2章 基因突变与遗传多态性.ppt

医学遗传学 Medical Genetics 第二章 基因突变与遗传多态性,授课人:程龙球暨南大学生命科学技术学院,【目标要求】1掌握基因突变的特性，基因突变的类型和分子机制；2熟悉诱发基因突变的因素和基因突变的修复机制；3了解动态突变疾病的临床及遗传学特征；4.了解遗传多态性研究的科学意义及应用价值。【教学内容】1.基因突变的诱发因素2.基因突变的一般特性3.基因突变的分子机制4.DNA损伤的修复5.遗传多态性【重点难点】静态突变；动态突变；DNA损伤的修复；遗传多态性。,第二章 基因突变与遗传多态性,前言第一节基因突变的本质及其特性第二节 基因突变的诱发因素 第三节 基因突变的形式第四节 DNA损伤的修复第五节 遗传多态性,前言,一切生物细胞内的基因都能保持其相对稳定性，但在一定内外因素的影响下，遗传物质就可能发生变化，这种遗传物质的变化及其所引起的表型改变称为突变（mutation）。,广义的突变包括染色体畸变（chromosome aberration）和基因突变（gene mutation）。本章着重讨论基因突变，它主要指基因组DNA分子在结构上发生碱基对组成或序列的改变，它通常只涉及到某一基因的部分变化。,基因突变可发生在生殖细胞，也可发生在体细胞，后者称为体细胞突变（somatic mutation）。生殖细胞中的突变基因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。体细胞突变则不会传递给子代，虽然不会传递给后代个体，但是却能够通过突变细胞的分裂增殖而在所产生的各代子细胞中进行传递，形成突变的细胞克隆（clone），成为具有体细胞遗传学特征的肿瘤病变甚或癌变的细胞组织病理学基础。,第一节 基因突变的本质及其特性,基因突变是生物界中所存在的普遍现象，也是生物进化发展的根本源泉。,在漫长的生物自然历史进化过程中，其中一些有利的或中性的突变，会随着生物的世代繁衍、交替而得以逐渐的稳定与累积。这些突变的基因以及由此所引起的遗传性状变化，不仅是同种生物遗传性状多样性的根本渊源，而且也为不同物种的演化提供了丰富的原材料，并通过自然选择的作用而成为促进生物种系系统发育与不同种群产生、形成的原动力；而那些有害的突变基因，则会导致各种遗传性疾病的发生，构成和增加群体的遗传负荷。,基因突变，一般具有以下几种主要特性：,1.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。譬如，在不同条件下，位于染色体某一基因座上的基因A可突变为其等位基因a1；也可以突变为a2或者a3、a4an等等其他等位基因形式，从而形成所谓的复等位基因（multiple alleles）。遗传学上把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，且具有种或种以上不同形式的等位基因互称为复等位基因。如大家所熟知的人类ABO血型系统，就是由位于9q34这一区域同一个基因座上的IA、IB和i三种等位基因形式所构成的一组复等位基因所决定的。,2.重复性基因突变的重复性是指：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。亦即，对于任何一个基因位点来说，其突变并非仅囿于某一次或某几次的发生，而是会以一定的频率反复发生。例如：某一基因座上的基因A可突变为其等位基因a；基因a有可能独立地发生突变形成其新的等位基因a1；同样地，a1也可能再次地发生突变而形成其另外的等位基因a2；a2还可能突变为a3，就其最终的群体遗传学效应而言，基因重复突变与基因多向突变的结果相似，也是群体中复等位基因存在的主要成因之一。,3.随机性基因突变不仅是生物界普遍存在的一种遗传事件，而且，对于任何一种生物，任何一个个体，任何一个细胞乃至任何一个基因来说，突变的发生也都是随机的。只是不同的物种、不同的个体、不同的细胞或者基因，其各自发生基因突变的频率可能并不完全相同而已。基因的突变频率简称突变率（mutation rate）是基因的一种等位形式在某一世代突变成其另外等位形式的概率。,尽管基因突变是生物界普遍存在的一种遗传事件，但却也是一种非频发的稀有事件。在自然状况下，各种生物的突变率都是很低的。据测算，一般高等生物基因的突变率大约平均为：10-810-5生殖细胞位点代；人类基因的突变率也大约仅仅为：10-610-4生殖细胞位点代。,4.可逆性基因的突变是可逆的。任何一种野生型基因，都能够通过突变而形成其等位的突变型基因；反过来，突变型基因，也可以突变为其相应的野生型基因。前者，被称作正向突变（forward mutation），后者谓之曰回复突变（reverse mutation）。一般情况下，正向突变率总是远远高于回复突变率。,5.有害性一般而言，生物遗传性状的形成，是在长期的进化过程中与其赖以生存的自然环境相互适应的结果，是自然选择的产物。而对这些性状具有决定性意义的基因一旦发生突变，通常都会对生物的生存带来消极或不利的影响，即有害性。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。但是，基因突变的有害性往往只是相对的，有条件的；也并非所有的基因突变都会对生物的生存及其种群繁衍带来不利或者有害的影响。事实上，有些突变，往往只引起非功能性DNA序列组成的改变，却并不造成核酸和蛋白质正常功能的损害。,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和诱发突变。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。突变的发生，可能归因于环境中的辐射本底及其他可致变物质，或者生物机体代谢活动过程中产生的某些中间代谢产物对遗传物质的影响或损伤。,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。然而，无论是自发突变，还是诱发突变，归根结底，都是一定的内外环境因素作用于遗传物质的结果。凡是能够诱发基因突变的各种内外环境因素，均被称之为诱变剂（mutagen）。能够引起基因突变的诱变剂种类是极其复杂、多种多样的。但就其性质和对遗传物质的作用方式而言，无外乎物理因素、化学因素和生物因素等几种主要类型。,一、物理因素,紫外线 紫外线的照射可使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）。在复制或转录进行时，该处碱基配对发生错误，从而引起新合成的DNA或RNA链的碱基改变。,紫外线诱发的胸腺嘧啶二聚体,电离辐射 射线直接击中DNA链，DNA分子吸收能量后引起DNA链和染色体的断裂，片断发生重排，引起染色体结构畸变。,其它物理因素 电磁辐射 高温 严寒 微重力,二、化学因素,羟胺（hydroxylamine，HA）可使胞嘧啶（C）的化学成分发生改变，而不能正常地与鸟嘌呤（G）配对，而改为与腺嘌呤（A）互补。经两次复制后，C-G碱基对就变换成T-A碱基对。,羟胺引起DNA碱基对的改变,亚硝酸或含亚硝基化合物 可使碱基脱去氨基（-NH2）而产生结构改变，从而引起碱基错误配对。,亚硝酸引起DNA碱基对的改变 图中A被其脱去氨基后可变成次黄嘌呤（H），H不能再与T配对，而变为与C配对，经DNA复制后，可形成T-AC-G的转换。,烷化剂 具有高度诱变活性的烷化剂，可将烷基（CH3-、C2H5-等）引入多核苷酸链上的任何位置，被其烷基化的核苷酸将产生错误配对而引起突变。,烷化剂引起的DNA碱基对的改变,碱基类似物 某些碱基类似物可以取代碱基而插入DNA分子引起突变。例如：5-溴尿嘧啶（5-BU）,5-BU引起的DNA碱基对的改变5-BU与腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）均可配对。如果5-BU取代T以后一直保持与A配对，所产生的影响并不大；若与G配对，经一次复制后，就可以使原来的A-T对变换成G-C对。,芳香族化合物 吖啶类和焦宁类等扁平分子构型的芳香族化合物可以嵌入DNA的核苷酸序列中，导致碱基插入或丢失的移码突变。,三、生物因素,病毒 风疹、麻疹、流感、疱疹等真菌和细菌 毒素,第三节 基因突变的形式,静态突变动态突变,一、静态突变（static mutation）,是在一定条件下生物各世代中以相对稳定的频率发生的基因突变。可分为点突变和片段突变。,（一）点突变（point mutation）,DNA链中一个或几个碱基发生的改变。形式有两类：碱基替换和移码突变。,1.碱基替换（base substitution）DNA链中碱基之间互相替换，从而使被替换部位的三联体密码意义发生改变。,转换（transition）:一种嘌呤-嘧啶对被另一种嘌呤-嘧啶对所替换。颠换（transversion）:一种嘌呤-嘧啶对被另一种嘧啶-嘌呤对所替换。,同义突变（same sense mutation）碱基被替换之后，产生了新的密码子，但新旧密码子同义，所编码的氨基酸种类保持不变，因此同义突变并不产生突变效应。,无义突变（non-sense mutation）碱基替换使编码氨基酸的密码变成终止密码UAA、UAG或UGA。,错义突变（missense mutation）碱基替换使编码某种氨基酸的密码子变成编码另一种氨基酸的密码子，从而使多肽链的氨基酸种类和序列发生改变。,错义突变引发疾病镰刀状红细胞贫血,终止密码突变（terminator codon mutation）DNA分子中的某一个终止密码突变为编码氨基酸的密码，从而使多肽链的合成至此仍继续下去，直至下一个终止密码为止，形成超长的异常多肽链。,影响非密码子区域的突变调控序列突变：使蛋白质合成的速度或效率发生改变，进而影响着这些蛋白质的功能，并引起疾病。内含子与外显子剪辑位点突变：GT-AG中的任一碱基发生置换而导致剪辑和加工异常，不能形成正确的mRNA分子。,2.移码突变（frame-shift mutation）,基因组DNA链中插入或缺失1个或几个碱基对，从而使自插入或缺失的那一点以下的三联体密码的组合发生改变，进而使其编码的氨基酸种类和序列发生变化。,移码突变,碱基对插入和（或）缺失的数目和方式不同，对其后的密码组合的改变的影响程度不同。移码突变引起的最小变化是在DNA链上增加或减少一个遗传密码导致合成的多肽链多或少一个氨基酸，如果大范围改变密码组合则会引起的整条多肽链的氨基酸种类及序列的变化。移码突变的后果严重，通常是导致一条或几条多肽链丧失活性或根本不能合成，进而严重影响细胞或机体的正常生命活动。,（二）小片段的缺失、插入与重排,DNA小分子中可能发生小片段的微小缺失、微小插入或重排。微小缺失微小插入重排,1微小缺失（micro-deletion)是DNA在复制或损伤后修复时，某一片段没有被复制或修复造成的。其原因是复制或修复时，DNA聚合酶带着已合成的片段，从模板链上脱落，再跳后一定距离，又回到模板链上继续复制。于是，被跳过的片段的碱基序列就在新链中出现缺失。2微小插入（micro-insertion)在DNA复制过程或损伤过程中，某一小片段插入到DNA链中，其结果造成新链中相应小片段的微小插入。3重排(rearrangement)重排是DNA链发生两处或以上的断裂，断片的两端颠倒重接或几个断片重接的序列与原先序列不同。,二、动态突变（dynamic mutation）,1.动态突变串联三核苷酸的重复次数可随着世代交替的传递而呈现逐代递增的累加的突变效应（方式）。2.三核苷酸重复扩增病由动态突变所引起的疾病，统称为三核苷酸重复扩增病（trinucleotide repeat expansion diseases,TREDs）。,例如：脆性X综合症 Xq27.3内（CGG）n重复数：60-200，正常：6-60,脆性X综合症患者：智能低下，皮肤松弛，关节过度伸展，长脸。,例如：Huntington 舞蹈病4p16.3 CAG 病人重复36121正常人635,暨大粤港澳中枢神经再生研究院李晓江教授团队,例如：SBMA（延膸束肌萎缩）Xq11-q12 CAG 40-72雄激素受体蛋白运动神经元受损,已经初步阐明：姊妹染色单体的不等交换或重复序列中的断裂修复错位，是导致动态突变可能的细胞分子生物学机制。,第四节 DNA损伤的修复,生物体内存在着多种DNA修复系统，当DNA受到损伤时，在一定条件下，这些修复系统可以部分地修正DNA分子的损伤，从而大大降低突变所引起的有害效应，保持遗传物质的稳定性。,一、紫外线引起的DNA损伤修复,光复活修复（photoreactivation repair）细胞内存在着一种光复活酶。在可见光的照射下，光复活酶被激活，从而能识别嘧啶二聚体并与之结合，形成酶-DNA复合物，然后利用可见光提供的能量，解开二聚体，此后光复活酶从复合物中释放出来，完成修复过程，这一过程称为光复活修复。,光复活修复的过程,切除修复（excision repair）也称为暗修复（dark repair）。光在这种修复过程中不起任何作用。切除修复发生在复制之前，需要其它酶的参与。,核酸内切酶先在嘧啶二聚体附近切开DNA单链，然后以另一条正常链为模板，按碱基互补原则补齐需切除部分的碱基序列，最后由核酸内切酶切去含嘧啶二聚体的片段，并由连接酶将断口与新合成的DNA片段连接起来。,重组修复（recombination repair）含有嘧啶二聚体或其它结构损伤的DNA仍可进行复制，当复制到损伤部位时，DNA子链中与损伤部位相对应的部位出现缺口。复制结束后，完整的母链与有缺口的子链重组，使缺口转移到母链上，母链上的缺口由DNA聚合酶合成互补片段，再由连接酶连接完整，从而使复制出来的DNA分子的结构恢复正常。该过程发生在复制之后。,重组修复的过程,尽管此种修复并未能使DNA损伤得以根本消除，但是经过多次复制之后，却逐渐地降低了受损DNA在生物体中的比例，从而起到一种“稀释”突变的积极作用。,二、电离辐射引起的DNA损伤与修复,超快修复：修复速度极快，在适宜条件下，大约2分钟内即可完成修复。快修复：一般在X线照射后数分钟内，即可使超快修复所剩下的断裂单链的90被修复。慢修复：是由重组修复系统对快修复所不能修复的单链断裂加以修复的过程。一般修复时间较长。,三、修复缺陷与错误修复,1.修复缺陷使得损伤不能得以修复2.错误修复将导致永久性突变,例如：着色性干皮病UV嘧啶二聚体光修复系统异常 解旋酶、核酸内切酶等修复蛋白的基因突变,