三、突变分子改变的类型
从化学本质看,突变总会有DNA分子上的改变,因此也称作DNA损伤,可分为错配(mismatch)、缺失(deletion)、插入(insertion)和重排(rearrangement)几种类型。缺失或插入均有可能导致框移(frame-Shif)突变。
(-)错配
又称为点突变(point mutation)。表11-3中,化学诱变剂引起的碱基在DNA链上的
置换,都属于点突变。点突变发生在基因的编码区域,可导致氨基酸的改变。图11-23和图11-24都是典型的与疾病有关的点突变例子。
(二)缺失、插入和框移突变
DNA上碱基缺失的例子见表11-3。缺失或插入都可导致框移突变,框移突变是指三联体密码的阅读方式改变,造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变,其后果是翻译出的蛋白质可能完全不同(图11-25)。3个或3n个的核音酸插入或缺失,不一定能引起框移突变。
(三)重排
DNA分子内发生较大片段的交换,称为重组或重排。移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置(倒位),也可以在染色体之间发生交换重组。图11-26示由于血红蛋白的β链和ε链的重排,引起两种类型的地中海贫血的基因重排情况。
DNA损伤和修复,是细胞内DNA复制中同时并存的两个过程。DNA聚合酶1对复制中的错配可以即时加以校读(见本章第二节)。修复(DNA repairing)是指针对已发生了的缺陷而施行的补救机制,主要有光修复(light repairing)、切除修复(excissionrepairing),重组修复(recombination repairing)和SOS修复等。
(-)光修复
光修复过程是通过光修复酶(photolyase)催化而完成的,仅需 300-600nm波长照射
即可活化,普遍存在于各种生物,人体细胞中也有发现。通过此酶作用,可使嘧啶二聚体分解为原来的非聚会状态,DNA完全恢复正常(图11-22)。
(二)切除修复
是细胞内最重要的修复机制,主要由DNA聚合酶1及连接酶执行修:(图11一27).
至于DNA损伤的部位是如何去除的,原核生物和真该生物需要不同的酶系统。原核生物DNA损伤的研究,早期以紫外线照射来建立损伤的模型,并因此发现与紫外线损伤及修复有关的一些基因,称为uvrA、uvrB,uvrC。现在已经清楚其产物,UvrA,UVrB是辨认及结合DNA损伤部位的蛋白质,Uwt有切除作用,可能还需要有解螺旋酶(helicase)的协助,才能把损伤部位除去。
在人类,较早发现一种遗传性疾病叫着色性干皮病(xeroderma pigmentosis,XP),并
知道其发病机制与DNA损伤修复后存在缺陷有关。近年对XP病的深入研究,也发现有一套XP病相关的基因,分别命名为XPA,XPB,XPC,XPF,XPG等。这些基因的表达产物,分别具有结合损伤DNA、解旋酶、核酸酶的活性。从这些蛋白质氨基酸序列分析结果看,和原核生物的Uvr类蛋白都有相当多同源序列。目前认为,XP类蛋白是在切除修复过程中共同参与,起辨认和切除损伤DNA部位作用的。切除后留下的空隙,则由 DNA-polδ及ε加以修复。XP病人正是因为 XP类基因有缺陷,在接触紫外线后DNA损伤修复过程的缺陷而致病,这类病人皮肤发生癌变的机会也比正常人高得多。
(三)重组修复
当DNA分子的损伤面较大,还来不及修复完善就进行复制时,损伤部位因无模板指引,复制出来的新子链会出现缺口,这时,就靠重组蛋白ReCA的核酸酶活性将另一股健康的母链与缺口部分进行交换,以填补缺口。RecA是recA基因的产物,是E.coli中与重组(recombinaion)有关的一系列基因之一。重组基因除A外,还有recB,recC等。所谓健康母链,是指同一细胞内已完成复制的链,或可来自亲代的一股DNA链损伤链移到已完成复制的链上,如果损伤又只发生在双链DNA中的一股单链,则下一轮的复制损伤链就只占DNA的l/4,不断复制后,其比例就越来越低,称为把损伤链“稀释”掉。(图11-28)。
(四)SOS修复
SOS是国际海难信号,这一命名表示这仅是一类应急性的修复方式。细胞采用这一
修复方式是由于DNA损伤广泛至难以继续复制,由此而诱发出一系列复杂的反应。参与这一反应的,除了前述的切除修复基因uvr类,重组修复基因rec类的产物外,还有调控蛋白LexA等。最近还发现,E.coli的DNA聚合酶D是参与这一修复反应的。所有这些基因,组成一个称为调节子(regulon)的网络式调控系统。这一网络引致的反应特异性低,对碱基的识别、选择能力差。通过SOS修复,复制如能继续,细胞是可存活的。然而,DNA保留的错误舍较多,引起较广泛、长期的突变。SOS修复网络辖下的基因,一般情况下都是不活跃、不表达的,只有在紧急情况下才被整体地动员。用细菌为研究材料的实验还证明:不少能诱发SOS修复机制的化学药物,都是哺乳类动物的致癌剂。对SOS修复和突变、癌变的关系,是肿瘤学上研究的热点课题之一。
第五节 逆转录现象和逆转录酶
高等生物的遗传物质大多数是双链 DNA,但也有少数低等生物例如 M13噬菌体,其感染型只含有单链DNA作为遗传物质。某些病毒的基因组是RNA而不是DNA,这类病毒称为RNA病毒。1970年,H.Temin和D.Baltimore分别从RNA病毒中发现了一种酶,能催化以单链RNA为模板合成双链DNA的反应。反应过程先以单链W的基因组为模板,催化合成一条单链RNA。产物与模板生成RNA:DNA杂化双链(duplex),杂化双链中的RN被RNA酶水解后,再以新合成的单链DNA为模板,催化合成第二链的DNA(图11-29)。催化此反应的酶称为逆转录酶(reverse transcriptase),也称反转录酶。在感染病毒的细胞内,上述三个反应都是由逆转录酶催化的。即该酶有RNA为模板催化DNA合成、水解杂化链上的RNA及用DNA作模板催化DNA合成三种活性。酶的作用需Zn2+的辅助。合成反应也是从5’向3’延伸新链。合成过程所用引物,现在认为是病毒本身的一种tRNA。