第五章基因突变与DNA损伤修复 教学内容要点 基因突变概说 基因突变的分子基础 生物体的修复机制 基因突变的检出 难点 基因突变的分子基础 基因突变的检出 基因突变：一个基因座的内部结构发生改变，导致基因的一种等位形式变成另一等位形 式，也叫做点突变。野生型等位基因：将自然界中普遍出现或指定实验用的某一品系的性状 作为野生型”或“正常”的性状，与这种性状相关的等位基因称为野生型等位基因。突变型等 位基因：任何不同于野生型等位基因的相同座位的基因称为突变型等位基因。正向突变：从 野生型等位基因变为突变型等位基因。恢复突变：从突变型等位基因变为野生型等位基因。 a+ →a D+D forward mutation a →a reverse mutation D D+ 5.1基因突变的概说 5.1.1突变体的表型特征 (1)形态突变：突变导致生物体外观上可见的形态结构的改变。例如果蝇的红眼一白眼突 (2)生化突变：突变影响生物的代谢过程，导致一个特定生化功能的改变或丧失。如微生 物的营养缺陷型
第五章 基因突变与 DNA 损伤修复 教学内容要点 基因突变概说 基因突变的分子基础 生物体的修复机制 基因突变的检出 难点 基因突变的分子基础 基因突变的检出 基因突变：一个基因座的内部结构发生改变，导致基因的一种等位形式变成另一等位形 式，也叫做点突变。野生型等位基因：将自然界中普遍出现或指定实验用的某一品系的性状 作为“野生型”或“正常”的性状，与这种性状相关的等位基因称为野生型等位基因。突变型等 位基因：任何不同于野生型等位基因的相同座位的基因称为突变型等位基因。正向突变：从 野生型等位基因变为突变型等位基因。恢复突变：从突变型等位基因变为野生型等位基因。 5.1 基因突变的概说 5.1.1 突变体的表型特征 （1）形态突变：突变导致生物体外观上可见的形态结构的改变。例如果蝇的红眼→白眼突 变： （2）生化突变：突变影响生物的代谢过程，导致一个特定生化功能的改变或丧失。如微生 物的营养缺陷型
(3)致死突变：严重影响生物体生活力，导致个体死亡的突变。可分为显性致死突变（杂 合态即可致死)和隐性致死突变（纯合态才致死） (4)条件致死突变：引起生物体在某些条件下致死的突变。如噬菌体的温度敏感性突变 5.12突变的一般特征 1突变发生的随机性 2.突变的稀有性和突变率 突变密指在一个世代中或其它规定的单位间中，在特完的条件下，一个细啊发牛其 突变事件的概率。在有性生殖的生物中，突变率通常用一定数目配子的突变型配子比例来 表示。而在无性繁殖的细菌中则用一定数目的细菌在分裂一次过程中发生突变的次数来表 示。 3.突变的可逆性 突变是可逆的，真正的恢复突变是指基因内突变结构的恢复。但有时，由于抑制因子 突变也会导致恢复性表型 m (母生亚表亚 生型 野生型 代 4.突变的重演性 一突变可以在同种生物的不同个体间多次发生，称突变的重演性 5.突变的多方向性 个基因内有很多突变位点，所以，一个基因的突变也有多方向性，从而导致一个基因 可以有两个以上的等位形式一复等位基因
（3）致死突变：严重影响生物体生活力，导致个体死亡的突变。可分为显性致死突变（杂 合态即可致死）和隐性致死突变（纯合态才致死） （4）条件致死突变；引起生物体在某些条件下致死的突变。如噬菌体的温度敏感性突变。 5.1.2 突变的一般特征 1.突变发生的随机性 2.突变的稀有性和突变率 突变率指在一个世代中或其它规定的单位时间中，在特定的条件下，一个细胞发生某 一突变事件的概率。在有性生殖的生物中，突变率通常用一定数目配子的突变型配子比例来 表示。而在无性繁殖的细菌中则用一定数目的细菌在分裂一次过程中发生突变的次数来表 示。 3.突变的可逆性 突变是可逆的，真正的恢复突变是指基因内突变结构的恢复。但有时，由于抑制因子 突变也会导致恢复性表型： 4.突变的重演性 同一突变可以在同种生物的不同个体间多次发生，称突变的重演性。 5.突变的多方向性 一个基因内有很多突变位点，所以，一个基因的突变也有多方向性，从而导致一个基因 可以有两个以上的等位形式——复等位基因
A 6.突变的有害性和有利性 突变的有吉有利性的相对性突变有害性是相对的，在一定条件下可以转化，如矮杆雄性 不 对人却有利 如落粒性 对生物有利，但对人不利。 中性突变 控制一些次要性状基因即使发生突变，也不会影响生物的正常生理活动，仍能保持其正 常的生活力和繁殖力，为自然选择保留下来。称之，如水稻芒的有无等。 7.突查的平行性 亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往发生相似的基因突变，称突变的平行性。 与瓦维洛夫提出“遗传变异的同型系”说一致。 意义根据以上学说，当了解到一个物种或属内具有那些变异类型，就能预见近缘的其他物种 或属也同样存在相似的变异类型。 5.1.3自发突变的原因 自然界中的辐射一电离辐射和非电离辐射：温度的极端变化以及气候变化：生物体生长 发有环境中的化学物质的影响：生物体本身产生的生物或化学物质的影响 5.2基因突变的分子机制 5.2.l自发突变(spontaneous mutations) 5.2.1.1DNA复制中的错误 DNA每种碱基有几种形式，称互变异构体，异构体中原子的位置及原子之间的键有所不 同。例如一般的腺嘌吟的氨基形成可以转变成稀有的亚氨基形式。在复制时可以和胞嘧啶面 对，形成A-C。再复制形成的子代DNA分子中就可由G一C替换原米的A-T。这种互变异 构可以在DNA复制中自发发生。 1.转换(transitions)一个嘌吟被另一个嘌吟替换，或一个嘧啶被另一个嘧啶替换。 versions)一个嘧定被一个嘌吟所替换，或反过来。 上述两种总称碱基替换 3.移码突变(frameshift mutation 增加或减少一个或几个碱基对所造成的突变。是一类蛋白质水平的改变。 4.缺失和重复。大片段的缺失或重复（超过几个碱基对）代表了相当一部分的自发突变。 例如在E.coli的1acl基因中发现一种4个碱基序列(cTGG)在野生型中连续重复了3次。 】.Mi等人研究了这个基因突变热点(h0Ss)产生的原因。所谓热点即 个基因中出 其他位点更容易突变的位点。发现某些热点是 重复序列引起的。 5.2.1.2 自发损伤(spontaneous lesions) 自然产生的对DNA的损伤也能引起突变。脱嘌吟和脱氨基是两种最为常见DNA自发 损伤的变化
6 .突变的有害性和有利性 突变的有害有利性的相对性突变有害性是相对的，在一定条件下可以转化，如矮杆雄性 不育，对人却有利，如落粒性、对生物有利，但对人不利。 中性突变 控制一些次要性状基因即使发生突变，也不会影响生物的正常生理活动，仍能保持其正 常的生活力和繁殖力，为自然选择保留下来。称之，如水稻芒的有无等。 7.突变的平行性 亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往发生相似的基因突变，称突变的平行性。 与瓦维洛夫提出“遗传变异的同型系”说一致。 意义根据以上学说，当了解到一个物种或属内具有那些变异类型，就能预见近缘的其他物种 或属也同样存在相似的变异类型。 5.1.3 自发突变的原因 自然界中的辐射—电离辐射和非电离辐射;温度的极端变化以及气候变化;生物体生长 发育环境中的化学物质的影响;生物体本身产生的生物或化学物质的影响 5.2 基因突变的分子机制 5.2.1 自发突变(spontaneous mutations) 5.2.1.1 DNA 复制中的错误 DNA 每种碱基有几种形式，称互变异构体，异构体中原子的位置及原子之间的键有所不 同。例如一般的腺嘌呤的氨基形成可以转变成稀有的亚氨基形式。在复制时可以和胞嘧啶配 对，形成 A-C。再复制形成的子代 DNA 分子中就可由 G—C 替换原来的 A-T。这种互变异 构可以在 DNA 复制中自发发生。 1．转换（transitions）一个嘌呤被另一个嘌呤替换，或一个嘧啶被另一个嘧啶替换。 2．颠换（transversions）一个嘧啶被一个嘌呤所替换，或反过来。上述两种总称碱基替换。 3. 移码突变（frameshift mutation） 增加或减少一个或几个碱基对所造成的突变。是一类蛋白质水平的改变。 4. 缺失和重复。大片段的缺失或重复（超过几个碱基对）代表了相当一部分的自发突变。 例如在 E.coli的lacl基因中发现一种 4个碱基序列(CTGG)在野生型中连续重复了 3次。 J. Miller 等人研究了这个基因突变热点（hot Spots）产生的原因。所谓热点即一个基因中比 其他位点更容易突变的位点。发现某些热点是由重复序列引起的。 5.2.1.2 自发损伤（spontaneous lesions） 自然产生的对 DNA 的损伤也能引起突变。脱嘌呤和脱氨基是两种最为常见 DNA 自发 损伤的变化
1.脱嘌吟。碱基和脱氧核糖间的糖苷健受到破坏，引起鸟嘌吟或腺嘌吟从DNA分子上 股落，研究发现一个哺乳动物细胞在37℃、20h细胞复制周期中，自发脱落约100个 吟。如果不修复，将引起很大遗传损伤，DNA复制过程中产生的无嘌吟位点无法确定与 配对的碱基。有效的修复系统会移去这些位点。某些情况下，在一个无嘌吟位点对面可以插 入一个碱基往往会引起突变。 2.脱氨基。胞嘧啶脱氨基后变成尿嘧啶。未经校正的尿嘧啶会在复制过程中和腺嘌吟 配对，结果形成由G一C对变为A一T对，产生G-CA一T的转换。某种突变热点就是由 于某些特定 点的胞嘧啶脱氨基引起 3.氧化性损伤碱基。属第三类自发损伤。活泼氧化物如超氧基，氢氧基和过氧化氢不 仅能对DNA的前体，也能对DNA本身造成氧化性损伤，从而引起突变，而且会引起很多 的人类疾病。 5.2.2诱发突变 由各种诱变剂诱发的突变。每一种诱变剂有其对应的特异性（如对 AT转换) 和对特定的突变位点的偏好，例如：甲磺酸乙酯(EMS)和紫外线(UV)“偏好”G- A-T 转换，曲得素B1(AFB1)则偏好于C-G A-T顿换。 5.2.2.1诱变机制 变剂通过3种机制诱发突变，取代DNA中的一个碱基：改变一个碱基使之发生错配 破坏 一个碱其使之在正常情况下无法时 碱基类似物。某些化 物 质和正常的碱基在结构上类似，有时会替代正常碱基而掺入DNA 分子，一旦这些碱基类似物进人DNA后，由于它们的配对能力不同于正常碱基，便引起 DNA复制过程中其对应位置上插入不正确碱基。 2.特异性错配。某些诱变剂不掺入DNA,而通过改变碱基的结构从而引起特异性错配，如 烷化剂（具有一个或多个活性烷基的化合物）。活性烷基不稳定，能转移到其他分子的电子 密度较高的位置上，并置换其中的氢原子，使其成为不稳定的物质 完化剂的种类很多 见的有甲磺酸乙酯(EMS)入、亚硝基弧(NG)和芥子气等。它们的诱变作用是使DNA中的 碱基烷化。 例如ES能使鸟嘌吟的N位置上有乙基，成为7一乙基鸟嘌呤。与胸腺嘧啶配对，故 能使G-C转换成A.T。 培化刻的另一作用是聪画吟。例加棕基在应画吟N位上活化糖引起裂，从 DNA链上脱产生缺口。复制时 与缺口对应的位点上可能配上任一碱基， 从而引起转换或 颠换：而且去嘌玲后的DNA容易发生断裂，引起缺失或其他突变。 例如5-溴尿密啶(BU)和5-溴脱氧尿嘧啶(BrdU)是T结构类似物。细菌在含BU 的培养基中培养时，部分DNA中的T被BU取代，BU有两种互变异构体，一种是式结 构（第6位上有一个酮基），它可以代替T而掺入DNA,并与A配对：当BU发生互变异 构成为烯醇式（第6位上是一个羟基）后，就容易和G配对。 通常以酮式存在，有时也以烯醇式存在。当BU先以酮式掺入DNA,继而又变成烯醇 式时，进一步复制使DNA中A-T对变成G-C对。同样道理也引起G-C向A-T的转换， BU可以使细菌的突变率提高近万倍。 除BU外，还有5溴脱氧尿苷、5氟尿嘧啶、5氯尿嘧啶及它们的脱氧核苷。另一种被 广泛应用的碱基类似物是2-氨基嘌(2-AP),是一种腺噤类似物，可和胸腺嘧啶配 可再和胞嘧啶配对， 产生A1 G-C的转换，或2-AP以和胞嘧啶配对形式进入DNA后 再和胸腺嘧啶配对后产生G-CAT的转换。 3.嵌合剂的致突变作用。 嵌入染料是另一类重要的DNA修饰剂。包括Y啶橙(acridine orange)、原黄素
1.脱嘌呤。碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏，引起鸟嘌呤或腺嘌呤从 DNA 分子上 脱落。研究发现一个哺乳动物细胞在 37℃、20h 细胞复制周期中，自发脱落约 10000 个嘌 呤。如果不修复，将引起很大遗传损伤，DNA 复制过程中产生的无嘌呤位点无法确定与之 配对的碱基。有效的修复系统会移去这些位点。某些情况下，在一个无嘌呤位点对面可以插 入一个碱基往往会引起突变。 2．脱氨基。胞嘧啶脱氨基后变成尿嘧啶。未经校正的尿嘧啶会在复制过程中和腺嘌呤 配对，结果形成由 G－C 对变为 A－T 对，产生 G－C A－T 的转换。某种突变热点就是由 于某些特定位点的胞嘧啶脱氨基引起。 3．氧化性损伤碱基。属第三类自发损伤。活泼氧化物如超氧基，氢氧基和过氧化氢不 仅能对 DNA 的前体，也能对 DNA 本身造成氧化性损伤，从而引起突变，而且会引起很多 的人类疾病。 5.2.2 诱发突变 由各种诱变剂诱发的突变。每一种诱变剂有其对应的特异性（如对 G-C A-T 转换） 和对特定的突变位点的偏好，例如：甲磺酸乙酯（EMS）和紫外线（UV）“偏好” G-C A-T 转换，曲霉素 B1（AFB1）则偏好于 C-G A-T 颠换。 5.2.2.1 诱变机制 诱变剂通过 3 种机制诱发突变，取代 DNA 中的一个碱基；改变一个碱基使之发生错配； 破坏一个碱基使之在正常情况下无法配对。 1．碱基类似物。某些化学物质和正常的碱基在结构上类似，有时会替代正常碱基而掺入 DNA 分子，一旦这些碱基类似物进人 DNA 后，由于它们的配对能力不同于正常碱基，便引起 DNA 复制过程中其对应位置上插入不正确碱基。 2．特异性错配。某些诱变剂不掺入 DNA，而通过改变碱基的结构从而引起特异性错配，如 烷化剂（具有一个或多个活性烷基的化合物）。活性烷基不稳定，能转移到其他分子的电子 密度较高的位置上，并置换其中的氢原子，使其成为不稳定的物质。烷化剂的种类很多，常 见的有甲磺酸乙酯（EMS）、亚硝基胍（NG）和芥子气等。它们的诱变作用是使 DNA 中的 碱基烷化。 例如 EMS 能使鸟嘌呤的 N 位置上有乙基，成为 7 一乙基鸟嘌呤。与胸腺嘧啶配对，故 能使 G-C 转换成 A-T。 烷化剂的另一作用是脱嘌呤。例如烷基在鸟嘌呤 N 位上活化糖苷键引起断裂，使嘌呤从 DNA 链上脱产生缺口。复制时，与缺口对应的位点上可能配上任一碱基，从而引起转换或 颠换；而且去嘌呤后的 DNA 容易发生断裂，引起缺失或其他突变。 例如 5-溴尿嘧啶（BU）和 5-溴脱氧尿嘧啶（BrdU）是 T 结构类似物。细菌在含 BU 的培养基中培养时，部分 DNA 中的 T 被 BU 取代，BU 有两种互变异构体，一种是酮式结 构（第 6 位上有一个酮基），它可以代替 T 而掺入 DNA，并与 A 配对；当 BU 发生互变异 构成为烯醇式（第 6 位上是一个羟基）后，就容易和 G 配对。 通常以酮式存在，有时也以烯醇式存在。当 BU 先以酮式掺入 DNA，继而又变成烯醇 式时，进一步复制使 DNA 中 A- T 对变成 G- C 对。同样道理也引起 G- C 向 A- T 的转换， BU 可以使细菌的突变率提高近万倍。 除 BU 外，还有 5-溴脱氧尿苷、5-氟尿嘧啶、5-氯尿嘧啶及它们的脱氧核苷。另一种被 广泛应用的碱基类似物是 2-氨基嘌呤（2-AP），是一种腺嘌呤类似物，可和胸腺嘧啶配对。 可再和胞嘧啶配对，产生 A-T G-C 的转换，或 2-AP 以和胞嘧啶配对形式进入 DNA 后 再和胸腺嘧啶配对后产生 G-C A-T 的转换。 3．嵌合剂的致突变作用。 嵌入染料是另一类重要的 DNA 修饰剂。包括丫啶橙（acridine orange）、原黄素
(proflavin、叮黄素(acriflavine)等染料。这些试剂为平面分子，其分子大小与碱基对大 小差不多，可以嵌入到DNA双链碱基对之间，在嵌入位置上引起单个碱基对的插入或缺失 突变。嵌合染料也能嵌入单链D八NA的碱基之间。这些突变都会引起阅读框的改变，造成移 码突变 4.辐射的诱变作用 (1)紫外线的致突变作用 装外线(traviolet light,LV)能使DNA产生很名光生成物。有两种不同的光生牛成物 之间 烷嘧 ,另一种是64光生成物，其中胸 要的 一种损伤。实验证明，经UV照射的胸腺嘧啶溶液的吸收光谱与原来 不一样。说明结构已发生变化。经分析测定，它们已变成胸腺嘧啶二聚体。当UV照射后， 先是两个胸腺嘧啶的双键变成单键，然后两个胸腺嘧啶分子连接起来，形成一个胸腺嘧啶 聚体。 之保密啶二聚体通常发生在同一P心链上两个相邻的胸腺嘧啶之间，也可发生 聚体很稳定。如果发生在两链之间 ,由于它的交联而阻碍双链分开， 从而 影响复制：如果它发生在同一链的两个相邻胸腺嘧啶之间，会阻碍腺嘌吟的正常掺入作用， 复制时在此处停止，并掺入别的碱基，新合成的链上的碱基顺序发生 了改变，因而引起突变。紫外线引起的突变包括各种形式的转换和颠换 在二聚体的3”端插入一个错误碱基，通常的二聚体为5CC-3和5-T℃-3，所以C-T转 换最常见，紫外线还能引起缺失、重复和移码突变。这些突变可能是紫外线的直接作用、间 接作用和SOS系统共同作用的结果。 (2)电高辐射的诱变作用 电离辐射（如X射线、Y射线等）带有较高能量，能引起被照射物质中原子的电离，称 电离辐射。20世纪20年代后期发现X射线对果蝇、玉米和大者等诱发突变，电离辐射在诱 变育种上得到广泛应用，并先后育成了许多农作物的优良品种。电离辐射的诱变作用机理还 没有像化学诱变剂和紫外线清楚 电离辐射对生物作用的全过程很复杂 是连锁反应过程 通常电离辐射作用于生物的全过程分为：①物理学阶段，能量从辐射源传递到生物的细 胞内，使细胞内各种分子发生电离和激发。②物理化学阶段，贮存能量的迁移和生物大分子 损伤形成的辐射化学过程。此过程能产生许多化学性质活跃的自由基和自由原子，其中水分 子产生的离子对一系列复杂的反应起重要作用。③生物化学阶段。上一阶段产生的自由基和 自由原子相互作用，并和周围物质起反应，特别是和核酸及蛋白质起反应，造成大分子损伤 ④生物大分子的损伤进一步引起结构变异，特别是染色体损伤发生断裂和重接而产生各种结 构变异，而DNA分子结构中碱基的变化则造成基因突变。 实验表明，X射线处理纯的核苷酸碱基，能引起嘌岭及嘧啶降解，腺嘌呤脱氨基变成 次黄嘌呤，部分胞嘧啶脱氨基而变成尿嘧啶。胸腺嘧啶受到破坏，但不像在紫外线作用下那 样形成二聚体。在微生物中的DNA,可被电离辐射随机降解，不像紫外线那样有选择性 5.黄曲霉素B1(aflatoxin BI,AFBl 一种很强的致癌剂。在鸟缥吟N一7位置上形成一加成复合物后产生无嘌吟位点。也四 求SOS系统参与。$OS越过无嘌吟位点并在这些位点对应处选择性插入腺嘌岭，使鸟嘌吟 残基脱嘌吟的试剂偏向于产生GCTA颠换。 综上，诱变剂通过多种机制诱变，某些诱变剂类似正常碱基而掺入DNA,然后产生错 配。另一些则破 不碱基结构使之要么产生特异性错配，要么丧失碱基识别能力而无法配对。 在后者中，必须诱导出$OS越障系统才能使复制越过损伤继续进行。 5222碱基替换对遗传信息的影响 单个碱基替换的结果是改变一个密码子，可以引起蛋白质一级结构中某个氨基酸的替
（proflavin）、叮黄素（acriflavine）等染料。这些试剂为平面分子，其分子大小与碱基对大 小差不多，可以嵌入到 DNA 双链碱基对之间，在嵌入位置上引起单个碱基对的插入或缺失 突变。嵌合染料也能嵌入单链 DNA 的碱基之间。这些突变都会引起阅读框的改变，造成移 码突变。 4．辐射的诱变作用 （1）紫外线的致突变作用 紫外线（ultraviolet light，UV）能使 DNA 产生很多光生成物。有两种不同的光生成物， 一种发生在相邻的两个嘧啶之间——环丁烷嘧啶光二聚体，另一种是 6-4 光生成物。其中胸 腺嘧啶二聚体是重要的一种损伤。实验证明，经 UV 照射的胸腺嘧啶溶液的吸收光谱与原来 不一样。说明结构已发生变化。经分析测定，它们已变成胸腺嘧啶二聚体。当 UV 照射后， 先是两个胸腺嘧啶的双键变成单键，然后两个胸腺嘧啶分子连接起来，形成一个胸腺嘧啶二 聚体。 胸腺嘧啶二聚体通常发生在同一 DNA 链上两个相邻的胸腺嘧啶之间，也可发生在两个 单链之间，这种二聚体很稳定。如果发生在两链之间，由于它的交联而阻碍双链分开，从而 影响复制；如果它发生在同一链的两个相邻胸腺嘧啶之间，会阻碍腺嘌呤的正常掺入作用， 复制时在此处停止，并掺入别的碱基，新合成的链上的碱基顺序发生 了改变，因而引起突变。紫外线引起的突变包括各种形式的转换和颠换。 在二聚体的 3’端插入一个错误碱基，通常的二聚体为 5’-CC-3’和 5’-TC-3’，所以 C-T 转 换最常见。紫外线还能引起缺失、重复和移码突变。这些突变可能是紫外线的直接作用、间 接作用和 SOS 系统共同作用的结果。 （2）电高辐射的诱变作用 电离辐射（如 X 射线、Y 射线等）带有较高能量，能引起被照射物质中原子的电离，称 电离辐射。20 世纪 20 年代后期发现 X 射线对果蝇、玉米和大麦等诱发突变，电离辐射在诱 变育种上得到广泛应用，并先后育成了许多农作物的优良品种。电离辐射的诱变作用机理还 没有像化学诱变剂和紫外线清楚，电离辐射对生物作用的全过程很复杂，是连锁反应过程。 通常电离辐射作用于生物的全过程分为：①物理学阶段，能量从辐射源传递到生物的细 胞内，使细胞内各种分子发生电离和激发。②物理化学阶段，贮存能量的迁移和生物大分子 损伤形成的辐射化学过程。此过程能产生许多化学性质活跃的自由基和自由原子，其中水分 子产生的离子对一系列复杂的反应起重要作用。③生物化学阶段。上一阶段产生的自由基和 自由原子相互作用，并和周围物质起反应，特别是和核酸及蛋白质起反应，造成大分子损伤。 ④生物大分子的损伤进一步引起结构变异，特别是染色体损伤发生断裂和重接而产生各种结 构变异，而 DNA 分子结构中碱基的变化则造成基因突变。 实验表明，X 射线处理纯的核苷酸碱基，能引起嘌呤及嘧啶降解，腺嘌呤脱氨基变成 次黄嘌呤，部分胞嘧啶脱氨基而变成尿嘧啶。胸腺嘧啶受到破坏，但不像在紫外线作用下那 样形成二聚体。在微生物中的 DNA，可被电离辐射随机降解，不像紫外线那样有选择性。 5．黄曲霉素 B1（aflatoxin B1，AFB1） 一种很强的致癌剂。在鸟嘌呤 N－7 位置上形成一加成复合物后产生无嘌呤位点。也要 求 SOS 系统参与。SOS 越过无嘌呤位点并在这些位点对应处选择性插入腺嘌呤，使鸟嘌呤 残基脱嘌呤的试剂偏向于产生 G-C T-A 颠换。 综上，诱变剂通过多种机制诱变，某些诱变剂类似正常碱基而掺入 DNA，然后产生错 配。另一些则破坏碱基结构使之要么产生特异性错配，要么丧失碱基识别能力而无法配对。 在后者中，必须诱导出 SOS 越障系统才能使复制越过损伤继续进行。 5.2.2.2 碱基替换对遗传信息的影响 单个碱基替换的结果是改变一个密码子，可以引起蛋白质一级结构中某个氨基酸的替
代，或造成多肽合成的终止而产生不完全的肽链。但由于遗传 密码具有简并性，所以有些碱基替换也不一定会造成氨基酸序列的变化。按它们对氨基酸序 列的影不同，可以分为下列3种情况 1.同义突变（沉默突变）：由于密码子的简并性，碱基政变，但编码氨基酸不变。 5-TTC GAT GAG CCC TTG TGC ACG-3 C+T突变 Phe Asp Glu Pro Leu Cys Thr 5'-TTC GAT GAG CCT TTG TGC ACG-3 2.错义突变：碱基改变导致密码子改变、结果引起氨基酸序列的改变。 T c Tr Toc Phe Asp Glu Pro Leu Cvs Thr G+A突变 AC0- 终止密码子突变：终止密码子碱基发生改变，导致氨基酸合成不能正常终止 Phe Aso Gu Pro Leu Thr Aro Gl Pro 5'-TTC GAT GAG COC TTG TGC AOG CGC GGT COG-3 A→0 C→A实变 突变 Phe Asp G Pro Leu终止 5'-TTC GAT GAG CCC TTG TGA ACG CGC GGT CCG-3 3无义突变： 编码氨基酸的密码子变为终止密码子的点突变
代，或造成多肽合成的终止而产生不完全的肽链。但由于遗传 密码具有简并性，所以有些碱基替换也不一定会造成氨基酸序列的变化。按它们对氨基酸序 列的影响不同，可以分为下列 3 种情况： 1. 同义突变（沉默突变）:由于密码子的简并性，碱基改变，但编码氨基酸不变。 2. 错义突变：碱基改变导致密码子改变、结果引起氨基酸序列的改变。 终止密码子突变：终止密码子碱基发生改变，导致氨基酸合成不能正常终止 3. 无义突变： 编码氨基酸的密码子变为终止密码子的点突变
Phe Asp GU Pro Leu Cys Thr Arg Gly Pro 5'-TTC GAT GAG CCC TTG TGC ACG CGC GGT CCG-3 C→A突变 突变 Phe Asp Glu Pro L终止 5'-TTC GAT GAG CCC TTG TGA ACG CGC GGT COG-3 5.2.2.3移码突变： 基因编码序列中插进额外碱基引起插入点及后面编码信息发生改变。可引起错义、无义 及终止密码子突变。 ACG CGC GGT COG-3 A播入 Phe Aso Gu Thr Leu val His Ala Aro Se S-TTC GAT GAG ACC CTT GTG CAC 30G CGG TOC G-3 5.2.2.4突变热点和增变基因 理论上DNA分子上任何碱基都能发生突变，实际上DNA分子上不同部分有不同突变 率。突变位点在基因内的分布不是随机的，许多位点上没有突变型或突变型很少，而在某些 位点突变型很多，其突变率大大高于平均数。这些位点就称为突变热点(hot spots of mutations) 增变基因指基因组中某些基因的突变可使整个基因组的突变率上升，把这些基因称为增 变基因(mutator genes)。目前己知的主要有两类：一是DNA聚合酶的各个基因，如果这 类基因突变，则使DNA多聚酶的3”5校对功能丧失或降低，这样就会使其他基因的突变率 升高：另一个是dm基因，如果该基因突变，则错配修复功能丧失、引起突变率的升高。 5.2.3诱发突变与人类的癌症 黄曲霉素(AFB)引起肝癌。 紫外线(UV)照射会导致皮肤 肿瘤抑制基因是一种编码抑制肿瘤形成的蛋白质基因。如果发生突变则会致癌。对南非和 亚肝癌病人的P53基因的分析发现，AFB特异性诱导G-T颠换，引起PS3发生突变，而 在同一地区的肺癌、肠癌和乳腺癌的病人中未发现此现象
5.2.2.3 移码突变： 基因编码序列中插进额外碱基引起插入点及后面编码信息发生改变。可引起错义、无义 及终止密码子突变。 5.2.2.4 突变热点和增变基因 理论上 DNA 分子上任何碱基都能发生突变，实际上 DNA 分子上不同部分有不同突变 率。突变位点在基因内的分布不是随机的，许多位点上没有突变型或突变型很少，而在某些 位点突变型很多，其突变率大大高于平均数。这些位点就称为突变热点（hot spots of mutations）。 增变基因指基因组中某些基因的突变可使整个基因组的突变率上升，把这些基因称为增 变基因（mutator genes）。目前已知的主要有两类：一是 DNA 聚合酶的各个基因，如果这 类基因突变，则使 DNA 多聚酶的 3’-5’校对功能丧失或降低，这样就会使其他基因的突变率 升高；另一个是 dam 基因，如果该基因突变，则错配修复功能丧失、引起突变率的升高。 5.2.3 诱发突变与人类的癌症 黄曲霉素（AFB）引起肝癌，紫外线（UV）照射会导致皮肤癌。 肿瘤抑制基因是一种编码抑制肿瘤形成的蛋白质基因。如果发生突变则会致癌。对南非和东 亚肝癌病人的 P53 基因的分析发现，AFB 特异性诱导 G－T 颠换，引起 P53 发生突变，而 在同一地区的肺癌、肠癌和乳腺癌的病人中未发现此现象
12 -Ha-ras E常 Ala GCC/A CAG/Gh Ki-ras TGT/Cy N-ras 正常细 888 图19.ras基因的点突变和肿倍 5.2.4定点诱变 根据诱变剂的种类和作用机制诱发基因突变虽然可预见将获得何种突变类型，但不能按 照预先设计的核苷酸序列定 向在活细胞内制造突变，只能从表型上的变化去推知某基因发生 了某种突变，然后分离基因 ,再用遗传分析方法认识突变基因的性质和功能。这是经典的或 传统的遗传学方法。从表型基因-DNA序列-蛋白质序列。 随重组DNA技术、DNA序列分析技术、寡聚核苷酸合成技术以及其他分子生物学技 术的不断完善和发展，人们能够在离体条件下，有目的地制造位点特异性突变，即离体定向 诱发突变，如定向制造特异性的缺失、插入、碱基替换或移码突变等各种突变。然后用一定 方法导入生物体，观察和分析表型 。这样的遗传分析途径与经典遗传学的方法正好相反，称 反求遗传学(reverse genetics)。 53生物体的修复机制 53.1DNA的防护机 (1)简并密码子 CUA一UUA亮氨酸 (2) 回复突变 (3)抑制 (4)致死和选择 5.32.1光复活 生命状态的生存和延续要求DNA分子保持高度的精确性和完整性。但DNA复制的忠 实性受到很多潜在的威胁，它不仅来自DNA复制自身的错误，也来自许多自发损伤引起自 错误。此外，周围环境中的诱变剂的诱发作用也大大提高了基因的突变率。在长期进化过程 中，活细胞形成了各种酶促系统来修复或纠正偶然发生的DNA复制错误或DNA损伤。修 复系统是DNA的一种安全保障体系。如果按原样修复，不会引起突变，但偶而会出现一些 差错，因而引起突变。突变往往是DNA损伤与损伤修复这两个过程共同作用的结果。 光复活(photo-re 针对紫外线引起DNA损伤而形成的胸腺嘧啶二聚体，在损伤部位进行修复的修复途径， 光复活作用在可见光的活化下，由光复活酶(photo-一reactivating enzyme,PR酶)又称 光解酶催化胸腺嘧啶二聚体分解成为单体
5.2.4 定点诱变 根据诱变剂的种类和作用机制诱发基因突变虽然可预见将获得何种突变类型，但不能按 照预先设计的核苷酸序列定向在活细胞内制造突变，只能从表型上的变化去推知某基因发生 了某种突变，然后分离基因，再用遗传分析方法认识突变基因的性质和功能。这是经典的或 传统的遗传学方法。从表型-基因-DNA 序列-蛋白质序列。 随重组 DNA 技术、DNA 序列分析技术、寡聚核苷酸合成技术以及其他分子生物学技 术的不断完善和发展，人们能够在离体条件下，有目的地制造位点特异性突变，即离体定向 诱发突变，如定向制造特异性的缺失、插入、碱基替换或移码突变等各种突变。然后用一定 方法导入生物体，观察和分析表型。这样的遗传分析途径与经典遗传学的方法正好相反，称 反求遗传学（reverse genetics）。 5.3 生物体的修复机制 5.3.1 DNA 的防护机制 （1） 简并密码子 CUA→UUA 亮氨酸 （2） 回复突变 （3） 抑制 （4） 致死和选择 5.3.2.1 光复活 生命状态的生存和延续要求 DNA 分子保持高度的精确性和完整性。但 DNA 复制的忠 实性受到很多潜在的威胁，它不仅来自 DNA 复制自身的错误，也来自许多自发损伤引起的 错误。此外，周围环境中的诱变剂的诱发作用也大大提高了基因的突变率。在长期进化过程 中，活细胞形成了各种酶促系统来修复或纠正偶然发生的 DNA 复制错误或 DNA 损伤。修 复系统是 DNA 的一种安全保障体系。如果按原样修复，不会引起突变，但偶而会出现一些 差错，因而引起突变。突变往往是 DNA 损伤与损伤修复这两个过程共同作用的结果。 光复活（photo-reactivation） 针对紫外线引起 DNA 损伤而形成的胸腺嘧啶二聚体，在损伤部位进行修复的修复途径。 光复活作用在可见光的活化下，由光复活酶（ photo－reactivating enzyme， PR 酶）又称 光解酶催化胸腺嘧啶二聚体分解成为单体
HHiiiiiiicin Dimer forms - 出出HHHHHHH B.M.Sutherland(1974)报道，在人类白细胞中发现光复活酶。随后发现存在于人类 的成纤维细胞和淋巴细胞中。说明这种酵在生物界分布广泛，这一修复机制在哺乳动物中也 起重要作用。在E.co中，光复活酶(471a服)是由Phr基因编码，酶在暗处不能起作 用：还霸要其他的膨来修复生损伤·在植物和果号中也发现能递转64光生成物的光解酶·一 但主要是原核生物中的 种修复方式 5.3.22切除修复 (1)一般切除途径 切除修复(excision repair)也称核苷酸外切修复，此系统在几种酶的协同作用下，先在 损伤的任一瑞打开碳酸一酯辩，然后外切掉一段克核苷酸：留下的缺口由修复性合成来填补 再由连接酶连接。由于这些酶的作用不需可见光激活，也叫暗修复，但黑暗不是它的必要条 件。切除修复不仅能消除由紫外线引起的损伤，也能消除由电离辐射和化学诱变剂引起的其 他损伤。 m正s Tm正黑amoM 工 中 nick 1-Excision repar ase( 根据被切除DNA片段的长短，可分为短补丁修复(short patch repair)和长补丁修复(IonE patch repair)。绝大多数切除修复为短补丁修复，切除大约有20个核苷酸（包括损伤部分）】 少数为长补丁修复，切除大多1500个核苷酸左右，有的9000个核苷酸以上。这两种修复 过程的酶大体相同，长补丁修复过程可能还有个别其他因子参与，一般认为短补丁修复是细 胞的组成型功能，而长补丁修复则是DNA损伤诱导。 在E.coi中的切除修复系统
B．M．Sutherland（1974）报道，在人类白细胞中发现光复活酶。随后发现存在于人类 的成纤维细胞和淋巴细胞中。说明这种酶在生物界分布广泛，这一修复机制在哺乳动物中也 起重要作用。在 E．coli 中，光复活酶（471aa ）是由 Phr 基因编码，酶在暗处不能起作 用，还需要其他的酶来修复 UV 损伤。在植物和果蝇中也发现能逆转 6-4 光生成物的光解酶。 光复活的修复功能虽然普遍存在，但主要是原核生物中的一种修复方式。 5.3.2 .2 切除修复 （1）一般切除途径 切除修复（excision repair）也称核苷酸外切修复，此系统在几种酶的协同作用下，先在 损伤的任一端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡核苷酸；留下的缺口由修复性合成来填补， 再由连接酶连接。由于这些酶的作用不需可见光激活，也叫暗修复，但黑暗不是它的必要条 件。切除修复不仅能消除由紫外线引起的损伤，也能消除由电离辐射和化学诱变剂引起的其 他损伤。 根据被切除 DNA 片段的长短，可分为短补丁修复（short patch repair）和长补丁修复（long patch repair）。绝大多数切除修复为短补丁修复，切除大约有 20 个核苷酸（包括损伤部分）。 少数为长补丁修复，切除大多 1500 个核苷酸左右，有的 9000 个核苷酸以上。这两种修复 过程的酶大体相同，长补丁修复过程可能还有个别其他因子参与，一般认为短补丁修复是细 胞的组成型功能，而长补丁修复则是 DNA 损伤诱导。 在 E.coli 中的切除修复系统
程eP是ePe2狂 醒野 (2)特异切除修复途径 当某些损伤不明显，不能使DNA分子变形，从而不能被UVrA、B、C普通切除修复系 统或高等生物中的普通切除修复系统所识别。需要其他的切除修复途径。DNA糖基化酶修 复涂红，城比除修复)DNA糖基化酶(DNA glycosylase）的作用并不是开鲜一 酯键，而是切开N糖苷键，释放被饰变的碱基产生 称AP位点 AP位点由AP内切酶修复系统修复。DNA糖基化酶有很多，尿嘧啶DNA糖基化酶将尿壁 啶从DNA中切除。同样也发现能识别腺嘌吟脱氨基产物-次黄嘌吟的糖基化酶。其他的糖基 化酶能切除烷基化碱基（如3甲基腺嘌呤，3甲基鸟嘌吟和7甲基鸟嘌吟）等不同的DNA 糖基化酶，还有许多新的DNA糖基化酶正在不断地被发现。 3 ea ther 、3 Fig.21-Repr
（2）特异切除修复途径 当某些损伤不明显，不能使 DNA 分子变形，从而不能被 UvrA、B、C 普通切除修复系 统或高等生物中的普通切除修复系统所识别。需要其他的切除修复途径。DNA 糖基化酶修 复途径（或称碱基切除修复）DNA 糖基化酶（DNA glycosylase）的作用并不是切开磷酸二 酯键，而是切开 N-糖苷键，释放被饰变的碱基产生一个无嘌呤无嘧啶位点，称 AP 位点。 AP 位点由 AP 内切酶修复系统修复。DNA 糖基化酶有很多，尿嘧啶 DNA 糖基化酶将尿嘧 啶从 DNA 中切除。同样也发现能识别腺嘌呤脱氨基产物-次黄嘌呤的糖基化酶。其他的糖基 化酶能切除烷基化碱基（如 3-甲基腺嘌呤，3-甲基鸟嘌呤和 7-甲基鸟嘌呤）等不同的 DNA 糖基化酶，还有许多新的 DNA 糖基化酶正在不断地被发现