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1、第四節(jié) 基因突變的分子基礎,一、 突變的分子機制,細胞水平：基因位點（locus）分子水平：基因位點若干座位（site）核苷酸對,堿基改變鐮刀型貧血癥,突變的兩種方式：,1、分子結構的改變:如堿基替換，倒位2、移碼,堿基替換(base substitution)：一個堿基對被另一堿基對替換。包括轉換(transtion)和顛換(transversion)。,移碼突變(frameshift mutation)：增加或減少一個或幾個堿基對。,基因突變與氨基酸順序,同義突變(same sense mutation)：密碼子發(fā)生改變，但所編碼的氨基酸不變。錯義突變(missense mutation)

2、：DNA中堿基對替換，使mRNA的某一密碼子改變，由它所編碼的氨基酸不同。很多錯義突變造成蛋白質的部分或完全失活，從而表現(xiàn)出突變性狀。無義突變(nonsense mutation)：堿基替換改變了mRNA上的一個密碼子，成為3個密碼子UAG，UAA和UGA中的一個時，就出現(xiàn)無義突變。,酪氨酸,絲氨酸,終止密碼子,堿基類似物的誘發(fā)突變,堿基替換(base substitution)：一個堿基對被另一堿基對替換。包括轉換(transtion)和顛換(transversion),轉換(transtion)：嘌呤被嘌呤，嘧啶被嘧啶替換的現(xiàn)象顛換(transversion)：嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤的替換

3、,堿基類似物（Base analogues）可以在DNA復制中代替某種堿基，引起配對錯誤，從而由一種堿基對代替另一種堿基對。,1.堿基類似物,（1）5-溴尿嘧啶和T很相似，僅在第5個碳元子上由Br取代了甲基. 5-BU有酮式，烯醇式兩種異構體，可分別與A及G配對結合,5-溴尿嘧啶(5-bromouracil,BU)是胸腺嘧啶的結構類似物。,A,T,A,T,A,BU,G,BU,A,T,A,BU,G,C,G,C,G,BU,A,BU,A,BU,G,C,G,C,A,T,(2) 2-氨基嘌呤(2-AP)也是堿基(A)的類似物，有正常狀態(tài)和稀有狀態(tài)兩種異構體，可分別與T和C配對結合。當2-AP摻入到 DN

4、A復制中時，由于其異構體的變換而導致AT G C,2-氨基嘌呤(2-aminopurine)可取代腺嘌呤與T配對,A,T,AP,T,A,T,A,T,AP,C,G,C,AP,T,疊氮胸苷(AZT, azidothymidine)：T的類似物,是用于治療愛滋病(acquired immunodeficiency syndrome)的一種藥物。,HIV-1,人的細胞,反轉錄,RNA,cDNA,整合入宿主DNA,新病毒,AZT在病毒RNADNA的階段是反轉錄酶的底物，但在細胞中卻不是DNA聚合酶的合適底物。這樣AZT的作用是一種選擇性的毒物，可以抑制病毒cDNA的產(chǎn)物，阻斷新的病毒的合成。,改變DNA

5、化學結構的誘變劑,亞硝酸(nitrous acid,HNO2)：具有氧化脫氨作用。,A,H,HNO2,C,U,HNO2,G,HNO2,X,C,G,NA,U,A,A,T,A,T,NA,H,C,C,G,發(fā)生堿基轉換,2.脫氨基,烷化劑,烷化劑是目前應用最廣泛而有效的誘變劑。最常用的有甲基磺酸乙酯(EMS)、甲基磺酸甲酯(MMS)、亞硝酸胍等。它們都帶有一個或多個活潑的烷基，這些烷基能夠移到其他電子密度較高的分子中去，使堿基許多位置上增加了烷基，從而多方面改變氫鍵的結合能力。,烷化作用主要發(fā)生在堿基的N1、N3、N7位置上。最容易發(fā)生在G的N7位置上，形成7-烷基鳥嘌呤。 7-烷基鳥嘌呤可與胸腺嘧啶

6、配對，從而產(chǎn)生GCAT的轉換。,烷化作用可使DNA的堿基容易受到水解而從DNA上裂解下來，造成堿基的缺失。從而引起堿基的轉換與顛換及移碼突變。,2. 堿基的修飾劑(1) 亞硝酸（introus acid, NA）有氧化脫氨作用，可使G第2個碳原子上的氨脫去，產(chǎn)生黃嘌呤（xanthine,x），次黃嘌呤 (H) 仍和C配對，故不產(chǎn)生轉換突變。但C和A脫氨后分別產(chǎn)生U和次黃嘌呤H，產(chǎn)生了轉換，使CG轉換成AT，AT轉換成GC,結合到DNA分子上的化合物（插入突變劑）,(Intercalating mutagents),包括原黃素(proflavin)、acridine orange等。它們通過插入

7、到DNA雙螺旋雙鏈或單鏈的兩個相鄰的堿基之間，起到插入誘變的作用，這種突變往往是移碼突變。,Acridine類誘發(fā)突變的一個重要特征是，acridine化合物所誘發(fā)的突變型能用acridine來使之回復，但不能有堿基類似物使之回復,TACGA ATCGGGTATT,ATGCT TAGCCCATAA,TACGA ATCGGGTATT,ATGCT TAGCCCATAA,CG,染料分子嵌入,復制,插入一個堿基對,移碼突變,輻射的誘變作用,紫外線（ultraviolet light，UV）：能使DNA產(chǎn)生兩種光生成物環(huán)丁烷嘧啶光二聚體和6-4光生成物。,胸腺嘧啶二聚體通常發(fā)生在同一DNA鏈上兩個相臨的

8、胸腺嘧啶之間，也可發(fā)生在不同單鏈之間，這種二聚體是很穩(wěn)定的。,阻礙單鏈分開，影響復制,復制,在胸腺嘧啶對應處隨意滲入堿基，引起突變。,紫外線誘發(fā)胸苷二聚體,黃曲霉素B1(aflatoxin B1,AFB1),在鳥嘌呤N-7位置上形成一個加成復合物進而產(chǎn)生無嘌呤位點。它要求SOS系統(tǒng)參與，SOS越過這些無嘌呤位點并在其對應處選擇性插入腺嘌呤。,A C G T A,T G C A T,AFB1,A C T A,T G C A T,復制,A C G T A,T G C A T,A C T A,T G A A T,復制,A C T T A,T G A A T,突變熱點(hot spots of mut

9、ation) 和增變基因(mutator genes),突變熱點在基因內(nèi)的分布并不是隨機的，某些位點上突變型很多，其突變率大大高于平均數(shù)。這些位點就稱為突變熱點。,形成突變熱點的最主要原因是5-甲基胞嘧啶(MeC)的存在。,MeC,誘變劑,氧化脫氨,T,短的重復序列也容易形成突變熱點。因為這些地方容易發(fā)生插入或缺失，這是由于DNA復制時發(fā)生模板鏈與新生鏈之間堿基配對的滑動造成的。,二、突變的修復,（一）DNA的防護機制1.簡并2.回復突變3.抑制4.致死5.多倍體,二、突變的修復,（二）DNA的修復1.光修復2.暗修復3.重組修復4.SOS修復,（二）DNA的修復1.光修復,（二）DNA的修復

10、1.光修復,在E.coli中的切除修復系統(tǒng)(暗修復),損傷：突變的堿基錯配或改變DNA結構,剪切：內(nèi)切酶在損傷堿基位點兩側剪切,切除：外切酶除去切口間的DNA,合成：DNA pol 合成取代DNA,連接酶封閉缺口,Uvr系統(tǒng)在修復各階段中的作用UvrAB識別損傷；UvrBC在DNA上切一缺口；UvrD使被標記區(qū)解旋,三、復制后修復,(一) 錯配修復（mismatch repair） (1) 識別錯配的堿基對； (2) 對錯配的一對堿基要能準確區(qū)別哪一個 是錯的，哪一個是對的； (3) 切除錯誤的堿基，并進行修復合成。,三、復制后修復,三、復制后修復,MutS,MutL,MutS,MutH,Mu

11、tS識別錯配位點,并易位到GATC位點。MutH在GATC位點剪切非甲基化鏈，內(nèi)切酶從GATC到錯配位點降解DNA,(二)重組修復（recombination-repain）,在E.coli中的提取(retrival)系統(tǒng),(三) SOS修復系統(tǒng)(后復制修復),差錯傾向修復（Error prone repair）Jeam Weigle 等發(fā)現(xiàn) UV 感染 細菌(用UV照射過) 存活率高噬菌體 細菌(UV未照射過) 存活率低UV-復活（UV-reactivation），也稱W-復活SOS反應（SOS response）,癌基因與癌,腫瘤細胞的特點,癌癥 多細胞器官性的疾病，這些器官的細胞生長異常

12、，失去調節(jié)，并常伴有異常分化，形成瘤。在高等脊椎動物中及植物中都有發(fā)現(xiàn)。癌細胞與正常細胞相比呈現(xiàn)以下特征:,1） 無限繁殖 2） 接觸抑制現(xiàn)象喪失 3） 癌細胞間粘著性減弱 4） 易被凝集素凝集 5） 粘壁性下降 6） 細胞骨架結構紊亂 7） 產(chǎn)生新的膜抗原 8） 對生長因子需要量降低,(1)無限生長（Immortalization），此和生長控制發(fā)生改變有關。(2)轉化（transformation），失去了生長的正常抑制，例如不受生長因子的支配。(3)轉移（metastasis）,正常細胞與癌細胞比較,外因：物理致癌因子（ 高能輻射） 化學致癌因子（ 環(huán)狀化合物，亞硝酸等） 生物致癌因子（

13、腫瘤病毒,黃曲霉素）內(nèi)因： 蛋白質功能水平上的病毒活性， 重要的生長調節(jié)基因的突變，如激素 控制細胞生長的機制被破壞。,2 . 癌癥的發(fā)生原因,胞內(nèi)Tyr激酶 膜結合蛋白，胞液蛋白,Ser/Thr激酶 胞液蛋白,信號分子 調節(jié)物,轉錄因子 Leu拉鏈蛋白，轉錄因子，甲狀腺激素受體,生長因子 分泌蛋白,生長因子受體 各種受體激酶，受體,G-蛋白/ 信號傳導 GTP結合蛋白,癌基因的類型,癌基因激活的機制： 點突變,c-ras： Ras 是GTP結合蛋白，傳導生長因子受體信號。 ras基因的點突變（第12個氨基酸密碼子由GGG(甘氨酸）變?yōu)镚TG(纈氨酸 ）降低了GTP水解酶活性， 使其放大了對生

14、長因子的反應，導致細胞過量生長。,染色體畸變和腫瘤的發(fā)生,一 . Rb和P53的缺失導致腫瘤的發(fā)生 二. 反轉錄病毒的插入激活c-myc癌基因三. 易位費城染色體（Philadelphia chromosome,Ph）Riodan O.（1971）用熒光帶法鑒別出Ph染色體是22號染色體長臂丟失了1/3而形成。Rowly（1973）進一步發(fā)現(xiàn)缺失的染色體片段易位到9號染色體上。1982年De Klein等又在Ph染色體上發(fā)現(xiàn)有9號染色體的片段，上面帶有癌基因（c-abl）.,擴增,在生長受癌蛋白量控制的情況下，結構正常的原癌基因的簡單擴增會引起癌癥。 如：c-myc 基因編碼轉錄因子， 在人神

15、經(jīng)母細胞瘤中有大量的增加。腫瘤細胞染色體中常出現(xiàn)雙微小體（DM)和均勻染色區(qū)（HST），都是基因擴增的表現(xiàn)。,5）易位激活,染色體易位， B細胞中myc基因轉到lgH 的基因座，受免疫球蛋白增強子的控制，在T細胞中則易位到TcRa 基因座。,CML(chromic myelogenous leukemia),ALL(acute lymphoblastic leukemia),22號染色體和9號染色體之間的易位產(chǎn)生了費城染色體，bcr-abl融合基因的轉錄，導致了兩種白血病的發(fā)生。,第五節(jié) 基因突變的誘發(fā),一、物理因素誘變二、化學因素誘變,一、物理因素誘變,基因突變需要很大的能量,輻射產(chǎn)生的能量

16、可使原子激發(fā)和原子電離。作用為非特異性（一）電離輻射如各種射線（二）非電離輻射紫外線（UV）,一、物理因素誘變,電離輻射誘發(fā)突變的實質基因的電離作用 化學物質在電離輻射時射線的能量使基因中任何分子中的某些原子外圍的電子脫離軌道，變?yōu)閹д姾傻碾x子（原發(fā)電離和次級電離），輕則使分子結構改變，重則染色體斷裂，發(fā)生結構畸變,一、物理因素誘變(三)航天育種,航天育種:是有意識利用空間環(huán)境中,宇宙輻射、微重力及弱地磁場等因素的誘導,使作物染色體產(chǎn)生缺失、重復、易位、倒置等基因突變,以加速生物體的變異,該方法并沒有導入任何外源基因,從本質上與自然變異沒有任何區(qū)別,一、物理因素誘變(三)航天育種,在太空的重力僅為百分之一到十萬分之一克，需人在地面感受的重力是1克。在這種環(huán)境下，液體可以變成圓圓的水珠懸浮在空間。此外，衛(wèi)星中還存在著地面沒有的高能粒子輻射。正是這種特殊的環(huán)境下，才會使種子和微生物更容易產(chǎn)生遺傳變異,(三)航天育種,太空環(huán)境中的宇宙射線和微重力，是引起誘變的主要因素，其機理是：高能粒子引起生物遺傳物質DNA損傷而導致生物產(chǎn)生可遺傳的變異；而微重力通過增強生物材料對誘變因素的敏感性，使染色