课件：第章基因突变.ppt

掌握基因突变的一般特征和基因突变的分子基础,本章重点和难点,了解基因突变的诱变和检出,第十三章 遗传物质的改变(二),基因突变,17岁的布鲁克（左）被14岁的妹妹抱在怀里,RID1 in rice (Wu et al PNAS, 2008),第一节 基因突变概说,基因突变(gene mutation)：是指染色体上某一基因位点内部发生了化学物质的变化，与原来的基因形成对应关系，即等位关系,基因突变是染色体上一个座位内遗传物质的变化，所以也称作点突变(point mutation),一、体细胞突变和性细胞突变,Mutation: Somatic or Germinal,生殖细胞的突变(germinal mutation)：生殖细胞突变发生在种系中,体细胞突变(somatic mutation)：指在保持分裂的身体组织的一个细胞发生了突变,体细胞和性细胞发生突变不同:,性细胞的突变频率比体细胞高,性细胞突变可直接传递给下一代，体细胞不能,突变的体细胞的生活力不如正常细胞,保留体细胞突变需通过无性繁殖或让其产生性细胞，再有性繁殖,An autosomal dominant allele for cataracts of the eye,An X-linked mutation for hemophilia,二、突变体的表型特性,形态突变(morphological mutation)或可见突变(visible mutation): 突变主要影响生物的形态结构，导致形状、大小、色泽等的改变,生化突变(biochemical mutation): 突变主要影响生物的代谢过程，导致一个特定的生化功能的改变或丧失,(褐黄病斑),儿童期：尿黑酸排出 成人期：尿黑酸积累，导致褐黄病和关节炎,致死突变(lethal mutation): 突变主要影响生活力，导致个体死亡。显性致死在杂合态即有致死效应，而隐性致死则要在纯合态时才有致死效应,失去功能的突变(loss-of-function mutation): 突变事件破坏了基因的关键性的功能区，干扰了野生型对某种表型的活性功能,无效突变(null mutation): 完全丧失基因功能的突变,渗漏突变(leaky mutation):野生型的功能的失活不完全,获得功能的突变(gain-of-function mutation): 有时突变事件引起遗传变异有可能使之获得某种新的功能,条件致死突变(condition lethal mutation):在某些条件下是能成活的，而在另一些条件下是致死的,噬菌体温度敏感突变： 40-42(限制条件)，突变型30(许可条件),基因突变是独立发生的,性细胞发生突变，可在后代立即表现出来，隐性突变，当代不表现，纯合后才能表现,体细胞隐性基因发生显性突变，当代形成嵌合体，嵌合体的大小与突变发生的早晚有关,Mutation: Basic features of the process,三、突变的一般特性,1. 突变的稀有性,突变率（mutation rate）：指在一个世代中或其它规定的单位时间中，在特定的条件下，一个细胞发生某一突变事件的概率,2. 突变的重演性和可逆性,回复突变时应区分：真的回复突变和抑制因子突变,3. 突变的多方向性和复等位基因,基因A可以突变为a，也可以突变为a1、a2、a3、等。a、a1、a2、a3、对A来说都是隐性基因，同时a、a1、a2、a3、等的生理功能与性状表现又各不相同,4. 突变的有害性和有利性,A. 有害突变：多数基因的突变，不利于生物的生长和发育，往往是有害的,B、中性突变,有些基因仅仅控制一些次要性状，它们的突变不会影响正常的生理活动，如生活力和繁殖力等,如小麦粒色的变化、水稻芒的有无等,C、突变的有利性,少数突变对植物的生命活动是有利的，如抗倒伏性，早熟性等,第二节 基因突变的分子基础,一、自发突变,自发突变(spontaneous mutations)：是在自然状况下产生的突变,(一)DNA复制中的错误,碱基互变异构体：通常情况下， T和G(酮式) ，A和C(胺式) 稳定存在；但是少数情况下它们可由酮式或胺式转变为极不稳定的烯醇式或亚胺式，从而导致A-C和G-T错配，使得A-T被G-C替换或G-C被A-T替换,1. 转换(transition)和颠换(transversion),碱基替换(base substitution)：一个碱基对被另一碱基对代替,转换(transition): 指嘌呤被嘌呤，嘧啶被嘧啶替换,颠换(transversion)：指嘧啶被嘌呤替换，或嘌呤被嘧啶替换,2. 移码突变(frameshift mutation)：因增加或减少一个或几个碱基对所造成的突变，从而引起蛋白质水平上的改变,3. 缺失或重复：因大片段的缺失或重复(超过几个碱基对)所造成的突变(不可能回复突变),(二)自发突变(spontaneous lesions)：指自然产生的对DNA的损伤而引起的突变,1.脱嘌呤：由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏，从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从DNA分子上脱落下来,2.脱氨基：胞嘧啶脱氨基后变成尿嘧啶。这种未经校正的尿嘧啶在复制过程中和腺嘌呤配对，形成由G-C变为A-T的转换,3.氧化物损伤碱基：活泼氧化物如超氧基(O2-)、氢氧基(-OH)和过氧化氢(H2O2)对DNA造成氧化物的损伤，从而引起突变,二、诱发突变,诱发突变(induced mutations)：有机体暴露在诱变剂中引起遗传物质改变,HERMANN MULLER (1890-1967),Hermann Muller received the 1946 Nobel Prize in Physiology or Medicine for his work on mutations induced by X-rays.,Hermann Muller was born in Manhattan in 1890 and grew into a 52“ science geek. His father, who casted statues at Muller Art Metal Works, influenced Hermann with his socialist ideals and a love of science. As a boy, Hermann spent summers hiking in the Adirondack Mountains and spent nights pondering how life would be on the planets he viewed through his telescope.,Upon graduation from Morris High School in 1907 at age sixteen, Muller attended Columbia University and was attracted to the emerging field of genetics.,He remained at Columbia for graduate school where he spent time in T.H. Morgans Drosophila lab. Muller joined Morgans other students in stealing small milk bottles from apartment steps to house the flies. Consequently, Muller appears on few papers that came from the Fly Lab except his own. In one paper, Muller showed that mutations in one gene could alter the expression of another gene, implying that many fly characteristics depend on several interacting genes. He left the lab in 1915 after receiving his degree and eventually joined the faculty at the University of Texas. In the 1920s, Muller performed his Nobel prize-winning research showing that X-rays could induce mutations and he became instantly famous.,World War II forced Muller to leave Scotland in 1940 and he eventually found a permanent position at Indiana University in 1945. A year later, Muller won the Nobel Prize for his work on mutation-inducing X-rays and he used the opportunity to continue pressing for more public knowledge about the hazards of X-ray radiation. Muller died in 1967 of congestive heart failure.,A young Hermann Muller and his high school photo,Hermann Muller teaching a class at Indiana University,Hermann Muller and some of his staff in the Fly room,Hermann Muller receiving his Nobel Prize from the King of Sweden,In 1927, X rays induced mutations in Flies and Maize, respectively.,诱发突变的机制表现：,取代DNA分子中的一个碱基,改变一个碱基使之发生错配,破坏一个碱基使其无法与任何碱基配对,1.碱基类似物：某些化学物质和正常的含氮碱基在结构上非常相似，从而替代正常碱基进入DNA分子，导致DNA复制错配,碱基类似物有： 5-溴尿嘧啶(5-BU) 5-溴-脱氧尿核苷(BrdU) 2-氨基嘌呤(2-AP)等,作用特点：,结构与DNA碱基相类似，渗入到DNA分子中,不影响DNA复制，但在复制时引起碱基配对差错，导致碱基对的替换，引起突变,2019/4/19,47,可编辑,2. 特异性错配,某些诱变剂并不渗入DNA，而是通过改变碱基的结构从而引起特异性错配,化学诱变剂，如亚硝酸，烷化剂(alkylating agents)，是改变核酸中的核苷酸化学组成，与DNA的复制无关,(1)亚硝酸(HNO2)致突变作用,次黄嘌呤,尿嘧啶,黄嘌呤,亚 硝 酸,(2)烷化剂,烷化剂的种类：芥子气、甲基磺酸乙酯(EMS)、甲基磺酸甲酯(MMS)、硫酸二乙酯、亚硝基胍等,烷化剂诱发突变的机理：,鸟嘌呤添加甲基或乙基，使它的作用象腺嘌呤，所以可跟胸腺嘧啶配对，产生配对误差,使鸟嘌呤烷化，烷化的鸟嘌呤脱掉，造成脱嘌呤作用(depurination)，引起移码突变,同一DNA分子或不同DNA分子间的两链间形成交键(cross-linkage)，使一个或几个核苷酸丢失或切除,鸟嘌呤,7-乙基-鸟嘌呤,胸腺嘧啶,(3)羟胺(NH2OH),羟胺使碱基上的氨基羟基化从而引起错配,羟胺胞嘧啶,胞嘧啶,腺嘌呤,Ames检测法,早在1970年Bruce Ames发展一项快速的测验方法，现称为Ames测验（Ames test）。这种方法用沙门氏细菌（Salmonella typhimutium）作为实验生物。一般常用的是：组氨基酸营养缺陷型品系。其中一个是his突变，可以通过取代一个碱基对而达到回复突变，而另一个品系的his突变要通过移码突变才能产生回复突变,Ames法的原理主要是依据： （1）化学物质引起的诱变往往不是直接的，它要经过生物的消化、吸收、特别是高等生物肝脏中的有关酶的作用以后再起作用。 它本来是可以直接起到诱变作用的，但经肝脏中的酶作用后失去了诱变能力；也许正好相反，本来它并不具有诱变的能力，但经过酶的作用后反而获得了诱变的能力。因此经肝脏中酶的作用才能较真实地反应在动物活体中某种化学品的实际的诱变能力。 （2）诱变剂仅改变突变频率，而不影响突变方向，那么同样诱变剂也能导致回复突变。如果用正突变的话由于是多方向的，因此必需采用反向选择的方向才行，而用回复突变只需用基本培养基进行筛选即可，步骤就要简单的多。,Ames检测方法：首先一组雄性大鼠进行腹腔注射芳香族化合物如多氯联苯油溶液等。以诱导大鼠肝脏酶系的活性，4天后杀鼠取肝，捣碎后离心制备成肝酶（S9）的悬液，然后将待测物和S9以及沙门氏菌的突变株（his-）（点突变或移码突变）混合后倒平板，若能产生回复突变的待测物则可判定为诱变物。在此实验中还有一组对照实验，即只加S9和沙门氏菌的突变品系，而不加待测物，若也有回复突变产生表明是自发的突变，可以作为对照来进行比较。Ames方法的特点是快速简便，也较为准确。经对几百种物质进行测试表明约90%致癌物具有诱变作用。,4、辐射引起的变异,使胞嘧啶变为水合胞嘧啶，在复制过程中误配,使胸腺嘧啶产生TT二聚体,TT二聚体影响DNA突变表现在,干扰DNA双螺旋结构，防碍DNA复制,TT二聚体有时不能修复，从而妨碍细胞的生长,紫外线引起变异的特点,水合胞嘧啶,电离辐射的遗传学效应在许多生物中表现在：,第一，电离辐射可诱发基因突变和染色体断裂，它们的频率跟辐射剂量成正比,第二，辐射效应是累积的。突变率与接受的照射量成正比，与照射的方式无关,由于转座因子或DNA片断的插入导致基因失去功能,5、DNA插入引起突变,辐射突变和转座引起突变(DNA插入突变)有什么不同？,6、结合到DNA分子上的化合物,造成移码突变，如吖啶类化合物，溴化乙啶(EB)、吖啶橙、原黄素、黄素等吖啶类染料,吖啶类诱发的突变的特征是：,吖啶类化合物所诱发的突变型能用吖啶类来使之回复 吖啶类(如吖黄素等)是较为扁平的分子，能够结合到DNA，插入邻近碱基对间，使它们分开 吖啶类的诱变作用跟遗传重组有关，并且认为插入的吖啶分子，使DNA双链出现不等交换，产生的两个重组分子，导致双链碱基差异,1. 同义突变(same sense mutation)：指DNA组成的密码子改变了，但在多肽链中仍插入同一氨基酸,(二)、碱基替换对遗传信息的影响,2.错义突变(missense mutation)：DNA中碱基对替换，使mRNA某一密码子改变，由它所编码的氨基酸不同,3. 无义突变(nonsense mutation)：碱基替换改变mRNA上的一个密码子，成为终止密码子UAG、UAA和UGA,第三节 生物体的修复机制,紫外线引起的DNA损伤的修复，大致上通过3个途径,(1)在损伤部位就地修复光复活(photoreactivation),(2)取代损伤部位暗修复或切除修复(excision repair),(3)越过损伤部位而进行修复重组修复(recombination repair),一、光复活,光复活在可见光下，可吸收蓝光的能量，使二聚体(C-C键)解开成为单体，释放酶，完成修复过程,二、暗复活(又称切除修复excision repair),切除修复也称核苷酸外切修复，是一种取代紫外线等辐射物质所造成的损伤部位的暗修复系统,1. 步骤：,(1)切开(修复内切酶)：在糖-磷酸骨架上形成切口(5-P和3-OH),(2)合成DNA (DNA Pol I)取代损伤的DNA链,(3)切除(外切酶切除)：被置换的DNA片段5-3,(4)连接(ligase),2UvrA与UvrB结合识别受伤DNA,2. DNA修复的酶促过程：,UvrA脱离，与UvrC结合,(切开),UvrB和UvrC使TT二聚体形成12碱基缺口，并随UvrC脱离,UvrB脱离，在Pol I合成缺口，DNA ligase连接,三、重组修复(复制后修复),重组修复(recombination repair)：必须在DNA进行复制的情况下进行，故又称复制后修复(post-replication repair),重组修复步骤：,越过TT dimer，在合成子链上形成gap,由母链与带gap子链重组,填补子链缺口,母链缺口由DNA聚合酶填补,第二节 突变的检出,(一) 大肠杆菌营养缺陷型的检出,基本培养基,1. 基本培养基添加物的筛选,2. 青霉素法,青霉素法的作用是抑制细菌细胞壁的合成，只能杀死正在生长繁殖中的细菌，而不能杀死休止状态的细菌,突变型细菌,筛选出某种营养缺陷型,(二)真菌营养缺陷型的检出,菌丝过滤法：,真菌分生孢子(野生型突变型),液体基本培养基(通气),培养1天，棉花过滤,分生孢子(死亡、突变、难萌发的野生型),液体基本培养基(通气),培养1天，棉花过滤(若干次),分生孢子(死亡、突变),补充培养基,鉴定突变型,(三)果蝇突变的检出,1.果蝇伴性隐性致死(或非致死)突变的检出,果蝇的ClB(crossover suppressor-lethal-bar technique)测定法: ClB测定是利用ClB/X+ 雌蝇，可以测定X染色体上任何基因的隐性致死突变或其他非致死突变,原理：倒位杂合体的重组率下降，因此可以把倒位染色体的倒位区段(In)作为抑制交换的显性基因或标志，而正常染色体作为不能抑制交换的隐性标志,2. Muller对ClB法的改进：Muller-5(5),Muller-5(-5)品系X染色体带有B(Bar)和wa(杏红眼)、sc(scute，小盾片少刚毛)，称Basc，X染色体上具有重叠倒位，可以抑制5与野生型X染色体的重组,(由于倒位抑制了交换),2：1,Morgan married Lilian Vaughan Sampson, in 1904, who had been a student at Bryn Mawr College, and