微生物第八章

第三节 基因突变与诱变育种8.3.1 基因突变类型和遗传效应8.3.2 基因的自发突变机制8.3.3 基因的诱发突变机制8.3.4 突变型菌株及应用8.3.5 诱变育种技术28.3.1 基因突变类型和遗传效应l 染色体的畸变： DNA复制时出错，使子代 DNA上大段碱基序列缺失、重复、倒位，通常导致细胞死亡；l 染色体的突变 ： DNA复制时出错，使子代 DNA上少数碱基序列出现缺失、添加、置换；l 基因突变（ gene mutation）：突变出现在基因序列内，影响了基因编码 产物 的功能，或者基因的表达特性，并产生遗传效应；l 点突变：仅在一个碱基位点发生的基因突变，是常见的基因突变；3基因突变的类型 碱基的置换： 转换：一种嘌呤（嘧啶）变为另一种嘌呤（嘧啶）； 颠换：嘌呤变为嘧啶，或嘧啶变为嘌呤；l 碱基数量的突变：分为缺失和添加，如果发生在编码序列中，称为移码突变；4非编码序列基因突变的遗传效应l 基因的表达元件发生基因突变，可能优化表达元件，也可能损伤表达元件，而影响基因的表达水平；l 基因的调控元件发生基因突变，一般破坏其固有的表达调控机制，例如：由诱导型表达变为组成型表达；5编码序列基因突变的遗传效应l 同义突变：碱基置换不改变密码子的含义；l 错义突变；碱基置换改变了密码子的含义；l 无义突变：碱基置换产生终止密码子 UAA、 UAG或UGA，使转译在突变处终止；l 移玛突变：碱基的缺失或添加，使改变，使突变点以后的密码子的阅读框完全错位； 但是缺失或添加三个碱基，或缺失和添加数相等，则不会发生移码突变，而可能发生错义突变；678.2.2 基因的自发突变机制l 自发突变：由 DNA固有的物化特性决定，以及胞内环境因素影响，在 DNA复制时，偶然引发的基因突变；一般发生频率极低，约在 10-6 10-9 之间； 碱基互变：碱基在酮式 /烯醇式，氨式 /亚氨式等异构体之间相互转变的特性； 胞嘧啶的自然脱氨基作用，使胞嘧啶变为尿嘧啶； 环出效应： DNA复制时，模板链与子链之间出现相对滑动而成环，造成子链发生碱基缺失或添加；8亚氨式 C-A 烯醇式 T-G亚氨式 A-C 烯醇式 G-T碱基的异构体及配对方式l 碱基通常以常态结构存在，但也有一定几率，以异构体形态存在； 碱基异构体配对方式与常态碱基配对方式不同；如果在DNA复制时，某个碱基处于异构体形态，则发生错配；9碱基互变导致基因的自发突变l 在 DNA复制过程中，如果某个 G以烯醇式异构体存在，则与 T配对，在子链中形成 G-T错配；在下一次复制时，在子链中出现由 G-C到 A-T基因突变；10环出效应引起的基因自发突变l DNA复制时，子链滑动出现环出，则子链发生碱基添加；如果母链滑动出现环出，则子链发生碱基缺失；l 子链再次复制时，其子链发生突变；118.3.3 基因的诱发突变机制l 诱发突变：由外界的物理、化学或生物因素直接或间接作用于胞内 DNA 分子，而导致的基因突变；一般发生频率显著高于自发突变；l 诱变剂：能够直接或间接增加胞内 DNA的不稳定性，提高 DNA复制出错几率的物理、化学、生物因素； 化学诱变剂：碱基类似物、氧化剂、烷化剂、插入染料等； 物理诱变剂：紫外线和电离辐射； 生物诱变剂：温和性噬菌体、转座因子等；12碱基类似物及诱变机制l 碱基类似物：组成 DNA的四种正常嘌呤或嘧啶碱基的结构类似物；如： 5-溴尿嘧啶、 5-氟尿嘧啶、 8-氮鸟嘌呤、 6-巯基嘌呤、 2-氨基嘌呤等；l 碱基类似物的诱变机制： 在 DNA复制时，碱基类可替代正常碱基掺入到新合成的子链中； 但碱基类似物更容易发生常态结构和异构体之间的互变，在 DNA下次复制时，提高错配的几率； 135-溴尿嘧啶的异构体和配对方式l 5-溴尿嘧啶是嘧啶碱基类似物，可代替嘧啶核苷酸参与 DNA复制；l 酮式 5-溴尿嘧啶替代 T与 A配对（ 5-BU-A）；l 稀醇式 5-溴尿嘧啶则替代C与 G配对（ 5-BUe-G）；145-溴尿嘧啶的诱变机制l 5-溴尿嘧啶比正常碱基更容易发生酮式到稀醇式的互变，在 DNA复制时，更容易产生错配，提高 T-A到 C-G的突变几率；烯醇式酮式15亚硝基胍（ NTG）的诱变机制l N-甲基 -N-硝基 -N-亚硝基胍是超强的鸟嘌呤烷化剂，使鸟嘌呤甲基化为 O6-甲基鸟嘌呤； DNA复制时， O6-甲基鸟嘌呤与 T配对；再次复制时，产生 C-G到A-T的基因突变；16常用烷化剂 -硫酸酯和磺酸烷酯17常用烷化剂 -亚硝基化合物类18常用烷化剂 -环氧类和乙烯亚胺类19常用烷化剂 -其它类l 重氮甲烷（ diazomethane ）l b-丙酸内酯（ b- ptopylactone）l 芥子气（ mustard gas）l 氮芥（ nitrogen mustard ）20插入染料及诱变机制l 插入染料是一类具有扁平形状的有机分子，如：溴化乙锭（ EB）、丫啶橙、丫啶黄、原黄素等；l 插入染料能够插入到双螺旋 DNA中间堆积的碱基之间，在复制时引起 DNA滑动，造成碱基的缺失或添加突变；EB21紫外线的诱变机制l 紫外线照射可使胞内 DNA上相邻的两个嘧啶之间形成二聚体；当 DNA复制时，影响其模板功能，导致碱基对置换，诱发基因突变； 细胞都存在 DNA损伤的暗修复和光修复机制，使一般剂量紫外线的照射不足以引起较高频率的基因突变；22电离辐射的诱变机制l 电离辐射：带有较高能量的能引起物质电离的电磁波，如： c射线、 a射线、 b射线、 g射线等；l 在温和剂量下，受电离辐射的胞内 DNA电离发生损伤，导致基因突变；或者使胞内其它物质电离产生强氧化物，再作用于 DNA分子，诱发基因突变；l 各种诱变剂与 DNA发生作用的位点是高度随机的，由此产生的 DNA突变也是随机分布的，诱变剂与特定基因突变没有对应关系基因突变的不对应性；238.3.4 突变型菌株及应用l 野生型菌株：从自然环境中分离得到的，基因型和表型为其固有的菌株；l 突变型菌株（突变型）：由野生型菌株发生基因突变，而衍生出的具有新的基因型和表型的菌株；l 突变型菌株主要用于代谢和分子遗传学研究，以及用作工业发酵菌种；l 突变型的类型：营养缺陷型、抗性突变型、条件致死突变型、形态突变型、产量突变型；24营养缺陷型（ auxotroph）l 营养缺陷型：由于基因发生突变而不能正常表达所编码的酶，导致某种必需代谢物的合成能力缺陷的突变型菌株；l 常见营养缺陷型：氨基酸缺陷型、维生素缺陷型、核苷酸（碱基）缺陷型等；需要从营养物质中提供所缺陷的代谢物，营养缺陷型才能正常生长；l 例：细胞因基因突变而不能合成二氢蝶酸合成酶，使叶酸合成能力缺陷，细胞则成为叶酸缺陷型突变株；25抗性突变型（ resistant mutant）l 抗性突变型：因基因突变，导致该基因表达水平改变，或者导致细胞结构或代谢途径发生改变，使细胞对某种化学因子和环境因素的耐受性提高的突变株；l 常见抗性突变株：抗药性突变株、耐渗透压突变株、耐高温突变株、耐酸或耐碱突变株、耐有机溶剂突变株等；l 例如：可以耐受高浓度乙醇的乙醇耐受型突变株用于工业乙醇发酵的菌种；26条件致死突变型（ conditional lethal ）l 条件致死突变型：因基因突变，而丧失在某种特定物化条件下的生长能力，表现为死亡的突变型；l 例如：野生型 E.coli在 42 时可以正常生长，其温度敏感突变型（ temperature sensitive,ts）突变株在 42 时不能生长，但低于 42 可正常生长；l 条件致死突变型作为一种方便选择培养（淘汰）的菌株，在微生物的分子遗传学研究许多应用；27形态突变型和产量突变型l 形态突变型：基因突变导致形态特征明显改变的突变株；例如：肺炎链球菌野生型（ S型菌株）和形态突变型（ R型菌株），菌落分别呈现大而湿润和小而干燥的特征；因荚膜合成能力缺陷所致；l 产量突变型：由于多基因影响某种代谢物的过量合成，不清楚的基因突变导致代谢物的合成能力提高的突变株；传统工业发酵菌株基本上都是产量突变株；例如：产青霉素的产黄青霉的产量突变型，其产青霉素的能力较野生型大幅度提高；288.3.5 诱变育种技术l 诱变育种技术：使用诱变剂，通过诱变，提高基因突变发生几率的技术；以及将诱变产生的少数目的突变株从混杂群体中筛选（选择）出来的技术；l 诱变育种技术是改变微生物基因型的传统手段，用于为微生物分子遗传学提供材料，也用于工业微生物的遗传育种；l 微生物遗传育种：通过人工技术手段改变微生物的基因型，获得性状优良的工业发酵菌株；29诱变技术规范l 出发菌株的选择：基本性状优良，对诱变剂敏感，使用指数期细胞，丝状菌使用单孢子；l 诱变剂的选择：一般遵循先简易，后繁杂；先温和后强烈，先单一后复合的原则；可进行多轮诱变；l 诱变强度的选择：以细胞致死率或存活率为诱变强度的指标，可选择致死率为 90%的诱变强度，也可以选择致死率为 10%的诱变