基因组进化的机制突变与修复VIP免费

第12章基因组进化的分子基础-突变与修复突变是生物的基本特性1）突变（mutation）是一种生物学现象，系指生物个体基因组，包括病毒，核外染色体核苷酸序列发生的改变。2）地球上的所有生物都有发生DNA突变的潜能。3）突变是一把双刃剑：即可为生物进化提供原材料，又会对生物个体的生存产生严重影响，如疾病与癌症。4）突变是如何产生的？为何能维持在一个合理的水平？不同生物的突变率1）大肠杆菌基因组的自然突率为5x10-9/碱基。2XUEY等报道人类Y染色体DNA碱基突变率约为3x10-8/每代/每人。CurrBiol.19：1453-1457，20093HelgasonA等报道人类Y染色体DNA碱基的突变率约为7.2x10-10/每年/每个位点(PPPY,perpositionperyear)。NatureGenetics47：453-457，2015DNA复制差错率如何产生的FEMSMicrobiolRev36:1105–1121,2012DNA复制的差错最初来源于：1）碱基配对会发生较高比例的自然错配；2）DNA聚合酶可通过选择识别使差错率保持在10-4--10-5之间，但仍有漏检的错配碱基掺入。错配掺入的碱基通过DNA聚合酶的校读功能使差错率降低两个数量级。最后细胞的错配修复系统使错配率降低3个数量级，最终使突变率保持在10-9-10-10之间。CellRes.18：148–161，2008；NatureReview/Genetics9：594-604，2008碱基同分异构体造成碱基错配碱基的摇摆错配在DNA复制时，由于碱基自然状态的理化特点，会使碱基之间发生摇摆错配。DNA聚合酶及其复制差错DNA聚合酶中，仅有部分成员具有复制校读功能（proofreading），即使最忠实的DNA聚合酶，在复制时也会偶尔出现碱基错配。人类主要的两个DNA聚合酶Polδ（延迟链合成）和Polε（引导链合成）的保真度维持在10-5-10-7之间。NatureReview/Genetics9：594-604，2008DNA聚合酶如何产生突变？。大肠杆菌DNAPolIII在复制叉位置发生错配掺入时（T:T或A:A），会发生矫正或保留错配两种可能。在部分事件中，PolIII离开错配碱基，导致DNA聚合酶交换（箭头所指）。在两条错配链中，PolIII离开复制叉，DNA聚合酶PolIV(前导链)和PolV（后随链）可以竞争性地结合引物末端，进行跨损伤错配复制，使突变保留。人类基因组倾向差错DNA聚合酶人类DNA聚合酶η的差错率人类细胞中DNA聚合酶约有14种，其中Polη（eta）涉及DNA跨损伤修复DNA复制。研究证实，Polη在进行DNA复制时：1）在模板链碱基T的位置优先掺入G而非正常的A;2)在模板链C的位置，Polη掺入的碱基不是G，而是T,A和C,比例分别为1/9,1/10合1/11。ZhangYetal.MolecularandCellularBiology20:7099–7108,2000DNA复制或修复过程中产生的碱基突变，是人类癌症发生的主要原因。碱基代换的原因—脱氨基细胞弱碱性状态使胞嘧啶4C上的氨基脱去生成尿嘧啶。生成的尿嘧啶可被细胞修复系统切除修复。甲基化胞嘧啶脱氨基(5mC)生成胸腺嘧啶(T)，与正常胸腺嘧啶无法区分，在下一轮DNA复制时该位置由T取代。哺乳动物每天每个细胞约100个胞嘧啶发生脱氨基，腺嘌呤和鸟嘌呤脱氨基比例比胞嘧啶脱氨基低100倍。这是真核生物基因组A/T比例高于G/C的重要原因。核苷酸水解—脱碱基细胞在自然条件下会水解DNA中核苷酸的碱基和五碳糖之间N-beta-糖苷键，产生缺少碱基的核苷酸残基，称为AP位(apurinic/apyrimidinicsite,缺嘌呤/缺嘧啶位点）。据推算，自然状态细胞DNA的核苷酸脱嘌呤的比例约为1/10000，脱嘧啶的比例约为1/500。DNA分子的AP位点可由细胞的碱基缺失修复机制更正。滑序复制DNA序列中有许多由简单重复序列的组成的区段，如-AAAAAA-,-AGAGAGAGAG-,-CAGCAGCAGCAG-等。这些区段因结构原因，在DNA复制时会发生滑序复制(replica-tionslippage)。例如-AAAAAA-序列在复制时会产生环突结构。如果环突结构出现在新合成链，则会产生插入突变。如环突发生在模板链，则会产生缺失突变。滑序复制的机制-聚合酶与解旋酶之间的偶联压力a）在到达三碱基重复区（CAG）n之前，复制酶Polɛ和解旋酶之间是严格偶联的，在复制叉上彼此协调。b)当聚合酶遇到CAG串接重复序列时，聚合酶的加工能力放缓，但解旋酶的行进速度不变。c）为了避免聚合酶与解旋酶之间的偶联脱离，引导链聚合酶会越过一段未复制的CAG模板序列，这段序列会形成环突结构，d)其...