第十二章 突变和重组机理 Chapter 12 The Mechanism of Mutation and Recomposition

1. 第十二章 突变和重组机理Chapter 12 The Mechanism of Mutation and Recomposition

2. 教学时数：3学时 一 教学目的与要求：要求学生了解基因突变、自发突变、人工诱变的概念，掌握物理诱发因素及其作用机理，化学诱发因素及其作用机理，熟练掌握诱变的方法，达到能熟练应用物理和化学诱变方法进行动植物、微生物育种的目的。 二 教学重点：突变的分子机制，Holliday模型 ，转座子的转座机理， DNA损伤的修复方式。

3. 三 教学难点：基因转变及Holliday模型。 四 本章主要阅读文献资料： 1、P.C. Winner, G.I. Hickey & H.L. Fletcher,Instant Notes in Genetics, BIOS Scientific Publishers Limited,1998.12. 2、王亚馥，戴灼华 主编：《遗传学》，高等教育出版社，1999年6月版。 3、贺竹梅 编著：《现代遗传学教程》，中山大学出版社，2002年3月版。

4. 4、朱军 主编：《遗传学》（第3版），中国农业出版社，2002年1月版。 5、李振刚 编著：《分子遗传学》，科学出版社，2000年1月版。 6、张玉静 主编：《分子遗传学》，科学出版社，2000年4月版。 7、赵寿元，乔守怡 主编：《现代遗传学》，高等教育出版社，2001年8月版。 8、蔡绍京，徐珊 主编：《医学遗传学》，科学出版社，2001年9月版。

5. 本章结构The structure of this chapter 第一节 基因突变的分子基础 第二节 重组的分子基础 第三节 转座遗传因子 第四节 DNA损伤的修复

6. 第一节 基因突变的分子基础 细胞水平：基因相当于染色体上的一个位点 分子水平：一个位点还可以分成许多基本单位(座位)。一个座位一般指的是一个核苷酸对。 真正的点突变：基因内不同座位的改变而引起的突变 。 复等位基因：由一个基因内不同座位的改变而形成的许多等位基因的合称。 如：控制自交不亲和基因。

7. 基因突变的分子基础 按突变发生的原因分类 自发突变(spontaneous mutation):在自然状况下发生的突变。 诱发突变(induced mutation):有机体暴露在诱变剂中引起的突变。 一.自发突变的分子基础 自发突变可能由DNA复制错误,自发损伤和转座因子等多种原因引起。 (一)DNA复制中的错误 遗传物质是DNA,DNA复制是半保留复制,如果发生错误,引起碱基替换(base substitution), 即一对碱基被另一对碱基替换，造成DNA遗传信息的改变。从而导致基因突变。

8. 正常情况下,A-T配对,氨基态的腺嘌呤(A)只与胸腺嘧啶(T)配对,但有 时可转变成稀有的亚氨基形式,可以与胞嘧啶配对,形成A-C, 再经一次复 制,DNA分子中的A-T对变成了G-C对. 这种互变异构可以在DNA复制中自发产 生。

9. 碱基替换可以分为转换和颠换: 1.转换(transitions):嘌呤替代嘌呤,或嘧啶替代嘧啶。 AG或GA , TC或CT 2.颠换(Tran versions):嘌呤替代嘧啶,或嘧啶替代嘌呤。 AC, AT , CA, TA 3.移码突变（frame-shift mutation）:在DNA复制中发生增加或减少一个或几个碱基对所造成的突变。移码突变可造成蛋白质分子发生较大的结构改变。 ACG GCT TCA AAG AAC AGG CTT CAA AGA ACC

10. (二) 自发损伤(spontaneous lesions) 即自然产生的DNA损伤引起突变,如脱嘌呤和脱氨基等。 1.脱嘌呤：最为常见，由于DNA分子中碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏，从而引起一个鸟嘌呤(G)或腺嘌呤(a)从DNA分子上脱落下来。造成DNA损伤，产生无嘌呤位点，在DNA复制中引入错误；或由修复系统移去无嘌呤位点或插入一个碱基而引起突变。 2.脱氨基：胞嘧啶脱氨基变成U,U与A配对，结果使 G-C对变成 A-T对（转换)。 3.氧化性损伤：个体自然产生的氧化基，氧化物如超氧自由基,氢氧自由基及过氧化基等，能对DNA造成氧化性损伤，引起突变，导致人类疾病。

11. 烯醇式结构

12. 二 诱发突变的分子基础 是由各种诱变剂（物理或化学的）诱发的突变。诱变剂可以取代碱基，改变碱基或破坏碱基，使DNA发生错配，而引起基因突变。 (一)碱基类似物：与碱基结构类似，可替代正常碱基掺入DNA分子，引起碱基替换。如5-溴尿嘧啶（BU）是胸腺嘧啶T的类似物，可掺入DNA分子中。BU有两种互变异构体酮式和烯醇式。酮式与A配对，而烯醇式与G配对，这样很容易引起G-C对与A-T对的互相转换。除BU外，5-溴脱氧尿苷（BrdU），5-尿嘧啶，5-氯尿嘧啶及其脱氧核苷。2-氨基嘌呤（2-AP）等都是碱基类似物。 (二)烷化剂：通过改变碱基结构使DNA中的碱基发生烷化作用，引起特异性错配，或脱嘌呤。包括芥子气，甲磺酸已酯（EMS），亚硝基胍(NG)等。如EMS,使G的N位置带有已基（已烷化），成为7-已基鸟嘌呤，不与C配对而与T配对，使G-C转换成A-T。

13. (三)嵌合剂：口丫啶类染料的分子为平面结构，大小与碱基对 差不多，可插入DNA双链核心堆积的碱基对之间，在嵌入的位置引起单 个碱基对的插入或缺失，造成移码突变。如口丫啶橙，溴化已啶（EB），原黄素和黄素等。 (四)紫外线（UV）:可使DNA产生很多光生成物，如环丁烷嘧啶二聚体。 (五)电离辐射：使DNA分子发生氢键断裂，DNA单链或双链断裂，碱基或糖基损伤，DNA，蛋白质相互交联等。x射线，γ射线等，具有较高的能量可引起原子的电离，导致DNA的损伤，基因突变和染色体结构变异。 (六)黄曲霉素B1(AFB1)：霉变的花生等食物中含有大量的AFB1 ，AFB1是一种强致癌剂。可在G的N-T位形成一个加成复合物即产生无嘌呤位点，使GC颠换为T-A，引起基因突变。可导致肝癌。

14. 三．基因突变对遗传信息的影响 (一）碱基替换的影响：单个碱基替换如果发生在基因编码区，则会改变一个密码子，可以引起蛋白质一级结构中某个氨基酸的变化。 1 同义突变(samesense mutation) ：由于遗传密码具有简并性。所以有时碱基替换密码子改变但并不改变氨基酸。如GAU→GAC，但仍是天冬AA，无突变效应，密码子的简并性大大削弱了突变的危害性，是DNA的容错机制。 2 错义突变（missense mutation）：指碱基替换密码子改变引起氨基酸的改变。错义突变使蛋白质一级结构改变，导致蛋白质活性和功能不同程度的改变。一般性质相似的氨基酸替换对蛋白质的影响小，而性质不同的氨基酸的替换可能强烈的影响蛋白质的功能。例如人的镰刀性贫血症（HbS)。

15. 例如人的镰刀性贫血症（HbS）是由血红蛋白编码基因中的CTT(CTC)变成CAT（CAC），使血红蛋白β链N端第六位的氨基酸（谷氨酸）变为缬氨酸，结果使血红细胞成为镰刀型，寿命很短，引起严重的溶血性贫血，称为镰刀性贫血症(HbS)。如果用赖氨酸取代谷氨酸，也改变血红蛋白的性质，引起轻度贫血症（HbC）。 G C A T

16. 3 无义突变（nonsense mutation):碱基替换使编 码氨基酸的密码子突变为终止密码子，转录出的mRNA在翻译时提前终止，形成的肽链不完全，一般没有活性。形成的终止密码子为UAG、UAA或UGA 。 4 通读（reading through):碱基替换使终止密码子突 变为编码氨基酸的密码子，转录出的mRNA在翻译时不能适时终止，直到另一终止密码子为止。 (二）移码突变的影响：在DNA分子的外显子中遗传信 息是按三联体密码子排列的，插入或缺失１个或２个或４个碱基会改变阅读框架，结果翻译出来的蛋白质的氨基酸序列也完全改变，但如果插入或缺失３个碱基，则在翻译出的多肽链上只是多或少一个AA，而不会完全打乱AA序列。

17. (三）突变热点和增变基因：理论上，DNA任何位点都可以发生突变，但实际上DNA分子上不同部位有着不同的突变率。(三）突变热点和增变基因：理论上，DNA任何位点都可以发生突变，但实际上DNA分子上不同部位有着不同的突变率。 1 突变热点：突变率大大高于平均突变率的位点。如５－甲基胞嘧啶（MeC）的存在，MeC脱氨后生成T，不可被校正，而引起突变，C脱氨后变成U，容易被校正。另外一些短的重复系列也易形成突变热点，易发生嵌入和缺失，因DNA复制前模板链与新生链之间的滑动造成。 2 增变基因（mutator gene）：指某些基因突变后可使整个基因组中的突变率明显上升的基因。如DNA聚合酶基因突变，3‘－５’校正功能降低或丧失，是基因突变率升高。另如dam基因突变，则错配修复功能丧失，引起突变率升高。

18. 第二节 重组的分子基础 一 基因重组的可能机理 （一）染色体断裂愈合模型

19. （二）模写选择模型

21. 二 基因转变（gene conversion） （一）基因转变现象 在杂合体中，在交换过程中，某基因转变为其等位基因，使减数分裂的产物不是2：2分离的现象称基因转变。其特点是：频率高；在杂合体中；伴随重组；有一定方向性。 （二）基因转变的类型 1、染色单体转变（chromatic conversion） 在真菌的杂交中，有时会出现一些异常的分离。减数分裂的4个产物中，有一个产物发生了基因转变，出现6：2（或2：6）的子囊。 2、半染色单体转变（half-chromatic conversion） 在真菌的杂交中， 5：3（或3：5）或3：1：1：3的子囊表明在减数分裂的4个产物中，有1个产物的一半或两个产物的各一半出现基因转变称半染色单体转变。因在5：3或3：1：1：3的分离中，基因转变只影响半个染色体单体，分离一定发生在减数分裂后的有丝分裂中，所以又称减数后分离。

22. 三 遗传重组的分子基础 （一）异源（杂种）DNA模型和Holliday中间体

23. 1、两条DNA双链，相当于减数分裂时2条染色单体，为简略计，图中只画出2条染色单体，另2条未画出。1、两条DNA双链，相当于减数分裂时2条染色单体，为简略计，图中只画出2条染色单体，另2条未画出。 2、核酸内切酶认出每一DNA分子的相应断裂点，在每一分子的一条链上造成缺口，这两条链的极性相同。 3、单链的游离端交换位置。 4、单链连接，形成—个交联桥(cross-bridge)或H011iday中间体。 5、交联桥的位置移动，形成较大区段的异源双链区。 6-7、交联桥的两臂沿箭头方向旋转，呈现中空的十字构型 8、十字构型的2个单链保持完整,另外2个单链出现断裂。左面的交联桥沿东西方向切断，右面的交联桥沿南北方向切断 9-10、DNA修补合成。在A与B两座位间的中央部分有一较大时异漏双链 DNA区域。至于两侧的标记基因可以不出现重组，仍葆持亲代组合(左下图)； 也可发生交换，出现重组类型(右下图)

25. 1951年，美国遗传学家Mclintock根据对玉米染色体长期观察的研究，提出了“转座”的概念：即基因可以在染色体上移动。在当时这种超越时代的新概念几乎没有一位遗传学家可以接受，她的重大发现被埋没了近30年，直到1983年，这位80多岁的女科学家才登上诺贝尔奖领奖台。1951年，美国遗传学家Mclintock根据对玉米染色体长期观察的研究，提出了“转座”的概念：即基因可以在染色体上移动。在当时这种超越时代的新概念几乎没有一位遗传学家可以接受，她的重大发现被埋没了近30年，直到1983年，这位80多岁的女科学家才登上诺贝尔奖领奖台。 第三节 转座遗传因子（transposable genetic element） 转座子：细胞中能够改变自身位置的一段DNA序列，亦称跳跃基因。转座因子改变位置的行为称转座。

26. 一、玉米的控制系统 Ds-Ac作用模式 40年代到50年代McClintock

27. 二 原核生物中的转座因子 1951年McClintock提出转座（Transposition）和 跳跃基因(jumping gene)的新概念。 (一) 原核生物中的转座因子的发现和检出： 1967年Shapiro在E.coli中发现了转座因子（transposable element）。 他在半乳糖操纵子(gal K,T,E）中发现了一种极性突 变。它有以下特点： 1.能回复突变； 2.用诱变剂对其处理并不能提高回复突变率; 他们想到galE-的突变可能也是部分DNA的插入（突 变）和切离（回复突变）所致。

29. 证实转座因子的实验：密度梯度离心实验；分子杂交实验。 证实转座因子的实验：密度梯度离心实验；分子杂交实验。

31. (二)原核转座因子的类型 • 插入序列(IS) • 类插入序列（IS-like elements） • 复合转座子 • TnA家族

36. 三 转座机理 转座机理：细菌基因内存在有十几种不同的IS，各具有特定的碱基顺序，其大小因IS而异，最小的为60bp,最大的可达1400bp。它们可出现在基因组的不同位置，并且可以从一个位置转移到另一位置，但转移频率一般不高。．他们整合的部位并不具有严格的特定顺序，但某些位置往往比另一些位置易于插入。IS带有编码转座酶(transposase)的顺序，因为这是插入过程所必不可少的。IS或Tn的插入常使插入区的基因失活，因为正常的转录和(或)转译受到阻碍，例如；上述玉米色素基因由于转座因子-Ds的插入而失活就是这个道理。但偶而也可由于插入而激活有关基因的转录，因为Tn也可能带有它们自身DNA转录所必需的启动子顺序。

37. IS和Tn从一个位置转座到另一位置时,原来位置上的这些结构往往依然存在。这就是说，转座因子的转移并不是先从一个位置切除，然后通过细胞质转移到另一位置，而是复制一份，把一份转移到新位置，而将另一份留在原来位置上。因此可以想象，一个基因组的DNA量可以由于转座因子的获得或丢失而相继发生变化，从而使人们意识到，一种生物基因组的大小或基因数目的多少并不是一成不变的。IS和Tn从一个位置转座到另一位置时,原来位置上的这些结构往往依然存在。这就是说，转座因子的转移并不是先从一个位置切除，然后通过细胞质转移到另一位置，而是复制一份，把一份转移到新位置，而将另一份留在原来位置上。因此可以想象，一个基因组的DNA量可以由于转座因子的获得或丢失而相继发生变化，从而使人们意识到，一种生物基因组的大小或基因数目的多少并不是一成不变的。

38. 四 转座因子的遗传效应 （一）引入插入突变； （二）插入位置上出现一个新基因； （三）引起染色体结构变异； （四）切离准确回复突变，切离不准确引起染色体畸变； （五）调节基因活动，使基因失活或激活； （六）增加新变异，有利于进化。

39. 第四节 DNA损伤的修复 一 DNA的防护机制 （一）密码的简并性　 UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG均为亮氨酸。　 大部分氨基酸具有2个或2个以上的密码子。 （二）回复突变 正突变 野生型 突变型 回复突变 但回复突变的频率 < 正突变。

40. (三)抑制 1、基因间抑制：抑制作用发生在不同的基因间。 如：当DNA上某碱基发生了突变，凑巧tRNA上的 反密码子也发生了改变，成为野生型。 2、基因内抑制：抑制作用发生在同一基因内。 一个座位上的突变有可能被另一个座位上的突变 所掩盖，而使突变型恢复为野生型。

41. (四)致死和选择 防护机制未能起到修复突变的作用，而该突变又是 致死的话，则该突变体将在群体中被选择所淘汰。 (五)二倍体和多倍体 多倍体具有多套染色体组，每种基因多份，故能比 二倍体和低等生物表现出更强的保护作用。 如：小麦属的二倍体种的突变型比例高于六倍体普 通小麦。

42. 二 生物体的修复机制 (一) 光复活（photo reactivation）:专一性修复紫外线引起的DNA损伤，形成的嘧啶二聚体在损伤部位就地修复，在可见光（３００－６００nm）的活化下，由光复活酶（PR）催化嘧啶二聚体分解为单体。T-T→T,T (二) 切除修复（excision repair）：又叫暗修复，不需要光线的激活。把含有嘧啶二聚体或其他损伤的DNA片段单链切除，并合成新的核苷酸链进行修补。不仅可以修复紫外线损伤，而且可以修复其他损伤。　 修复内切酶 　 DNA聚合酶　 外切酶 连接酶 损伤DNA——→　切开——→聚合——→切除——→连接

43. (三) 重组修复（recombination repair）：由称复制后修复，必须在DNA进行复制使修复。修复后的一条子DNA仍带有损伤，可由其他修复机制除去，或继续存在，但经若干次复制和重组修复后，含有损伤DNA的细胞所占的比例越来越少，最终消失。 损伤DNA——→　复制 ——→重组 ——→连接 (四) SOS (save our souls)修复：这是在DNA分子受到大范围损伤时，细胞处于危机状态，复制受到抑制时出现的一种修复作用，也是最后的应急措施。由一种不精确的DNA聚合酶进行越障修复，这种DNA聚合酶能催化损伤部位DNA合成，但其识别碱基的能力很低，因而可造成很高的突变率，其机理尚不清楚。

44. (五) 电离辐射损伤的修复：电离辐射损伤常见是DNA链的断裂，电离辐射损伤的修复机制目前所知很少，有三种修复方式： 1超快修复：由DNA连接酶单独完成连接断裂DNA链。２min即可。 2快修复：可修复９０%超快修复所不能修复的单链断裂。需要DNA聚合酶１．的参与，几分钟内可完成。 3慢修复：需４０－６０min，可把快修复所不能修复的单链断裂全部修复。需要重组修复系统的参与。

45. 本章要点 自发突变可能由于DNA复制错误、碱基的脱嘌呤作用或脱氨基作用、转座因子以及重组错误等多种原因引起。根据DNA发生改变的情况，有下列突变方式可以改变基因的信息内容：碱基替换，包括转换和颠换；移码突变；缺失突变。 在生物体中有多种DNA修复系统保障遗传信息的准确性，这些修复系统可恢复不同的DNA损伤。最近的研究表明，人类某些类型的癌症与特异修复系统的缺陷有关。

46. 本章思考题 1．解释名词：碱基替换（转换和颠换）、移码突变、无义突变，错义突变、同义突变。 2．从分子水平来看，为什么说要做到定向变异目前是有困难的？ 3．在E.coli的色氨酸合成酶的蛋白质A的某一位点（位置223）上观察到下列氨基酸的替换: （a）假定每个氨基酸的替换只是由一个核苷酸的改变引起的。利用遗传密码表，指出什么密码子适合这系列的变化？ （b）你预期哪两个突变结合能重组形成野生型（gly）？ （c）哪两个突变结合不能重组形成野生型？ （d）上述氨基酸的改变中，哪一个表示碱基转换？哪一个代表碱基颠换

47. 4．一具有四核苷酸顺序的DNA分子 -C-G-A-T- -G-C-T-A- a）用亚硝酸处理，这条DNA链复制时，核苷酸顺序会发生怎样的变化？ b）用硫酸二乙酯处理，这条DNA链复制时，核苷酸顺序会发生怎样的变化？ 5．什么是染色体断裂愈合模型和模写选择模型？ 6．什么是基因转变？什么是杂种DNA模型？ 7．紫外线诱变的作用机制如何？它引起的DNA损伤的修复途径是什么？ 8．简述电离辐射引起的DNA的损伤及其修复。 9．就某一顺反子来说，正向突变率往往比回复突变率至少高一个数量级。如何说明？