第十章 突变和重组机理

§10.1.2 改变DNA化学结构的诱变剂 • 亚硝酸(nitrous acid,HNO2)：具有氧化脱氨作用。 HNO2 HNO2 HNO2 NA T · A H · C G · C
A C G
H U X
C · G A · T
U · A
NA
发生碱基转换
• 烷化剂
烷化剂是目前应用最广泛而有效的诱变剂。最常用的有 甲基磺酸乙酯(EMS)、甲基磺酸甲酯(MMS)、亚硝酸胍等。 它们都带有一个或多个活泼的烷基，这些烷基能够移到 其他电子密度较高的分子中去，是碱基许多位置上增加 了烷基，从而多方面改变氢键的结合能力。 烷化作用主要发生在碱基的N1、N3、N7位置上。最容易发生 在G的N7位置上，形成7-烷基鸟嘌呤。 7-烷基鸟嘌呤可与胸 腺嘧啶配对，从而产生GC→AT的转换。 烷化作用可使DNA的碱基容易受到水解而从DNA上裂解下来， 造成碱基的缺失。从而引起碱基的转换与颠换及移码突变。
遗传重组的机制
1909年由Janssens 提出
交换是断裂、 再接的过程
5.3.1 交叉型学说(chiasmatype theory)
5.3.2 模板选择假说(copy choice hypothesis) 1955年由Lederberg提出
特点：不主张交换是断裂、再接过程
λ噬菌体DNA
A品系 c mi + + B品系
• 突变热点(hot spots of mutation) 和增变基因(mutator genes) 突变位点在基因内的分布并不是随机的，某些位点 上突变型很多，其突变率大大高于平均数。这些位 点就称为突变位点。 形成突变位点的最主要原因是5-甲基胞嘧啶(MeC)的 存在。 诱变剂 T MeC
氧化脱氨
短的重复序列也容易形成突变热点。因为这些地方 容易发生插入或缺失，这是由于DNA复制时发生模 板链与新生链之间碱基配对的滑动造成的。
增变基因(mutator genes)：基因组中某些基因的 突变可使整个基因组的突变率明显上升，这类基因 称为增变基因。 增变基因主要有两类：DNA多聚酶的各个基因和 Dam基因。 DNA多聚酶基因突变 dam基因突变 多聚酶的3′→5′ 校对功能丧失或降低 错配修复功能丧失
13C
和 15N 重标记
复感染 轻培养 c mi+个体必定 是通过两个标 记基因之间发 生交换而产生 的。由于mi+ 位于标记轻链 的末端所以重 组后代的染色 体大部分是是 重标记。 裂解，密度 梯度离心
12C
和 14N 轻标记 c +
Holliday 模型(hybrid DNA model)
Robin Holliday于1964年提出了重组的杂合DNA模型
⑶ ⑷
减数后分离(post-meiotic segregation)：其异常分离在重组过 程中形成的杂合双链DNA分子没有得到及时较正，在随后 有丝分裂中随着DNA复制和染色单体分裂所致。
Olive等对粪生粪壳菌 (soxdoria fimicola)的研究：
g＋A × g－a
＋ ＋ － － ＋ ＋ － －
பைடு நூலகம்
染料分 子嵌入
TACGA ATCGGGTATT ATGCT TAGCCCATAA
复制
TACGA C ATCGGGTATT ATGCT G TAGCCCATAA
插入一个碱基对
移码突变
• 辐射的诱变作用 紫外线（ultraviolet light，UV）：能使DNA产生两种 光生成物－－环丁烷嘧啶光二聚体和6-4光生成物。 胸腺嘧啶二聚体通常发生在同一DNA链上两个相临 的胸腺嘧啶之间，也可发生在不同单链之间，这种 二聚体是很稳定的。 阻碍单链分开，影响复制
5-溴尿嘧啶(5-bromouracil,BU)是胸腺嘧啶的结构类似物。 A A
· T
· T ·
A
· T
G
· C
A
A BU G
G BU G
· ·
BU
·
G
· C
· C
G
· C
A
BU
·
BU
· T A · BU
A
2-氨基嘌呤(2-aminopurine)可取代腺嘌呤与T配对 AP · T A · T A · T AP · T AP · C A · T G · C
§10.2 重组的分子基础 §10.2.1 非相互重组(non-reciprocal recombination)
特点：1. 重组的产物不互补，遗传信息不对称交流。 2. 等位基因严重偏离孟德尔比率。 基因转换(gene conversion) Neurospora 的＋ × － 杂交子囊类型
子 囊 类 型 类型
• 结合到DNA分子上的化合物（插入突变剂） (Intercalating mutagents) 包括原黄素(proflavin)、acridine orange等。 它们通过插入到DNA双螺旋双链或单链的两个相 邻的碱基之间，起到插入诱变的作用，这种突变 往往是移码突变。 Acridine类诱发突变的一个重要特征是，acridine 化合物所诱发的突变型能用acridine来使之回复， 但不能有碱基类似物使之回复
a A a a A A a
g g+ g g+ g+ g g
A a A a a A A a g+ g g+ g+ g a g a A A a A a
g+ g+ g+ g 6︰2 异常分离 Chromatid conversion
A
g+ g g+ g+ g g 4︰4 异常分离
基因转变实质上是异源双链DNA错配的核苷酸 对在修复校正过程中所发生的一个基因转变为 他的等位基因的现象。
＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ － －
＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ － ＋
＋ ＋ － ＋ ＋ － － －
如果染色体中每一条双 链都是纯合互补，则减 数分裂产生的 4 个子囊 孢子再经一次有丝分裂 产生的 8 个孢子不论是 否发生重组都应当是相 同的基因型成对排列。 因此异常分离一定是有 异源上链的存在。这种 异常分离是有丝分裂的 产物，故称为减数后 分离。
复制 复制
AC TA TG AAT
AC TTA TG AAT
• 基因突变与氨基酸顺序 同义突变(same sense mutation)：密码子发生改变， 但所编码的氨基酸不变。 错义突变(missense mutation)：DNA中碱基对替换， 使mRNA的某一密码子改变，由它所编码的氨基酸 不同。很多错义突变造成蛋白质的部分或完全失活， 从而表现出突变性状。 无义突变(nonsense mutation)：碱基替换改变了 mRNA上的一个密码子，成为3个密码子UAG， UAA和UGA中的一个时，就出现无义突变。
叠氮胸苷(AZT, azidothymidine)：T的类似物 是用于治疗爱滋病(acquired immunodeficiency syndrome) 的一种药物。
RNA HIV-1 人的细胞
反转录
cDNA 整合入宿主DNA 新病毒
AZT在病毒RNA→DNA的阶段是反转录酶的底物，但 在细胞中却不是DNA聚合酶的合适底物。这样AZT的 作用是一种选择性的毒物，可以抑制病毒cDNA的产物 ，阻断新的病毒的合成。
复制 在胸腺嘧啶对应处随意渗入碱基， 引起突变。
• 黄曲霉素B1(aflatoxin B1,AFB1) 在鸟嘌呤N-7位置上形成一个加成复合物进而产生 无嘌呤位点。它要求SOS系统参与，SOS越过这些 无嘌呤位点并在其对应处选择性插入腺嘌呤。 AC G TA TG CAT AC G TA TG CAT ＋ AFB1 AC TA TG CAT
pdx
＋
× pdx ＋
＋
pdxp
＋ pdx pdx ＋ ＋ ＋ pdxp ＋ pdxp
pdxp pdx pdx ＋ ＋ ＋ ⊕ ＋ pdxp
基因转变：在减数分裂过程中，一个等位基因转变为 另一等位基因的现象。 特征：⑴ ⑵ 具高保真性，即转换后的等位基因 与转换者完全相同。 转换事件往往与邻位的交换事件相 伴而生。交换频率比转换频率高好 几倍，且涉及到相同的染色单体。 转换会提高相邻交换的负干涉系数。 极性化分离。
第十章 突变和重组机理
§10.1 突变的分子基础 碱基替换(base substitution)：一个碱基对被另一碱基对 替换。包括转换(transtion)和颠换(transversion)。 移码突变(frameshift mutation)：增加或减少一个或几 个碱基对。 §10.1.1 碱基类似物的诱发突变 Base analogues 可以在DNA复制中代替某种碱基，引 起配对错误，从而由一种碱基对代替另一种碱基对。
⑴
＋ ＋ — — MI
⑵
— — ＋ ＋ MI
⑶
＋ — ＋ — MII
⑷
— ＋ — ＋ MII
⑸
＋ — — ＋ MII
⑹
— ＋ ＋ — MII
非交换型
交换型
Neurospora 中＋ pdxp ×pdx ＋ 杂交，其中４个子囊的结果
子囊
孢子对 第一对 第二对 第三对 第四对 ＋ ＋ ＋ pdx １ pdxp ＋ pdxp ＋ ２ pdx pdx ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ pdxp ３ ＋ ＋ pdx pdx ＋ pdxp ＋ ＋ ４ pdx ＋ ＋ pdx ＋ pdxp ＋ ＋
A B A B A B
a A B
b
a A B
b
a A
b B
a
b
a
b
b a
A
B
A
B
A
B
b a
b
a A
b