遗传信息改变

遗传信息改变第一节染色体畸变一染色体结构变异：①缺失（deletion）②重复（duplication）③倒位（inversion）④易位（translocation）结构杂合体（structuralheterozgote）：1对同源染色体其中一条是正常的而另一条发生结构变异，含这类染色体的个体或细胞称为结构杂合体。结构纯合体（structuralhomozygote）：若含有对同源染色体都产生了相同结构变异的个体或细胞称为结构纯合体。第2页,共85页，2024年2月25日，星期天1.缺失(deletion)：缺失(deletion)：正常染色体某一区段丢失，导致该区段基因丢失。缺失发生在染色体内部称中间缺失(interstitialdeletion)。较稳定。发生在染色体端点称顶端缺失(terminaldeletion)。缺少端粒，易于其他染色体断裂片段重新愈合，形成双着丝粒染色体，在减数分裂时形成染色体桥（chromosomalbridge）。自身头尾相接形成环状染色体（ringchromosome）第3页,共85页，2024年2月25日，星期天缺失的产生：①染色体损伤断裂，②染色体发生纽结，③同源染色体不等交换（unequalcrossingover），④转座因子引起的缺失。缺失的遗传和表型效应：①引起生物死亡或异常。影响生活力程度取决于缺失基因的多少和重要程度，缺失纯合体（一对同源染色体的两条染色体的响应片段都发生缺失）不能存活。人类的猫叫综合症是5号染色体短臂缺失。②出现假显性或拟显性(pseudodominance)：由于显性基因的缺失使原不应表现的隐性基因的效应表现出来。第4页,共85页，2024年2月25日，星期天第5页,共85页，2024年2月25日，星期天2、重复（duplication）重复（duplication）：指染色体增加了一些相同的基因区段。重复区段的基因排列顺序与原染色体的相同称为顺接重复（tandemduplication）；原染色体基因顺序相反称为反接重复（reverseduplication）。同臂重复：重复的片段在同一条染色体臂上；异臂重复：重复的片段在不同的染色体臂上。重复的产生：①断裂-融合桥的形成，②染色体纽结，③不等交换第6页,共85页，2024年2月25日，星期天重复的遗传和表型效应①破坏了正常的连锁群，影响交换率。②剂量效应（dosageeffect）：由于重复使得基因数量增加，导致该基因所控制的性状表达量的增加。③位置效应（positioneffect）：由于基因重复的位置不同，其与相邻基因的位置不同，而使表型不同。④影响生物发育和性细胞生活力第7页,共85页，2024年2月25日，星期天3．倒位（inversion）倒位（inversion）：指一个染色体上某区段正常排列顺序发生180℃颠倒。臂内倒位：颠倒发生在染色体一个臂内称为臂内倒位（paracentricinversion）；臂间倒位：发生在两个臂间称为臂间倒位（pericentricinversion）。倒位的产生：①染色体纽结、断裂和重接。②转座子引起染色体倒位。第8页,共85页，2024年2月25日，星期天倒位的遗传和表型效应：①引起基因重排：改变了基因的位置和顺序，破坏了基因的正常连锁结构，。②形成倒位圈：倒位杂合体在染色体联会时，形成倒位圈③对生活力影响：倒位区段不大，不会影响生活力；如倒位区段大，就会使倒位杂合体高度不育。倒位纯合体正常，不影响生活力。④对物种进化的影响：倒位纯合体其染色体不能与正常染色体配对。所以，倒位纯合体与正常物种间不能相互受精，产生生殖隔离现象。第9页,共85页，2024年2月25日，星期天第10页,共85页，2024年2月25日，星期天第11页,共85页，2024年2月25日，星期天4.易位（translocation）易位（translocation）：指非同源染色体间的某些片段的转移。如果只是一个染色体的某一区段转移到一个非同源染色体上称单向易位（simpletranslocation）。如果两个非同源染色体的某区段相互转移称相互易位（reciprocaltranslocation）。罗伯逊易位（Robertsoniantranslocation）：由两个非同源的端着丝粒染色体的着丝粒融合，形成一个大的中或亚中着丝粒染色体。相互易位与基因交换不同，基因交换是一种正常现象。相互易位是一种不正常现象。第12页,共85页，2024年2月25日，星期天易位的遗传和表型效应改变了基因的连锁群。使原来连锁遗传的基因表现为独立遗传。位置效应：只改变了基因在染色体上的位置，没有改变基因的数目，若常染色质区基因易位到异染色质区，影响基因的表达。基因重排导致癌基因的活化，原来独立遗传的基因间表现出连锁遗传现象；导致易位杂合体出现假连锁（pseudolinkage）。易位杂合体的育性降低，生产性能下降。第13页,共85页，2024年2月25日，星期天人类、黑猩猩、大猩猩、猩猩的染色体比较第14页,共85页，2024年2月25日，星期天二、染色体数目变异染色体数目的变异：指染色体数目的增加或减少。分为整倍体变异和非整倍体变异。染色体组：正常体细胞中形态、结构和连锁群（功能）彼此不同的染色体的组成系统。即由不同同源染色体构成的一套染色体。一个染色体组带有一套基因称为基因组（denome）。1、整倍体变异（euploidy）：指染色体的数目成倍的增加或减少。整倍体生物的体细胞都有确定的染色体组完整倍数。第15页,共85页，2024年2月25日，星期天整倍体变异（euploidy）一倍体（X）（monoploid）：含有一个染色体组细胞或生物。含有两个染色体组称为二倍体（2x），含有三个染色体组称为三倍体（3x），三倍体以上称为多倍体。单倍体（haploid）是指含有配子染色体的生物，是正常体细胞染色体数的一半。生物体细胞染色体数都用2n表示，n只表示生物体配子的染色体数目，n不代表倍性，倍性用X表示。第16页,共85页，2024年2月25日，星期天多倍体①同源多倍体（autopolyploid）：是指增加的染色体组来自同一物种，遗传基础同源。同源多倍体在减数分裂时，形成染色体均衡的配子的比率很小，所以育性很低。②异源多倍体（allopolyploid）：是指染色体组来源于不同的生物物种。是由不同种属间个体杂交后得F1，再经染色体加倍产生。异源多倍体是可育的。第17页,共85页，2024年2月25日，星期天2非整倍体变异非整倍体：细胞中含有不完整染色体组的生物。单体（monosomy）：二倍体染色体组丢失了一个染色体（zn-1）的生物。染色体平衡破坏，基因产物剂量减半，影响性状发育，当显性基因丢失，隐性基因表达。人45，XO和牛59，XO均表现为先天性卵巢发育不全。缺体（nullsomy）：一对同源染色体成员全部丢失（2n-2）的生物体。一般不能存活。多体（polysomy）：二倍体染色体增加了一个或多个染色体的生物。第18页,共85页，2024年2月25日，星期天双三体（doubletrisomy）二倍体生物增加了两条不同的染色体（2n+1+1）。四体（tetrasomy）二倍体生物的某一对同源染色体又增加了一对相同的染色体（2n+2）。嵌合体（geneticmosaic）：是含有两种以上染色体数目或类型细胞的个体。如2n/2n-1，XX/XY，XO/XY。人的雌雄嵌合体（XX/XY）可能是早期两个受精卵融合，个体同时具有雌雄两套生殖系统。牛的雌雄嵌合体主要出现在异性双胎的母牛中，公牛为60，XY，母牛为60，XX/60，XY。第19页,共85页，2024年2月25日，星期天第二节基因突变一、基因突变类型1根据突变发生的原因：自发突变（spontaneousmutation）：由自然环境或生物体内的生理生化因素引起的基因突变。诱发突变（inducedmutation）：人为的用理化因素对生物提或细胞处理产生的基因突变。第20页,共85页，2024年2月25日，星期天2根据突变的方向：回复突变（reversemutation）由突变型变为野生型。正向突变（forwardmutation）由野生型变为突变型。3根据突变的表型效应：显性突变（dominantmutation）：由隐性基因变为显性基因的过程。隐性突变（recessivemutation）：由显性基因突变为隐性基因的过程。第21页,共85页，2024年2月25日，星期天二、突变产生的时期和频率1突变发生的时期：突变可以发生在个体发育的任何时期和任何细胞。突变发生在体细胞中，突变不能传递给后代称为体细胞突变（somaticmutation）。突变发生在生殖细胞中，这种突变可以通过配子传递给下一代，在后代的提细胞和生殖细胞中会具有同样的突变，这种突变称为种系突变（germ-linemutation）。植物体细胞突变可通过压条、嫁接更方法繁殖。动物体细胞突变可通过克隆技术繁殖。第22页,共85页，2024年2月25日，星期天2突变发生的频率突变率（mutationrate）：是在一定时间内突变可能发生的次数。即突变个体占总观察个体数的比值。正常情况下，突变率很低，且在不同的生物、不同的基因突变率差异很大。细菌的突变率在10-4~10-10，高等植物突变率在10-5~10-8，果蝇突变率为10-4~10-5，人的突变率为10-4~4×10-6。第23页,共85页，2024年2月25日，星期天三、基因突变的一般特征1突变的可逆性：基因A可以突变为a，基因a也可突变为A。把Aa叫做正突变（forwardmumation），把aA叫做反突变或回复突变（backmumation）。在自然界中，正突变的频率大于反突变的频率。基因突变可以出现反突变，而基因重组和染色体畸变很难出现恢复突变。所以，可以根据是否出现反突变来区分某一个突变是基因突变还是由于基因重组和染色体畸变等较大区段的变异引起的突变。第24页,共85页，2024年2月25日，星期天2突变的重演性：指同一种生物不同个体、在不同时间、不同地点重复出现相同的突变。即某一突变可以在同种生物的任何个体中发生，且不受地域或具体时间的限制。3突变的多向性：一个基因可向不同的方向发生突变。基因A可以突变为a1

a2．．an，a1

a2．．an间也可以互相突变或反突变为A。这些突变是发生在同源染色体的同一位点，称为复等位基因。4突变的平行性：指亲缘关系相近的物种往往发生相似的突变。即在一个物种发生了某一突变，在其亲缘关系相近的物种中也可发生这样的突变。第25页,共85页，2024年2月25日，星期天5突变的有利性和有害性：基因突变产生新基因，丰富了生物的多样性。突变和选择是生物进化的基础。因此，对生物进化的历史来讲，突变是一种有利的现象。但对于一个具体个体来讲，突变大多数是不利的。一个生物个体，其遗传物质及其调控下的代谢过程都达到了相对平衡和高度协调统一，一旦某基因发生突变，就会造成代谢的紊乱，对生物体不利。但也有一些突变可能对生物体有利，通过自然选择而保留下来。第26页,共85页，2024年2月25日，星期天四、基因突变的分子机制1碱基替代（base-pairsubstitution）指一个碱基对被另一个碱基对代替。DNA分子中一个嘌呤被另一个嘌呤取代或一个嘧啶被另一个嘧啶取代称为转换（transition）。若DNA分子中嘌呤被嘧啶取代或嘧啶被嘌呤取代称为颠换（transversion）。2移码突变（frameshiftmutation）：在基因编码区插入、缺失一个或两个碱基都能引起移码突变。第27页,共85页，2024年2月25日，星期天第28页,共85页，2024年2月25日，星期天3碱基替换和移码突变的遗传效应错义突变（missensemutation）：由于DNA分子的碱基发生替换，使mRNA遗传密码发生改变，转录出新的密码子，相应地转译出不同的氨基酸，造成蛋白质结构和功能的改变，从而引起性状的变异。无义突变（nonesensemutation）：由于DNA分子的碱基发生替换，使转录出的mRNA上相应位置的三联体密码子成为终止密码子UAG、UAA或UGA，是肽链合成终止，不能合成活性的多肽链。第29页,共85页，2024年2月25日，星期天同一突变（synonymymutation）：DNA分子发生碱基替换，形成不同的密码子，但由于兼并作用，使不同的密码子转译出相同的氨基酸，生物的性状不发生改变。移码突变的遗传效应：移码突变造成的遗传效应比碱基替换大的多，它使缺失或插入位点以后的所有遗传密码发生变化，导致多肽链的氨基酸序列发生较大变化。第30页,共85页，2024年2月25日，星期天五突变产生的原因（一）自发突变1DNA复制错误：DNA复制中可产生碱基的错误配对，错误水平10-7—10-11；同时由于碱基存在交替变化的互变异构体，当出现罕见的异构体时，可能和错误的碱基配对。DNA中少量碱基的增加和缺失能够自发产生，可由新合成链和模板链的环出产生，新合成链的环出可增加一个碱基，模板链的环出回缺失一个碱基，引起移码突变。

第31页,共85页，2024年2月25日，星期天第32页,共85页，2024年2月25日，星期天2自发的化学变化自发突变中碱基自发脱嘌呤和脱氨引起碱基缺失或配对性质改变。①脱嘌呤：嘌呤与脱氧核糖的糖苷键断裂，A或C被切下来，在DNA复制时，此处随机加入碱基造成突变。②脱氨：碱基脱氨后发生配对性质的改变。5-甲基胞嘧啶（脱氨）是突变热点（mutationhotspot）第33页,共85页，2024年2月25日，星期天第34页,共85页，2024年2月25日，星期天第35页,共85页，2024年2月25日，星期天③氧化作用损伤碱基（oxidativelydamagedbases）引起自发突变。3增变基因：有一些基因的突变可以大大提高整个基因组其它基因的突变率，这些基因被称为增变基因(mutatorgenes)。转座成分的致变：在DNA基因组中能够进行复制并将一个拷贝插入新位点的DNA序列。转座成分插入新位点后引起移码突变。第36页,共85页，2024年2月25日，星期天（二）诱发突变1化学诱发突变：碱基类似物：在DNA复制时渗入并与互补链上的碱基生成氢键而配对。如5-溴尿嘧啶(T类似物），2-氨基嘌呤（A类似物）。5-溴尿嘧啶以酮式结构存在时，其结构与胸腺嘧啶（T）相似，能与A配对；以烯醇式存在时，其结构与胞嘧啶（C）相似，能与G配对。酮式和烯醇式结构在体内可以相互转化。当复制时，若有5—溴鸟嘧啶存在时，就可假冒T或C分别A或G配对，导致碱基发生转换。2-氨基嘌呤的两种异构体能和T（常态）和C（稀有态）第37页,共85页，2024年2月25日，星期天第38页,共85页，2024年2月25日，星期天改变DNA化学结构的诱变剂：如亚硝酸和烷化剂等，亚硝酸会引起碱基脱氨而导致突变。第39页,共85页，2024年2月25日，星期天烷化剂能使DNA分子的碱基烷基化，导致配对性质的改变。第40页,共85页，2024年2月25日，星期天羟氨（HA）：还原剂，能是胞嘧啶C6上的氨基羟化，使其配对性质与T相似，引起转换。移码诱变剂：诱导单个碱基或数个碱基的插入或缺失。丫啶类分子扁平，能插入碱基间，引起链断裂或使DNA双链歪斜，易发生不等交换，形成重组分子，产生突变（重复、缺失）；或打开DNA双链，插入或缺失新的碱基，如果这种插入或缺失发生在基因的编码区，则会形成移码突变。第41页,共85页，2024年2月25日，星期天2紫外线辐射引起突变机理紫外线辐射引起嘧啶二聚体的形成：嘧啶二聚体是指DNA分子吸收能量，DNA双链解开，相邻的两个嘧啶核苷酸的嘧啶环的C5和C6间共价相连，形成嘧啶二聚体。包括胸腺嘧啶二聚体、胞嘧啶二聚体及胸腺嘧啶和胞嘧啶二聚体。第42页,共85页，2024年2月25日，星期天第43页,共85页，2024年2月25日，星期天第44页,共85页，2024年2月25日，星期天第45页,共85页，2024年2月25日，星期天第三节突变的抑制与修复一、突变的抑制1密码子的兼并性：DNA的碱基发生改变，引起密码子的改变，但由于密码子的兼并性，使得合成的氨基酸没有发生改变，蛋白质的结构和性质不变。2基因内抑制：由于碱基的插入或缺失导致移码突变，但其后又有碱基发生确实或插入，结果使得很少的密码子发生改变，引起少数氨基酸的变化，但不影响多肽链的性质，不引起突变。第46页,共85页，2024年2月25日，星期天3基因间的抑制无义突变和错义突变的抑制：碱基替代引起无义突变或错义突变，同时该密码子相对应的tRNA基因的突变，造成反密码子发生相应改变，携带相同的氨基酸合成多肽链，使得突变被抑制。移码突变的抑制：由于碱基的插入或缺失导致移码突变，此时若tRNA反密码子上也增加或减少一个碱基，从而使得插入或缺失造成的移码突变被抑制。第47页,共85页，2024年2月25日，星期天二、DNA的修复

（一）DNA复制的修复1DNA聚合酶的修复：

DNA聚合酶的3`-5`外切酶活性切除错配碱基，进行纠正修复。DNA聚合酶修正后，DNA错配频率达10-8。2错配修复系统：错配修正酶（mutH、mutL、mutS基因编码），对新合成的子代DNA分子进行扫描，识别序列为GATC甲基化腺嘌呤，结合到此序列和错配位点间，切除含错配碱基的DNA，再有DNA聚合酶和修复。并要求切除的链A是未甲基化的，负责不能切除。第48页,共85页，2024年2月25日，星期天第49页,共85页，2024年2月25日，星期天3尿嘧啶糖基修复系统：修复错配的U或脱氨产生的U。糖基化酶将非正常碱基从脱氧核糖上切除。留下的“洞”称为AP位点（apurinicorapyrimidinic）。AP核酸内切酶识别此位点，切割形成缺口，DNA聚合酶合成丢失的以及邻近的核苷酸。第50页,共85页，2024年2月25日，星期天第51页,共85页，2024年2月25日，星期天（二）DNA损伤的修复（嘧啶二聚体的修复）1光修复：在紫外线照射下，损伤的DNA在光复活酶作用下，解开嘧啶二聚体。2暗修复：又称切割修复，UvrABC核酸内切酶切割DNA的两条链中受损伤的链，可将损伤部分切除，根据互补链的序列合成一段新的DNA替代被清除的部分对其进行修复。第52页,共85页，2024年2月25日，星期天第53页,共85页，2024年2月25日，星期天第54页,共85页，2024年2月25日，星期天第55页,共85页，2024年2月25日，星期天3重组修复利用一个同源DNA双链上的一条单链，修复另一个受损伤的DNA双链上的缺口。是复制后的修复，涉及的基因大多是细胞内正常的遗传重组所需的基因：recA，recBCD等。4二聚体糖基酶修复系统：与尿嘧啶糖基酶修复系统相同。第56页,共85页，2024年2月25日，星期天第57页,共85页，2024年2月25日，星期天SOS修复系统是一种旁路系统，为DNA的损伤所诱导。其修复的结果是导致突变，是倾向差错的修复。在未经诱导的E.coil细胞中，全部SOS反应有关的基因都受到LexA蛋白的阻遏，只有当DNA受损时才会激活RecA蛋白的蛋白酶活性，降解LexA蛋白，使SOS系统的基因表达，其中也包括与诱变作用有关的基因。第58页,共85页，2024年2月25日，星期天第59页,共85页，2024年2月25日，星期天第四节重组与转座

一DNA重组的概念任何造成基因型变化的基因交流都叫遗传重组广义重组：由独立分配或交换出现新的基因组合的过程。狭义重组：指基因的交换重排而产生的重组。重组类型：1同源重组（homologousrecombination）或普遍性重组（generalizedrecombination），2位点特异性重组（site-specificrecombination），3转座重组（transposition）第60页,共85页，2024年2月25日，星期天二、同源重组同源重组发生在染色体上具有相同或相近序列的DNA区域。任意一对同源序列都可以作为底物由有关的酶催化重组。这些酶对DNA无碱基序列的特异性，只要两个DNA序列相同或接近相同，就可催化重组。在减数分裂中一对同源染色体相互分离时，像绳子的两股分开一样，产生扭曲，为了消除张力，只有两姐妹染色单体在对应位点发生断裂才能事张力达到平衡，然后非姐妹染色单体的断头相互重接，产生重组。第61页,共85页，2024年2月25日，星期天第62页,共85页，2024年2月25日，星期天第63页,共85页，2024年2月25日，星期天1霍利迪结构(HollidayStructure)霍利迪结构：它是DNA重组过程中的一个中间体，重组时两个DNA双链体以四股DNA在连结点形成的十字形DNA分子构象。异源双链体

(Heteroduplexes)：指重组DNA分子上两条链不完全互补的区域。分支迁移（Branchmigration）：一旦两个重组的DNA分子形成霍利迪结构，交叉连接点很容易像拉链一样移动，从而扩大异源双链体区域，这一程叫分支迁移。第64页,共85页，2024年2月25日，星期天第65页,共85页，2024年2月25日，星期天第66页,共85页，2024年2月25日，星期天第67页,共85页，2024年2月25日，星期天2Meselson-Radding模型第68页,共85页，2024年2月25日，星期天3、双链断裂起始重组第69页,共85页，2024年2月25日，星期天4大肠杆菌的重组Chi位点是重组热点，在大肠杆菌中每隔5~10kb有一个拷贝，其序列为5‘GCTGGTGG-3‘/3‘CGACCACC5’，能促进相邻区域发生重组。Chi位点能被双链断裂所激活。RecBCD具有DNA解旋和核酸酶的活性。它识别并切割Chi序列，它可以邦助有游离末端的DNA形成单链DNA片段，从而有利于RecA蛋白作用。RecA蛋白使单链DNA取代双链DNA分子中同源的链第70页,共85页，2024年2月25日，星期天第71页,共85页，2024年2月25日，星期天在大肠杆菌中有三个基因编码的担蛋白与重组有关，ruvA、ruvB和ruvC。RuvA可识别Holliday连接结构，RuvA四聚体结合在交换点的四条链上；RuvB是一种ATPase，可发动迁移反应，以六聚体的形式围绕在交换点上游的每一条DNA双链周围。RuvAB复合体能导致分枝点每秒10~20bp的速度移动，能将RecA从DNA中置换出来。ruvC编码一种核酸内切酶能识别和切开霍利迪结合点，从而完成重组。第72页,共85页，2024年2月25日，星期天三、位点专一性重组

Site-SpecificRecombination位点专一性重组不依赖DNA顺序的同源性（有很短的同源性），而依赖与能于某些酶相结合的特异DNA序列，这些特异的酶能催化DNA链的断裂和重接，进而引发位点专一性重组。第73页,共85页，2024年2月25日，星期天1λ噬菌体的整合和解离整合（integrate）：是指噬菌体基因组插到细菌的染色体中的过程。需要噬菌体DNA与细菌DNA的专一序列。在溶源lysogenic周期中，噬菌体λDNA是细菌染色体的一个整合部分，成为原噬菌体prophage。在裂解lytic周期中，λDNA以独立的环状分子存在于被侵染的细菌中。两种状态的改变由位点专一性重组进行，游离的λDNA整合integrate进寄主DNA，进入溶源状态；原噬菌体DNA从染色体上剪切excise下来，进入裂解状态。第74页,共85页，2024年2月25日，星期天2整合位点整合与剪切发生在噬菌体和细菌的特殊位点上，这个位点叫附着点attachment

site（att）。细菌的位点叫attB，由BOB’组成，噬菌体的位点叫attP，由POP’组成。序列O是attB和attP的共同序列，叫核心序列coresequence。B、B’、P、P’是臂，序列各不相同。重组后产生的原噬菌体由新位点界定：左边的位点叫attL，由BOP’组成，右边的位点叫attR，由POB’组成。第75页,共85页，2024年2月25日，星期天第76页,共85页，2024年2月25日，星期天3整合机制整合作用发生在attB和attP之间（attB×attP）。整合需要Int和IHF蛋白；Int有两个功能区，N端功能区识别attP的臂，C端功能区识别attP和attB的核心区，在核心序列反向结合切割位点，在每条链切割IHF蛋白结合在attP中约200bp的序列上，与Int的结合位点邻近。第77页,共85页，2024年2月25日，星期天第78页,共85页，2024年2月25日，星期天四、转座重组transpo