1、重要性分析：本部分是遗传变异的重要内容。重点掌握：基因突变的概念和类型、基因突变的一般特点、理解诱变的因素及分子突变的机理、DNA的损伤修复和突变的检出。,参考文献：Daniel L. HartlGenetics: Analysis of Genes and GenomesChapter 7 Molecular mechanisms of mutation and DNA repair,第九章 基因突变与DNA的损伤修复,第一节、基因突变与多态的关系,A mutation is defined as any change in a DNA sequence away from normal.
2、This implies there is a normal allele that is prevalent in the population and that the mutation changes this to a rare and abnormal variant.,A polymorphism is a DNA sequence variation that is common in the population. No single allele is regarded as the standard sequence. Instead there are two or mo
3、re equally acceptable alternatives（multi-allele). The arbitrary cut-off point between a mutation and a polymorphism is 1 percent. they are responsible for many of the normal differences between people such as eye color, hair color, and blood type.,第二节 基因自发突变的一般特点,一、基因突变的广泛性（universality）二、基因突变的随机性 r
4、andom1、任何细胞均可发生突变：2基因突变通常独立发生：,四、基因突变的重演性和可逆性 reversibility1.重演性：同一生物不同个体间可以多次发生同样的突变。,2.可逆性：象许多生化反应过程一样是可逆的。,三、基因突变的稀有性 rarity,五、突变的多方向性 multi-direction1基因突变的方向不定，可多方向发生：2复等位基因(multi-allele)：3复等位基因广泛存在于生物界：植物的自交不亲和：人类血型,六、基因突变的有害性和有利性 disadvantage and advantage,1突变的有害性,如植物的隐性突变：白化苗致死,2、中性突变3、有利突变4、
5、突变有害的相对性相对环境：相对于人类需要：,七、突变的平行性,第三节 基因突变的类型,正向遗传学、反向遗传学正向遗传学：主要研究突变体中某一性状的遗传行为，包括控制突变性状的基因在后代中的传递规律、数目、结构、进化，染色体及亚细胞定位、转录谱、编码蛋白性质及互作等。研究方法是从表型入手，最后克隆到基因并明确基因功能。反向遗传学：在已知基因序列的基础上研究基因的生物学功能，通过功能丧失突变体或过表达体研究其表型效应。研究方法是从基因序列入手，通过敲除（干扰）基因或过表达基因，观察对表型的影响，明确基因的功能。,Map-based Cloning summary,Use genetic techn
6、iques to find marker near gene,Gene,Marker,Find cosegregating marker基于物理图发现更近的标记,Gene/Marker,Discover overlapping clones (or contig) that contains the marker,Gene/Marker,Find ORFs on contig/clone测序,Gene/Marker,Prove one ORF is the gene by transformation or mutant analysis,Mutant + ORF = Wild type?Ye
7、s? ORF = Gene,遗传图,物理图,Marker,第四节 突变发生的机制,一、自发突变的机制,1） DNA复制错误2） 自发的化学变化 A 脱嘌呤（depurination） B 脱氨（基）(deamination)作用 C 氧化作用损伤碱基（oxidatively damaged bases） 3）互变异构化,1、放射线 紫外线、 X-射线、 射线、 宇宙射线2、化学物质碱基类似物碱基修饰物DNA嵌入剂,二、诱发突变,3、基因的定点突变,4、突变热点 ( Mutation hotspot),突变位点在基因内的分布存在热点,突变热点形成的原因是5-甲基胞嘧啶（MeC）的存在，MeC脱氨
8、可以形成T，在DNA复制中就造成了G:C转换为A:T。 将基因组中富含CpG的一段DNA称为CpG岛(CpG island) ,长度在12kb左右。,以上的变异均涉及了遗传物质DNA序列的改变。,三、 表观遗传变异(Epigenetic variation),Practically, epigenetics describes phenomena in which genetically identical cells or organisms express their genomes differently, causing phenotypic differences.,表观遗传变异 (
9、Epigenetic variation)表观遗传学（Epigenetics) 表观基因组学(epigenomics),1、Epigenetic modification， include:Cytosine methylation of DNAHistone modifications,Collectively, these changes contribute to the distribution of DNA into silent, heterochromatin and active euchromatin,heterochromatin,euchromatin,1）DNA meth
10、ylation and demethylation,DNA can be covalently modified by cytosine methylation.,Epigenetic silencing of genes and transposons by DNA methylation,2） Histone modification affects chromatin structure,2.RNAi (RNA interference，RNAi)1)What are small RNAs（ siRNAs ）?,Small RNAs are a pool of 21 to 24 nt R
11、NAs that generally function in gene silencingSmall RNAs contribute to post-transcriptional gene silencing by affecting mRNA stability or translationSmall RNAs contribute to transcriptional gene silencing through epigenetic modifications to chromatin,AAAAA,4）RNAi的应用前景,研究基因功能的新工具RNAi能抑制/降低特异性基因的表达，起到基
12、因敲除的作用研究信号传导通路的新途径缺失突变技术与RNAi技术的结合可以研究复杂的信号传导途径中不同基因的上下游关系开展基因治疗的新策略肿瘤多是许多基因互作的结果，阻断单一癌基因不可能完全抑制/逆转肿瘤的生长；,The zygote receives two copies of each gene, one from the mothers genome and one from the fathers. At most loci, both copies are active. Some loci, imprinted loci, show a “parent of origin effec
13、t”. Expression of these loci is controlled by epigenetic factors.,四、Genomic imprinting,Normal phenotype,Summary,Expression of DNA is controlled by epigenetic marks including DNA methylation and histone modifications.siRNAs contribute to epigenetic programmingEpigenetic programming silences transposo
14、ns and controls the timing of many genes that control organism development.,肿瘤是细胞异常增殖所形成的细胞群。肿瘤形成后可在原位继续生长，也可转移进入其它组织器官（恶性肿瘤）。 同许多其他疾病一样，肿瘤的发生也是遗传因素和环境因素共同作用的结果。,双生子调查、系谱分析、遗传流行病学和染色体分析都已证实肿瘤的发生具有明显的遗传基础，它们有的呈单基因遗传；有的呈多基因遗传；有的与染色体畸变有关，有的构成了遗传综合征的一部分。,第五节 肿瘤（癌）遗传学,1、单基因遗传的肿瘤,视网膜母细胞瘤家系 （A：AD遗传家系；B：散发性
15、病例家系）,一、肿瘤的发生,2、多基因遗传的肿瘤,多基因遗传的肿瘤大多是一些常见的恶性肿瘤，这些肿瘤的发生是遗传因素和环境因素共同作用的结果。如乳腺癌、胃癌、肺癌、前列腺癌、子宫颈癌等，患者一级亲属的患病率都显著高于群体患病率。,例如：吸烟为肺癌的主要诱因，但肺癌也与遗传因素有关， 很多基因如AHH与肺癌易感性相关。,3、染色体畸变与肿瘤,在肿瘤细胞内常见到结构异常的染色休,如果一种异常的染色体较多地出现在某种肿瘤的细胞内，就称为标志染色体（marker chromosome）。,例如：慢性粒细胞性白血病（CML）中的费城染色体（Philadelphia chromosome）,The dis
16、appearing Barr body in breast and ovarian cancers.Pageau GJ et al. Nat Rev Cancer. 2007,7(8):628-33.,Interest has recently reawakened in whether loss of the heterochromatic X chromosome (Barr body) is prevalent （普遍的）in certain breast and ovarian cancers, and new insights into the mechanisms involved
17、 have emerged.We suggest that heterochromatic instability is a common but largely unexplored mechanism, leading to widespread genomic misregulation and the evolution of some cancers.,4、活化的巴氏小体激活了癌基因？,5、某些遗传性缺陷或疾病具有易患肿瘤的倾向性,共济失调性毛细血管扩张症Bloom综合征着色性干皮病Fanconi贫血症,例如：Werner Syndrome成年后就会急剧老化，表现出在许多癌症,例如：
18、 Bloom syndrome,多见于东欧犹太人的后裔。患者身材矮小，对日光敏感，故面部常有微血管扩张性红斑。早年发生的癌症（如白血病、林巴瘤）。,二、癌基因（oncogene）,能够使细胞发生癌变的基因统称为癌基因。他们原是正常细胞中的一些基因，是细胞生长发育所必需的。一旦这些基因在表达时间、表达部位、表达数量及表达产物结构等方面发生了异常，就可以导致细胞无限增殖并出现恶性转化。,1、癌基因是一类控制细胞正常生长与发育的基因包括：病毒癌基因（viral oncogene，v-onc）；原癌基因（proto-oncogene，pro-onc）；细胞癌基因（cellular oncogene，c
19、-onc）。生长因子类：如sis癌基因的产物是血小板生长因子（PDGF）链，可促进间质细胞的有丝分裂；,核内转录因子类：与细胞核结合，调节某些基因转录和DNA的复制，促进细胞的增殖。例如，myc癌基因的产物与DNA结合后可引起DNA的复制。2、原癌基因的突变与肿瘤发生点突变，Ph染色体易位可能是引起癌变的原因； 基因扩增:病毒诱导与启动子插入:,三、肿瘤抑制基因（recessive oncogene）,肿瘤抑制基因也称抑癌基因或隐性癌基因。,1、视网膜母细胞瘤的RB1基因视网膜母细胞瘤是婴儿视网膜发生的恶性肿瘤，发病率约l/20000个活婴，大约40的视网膜母细胞瘤是遗传性的，子代通过生殖细胞
20、遗传一个突变的RB1基因。,2、p53等是其他一些常见的肿瘤抑制基因,p53基因:定位于17p13.1，其编码的蛋白质含375个氨基酸残基，其突变与近50种类的癌发生有关。,四、肿瘤的多步骤发生和癌基因组解剖学计划,1、肿瘤的多步骤发生,2、癌基因组解剖学计划,癌基因组解剖学计划（cancer genome anatomy project，CGAP）CGAP网址：httP:/www.ncbi.nlm.nih.gov/ncicgapCGAP的目标 采用具创造性的技术全面透彻地理解癌症的分子生物学机理，并以此为基础确定与癌症相关的所有基因以及这些基因的改变。其最终目的是提供一种建立在患者和相关疾病
21、分子特征基础之上的治疗方法。,一、直接修复（Direct repair）：在损伤部位就地修复1.复制时通过DNA聚合酶校正修复DNA聚合酶具有35和53外切活性；2.光修复（light repair）光裂解酶（photolyase),即光复活酶，是一种高度专一性的直接修复酶,仅作用于紫外线引起的DNA嘧啶二聚体。,第六节 DNA的修复机制,二、切除修复（excision repair）1、暗修复一般认为是先补后切：分为识别、单切、合成、切除、连接几个阶段。,损伤：突变的碱基错配或改变DNA结构,剪切：内切酶在损伤碱基位点两侧剪切,切除：外切酶除去切口间的DNA,合成：DNA pol 合成取代D
22、NA,连接酶封闭缺口,也有人认为：先切后补,（2）、修复过程,2、AP核酸内切酶修复,三、错配修复（mismatch repair）,四、重组修复（recombination-repain）,五、SOS修复,内切酶、外切酶,SOS修复酶,内切酶、外切酶,SOS修复酶,有错误碱基插入,基因突变保留,第七节 基因突变的检出,一、生化突变体（生物代谢功能变异）的鉴定,1、E.coli营养缺陷型的检出,2、链孢霉营养缺陷型的检出,1）用诱变剂处理野生型链孢霉的分生孢子2）处理过的分生孢子与野生型链孢霉杂交，长出子囊孢子（为了扩大突变型孢子的数量，并且子囊孢子容易观察和操作）3）取出子囊孢子分别培养在完
23、全培养基上，又生分生孢子4）取一部分分生孢子放在基本培养基上，如果不能生长，说明发生了突变5）在基本培养基上分别添加单一的氨基酸或维生素，观察突变型分生孢子的生长情况，如能生长，说明是添加的这种物质的营养缺陷型。,二、果蝇突变体的检出,1. 果蝇X 染色体隐性突变的检出 Muller-5 法,Muller-5果蝇的特点：X 染色体上带有显性B （棒眼）和隐性Wa（杏色眼）基因，另外还有倒位（抑制交换）。,B,B,Wa,Wa,x,x,x,y,Muller-5,待检野生雄蝇,x,x,x,y,B,Wa,L,B,Wa,B,Wa,B,Wa,B,Wa,L,B,Wa,L,P,F1,F2,棒眼杏色眼,棒眼,棒
24、眼杏色眼,突变或死亡分析,L,2. 果蝇常染色体基因突变的检出 平衡致死品系的应用,第二染色体上：显性Cy（翻翅）纯合致死，在倒位区内。同源染色体上：显性S（星状眼）纯合致死检测第二染色体上的突变基因,待测野生型,S,Cy,平衡致死品系,Cy,S,Cy,挑选翻翅杂合体,Cy,Cy,（单对交配保纯合）,（不必单对交配）,Cy,Cy,Cy,Cy,P,F1,F2,F3,纯合致死,翻翅杂合体,翻翅杂合体,突变型?,突变染色体,or,永久杂种,平衡致死品系,玉米胚乳颜色的检出,植物中的白化突变,绿株WW,突变,绿株Ww,1WW:2Ww:1ww,3绿苗：1白苗,2、细胞学、生化和分子水平的检测,三、植物突变体的检出,1、表型检测,四、人类基因突变的检出,
