基因与基因组突变.ppt

一基因的组织结构（一）基因的概念1.基因的研究简史孟德尔（Mendel）的颗粒因子：一个因子决定一个性状(1865年)。约翰森（Johannsen）：首先提出基因一词（1909年）摩尔根（Morgan）的基因论：一个基因控制一个性状（1926年），明确了基因存在于染色体上。,1,Beadle-Tatum：一个基因一个酶学说（1941年）。Avery等：转化实验证实了遗传物质的本质是DNA（1944年）。Hershey-Chase：噬菌体感染细菌实验，只有DNA能进入细菌细胞（1952年）。Benzer：互补测验，提出一个顺反子，一条多肽链的概念（1955年）。,2,Watson和Crick：DNA右手双螺旋理论（1953年）。Crick：中心法则（1957年）。Jacob-Monod：操纵子模型（1961年）。Nirenberg-Matthaei：三联密码子学说（1966年）将DNA结构与生物功能结合起来。McClintocK：遗传因子可以转移位置(1950)。Sharp:真核生物基因中的断裂现象（1977年）。Sanger：噬菌体中发现了重叠基因（1978,X174).,3,2.基因gene：含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核酸序列。编码序列+调控序列（启动子、终止子；5非翻译序列、内含子以及3非翻译序列等)。3.基因组genome一个细胞或者生物体所携带的一套完整的单倍体序列，包括全套基因和间隔序列。,4,（二）基因的组织结构,5,(三)基因的功能分析1互补测验（Benzer，1955）互补测验(complementationtest)互补测验是确定突变的功能关系的一种常用方法。用不同的r突变型成对组合同时去感染大肠杆菌K()菌株。如果被双重感染的细菌中产生两种亲代基因型的子代噬菌体外，也有少量重组型的噬菌体，那么就必然是一个突变型补偿了另一个突变型所不具有的功能，这两个突变型就称为彼此互补。如果双重感染的细菌不产生子代噬菌体，那么这两种突变型一定有一个相同功能受到损伤。,6,T4突变型,7,8,9,反式排列：用于互补测验中所用的两个突变分别位于两条染色体上顺式排列：用于互补测验中所用的两个突变同时位于一条染色体上顺反子：通过顺反测验将不同突变之间没有互补的功能区称为一个顺反子。顺反子就是一个功能水平上的基因。,10,顺反位置效应测验,11,2互补测验的方法斑点测试法（spottest）：用一种r突变型以0.1的感染比（噬菌体1细菌10）去感染大肠杆菌K（）菌株。噬菌体和细菌在温热的琼脂中混合，涂布在营养平板上，琼脂凝固后，在平板上所划出的一定位置上再加一滴含有另一种r突变型的培养基，在这一滴培养基的范围内，一些细菌就会被两种噬菌体所感染。如在这范围内形成噬菌斑，就证明这两种突变型互补，相反就不能互补。在一个培养皿平板上可做68个斑点试验。,12,3互补测验的条件两个突变引入同一细胞内：大肠杆菌：性导，转导（局限性转导，流产转导），转化真菌：准性生殖中的杂合二倍体排除重组的影响：recA排除基因内互补：基因工程中lacZ-互补排除回复突变的影响排除其它影响，如极性突变，lacIs,13,14,4基因内互补：lacZ-半乳糖苷酶X-gal(5-溴-4-氯-3-吲哚-D-半乳糖苷)：蓝色5-溴-4-靛蓝麦康凯培养基：MacConkeyAgar红色伊红美兰培养基：eosin-methylenebluemedium,EMB紫黑色带金属光泽伊红为酸性染料，美蓝为碱性染料。当大肠杆菌分解乳糖产酸时细菌带正电荷被染成红色，再与美蓝结合形成紫黑色菌落，并带有绿色金属光泽。,X-galMacConkeyEMB,15,互补：载体上含有lacZ的部分基因lacZ中包括：一段-半乳糖苷酶的启动子；编码肽链的区段；一个多克隆位点(MCS)。MCS位于编码肽链的区段中，是外源DNA的选择性插入位点，但其本身不影响载体编码肽链的功能活性。质粒载体常用的筛选标记：受体菌含有特定的lacZ缺失DH5a菌株：F-，80dlacZM15，(lacZYA-argF)U169，deoR，recA1，endA1，dR17(rk-，mk)，phoA，supE44，-，thi-1，gyrA96，relA1JM109菌株：F-，recA1，endA1，gyrA96，thi-1，hsdR17，supE44，relA1，lac-proAB）/FtraD36，proAB，lacIq，lacZM15,16,基因功能研究的方法互补测验一般用于确定顺反子功能研究其它方法：缺失或突变后，功能是否改变；重新引入后，功能是否回复；回补体外翻译体系：invitrotranslation又称无细胞蛋白质合成系统,是分子生物学中一种常规的表达系统。有两种体外翻译的基本方法：以RNA为模板，或以DNA为模板（即偶联的转录/翻译）。RNA模板可以是总RNA、mRNA或体外合成的转录子。DNA模板可以是一个质粒，或一个PCR/RT-PCR产物，这个PCR/RT-PCR产物在转录启动子和翻译起点下游含有需要翻译的基因。选择哪一个体外翻译系统取决于许多因素，这些因素包括要翻译的基因的来源（真核/原核），可提供的模板（如RNA或DNA），和所生产的蛋白质的下游应用。,17,二、细菌的基因组及特点（一）组成：细菌染色体和质粒（二）细菌基因组的特征1.基因组相对较小（4.6106bp，4000个基因），只有一个复制启始位点。2.具有操纵子结构：功能上相关的几个基因往往在一起组成操纵子结构，即几个结构基因串联在一起，受它们上游的共同调控区控制。当基因开放时，这几个基因转录在一条mRNA链上，然后分别翻译合成各自的蛋白肽链。操纵子的末端具有特殊的终止序列。3.基因是连续的：结构基因中没有内含子（intron）成分，在转录后不需剪接加工，转录产物的寿命较短。,18,4.大部分DNA是用于编码蛋白质的，只有一小部分是不翻译的。不翻译区中含有间隔区（Spacer）和基因表达的调控序列。5.基因组中仅有少数基因存在基因重叠现象。6.结构基因是单拷贝，rRNA基因是多拷贝。7.非编码的重复序列Chi5-GCTGGTGG-3REP(repeatedextrogenicpalinodrome)基因外重复的回文序列,19,20,21,22,23,24,种类单一；形式多样；大小不一单倍体基因组：每个基因都是单拷贝基因常常成簇排列，没有间隔序列，或间隔序列很小（功能相关基因排列在一起）动物病毒与真核基因相似，有内含子；细菌病毒与原核基因相似有基因重叠,三病毒基因组的特点,25,具有不规则的结构基因某些结构基因无帽状结构；有翻译增强子。某些结构基因编码区无间隔，因此有些结构基因没有翻译起始序列。通过宿主及病毒本身酶切。有些结构基因转录后产物没有翻译功能，需要在转录后进行加工剪接，成为有翻译功能的mRNA。,26,27,28,29,有增强子,转录产物加工后，成为成熟的mRNA,30,T抗原控制病毒的复制，起动晚期转录,31,乙肝病毒DNA长短不一重叠基因,32,脊髓灰质炎病毒单链（+）RNA,33,34,逆转录病毒,35,四、真核生物基因组的特点1.基因组含有更大的DNA分子，以染色体形式储存于细胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因的基因组是双份的。（1）并非生物越高等，基因组越大。即并非进化的复杂程度与DNA含量成正比。如某些植物和两栖类的DNA含量是人的几十乃至上百倍。C值矛盾。（2）同一类复杂性差不多，形态也相似的生物，理论上其基因组也应比较接近，其实不然。如同是两栖类可相差十倍以上。（3）基因组中DNA的量远大于编码蛋白质所需要的量。,36,2.基因组结构复杂，有多个复制启始位点，但每个复制子的长度较小。3.基因是不连续的。断裂基因，内含子/外显子。4.转录单位一般是单顺反子的。即一个基因一种mRNA一种蛋白质，但蛋白质的最终产物可因剪接方式的不同而有差异（如Bcl-x：Bcl-x1Bcl-xs）5存在重复序列,37,单一顺序(Uniquesequence)重复顺序短片段的重复顺序可分为三种类型：（1）正向重复(directrepeats)又叫顺向重复；（2）反向重复(invertedrepeats)；（3）回文顺序(Palindromicsequence)5GTGAGCTCAC33CACTCGAGTG5,38,轻度重复顺序和中度重复顺序,轻度重复顺序在基因组中含有2-10拷贝，酵母tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。中度重复顺序长约300bp基因组中约有10-几千个拷贝的顺序如rRNA和tRNA基因，组蛋白基因等,39,40,41,高度重复序列（105次）。（1）卫星DNA：根据长度可将其分为3类卫星（satellite）DNA：重复长度5-10bp，多态性不强。小卫星DNA：重复长度15-70bp，有高度的特异性。微卫星DNA（简单串联重复序列）：重复长度2-5bp，存在个体间的高度变化，是DNA指纹的形成基础。,42,（2）倒位（反向）重复序列又称零时复性部分，重复单位约长300bp，两个单位之间有一平均1.6kb的片段相隔，多数散布于基因组中。（3）较复杂的重复单位组成的重复顺序灵长类所独有，用Hind消化非洲绿猴DNA，可以得到重复单位为172bp的高度重复顺序，这种顺序大部份由交替变化的嘌呤和嘧啶组成，又称为卫星DNA。,43,（4）高度重复顺序的功能a.参与复制水平的调节。b.参与基因表达的调控c.参与转位作用d.与进化有关e.DNA指纹f.卫星DNA成簇的分布在染色体着丝粒附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关,44,45,6.存在多基因家族和超基因家族（1）多基因家族（multigenefamily）：亦称基因家族。是指一组具有类似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。分类：按基因的终产物分为两类：一类编码RNA，另一类编码蛋白质。按在基因组中的分布分为两类：一类串联排列在一起，形成基因簇，亦称串联重复基因。另一类家族成员则可以分散在不同的部位上。（2）超基因家族（supergenefamily）：由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。成员间有不同程度的同源，但它们的功能并不相似，这是与多基因家族的差别所在。如Ig超家族。,46,7.基因类型多样（1）假基因：在多基因家族中，不产生有功能基因产物的基因。即序列与有功能的基因相似，但或者不能转录，或者转录后生成无功能的基因产物。用表示。造成原因是基因在进化过程中，发生突变所致（如缺失、倒位、点突变等）。假基因往往缺少正常基因的内含子，两侧有顺向重复序列。（2）断裂基因（不连续基因）：编码序列称外显子（exon），非编码序列称内含子（intron，orinterveningsequence）。（3）非剪接基因（连续基因）：原核和真核细胞都有。真核rRNA基因也是非剪接基因。,47,（4）跳动（跃）基因（可转移的DNA成分、转座子）：是指可在DNA分子间进行转移的DNA片段。与一般转移概念不同，转移后仍保留原来位置上的DNA序列，只是把一个新合成的复本插入到另外的位置上。真核和原核细胞都有。可分为两类简单转座子（插入序列，insertionsequence，IS）：较小，只有与转位有关的序列和促进转座过程所要的蛋白质如转座酶的基因。复杂转座子（Tn）：除转位序列和蛋白质基因外，在其中心区还含有一个或多个基因。,48,（5）基因重叠:是一种转录单位，一个基因可决定多种mRNA和蛋白质，如Bcl-X基因8.自私DNA（selfishDNA）：指非编码序列，包括分散的高度、中度重复序列，内含子和间隔序列等。这些序列极少转录成mRNA并翻译成蛋白质，对细胞存活、代谢等不做任何贡献，它们存在的唯一目的似乎就是复制自己。故称之为自私DNA。而且有些成分还通过转录成mRNA，生成cDNA，再通过转位插入到基因组，颇象机体内寄生虫的繁殖、生活，故也有人称之为寄生DNA（parasiteDNA）。,49,但自私DNA并非真的自私，毫无功能。如有些调控序列虽不编码任何蛋白，但对细胞代谢也有很大影响。如在Ig和MHC基因的内含子部分发现有增强子的存在，可以增强该基因的转录。9.DNA序列组织的可变性：DNA序列并非一成不变。如B细胞成熟过程中Ig基因结构的重排及TCR基因在分化过程中的重排。,50,51,第二章基因突变和损伤DNA的修复,基因符号基因突变的规律基因突变的分子基础自发突变和诱发突变的机制DNA复制的准确性与损伤DNA的修复诱变育种技术,52,第一节基因突变的类型、符号和规律,遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；是一种内在可能性或潜力。遗传型+环境条件表型表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;是一种现实存在，是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。,53,EscherichiacoliATCC31343FhadS20(r-Bm-B)ara-14leuB6proA2lacY1galK2rpsLxyl-5mtl-1supE44rpsL=strrE.coliJM105K12hasR4(rm+)thisupE44rspL20endAsbcB15(lac-proA)X111FtraDproABlacIQ(lacZ)M15,一基因符号与遗传标记,54,SalmonellatyphimuriumTSM112zgc-7206:Tn10d(Cm)S.typhimuriumTSM118proAB47/Fpro+lac+zzf-1834:Tn10d(Km)VibriocholereaCS2-1O395(tcpA-proA)2-1(Hyb)SmrKmrCm(氯霉素)Sm(链霉素）Tc(四环素)Ap(氨苄青霉素)Km(卡那霉素）cmlrstrrtetramprkanr,55,VibriocholereaTSM360recAthiprohsdRm+(RP4-2Tc:Mu-Km:Tn7),pir(TprSmr)替考拉宁teicoplaninVibriocholereaTSM361TSM360(pKAS37)质粒pNK972AprPtac-tnpA转座酶pPY190AprTcrpBR322EcoRI:P22mnt-pant-SmaI/XmaI-antpPC39TcrpPY190SmaI:SmaI-HincIIK.aerogenesputcontrolregion产气克雷伯氏菌,56,缺失插入（质粒，转座子）易位相互易位融合,57,58,二基因突变的类型,1按突变体的表型分类（1）形态突变（2）生化突变（3）致死突变（4）条件致死突变,59,野生型(wildtype)与原养型(prototroph)野生型是指存在于自然界中没有经过基因突变，具有正常生化代谢功能的遗传类型；原养型指具有与野生型相同营养需求与表现的遗传类型，有时特指突变型恢复为与野生型相同的个体。营养缺陷型(auxotroph)因基因突变丧失了某种生活物质合成能力，在基本培养基上不能正常生长，需加入相应营养成分的突变型。,60,2按遗传信息的改变分为,错义突变missencemutation同义突变samesencemutation无义突变nonsencemutation琥珀突变amberUAG赭石突变ocherUAA乳白突变opalUGA,61,3按基因突变机制分类,碱基置换突变substitution碱基颠换transversion碱基转换transition移码突变frameshift缺失deletion重复repetition,62,三基因突变的规律,自发性稀有性随机性独立性稳定性可逆性,63,1基因突变的自发性,两种观点：突变的性状与引起突变的原因间呈对应性，定向突变；突变是自发产生的，与环境是否存在该物质无关。突变无方向,64,1）Fluctuationtest彷徨试验,时间：1943年设计者：S.E.Luria&M.Delbrck实验材料：对T1噬菌体敏感的大肠杆菌实验目的验证突变的性状（对T1抗性）与引起突变的原因（与1噬菌体接触）间有无直接的对应关系实验设计：,65,彷徨试验的设计原理,66,67,小概率随机事件与Poisson分布当一个随机事件发生的几率很小，而事件可在其中发生的试验次数又很大，该事件的发生概率遵循Poisson分布。K=0,1,2,.e2.7183,:.,68,69,70,2）涂布试验（Newcombeexperiment）,1949年H.B.Newcombe实验材料对T1噬菌体敏感的大肠杆菌采用固体平板培养实验过程,71,72,3.544301580,73,3）平板影印试验（replicaplating）,1952年，美国的莱德伯格夫妇JoshuaLederberg&EstherLederberg实验材料E.coliK12strr实验过程,74,Lederberg的平板培养法,75,4）适应性突变概念的重新提出,非致死选择条件长期培养固体平板突变时间依赖性：生长非依赖性；有利突变高频率发生：方向性；符合Poisson分布,76,没有方向性Jinetal.2002BMCGnentics,3:6有利突变和中性突变都能高频率产生表型DNA序列改变生长依赖性Jinetal.2002BMCGnentics,3:6细胞密度依赖性涂布与点种青霉素固体平板Poisson分布液体试管Poisson分布和非Poisson分布同时存在Jinetal.2012,中国科学，42：809。,77,78,79,80,选择条件与突变的关系,不良环境，触发细菌生长代谢改变，其中涉及DNA复制保真性和损伤修复体系的酶可能发生变化，使细胞处于一种“超诱变态”，即细胞本底水平的自发突变率提高，各种突变都能以高频率产生，但是哪种突变是否发生仍然是随机的，自发的。,81,突变的稀有性,突变率mutationrate每一个细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率；自发突变几率一般在10-610-9范围内；突变频率mutationfrequencymutantproportion突变细胞在总细胞中的比例,82,若干细菌的自发突变率,菌名突变性状突变率Escherichiacoli抗T1噬菌体3108E.coli抗T3噬菌体1107E.coli不发酵乳糖11010E.coli抗紫外线1105Staphylococcusaureus抗青霉素1107S.aureus抗链霉素1109Salmonellatyphi抗25g/L链霉素1106Bacillusmegaterium抗异烟肼5105,83,突变率的计算,世代generation每个细胞每分裂一次为一个世代。division代：generationcycle:群体中每个个体繁（分裂）殖一代。细胞数与世代数的关系n代后N0个细胞分裂成为N0n个细胞所经历的世代数为N0(n),84,12481632641282n细胞数1371531631272n-1世代数1234567n代数同步生长（同步分裂）金建玲等突变率计算中细菌群体生长不同步系数的修正微生物学通报2009，36