基因突变01ppt课件

第九章 基因突变 Chapter 9 Gene Mutation 基因突变（gene mutation）：是 指一个基因内部可以遗传的结构改变 ，又称点突变（point mutation）。 具有某种突变表型的细胞或个体称为 突变体（mutant）。 一、基因突变的类型(Types of mutation) 根据突变的原因，可分为: 1.自发突变(spontaneous mutation) 指在自然状况下产生的突变。 2.诱发突变(induced mutation) 指由人工特设诱发因素而引起的突变。 根据突变变引起的表型特征，可分为为： 1.形态态突变变（morphological mutation） 指能造成生物体外形改变变的突变变。又称可见见突 变变(visible mutation)。 如形状(shape) 、大小 (size) 、色泽泽(color)等。 2.致死突变变（lethal mutation） 指能造成个体死亡的突变变。 l 根据致死能力可分为为： 全致死突变变型（90以上死亡） 亚亚致死突变变（50%90%死亡） 半致死突变变（10%50%死亡） 弱致死突变变（10%以下死亡） l 根据致死基因的性质质分为为 显显性致死和隐隐性致死 l 根据致死基因作用的时时期分为为 配子期致死 合子期致死 胚胎期致死 5.丧丧失功能突变变 （Loss-of-function mutations） 完全丧丧失基因功能的突变变 无效突变变（null mutation） 部分丧丧失基因功能的突变变 渗漏突变变（leakymutation） 6.获得功能突变（ Gain-of-function mutations） 根据突变发变发 生的部位，可分为为: 1.体细细胞突变变(Somatic mutations) 突变发变发 生在体细细胞，不能遗传遗传 。 2.生殖细细胞突变变(Gametic mutations) 突变发变发 生在配子细细胞或配子生成组织组织 。 Somatic mutations are not transmitted to progeny, but germinal mutations may be transmitted to some or all progeny 根据突变基因的性质，可分为为: 1. 大突变：控制质量性状基因的突变 . 微突变：控制数量性状基因的突变 二、基因突变变的一般特征 Characteristics of mutations 1 . 随机性(randomicity) 突变发生的时期(time) 、部位(position)和方向 (direction)是随机的。 有些区域比另一些区域更容易突变它们被称为 突变的热点(hotspots)。 二核苷酸5-CmG- 3是一个突变热点, 其中5-甲基 胞嘧啶常常自发脱氨基而变成5 -TG-3 。 2.稀有性(rarity) 突变频率(mutation rate)一般很低。 有性生殖的生物： 突变率用每一配子发生突变的概率表示。 即：突变率=突变配子数配子总数 无性生殖的生物：突变变率用每一细胞世代中每一 细菌发生突变的概率表示。 即： 突变率=细菌一次分裂过程中的突变次数细菌总数 3. 可逆性(reversibility) 基因突变变是可逆的。根据基因突变变的效应应可分为正 向突变、回复突变变和抑制突变变。 正向突变(forward mutation)：个体由正常(野生型) 表型改变为突变表型的突变。 回复突变(back mutation)：个体由突变表 型经再次突变恢复为正常表型的突变。 回复突变与正突变发生在同一座位。 在多数情况下，正向突变变率总总是高于回 突变变率。如：his+ his-，但由缺 失而引起的突变变不能回复。 210-6 410-8 抑制突变变(suppressive mutation)：某一座位上 突变产变产 生的表型效应应被另一座位上的突变变所 抑制，使突变变体又恢复为为正常表型。 突变型突变型 m- m+m+ m+ m- su+ 野生型 野生型 野生型 野生型 全部野生型 若干突变型 m- su+ m- su- m+ su+ 真正的回复突变 抑制因子突变 4. 多方向性 指基因的突变变可以向多个方向进进行。 一个基因可以突变为变为 a1、a2、a3an等 而构成所谓谓的复等位基因（multiple alleles ）。 5.重演性 同一突变变可以在同种生物的不同个体 间间多次发发生 6.有害性和有利性 大多数基因的突变变，对对生物的生长长和发发育 往往是有害的。 有些基因仅仅控制一些次要性状，即使发发生 突变变，也不会影响生物的正常生理活动动， 这类这类 突变变称为为中性突变变。 少数突变变不仅对仅对 生物的生命活动动无害 ，反而对对它本身有利，例如抗病性， 优质优质 ，早熟性等有利突变变 7.平行性 亲缘亲缘 关系相近的物种因遗传遗传 基础础比较较近 似，往往发发生相似的基因突变变。这这种现现象称 为为突变变的平行性 。 根据一个物种或属内具有的变变异类类型，就 能预见预见 到近缘缘的其他物种或属也同样样存在相 似的变变异类类型 。 三、突变变子的检检出 Detection of mutations 1. E.coli突变变的检出(Detection in Bacteria) 合成代谢功能突变型(营养缺陷型) E.coli突变型 分解代谢功能突变型（碳源利用） 抗性突变型（抗性） 影印培养法检检出营营养缺陷突变变型 野生型分生孢孢子 完全培养基 培养 基本培养基培养 补补充培 养基培养鉴鉴定 X射线或 紫外线 2.真菌营养缺陷型的检出(Detection in Fungi) Induction,isolation,and characterization of a nutritional auxotrophic mutation in Neurospora 3.果蝇蝇突变变的检检出 （1）性连锁连锁 突变变的检检出 ClB法： 染色体上一个大的倒位； 隐隐性致死突变变； 显显性棒眼基因。 野生 X X 单对单对 交配？ 待测测雄蝇蝇 突变变 死亡 野生 致死 :=2:1 全 (2)Muller- 5 method X X wa wa 单对单对 交 配 待测测蝇蝇 突变变 野生或致死 wa Muller-5 蝇 wa wa wa wa ： 棒眼 wa ：杏色眼 （2）果蝇蝇常染色体突变变的检检出 利用平衡致死品系 Cy 翘翘翅基因 星状眼基因 C 大倒位 位于第二染色体上，均有纯纯合致死作用。 + S + S Cy + Cy + + S Cy + CC C Cy + + S X X Cy + Cy + + S 单对单对 交 配 X Cy + Cy + Cy + Cy + Cy + Cy + 死亡 翘翘翅 待测测雄蝇蝇 突变变 野生或致死 4.二倍体生物突变变的检检出 显显性突变变：二倍体生物的显显性突 变检变检 出比较较容易，但一般要经经两次自 交，到第三代才可获获得纯纯合体。 隐隐性突变变：不易表现现，但一经经表 现现便可稳稳定遗传遗传 。 dd DD Dd Dd DD Dd dd DD Dd dd DD DD Dd dd dd 显性突变 隐性突变 F1 F2 F3 最早建立玉米突变检测体系的是Lewis Stadler cc CC 无突变，胚乳基因型应为ccC(有色) 有突变，胚乳基因型应为ccc(无色) Stadlers method for detecting germinal mutations is now called the specific-locus test. 5.人类类基因突变变的检检出 家系分析法(pedigree analysis) Pedigree showing that the initial occurrence of an autosomal dominant mutation for cataract(白内障) of the eye Pedigree showing that the neurofibromatosis (纤维神经瘤) mutation must have been in the germ line of III-8 or III-9. Mutation to X-linked recessive hemophilia(血友病). 四、基因突变及其分子机制 (一)突变的分子基础 frameshift mutation deletion mutation base substitution transitions transversions transitions and transversions （二）碱基替换与氨基酸顺序 根据碱基替换后氨基酸顺序是否发生改 变可分为: .同义突变(same sense mutation) 改变后的密码子仍编码同一种氨基酸的 突变，这是因为密码子有简并性。 .错义突变(missense mutation) 又称歧义突变，指由于碱基替换使 一种氨基酸的密码子改变成为另外一种 氨基酸的密码子的突变，大多数的突变 属于此类。 不影响蛋白正常功能的错义突变称为中性 突变（neutral mutation） 同义突变和中性突变都不影响蛋白质功能 ，称为沉默突变（silent mutation） .无义突变(nonsense mutation) 指由于碱基替换而使其某一编码子突 变为终止密码子（UGA, UAG, UGG）。 .延长突变(elongation mutation) 指由于碱基替换使终止密码子突 变为编码子，肽链延长。与无义突变 刚好相反。 如：人的镰形细胞贫血症即由碱基替换引起。 正常碱基序列 GAA GAA AAA 正常氨基酸序列 (HbA) 谷 谷 赖 HbS GUA(缬) Hb Sirirag AAA(赖) Hb Luhe CAA(谷胺 ) 正常红细胞 镰刀形细胞 正常血红蛋白的链由141aa组成， Hb Constant Spring的链由172aa 组成，原因就是UAA CAA。 DNA复制错误错误 自发发化学损伤损伤 转转座因子 自然环环境 脱嘌呤(depurination) 脱氨基(deamination) 氧化损伤碱基(oxidatively damaged bases) (三)自发突变的分子机制 Molecular basis of spontaneous mutations 原因 1.DNA复制错误错误 (Errors in DNA replication) 碱基互变异构作用 T T A A T G C G T A T A T A T A 变构 T酮式状态 T烯醇式状态 碱基互变异构作用 C C G G C A T A C G C G C G C G 变构 C氨基状态 C亚氨基状态 2.自发的化学损伤(Spontaneous lesions) (1)脱嘌呤作用(Depurination) (2) 脱氨基作用(deamination) (3)氧化损伤损伤 (Oxidatively damaged bases) 过过氧化物原子团团(O2-)、(H2O2)、(-OH)等需氧代 谢谢的副产产物都是有活性的氧化剂剂， 它们们可导导 致DNA的氧化损伤损伤 ，T氧化后产产生T乙二醇 ，G氧化后产产生8-氧-7,8二氢氢脱氧鸟鸟嘌呤、8- 氧鸟鸟嘌呤(8-O-G)或“ GO”，GO可和A错错配，导导 致GCTA。 3其他因素 转转座因子、环环境因素、不等交换换 (四)诱发突变的分子机制 Molecular basis of induced mutations 1.物理诱变诱变 因素及其诱变诱变 机理 (1)非电离辐射紫外线(Ultraviolet) 作用：形成嘧啶二聚体，主要是，它使 DNA分子扭曲，影响正常的复制和转录，严重 时可致死。也可能使复制差错而诱发突 变。 (2)电电离辐辐射(Ionizing radiation) 主要有X射线线、射线线、射线线、射 线线等。 直接作用：电离作用，引起骨架的 断裂，从而造成染色体畸变变。 间接作用：改变环变环 境 H2O OH + H Type of radiation Percentage of male X chromosomes bearing recessive lethal mutations after a dose of 1000 roentgens *Visible light (spontaneous) 0.15 X rays (25 Mev) 1.70 rays, rays 2.90 Neutrons 1.90 rays 0.84* Relative Efficiencies of Various Types of Radiation in Producing Mutations in Drosophila The roentgen (r) is a unit of radiation energy. 遗传效应： 在一定范围内，基因突变变率和染色体断裂 的频频率与辐辐射剂剂量成正比。 辐辐射有累积积效应应。 突变率只与辐射剂量有关，而与照射的 方式无关。 2.化学诱变 ()碱基类似物(Base analogs) 5-溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU） 5-BU有酮式(常见)、烯醇式(少见)两种异构 体 ，酮式和T相似，烯醇式和C相似。 ATGC的频率高于GC AT -氨基嘌呤(2-aminopurine, 2-AP) 2-AP也有正常状态和稀有状态两种异构 体，可分别与T和C配对结合。 导致AT G C (2)碱基的修饰剂(Base-modifying agents) 亚硝酸（ introus acid, NA）：氧化脱氨作用 A和C 脱氨后分别产生次黄嘌呤H 和U G脱氨基产生黄嘌呤（x），不能与任何碱基配对 ，具致死效应。 羟胺(hydroxylamine) 在胞嘧啶第4个C原子上加-OH，产生4-OH -C，可以和A 配对，使CG转换成TA 烷化剂(alkylating agents) 如甲基黄酸乙脂(EMS)、氮芥(NM)、甲 基黄酸甲脂(MMS)、亚硝基胍(NG)等，其作 用是使碱基烷化，EMS使G的第6位烷化， 使T的第4位上烷化，导致GC对转换成AT 对；TA对转换成CG (3)DNA插入剂(Intercalating agents) 引起移码突变(frameshift mutation) 有原黄素（proflavin）、吖啶橙（ acridine orange）、溴化乙啶（etnidium bramide）等。 五基因突变的修复 (一)直接修复（Direct repair） 1.通过过DNA聚合酶校正修复 2.光复活（photo reactivation） 或光修复（light repair） UV 可见光下培养，成活率高 细菌 暗处培养，成活率低 原因：细胞中的光复活酶经可见光激活 ， 可修复UV照射形成的嘧啶二聚体。 (二)切除修复（excision repair） 暗复活（dark reactivation） 1.一般切除修复(General excision repair) 具体过程是： (1)由核酸内切酶在损伤部位造成单链 断裂， (2)在核酸外切酶的作用下切除二聚体及周 围的少数几个核苷酸， (3)在DNA pol I或的作用下修补缺口， (4)由连接酶连接成一个完整的双链。 2.特殊切除修复途径(Specific excision pathways) (1) AP核酸内切酶修复途径 AP endonuclease repair pathway AP位点 :无嘌呤（apurinic）和无嘧啶（ apyrimidinic）位点 Repair of AP sites. 1.AP endonucleases recognize AP sites and cut the phosphodiester bond. 2.A stretch of DNA is removed by an exonuclease, 3.The resulting gap is filled by DNA polymerase I and DNA ligase. 1 2 3 (2) 糖基酶修复途径 DNA glycosylase repair pathway (base- excision repair). 糖基化酶修复C脱氨基产产生的U和A脱氨基产产 生的H. Action of DNA glycosylases. Glycosylases remove altered bases and leave an AP site. The AP site is subsequently excised by the AP endonucleases (3) GO系统(GO system) 修复G氧化损伤产生的GO 修复 复制聚合酶 修复聚合酶 3.DNA损伤修复的缺陷 Repair defects in human DNA损伤修复的缺陷将带来严重的后 果。导致细胞的突变，甚至死亡。 如人的着色性干皮病(xeroderma pigmentosum, XP)是一种切除修复酶的缺陷，为常染色体隐性 遗传病（AR）。该病是因为与DNA损伤修复相关 的基因突变引起的，90%的病人在20岁之前就已 经发生了皮肤癌。 (三)复制后修复(Postreplication repair) 1. 错配修复（mismatch repair） (1) 识别错配的碱基对； (2)准确区别错配的一对碱基哪一个是错的， 哪一个是对的； (3) 切除错误的碱基，并进行修复合成 Model for mismatch repair in