基因的分子生物学.ppt

1、 基因、基因组与基因组学基因、基因组与基因组学 Gene,Genome and Genomics .WUXINXING（伍欣星）伍欣星）LaboratoryofMolecularVirology,InstituteofMedicalVirology,WuhanUniversitySchoolofMedicineEmail:“基因组与功能基因组学基因组与功能基因组学”研究是当前和研究是当前和今后分子与细胞生物学研究最集中的领域今后分子与细胞生物学研究最集中的领域之一之一伴随着2003年人类基因组计划的完成，十年来，基因组科学极大地推动了生命科学的发展。基因组测序并公布的哺乳动物-人、猩猩、老鼠、

2、牛、马和狗等。大熊猫基因组测序和组装，于2010年1月21日以封面故事形式在国际权威杂志自然上发表，并获评2010年中国十大科技进展。“Thesequenceanddenovoassemblyofthegiantpandagenome”大豆起源于中国，作为世界上主要油料来源的大豆，其基因组科学研究成为一个重要的里程碑.大豆基因组图谱将成为人们重新认识这类植物的关键。新的知识将可能用于改良大豆品种，增加全球粮食供应。微生物基因组研究包括人类病原微生物、工业微生物、环境保护微生物.人类病原微生物基因组研究最重要的价值就在于其对疫苗的设计以及新型抗微生物药物的开发。杀蚊微生物基因组球形芽孢杆菌C3-

3、41菌株全基因组的测序2010年，基因组科学研究更是取得了重大进展。在美国Science杂志评出的当年十大科学进展中，涉及基因组科学的共有三项。Nature杂志对超过1000名生物学家的一项调查显示，几乎所有生物学家都在一定程度上受到人类基因组计划的影响。绝大部分人认为自身的研究获益于人类基因组的测序,其中46%的人认为影响巨大；同时,有接近1/3的人几乎天天都使用到基因组；甚至有69%的受访者表示，是人类基因组计划改变了他们的职业和研究方向。“对于像我这样的年轻研究者，没有基因组，很难想象将如何工作。”一位受访者如此表示。“基因组与后基因组学基因组与后基因组学”离寻常百姓有多离寻常百姓有多远

4、远？2010年下旬复旦大学“现代人类学”教育部重点实验室宣布，向全国征集曹姓男性DNA样本，拟用基因组科学的手段验证2009年底河南安阳曹操墓真伪出土的头骨是否为曹操本人。“利用曹姓DNA鉴定曹操头骨”，基因组科学成为热门，这一话题“落入寻常百姓家”。“利用曹姓DNA鉴定曹操头骨”并非国人专利。据英国每日邮报报道，比利时学者曾对希特勒家族的39位亲属进行DNA检测，来证明希特勒的族裔。这些工作的开展，借助的正是“基因留有基因留有祖先深刻烙印祖先深刻烙印”这一事实.科学杂志在2010年3月发表文章称，美国首次为一个四口之家进行了全基因组测序。由于有家庭遗传背景关联，研究人员更精确地锁定了与”米勒

5、综合征”（Millersyndrome）和相关的4个基因。家庭测序将成为今后基因研究和疾病治疗方面的一个新工具.伦敦帝国理工学院的研究人员也通过多次全基因组关联分析（Genome-wideassociationstudy，GWAS），发现了多个包括糖尿病、冠心病、精神分裂症、阿尔茨海默、乳腺癌、肺癌、胃癌在内的与现代热点疾病相关的基因。基因组科学带给普通患者治愈疾病的希望。人类亟待通过相关研究，阐明当今主要威胁人类疾病，如癌症、心血管疾病、艾滋病和肝炎等传染病的发病机制，并采取有效措施达到治疗的目的。基因组科学离人们的生活越来越近.基因组学推动生命科学领域的研究大基因组学推动生命科学领域的研究

6、大步向前步向前Genomicspromotelifescienceresearchinthefieldofbigstepforward基因的分子生物学基因的分子生物学基因的概念与内涵Theconceptandconnotationofgene“基因”gene术语的诞生已经有100年之久了，在这过去的100年里,生物学的进展使基因的概念不断在延伸和扩展。基因由最初一个抽象的名词,现定义为：基因组中一段可以编码蛋白质、多肽链或功能RNA的DNA序列。并成为了生物学最重要的词汇之一。1909年年WilhelmJohannsen将将“遗传因子遗传因子”“Genetic factors”简化为“基因”（

7、gene）希腊语“给予生命”之意。这一时期的基因,并不代表物质实体,而是一种抽象的符号。一个基因一种酶(1941年 G.W.Beadle E.L.Tatum)证明基因通过它所控制的酶决定着代谢中生化反应步骤，进而决定生物性状.基因的作用是控制特定酶的合成。one gene,one enzyme一个基因一条多肽链(1949年L.C.Pauling与合作者在研究镰刀型细胞贫血症（sicklemia）时推论基因决定着多肽链的氨基酸顺序.（野生型血红蛋白是由两条和两条多肽链组成，分别由和基因控制。）a gene,a polypeptide chain 基因从而由一个符号变成相应有具体载体的物质。195

8、7年法国遗传学家Benzer提出了顺反子学说。认为基因为DNA分子上一段核苷酸顺序，一个基因内部仍可划分若干个起作用的小单位，即可区分成顺反子、突变子和重组子。Polycistron,muton,recombinant有一些只转录而不翻译的基因，如核糖体RNA基因（ribosomalRNAgene)、转运RNA基因（transferRNAgene）-RNA基因。RNA也是遗传物质还有一类基因,其本身并不进行转录,但可以对邻近的结构基因的表达起控制作用,如启动基因和操纵基因（1961F.Jacob,J.Monod操纵子）-调控基因基因概念与内涵的进一步发展七十年代后，基因的概念随着多学科渗透和实

9、验手段日新月异又有突飞猛进的发展，主要有以下几个方面。1、重叠基因：在一些噬菌体和动物病毒中发现，不同基因的核苷酸序列有时是可以共用的。也就是说,它们的核苷酸序列是彼此重叠的。2、断裂基因：真核蛋白质编码基因结构的分析发现,在它们的核苷酸序列中间插入有与编码无关的DNA间隔区,使一个基因分隔成不连续的若干区段。3、管家基因和奢侈基因：house-keepinggenes指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；Luxurygene则在一些分化细胞中活动，即组织特异性(tissue-specificgene)表达的基因。4、假基因(pseudogene)：是一种核苷

10、酸序列同其相应的正常功能基因基本相同,但却不能合成出功能蛋白质的失活基因，常用表示。5、移动基因（jumpinggene）：DNA能在有机体的染色体组内从一个地方跳到另一个地方,插入同一或不同染色体上的另一个位置。移动基因的发现动摇了基因在染色体上有一固定位置的传统观念。6、基因的选择性剪接(alternaltivesplicing)，。单个基因可以产生一个以上的蛋白。由上我们可以看出:(1)基因不都是离散的,因为有重叠基因;(2)基因不一定是连续的,如断裂基因;(3)基因的位置不一定是不变的,如跳跃基因;(4)基因不是全能的结构单位,有很多调控元件影响转录或剪接;(5)基因也不是简单的功能单

11、位,因为基因可以通过顺式或反式剪接,产生多种蛋白质。所有这些成果无疑给基因概念中注入鲜活科学内涵，帮助人们揭开层层面纱去更加全面了解基因的真面目。从简单的病毒到复杂的高等生物，所有的遗传信息都是以基因的信息储存。Fromsimplevirustocomplicatedhigherorganisms,thetotalgeneticinformationthatcontrollifeactivityisstored基因结构及分析由于基因在细胞中所处的位置不同，分为核基因（染色体基因）和细胞质（线粒体）基因。主要讨论核基因核基因（nucleargene）。典型的基因包括：1.编码区：基因表达蛋白质或

12、RNA分子的部分。包括外显子（exon）和内含子（intron)。（1977年Broker和Sharp发现）珠蛋白基因珠蛋白基因外显子和内含子内含子在原始转录产物的加工过程中被切除，不包含在成熟mRNA的序列中。GT-AG法则：在每个外显子和内含子的接头区，有一段高度保守的共有序列，即每个内含子的5端起始的2nts都是GT，3末端的2nts都是AG。内含子的剪接断裂基因中内含子和外显子的关系并非是固定不变的。有时可以见到这样的情况：在同一条DNA分子上的某一段DNA顺序，在作为编码某一条多肽链基因时是外显子，但作为编码另一条多肽链基因时是内含子。真核生物有些结构基因没有内含子，如组蛋白基因(h

13、istonegene)，I型干扰素基因，它们多以基因簇形式存在。2、前导区(leaderregion)位于编码区上游，相当于mRNA5末端非编码区。（5UTR全称是untransliatedregion，非翻译区）核糖体结合位点核糖体结合位点(RBS)SD序列（shine-dalgarnosequence)：在原核生物基因翻译起始位点周围有一组特殊的序列，控制着基因的翻译过程，SD是其中主要的一种。RBS位于前导区 Shine和Dalgarno发现在mRNA上有核糖体的结合位点。它们是起始密码子AUG和位于AUG上游310bp处的由39个富含嘌呤的核苷酸组成的序列。这段序列，刚好与16SrRN

14、A3末端的富含嘧啶的序列互补，是核糖体 RNA 的识别与结合位点。根据发现者的名字，命名为Shine-Dalgarno序列。简称SD序列。Shine-Delgarnoelementatg上游的agga就是rbs3、尾部区(trailer）位于编码区下游，相当于mRNA3末端非编码区。（3UTR）含有加尾信号。前导区和尾部区分别为编码区外侧前导区和尾部区分别为编码区外侧5端和端和3端的端的可转录的非翻译区可转录的非翻译区。加尾信号加尾信号（polyadenylationsignal）真核生物mRNA的3Poly(A)尾巴不是由基因编码，是在转录后通过多聚腺苷酸聚合酶作用加上的。此过程受3UTR中

15、加尾信号的控制。动物基因典型的加尾信号为AATAA，植物基因的加尾信号变化较大为ATAATAApu。4、调控区通常位于结构基因的两侧，也被称为侧翼序列（flankingsequence）。侧翼序列虽不被翻译，但它常常含有影响基因表达的DNA序列。对基因的有效表达起着调控作用，包括启动子、增强子、沉默子、绝缘子、终止子等。1）启动子（启动子（promotor）：）：DNA链上RNA聚合酶识别、结合、启动转录的部位。转录起始位点(+1位)下游区域为正区，上游区域为负区。启动子通常位于转录起始位点上游100bp(-100bp)附近，但也不尽其然。侧翼序列侧翼序列flankingsequence真真核

16、核生生物物II类类基基因因启启动动子子：AT丰丰富富区区，（TATA盒盒）Hogness盒盒即即为为RNA聚聚合合酶酶II与与启启动动子子的的结结合合部部位位；其其上上游游有有CAAT盒盒；CAAT盒的两侧有盒的两侧有GC盒盒。TATATATA盒盒盒盒 CAATCAAT盒盒盒盒 GCGC盒盒盒盒 增强子增强子增强子增强子 顺式作用元件顺式作用元件顺式作用元件顺式作用元件 结构基因结构基因结构基因结构基因-GCGC-CAAT-TATA-GCGC-CAAT-TATA转录起始转录起始转录起始转录起始真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列真核生物启动子保守序列Promote

17、rScanhttp:/www-bimas.cit.nih.gov/molbio/proscan/http:/www.fruitfly.org/seq_tools/promoter.html http:/www.cbs.dtu.dk/services/Promoter/2）增强子增强子(enhancer)：它可使启动子发动转录的能力大大增强，从而显著地提高基因转录的效率。增强子的作用与它所处的位置、方向及与基因的距离无关。具有组织特异性和细胞特异性。增强子远距离调控沉默子沉默子(silencer)：对转录起阻抑作用，根据需要关闭某些基因的转录，可以远距离作用于启动子。其对基因的阻遏作用没有方向的

18、限制。绝缘子（绝缘子（insulator）一一类新发现不久的基因调节元件绝缘子是能够阻断激活或失活效应的DNA元件。绝缘子通过与特定蛋白的作用可阻断增强子对启动子的激活。它的作用具有方向性。3）终止子（终止子（terminator):是基因编码区下游一段与终止转录过程有关的序列.有两类：有两类：依赖依赖因子的终止子因子的终止子不依赖不依赖因子的终止子因子的终止子区别区别:不依赖不依赖因子的终止子富含因子的终止子富含GC；茎；茎-环结构后有环结构后有PolyU区；依赖区；依赖因子的终止子因子的终止子缺少缺少GC，也无，也无PolyU尾。尾。信号肽序列信号肽序列分泌蛋白基因的编码序列中，在起始密码

19、子之后，有一段编码富含疏水氨基酸多肽的序列，称为信号肽序列，它所编码的信号肽行使着运输蛋白质的功能。信号肽序列在完成分泌过程后将被切除，不留在新生的多肽链中。开放阅读框（ORF）编码蛋白质的基因含有开放阅读框（openreadingframe,ORF）.ORF包含有一系列能规定基因编码蛋白质中氨基酸序列的密码子。ORF开始于起始密码子，通常是ATG,结束于终止密码：TAA、TAG、TGA。当一个新基因被识别，其DNA序列被解读，人们仍旧无法搞清相应的蛋白序列是什麽，ORF的识别是证明一个新的DNA序列为特定的蛋白质编码基因的部分或全部的先决条件。现在有很多找ORF的软件，包括在线的，如：ORF

20、Finding可用于大规模的开放式阅读框寻找，预测已存在的编码区的小基因序列。GTAG真核生物基因的一般结构示意图GC盒AGGA或CAAT盒内含子加帽位点5m2GpppNp5非编码区起始密码子起始密码子信号肽序列内含子边界5GT外显子终止密码子终止密码子加poly(A)信号3非编码区内含子边界3AGTATA盒不同的生物，基因的结构、数目及组合不同的生物，基因的结构、数目及组合方式不同。方式不同。Therearedifferentstructure,numberandcombinationformsofgenebetweendifferentspecies.同一生物，除精细胞和卵细胞外，所有同一

21、生物，除精细胞和卵细胞外，所有细胞都具有相同的遗传信息细胞都具有相同的遗传信息Foronespecies,allcellsexceptforgermcellspossessthesamegeneticmaterials.基因的损伤、突变和修复基因的损伤、突变和修复在人的细胞中，一般的代谢活动和环境因素都能造成DNA损伤，导致每个细胞每天1,000至1,000,000处的分子损害，这些损害给DNA分子造成结构上的破坏，由此引发潜在有害突变，进而影响子细胞的存活。一、一、基因损伤（基因损伤（genedamage）基因损伤是指DNA正常的化学或物理结构的改变。Alesionisanalteratio

22、ntothenodalchemicalorphysicalstructureoftheDNA.包括细胞核DNA损伤与线粒体DNA损伤DNA损伤可分为两大类型损伤可分为两大类型自发损伤自发损伤（DNAlesionsofspontaneous）由于DNA内在化学活性以及细胞正常代谢的副产物（活性氧分子）所致（内源性损伤）诱发损伤（lesionsofmutagenesis）由外部因素引起。由外部因素引起。外源性损伤）DNA损伤的原因损伤的原因1）脱氨基（）脱氨基（deamination）2）脱嘌呤（）脱嘌呤（depurination）与脱嘧啶）与脱嘧啶3）氧化性损伤）氧化性损伤（oxidatived

23、amage）4）复制滑移）复制滑移(replicationslippage)5）互变异构移位（）互变异构移位（tautomericshift）脱氨基（脱氨基（deamination）nACpG二核苷酸上的胞嘧啶残基是人类基因组中最易发生突变的位点，其中大多数二核苷酸上的胞嘧啶残基是人类基因组中最易发生突变的位点，其中大多数是甲基化的，可自发地脱去氨基而形成胸腺嘧啶。是甲基化的，可自发地脱去氨基而形成胸腺嘧啶。脱嘌呤（脱嘌呤（depurination）与脱嘧啶）与脱嘧啶碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏氧化性损伤氧化性损伤（oxidativedamage）氧化损伤产

24、生胸腺嘧啶乙二醇氧化损伤产生胸腺嘧啶乙二醇thymineglycol、羟甲基、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，引起碱基配对错误。尿嘧啶等碱基修饰物，引起碱基配对错误。8-oxoG 8-oxoG8-oxoG 8-oxoG不再与不再与C C配对配对,而与而与A A配对配对胸腺嘧啶乙二醇胸腺嘧啶乙二醇复制滑移复制滑移（重复序列可诱发重复序列可诱发互变异构移位（互变异构移位（tautomericshift）：酮式和烯醇式酮式和烯醇式n胸腺嘧啶酮式结构易与胸腺嘧啶酮式结构易与A配对配对,烯醇式结构易与烯醇式结构易与G配对。配对。n腺嘌呤的酮式结构，与腺嘌呤的酮式结构，与T配对配对,烯醇式结构可与烯醇式结构可与

25、C配对。配对。DNA的诱发损伤（lesionsofmutagenesis）外源性损伤外源性损伤由外部理化因素引起。由外部理化因素引起。烷化剂（烷化剂（alkylatingagent）、）、碱基类似物（碱基类似物（baseanalog）、）、嵌入剂（嵌入剂（intercalatingagent）、）、脱氨剂（脱氨剂（deaminatingagent）烷化剂烷化剂:alkylatingagent甲磺酸乙酯甲磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍、亚硝基胍(NG)等。等。通过改变碱通过改变碱基结构使碱基错配。基结构使碱基错配。鸟嘌呤鸟嘌呤C6原子上的氧是最容易发生烷基化的位点原子上的氧是最容易发生烷基化的位点

26、之一，当之一，当G烷基化后可与烷基化后可与T配对，导致碱基转换。配对，导致碱基转换。G.CA.T。或：烷化剂使嘌呤脱落，造成转换、颠换；或：烷化剂使嘌呤脱落，造成转换、颠换；DNA链的断裂或交联。链的断裂或交联。碱基类似物碱基类似物baseanalog5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-氟尿嘧啶（5-FU）、2-氨基腺嘌呤（2-AP）等。它们的结构与碱基相似，进入细胞能替代正常的碱基参入到DNA链中而干扰DNA复制合成。Similar structure and base,into the cellscan replace the normal base referenceintotheDNAcha

27、inandinterferewithDNAreplicationsynthesis.eg.5-BU(5-eg.5-BU(5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶)是胸腺嘧啶是胸腺嘧啶(T)(T)的结的结构类似物。构类似物。在在DNA分子复制的过程中，由于分子复制的过程中，由于5-BU的插入和互变异构导致碱基置换的插入和互变异构导致碱基置换.(5-溴尿嘧啶酮式结构易与溴尿嘧啶酮式结构易与A配对；烯醇式结构易配对；烯醇式结构易与与G配对配对嵌入剂嵌入剂(intercalatingagent)通常与插入突变有关。如溴化乙锭、吖啶橙、吖通常与插入突变有关。如溴化乙锭、吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等，其插入易造成移码突变啶黄素

28、、原黄素等，其插入易造成移码突变。disorders溴化乙锭是扁平分子，可嵌入溴化乙锭是扁平分子，可嵌入DNA双螺旋碱基对之间，并造成相邻碱基双螺旋碱基对之间，并造成相邻碱基对距离加大对距离加大脱氨剂脱氨剂deaminatingagent亚硝酸等能使嘌呤或嘧啶脱氨，改变核酸亚硝酸等能使嘌呤或嘧啶脱氨，改变核酸结构和性质，造成结构和性质，造成DNA复制紊乱。复制紊乱。亚硝酸盐能使C脱氨变成U，经过复制就可使DNA上的G-C变成A-T对。purimidinedimer，是一种外生性，是一种外生性DNA损害损害的明确类型。的明确类型。UVF辐射诱导的光产物辐射诱导的光产物交联是由二聚体引起的，二聚体

29、可以在交联是由二聚体引起的，二聚体可以在同一条链相邻的碱基之间产生，也可以同一条链相邻的碱基之间产生，也可以是在二条链的碱基之间形成。是在二条链的碱基之间形成。引起引起DNADNA复制错误复制错误 嘧啶比嘌呤对紫外线敏感得多嘧啶比嘌呤对紫外线敏感得多 胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体 电离辐射（电离辐射（ionizingradiation）X线和r射线等，直接作用-引起DNA的断裂(单链或双链)，对DNA的损伤；间接作用-在细胞内激发形成如过氧化物类的反应分子。热致突变作用加热（heat）、低pH、黄曲霉素等加剧、促进核苷酸中糖甙键发生水解，更常见于嘌呤，造成AP位点，即无嘌呤位点，余下是糖磷酸链

30、接不稳定，很快降解。第三个重要的损伤源是转座子的插入转座就其本身来说是一个重要的课题，将在后面阐述在细胞分裂之前，损伤DNA的复制会引起错误碱基与损伤碱基相对立地结合。子代细胞由遗传而继承了错误的碱基之后，也就成了变异细胞（带了突变的细胞），从此再无退路（除非通过很少有的回复突变和基因转换）基因突变是指基因组DNA分子发生的可遗传的变异现象。基因虽然十分稳定，能在细胞分裂时精确地复制自己，但这种稳定性是相对的。在一定的条件下基因也可以从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式，在在生生物物进进化化中中，突突变变与与遗遗传传是是对对立立统统一一普普遍遍存存在在，正正是是因因为为DNA分分子子的

31、的变变化化生生物才有变异和进化。物才有变异和进化。二、二、基因突变基因突变genemutationDNA损伤的后果损伤的后果 基因的核苷酸顺序或数目发生改变基因突变（gene mutation）:仅涉及DNA分子中单个碱基的改变称点突变（point mutation）。涉及多个碱基的还有缺失、扩增、重复和插入。点突变（点突变（pointmutation）转换（转换（transition）同型碱基的取代。）同型碱基的取代。颠换（颠换（transversion异型碱基的取代。异型碱基的取代。基因突变基因突变缺失（deletion）一个或多个核苷酸的丢失。插入（insertion）一个或多个核苷酸的

32、增加。扩增（amplification）基因拷贝数的增加。重排（rearrangment）DNA片段相互交换位 置产生。突变对遗传信息的影响突变对遗传信息的影响 Theimpactofmutationsongenetinformation 沉默突变沉默突变（silent mutation）、中性突变（neutral mutation）-即指不引起明显表型变化的变异，无蛋白质功能改变如：同义突变（synonymous）：不引起氨基酸组成和排列发生任何改变的基因突变。错义突变错义突变（mis-sensemutation）导致氨基酸组成和排列发生改变的基因突变。大多数对蛋白质功能影响不大，但有些则有

33、较大影响。无义突变无义突变（non-sensemutation）一个核一个核苷酸的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成苷酸的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子（终止密码子（TAA TAA、TAGTAG、TGATGA），使蛋白质合），使蛋白质合成提前终止，造成一个蛋白质的缩短。影响取决成提前终止，造成一个蛋白质的缩短。影响取决于丢失多少肽。通常影响是巨大的，蛋白质往往于丢失多少肽。通常影响是巨大的，蛋白质往往失去功能。失去功能。通读突变（readthrough）-突变将终止密码转变为一个编码氨基酸的密码子，造成终止信号通读。在蛋白质C端额外延长了氨基酸。长的延伸片段有可能影响蛋白质折

34、叠，造成活性下降。移码突变移码突变（frameshiftingmutation）使阅读框移动的基因突变（插入或丢失的核苷酸数目不是3或3的倍数）.通常对蛋白质功能产生巨大影响。引起蛋白质结构发生改变，导致功能改变的引起蛋白质结构发生改变，导致功能改变的变异为致病突变（变异为致病突变（disease-causingtation）。）。突变热点（突变热点（hotspotofmutation）表现出表现出一个非常高的变异倾向的一个区域一个非常高的变异倾向的一个区域P53的4个突变热点是aa129160、171179、234260、270287:发生在编码区以外的突变发生在编码区以外的突变n基因上游调

35、控区的缺失突变两个可能的影响基因上游调控区的缺失突变两个可能的影响基因突变的后果基因突变的后果无影响 改变基因型改变基因型(genotype)而不改变表现型而不改变表现型(phenotype)；产生遗传多态性（DNA多态性，蛋白质多态性）。丧失某些功能；生物体结构和功能的异常引起疾病。肿瘤 癌症发生生殖细胞基因突变传递至后代，导致遗传性疾病的发生，致死性；进化 生物体获得新的性状，适应环境的能力增强。发生了有利于物种生存的结果，使生物进化。发生了有利于物种生存的结果，使生物进化。全外显子测序凸现孤独症隐性突变全外显子测序凸现孤独症隐性突变虽然在许多家庭中孤独症的可遗传性很明显，但人们找到的可遗

36、传突变并不多。这主要是因为孤独症相关突变非常多样，让人很难建立起清晰的遗传模式。波士顿儿童医院的研究人员对大量中东地区和美国的孤独症家庭进行了全外显子组测序，发现一些涉及严重遗传学综合症的基因突变会引发孤独症的隐性突变。文章于2013年1月23日发表在Cell旗下的Neuron杂志上。被称为“隐性突变”的一些突变对某一生物的表现型没有可以观察到的影响，除非它们与其他突变或环境变化相结合。乙型肝炎病毒乙型肝炎病毒X蛋白突变体致癌作用及其信蛋白突变体致癌作用及其信号传导途径的研究号传导途径的研究突变对微生物的影响大多数突变可归纳一下四类中的一种：1）营养缺陷型（auxotroph）是指只有提供了某

37、种营养才能生长的细胞。这种营养对未突变个体来说并不需要。此类突变体在理论研究和生产实践中都有重要意义，是作为研究代谢途径和遗传规律不可少的标记菌种，亦可直接用于生产氨基酸、核苷酸等代谢产物。营养缺陷型筛选一般分四个环节，即诱变剂处理、营养缺陷型浓缩、检出和鉴定。诱变育成多种抗生素菌种2）条件致死型（conditional-lethal）突变体不能耐受特定的生长条件，即在许可条件下，它们看上去完全正常，但转到限制条件时，突变体表型就显现出来。温度敏感型突变体（temperature-sensitivemutant，ts）是条件致死型的典型例子。突变降低了蛋白质的稳定性，高温时蛋白质不能折叠而失活

38、。ts突变株常具有减低毒力而保持其免疫原性的特点，是生产疫苗的理想毒株。但ts突变株容易回复，因此制备疫苗时须经多次诱变后，方可获得在一定宿主细胞内稳定传代的突变株。脊髓灰质炎病毒活疫苗即为这种变异株。3）抑制物抗性型（inhibitor-resistant）突变体能抵抗抗生素或其他抑制物的毒性作用。机制有多种。肺炎克雷伯菌对-内酰胺类抗生素的耐药机制主要是通过基因突变产生-内酰胺酶，破坏抗生素，降低细胞膜对抗生素的通透性及形成生物膜的群体作用。4）调节型（regulatory）突变体的启动子和其他序列存在缺陷。可使一些基因持续表达，而这些基因正常情况下应根据情况进行表达或不表达。如：有诱导物

39、或没有诱导物的情况下都能产生lacmRNA的突变体.除了这四型外，很多突变是致死性的，导致突变细胞死亡。中国首次鉴别出人体肠道中中国首次鉴别出人体肠道中1093个个耐药基因耐药基因抗生素滥用是全球面临的风险。2010年，科学家分离出对所有抗生素均具有耐药性的超级细菌NDM-1。这引发了人们的普遍担忧：死亡会不会在某一天突然来袭？NDM-1能分解目前人类制造的所有抗生素，再经重组、不断复制扩张后产生抗药性。因此，使用抗生素越多的人或动物，体内细菌的适应性越强。研究成果在2013年9月自然通讯杂志上发表。基因突变的检测DNA损伤损伤修复(repairofDNAdamage)基因组每天受到数以千计的

40、损伤以及复制时出现错误。作为遗传信息的载体,DNA需要有极高的保真度,这不仅有赖于完善的复制体系,而且还需要有能纠正已存在错误的修复系统。在进化过程中生物细胞所获得的修复DNA损伤的能力是生物能保持遗传稳定性的关键。DNA损伤修复是在多种酶的作用下,生物细胞内的DNA分子受到损伤以后恢复结构的现象。有时修复并非完全消除DNA损伤，只是使细胞耐受损伤，继续生存，而留下的损伤在一定条件下显示出来（细胞恶变等）。对于不同的DNA损伤,生物体内存在许多不同的修复系统。多数细胞具有几类修复系统：1949年Kelner发现可见光可以使微生物免受紫外光照射所带来的致死性作用,首先提出了DNA修复的概念。光复

41、活光复活(Photoreactivation)1958年Rupert证实了这个反应是由一种变为化DNA光化酶(PhotoreactivatingEnzyme)催化,将光能转学能以修复紫外照射造成的损伤。光复活修复（PhotoreactivationRepair)作用是一种高度专一的DNA直接修复(DirectRepair)过程，它只作用于紫外线引起的DNA嘧啶二聚体（主要是TT,也有少量CT和CC)。光复活酶在生物界分布很广，从低等单细胞生物一直到鸟类都有，而高等的哺乳类却没有。人类MGMT(methylguaninemethyltransferaseO6-甲基化鸟嘌呤DNA转移酶)具有甲基转

42、移酶的活性，因此可以直接将6号位置鸟嘌呤的甲基直接移除。1964年,Setlow等人证明即使不经可见光的照射，大肠杆菌也能修复它的由紫外线所造成的DNA损伤，而后又证明其他微生物也有这种功能,当时就把这种修复功能称为暗复活或暗修复，即另一种DNA修复机制切割修复(excisionrepair，ER)。几乎所有有机体的生存都要依赖于这种修复机制。核酸内切酶切开二聚核酸内切酶切开二聚体的体的5 5末端末端,形成形成3 3-OH-OH和和5 5-P-P的单链的单链缺口缺口 核酸外切酶从核酸外切酶从5 5-P-P到到3 3-OH-OH方向切除二方向切除二聚体，并扩大缺口聚体，并扩大缺口 DNADNA聚

43、合酶以另一条聚合酶以另一条互补链为模板，从原互补链为模板，从原有链上暴露的有链上暴露的3 3-OH-OH 端起合成缺失片段端起合成缺失片段 连接酶将新合成链的连接酶将新合成链的3 3-OH-OH与原链的与原链的5 5-P-P相相连接连接 ER的生物功能是切除一个受损的碱基或核苷酸,并以正常的互补链为模板合成正确碱基以取代之。ER可分两种：一种是碱基切割修复(baseexcisionrepair,BER)。第二种切割修复为生物广泛应用,即核苷酸切割修复(nucleotideexcisionrepair,NER)。碱基切割修复DNA糖基化酶（DNAglycosylases）能识别DNA中的不正确碱

44、基，如尿嘧啶、次黄嘌呤和黄嘌呤，这些碱基是由胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤脱氨形成的。DNA糖基化酶可以切断这种碱基N-糖苷键，将其除去，形成的脱嘌呤（apurinic）或脱嘧啶（apyrimidinic）部位通常称为abasic部位或AP位点。再由AP核酸内切酶（APendonuclease）将残余的AP位点切下。DNA糖基化酶为损伤特异性的，细胞所含糖基化酶的特异性决定了修复损伤碱基的范围。如大多数生物尿嘧啶DNA糖基化酶(UDG）能处理识别U（C脱氨产生），8-氧鸟嘌呤DNA糖基化酶去除氧代鸟嘌呤（oxoG，由G氧化而来）。核苷酸切除修复核苷酸切除修复（NER）n这类对于DNA修复起独特作用的蛋

45、白为切割酶切割酶(excinuclease)。该酶不能区分各种不同的损伤，而是识别双螺旋上的异常扭曲。NER主要修复那些影响区域性的染色体结构的DNA损害，包括由紫外线所导致的嘧啶二聚体（pyrimidinedimer），化学分子或蛋白质与DNA间的键结DNA附加物（DNAadduct），或者DNA与DNA的键结DNA交互连结（cross-link）等。切口切口切口切口 核苷酸切除修复核苷酸切除修复在E.coli中,三种蛋白UvrA.B.C、D构成切割酶活性。关于人类NER机制的细节(需要至少17种多肽参与)则只是在最近几年才发展起来。人类核苷酸切除修复有关的基因人类核苷酸切除修复有关的基因:

46、XPA，XPB，XPC，XPD，XPF，XPGn人类核苷酸切除修人类核苷酸切除修错配修复错配修复Mismatchrepair,MMR纠正纠正复制后复制后子链中错配碱基的修复方式子链中错配碱基的修复方式。大肠杆菌的错配修复：DNA腺嘌呤甲基化酶、错配矫正酶（mismatchcorrectionenzyme）、DNA聚合酶、DNA外切酶DNA连接酶等11种蛋白参与。MutS.MutL、MutH CH3 G A T C C T AGGT G A T C53 C T A G35GTCH3 CH3 G A T C C T AGGTMutHMutSMutL切口切口 CH3 G A T C C T AGGT

47、 5 3CH3 G A T C53 C T A G35TGDNADNA解链酶解链酶 核酸外切酶核酸外切酶 SSBSSBdNMPs CH3 G A T C C T AGGT 5 3DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA连接酶连接酶dNTPs CH3 G A T C C T AGGC DNA错错配修复的模型配修复的模型MutS识别错配位点识别错配位点,并易位到并易位到GATC位点。位点。MutH在在GATC位点剪切非甲基化链，内切酶从位点剪切非甲基化链，内切酶从GATC到错配位点降解到错配位点降解DNA。MutL蛋白：将蛋白：将MutH和和MutS蛋白连接成复合体蛋白连接成复合体真核错配修复系统真

48、核错配修复系统Mismatchrepair2005年122卷 5期“Reconstitutionof5-DirectedHumanMismatchRepairinaPurifiedSystem”YanbinZhang,FenghuaYuan,StevenR.Presnell,KeliTian,YinGao,AlanE.Tomkinson,LiyaGu,andGuo-MinLi“在纯化后的系统中重构人类在纯化后的系统中重构人类5方向修复系统方向修复系统”研究描述了一种由错配引起的研究描述了一种由错配引起的 DNADNA切除的启始和终止模式。切除的启始和终止模式。通讯作者：李国民（武汉大学生物学基

49、地班学生，在美国肯塔基大学的研究工作）这一系统包括了这一系统包括了MutS或者或者MutS、MutL、RPA、PCNA、EXO1、HMGB1、RFC和和DNA聚合酶聚合酶蛋白，缺乏蛋白，缺乏MutL蛋白蛋白EXO1就会无法停止作就会无法停止作用而切除过多的用而切除过多的DNA。重组修复重组修复recombinationrepair双链DNA中的一条链发生损伤。通过细胞间期DNA合成期来修复损伤。子链复制时跳过损伤区段，留下缺口，由模板琏的同源链对片段移至子链缺口填补空缺。再合成片段填补同源链。重组修复并没有从亲代DNA中去除二聚体。当第二次复制时，留在母链中的二聚体仍使复制不能正常进行，复制经

50、过损伤部位时所产生的切口，仍旧要用同样的重组过程来弥补，随着DNA复制的继续，若干代以后，虽然二聚体始终没有除去，但损伤的DNA链逐渐“稀释”，最后无损于正常生理功能，损伤也就得到了修复。同源重组修复（homologousrecombinationrepair，HR）DNA双链断裂(DNAdouble-strandbreaks,DSBs)作为最严重的损伤形式,主要激活同源重组修复（HR）和非同源末端连接(Non-homologousendjoining)通路。同源重组修复（HR）同源性重组修复是利用细胞内的染色体两两对应的特性，若其中一条染色体上的DNA发生双股断裂，则另一条染色体上对应的DN