【精品】基因突变和基因重组

• 第一节 基因突变的一般特性 • 第二节 诱发基因突变的因素 • 第三节 基因突变的形式与分子机制 • 第四节 DNA损伤的修复 损伤的修复
第一节 基因突变的一般特性
1.多向性 多向性
任何基因座（locus）上的基因，都有可能独立地发生多 次不同的突变而形成其新的等位基因，这就是基因突变的 多向性。
（一）点突变 点突变（ 点突变（point mutation）是DNA多核苷酸链中单个 ） 碱基或碱基对的改变。
1．碱基替换（base substitution） ．碱基替换（ ）
• DNA链中碱基或碱基对被置换、替代的突变形式。 • 同类碱基之间的替换，又被称之为转换（transition） 转换（ 转换 ） • 被另外一种碱基所置换，则称之为颠换（transversion） 颠换（ 颠换 ）
二、化学因素
1.羟胺类 羟胺类
羟胺（ 羟胺（hydroxylamine，HA）是一种还原性化合物。 ， ） 可引起DNA分子中胞嘧啶（C）发生化学组分的改变， 并因此不能与其互补碱基鸟嘌呤（G）正常配对，转而 与腺嘌呤（A）配对结合。经两次复制后，原本的C-G碱 基对即变换成突变的T-A碱基对。
2.亚硝酸类化合物 亚硝酸类化合物 该类物质可引起碱基的脱氨基作用而造成原有碱 基分子结构及化学性质的改变。
4.芳香族化合物 芳香族化合物
吖啶及焦宁类等扁平分子构型的芳香类族合物，能够嵌入 到DNA序列中，造成碱基的插入或丢失，导致插入或丢失 点之后整个编码顺序的改变。
5.烷化剂类物质 烷化剂类物质
如甲醛、氯乙烯、氮芥等均具有高度的诱变活性。该类物质能够将烷 基基团引入多核苷酸链上的任一位置，从而造成被烷基化的核苷酸发 生配对错误而导致突变的发生。如烷化鸟嘌呤可与T配对，形成GC→A-T的转换。
（三）重组修复（recombination 重组修复（ repair） ） • 使得新合成的两个DNA分子中，其 中的一个具有完全正常的结构，原 来的损伤则依然存在于另一个DNA 分子而并未能被修复、消除。 • ① 带有损伤的DNA分子片断；② ② DNA复制越过损伤部位，在新合成 互补子链的对应部位留下缺口；与 之同时，另外一个DNA分子得以完 整的复制、合成；③ 由核酸内切酶 ③ 在完整的DNA分子同源链切割，形 成一个与缺口互补的游离单链片段； ④ 损伤DNA分子新子链上留有的缺 口，经过交换、重组后得以弥补； 其缺口则被交换、转移到另一个 DNA分子的母链上；⑤ 在DNA聚合 ⑤ 酶和连接酶的先后作用下，缺口修 复。
3.随机性 随机性
突变的发生也都是随机的。 突变率（ ）：基因的突变频率，是基因的 突变率（mutation rate）： ）： 一种等位形式在某一世代突变成其另外等位形式的概率。
4.稀有性 稀有性 是一种非频发的稀有事件。人类基因的突变率也大约仅 仅为：10-6～10-4／生殖细胞／位点／代。 5.可逆性 可逆性 基因的突变是可逆的。 正向突变（forward mutation）野生型基因，通过突变 正向突变（ ） 形成其等位的突变型基因； 回复突变（ 回复突变（reverse mutation）突变型基因，突变为其 ） 相应的野生型基因。 一般情况下，正向突变率总是远远高于回复突变率。
三、生物因素
（一）病毒 • 流感病毒、麻疹病毒和风、疱疹等多种DNA病毒，是常见 的生物诱变因素。机制不清。 • RNA病毒也具有诱发基因突变的作用，通过其cDNA对宿 主细胞DNA序列的插入引起突变发生的。 （二）细菌与真菌 • 细菌和真菌所产生的毒素或代谢产物 往往具有强烈的诱变作用。例如，生 活于花生、玉米等作物中的黄曲霉菌 产生的黄曲霉素，就具有致突变作用， 并被认为是肝癌发生的重要诱发因素 之一。
（1）同义突变 ） 遗传密码子所编码的氨基酸 种类保持不变。 （2）无义突变 ） 遗传密码子变成为不编码任 何氨基酸的终止密码UAA、 UAG 或UGA的突变。 （3）终止密码突变 ） 终止密码变成了具有氨基酸 编码功能的遗传密码子。 （4）错义突变 ） 遗传密码子所编码的氨基酸 种类改变。
2．移码突变（frame-shift ．移码突变（ mutation） ）
例如，A被脱氨基后即衍生为次黄嘌呤（H）；H将不能与胸腺 嘧啶（T）正常配对， 转而形成了与C的互补结合。经过DNA 复制之后，即由原来正常的T-A碱基对变成了突变的C-G碱基对。
3. 碱基类似物
一 些碱基类似物可以掺入DNA分子中而取代某些正常碱 基，引起突变的发生。
如５-溴尿嘧啶（5-BU）的化学结构与T极为相似，它既可以和A互补， 也可以和 G配对。一旦其取代T，并形成了与G的配对，那么，经过 DNA的一次复制，就会使原来的A-T碱基对变成突变的G-C碱基对。
碱基对插入或缺失导致遗传密码子 组合发生改变。 影响： 1）一个或两个碱基对的插入或缺失 将造成插入或缺失位点之后整个 密码子组合及顺序的改变。 2）3个碱基对的插入或缺失。
（二）片段突变
片断突变是DNA分子中某些小的序列片段的缺 缺 重复或重排 失、重复 重排 重复 重排。 1．缺失 ． 在DNA复制或损伤的修复过程中，某一片断 没有被正常复制或未能得到修复所致。 可能的机制是：DNA聚合酶从模板链上滑脱。 2．重复 ． 在DNA的复制过程中，DNA聚合酶从模板链 上滑脱后，又重新返回到已被复制过的模板链 再度进行复制合成，造成新链中相应片段的重 复。 3．重排 ． 分子机制是DNA分子的断裂。即当DNA分子 发生两处以上的断裂后，所形成的断裂片段两 端颠倒重接，或者不同的断裂片段改变原来的 结构顺序重新连接。
（二）切除修复 （excision repair） ）
• • • 修复过程需要解旋酶、核酸内切酶、 DNA聚合酶和连接酶等的参与。 切除修复发生在DNA复制之前。 修复中，首先是由核酸内切酶在嘧啶 二聚体近旁 3‘端一侧特定部位，切断 该DNA单链，然后以其互补的正常链 为模板，在DNA聚合酶的作用下，合 成一段相应的单链碱基序列片断；再 由DNA连接酶在切口 处将新合成的片 断连接起来。DNA连接酶催化新合成 片段在缺口处与被修复链的连接，完 成对损伤的DNA修复。
一、物理因素
（一）紫外线 • 在紫外线的照射下，细胞内 DNA的结构发生损伤，通常是 DNA顺序中相邻的嘧啶类碱基 结合成嘧啶二聚体，最常见的 为胸腺嘧啶二聚体（TT），使 DNA的局部结构变形，当复制 或转录进行到这一区域时，碱 基配对发生错误，从而引起新 合成的DNA或RNA链的碱基改 变。
（二）电离和电磁辐射 • 一定强度或剂量的射线（如X-射线、γ-射线和快中 子等）或电磁波辐射击中遗传物质，被吸收的能量， 引发遗传物质内部的辐射化学反应，导致染色体和 DNA链的断裂性损伤；断裂的染色体或DNA序列 片段发生重排，则会进而造成染色体结构的畸 变。 • 射线的诱变作用不仅与其一次性的照射强度或剂量 有关，而且还具有照射强度或剂量的累积效应。
H1N1亚型猪流感病毒电子显微图片
第三节 基因突变的形式与分子机制
一、静态突变（static mutation） 静态突变（ ）
• 生物各世代中基因突变的发生，总是以相对稳定的一定频 率发生，并且能够使得这些突变随着世代的繁衍、交替而 得以传递。 • 依据静态突变发生的不同分子遗传学机制，又可将之划分 为点突变 片段突变 点突变与片段突变 点突变 片段突变。
重组修复（ 重组修复（recombination repair） ）
二、电离辐射引起的DNA修复 电离辐射引起的 修复
修复机制尚不十分清楚。 （一）超快修复 ２分钟之内 （二）快修复 数分钟之内 （三）慢修复 40～60分钟
三、修复缺陷引起的疾病
第三章 基因突变
The World's Worst Genetic Mutation in a Dog
• 染色体畸变（chromosome aberration） 染色体畸变（ ） • 基因突变（gc mutation） 体细胞突变（ ） 体细胞突变不会传递给子代，但可传递给由突变 细胞分裂所形成的各代子细胞，在局部形成突变 细胞群而成为病变甚至癌变的基础。 • 生殖细胞中的突变 可通过有性生殖遗传给后代，并存在于子代的每 个细胞里，从而使后代的遗传性状发生相应改变。
复等位基因（multiple alleles） 复等位基因（ ）
群体中存在于同一基因座上，决定同一类相对形状，经由 突变而来，且具有３种或３种以上不同形式的等位基因互 称为复等位基因。如人类ABO血型系统 。
2.重复性 重复性
已经发生突变的基因，在一定的条件下，还可能再次独立 地发生突变而形成其另外一种新的等位基因形式。也是群 体中复等位基因存在的主要成因之一。
6.有害性 有害性
• 生殖细胞或受精卵中基因的突变是绝大多数人类 遗传病发生的根本原因。 • 体细胞突变则常常是肿瘤发 生的病理遗传学基础。 • 基因突变的有害性往往只是相对的。
第二节 基因突变的诱发因素
根据基因突变发生的原因，可将之划分为： 自发突变（ 自发突变（spontaneous mutation）是在自然条件下，没 ） 有人为干涉，未经任何人工处理而发生的突变。 诱发突变（ 诱发突变（induced mutation）则是指在人为的干涉下，经 ） 过特殊的人工处理所产生的突变。 凡是能够诱发基因突变的各种内外环境因素，均被称之为诱 诱 变剂（ 物理因素、化学因素 生物因素。 变剂（mutagen），包括物理因素 化学因素 生物因素。 ） 物理因素 化学因素和生物因素
二、动态突变（dynamic mutation） 动态突变（ ）
• DNA分子中某些短串联重复序列，尤其是基因编码序列或 侧翼序列的三核苷酸重复扩增，重复次数可随着世代交替 的传递而呈现逐代递增的累加突变效应
第四节 DNA损伤的修复 损伤的修复
一、紫外线引起的DNA损伤修复 紫外线引起的 损伤修复 （一）光复活修复 （photoreactivation repair） ） 光复活酶，在可见光的作用下， 光复活酶，在可见光的作用下， 该酶被激活， 该酶被激活，并能够特异性地识 结合嘧啶二聚体，形成酶－ 别、结合嘧啶二聚体，形成酶－ DNA复合体。利用可见光所提供 复合体。 复合体 的能量， 的能量，嘧啶二聚体在酶的作用 下解聚；修复完成， 下解聚；修复完成，光复合酶亦 随之从DNA上解离、释放。 上解离、 随之从 上解离 释放。