第十二章 突变和重组机理.docx

第十二章 突变和重组机理这本书里，有一章专门讨论突变，有一章专门讨论重组，此外在好多 章节里提到突变和重组，可是我们还很少接触到这些过程的机理，所以在 这一章里，我们要从分子水平来加以探讨第一节 突变的分子基础Watson 和 Crick 关于 DNA 的结构和复制的模型牢固地确立后，很清 楚，基因突变是由于 DNA 分子中核苷酸顺序的改变，随而基因作用改变， 最后导致个体表型的改变我们现在认识到，至少有两种突变方式可以改 变基因的信息内容① 碱基替换(base substitution) —个碱基对被另一碱基对代替② 移码突变(frameshift mutation)增加或减少一个或几个碱基对在第十章中已提到过，可以引起基因突变的理化因素很多不过在诱 变机理方面了解比较清楚的，还是化学诱变剂已知有诱变作用的化学品 的种类很多，而且这张单子还不断延长我们现在就以几类不同的化学物 质为例，分别说明碱基替换和移码突变的两种基因突变方式至于物理因 素诱变的机理在本章的第三节“DNA损伤的修复”中，将约略提及碱基类似物的诱发突变 一种化合物的分子结构很像天然化合物，所 以在某个化学反应中取代了天然化合物。

碱基类似物(base analogues) 在这类化合物中是最早受到注意的，因为其中少数可以在DNA复制中代替 这种或那种天然碱基，引起配对错误，从而由一碱基对代替另一不同碱基 对例如5-溴尿嘧啶(5-bromouracil，BU)是一种碱基类似物，它跟胸 腺嘧啶有类似的结构把 E．coli 培养在含有 5-溴尿嘧啶的培养液中， 菌体里一部分DNA中的胸腺嘧啶便为5-溴尿嘧啶所取代一般，DNA中含 有的 5-溴尿嘧啶愈多，则群体中发生突变的细菌也愈多，而且已经发生 了突变的细菌，以后在不含溴化物的培养液中多次培养，仍旧保持突变的 性状那末怎样解释这些现象呢？阂12-2 5-漠尿疇瞼（BU）谱发突变的机理.（a）谨发丸“T转换为GTI歩刮射，減基类似物的觉见异构祢（盟式）代替无热碱基胸腺喀喘「掺入 DNAo :静扎肓第一次复制跑，这裘似恢有时以晞醇式存在’跟一：只罔的天然碱荃 ＜鸟唔吟）耻对』从而在下一次复制时，导致碗基对的替换（复制误差」疔皿 o£ rei.\i cation.） □（b ）錢发C转换为A--九芟淤讨，汨现配对请误，碱基类似协的稀有具构体（烯鸽式）^AdnAo 在掺入后第二掾煲制汽.，类似物Z回复酮瓷结构，这时配对正帘：浜而导敦下 1次复制吋出观碱基对簪换（接去误差,error o£ incorporati on ） □我们知道，在正常的 DNA 分子中，胸腺嘧啶和腺嘌呤处在相对的位置 上。

5-溴尿嘧啶像所有天然碱基一样，能从一种结构转变为另一种结构 通常5-溴尿嘧啶（BU）在DNA分子中以酮式状态存在，这时它和胸腺嘧 啶一样，也能与腺嘌呤配对；但由于5位上的溴的影响，5-溴尿嘧啶有时 以烯醇式状态存在于DNA中，当DNA复制到这个碱基时，在它的相对位置 上便将出现一个鸟嘌吟（图12-1）而在下一次DNA复制时，鸟嘌吟又 按一般情祝跟胞嘧啶配对，这样原来的 A—T 碱基对就转变为 G—C 碱基对 （图 12-2）因为BU的烯醇式可以跟鸟嘌吟配对，所以它有时掺入到DNA，取代 胞嘧啶的位置，也可引起碱基对的改变，由G-C碱基对改变为A-T碱基 对这过程完全是上述过程的回复因为BU的烯醇式是比较不常有的异 构体，所以由G-C变为A-T要比A-T变为G—C少得多尽管这样， 由BU诱发的突变也可由BU来回复腺瞟瞼詁臭尿疇咗酗式N -H-C^ zB N- H -于H鸟瞟吟5：浪尿疇症酮式谢1Z-1 5-浪原囉嚨以酮式存在时.，与腺噁噜配对'但贞烯醉式存在时-処与鸟瞟岭配对°碱基替换时，嘌呤由嘌呤代替，嘧啶由嘧啶代替，叫做转换（transition），而嘌吟为嘧啶代替，嘧啶为嘌吟代替，叫做颠换 （transversion）（图12-3）。

5-溴尿嘧啶引起的碱基替换是转换另一碱基类似物 2-氨基嘌吟（2-aminopurine）,对T4和E. coli等也是诱变剂，它的诱变作用也是引起碱基对的转换~I f I 'I~I~~\ ~TT~I I I I~A ,C | T, T G G TII , III ! Ill 转换T | Gj C ■ A| A C C AI I I I I I I II Y g "4 5 6 7 8-i i i i ~n ~11 -1 i f i ~rn ~ iA T G C I A. i C | - L 11 A iII II III III i 山’Uh； Mi： II i 颠换T A C G.,T ：：G nGj|T i1 ' 4 5 % > 8閤12-3碱基替换的几种可毙形式-◎礙基的转撫匾线）和取换（实线）/ （b门弗敦捱一段中，涵基对诗换的例子.改变DNA化学结构的诱变剂 碱基类似物是诱变剂，因为它们取代复 制中DNA的一个正常碱基；其它诱变剂，如亚硝酸，烷化剂aikylating agents），它们的作用是改变核酸中的核苷酸化学组成，所以它们的作用 跟 DNA 的复制无关1）亚硝酸（HN0 ）这是一种很有效的诱变剂，已知可以引起很多2 生物的突变，如烟草花叶病病毒， T， T， E. coli 等。

24已知亚硝酸有氧化脱氨作用，它使腺嘌吟（A）脱去氨基，成为次黄 嘌吟（H），使胞嘧啶（C）脱去氨基，成为尿嘧啶（U）（图12-4），使 鸟嘌呤脱去氨基，成为黄嘌呤脱氨后生成的次黄嘌呤跟胞嘧啶配对，脱 氨后生成的尿嘧啶跟腺嘌吟配对在下一次DNA复制时，胞嘧啶（C）又 按一般情况跟鸟嘌吟（G）配对，腺嘌吟（A）也按通常情况跟胸腺嘧啶（T） 配对，这样就由原来的A-T转换为G—C，由原来的G—C转换为A—T， 使 DNA 分子中核苷酸排列次序发生变化但脱氨后生成的黄嘌呤不能跟其 它任何碱基配对，所以这种改变可能对细胞是致死的腺嗟瞼(A)［丈黄哽喙图12-4亚硝酸QWO对嚓瞼和喘咗的作用◎ 使腺喙瞼(A)脱去氨基.成为役董囈尊Oi)3_i±改变与复制无关•脱 氨芮宝戍直诙董嚓瞼瓯艶狀煌配腿 島后使帖丁錨换兀(-C⑸騒便胞呢味©脱去氨基.戍宵原哦喘g这改喪与复制无关•腮氨后 形成的尿哼嗾起腺疇吟簸就最后使"转换为A T.用亚硝酸处理大肠杆菌的碱性磷酸酶缺陷株，得到能够产生这种酶的 回复株分析回复株所产生的碱性磷酸酶的氨基酸顺序，并参照遗传密码， 知道亚硝酸使这个缺陷型回复为原养型的作用主要是由于A-T转换为G －C。

已知亚硝酸可以引起T4和E. coli的缺失，以及酵母菌的移码突变 关于移码突变留到下面再谈2)烷化剂 烷化剂对很多生物有诱变作用，这些生物包括噬菌体， 细菌，链孢霉，蚕豆和果蝇等烷化剂包括的种类很多，其中有最早发现 的化学诱变剂——芥子气，还有在工业上广泛应用的硫酸二乙酯(ethylethane sulfonate),亚硝基胍(N-me thyl-N-ni tro-N-ni trosoguanidine )等烷化剂诱发突变的机理 目前还不十分清楚，它可能通过几种不同途径，引起突变：①给鸟嘌吟添 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(图12-5)，②使鸟嘌吟烷化，烷化的鸟嘌吟脱掉，造成脱嘌吟作 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迸G「乙基鸟瞟吟胸腺脚圭mo%%CCCT12-5曳疇岭用烷化剂硫裟二乙酸处理后，配对行为改变, 出现碱基转按.◎岑瞟瞼朗烷化韻g舊禺改变出现碱基转换.(a)S- H-0烷化剂是重要的，因为它们在工业上广泛地应用，可造成环境污染。

很多烷化剂不仅是有毒的，而且可以诱变和致癌，所以不小心散逸出去， 会对使用者和附近群众造成危害，这是应该多多注意的结合到 DNA 分子上的化合物 吖啶类是很重要的一类诱变剂，因为这 类药物能使在细胞内生长中的病毒出现移码突变所谓移码突变就是由于 DNA 分子的某一位置上一对或二对核苷酸的缺失或插入而造成的遗传密 码的移位由于遗传密码以 3 个核苷酸为一组而且是连续的，所以在缺失 或插入核苷酸以后的密码都成为错误密码，都将转译为不正常的氨基酸， 甚而提早终止这种突变型称为移码突变型例如一个正常基因的密码编 组是……UUU, AAA, UUU,……，当增加一个A时，就使编码顺序改变， 成为……AUU, UAA, AUU, U……，这样就要引起基因突变相反的， 失去一个核苷酸对，将引起同样的遗传后果（图 12-6）艶UACAGU脯CCU苏ACA咎GAA..酩蓿他酩蓿UACAGAUCCUACAGA AA'■ ■无夷壳UAAGUCCUACAGAA••…勰12-6編码顺序改变的示意陛.第二个密码 :予插天一个 碱基第一年密码 子缺失…-亍 礙基萨子吖啶类诱发的突变的一个重要特征是，吖啶类化合物所诱发的突变型 能用吖啶类来使之回复，但不能由碱基类似物使之回复。

这是因为吖啶类 引起移码突变是通过增加（+）或减少（-）一个或几个碱基对，所以由增 加一个碱基对的突变型可由邻近一个碱基对的缺失而使遗传密码又回复 原来读法，出现回复突变，这自然不能由碱基对替换来达成的吖啶类（例如原黄素proflavin,吖黄素acriflavin，和吖啶黄 acridine yellow）是较为扁平的分子，能够结合到DNA,插入邻近碱基 对间，使它们分开吖啶类的诱变作用跟遗传重组有关，并且认为插入的 吖啶分子，使DNA双链歪斜，导致遗传交换时排列出现参差，结果出现不 等交换，产生的两个重组分子，一个碱基对太多，一个碱基对太少（图 12-7）圉12-7叶喘谴变机理的说明一啜认肯，叮喘分孑插入邻接的我涵基对间丄使D1TA分子歪斜,氐 而在遗宅彫且时上洌参差•交唤发生在U同濾竝基对间，刑成的重 组分子•碱撕对或若太务或者太少,这叫撇不诗交换.基因突变与氨基酸顺序 上一章已讲过，蛋白质合成时，双链DNA上 的遗传信息（核苷酸顺序，有时单称碱基顺序）先传递给单链mRNA，然 后以mRNA为模板，合成多肽mRNA上的核苷酸以3个为一组，作为一个 密码子，被一个特定的tRNA分子所认出，并由它把正确的氨基酸接到延 伸中的多肽链上。

所以DNA分子的核苷酸顺序的改变，不论是起因于碱基 替换，还是起因于移码突变，都有可能使由那个基因决定的多肽的氨基酸 顺序发生改变核苷酸顺序的改变起因于碱基替换时，由于改变后对多肽中氨基酸顺 序的影响的不同，可以是同义的，可以是错义的，也可以是无义的同义 突变（same sense mutation）—般不易认出，虽然DNA组成变了，某一 密码子不同了，但在多肽链中仍插入同一氨基酸例如天冬氨酸由三联体 GAU或GAC编码，DNA中一个碱基对的替换，使mRNA密码子由GAU变为 GAC，仍不能认出，因为密码子GAU和GAC都为携带天冬氨酸的tRNA分子 所认出，这种氨基酸将按没有发生过碱基替换时一样，插入到野生型和同 义突变型的多肽链中的相应位置上（图12-8，b）错义突变（missense 。