第十一章遗传物质的改变(二)——基因突变.doc

遗传学教案第十一章遗传物质的改变（二）基因突变第十一章遗传物质的改变（二）基因突变（6h）教学目的：掌握基因突变的概念和类别；明确突变的一般特征；了解突变的检出、诱变因素和突变的分子机理，以及突变在实践中的应用；了解DNA损伤修复的类型。教学重点：基因突变的概、类别及突变的一般特征。教学难点：突变的分子机理及DNA损伤的修复。第一节 基因突变的概说一、 突变的发现二、 体细胞突变与生殖细胞突变三、 突变的类型四、 突变的性质五、 显性突变和隐性突变第二节 突变的检出一、 果蝇突变的检出二、 大肠杆菌营养缺陷型的检出三、 真菌营养缺陷型的检出四、 高等植物突变的检出第三节 生物体的修复机制一、 紫外线的辐射损伤作用二、 紫外线引起DNA的修复三、 电离辐射损伤的修复四、 修复缺陷与人类疾病第四节 基因突变的分子基础一、 自发突变二、 诱发突变第十一章遗传物质的改变（二）基因突变（6h）第一节 基因突变的概说一、 突变的发现严格说，突变包括基因突变和染色体畸变。但一般所指的突变是基因突变。基因突变：是指由于基因内部某一位点的结构发生改变，使其由原来的存在状态而变为另一种新的存在状态，即变为它的等位基因。所以任何等位基因都是由突变而来的。“突变”这个词的来源：“突变”是由荷兰De Vries（19011903）提出。他当时在栽培月见草，发现其中有多种可变遗传的变异，因这些变异是不连续的好象突然发生，故叫“突变”。后研究发现他所说的突变是属于染色体数目的变异。基因突变的发现：首先是由美Morgan（1910）发现的，在果蝇中发现了白眼雄性果蝇，经实验证明了白眼是性连锁基因突变。二、体细胞突变与生殖细胞突变体细胞突变：突变后的体细胞：常竞争不过正常细胞，会受到抑制或最终消失需及时与母体分离 无性繁殖 经有性繁殖传递给后代体细胞： aaAa ，当代即能表现，与原性状并存，形成镶嵌现 象或嵌合体。突变早，镶嵌范围大，如叶芽发生突变 突变枝。突变迟，镶嵌范围小，突变范围局限于一个花朵或果实，甚至仅限于它们的一部分。生殖细胞突变 性细胞在减数分裂末期对外界环境条件的敏感性较大； 性细胞发生的突变可以通过受精过程直接传递给后代。 性母细胞： aaAa、 AA Aa 五、 突变的类型（1） 可见突变/形态突变：指造成外形改变突变称形态突变/可见突变，eg果蝇的残翅、白眼均为可见突变。（2） 致死突变:造成个体死亡或生活力明显下降的突变，如一个隐性致死基因，可在二倍体生物中以杂合状态存在，在单倍体中则不能保存下来，显性致死基因不能保存。致死突变一般为隐性致死突变，致死突变不一定伴有可见的表型效应。因致死作用可发生于不同的发育阶段。例如，配子期，合子期或胚胎期。这样就见不到成体的表型效应。例如，植物中的白化基因，Aaaa由于不能形成叶绿素而死。普通果蝇2号染色体上的致死基因l。（3） 条件致死突变：在一定条件下表现致死效应，而在另外条件下能成活的类型。例如：T4phage温度敏感型：25在大肠杆菌中正常生活。42致死。（4） 生化突变：没有形态效应，但导致某种特定生化功能改变的突变型，叫生化突变。例如，最常见的是细菌营养缺陷型，在基本培养基上不能正常生活，只能在补另某种营养物质（例如：AA）的培养基上才生活。微生物中的抗药突变也是生化突变。以上只是从突变所引起的表型效应的不同作大致的分类，但不同类型间无明显限界，有的相互交叉。（5）失去功能的突变 无效突变（null mutation）：完全丧失了基因的功能。 渗漏突变（leaky mutation）：基因功能的丧失不完全。（6）获得功能的突变四、突变的性质 无论哪一类突变，均具有稀有性，可逆性，多方向性，不定向性，重演性和有害性与有利性。1、突变的稀有性是指正常情况下，突变率往往是很低。突变率：是指在一个世代中或其他规定的单位时间中，在特定的条件下，一个细胞发生某一突变的概率。在有性生殖的生物中，常以突变型配子占总数配子的百分比来表示突变率。据估计：高等生物的突变率为11051010，即在10万到1亿个配子中有一个突变。细菌的突变率为110441010。不同生物，同一生物的不同基因，其突变率都是不一样的。从表中可见：各种生物的突变率都很低，不同生物的突变率不同，同一生物的不同基因的突变率也互不相同，有的容易突变，有的则十分稳定。2、 可逆性正向突变：野生型基因 突变型基因的过程，称为正向突变。回复突变：突变型基因 野生型基因的过程，称为回复突变。但真正的回复突变（即回复到野生型的DNA序列）是很少发生的，多数所谓回复突变是指突变体所失去的野生型性状可以通过第二次突变而得到恢复。即原来的突变点仍存在。但它的表型效应被第二位点的突变所抑制。一般来说，回复突变率正向突变率。例如：大肠杆菌。3、多方向性基因突变可以向多方向进行。一个基因可以突变为许多个等位基因。遗传学上，将位于同一座位上的2个以上等位基因称为复等位基因。这些复等位基因可以从野生型基因（A）突变而来。也可以由其中任一突变而来。这些复等位基因之间关系较复杂，有的为完全显性，有的为共显性等。复等位基因的产生，是由于同座位内不同位点上的结构发生变化产生的。故突变的多方向性不是无限制的，因它只能在一定座位范围内发生，故所谓多方向性是相对的。例如，果蝇白眼座位上，复等位基因有12个：W+（红眼）、Wco(珊瑚色眼)、Wb1(血红眼）、Wc（樱红眼）、Wa（杏色眼）、We（伊红眼）、Wb（浅黄色眼）、Wt（微色眼）、Wh（密色眼）、Wp（珍珠眼）、Wi（象牙眼）、W（白眼）。但对某个体来说，体细胞内只有其中的一个或两个，多方向性而产生复等位基因，不仅增加生物性状的多样性，在生物进化和育种实践上都有重要意义。4、 突变的不定向性（突变发生的时期和部位）从理论上讲，突变可发生于个体发育的任一时期，可发生于体细胞和性细胞，是随机的。实验表明：发生于性细胞的突变率较高，体细胞发生突变的较少。5、 重演性同种生物中相同基因突变可以在不同个体间重复出现，称为突变的重演性。例如：果蝇的白眼突变，曾在不同个体中多次发生，每次出现的频率相似。6、突变的有害性和有利性。多数基因突变对生物体的生长发育有害，一般表现为生活力和可育性的下降以及寿命的缩短。这是由于任何一种生物的遗传基础（基因型），都是经历了长期自然选择的结果，故从外部形态到内部结构，包括生理生化状态及与环境条件的关系等方面均具有一定的适应性和协调性，而突变则打破了这种协调关系，故大部分突变对生物是不利的。例如：玉米品种自交后代出现少数白化苗，由于不能形成叶绿素而无法制造养料，当耗尽籽粒中的养分后，即行死亡。已知，这是一种隐性突变。也有少数突变能促进或加强某些生命活动，有利于生物的生存。例如：作物的抗病性、早熟性、微生物的抗药性等等。六、 显性突变和隐性突变显性突变：突变基因在杂合体中表现出突变性状，为显性突变；由隐性基因 显性基因叫显性突变。隐性突变：突变基因在杂合体中不现型，则叫隐性突变；由显性基因 隐性基因叫隐性突变。同源染色体上的等位基因的突变是独立发生的。第二节 突变的检出一、果蝇突变的检出（一）果蝇伴性隐性致死（非致死）突变的检出1、ClB法ClB品系：ClB+C：交换抑制因子l：隐性致死基因B：棒眼基因2、Muller-5法BBWaWaX染色体：有倒位，抑制交换Muller-5品系：杏色棒眼3、 “并连X染色体”法由T.H.Morgan的夫人L.V.Morgan创造的。（二）果蝇第二染色体上的隐性突变的检出利用平衡致死系：二、大肠杆菌营养缺陷型的检出三、真菌营养缺陷型的检出四、高等植物突变的检出 第三节 生物体的修复机制无论是化学诱变剂或辐射处理，对DNA的初级效应都是使它受到损伤，而DNA分子中初级损伤不一定都会引起基因突变。因为在生物体内存在着一个修复DNA分子损伤的系统。可以把DNA中的某些缺陷修补好。修复系统可以说是DNA的安全保障体系，如果按原样修复，当然也不会引起突变，但有时也偶然出现一些差错，从而引起突变。因此，突变往往是DNA损伤与损伤修复这两个过程共同作用的结果。紫外线的辐射损伤作用，主要作用于DNA，使DNA同一链或不同链间形成嘧啶二聚体，其中最常见的是胸腺嘧啶二聚体TT，此外还有胞嘧啶二聚体CC，胸腺嘧啶和胞嘧啶二聚体CT，这些嘧啶二聚体使双螺旋的两链间的键减弱，使DNA结构局部变形，严重影响DNA复制和转录。一、紫外线的辐射损伤作用 DNA链的断裂 DNA分子内和分子间的交联 DNA与蛋白质的交联 胞嘧啶的水合作用 嘧啶二聚体的形成：TT、CC、TC二、紫外线引起的DNA损伤的修复大到上通过以下四个途径：（一） 光修复细菌经紫外线照射后，再放在波长310440nm的可见光下，存活率大大并且降低了突变频率，怎样解释此现象呢？经研究发现这个效应是由于不光复活酶的作用。（1） 在暗处，光复活酶能识别紫外线照射成形成的嘧啶二聚体，如TT并与之结合，形成酶各DNA的复合物，但不能解开二聚体。（2） 照以可见光时，光复活酶利用可见光提供的能量，使二聚体解开。（3） 酶从复合物中释放出来，DNA回复正常构型，修复过程完成。光复活酶已在许多生物体内发现，包括细菌、酵母菌、原生动物、藻类、真菌、蛙、鸟类、有袋类。但真胎盘类比如牛和人等到现在还没有发现光复活酶的活力。（二） 切除修复（又叫暗复活）并不表示修复过程只在黑暗中进行，而是说在此光并不起任何作用。这种修复过程不是简单地由一种酶来拆开二聚体，而是利用双链DNA中一段完整的互补链，去恢复损伤链所丧失的信息，即把含有嘧啶二聚体的DNA片段切除，然后通过新的核苷酸链的再合成进行修补，故叫切除修复。切除修复有2种情况：A先补后切，B先切后补。一般认为A比较合理。一种特定的核酸内切酶识别胸腺二聚体的位置，在二聚体附近将一条链切断，造成切口。DNA多聚酶以未受伤的互补DNA链为模板，合成新的DNA片段，弥补DNA的缺口，DNA的合成方向53（模板是35）专一的核酸外切酶切除含有二聚体的一段多核苷酸链。连接酶把缺口封闭，DNA回复原样。（三）重组修复重组修复必须在DNA进行复制的情况下进行，故又称复制后修复。其步骤如下：复制：含有嘧啶二聚体或其它结构损伤的DNA仍可进行正常的复制，但当复制到损伤的部位时，子代DNA链中与损伤部位相对应的部位出现缺口，新合成的子链比未损伤的DNA链要短些，就证明了这一点。重组：完整的母链与有缺口的子链重组，缺口由母链来的核苷酸片段弥补。再合成：重组后，母链中的缺口通过DNA多聚酶的作用，合成核苷酸片段，然后由连接酶使新片段与旧链联结，重组修复完成。从上述过程可看出，重组修复并没有从亲代DNA除去二聚体。当第二次复制时，留在母链中的二聚体仍使复制不能正常进行，复制经过损伤的部位时所产生的缺口，仍重复上述的重组修复过程来弥补，随着复制的继续，若干代以后虽然二聚体始终没有除去，但损伤的DNA链逐渐“稀释”，最后终于无损于正常的生理过程，损伤也就得到修复。（四） SOS修复这是在DNA分子受损伤的范围较大而且复制受到抑制时出现的一种修复作用。结果说明：轻度的UV照射使大肠杆菌细胞内产生一种对于phageDNA损伤的修复功能，并在修复过程中产生基因突变，这种修复系统显然是细胞受到损伤时诱导产生的。1975年，RodmanM在大肠杆菌中证实了这种修复作用的存在。并借用国际上通用的呼救信号“SOS”命名，表示这是细胞受到危险状态时的一种修复方式。关于SOS修复的机制目前尚不十分清楚。一般理解是：当DNA受到较大损伤（如产生很多嘧啶二聚体），使固有的DNA多聚酶催化的DNA复制进行到损伤部位时，便受到抑制，经短暂的抑制后，便能产生一种新的DNA多聚酶。这种新的DNA多聚酶能催化损伤部位的DNA修复合成。但此酶识别碱基的精确度较低，据认为是SOS系统引起校对系统的松懈。这样在新链中，不仅在二聚体相对位置上可以出现任何碱基，而且在其它位置上也可能出现错配的碱基。尽管错配碱基可以被切除修复系统校正。但因数量太大，未被校正的仍然很多。于是很容易引起突变。由于SOS修复是一种错误修复，可造成很高的突变率。在哺乳动物中也有类似的机制。可能与癌变有关。故受到人们重视，至于其机制有待于进一步研究。三、 电离辐射引起的DNA损伤的修复电离辐射所引起的DNA损伤更为复杂，射线可通过直接作用或间接作用。例如，Xray引起DNA的损伤：DNA链的断裂（单/双）DNA与DNA间交联、DNA与蛋白质间的交联、碱基的破坏等。其中最为常见的是DNA链的断裂。关于电离辐射损伤的修复机制所知很少。Smith和Kaplan认为大肠杆菌经Xray照射后所引起的损伤，可能有三种修复方式：1 超快修复：这是在无氧条件下进行单链修复。在0时只需2分钟即可完成，可能是由DNA连接酶单独完成。2 快修复：大肠杆菌经Xray照射后，在室温下旋转几分钟，能把由超快修复后剩下的断裂单链90修复。这种修复作用需DNA多聚酶I的参与。3 慢修复：大肠杆菌照射后在37下培养4060分钟，能把快修复后剩下的单链断裂全部修复起来，这种修复需重组修复了酶系统参与。因为缺乏重组能力的突变型对Xray的敏感性明显增加。四、 修复缺陷与人类疾病1、 着色性干皮病由切除二聚体能力的缺损而带来的疾病。常染色体隐性基因控制，基因位于1q上，在13、19染色体上有控制DNA修复的基因。纯合体对阳光极敏感，皮肤暴露的部位易发生色素沉着、萎缩、角化过度和癌变。2、 非黑色素皮肤瘤1996年D.J.Leffell等指出此病于阳光有关。是由于阳光使皮肤的鳞状细胞/基底细胞内的P53基因发生突变。P53 ：是抑癌基因，具有清除“叛逆”、保存整体的“组织保护神”的功能。产生的蛋白能在DNA受到损伤而不能修复时，启动另一组基因，使受损伤的细胞“自杀死亡”。此外还可阻止细胞进入细胞周期，使受损伤细胞有时间修复。3、Cockayne综合征、 由于紫外线所诱发DNA损伤的切除修复系统有缺陷而造成细胞过早死亡。 侏儒、视网膜萎缩、耳聋、对日光敏感4、共济失调毛细血管扩张症5、家族性肿瘤与散发性肿瘤的比较第五节 基因突变的分子基础一、 自发突变（一） DNA复制中的错误1、碱基替换：转换、颠换转换：由一种嘌呤代替另一种嘌呤、一种嘧啶代替另一种嘧啶的碱基替换方式，叫转换。颠换：由嘌呤代替嘧啶，由嘧啶代替嘌呤，这种碱基替换方式，叫颠换。已知碱基类似物、亚硝酸等的作用，均可引起碱基转换。2、移码突变是指DNA分子中核苷酸对增减一个或几个而不是三个，所引起的密码编组的移动，这种突变叫移码突变。3、缺失和重复（二）自发损伤1、脱嘌呤：由于碱基与脱氧核糖之间的糖苷键受到破坏，从而一起一个腺嘌呤或鸟嘌呤从DNA分子脱离下来。2、脱氨基3、氧化性损伤碱基活泼氧化物对DNA的氧化性损伤二、 诱发突变（一） 诱变机制1、 碱基类似物这一类物质的分子结构与某些碱基十分接近，当DNA复制时，它能掺入到DNA分子中而引起变异。例如：5溴尿嘧啶简称5BU。现象：把大肠杆菌培养在含5BU的培养液中，菌体里的一部分DNA的T为5-BU所代替。一般DNA中含有的5-BU越多，则群体中发生突变的细菌也越多。且已经发生了突变的细菌，以后在不含5-BU的培养液中多次培养，仍保持突变性状。上述现象作何解释？解释：（5BU诱变机理）图5-BU诱发突变的机理。5BU有2种同分异构体：酮式结构与T相似，与A配对，常见。烯醇式结构与C相似，与G配对，稀有。使得DNA上原来的AT对转变为GC对从而表现出突变性状，这种突变性状是可稳定遗传的，故在以后多次无BU的培养液中，仍保持突变性。所以，使DNA上原来的G、C对转换成A、T对。（b）过程完全是（a）的回复，说明由BU引起的突变可用BU来复回。因为BU主要以酮式存在，烯醇式结构较为少见。所以，发生（b）的概率（a）的概率。这儿也可很好说明正向突变的概率，一般要大于回复突变的概率。此外，还有5氟尿嘧啶，5氯尿嘧啶以及它们的脱氧核苷。2氨基嘌呤等碱基类似物均可引起碱基转换而造成突变。2、 特异性错配（1）亚硝酸的作用机理是一种很有效的诱变剂，已知可以引起很多生物的突变。例如，烟草花叶病毒、大肠杆菌、具有氧化脱氨作用。使A氧化脱氨，成为次黄嘌呤（HyPoxanthine）H，H与C配对使胞嘧啶C脱氨，成为尿嘧啶U，U与A配对。使G脱去氨基，成为黄嘌呤X，X不能与任何碱基配对，对细胞是致死的。亚硝酸使DNA上的A、T对转换或G、C对。（2）烷化剂的诱变机理烷化剂对很多生物具有诱变作用，例如：大肠杆菌、细菌、链孢霉、果蝇、蚕豆等等。其种类很多，其中发现最早的化学诱变剂芥子气。工业上广用的有硫酸二乙酯、亚硝酸胍等等。烷化剂的诱变作用，主要是使DNA中的碱基发生烷化作用。因为烷化剂有一个很不稳定的烷基，它能转移到其它分子上并置换其中的氢原子，使之成为高度不稳定的物质。其诱变机理主要是通过下列三条途径：使G甲基或乙基化，使它的作用象A，跟T配对，从而引起碱基转换。例如：用硫酸二乙酯处理，使G乙基化而改变配对行为。使G烷化，烷化的G脱掉而造成脱嘌呤作用。在DNA链上留下一缺口，复制时，在与缺口对应的位点上就可能配上任何一碱基，从而引起转换或颠换，而且，去嘌呤后的DNA也容易发生断裂，而引起其他突变（缺失等）。烷化剂在工业上用途广，可造成环境污染。很多烷化剂是有毒的，且可以诱变和致癌，故使用时要格外小心。3、 嵌合剂的致突变作用例如，原黄素、吖啶橙、吖啶黄和吖黄素。这些染料分子均含吖啶环，其大小与碱基对差不多，可嵌入DNA的碱基对之间，使DNA双链歪斜，结果将导致不等交换，产生了两个重组子中，一个多出碱基对，另一个则少了碱基对。4、 辐射的诱变作用（1）紫外线的致突作用紫外线是一种电磁波，其能量很小（35eV），穿透力弱，不足以引起物质的电离。太阳光中具有紫外线，目前通过微生物诱变的研究，对紫外线的作用机理己有较深的认识。实验证明，紫外线（UV）的生物学效应主要是通过直接或间接作用引起DNA变化而造成的。DNA结构变化的形式有很多：DNA链的断裂。DNA分子内和分子间的交联。DNA与蛋白质的交联。胞嘧啶的水合作用。嘧啶二聚体的形成（TT、CC、TC）。主要原因是胸腺嘧啶二聚体的形成：A、DNA双链之间形成二聚体，会阻碍双链的分开和下一步的复制。B、同一链上相邻胸腺嘧啶间形成二聚体，会阻碍碱基的正常配对，破坏腺嘌呤（A）的正常掺入作用，故复制将在这一点上停止，或错误地进行，于是引起突变。（2） 电离辐射的诱变作用电离辐射（如Xray，ray等）都带有较高的能量，能引起被照射物质中原子的电离，故称为电离辐射。自20年代后期发现ray对果蝇、玉米和大麦等具有诱变作用以来，电离辐射在诱变育种上得到广泛应用。育出了很多农作物的优良品种。但关于其作用机理不象以上所述的诱变剂那么清楚，现在通常把电离辐射作用于生物的全过程分为几个阶段：A、物理学阶段：即能量从辐射源传递到生物细胞内，使细胞内各种分子发生电离和激发。B、物理化学阶段：这是贮存能量的迁移和生物大分子损伤形成的辐射化学过程。在此过程中能产生许多化学性质特别活跃的自由基和自由原子，其中水分子产生离子（H、OH）对一系列复杂的反应起重要的作用。C、生物的化学阶段：这是上一阶段中产生的自由基和自由原子继续相互作用。并和它们周围的物质起反应，特别是和核酸及蛋白质起反应，造成这些大分子的损伤。D、由于生物大分子的损伤而进一步引起结构的变化，特别是由于染色体的损伤，使染色体发生断裂和重接，而产生染色体的各种结构变异，而DNA分子结构中碱基的变化则造成基因突变。（二）碱基替换对遗传信息传递的影响单对碱基替换的结果改变了一个密码子，从而引起相应氨基酸的序列的改变，按它们对氨基酸序列影响不同，可分为三种情况：1、同义突变：是指碱基替换的结果没有改变氨基酸的密码子的突变。2、错义突变：是指碱基替换的结果引起氨基酸序列改变的突变，为错义突变。碱基替换的结果，使相应的多肽链的氨基酸序列发生改变。因为多肽链中的氨基酸序列决定了蛋白质的一级结构，所以很多错义突变（决不是全部）造成蛋白质的部分或全部失活，从而表现出突变性状。 3、无义突变：是指碱基替换的结果使某种氨基酸的密码子变成终止密码子（UAG、UGA、UGG）。使多肽合成到此中止，形成的是一无活性的多肽片断，这种突变叫无义突变。终止密码UAG、UAA、UGA，它们不编码任何氨基酸，又叫无义密码。当碱基替换改变了mRNA上的一个密码子，而改变了的密码子恰好是三个无义密码UAG、UGA、UAA中的任一个时，就出现无义突变。如无义突变出现在基因中间，转译进行到无义密码子，肽链的延长停止，产生的是一无活性的多肽片断。例如：碱基替换 引起错义突变 导致蛋白质结构和功能的改变 突变性状。人类血红蛋白病镰形细胞贫血症。由隐性突变基因Hbs控制。HbsHbs缺O2时，红细胞都成镰刀形，其红细胞含有不正常的血红蛋白，叫血红蛋白s（Hbs）。HbA HbA（正常）红细胞呈园盘形，红细胞内含正常的血红蛋白为HbA。后来又发现另二种异常的血红蛋白，分别叫HbSiriraj、HbLuhe。HbA、HbS、HbC它们有何差异呢？我们知道，每个成人血红蛋白分子均有4条多肽链组成，即为22。链含141氨基酸，含146个氨基酸。经研究发现三种血红蛋白的差异，仅在于链的某一段上有一个氨基酸不同。现把链的N端从氨基酸开始的一端的几个氨基酸列出来。看看哪个氨基酸被代替了。上表表明,四者之间的差异仅在于一个氨基酸的改变,这样就可使血红蛋白的性质大大改变，能引起溶血性贫血这样严重的疾病。现我们从遗传密码来看，这些有关的氨基酸是由那些密码子决定。假如DNA中A-T对颠换成T-A对，相应mRNA中A为U代替，则多肽链中的谷氨酸便成为缬氨酸；使HbA变成HbS。另二种让学生分析。由此可见，基因内一对碱基的改