页数：53页文件大小：5.24 MB来源： 功能基因组学ppt课件
本课件以突变、重组、转座为纲讲解基因组进化的分子基础，涵盖自发与诱发损伤的突变机制、突变效应分类、SOS修复与错配修复等修复系统、Holliday模型与位点专一性重组，以及DNA转座与逆转录转座。
第六讲 基因组进化的分子基础：本讲从突变、重组与转座三个层面，讲解基因组在分子水平上产生变异与进化的机制。
纯化学的碱基配对差错率为 5%～10%。为维持基因组的稳定性，DNA的复制必须增加几个数量级，提高DNA复制的精确性有2种方法：
碱基异构式可引起DNA复制过程的错误，即自发突变。碱基异构式包括：A（amino 氨基）/ A（imino 亚氨基），C（a）/ C（i），G（keto 酮式）/ G（enol 烯醇式），T（keto）/ T（enol-2′）或 T（enol-4′），异构式可误导碱基渗入。
图示碱基异构式引起DNA复制的错配：G(k) 与 C(a) 为正确配对；A(a) 与 T(k) 为正确配对；而 G(k) 与 T(e)、A(a) 与 C(i)、A(i, anti) 与 A(a, syn) 等为错误配对。
图示碱基异构式引起DNA的错配突变：A(a) 与 T(k)、C(i) 与 C(a)、A(i, anti) 与 G(k) 等配对组合，说明互变异构如何把一种碱基对转变为另一种碱基对。
图示滑序复制：在重复序列区域，DNA聚合酶沿模板滑动并发生错配复位，导致新链中重复单位数目增加或减少，产生插入或缺失突变。
碱基类似物（Base analog）引起的化学损伤：
5-BrU存在酮式（Keto）与烯醇式（enol）两种形式。酮式5-BrU渗入后按A·T配对，第一轮复制后经酮式到烯醇式的转变，第二轮复制可造成 A·T → G·C 转变；反之烯醇式渗入则造成 G·C → A·T 转变。
化学突变剂包括：
图示羟胺 NH₂OH（Hydroxylamine，HA） 的致突变作用：羟胺特异修饰胞嘧啶C(a)，使其转变为可与A配对的C(i)，从而在复制后造成 C·G → T·A 的转换。
嵌合剂如吖啶橙（Acridine Orange，AO）、溴化乙锭（Ethidium Bromide，EB）为扁平染料分子，可插入相邻碱基之间，使DNA在复制时发生碱基的插入或缺失，结果产生移框突变。
紫外线的致突变作用：紫外线照射使同一条链上相邻的胸腺嘧啶共价连接，形成嘧啶二聚体（TT dimer），阻碍DNA的正常复制与转录。
紫外线与水解作用可引起脱氨氧化（如C转变为U）与脱嘌呤。脱嘌呤造成的突变类型包括：碱基替代、缺失、重复、移框。
| 突变类型 | 含义 |
|---|---|
| 同义突变 | 没有改变产物氨基酸序列的密码子改变 |
| 错义突变 | 碱基序列的改变引起了氨基酸序列的改变（中性突变、渗漏突变） |
| 无义突变 | 碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白合成的终止密码子 |
| 连读突变 | 与终止突变正好相反，终止密码子变成指令某一氨基酸的密码子，使翻译继续进行 |
说明：源文件此页文本在“功能增益：突变提供一”处中断，表述不完整，已如实保留未作推测补全，建议对照原图补充。
生物进化的基本动力是突变。如果突变率太高，基因组处于不稳定状态，不利于进化。现存生物，包括低等生物和高等生物，基因组的自发突变率约为 10⁻⁹，这是各种因素综合作用的结果；每个基因都有积累突变的风险，而大多数突变都是有害的，因此生物含有的基因数越多，发生突变的几率越大，由此判断平均突变率为生物的复杂性设定了一个上限。
说明：源文件中“10－9”为10⁻⁹（10的负9次方），此处按标准科学记数法书写，数值未作改动。
SOS repair是一种错误倾向性极强的修复机制，是进化中形成的“丧失某些信息而存活总比死亡好一些”的措施（正常状态下，SOS是关闭的）。
SOS修复即无模板指导的DNA复制：大剂量的紫外线照射产生大量二聚体，SOS系统被诱导，错误潜伏的复制超越二聚体而进行并掺入错误碱基。
SOS修复只是SOS反应的一部分，RecA在SOS反应中起核心作用，RecA与LexA组成调控环路：DNA损伤后产生SOS信号，RecA受LexA的部分抑制。
RecA-P具有三种功能：
当DNA正常复制时（无复制受阻、无DNA损伤、无TT dimer），RecA-p不表现proteinase活性。
当DNA复制受阻或DNA损伤时，细胞内原有少量表达的RecA-p与单链DNA结合，激活RecA-p的proteinase活性，修复损伤；LexA-p被降解，RecA-p高效表达，SOS开启。当DNA复制度过难关后，RecA-p很快消失，LexA gene重新开启，SOS关闭。
免疫球蛋白多样性产生的过程：
大肠杆菌（乳糖操纵子发生移码突变）在只有乳糖的培养基上培养，发现正常生长的细胞（乳糖操纵子发生第二次突变）恢复野生性。这一现象引发激烈争论：“环境影响生物的表型”，还是“生物对环境作出响应发生程序性突变”。
图示碱基切除修复：特异糖苷酶识别并切除受损碱基，形成无碱基位点后由内切核酸酶切开、DNA聚合酶填补、连接酶封口。
DNA错配（mismatch）经DNA pol校正后差错率 ξ = 10⁻⁸，再经错配修复系统（MRS，Mismatch Repair System）第二次校正后 ξ = 10⁻¹¹。错配修复系统校正校正活性所漏校的碱基，使复制的保真性提高10²～10³倍。
说明：源文件中“ξ= 10-8”“ξ= 10-11”为10⁻⁸、10⁻¹¹（10的负8、负11次方），此处按标准科学记数法书写，数值未作改动。
错配修复系统（Mismatch repair system）组成：
图示后复制修复、E. coli的挽回系统：以紫外剂量为横轴、E. coli存活率为纵轴，比较野生型（UvrA⁺RecA⁺）与uvr a⁻、rec a⁻突变株的存活差异，为该系统的存在提供实验证据。
实验证据：E. coli（Rec-A, uvr-a-）经紫外线照射后，双链DNA（D.S. DNA）复制并越过二聚体，随后经变性处理得到单链DNA（S.S. DNA），结果显示复制过程越过二聚体而在相应新链上留下缺口，证明修复发生在二聚体之后起始。
图示DNA修复和人类疾病的关联：核苷酸切除修复、错配修复等环节的缺陷会导致着色性干皮病、遗传性非息肉性结直肠癌等一类疾病，说明修复系统对维持基因组稳定至关重要。
说明：本页源文件仅有标题文字，具体疾病对应关系为图示内容，已按课件主题作概括性说明，建议对照原图核校具体病种。
大肠杆菌DNA复制的差错率为每10⁷个核苷酸1个错误；2条新合成的子链中差错率分布不一致，延滞链复制的差错率是引导链的20倍。造成子链差错率非均一性的主要原因：
说明：源文件中“107个核苷酸1个错误”为10⁷（10的7次方）个核苷酸1个错误，此处按标准科学记数法书写，数值未作改动。
同源重组的经典模型为 Holliday模型：两条同源DNA的亲本链相互配对、发生链交换并形成Holliday中间体，经拆分后产生重组体。
Meselson-Radding模型即单链入侵模型（链转移模型），按 3′/5′ 方向进行：一条链侵入同源双链形成置换环（Loop），经切除、同化、异构化与分支迁移，再由5′切割完成重组。
图示免疫球蛋白基因的重排，按双链断裂重接模型进行：V、D、J片段在特异位点发生双链断裂后重新连接，形成功能性免疫球蛋白基因。
图示双链断裂重组模型：一条DNA双链发生断裂后，断端经加工形成单链尾，侵入同源双链并以此为模板修复合成，最终形成两个完整的重组分子。
转座是基因进化的一种重要方式，它不是重组，但利用了重组的过程，它是一段DNA或其拷贝从基因组的一个位置转移到另一位置，并在插入位点两侧产生1对很短的正向重复序列。根据转座机制可分为2个大的范畴：
图示DNA转座中的复制转座：转座子在转座过程中先进行复制，原来位置保留一份拷贝，新合成的拷贝插入到受体位点，使基因组中转座子拷贝数增加。
图示保守转座：杂种分子形成后，转座子从原位点整体切出并插入新位点。细菌中，转座子切除后留下的空缺不能修复，供体分子降解；真核生物中，空缺由双链断裂重组修复。
图示逆转录转座：转座子先转录为RNA中间体，再经反转录酶作用合成cDNA，随后整合到基因组的新位点，原位点拷贝通常保持不变。
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