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1、Chapter 4.DNA damage,repair，mutation第一节：突变第一节：突变（mutation)mutation)一、突变的主要类型突变是突变是DNADNA碱基序列水平上的永久的、可遗传的改变。碱基序碱基序列水平上的永久的、可遗传的改变。碱基序列的变化可以分为下面几种类型列的变化可以分为下面几种类型：碱基替换（碱基替换（base substitutionbase substitution），即），即DNADNA分子中一个碱基被分子中一个碱基被另一个碱基替代；插入（另一个碱基替代；插入（insertioninsertion），涉及一个或多个碱基插），涉及一个或多个碱基插入到入
2、到DNADNA序列中；缺失（序列中；缺失（deletiondeletion），涉及），涉及DNADNA序列上一个或多序列上一个或多个碱基的缺失；个碱基的缺失；重复（重复（duplicationduplication），一段碱基序列发生一次重复；倒位），一段碱基序列发生一次重复；倒位（inversioninversion），一段碱基序列发生倒转，但仍保留在原来的位），一段碱基序列发生倒转，但仍保留在原来的位置上；易位（置上；易位（translocationtranslocation），一段碱基序列从原来的位置移），一段碱基序列从原来的位置移出，并插入到基因组的另一位置。出，并插入到基因组的另一位
3、置。1.1.碱基替换碱基替换 碱基替换又称为点突变（碱基替换又称为点突变（point mutationpoint mutation），是一种最简单），是一种最简单的突变。碱基替换可以分为转换（的突变。碱基替换可以分为转换（transitiontransition）和颠换）和颠换（transversiontransversion）两种类型。转换是指嘌呤与嘌呤之间，或嘧）两种类型。转换是指嘌呤与嘌呤之间，或嘧啶与嘧啶之间的替换；颠换是指嘌呤与嘧啶之间的替换。啶与嘧啶之间的替换；颠换是指嘌呤与嘧啶之间的替换。转转 换换：嘌嘌 呤呤 与与 嘌嘌 呤呤 之之 间间，嘧嘧 啶啶 与与 嘧嘧 啶啶 之之 间
4、间 的的 互互 换换 AG T C颠换颠换：嘌呤与嘧啶之间发生互换嘌呤与嘧啶之间发生互换 A T or C T A or G G T or C C A or G 根根据据碱碱基基替替代代对对多多肽肽链链中中氨氨基基酸酸顺顺序序的的影影响响，点点突突变变又又可可以以分为同义突变、错义突变和无义突变三种类型。分为同义突变、错义突变和无义突变三种类型。有有时时DNADNA的的一一个个碱碱基基对对的的改改变变并并不不会会影影响响基基因因所所编编码码的的蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸序序列列，这这是是因因为为改改变变后后的的密密码码子子和和改改变变前前的的密密码码子子是是简简并并密密码码子子，它它们们编编
5、码码同同一一种种氨氨基基酸酸，这这种种基基因因突突变变称为称为同义突变（同义突变（synonymous mutation)synonymous mutation)。由由于于碱碱基基对对的的改改变变而而使使决决定定某某一一氨氨基基酸酸的的密密码码子子变变为为决决定定另另一一种种氨氨基基酸酸的的密密码码子子的的基基因因突突变变叫叫错错义义突突变变（missensemissense mutationmutation）。）。基基因因突突变变有有可可能能使使它它所所编编码码的的蛋蛋白白质质部部分分或或完完全全失失活活，例例如如人人血血红红蛋蛋白白链链的的基基因因如如果果将将决决定定第第6 6位位氨氨基基
6、酸酸的的密密码码子子由由GAG GAG（谷谷氨氨酸酸）变变为为GTG(GTG(缬缬氨氨酸酸)，从从而而引引起起镰镰刀刀形形细细胞胞贫贫血血病。病。fig.11.2sickle cell disease 有有一一些些错错义义突突变变造造成成的的氨氨基基酸酸替替代代并并不不影影响响蛋蛋白白质质的的功功能能，我我们们就就称称之之为为中中性性突突变变。例例如如密密码码子子AGGAAGAGGAAG，导导致致了了LysLys取取代代了了ArgArg，这这两两种种氨氨基基酸酸都都是是碱碱性性氨氨基基酸酸，性性质质十十分分相相似似，所所以以蛋蛋白白的的功功能能并并不不发发生生重重大大的的改改变变。中中性性突突
7、变变连连同同同同义义突突变变一一起起被被称为沉默突变（称为沉默突变（silent mutationsilent mutation）。）。由由于于某某个个碱碱基基替替代代使使决决定定某某一一氨氨基基酸酸的的密密码码子子变变成成一一个个终终止止密密码码子子的的基基因因突突变变叫叫无无义义突突变变（nonsense nonsense mutationmutation）。其其中中密密码码子子改改变变为为UAGUAG的的无无义义突突变变又又叫叫琥琥珀珀突突变变，密密码码子子改改变变成成UAAUAA的的无无义义突突变变又又叫叫赭赭石石突突变变。无无义义突突变变使使多多肽肽链链的的合合成成提提前前终终止止，
8、产产生生截截短短的的蛋蛋白白质质，这这样样的的蛋蛋白白质质常常常常是是没没有有活活性性的。的。突变也可以把终止密码子转变成编码某一氨基酸的有义密突变也可以把终止密码子转变成编码某一氨基酸的有义密码子，造成终止信号的通读（码子，造成终止信号的通读（readthroughreadthrough），结果是多肽链），结果是多肽链的的C C末端添加了一段氨基酸序列。对于大多数蛋白质，末端添加了一段氨基酸序列。对于大多数蛋白质，C C末端延末端延伸一段短的氨基酸序列，并不影响它们的功能，但是过长的延伸一段短的氨基酸序列，并不影响它们的功能，但是过长的延伸会影响蛋白质的折叠，降低蛋白质的活性。伸会影响蛋白质
9、的折叠，降低蛋白质的活性。2.Deletions,Insertions and Frameshift mutations 基基因因的的编编码码序序列列中中插插入入或或者者缺缺失失一一个个或或两两个个碱碱基基，会会使使DNADNA的的阅阅读读框框架架发发生生改改变变，导导致致插插入入或或缺缺失失部部位位之之后后的的所所有有密密码码子子都都跟跟着着发发生生变变化化，结结果果产产生生一一种种截截短短的的或或异异常常的的多多肽肽链链，这这种种突突变变称称为为移移码码突突变变（frameshiftframeshift mutationsmutations）。移移码码突突变变常常常常完完全全破破坏坏了了编
10、编码码蛋蛋白白质质的的功功能能，除除非非移移码码突突变变发发生生在在靠靠近近读读码码框框的远端的地方。的远端的地方。Frameshiftmutation5AUGUGGGGACCCAAGGGUAGCCCC.3(wild-type)mettrpglyprolysglyserpro.5AUGUGGGGGGACCCAAGGGUAGCCCC.3(mutant)mettrpglythrglnglystopTwo changes in polypeptides are possible:(1)every amino acid downstream of the mutation is changed,(2)
11、a truncated(shortened)protein is produced.然而，一次插入或者缺失三个碱基会添加或者删除一个完整然而，一次插入或者缺失三个碱基会添加或者删除一个完整的密码子，阅读框又得到恢复。这时，除了添加或缺失一个氨的密码子，阅读框又得到恢复。这时，除了添加或缺失一个氨基酸残基，蛋白质的其他部分并未发生变化。如果添加（或缺基酸残基，蛋白质的其他部分并未发生变化。如果添加（或缺失）的氨基酸不在蛋白质的功能区，仍能产生功能蛋白。失）的氨基酸不在蛋白质的功能区，仍能产生功能蛋白。3.DNA重排 DNADNA重排包括缺失、倒位、易位和重复。基因组中相似序列重排包括缺失、倒位、
12、易位和重复。基因组中相似序列之间的配对，以及随后发生的重组可以造成之间的配对，以及随后发生的重组可以造成DNADNA的重排。如图，的重排。如图，同一同一DNADNA分子的两个同向重复序列之间的配对和重组将使两个重分子的两个同向重复序列之间的配对和重组将使两个重复序列之间的部分形成一个独立的环，从原来的复序列之间的部分形成一个独立的环，从原来的DNADNA分子上释放分子上释放出来。原来的出来。原来的DNADNA分子则产生相应的缺失。分子则产生相应的缺失。图表示同一图表示同一DNADNA分子上的两个反向重复序列发生配对形成的茎分子上的两个反向重复序列发生配对形成的茎环结构。配对后的重组将导致反向重
13、复序列之间的部分发生倒环结构。配对后的重组将导致反向重复序列之间的部分发生倒位。大肠杆菌染色体含有位。大肠杆菌染色体含有7 7个拷贝的个拷贝的rRNArRNA基因。有一些大肠杆菌基因。有一些大肠杆菌菌株，染色体上两个菌株，染色体上两个rRNArRNA操纵子之间的序列发生了倒位。这些操纵子之间的序列发生了倒位。这些菌株能够存活，但生长速度比正常的菌株要慢一些。菌株能够存活，但生长速度比正常的菌株要慢一些。二、突变的产生1 1自发突变自发突变（1 1）复制差错可以引起自发突变（）复制差错可以引起自发突变（spontaneous spontaneous mutationmutation）DNA DN
14、A聚合酶在聚合酶在DNADNA复制过程中偶尔会出现差错，将错误的碱基复制过程中偶尔会出现差错，将错误的碱基插入到插入到DNADNA分子中，引发突变。分子中，引发突变。另外，碱基的互变异构有时也会另外，碱基的互变异构有时也会导致突变的发生。导致突变的发生。DNADNA分子中的碱基都存在两种互变异构体，它分子中的碱基都存在两种互变异构体，它们处于动态平衡中，所以每一种碱基都可以从一种异构体转变们处于动态平衡中，所以每一种碱基都可以从一种异构体转变为另一种异构体。为另一种异构体。DNADNA复复制制时时，碱碱基基配配对对的的性性质质由由于于碱碱基基互互变变异异构构化化而而发发生生的的改改变变也也能能
15、产产生生突突变变。图图表表示示偶偶尔尔在在复复制制叉叉到到达达的的关关键键时时刻刻，模模板板上上的的G G从从酮酮式式变变为为稀稀醇醇式式，致致使使碱碱基基的的配配对对性性质质发发生生了了变变化化，与与T T而而不不是是与与C C配配对对。DNADNA再再复复制制一一次次产产生生的的两两个个子子代代双双螺螺旋旋中中的的一一个个将将带带有有突突变变，罕罕见见的的互互变变异异构构体体会会转转变变成成其其常常见见形形式式，配配对对性性质质有有恢恢复复到到正正常常。由由于于正正常常碱碱基基形形成成异异构构体体的的几几率率很很低低，所所以以自自发发突突变变的的频频率率也也很很低低，一一般般为为10106
16、 610101010。如如果果某某一一碱碱基基类类似似物物能能以以较较高高的的频频率率产产生生异异构构体体，当掺入当掺入DNADNA分子后，就能提高突变率。分子后，就能提高突变率。Tautomeric shifts can be a source of rare spontaneous mutationDuring the next round of DNA replication,the transition mutation becomes“fixed”in the DNA.并并非非所所有有的的复复制制错错误误都都是是点点突突变变，异异常常的的复复制制也也可可以以造造成成插插入入或或缺缺失
17、失突突变变。当当复复制制叉叉遇遇到到串串联联重重复复序序列列时时模模板板链链与与新新生生链链之之间间有有时时会会发发生生相相对对移移动动，导导致致部部分分模模板板链链被被重重复复复复制制或或者者被被遗遗漏漏，其其结结果果是是新新生生链链多多了了或或少少了了一一些些重重复复单单位位。复复制制滑滑移移（strand strand slippageslippage）是是微微卫卫星星（microsatellitemicrosatellite）产生的主要原因。产生的主要原因。(a)Normalreplication.(b)Backwardslippage,resultingintheinsertionm
18、utation.(c)Forwardslippage,resultinginthedeletionmutation.微卫星是一种短串连重复微卫星是一种短串连重复DNADNA。典型的微卫星是以。典型的微卫星是以1 1，2 2，3 3或或4 4 bpbp长的序列为单位，重复长的序列为单位，重复10102020次形成的。人类微卫星中，最次形成的。人类微卫星中，最常见的类型是二核苷酸重复序列，在整个人类基因组中约常见的类型是二核苷酸重复序列，在整个人类基因组中约140 140 000000拷贝。比如，人类基因组具有拷贝。比如，人类基因组具有CACA重复的微卫星，重复的微卫星，CACACACACACAC
19、ACCACACACACACACAC，占基因组，占基因组0.250.25，共，共8 Mb8 Mb。发生在短重复序列处的链的滑移也可能与人类的三核苷酸重复发生在短重复序列处的链的滑移也可能与人类的三核苷酸重复序列扩增疾病（序列扩增疾病（trinucleotidetrinucleotide repeat expansion disease repeat expansion disease）的发生有关。例如，人类的发生有关。例如，人类HDHD基因含有串联重复基因含有串联重复6 63535次的次的5-5-CAG-3CAG-3，编码蛋白质产物中的多聚谷胺酰胺。在亨廷顿氏病，编码蛋白质产物中的多聚谷胺酰胺。
20、在亨廷顿氏病（Huntington diseaseHuntington disease）中，这些重复序列扩增至）中，这些重复序列扩增至3636121121个个拷贝，增加了多聚谷胺酰胺的长度，造成蛋白质功能障碍。一拷贝，增加了多聚谷胺酰胺的长度，造成蛋白质功能障碍。一些与智力缺陷有关的疾病与基因前导区的三核苷酸扩增引起的些与智力缺陷有关的疾病与基因前导区的三核苷酸扩增引起的染色体脆性位点（染色体脆性位点（fragile sitefragile site）有关。）有关。(2)(2)碱基的脱氨作用引起的自发突变碱基的脱氨作用引起的自发突变在正常的生理条件下，腺嘌呤、鸟嘌呤、尤其是胞嘧啶可在正常的生理
21、条件下，腺嘌呤、鸟嘌呤、尤其是胞嘧啶可以自发地发生脱氨作用（以自发地发生脱氨作用（deaminationdeamination），脱去嘌呤环或嘧啶），脱去嘌呤环或嘧啶环上的氨基。胞嘧啶脱氨产生尿嘧啶，因此复制时在新生链对环上的氨基。胞嘧啶脱氨产生尿嘧啶，因此复制时在新生链对应的位点上插入的是腺嘌呤而不是鸟嘌呤。腺嘌呤自发脱氨转应的位点上插入的是腺嘌呤而不是鸟嘌呤。腺嘌呤自发脱氨转变成次黄嘌呤，次黄嘌呤优先与胞嘧啶配对，而不是与胸腺嘧变成次黄嘌呤，次黄嘌呤优先与胞嘧啶配对，而不是与胸腺嘧啶配对。因此，腺嘌呤和胞嘧啶的脱氨作用可以造成突变。鸟啶配对。因此，腺嘌呤和胞嘧啶的脱氨作用可以造成突变。鸟嘌
22、呤脱氨后变成了黄嘌呤（嘌呤脱氨后变成了黄嘌呤（xanthinexanthine），由于黄嘌呤仍与胞嘧），由于黄嘌呤仍与胞嘧啶配对，只是它们之间只形成两个氢键，因此鸟嘌呤的脱氨作啶配对，只是它们之间只形成两个氢键，因此鸟嘌呤的脱氨作用并不能引起突变。用并不能引起突变。Deamination of C yields U which base pairs with AResults in C-G to T-A transitionThis occurs spontaneouslyDeamination2.Mutations are produced by mutagens某某些些物物理理或或化化学学
23、因因素素可可以以提提高高突突变变率率，这这些些能能够够导导致致突突变变的的物物理理或或化化学学因因素素就就称称为为诱诱变变剂剂（mutagenmutagen）。诱诱变变剂剂会会对对DNADNA分分子子造造成成损损伤伤。如如果果损损伤伤在在DNADNA复复制制之之前前还还没没有有被被体体内内的的修修复复系系统统所所修修复复，在在DNADNA复复制制过过程程中中，当当复复制制叉叉抵抵达达损损伤伤部部位位时时，常常常常发发生生复复制制错错误误，从从而而引引起起诱诱变变。不不同同的的诱诱变变剂剂以以不不同同的的方方式式对对DNADNA分分子子产产生生损损伤伤，因因而而诱诱导导突突变变的的方方式式可可能
24、能也也不不同同。对对DNADNA造造成成损损伤伤的的因因素素并并不不一一定定都都是是诱诱变变剂剂，比比如如造造成成DNADNA断断裂裂的的断断裂裂剂剂。这这种种类类型型的的损损伤伤可可阻阻遏遏复复制制，导导致致细细胞死亡。胞死亡。(1)(1)物理诱变剂物理诱变剂 紫外线引起相邻的嘧啶碱基产生嘧啶二聚体紫外线引起相邻的嘧啶碱基产生嘧啶二聚体X-X-射线和射线和-射线是电离辐射，它们作用于水分子以及其他的射线是电离辐射，它们作用于水分子以及其他的细胞内分子产生离子和自由基，尤其是羟自由基（细胞内分子产生离子和自由基，尤其是羟自由基（hydroxyl hydroxyl radicalradical）
25、。具有高度反应活性的自由基会对）。具有高度反应活性的自由基会对DNADNA分子产生广分子产生广泛的损伤。泛的损伤。X-X-射线和射线和-射线也可以直接作用于射线也可以直接作用于DNADNA，对，对DNADNA产产生损伤。在分子生物学发展的早期，生损伤。在分子生物学发展的早期，X X射线经常被用来在实射线经常被用来在实验室产生突变。验室产生突变。X X射线倾向于产生多种突变，并且常常造成射线倾向于产生多种突变，并且常常造成DNADNA重排，例如缺失、倒转和移位。重排，例如缺失、倒转和移位。加加热热可可以以促促进进碱碱基基和和戊戊糖糖之之间间N N-糖糖苷苷键键的的水水解解，结结果果导导致致DNA
26、DNA分分子子上上出出现现APAP（apurinic/apyrimidinicapurinic/apyrimidinic,无无嘌嘌呤呤/无无嘧嘧啶啶）位位点点，其其中中嘌嘌呤呤更更容容易易从从DNADNA分分子子上上脱脱落落。APAP位位点点处处的的糖糖磷磷酸酸基基团团不不稳稳定定，很很快快被被降降解解，在在双双链链DNADNA分分子子上上留留下下一一个个缺缺口口。双双链链DNADNA分分子子上上的的缺缺口口一一般般没没有有诱诱变变作作用用，因因为为这这种种损损伤伤可可以以被被有有效效修修复复。事事实实上上，在在人人的的一一个个细细胞胞中中，每每一一天天会会形形成成10 10 000000个个
27、APAP位位点点。但但是是，在在某某些些情情况况下下，缺缺口口可可以以产产生生突突变变，比比如大肠杆菌细胞中的如大肠杆菌细胞中的SOSSOS反应被激活时。反应被激活时。(2)(2)化学诱变剂化学诱变剂 碱碱基基类类似似物物（base base analoganalog）指指化化学学结结构构与与核核酸酸分分子子中中的的正正常常碱碱基基类类似似的的化化合合物物，在在DNADNA正正常常合合成成过过程程中中，碱碱基基类类似似物物可可以以与与模模板板上上的的碱碱基基配配对对掺掺入入到到DNADNA分分子子中中，而而不不被被DNADNA聚聚合合酶酶的的3 3 55外外切切酶酶活活性性所所切切除除。如如果
28、果是是单单纯纯的的碱碱基基替替代代并并不不引引发发突突变变，因因为为在在下下一一轮轮DNADNA复复制制时时又又可可以以产产生生正正常常的的DNADNA分分子子。然然而而，碱碱基基类类似似物物能能以以更更高高的的频频率率发发生生酮酮式式和和稀稀醇醇式式的的互互变变异异构构，或或者者形形成成两两种种形形式式的的氢氢键键，这这就就使使碱基类似物具有诱变作用（碱基类似物具有诱变作用（mutagenicmutagenic）。）。碱碱基基类似物似物Base-analogue mutagensBase-analogue mutagens的的诱变作用作用 最最常常被被应应用用碱碱基基类类似似物物是是5-5-
29、溴溴尿尿嘧嘧啶啶（5 5bromouracilbromouracil,5-BU5-BU或或BUBU）和和2-2-氨氨基基嘌嘌呤呤(2-(2-aminopurineaminopurine,2-AP)2-AP)。通通常常情情况况下下5-5-溴溴尿尿嘧嘧啶啶以以酮酮式式结结构构存存在在，是是胸胸腺腺嘧嘧啶啶(T)T)的的结结构构类类似似物物，能能与与A A配对。但它有时能以稀醇式结构存在，与配对。但它有时能以稀醇式结构存在，与G G配对。配对。在在DNADNA复复制制时时，BUBU以以通通常常的的酮酮式式结结构构取取代代T T与与A A配配对对掺掺入入到到DNADNA分分子子中中。在在下下一一轮轮复
30、复制制中中，酮酮式式结结构构可可以以变变成成稀稀醇醇式式结结构构，与与G G配配对对。再再经经过过一一轮轮的的复复制制，G G与与C C配配对对，引引起起TATA至至CGCG的的转转换换。在在DNADNA复复制制时时BUBU也也可可以以取取代代C C与与G G配配对对，产产生生GCGC至至ATAT的的转转换换，但但这这种种能能力力较较弱弱。不不管管哪哪种种情情况况，BUBU掺掺入入到到DNADNA分分子子后后，必必须须经经过两轮复制才能产生稳定的可遗传的突变。过两轮复制才能产生稳定的可遗传的突变。AGCTTCCTATCGAAGGATAGCTBCCTATCGAAGGAT1.Base analog
31、 incorporationAGCTBCCTATCGAGGGATAGCTTCCTATCGAAGGAT2.1st round of replicationAGCTBCCTATCGAAGGATAGCTCCCTATCGAGGGAT3.2nd round of replicationATGC transition2-2-氨氨基基嘌嘌呤呤是是腺腺嘌嘌呤呤的的结结构构类类似似物物，它它能能代代替替A A进进入入DNADNA分分子子中中与与T T配配对对有有两两个个氢氢键键，结结合合的的程程度度较较牢牢固固；它它也也能能与与C C形形成成只只有有一一个个氢氢键键的的碱碱基基对对，结结合合得得较较弱弱。随随后
32、后经经DNADNA复复制制，C C与与G G配配对对完完成成ATAT至至GCGC的的转转换换，且且这这种种转转换换多多是是单单方方向向的的，因因为为2-2-氨基嘌呤较难代替氨基嘌呤较难代替G G而与而与C C配对。配对。脱氨剂脱氨剂(DeaminationDeamination agents agents）的的诱变作用诱变作用 许许多多化化学学诱诱变变剂剂能能以以不不同同的的方方式式修修饰饰DNADNA分分子子的的碱碱基基，改改变变其其配配对对性性质质而而引引起起突突变变。脱脱氨氨剂剂（deaminationdeamination agentagent）可可以以除除去去碱碱基基上上的的氨氨基基
33、，改改变变其其配配对对性性质质，造造成成碱碱基基转转换换突突变变。脱脱氨氨作作用用也也可可以以自自发发地地发发生生，但但是是一一些些化化学学物物质质，例例如如亚亚硝硝酸酸（nitrous nitrous acidacid），可可以以促促进进腺腺嘌嘌呤呤、胞胞嘧嘧啶啶和和鸟鸟嘌嘌呤脱氨作用的发生。呤脱氨作用的发生。腺腺嘌嘌呤呤脱脱氨氨后后变变成成次次黄黄嘌嘌呤呤（hypoxanthinehypoxanthine），次次黄黄嘌嘌呤呤与与C C配配对对而而不不是是与与T T配配对对，胞胞嘧嘧啶啶脱脱氨氨后后变变成成尿尿嘧嘧啶啶与与A A配配对对而而不不是是与与C C配配对对。因因此此，腺腺嘌嘌呤呤和
34、和胞胞嘧嘧啶啶的的脱脱氨氨作作用用可可以以造造成突变。成突变。烷烷化化剂剂是是一一类类能能够够向向碱碱基基上上添添加加烷烷基基基基团团的的诱诱变变剂剂。烷烷化化剂剂很很容容易易将将烷烷基基加加到到DNADNA链链中中嘌嘌呤呤或或嘧嘧啶啶的的N N或或O O上上，其其中中鸟鸟嘌嘌呤呤的的N N7 7和腺嘌呤的和腺嘌呤的N N3 3最容易受攻击。最容易受攻击。烷化剂烷化剂(AlkylatingAlkylating ）的诱变作用的诱变作用 嵌入剂（嵌入剂（intercalating agentsintercalating agents）诱变作用诱变作用吖吖啶啶橙橙（acridineacridine
35、orangeorange）、原原黄黄素素(proflavineproflavine)和和溴溴化化乙乙啶啶（ethidiumethidium bromidebromide）等等吖吖啶啶类类染染料料有有效效的的移移码码突突变变诱诱变变剂剂。吖吖啶啶类类化化合合物物是是一一种种平平面面三三环环分分子子，其其大大小小和和形形状状与与一一个个嘌嘌呤呤-嘧嘧啶啶碱碱基基对对相相似似，因因此此能能够够插插入入DNADNA分分子子中中两两个个相相邻邻的的碱碱基基对对之之间间，使使得得原原来来相相邻邻的的碱碱基基对对分分开开一一定定的的距距离离，致致使使DNADNA在在复复制制时时增增加加或或缺缺失失一一个个碱
36、碱基基，造造成成移移码突变。码突变。活性氧分子氧（分子氧（O2O2）对）对DNADNA分子不会造成损伤，但是活性氧会对分子不会造成损伤，但是活性氧会对DNADNA分分子产生广泛的损伤。活性氧包括超氧化物自由基子产生广泛的损伤。活性氧包括超氧化物自由基（SuperoxideSuperoxide）、羟自由基（）、羟自由基（hydroxyl radicalhydroxyl radical）、过氧化氢）、过氧化氢（hydrogen peroxidehydrogen peroxide）等。与分子氧相比，活性氧携带了更多）等。与分子氧相比，活性氧携带了更多的电子。细胞内的活性氧既可以由细胞内的正常代谢途径
37、产生，的电子。细胞内的活性氧既可以由细胞内的正常代谢途径产生，也可以由环境因子诱导产生。这些自由基可在许多位点上攻击也可以由环境因子诱导产生。这些自由基可在许多位点上攻击DNADNA，产生一系列氧化产物。，产生一系列氧化产物。在众多氧化损伤中，鸟嘌呤在众多氧化损伤中，鸟嘌呤8 8位碳原子的氧化最为常见，其氧位碳原子的氧化最为常见，其氧化产物化产物8-8-羟基鸟嘌呤羟基鸟嘌呤(8-hydroxy-guanine)(8-hydroxy-guanine)较为稳定，易于检较为稳定，易于检测，被视为测，被视为DNADNA氧化损伤的标志物。氧化损伤的标志物。8-8-羟基鸟嘌呤优先与羟基鸟嘌呤优先与A A配
38、对，配对，在在DNADNA复制时产生复制时产生G:CG:C到到T:AT:A的颠换。的颠换。“O2-”hyperoxide“H2O2”Peroxide“OH”hydroxyl三、正向突变、回复突变与突变的校正三、正向突变、回复突变与突变的校正目前为止，我们所讨论的突变属于正向突变目前为止，我们所讨论的突变属于正向突变（forward mutationforward mutation），也就是改变了野生型性状），也就是改变了野生型性状的突变。相反的过程也可以发生，这种使突变型性的突变。相反的过程也可以发生，这种使突变型性状恢复到野生型性状的突变就称为回复突变状恢复到野生型性状的突变就称为回复突变（
39、reverse mutationreverse mutation）。回复突变可以自发地发生，）。回复突变可以自发地发生，也可以用诱变剂处理增加其频率。回复突变产生的也可以用诱变剂处理增加其频率。回复突变产生的机制十分复杂，最简单的情形是第二次突变与第一机制十分复杂，最简单的情形是第二次突变与第一次突变发生在同一位点，并且恢复了野生型序列这次突变发生在同一位点，并且恢复了野生型序列这是真正的回复突变。是真正的回复突变。然而，真正的回复突变很少发生，大多数回复突变然而，真正的回复突变很少发生，大多数回复突变都发生在另一位点。因此，这样的第二次突变并未都发生在另一位点。因此，这样的第二次突变并未恢复
40、野生型的碱基序列，只是其表型被抑制了。第恢复野生型的碱基序列，只是其表型被抑制了。第二点突变可以发生在同一基因之中，也可以发生在二点突变可以发生在同一基因之中，也可以发生在不同的基因之中，前者称为基因内抑制，后者称为不同的基因之中，前者称为基因内抑制，后者称为基因间抑制。在这一章，我们仅考察一下基因内抑基因间抑制。在这一章，我们仅考察一下基因内抑制形成的机制。制形成的机制。错义突变所造成的表型性状的改变可能是因为突变错义突变所造成的表型性状的改变可能是因为突变影响到了蛋白质空间结构，进而导致蛋白质活性的影响到了蛋白质空间结构，进而导致蛋白质活性的丧失。假设，一种蛋白质空间结构的形成完全取决丧失
41、。假设，一种蛋白质空间结构的形成完全取决于多肽链上两个特定氨基酸残基之间的静电吸引作于多肽链上两个特定氨基酸残基之间的静电吸引作用。如果突变导致其中一个带正电荷的氨基酸残基用。如果突变导致其中一个带正电荷的氨基酸残基被一带负电荷的氨基酸残基所取代，蛋白质蛋白质被一带负电荷的氨基酸残基所取代，蛋白质蛋白质就不能正确折叠。但是，如果第二次突变使另一带就不能正确折叠。但是，如果第二次突变使另一带负电荷的氨基酸残基又被一带负电荷的氨基酸残基负电荷的氨基酸残基又被一带负电荷的氨基酸残基取代，蛋白质就会形成正确的构象。取代，蛋白质就会形成正确的构象。1.1.基因内抑制基因内抑制图表示了另一种更为复杂的基因
42、内抑制。在这里，图表示了另一种更为复杂的基因内抑制。在这里，蛋白质的结构由蛋白质的结构由6 6个氨基酸残基之间的疏水作用维持个氨基酸残基之间的疏水作用维持的。正向突变使其中一个侧链较小的氨基酸残基，的。正向突变使其中一个侧链较小的氨基酸残基，被一个侧链较大的氨基酸残基所取代。而第二位点被一个侧链较大的氨基酸残基所取代。而第二位点的回复突变使原来与丙氨酸相互作用的较大的氨基的回复突变使原来与丙氨酸相互作用的较大的氨基酸残基变为较小的氨基酸残基，恢复了疏水作用，酸残基变为较小的氨基酸残基，恢复了疏水作用，因而恢复了蛋白质分子的功能。因而恢复了蛋白质分子的功能。对第对第2 2位点氨基酸取代的抑制效应
43、进行分析有助于揭位点氨基酸取代的抑制效应进行分析有助于揭示蛋白质的空间结构。如果氨基酸示蛋白质的空间结构。如果氨基酸A A被被X X取代所产生取代所产生的突变型效应被发生在另一位点的氨基酸取代（比的突变型效应被发生在另一位点的氨基酸取代（比如氨基酸如氨基酸B B被被Y Y取代）所抑制，取代）所抑制，A A和和B B两个氨基酸在蛋两个氨基酸在蛋白质的空间结构中彼此接近，或者位于两个蛋白质白质的空间结构中彼此接近，或者位于两个蛋白质上两个相互作用的区域。上两个相互作用的区域。移码突变的回复突变通常发生在同一基因的另一个移码突变的回复突变通常发生在同一基因的另一个位点上，并且回复突变位点靠近原初的突
44、变位点，位点上，并且回复突变位点靠近原初的突变位点，只有这样两个突变位点之间才会有很少的氨基酸发只有这样两个突变位点之间才会有很少的氨基酸发生改变。两个突变位点之间的氨基酸序列发生改变生改变。两个突变位点之间的氨基酸序列发生改变不会对蛋白质的功能产生显著影响。不会对蛋白质的功能产生显著影响。2基因间抑制我们已经知道，编码一种氨基酸的密码子变成终止我们已经知道，编码一种氨基酸的密码子变成终止密码子称为无义突变，无义突变产生一种截短的、密码子称为无义突变，无义突变产生一种截短的、通常无功能的蛋白质。无义突变可以被另一基因上通常无功能的蛋白质。无义突变可以被另一基因上的突变所抑制。无义突变的抑制突变
45、通常是一个的突变所抑制。无义突变的抑制突变通常是一个tRNAtRNA基因突变，导致其反密码子发生改变，结果产基因突变，导致其反密码子发生改变，结果产生一种能够识别终止密码子的生一种能够识别终止密码子的tRNAtRNA。在图中，野生型基因中一个编码酪氨酸的密码子在图中，野生型基因中一个编码酪氨酸的密码子UACUAC突变成一个突变成一个终止密码子终止密码子UAGUAG。突变基因编码一条无活性的蛋白质片段。细胞。突变基因编码一条无活性的蛋白质片段。细胞内无意突变的抑制突变发生在亮氨酰内无意突变的抑制突变发生在亮氨酰tRNAtRNA基因内，突变使基因内，突变使tRNALeutRNALeu的反密码子由的
46、反密码子由3-AAC-53-AAC-5转变成转变成3-AUC-53-AUC-5。突变的。突变的tRNAtRNA把终止密码子把终止密码子UAGUAG读成亮氨酸的密码子。读成亮氨酸的密码子。这种突变的这种突变的tRNAtRNA称为抑制子称为抑制子tRNAtRNA（suppressor suppressor tRNAtRNA）。一般把）。一般把终止密码子终止密码子UAGUAG称为琥珀型（称为琥珀型（amberamber），），UAAUAA为赭石型为赭石型(ochre)(ochre)，UGAUGA为乳白型为乳白型(opal)(opal)。琥珀型抑制子为识别。琥珀型抑制子为识别UAGUAG的突变型的突变
47、型tRNAtRNA。赭石型抑制子反密码子为赭石型抑制子反密码子为AUUAUU，由于反密码子和密码子识别过程，由于反密码子和密码子识别过程中的摆动原理，赭石型抑制中的摆动原理，赭石型抑制tRNAtRNA可以识别可以识别UAAUAA和和UAGUAG两种反密码两种反密码子。乳白型反密码子很少发现。子。乳白型反密码子很少发现。抑制抑制tRNAtRNA的产生并不会影响读码框中有义密码子的识别。对于的产生并不会影响读码框中有义密码子的识别。对于一种密码子细胞往往有多个拷贝的一种密码子细胞往往有多个拷贝的tRNAtRNA基因，即使其中一个拷基因，即使其中一个拷贝发生了突变，也不会影响到对密码子的识别。所以，
48、抑制突贝发生了突变，也不会影响到对密码子的识别。所以，抑制突变至少在微生物中相当普遍，人们在细菌的谷胺酰胺、亮氨酸、变至少在微生物中相当普遍，人们在细菌的谷胺酰胺、亮氨酸、丝氨酸、酪氨酸和色氨酸丝氨酸、酪氨酸和色氨酸tRNAtRNA基因中发现了抑制突变。由抑制基因中发现了抑制突变。由抑制tRNAtRNA插入的氨基酸可能就是原来的氨基酸，这时蛋白质的功能插入的氨基酸可能就是原来的氨基酸，这时蛋白质的功能得到了完全的恢复。或者，抑制得到了完全的恢复。或者，抑制tRNAtRNA在突变位点插入了另外一在突变位点插入了另外一种氨基酸，使得突变基因产生了一个有部分活性的蛋白质。种氨基酸，使得突变基因产生了
49、一个有部分活性的蛋白质。在蛋白质合成过程中，终止密码子由释放因子识别。这样在蛋白质合成过程中，终止密码子由释放因子识别。这样，抑抑制制tRNAtRNA和释放因子对终止密码子的识别存在竞争。因此，抑制和释放因子对终止密码子的识别存在竞争。因此，抑制作用不是完全的，抑制效率通常是作用不是完全的，抑制效率通常是10104040。这样的抑制效。这样的抑制效率可以为细胞足够的功能蛋白。然而，抑制率可以为细胞足够的功能蛋白。然而，抑制tRNAtRNA也能识别未突也能识别未突变基因的终止密码子，造成通读，产生延长的多肽链。携带抑变基因的终止密码子，造成通读，产生延长的多肽链。携带抑制突变的细胞生长的速度比正
50、常的细胞要慢也就不足为奇了。制突变的细胞生长的速度比正常的细胞要慢也就不足为奇了。事实上，只有细菌和低等的真核生物（例如，酵母，事实上，只有细菌和低等的真核生物（例如，酵母，roundwormsroundworms）能够容忍抑制突变。在昆虫和哺乳动物中，抑制）能够容忍抑制突变。在昆虫和哺乳动物中，抑制突变是致死的。突变是致死的。四、突变的热点四、突变的热点突变可以发生在基因组中的任一位点。但是在基因突变可以发生在基因组中的任一位点。但是在基因组中，也存在一些位点，这些位点发生突变的几率组中，也存在一些位点，这些位点发生突变的几率比随机分布所估计的要高出许多，可能是预期的比随机分布所估计的要高出