第六章
遗传变异机理I 遗传变异机理 基nueous mutation)
包括DNA复制的错误和自发损伤 1．DNA复制错误
（1）转换突变 ）转换突变(transition mutation) DNA中的碱基由一种异构体转变为另一种异构 中的碱基由一种异构体转变为另一种异构 体的互变异构作用会引起碱基错配： 体的互变异构作用会引起碱基错配：
T烯醇式----G T-----G烯醇式
C亚胺式----A C-----A亚胺式
互变异构作用会引起碱基错配
一个嘌呤被另一个嘌呤取代， 一个嘌呤被另一个嘌呤取代， 或 一个嘧啶被另一个嘧啶取代称转 换突变。 换突变。 ACGTC TGCAG ACGtTG ACGTC TGCAG 复 制 TGT AG 复制 ACGTC TGCAG 第一代 AC ATC TG T AG ACGTC TGCAG ACGTC TGCAG 第二代 野生型 突变型 野生型
AP核酸内切酶打开一切口 核酸内切酶打开一切口
外切酶切除部分单链
DNA聚合酶 合成新的单链 聚合酶I合成新的单链 聚合酶
连接酶封口
3．DNA糖基酶
异常碱基U
修复途径
该酶切断 糖 该酶切断N-糖 切断 苷链（ 苷链（碱基与糖
形成AP位点
的连接），能将 的连接），能将 ）， DNA中的异常碱 中的异常碱 基切除，切除后 基切除， 上形成AP 在DNA上形成 上形成 位点，再经 核 位点，再经AP核 酸内切酶途径修 复。
| | 亚硝酸 GC | | C脱氨基 | | 复制 | | AU AT | | | | | | GC | |
(1)
(2)
| | 亚硝酸 | | 复制 AT HC | | A脱氨基 | |
亚硝酸可诱发两个方向上的转换。
3．旁路复制——SOS系统 细胞在有严重DNA损伤时，为避免致 死所发出的紧急反应。其结果将发生一定 水平的突变。 （1）黄曲霉B1的诱变作用（AFB1） （2）UV的诱变作用
在 DNA 复 制 中一个G互 变成烯醇式 Gt，从而与T 配对，在下 次 复 制 时 Gt 回到稳定的 酮式结构G
野生型
， 这时已掺
入 到 Gt 对 面 的T将与A配 对，由此引 起 GC→AT 的转换。
（2）颠换transversion 一个嘧啶被一个嘌呤取代， 一个嘧啶被一个嘌呤取代， 或一个嘌呤被一个嘧啶取代。 或一个嘌呤被一个嘧啶取代。
（3）移码突变 ）移码突变(Frame－shift mutations) － 经常发生在重复序列区。移码突变的模型： 经常发生在重复序列区。移码突变的模型：
Addition 5 CGTTTT (a) 3 GCAAAAACGTAC GT 5 C TTT
, , ,
Deletion 5,CTGAGAGA (d) 3,GACTCTCTCTCTCTGCA
除复制错误外，DNA自发性损伤造成突变 自发性损伤造成突变
(1)． 细胞中经常发生 脱嘌呤作用 ． 细胞中经常发生脱嘌呤作用 脱嘌呤作用(depurination)， 使 ， 脱氧核糖和碱基G或 连接的糖苷键被打断 连接的糖苷键被打断， 脱氧核糖和碱基 或 A连接的糖苷键被打断 ， 从而失 去 G或 A，复制时在脱嘌呤位点对面插入碱基造成突 或 ， 变。 (2)．脱氨基作用 ．脱氨基作用(deamination)：如胞嘧啶 脱氨基后 ： 胞嘧啶C脱氨基后 形成了尿嘧啶U， 在复制过程中将与A配对 配对， 形成了尿嘧啶 ， 在复制过程中将与 配对 ， 从而引 起GC→AT转换突变 转换突变
G C 正常
A
T A 突变
Covalent cross-links 共价交联
紫外线UV的诱变作用 □ 紫外线 的诱变作用 能使DNA上同一链中相邻的 变为二聚体 TT，干扰正常碱 上同一链中相邻的TT变为二聚体 能使 上同一链中相邻的 ， 基配对能力， 复制过程中将发生错误导致突变。 基配对能力，在DNA复制过程中将发生错误导致突变。 复制过程中将发生错误导致突变
第二节 生物学修复机制
• 生物为了生存和繁衍后代，DNA必须精确的复 生物为了生存和繁衍后代， 必须精确的复 但在DNA复制的忠实性上存在许多潜在危 制。但在 复制的忠实性上存在许多潜在危 险。有机体是怎样使 有机体是怎样使DNA复制保持高度的稳定 复制保持高度的稳定 性使变异减少到最低限度的呢？ 性使变异减少到最低限度的呢？——细胞具有 细胞具有 以各种方式修复DNA损伤的酶系统。 损伤的酶系统。 以各种方式修复 损伤的酶系统
光复活酶 不能在暗 处起修复 作用， 因 作用 ， 此也称： 此也称：
光修复 作用。 作用。
14-3
二、切补修复途径
这种作用不需要光照，而是经修复酶将损伤切 这种作用不需要光照， 除修补的过程，亦称暗修复。 除修补的过程，亦称暗修复。 暗修复 1．一般切补修复：切补核酸酶（UVRA，B， C基因编码）能识别一些大的损伤，将受损碱基 及两旁的碱基切除。造成的缺口由DNA pol I合成 填补，并由连接酶封口。
2．AP核酸内切酶修复途径 ． 核酸内切酶修复途径
单个嘌呤或嘧啶脱去后的位点称AP位 单个嘌呤或嘧啶脱去后的位点称 位 点，细胞中自发产生的AP位点的频率很高 细胞中自发产生的 位点的频率很高 。由一种专门在 位点上切割的酶 由一种专门在AP位点上切割的酶 位点上切割的酶——切 切 断 DNA上的磷酸二酯键 。 然后再起动由 上的磷酸二酯键 DNA外切酶 、 DNA聚合酶 和连接酶参与 外切酶、 聚合酶I和连接酶参与 外切酶 聚合酶 的切补修复过程。 的切补修复过程。
一、损伤的直接修复
UV引起的光损伤 二聚体能被光复活酶修 引起的光损伤TT二聚体能被光复活酶修 引起的光损伤 二聚体能被光复活酶 复 ， 该酶能在暗处和 二聚体结合 ， 形成酶和 该酶能在暗处和TT二聚体结合 二聚体结合， DNA复合体 ， 在光照条件下 ， 复合体分解 ， 使 复合体， 在光照条件下， 复合体分解， 复合体 TT二聚体分解为原先正常的碱基。 二聚体分解为原先正常的碱基。 二聚体分解为原先正常的碱基
半胱 丝氨 谷氨 缬氨 改变 DNA TGC TCG CAA GTT GA ↓ 读码框 缺失T 缺失 半胱 精氨 赖氨 亮氨 TGC CGC AAG TTG × × ×
插入或缺失会造成其下游三联体密码子错读， 插入或缺失会造成其下游三联体密码子错读，生 成完全不同的肽链。 成完全不同的肽链。
2．自发损伤
黄曲霉毒素B1的诱变作用 的诱变作用（ □ 黄曲霉毒素 的诱变作用（AFB1） ） 是一种强烈的致癌物，它能 在鸟嘌呤G上接上一个黄
曲霉毒素分子，从而使其脱去嘌呤，在复制过程中 会在脱嘌呤位置的对面优先插入一个腺嘌呤A，从而 诱发 GC→TA的颠换。 的颠换。 的颠换
AFB1 GC Ga C
脱嘌呤 C
四、修复的总体战略，细胞是如何有序地行使 修复作用的？
1．细胞不会合成各种酶去修复各种类型的损伤。那 会消耗太大的能量。 2．一般先用一种通用的切补修复系统除去DNA上造 成明显缺陷的损伤。 3．损伤太小并未达明显缺陷时，采用特殊的切补修 复系统（如DNA糖基化酶修复系统）。 4．为了消除可能产生的复制错误，这时起用复制后 错配修复系统，并能修复其它修复系统遗留下的损伤 5．各种修复系统并不是万能的，不能把所有的DNA ．各种修复系统并不是万能的，不能把所有的 损伤都修复完好——生物发生变异进化的原因。 生物发生变异进化的原因。 损伤都修复完好 生物发生变异进化的原因
重组修复并不能将亲代DNA上 重组修复并不能将亲代 上 的损伤除去，当第二次复制时， 的损伤除去，当第二次复制时，留 在亲代DNA链上的损伤仍然要用同 链上的损伤仍然要用同 在亲代 样的重组修复作用来弥补，但随多 样的重组修复作用来弥补， 代复制后， 代复制后，损伤的亲代链仅占极少 数，绝大部分是重组修复后的正常 DNA。从而使细胞恢复正常的功能 。
NH2OH
胞嘧啶C
N4羟基胞嘧啶
腺嘌呤A
（2）羟胺HA：NH2OH也是一种特定诱发GC→AT转换的 诱变剂。能在胞嘧啶4位上的氨基氮上发生羟基化作用产 生N4羟基胞嘧啶，它能象T那样与A配对，产生 产生GC→AT
转换。 转换。
(3). 亚硝酸能诱发胞嘧啶脱氨基成为尿嘧啶U，尿嘧 啶会与A配对，诱发GC→AT转换突变；亚硝酸还 转换突变 能诱发腺嘌呤脱氨基形成次黄嘌呤H，H能和C配对， 诱发AT→GC转换突变。 转换突变。 转换突变
二、诱发突变 1. 天然碱基类 似物 胸腺嘧啶类似 物 ——5 溴尿 嘧 啶 （ 5-BU ） ， 由于胸腺嘧啶 中5’CH3 被Br取 代 会 导 致 5-BU 变换异构体， 使其碱基的配 对能力发生变 化。 14-7
天然碱基类似物的掺入诱发突变
胸腺嘧啶类似物——5溴尿嘧啶（5-BU），由于胸腺嘧啶中5’CH3被Br取代会导 致5-BU变换异构体，使其碱基的配对能力发生变化。 A——5-BUT （酮式） 1．转换突变AT——GC ．转换突变 掺入 AT A 5-BUT 异构体 G 5-BUC 复制 G C 突变 G——5-BUc （烯醇式）
2．GC——AT ． 掺入 GC G 5-BUC 异构体 A 5-BUT 复制 A T 突变
2．特异性错配——改变某一碱基的结构
（1）烷化剂：如甲基磺酸乙酯EMS，烷化剂能在DNA上的四 个碱基发生作用，使其增加烷基侧链，其最大的特异性是在鸟 嘌呤的6位氧上增加一个烷基侧链导致与T错配，从而在下个复 制周期中产生GC→AT转换 转换。 转换
脱氨基 GC AU 复制 AT 突变
H N
H 脱氨基作用 N N O
O H N N Uracil O O
Cytosine H H N H3C
5
N N
1
脱氨基作用 O
H3C N
H N O
5-Methylcytosine
Thymine