基因突變的機(jī)制與分子重組的原理課程目標(biāo)理解基因突變概念掌握突變類型和特征突變機(jī)制探究深入了解DNA變化的分子過(guò)程分子重組原理掌握遺傳信息交換的過(guò)程生物學(xué)意義第一部分：基因突變概述突變意義生物多樣性和進(jìn)化的基礎(chǔ)突變類型多種形式的DNA序列改變3概念基礎(chǔ)DNA序列的永久性變化什么是基因突變？永久性改變DNA序列的穩(wěn)定性變化發(fā)生位置體細(xì)胞或生殖細(xì)胞生物學(xué)意義遺傳變異的重要來(lái)源基因突變的類型點(diǎn)突變單個(gè)核苷酸的改變插入突變添加核苷酸缺失突變丟失核苷酸重復(fù)突變序列重復(fù)倒位突變序列方向顛倒點(diǎn)突變定義單個(gè)核苷酸的改變類型轉(zhuǎn)換（嘌呤?嘌呤）和顛換（嘌呤?嘧啶）實(shí)例鐮狀細(xì)胞貧血癥（A→T突變）插入突變1+核苷酸添加DNA序列中插入一個(gè)或多個(gè)堿基3n閱讀框變化非3的倍數(shù)導(dǎo)致移碼突變40+亨廷頓例證CAG三聯(lián)體重復(fù)次數(shù)超過(guò)40次缺失突變DNA缺失一個(gè)或多個(gè)核苷酸的丟失功能影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，功能喪失杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良肌肉萎縮，肌力下降重復(fù)突變重復(fù)機(jī)制DNA序列片段被復(fù)制，形成重復(fù)序列常見(jiàn)于微衛(wèi)星區(qū)域和串聯(lián)重復(fù)序列功能影響基因表達(dá)改變，蛋白質(zhì)功能異?？赡軐?dǎo)致過(guò)度表達(dá)或功能增強(qiáng)脆性X綜合征FMR1基因中CGG三聯(lián)體異常擴(kuò)增智力障礙，特征性面容倒位突變定義特征DNA片段反向顛倒，序列順序相反生物學(xué)影響基因斷裂或調(diào)控區(qū)改變導(dǎo)致表達(dá)異常血友病A實(shí)例F8基因中的倒位影響凝血因子VIII第二部分：基因突變的機(jī)制自發(fā)性突變自然發(fā)生的DNA復(fù)制錯(cuò)誤誘導(dǎo)性突變外部因素導(dǎo)致的DNA損傷3表觀遺傳修飾DNA修飾影響基因表達(dá)和突變率自發(fā)性突變定義特征無(wú)外部誘因，自然發(fā)生的DNA改變主要原因DNA聚合酶復(fù)制過(guò)程中的錯(cuò)誤發(fā)生頻率每個(gè)基因每代約10^-6DNA復(fù)制過(guò)程中的錯(cuò)誤堿基配對(duì)錯(cuò)誤A-C或G-T等非標(biāo)準(zhǔn)配對(duì)滑移錯(cuò)配復(fù)制過(guò)程中模板鏈與新鏈不對(duì)齊復(fù)制分叉停滯DNA損傷導(dǎo)致復(fù)制過(guò)程中斷誘導(dǎo)性突變概念外部因素導(dǎo)致的DNA改變物理誘變輻射、紫外線等化學(xué)誘變烷化劑、亞硝酸等物理誘變因子：輻射電離輻射X射線γ射線質(zhì)子束非電離輻射紫外線可見(jiàn)光紅外線作用機(jī)制直接斷裂DNA產(chǎn)生自由基間接損傷形成嘧啶二聚體物理誘變因子：紫外線形成胸腺嘧啶二聚體相鄰胸腺嘧啶形成共價(jià)鍵阻礙DNA功能復(fù)制和轉(zhuǎn)錄受阻修復(fù)機(jī)制光修復(fù)酶直接修復(fù)或切除修復(fù)化學(xué)誘變因子：烷化劑烷化劑類型單功能和雙功能烷化劑分子作用向DNA堿基添加烷基基團(tuán)代表物質(zhì)環(huán)氧乙烷、甲基磺酸乙酯化學(xué)誘變因子：亞硝酸亞硝酸導(dǎo)致DNA堿基脫氨，改變配對(duì)特性。亞硝酸鈉作為食品添加劑可形成致癌亞硝胺。表觀遺傳修飾與基因突變DNA甲基化影響基因表達(dá)和突變率組蛋白修飾改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)和可及性非編碼RNA調(diào)控基因表達(dá)和基因組穩(wěn)定性DNA甲基化與基因突變CpG島甲基化啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化抑制基因表達(dá)5-甲基胞嘧啶脫氨轉(zhuǎn)變?yōu)樾叵汆奏?，?dǎo)致C→T突變甲基化異常與疾病腫瘤抑制基因沉默，癌基因激活第三部分：基因突變的修復(fù)機(jī)制專門修復(fù)系統(tǒng)針對(duì)特定損傷的精確修復(fù)多層次防御多種修復(fù)途徑協(xié)同作用3基因組保護(hù)維持DNA完整性與穩(wěn)定性DNA修復(fù)的重要性10^4每日損傷量每個(gè)細(xì)胞每天面臨的DNA損傷數(shù)量99.9%修復(fù)效率正常細(xì)胞可修復(fù)的DNA損傷比例80%癌癥關(guān)聯(lián)與DNA修復(fù)缺陷相關(guān)的癌癥比例直接修復(fù)光修復(fù)光修復(fù)酶直接修復(fù)嘧啶二聚體甲基轉(zhuǎn)移酶去除O6-甲基鳥(niǎo)嘌呤上的甲基氧化損傷修復(fù)修復(fù)8-羥基鳥(niǎo)嘌呤等氧化損傷切除修復(fù)堿基切除修復(fù)修復(fù)單個(gè)堿基損傷核苷酸切除修復(fù)去除含有損傷的DNA片段錯(cuò)配修復(fù)修復(fù)復(fù)制錯(cuò)誤引起的堿基錯(cuò)配堿基切除修復(fù)（BER）識(shí)別損傷DNA糖基化酶識(shí)別并切除受損堿基產(chǎn)生缺口AP內(nèi)切酶切割無(wú)堿基位點(diǎn)填補(bǔ)缺口DNA聚合酶β填補(bǔ)缺口連接修復(fù)DNA連接酶封閉缺口核苷酸切除修復(fù)（NER）損傷識(shí)別識(shí)別大型DNA加成物損傷切除切除含損傷的DNA片段（約30bp）DNA合成以互補(bǔ)鏈為模板合成新鏈DNA連接DNA連接酶連接新合成的片段錯(cuò)配修復(fù)（MMR）錯(cuò)配識(shí)別MutS蛋白識(shí)別DNA錯(cuò)配區(qū)分新舊鏈通過(guò)甲基化模式區(qū)分模板鏈和新鏈切除錯(cuò)誤片段MutH和MutL協(xié)助切除含錯(cuò)配的DNA片段合成和連接DNA聚合酶重新合成正確序列雙鏈斷裂修復(fù)同源重組修復(fù)利用同源DNA作為模板高保真度修復(fù)主要在S期和G2期非同源末端連接直接連接斷裂的DNA末端可能導(dǎo)致小的插入或缺失全細(xì)胞周期可發(fā)生同源重組修復(fù)（HR）1雙鏈斷裂形成內(nèi)源或外源因素導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂末端處理MRN復(fù)合物形成3'單鏈DNA尾同源搜索Rad51幫助尋找同源序列鏈交換和合成形成D-loop，DNA合成修復(fù)缺口非同源末端連接（NHEJ）斷裂識(shí)別Ku70/80復(fù)合物結(jié)合斷裂末端蛋白復(fù)合物形成招募DNA-PKcs和其他修復(fù)因子末端處理去除不兼容的末端結(jié)構(gòu)連接由DNA連接酶IV完成末端連接第四部分：分子重組的原理分子重組是遺傳信息交換的基本過(guò)程，對(duì)基因多樣性和進(jìn)化至關(guān)重要什么是分子重組？概念定義DNA分子間遺傳信息的交換過(guò)程重組類型同源重組和非同源重組兩大類生物學(xué)意義增加遺傳多樣性，促進(jìn)物種進(jìn)化同源重組的機(jī)制雙鏈斷裂DNA雙鏈斷裂的形成末端處理形成3'單鏈DNA尾同源搜索尋找并入侵同源序列Holliday結(jié)構(gòu)形成和解析特殊結(jié)構(gòu)雙鏈斷裂的形成Spo11蛋白減數(shù)分裂中主動(dòng)誘導(dǎo)雙鏈斷裂拓?fù)洚悩?gòu)酶II樣功能外源因素電離輻射直接斷裂DNA化學(xué)物質(zhì)損傷DNA骨架復(fù)制分叉崩潰復(fù)制過(guò)程中遇到DNA損傷導(dǎo)致分叉停滯和崩潰末端處理MRN復(fù)合物Mre11-Rad50-Nbs1蛋白復(fù)合物5'→3'切除去除5'端核苷酸，露出3'端單鏈形成產(chǎn)生3'單鏈DNA尾，準(zhǔn)備入侵同源搜索和鏈侵入Rad51是同源重組中最關(guān)鍵的蛋白，形成核蛋白絲結(jié)構(gòu)，幫助尋找同源序列并形成D-loop結(jié)構(gòu)Holliday結(jié)構(gòu)的形成和解析雙Holliday結(jié)構(gòu)鏈交換后形成的十字狀結(jié)構(gòu)解析酶作用Gen1或MUS81切割Holliday結(jié)2交叉產(chǎn)物水平切割產(chǎn)生交叉over類型3非交叉產(chǎn)物垂直切割產(chǎn)生非交叉over類型非同源重組概念定義不需要序列同源性的DNA重組主要類型非同源末端連接和轉(zhuǎn)座生物學(xué)意義促進(jìn)基因組重組和進(jìn)化非同源末端連接（NHEJ）Ku70/80結(jié)合保護(hù)斷裂末端免受降解DNA-PKcs激活啟動(dòng)修復(fù)信號(hào)通路3末端處理去除不兼容結(jié)構(gòu)連接完成DNA連接酶IV連接斷裂末端轉(zhuǎn)座保守型轉(zhuǎn)座DNA序列完全從一處移動(dòng)到另一處復(fù)制型轉(zhuǎn)座DNA序列復(fù)制并插入新位置實(shí)例：Tn5轉(zhuǎn)座子含有抗生素抗性基因，廣泛用于分子克隆第五部分：分子重組在生物學(xué)中的應(yīng)用1精準(zhǔn)醫(yī)療基因治療與個(gè)體化治療生物技術(shù)基因工程與分子育種3基礎(chǔ)研究功能基因組學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)基因工程中的應(yīng)用1重組DNA技術(shù)DNA片段的體外重組與克隆基因敲除與敲入創(chuàng)建特定基因缺失或插入的模型生物CRISPR基因編輯精確修改基因組序列重組DNA技術(shù)DNA切割限制性內(nèi)切酶在特定位點(diǎn)切割DNA片段連接DNA連接酶連接不同來(lái)源的DNA片段載體轉(zhuǎn)化重組DNA導(dǎo)入宿主細(xì)胞克隆篩選選擇含有目標(biāo)基因的克隆基因敲除和基因敲入基因敲除通過(guò)同源重組使特定基因失活研究基因功能缺失的表型基因敲入插入外源基因或修飾的基因研究基因功能獲得的表型應(yīng)用實(shí)例疾病模型的建立藥物靶點(diǎn)的驗(yàn)證CRISPR-Cas9基因編輯靶向識(shí)別引導(dǎo)RNA精確定位目標(biāo)序列DNA切割Cas9核酸酶切割雙鏈DNA基因組編輯利用細(xì)胞修復(fù)機(jī)制引入特定改變醫(yī)療應(yīng)用治療遺傳性疾病和癌癥分子重組在進(jìn)化中的作用遺傳多樣性創(chuàng)造新的基因組合基因交流促進(jìn)有益突變?cè)谌后w中傳播2適應(yīng)性進(jìn)化加速對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)有害突變清除將有害突變與有益突變分離分子重組與癌癥染色體易位費(fèi)城染色體t(9;22)導(dǎo)致慢性粒細(xì)胞白血病抑癌基因失活p53基因突變或缺失導(dǎo)致多種癌癥癌基因激活RAS基因突變導(dǎo)致持續(xù)增殖信號(hào)分子重組與免疫系統(tǒng)1V(D)J重組抗體和T細(xì)胞受體基因片段重排2多樣性產(chǎn)生可產(chǎn)生超過(guò)10^12種不同抗體適應(yīng)性免疫針對(duì)各種病原體的特異性防御免疫記憶形成長(zhǎng)期免疫記憶細(xì)胞第六部分：基因突變和分子重組的檢測(cè)方法PCR基礎(chǔ)技術(shù)擴(kuò)增特定DNA片段2測(cè)序技術(shù)讀取DNA序列信息3細(xì)胞染色體檢測(cè)觀察染色體結(jié)構(gòu)變異芯片技術(shù)高通量檢測(cè)基因變異PCR-RFLP技術(shù)原理突變改變限制酶切位點(diǎn)應(yīng)用檢測(cè)已知點(diǎn)突變優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)單、快速、經(jīng)濟(jì)DNA測(cè)序技術(shù)Sanger測(cè)序雙脫氧鏈終止法，讀長(zhǎng)較長(zhǎng)二代測(cè)序高通量平行測(cè)序，成本低三代測(cè)序單分子實(shí)時(shí)測(cè)序，超長(zhǎng)讀長(zhǎng)熒光原位雜交（FISH）1-5Mb檢測(cè)范圍可檢測(cè)的染色體異常最小大小99%準(zhǔn)確率檢測(cè)大型染色體異常的準(zhǔn)確性24染色體全景可同時(shí)標(biāo)記不同顏色的人類染色體數(shù)量單核苷酸多態(tài)性（SNP）芯片技術(shù)原理基于DNA雜交和熒光檢測(cè)可同時(shí)分析數(shù)十萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)個(gè)SNP位點(diǎn)主要應(yīng)用全基因組關(guān)聯(lián)分析遺傳疾病風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估藥物基因組學(xué)研究技術(shù)優(yōu)勢(shì)高通量自動(dòng)化程度高成本效益好第七部分：基因突變和分子重組的生物學(xué)意義基因突變和分子重組是生物進(jìn)化的基礎(chǔ)，提供遺傳變異并促進(jìn)物種適應(yīng)環(huán)境變化遺傳多樣性的來(lái)源新等位基因突變產(chǎn)生新的基因變體基因重組現(xiàn)有基因的新組合2基因流動(dòng)群體間基因交流3適應(yīng)性進(jìn)化自然選擇保留有利變異物種進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力有害突變淘汰降低適應(yīng)度的變異被清除有利突變保留增強(qiáng)適應(yīng)度的變異被選擇基因重組作用促進(jìn)有益基因組合的形成疾病發(fā)生的分子基礎(chǔ)遺傳性疾病單基因或多基因突變導(dǎo)致腫瘤發(fā)生多步驟基因變異積累藥物耐受性突變