[高等教育]第章 基因突变和表观遗传变异.ppt

9 基因突变和表观遗传变异基因突变和表观遗传变异表观遗传变异表观遗传变异9.1 基因突变的类型基因突变的类型3. 突变的性质：突变的性质：稀有性〔稀有性〔10-4~10-9〕〕可逆性，可逆性，突变的多方向性突变的多方向性与复等位基因与复等位基因1.体细胞突变与体细胞突变与生殖细胞突变生殖细胞突变2. 突变的类型：突变的类型：形态形态~，生化，生化~，，失去功能的失去功能的~：：无效无效~-渗漏渗漏~，，获得功能的获得功能的~，，致死致死~条件致死条件致死~突变的多方向性突变的多方向性 与复等位基因与复等位基因中中性性突突变变〔〔neutral mutation〕〕多多肽肽链链中中相相应应位位点发生的氨基酸的取代并不影响蛋白质的功能点发生的氨基酸的取代并不影响蛋白质的功能;沉沉默默突突变变〔〔silent mutation〕〕蛋蛋白白质质中中相相应应位位点点发生了相同氨基酸的取代，即同义突变发生了相同氨基酸的取代，即同义突变移码突变〔移码突变〔frameshift mutation〕〕回复突变〔回复突变〔reverse mutation〕，〕， 一一类类是是正正向向突突变变〔〔forward mutation〕〕突突变变方方向向是是从从野野生生型型向向突突变变型型；；另另一一种种是是回回复复突突变变，，其其突突变变方方向向是从突变型向野生型是从突变型向野生型抑抑制制突突变变〔〔suppressor mutation〕〕突突变变的的作作用用还还可可以通过其它位点的突变〔以通过其它位点的突变〔A B〕而得到补偿或校正。

〕而得到补偿或校正 9.2 基因突变的分子根底基因突变的分子根底n9.2.1.自发突变的分子根底自发突变的分子根底n突变率〔突变率〔mutation rate〕指在单位时间内某种突〕指在单位时间内某种突变发生的概率变发生的概率. n DNA复制错误复制错误n 自发的化学变化自发的化学变化n 1. 脱嘌呤〔脱嘌呤〔depurination〕作用〕作用n 2. 脱氨〔基〕脱氨〔基〕(deamination)作用作用n 3. 氧化作用损伤碱基〔氧化作用损伤碱基〔oxidatively damaged bases〕〕n 4. 转座子和插入序列引起的突变转座子和插入序列引起的突变nDNA结构结构与复制与复制3’ → 5’ 核酸外切酶核酸外切酶活性活性——校对功能校对功能DNA复制中的复制中的保真机制保真机制碱基的互变异构可造成复制过失碱基的互变异构可造成复制过失 碱碱基基的的互互变变异异构构可可造造成成复复制制过过失失 DNA复制中碱基互变异构引起的突变复制中碱基互变异构引起的突变 DNA复制中碱基互变异构引起的突变复制中碱基互变异构引起的突变DNA复制中碱基环出复制中碱基环出/跳格造成移码突变跳格造成移码突变DNA复制中碱基环出复制中碱基环出/跳格造成缺失与重复跳格造成缺失与重复 自发的化学变化 1.脱嘌呤作用 2.脱氨基作用脱氨基作用:C →U脱氨基作用脱氨基作用: 5mC →T[突变热点]3.氧化作用损伤碱基氧化作用损伤碱基n过氧化物原子团〔过氧化物原子团〔O2-〕〕n〔〔H2O2〕〕，，〔〔-OH〕〕等等需需氧氧代代谢谢的的副副产产物都是有活性的氧化剂，物都是有活性的氧化剂， n它们可导致它们可导致DNA的氧化损伤，的氧化损伤，nT氧化后产生氧化后产生T－乙二醇，－乙二醇，nG氧氧化化后后产产生生8-氧氧-7,8二二氢氢脱脱氧氧鸟鸟嘌嘌呤呤、、8-氧鸟嘌呤氧鸟嘌呤(8-O-G)或或“ GO〞，〞，nGO可和可和A错配，导致错配，导致G→T。

 转座子和插入序列引起的基因突变转座子和插入序列引起的基因突变 不等交换产生重不等交换产生重复和缺失突变复和缺失突变 诱发突变的分子根底诱发突变的分子根底n 放射线的诱发突变放射线的诱发突变n 紫外线、紫外线、 X-射线、射线、 γ射线、射线、 宇宙射线宇宙射线n 化学物质的诱发突变化学物质的诱发突变n 1.碱基类似物碱基类似物n (1) 5-溴尿嘧啶〔溴尿嘧啶〔5-bromouracil,5-BU〕〕n (2) 氨基嘌呤〔氨基嘌呤〔2-aminopurine 2-AP〕〕n (3) 迭氮胸苷〔迭氮胸苷〔AZT, azidothymidine〕〕 n 2.碱基的修饰剂碱基的修饰剂n (1) 亚硝酸〔亚硝酸〔introus acid, NA〕〕n (2) 羟胺羟胺n (3) 烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化n 3.DNA插入剂插入剂n 原黄素〔原黄素〔proflavin〕〕n 吖啶橙〔吖啶橙〔acridine orange〕〕n 溴化溴化3,8-二氨基二氨基-5-乙基乙基-6-苯基菲啶鎓苯基菲啶鎓n 〔〔etnidium bramide〕〕n ICR的复合物等的复合物等 放射线诱发的突变放射线诱发的突变n电离辐射〔电离辐射〔X-，，-射线〕诱发染色体畸变射线〕诱发染色体畸变和基因突变〔碱基降解和基因突变〔碱基降解/脱氨脱氨……〕〕n射线波长射线波长-能量能量-诱变效应的关系诱变效应的关系nUV 照射造成嘧啶二聚体照射造成嘧啶二聚体-切除切除-碱基随机插碱基随机插入入=突变突变 化学物质诱变化学物质诱变 1.碱基类似物n〔〔1〕〕5-溴溴尿尿嘧嘧啶啶和和T很很相相似似，，仅仅在在第第5个个碳碳元元子子上上由由Br取取代代了了甲甲基基,5-BU有有酮酮式式、、烯烯醇醇式式两两种种异异构构体体，，可可分分别别与与A及及G配对结合配对结合碱基类似物〔碱基类似物〔5-BU〕的掺入〕的掺入——转换转换碱基类似物〔碱基类似物〔2-AP〕的掺入〕的掺入——转换转换碱基类似物碱基类似物〔〔2-AP〕的掺入〕的掺入——转换转换n(2) 2-氨基嘌呤氨基嘌呤(2-AP)也是碱基的类似也是碱基的类似物，有正常状态和稀有状态两种异构体，物，有正常状态和稀有状态两种异构体，可分别与可分别与T和和C配对结合。

当配对结合当2-AP掺入到掺入到 DNA复制中时，由于其异构体的变换而复制中时，由于其异构体的变换而导致导致A∶T G ∶ Cn2. 碱基的修饰剂碱基的修饰剂n (1) 亚亚硝硝酸酸〔〔introus acid, NA〕〕有有氧氧化化脱脱氨氨作作用用，，可可使使G第第2个个碳碳原原子子上上的的氨氨脱脱去去，，产产生生黄黄嘌嘌呤呤〔〔xanthine,x〕〕，，次次黄黄嘌嘌呤呤 (H) 仍仍和和C配配对对，，故故不不产产生生转转换换突突变变但但C和和A脱脱氨氨后后分分别别产产生生U和和次次黄黄嘌嘌呤呤H，，产产生生了了转转换换，，使使C∶G转转换换成成A∶T，，A∶T转换成转换成G∶C亚硝酸〔亚硝酸〔introus acid, NA〕有氧化脱氨作用，〕有氧化脱氨作用，可使可使G →黄嘌呤〔黄嘌呤〔X〕仍和〕仍和C配对，故不产生突变；配对，故不产生突变；但但C脱氨脱氨→ U，使，使C∶G转换成转换成A∶T；； A脱氨脱氨→次黄嘌呤次黄嘌呤H，使，使A∶T转换成转换成G∶C碱基修饰剂的诱变作用碱基修饰剂的诱变作用(1) 亚硝酸亚硝酸 (2) 羟胺羟胺(3) MMS/EMSn〔〔2〕〕羟羟胺胺只只特特异异地地和和胞胞嘧嘧啶啶起起反反响响，，在在第第4个个C原原子子上上加加-OH，，产产生生4-OH-C，，此此产产 物可以和物可以和A 配对，使配对，使C∶G转换成转换成T∶An(3)(3)烷烷化化剂剂如如甲甲基基黄黄酸酸乙乙脂脂〔〔EMSEMS〕〕, ,氮氮芥芥(NM),(NM),甲甲基基黄黄酸酸甲甲脂脂〔〔MMSMMS〕〕, ,亚亚硝硝基基胍胍〔〔NGNG〕〕等等，，它它们们的的作作用用是是使使碱碱基基烷烷基基化化，，EMSEMS使使G G的的第第6 6位位烷烷化化，，使使T T的的第第4 4位位上上烷烷化化，，结结果果产产生生的的O-6-E-GO-6-E-G和和 O-4-E-TO-4-E-T分分别别和和T T、、G G配配对对，，导导致致G∶CG∶C对对转转换换成成A∶TA∶T对对；；T∶AT∶A对转换成对转换成C∶GC∶G烷化剂如甲基黄酸乙脂〔烷化剂如甲基黄酸乙脂〔EMS〕〕,氮芥氮芥(NM),甲基黄酸甲脂甲基黄酸甲脂〔〔MMS〕〕,亚硝基胍〔亚硝基胍〔NG〕等，〕等，使使G → O-6-M-G=T配对，导致配对，导致G∶C对转换成对转换成A∶T；；使使T →O-4-M-T ≡ G配对，导致配对，导致T∶A对转换成对转换成C∶G；；3.DNA插入剂插入剂导致碱基增减导致碱基增减嵌合剂的插入嵌合剂的插入——移码突变移码突变9.3 体外定点诱变体外定点诱变n1985年年加加拿拿大大的的Michael Smith建建立立，，于于1993年获得了诺贝尔化学奖。

年获得了诺贝尔化学奖n具体方法有三种：具体方法有三种：n〔〔1〕寡核苷酸介导的单链模板定点突变；〕寡核苷酸介导的单链模板定点突变；n〔〔2〕双引物法定点突变；〕双引物法定点突变；n〔〔3〕用掺入〕用掺入U的单链为模板进行寡核苷的单链为模板进行寡核苷n 酸介导的体外定点突变酸介导的体外定点突变寡核苷酸介导的单链模板定点突变寡核苷酸介导的单链模板定点突变基于基于PCR 的体外定点突变的体外定点突变基于基于PCR 的体外定点突变的体外定点突变9.4 突变剂的检测突变剂的检测用用 Ames法法检测诱变剂检测诱变剂突变和人类疾病突变和人类疾病n〔一〕自发突变和人类的疾病〔一〕自发突变和人类的疾病n一一.重复序列异常所引起的遗传病重复序列异常所引起的遗传病n线粒体的脑脊髓病〔线粒体的脑脊髓病〔mitochondlrial encephalomyopathies)是线粒体重是线粒体重复顺序之间产生缺失所致复顺序之间产生缺失所致n脆性脆性X染色体综合征染色体综合征nX-连锁脊髓和延髓肌娄缩，也称连锁脊髓和延髓肌娄缩，也称Kennedy’s症症n强直性肌营养不良〔强直性肌营养不良〔Myotonic dystrophy〕〕 (二) 诱发突变和人类的肿瘤9.5 基因突变的生物学防护与修复基因突变的生物学防护与修复 DNA的防护机制的防护机制1、密码的简并性、相似性、密码的简并性、相似性 2、回复突变、回复突变3、抑制突变〔基因间抑制与基因内抑制〕、抑制突变〔基因间抑制与基因内抑制〕4、、 二倍体和多倍体二倍体和多倍体5、致死与选择、致死与选择  DNA的修复机制的修复机制n一一.直接修复〔直接修复〔Direct repair〕〕n(一一) 通过通过DNA聚合酶校正聚合酶校正(3’ →5’外切外切)修复修复n(二二)光复活反响光复活反响n光光 复复 活活 〔〔 photoreactivation〕〕 或或 光光 修修 复复 〔〔light repair〕〕n光裂合酶〔光裂合酶〔photolyase),由由phr 基因编码基因编码n烷基转移酶〔烷基转移酶〔Alkyltransferases〕〕(如对如对m6G)UV损伤的光修复损伤的光修复/光复活光复活nPR酶，光能酶，光能nUV→Py=Py特异特异n低等生物的主要修低等生物的主要修复方式复方式n(一一) 一般切除修复一般切除修复n 切除修复切除修复(excision-repair) 暗修复〔暗修复〔dark repair〕〕n 切切-补〔补〔-切〕切〕-封封n短短-补丁修复〔补丁修复〔short-patch repair〕〔〕〔~20nt)组成型组成型n长长-补丁修复〔补丁修复〔long-patch repair〕〕 〔〔1500nt)诱导型诱导型n着色性干皮病〔着色性干皮病〔Xeroderma pigmentosum〕是一种切〕是一种切除修复酶的缺陷除修复酶的缺陷二、切除修复〔二、切除修复〔excision-repairexcision-repair〕〕E.Coli 中的切除修复系统中的切除修复系统损伤：突变的碱基错配或改变DNA结构剪切：内切酶在损伤碱基位点两侧剪切切除：外切酶除去切口间的DNA合成：DNA pol 合成取代DNA连接酶封闭缺口Uvr系统在修复各系统在修复各阶段中的作用：阶段中的作用：UvrAB识别损伤，识别损伤， UvrBC在在DNA上切上切一缺口，一缺口， UvrD使被标记区使被标记区解旋解旋n着色性干皮病着色性干皮病〔〔Xeroderma pigmentosum〕〕是一种切除修复酶是一种切除修复酶的缺陷的缺陷 (二二) 特殊切除修复途径特殊切除修复途径n(1) AP核酸内切酶修复途径核酸内切酶修复途径n AP位点位点 :无嘌呤〔无嘌呤〔apurinic〕和〕和n 无嘧啶〔无嘧啶〔apyrimidinic〕位点〕位点n(2) 糖基酶修复途径糖基酶修复途径重组修复〔重组修复〔recombination-repairrecombination-repair〕〕在在E.coli中的提取中的提取(retrival)系统系统9.6 基因突变的检出基因突变的检出 n 传统遗传学检出法传统遗传学检出法n 分子遗传学检出法分子遗传学检出法  传统遗传学检出法传统遗传学检出法n1、微生物突变的检出、微生物突变的检出n抗性筛选抗性筛选——positive selection eg. +pen pen r n营养缺陷型筛选营养缺陷型筛选——negative selection eg. penicillin enrichment method 青霉素阻止细胞壁成分的合成，对扩增细胞致死青霉素阻止细胞壁成分的合成，对扩增细胞致死n[MM+pen] (-/+) [CM] [MM] + -2、果蝇突变的检出、果蝇突变的检出〔〔1〕果蝇伴性隐性致死〕果蝇伴性隐性致死/非致死突变的检出非致死突变的检出利用利用 Muller-5品系检出品系检出X隐性突变隐性突变〔〔2〕常染色体基因突变的检出〕常染色体基因突变的检出——平衡致死系的利用平衡致死系的利用〔〔1〕果蝇伴性隐性致死〕果蝇伴性隐性致死/非致死突变的检出非致死突变的检出利用利用 Muller-5品系检出品系检出X隐性突变隐性突变〔〔2〕常染色体基因突变的检出〕常染色体基因突变的检出——平衡致死系的利用平衡致死系的利用3、植物突变的检出、植物突变的检出L. Stadler 玉米子粒胚乳颜色突变检出玉米子粒胚乳颜色突变检出CC×cc ↓ Cccc〔无色〕〔无色〕→存在突变存在突变拟南芥及其突变检出拟南芥及其突变检出 ？？ 分子遗传学检出法分子遗传学检出法 n 单链构像异构多态性单链构像异构多态性 〔〔PCR-SSCP〕〕PCR-SSCPPCR-RFLP 用毛细管电泳技术检测点突变用毛细管电泳技术检测点突变 毛细管、毛细管、强电场〔离强电场〔离子外表积、子外表积、外形差异〕、外形差异〕、高散热、高散热、高通量高通量 等位基因特异寡核苷酸杂交等位基因特异寡核苷酸杂交 n利用碱基对差异利用碱基对差异-杂交强度差异检测杂交强度差异检测 序列分析与序列分析与DNA芯片检测芯片检测nSequencing nSequencing is the procedure of choice for SNP discovery. The most common forms of sequencing are based on primer extension using either a) dye-primers and unlabeled terminators or b) unlabeled primers and dye-terminators. The products of the reaction are then separated using electrophoresis using either capillary electrophoresis or slab gels. DNA序列分析序列分析〔〔1〕〕 Sanger 双脱氧链末端终双脱氧链末端终止止法法/酶促酶促DNA序列测定序列测定法法nMaxam-Gilbert 化学降解法化学降解法n碱基特异修饰碱基特异修饰-特特异断裂异断裂DNA序列分析序列分析〔〔2〕〕 DNA芯片芯片/微阵列技术微阵列技术Allele 1Allele 1Allele 2Allele 2+Enzyme+ddATP+dCTP/dGTP/dTTPAllele 1Unlabeled Primer (23mer) T C TExtended Primer (24mer) T C TAT GAAllele 2Unlabeled Primer(23mer)A C TExtended Primer (26-mer)A C TMassArray 〔2〕nFigure II. Same DNA, different people: monozygotic twins share the same genome, but a different epigenome. The distinct pattern of DNA methylation and histone modifications can explain different phenotypes and individual susceptibility to disease. Proc Natl Acad Sci USA 102, 10604-10609, 2005.9.7 表观遗传变异表观遗传变异 n在在DNA序列未改变的情况下，基因表达的可遗序列未改变的情况下，基因表达的可遗传变化称表观遗传修饰〔传变化称表观遗传修饰〔 epigenetic modification〕或表观遗传变异〔〕或表观遗传变异〔epigenetic variation〕〕.n表观遗传修饰表观遗传修饰/表观遗传变异表观遗传变异 多源于多源于DNA甲基甲基化和组蛋白的甲基化化和组蛋白的甲基化/乙酰化等修饰。

如，乙酰化等修饰如，X 染染色体失活，基因组印记等等色体失活，基因组印记等等转基因沉默转基因沉默 ？？ 由由DNA甲基化导致的转基因沉默甲基化导致的转基因沉默n转录的基因沉默转录的基因沉默〔〔TGS〕〕——启动子甲基化启动子甲基化n转录后基因沉默转录后基因沉默〔〔PTGS〕〕——编码区甲基化编码区甲基化转录后基因沉默的其它机理转录后基因沉默的其它机理 〔〔RNAi?〕〕According to the principle of genetic information flows , please finish below table with the genetic codons table.polarity base seque ncepolarityDNACTGAmRNA CAAtRNAGCA3’peptideTrpTHANK YOU THANK YOU ALLALL。