的特性。 嘌呤的氨基形式  嘌呤的稀有亚氨基形式
嘌呤的氨基形式  嘌呤的稀有亚氨基形式 （与胸腺嘧啶配对） （与胞嘧啶配对） 造成： A=T→G=C （转换） 互变异构化在DNA复制中自发产生。

10 二、突变产生的机理 Purine and pyrimidine bases exist in different forms called tautomers (互变异构体). (a) A tautomeric shift occurs when a proton changes its position, resulting in a rare tautomeric form.

11 二、突变产生的机理 (b) Standard and anomalous base-pairing arrangements occur if bases are in the rare tautomeric forms. Base mispairings due to tautomeric shifts were originally thought to be a major source of errors in replication, but such structures have not been detected in DNA, and most evidence now suggests that other types of anomalous pairings are responsible for replication errors.

12 二、突变产生的机理 2．碱基类似物（base analogues）：是在化学结构上与DNA的碱基很相似的物质，在DNA复制时，“冒充”碱基掺入到DNA链中去。 例如：5-溴尿嘧啶（BU）是胸腺嘧啶（T）的结构类似物。当细菌在BU中培养时，T被BU取代，与A配对。 BU的酮式结构  BU的烯醇式结构 （与A配对）多 （与G配对）少 造成 AT → GC（多） GC → AT（少） （转换） 其他化合物：5-氯（氟）尿嘧啶， 2-氨基嘌呤

13 二、突变产生的机理 5-Bromouracil (a base analog) resembles thymine, except that it has a bromine atom in place of a methyl group on the 5-carbon atom. Because of the similarity in their structures, 5-bromouracil may be incorporated into DNA in place of thymine. Like thymine, 5-bromouracil normally pairs with adenine but, when ionized, it may pair with guanine through wobble.

14 二、突变产生的机理 5-Bromouracil (a base analog) resembles thymine, except that it has a bromine atom in place of a methyl group on the 5-carbon atom. Because of the similarity in their structures, 5-bromouracil may be incorporated into DNA in place of thymine. Like thymine, 5-bromouracil normally pairs with adenine but, when ionized, it may pair with guanine through wobble.

15 二、突变产生的机理 3．亚硝酸（HNO2）：具有氧化脱氨的作用。

16 二、突变产生的机理 4．烷化剂：具有一个或多个活性烷基的化合物。
①给鸟嘌呤添加甲基或乙基，使它的作用象腺嘌呤，所以可跟胸腺嘧啶配对，产生配对误差。如甲基磺酸乙酯(EMS)。

17 二、突变产生的机理 4．烷化剂：具有一个或多个活性烷基的化合物。
②使鸟嘌呤烷化，烷化的鸟嘌呤脱掉，造成脱嘌呤作用（depurination），在DNA链上留下一个缺口，影响DNA的复制，或使核苷酸顺序缩短，引起移码突变。 ③同一DNA分子或不同DNA分子间的两链间形成交键（cross-linkage），使一个或几个核苷酸丢失或切除。

18 二、突变产生的机理 5．吖啶类化合物(原黄素，吖啶橙等)：为三环扁平的分子，大小与碱基对的大小差不多，能与DNA结合，嵌入DNA的碱基对之间，使相邻的两个碱基对的距离拉长，使DNA双链歪斜，导致DNA交换时出现参差，结果导致不等交换，产生移码突变。

19 三、基因突变的遗传学效应 不论是碱基替换，还是移码突变，都有可能使由那个基因决定的多肽的氨基酸顺序发生改变，或造成多肽合成终止而不产生完整的肽链。 但由于遗传密码具有简并性，所以有些碱基因替换也不一定会造成氨基酸顺序的改变。

20 三、基因突变的遗传学效应 1．同义突变（same sense mutation）：碱基替代的结果为同义密码子，碱基顺序改变而氨基酸顺序未变。没有突变效应产生，这显然与密码的简并性有关。

21 三、基因突变的遗传学效应 2．错义突变（missense mutation）。指碱基替换的结果引起氨基酸序列的改变。有的影响到蛋白质的活性和功能，甚至丧失全部活性，从而影响表型。也有引起蛋白质活性和功能不同程度的丧失。 一般性质相似的氨基酸对蛋白质的功能影响较小，而不同性质的氨基酸相互替换则可能强烈地影响蛋白质的功能。第二要看替换的氨基酸在肽链中的位置，是否处于活性部位，是否影响立体构形。

22 三、基因突变的遗传学效应 3．无义突变（nonsense mutation）。是指某一碱基的改变使mRNA的密码子变成终止密码，使多肽合成中断，形成不完全的肽链，丧失生物活性。 如： DNA ATG → ATT mRNA UAC UAA 酪氨酸 终止 如人类β珠蛋白有146氨基酸，Hb McKess-Rock只有144个。原因：145位UAU变为UAA。 终止密码突变：终止密码的一个碱基被取代，突变后的密码子能编码某一氨基酸。如Hbα链有141个氨基酸。Hb Constant Spring的α链142位的UAA变为CAA，终止密码变为谷氨酰胺，肽链一直延长到173位另一终止密码子。

23 三、基因突变的遗传学效应 Base substitutions can cause (a) missense, (b) nonsense, and (c) silent mutations.

24 三、基因突变的遗传学效应 4．移码突变： 核苷酸顺序的改变起因于移码突变时，DNA分子中添加或减少一个（或几个）碱基对，它们的效应是使密码编组改变，从添加或减少一个碱基对的那个密码子开始，一直到信息的末尾都出现误读，产生的多肽可能会有错乱的氨基酸顺序；或者在误读中出现无义密码子，多肽延伸提早停止，只形成无活性的多肽片段。

25 三、基因突变的遗传学效应 4．移码突变： 例如Hb Wayne是138位UCC失去一个C，使α链的合成不在原来应该终止的地方停止，一直到146位合成精氨酸后才终止，从而使α链延长。 这些突变自然会使合成的酶或蛋白质的活性降低，或完全失活，结果突变体不能存在，或显示出突变性状来。

26 第二节 遗传重组分子机理 基因重组是所有生物遗传的基本现象，无论是高等生物还是细菌、病毒中都存在基因重组；不只是在减数分裂中发生基因重组，在高等生物的体细胞中也发生重组；重组不只是在核基因之间发生，在叶绿体基因间、线粒体基因间也发生重组。可以说，只要有DNA就会有重组发生。

27 一、染色体断裂愈合模型 C．D．Darlington 1936年提出。
在同源染色体联会时，由于染色体的缠绕而产生张力，两个相对染色单体在同一位置断裂，然后彼此和另一染色单体重新连接起来从而形成重组并消除这种张力。

28 二、基因转变 （gene conversion）
Olive等广泛研究粪生粪壳菌g座位，g-决定子囊孢子灰色。g+决定子囊孢子的黑色，在g+×g-的杂交中，他们分析了20万子囊，发现0.06%是5∶3分离，0.05%是6∶2分离，0.008%是3∶1∶1∶3（或异常4∶4）分离。

29 二、基因转变 （gene conversion）
1930年，德国遗传学家H．温克勒把这种不规则分离现象解释为减数分裂过程中同源染色体联会时一个基因使相对位置上基因发生相应的变化所致。因而称就基因转变。

30 二、基因转变 （gene conversion）
以后由于发现一个基因发生基因转变时，它两旁的基因常同时发生重组，所以认为基因转变是某种形式的染色体交换的结果。 因此，基因转变的研究，实质上也是染色体交换机制的研究。而断裂重接模型则无法解释异常现象。

31 三、Holliday模型—杂合DNA模型
1964年，R．Holliday提出，并作修正。 1．同源的非姊妹染色体的DNA配对。 2．同源非姊妹染色单体DNA中两个方向相同的单链在DNA内切酶的作用下，在相同位置上同时切开

32 三、Holliday模型—杂合DNA模型
3．切开单链交换重接，形成交联桥结构（cross-bridged structure）。 4．交联桥的位置可以靠拉链式活动，沿着配对DNA分子“传播”—桥迁（Bridge migration），其中互补碱基间形成的氢键从一条链改变另一条链，。于是在两个亲本DNA分子间造成一段异源双链DNA。这种结构又称为Holliday structure。

33 三、Holliday模型—杂合DNA模型
6．通过两种方式切断DNA单链以消除交联桥，恢复两个线形DNA分子。 7．进行DNA修补合成。

34 三、Holliday模型—杂合DNA模型
8．如果是左右切断，出现中间包含杂合双链的两旁基因是非重组(AB．ab)的双链DNA分子;如果上下切断，将出现中间包含杂合双链并且两旁基因发生重组(Ab，aB)的双链DNA。 不管Holliday结构怎样产生，是否导致两侧遗传标记重组，它们都含有一个异源双链DNA区。

35 三、Holliday模型—杂合DNA模型
8．如果是左右切断，出现中间包含杂合双链的两旁基因是非重组(AB．ab)的双链DNA分子;如果上下切断，将出现中间包含杂合双链并且两旁基因发生重组(Ab，aB)的双链DNA。 不管Holliday结构怎样产生，是否导致两侧遗传标记重组，它们都含有一个异源双链DNA区。

36 三、Holliday模型—杂合DNA模型

37 第三节 转座遗传因子 细胞中能改变自身位置的一段DNA顺序，叫做转座遗传因子（transposable genetic element），简称转座因子，TE。 携带piggyBac转座子的老鼠，它们的细胞表达了红色的荧光蛋白

38 一、玉米的控制系统 1932年，美国玉米遗传学家B．McClintock发现玉米籽粒色斑不稳定遗传现象，于1951年，第一次提出转座因子的概念。 因为玉米中发现的转座因子除了具有转座的特性外，还具有调节其他基因的作用。又称之为控制因子（Controlling elements）。

39 一、玉米的控制系统 玉米的控制因子可以在基因组内移动，其中有一个叫做解离因子（Ds），它的存在可使染色体在近旁断裂的机会大大增加，并因此改变邻近基因的表型效应。

40 一、玉米的控制系统 Ds经常变动在染色体上的位置，影响邻近基因的作用。
例如当Ds基因插入到色素基因C的近旁或中间时，玉米籽粒不能形成色素，但当Ds离开C基因后， C基因所受到的抑制作用即被解除，玉米籽粒又出现色素。

41 一、玉米的控制系统 Ds的改变又受另一控制因子——激活因子（Ac）的影响。Ac可位于基因组中任何其他地方。
Ac的存在可以解除Ds对C的抑制作用，从而使色素基因C得以表达。

42 一、玉米的控制系统 在胚乳发育期间，由于Ac的作用，Ds转座而离开色素基因C时，玉米籽粒便出现色素斑点。

43 一、玉米的控制系统 因为Ds和Ac这两控制因子频频地转移位置，所以在玉米籽粒上显示出散在的斑斑小点。

44 一、玉米的控制系统

45 二、原核生物中的转座因子 根据分子结构和遗传性质可将原核生物中的转座因子(transposable elements)分为插入序列(insertion sequence，IS)、复合转座子(composite transposon，Tn)和转座噬菌体三类。 1967年，在大肠杆菌半乳糖操纵子的突变型研究中第一次在细菌中发现了可转移座位的插入序列。

46 二、原核生物中的转座因子 1．插入序列（IS）：
IS是最简单的转座因子，它仅含有编码其转座所需的酶 — 转座酶(transposase)的基因，本身没有任何表型效应。 目前已知的IS至少有10余种，如IS1、IS2、IS3等。它们的大小不同，目前已知IS的长度在 bp之间。

47 二、原核生物中的转座因子 插入序列的单链环 IS具有末端重复序列 1．插入序列（IS）
IS有某些共同的结构特征，如每种IS两端的核苷酸序列完全相同或相近，但方向相反，称为反向重复序列(inverted repeat sequence, IR)，这种末端反向重复序列有几个到几十个核苷酸对。 由于这种反向重复序列的存在，IS经变性和复性后，可以观察到茎环结构的存在。 插入序列的单链环 IS具有末端重复序列

48 二、原核生物中的转座因子 2．复合转座子 细菌体内编码抗药性的基因存在于质粒中。质粒与细菌染色体之间几乎没有同源性，然而带有这样质粒的细菌，其抗药性基因偶而也会出现在细菌染色体中或菌体内噬菌体的后代。 显然这是一种没有同源性的重组作用的结果。这种抗性基因定居在新的基因组中后，还能继续迁移（例如从细菌DNA到另一个质粒等）。

49 二、原核生物中的转座因子 2．复合转座子 这并不是常见的现象，其机率在一百万次细胞分裂中还可能不到一次，但是由于其带有抗药性基因，很容易被检查出来。 用电子显微镜技术（检查有无异源双链）和用限制酶分析均可发现有新的DNA序列（转座因子）的插入。

50 二、原核生物中的转座因子 2．复合转座子 但上述转座因子与IS不同，它使宿主细胞具有一定的表型，称为复合转座子(简称转座子，Tn)。
Tn中除含有转座所必须的基因外，还含有与转座无关的一些基因，如抗药基因以及其它基因如乳糖发酵基因、热稳定肠毒素基因等，因此Tn的转座能使宿主菌获得有关基因的特性，如上述的抗药性或能产生毒素，可作为遗传标志而易被鉴定出来。

51 二、原核生物中的转座因子 2．复合转座子 不同的复合转座子的抗性标记不同。

52 二、原核生物中的转座因子 2．复合转座子 转座子分子大小一般在2000—25000 bp，在其两端常常含有IS或IS的一部分。这提示转座子可能是由于细胞基因的两端各装上一个IS而形成的，后来整个装置就能像IS一样移动。

53 二、原核生物中的转座因子 2．复合转座子 在Tn两侧的IS组件有的是相同的，有的不同；有的方向相同，有的方向相反；有的两侧组件均有功能如Tn9(两个IS1，同向)或Tn903(两个IS903，反向)，有的仅右侧组件有功能如Tn5或Tn10。

54 二、原核生物中的转座因子 2．复合转座子 一个功能性的IS结构单位能转座它本身或整个转座子。

55 二、原核生物中的转座因子 3．转座噬菌体 Taylor于1963年发现了一种特殊的噬菌体，称为Mu(mutator phage)，它是大肠杆菌的一种温和噬菌体。 通常每一种温和噬菌体应整合到宿主染色体的一定位置上，可是Mu几乎可插入宿主染色体任何一个位置上，而且游离Mu和已经插入的Mu基因次序是相同的。 另外它的两端没有粘性末端，插入某基因中就引起该基因突变。这些都说明它的整合方式类似于转座因子的作用。

56 二、原核生物中的转座因子 3．转座噬菌体 Mu噬菌体为一37kb的线状DNA，两端各带一小段大肠杆菌的DNA，这与该噬菌体插人大肠杆菌染色体上有关。 距末端不远处也有类似于IS的序列，但位置不对称。 靠近一端处存在与转座有关的A、B基因，它们分别编码70000和33000两种蛋白，在A、B与末端之间有一C区，对A、B有负调控作用。

57 二、原核生物中的转座因子 3．转座噬菌体 Mu的转座频率比一般的转座子要高，它的两端携带宿主的DNA，而且每一个Mu所携带的宿主DNA都各不相同。 在转座过程中，它摆脱两端原有的细菌DNA而转座到新的某个位点上。

58 三、转座机制 以细菌的转座子为例： 1．切开：转座酶有两种功能：(1)识别受体靶点。从5'端切开，产生两个粘性末端。(2)识别自身两边的IR。3'切开。 2．接合：成为共合体。共价链齐头相连，形成两个缺口。

59 三、转座机制 以细菌的转座子为例： 3．复制：DNA多聚酶补上缺口，连接酶连接，形成顺向重复序列。
4．重组：在特定位点重组。共合体分离成两部分。

60 四、转座因子的遗传学效应 1．引起插入突变。 2．插入位置上出现新基因。 3、切离，发生回复突变，或染色体畸变。 4．造成同源序列整合。
5．增加新的变异，有利于进化。

61 四、转座因子的遗传学效应

62 第四节 DNA损伤的修复 生物在长期的进化中，不仅演化出能纠正偶然的复制错误的系统，而且还存在着能修复由环境因素和体内化学物质造成的DNA分子损伤的系统。如果按原样修复，不会引起突变，偶然出现差错，引起突变。因此，突变往往是DNA损伤与修复这两个过程共同作用的结果。

63 一、紫外线照射对DNA的损伤 1．紫外线主要作用在DNA上，因为波长260 nm 的紫外线照射，杀菌率和诱变率最高，而这个波长正是DNA的吸收峰。

64 一、紫外线照射对DNA的损伤 2．紫外线照射对DNA的一个损伤作用是形成嘧啶二聚体，即在相邻的两个嘧啶之间形成化学键，使两个碱基平面扭转，引起双螺旋构型的局部变化，同时氢键结合力也显著减弱。

65 一、紫外线照射对DNA的损伤 3．嘧啶二聚体中，最常见的是TT 也有CC和CT

66 二、DNA损伤的修复 1．光复活 用紫外线照射细菌，并在黑暗中培养。杀菌数与剂量成正比，如接触可见光(310~440nm)，存活率大大提高。并能降低突变率。 这是由于光复活酶（PR酶）催化嘧啶二聚体分解成为单体。

67 二、DNA损伤的修复 光复活过程： a．光复活酶识别变型的地方，并和它结合，形成酶-DNA复合物。 b．吸收可见光，获得能量。
c．切断二聚体的两个C-C键。 d．DNA回复正常构型，酶释放。

68 二、DNA损伤的修复 光复活酶已在许多生物体中发现（细菌、真菌、马类、人类、哺乳类）。 但这主要是低等生物的一种修复方式。

69 二、DNA损伤的修复 2. 暗复活 暗复活过程具有更重要的意义，它并不表示修复过程只在黑暗中进行，而只是说，光不起任何作用。
这种修复过程不是简单地由另一种酶来拆开二聚体，而是利用双链DNA中一段完整的互补链，去恢复损伤链所丧失的信息；就是把含有二聚体的DNA片段切除，然后通过新的核苷酸链的再合成进行修补，所以又叫做切除修复。

70 二、DNA损伤的修复 2. 暗复活 切除修复有两种情况，一是先补后切，一是先切后补。一般认为先补后切比较合理。

71 二、DNA损伤的修复 2. 暗复活 (1)一种特定的核酸内切酶识别胸腺嘧啶二聚体的位置，在二聚体附近将一条链切断，造成缺口。
(2)DNA多聚酶以未受伤的互补DNA链为模板，合成新的DNA片段，弥补DNA的缺口。

72 二、DNA损伤的修复 2. 暗复活 (3)专一的核酸外切酶切除含有二聚体的一段多核苷酸链。 (4)连接酶把缺口封闭，DNA回复原状。

73 二、DNA损伤的修复 2. 暗复活 人的色素性干皮症是由常染色体隐性基因决定的。患者对阳光中的紫外线极度敏感。皮肤癌的发病率大大增加。这是由于皮肤成纤维细胞在DNA损伤之后，缺乏修复能力所致。 表明DNA修复系统在保护我们不受环境中诱变和致癌物质的作用方面是很重要的。

74 二、DNA损伤的修复 3．重组修复 因为DNA的重组和修复关系密切，所以DNA分子的损伤很有可能通过DNA分子间的重组来修复。这就是所谓重组修复。 重组修复必须在DNA复制的情况下进行。

75 二、DNA损伤的修复 重组修复的步骤： (1)复制：DNA分子复制，越过嘧啶二聚体，在二聚体的互补链对面留切缺口。
(2)重组：核酸内切酶在完整的DNA分子上形成一个切口，使有切口的DNA链与极性相同的但有缺口的同源DNA链的游离端互换。“交联桥”桥迁。

76 二、DNA损伤的修复 重组修复的步骤： (3)再合成：二聚体对面的缺口由新核苷酸链片段弥补起来。这新片段是从完整的DNA分子为模板合成的。连接酶使新片段和旧片段衔接，重组修复完成。 重组修复并没有从亲代DNA中除去二聚体，但损伤的DNA链逐渐“稀释”。