微生物的基因突变

1、第四章 微生物的基因突变（Microbial Mutation） 4.1 4.1 突变的分子机制 4. 2 4. 2 突变引起遗传性状改变 4. 3 4. 3 突变体的形成 第一节 突变的分子机制 什么是基因突变？ 1 是指DNA特定部位上核苷酸顺序的变化，致使蛋白质的结 构改变，通常会导致个体表型发生变化。 2 基因突变形成新的基因型在一定环境条件下表现出来的个体 性状称为表型，突变结构产生新表型的个体，称为突变体或 突变型。 3 基因突变包括遗传物质的改变过程和突变体的形成。 4 从广义上讲，除了转化、转导、接合等遗传物质的传递和重 组引起生物变异外，任何表型上可遗传的突变都属突变范围。

2、基因突变是生物遗传性状改变的依据，能在生 活周期的任何阶段发生，如在有性二倍体生物 的生殖细胞和体细胞中都可能发生。 生殖细胞中发生突变可遗传给后代，而体细胞中突 变是不能遗传给后代的，只在当代个体的形态或生 理上反应出某种改变。生殖细胞突变的结果，等位 基因是显性的，后代将表现出新的表型。反之，突 变后的等位基因是隐性的，则后代不会出现新的表 型。如果突变发生在单倍体细胞中，其突变的等位 基因不管是显性还是隐性的，都能呈现出新的表型。 微生物的基因突变 表型、遗传型/ /基因型（genotypegenotype）： 表型（phenotypephenotype）：个体性状表现， 基因型（gen

3、otypegenotype）：生物个体全部遗传因子（基因）的总和。 突变与突变体： 突变（mutationmutation）：几率极低与较小范围内遗传型的改变。 突变体（mutantmutant）：突变产生的新表型的个体 自发突变与诱发突变 自发突变：无人为参与、即生物体在自然环境条件作 用下所产生的各种变异： 原因： （1）由背景辐射和环境因素的综合 （2）生物体自身有害代谢物的致变作用 （3）在生物体内外环境下DNA互变异构效应 （4）DNA复制过程中发生错误，如：环出效应等 诱发突变：人为用化学、物理诱变剂处理微生物而引 起的突变。 特点：速度快、时间短、频率低。 突变的特点 不对应：致

4、突性状与诱突因子无对应性 自发性：性状突变可与人为诱变无关系 罕见性：突变虽自发，但却突变率极低 独立性：任何性状突变各自独立发生的 稳定性：突变子一旦形成是可以遗传的 可诱性：突变率可加大诱因而得以堤高 可逆性：既可正向突变又能回复变异之 基因突变的具体类型 对染色体基因组来说，碱基置换仅是DNA结构的小损 伤microlesion与微改变，故称点突变point mutation。 碱基置换只涉及一对碱基被另一对碱基所替代。 以嘌呤类或嘧啶类碱基间的转换可称谓碱基转换与碱 基颠换两类 碱基置换substitutionsubstitution 定义：DNA分子中的一个或几个核苷酸的增加或缺失,

5、 从而使其后的密码子发生转录和转译错误而突变。 移码突变frame-shift mutationframe-shift mutation 定义：DNA链上一个密码子的某个碱基和邻近密码子 中的一个碱基对换。 易位突变frame-shift mutationframe-shift mutation ABC ABC ABC ABC ABC ABB ACC ABC ABC A C ABCB ABC 易位 丢失、加入 染色体畸变是染色体结构的变化，和其他突变一样可以引起遗 传信息的改变，具有遗传效应。 染色体结构改变多是染色体或染色单体遭到巨大损失，使它们 断裂。断裂点是随机的也可能是多个。 根据断裂

6、的数目、位置、断裂连接方式等可以造成各种不同的 突变，包括：缺失 deletion、重复 duplication、插入 insertion、易位 translocation、倒位 invertion；染色体数目 的变化。 染色体畸变高等生物中常见、原核中少见 染色体畸变chromosomal abrrationchromosomal abrration 缺失和重复 缺失和重复主要在DNA复制和修复系统进行修饰过 程中产生错误造成的。当DNA进行复制时，发生染 色体断裂，前面链上的多聚酶掉落下来加到后面尚 未复制的DNA上而加以复制，结果前面的链缺失了 一个或几个基因的DNA节段，后面的链，由于

7、多加 了一段DNA，相同部分出现两次，结果造成突变。 缺失损伤是不可逆的， 对生物体而言也是有 害的，会造成遗传平 衡失调。 重复突变，从微生物 育种角度而言，可能 获得具有人们需要的 优良性状的新个体， 如大幅度提高产量。 缺失和重复 倒位 倒位是指染色体部分节段 的位置顺序颠倒而形成的 一段不正常的染色体。 倒位分臂内倒位和臂间倒 位。前者染色体外形不会 改变，后者形状会发生改 变，但两者表型基本一致。 易位 易位指同源染色体之间部分连接 而交换。 一种情况是两条同源染色体相互 间进行部分交换，这种染色体交 换节段长短有时可能不等，当长 短不同时，会影响到染色体的外 形；另一种是一条染色体

8、的部分 节段连接到另一非同源染色体上， 也称单向易位。 染色体组变 一般生物含有各种形态、大小、遗传功能不同的染色体各一 条，称为染色体组，具有这样一套染色体组的生物叫单倍体 生物，有两套染色体组的生物叫二倍体生物，有两套以上染 色体组的生物叫多倍体生物，多倍体一般是由变异或异常形 成的。（整倍体） 染色体组变：指染色体数目的变化。它可分为整倍体和非整 倍体，前者分为单倍体、三倍体、同源多倍体和异源多倍体 等。后者有超二倍体（2n+1）和亚二倍体（2n1） 。 第二节 突变引起遗传性状改变 突变引起遗传性状改变 遗传物质的改变是突变的基础，微生 物突变中以基因突变较常见。 同义突变和无义突变；

9、 错义突变； 移码突变 DNA 碱基置换的同义突变 同义突变,same sense mutation,指DNA分子 上的遗传密码由于置 换而形成新的密码子， 但是这种密码子构成 的氨基酸与原密码子 所构成的氨基酸相同。 这是由于遗传密码具 有简并性。CUA和 CUG都翻译成亮氨酸 mRNA 碱基置换的无义突变 无义突变, non sense mutation,指DNA分子 上的密码子中的碱基 被置换后，形成了终 止密码子（UAG）， 使转译工作中途停止， 难以完成多肽链的合 成，这种肽链没有活 性。 碱基置换的错义突变 错义突变,mis-sense mutation,指DNA分子上的 密码子的

10、碱基被置换，形 成新的密码子，它编写的 氨基酸与原氨基酸不同， 使多肽链上的氨基酸排序 发生变化，生物表型因此 会发生变化。 此处亮氨酸变成缬氨酸。 碱基置换的移码突变 移码突变是在DNA分子上的密码子中添加或 丢失一或几个碱基，其结构造成从改变的碱 基开始所有其后的密码子碱基都往后移动， 使多肽链上的氨基酸序列发生很大的变化， 将出现明显的遗传性状变异。 突变型的种类 选择性突变: 在选择性培养基上能快速鉴别与区分的突变。 非选择性突变：无法用选择性或鉴别性培养基来鉴别与区分 的微生物突变。 由野生型菌株（wild type strain） 通过基因突变 而丧失合成一种或几种生长因子的能力。

11、 在培养野生型菌株的基本培养基不能生长，但可 在加入对应的生长因子后能从基本培养基中筛选 出。 营养缺陷型（auxotrophauxotroph） 原始或出发菌株 对某种化学或物理因子无抗性 经基因突变后成为具有抗性 可在加有相应理化因子的平板中选择之 抗性突变型（resistant mutantresistant mutant） 出发菌株经突变 在某种条件下可生长，而在另一种条件下不能生长繁 殖。 例：E. Coli Ts突变株，即温度敏感突变株, 有些菌株 在37 oC下生长正常,却不能在42 oC下生长; T4噬菌体 的某些突变株在25 oC下具有感染性,而37 oC下丧失 条件致死突变

12、型 即由突变而产生 个体或菌落形态所发生的非选择性突变 例: 孢子有无或颜色变化、鞭毛有无或荚膜有 无的突变，有时可引起菌落表观改变而具有选 择性。 形态突变型(morphological mutant)(morphological mutant) 基因突变 导致菌体抗原结构发生变化 类型多：细胞壁成份改变或丧失、荚膜改变或 丧失及鞭毛的有无等。 抗原性突变型antigenic mutantantigenic mutant 由基因突变所致的获得代谢产物的产量高于出发菌株 之变异株，常称产量突变株或高产菌株（high producing mutant）。 产量性状是多基因与复杂因素的综合结果，故

13、获取高 产菌株是一个逐步累积、变异机理十分复杂探索过程。 分为：正变株（plus mutant）、负变株（minus mutant） 产量变异型 关于基因自发与不对应性突变的争论曾十分激烈。而 巧妙的构思与精密的实验证明：抗性突变体的产生是因 为细菌和抗性因子长期接触得到“驯化”而产生相应性状吗？ 还是细菌本来就有这种抗性突变基因？ 波动试验（fluctuation test ，1943）； 涂布试验（newcombe experiment 1949）； 影印平板试验（replica plating，1952） 基因自发与不对应性突变证明 波动试验（fluctuation） 1943年Luri

14、a等设 计并试验的 实验材料是大肠杆 菌和噬菌体 N代 dilution phage N代 波动试验说明 大肠杆菌对噬菌体的抗性突变体是在接 触噬菌体之前的生长繁殖过程中自发形 成，并稳定地进行传代，随着生长繁殖 到一定的培养阶段，在培养物中就有大 量的抗性个体产生。 涂布试验 影印平板试验 简便高效筛 选突变 方法。 影印培养法说明 链霉素的抗性突变体是大肠杆菌在没有接触到 药物之前就已经在的，是自发产生的，与周围 环境中的链霉素毫无关系，它仅仅起着筛选检 出的作用。 第三节 突变体的形成 突变体是基因突变的结果，它会影响或改变微 生物某一形态或生化性状，通过细胞繁殖、分 裂，由这种突变形成

15、的性状遗传给后代，发育 成的新遗传型个体。 为什么基因突变却不一定能形成 突变体？ 突变体形成的过程 诱变剂与DNADNA接触突变发生突变体形成 亚硝酸所致的碱基转换过程 A A氧化脱氨为烯醇式次黄嘌呤后互变为酮式, ,因酮式只能 与胞嘧啶配对而第二次复制中转换成CGCG碱基对。 突变修复 1 1 诱变剂与DNADNA接触前过程 诱变剂主要通过扩散 作用穿过细胞壁、细 胞膜、细胞质到达核 质体，其扩散速度、 诱变效果与细胞壁的 结构组成和细胞的生 理状态有关，细胞质 中的很多化学成分可 能改变诱变剂的效应。 2 2 突变发生过程 诱变剂与DNA接触后能否发生基因突变，与 DNA是否处在复制状态

16、有密切关系。而DNA 复制活跃程度与某些营养条件和细胞生理状态 有关，DNA复制需要蛋白质合成作基础。 例如：一个氨基酸营养缺陷型的大肠杆菌菌株， 如果在培养基中除去它需要补给的氨基酸，培养 12个小时后，用亚硝基胍进行诱发回复突变，其 诱变效应显著下降。反之，则诱变频率提高。 一般诱变剂进入细胞后，还会受到多种酶的影响。 很多实验证实：在酶的作用下，有的诱变剂的作用加 强了，有的却减弱了，有的甚至完全变成了另外一种 物质。 因此有两个因素影响突变发生过程：一个是细胞内物 质（特别是酶）和诱变剂的相互作用；另一个是培养 条件对诱变效应的影响。 3 3 突变的修复 突变的修复也是遗传信息稳定性的

17、体现。 在诱变剂的作用下基因会发生突变。而突变和 修复形成一对矛盾。 这就象革命过程中传统旧势力和新生势力之间 的较量。 突变的修复 正常体突变体 突变 修复 突变的修复作用： （1 1）光修复 （2 2）切补修复（暗修复） （3 3）重组修复 （4 4）SOSSOS修复系统 （5 5）DNADNA聚合酶校正作用 光复活作用： 微生物 uv 死亡 可见光微生物死亡 率下降。 E. coli实验（ 1949年，A Kelner ）: 试验组8x106个/ml UV 100个/ml E. Coli 对照组8x106个/ml uv 可见光 2x106个/ml E.Coli 原因：紫外线诱发微生物DN

18、ADNA突变的机制主要是形 成嘧啶二聚体，使DNADNA链的结构发生变形，失去正 常的碱基配对，影响复制和转录。 光复活是一个酶促反应，光复活酶可与嘧啶二聚体 结合形成一种复合物，这种复合物暴露在可见光下， 酶即被活化，将嘧啶二聚体重新分解成单体。每个E. coli细胞约含25个光激活酶分子。 光修复作用photoreactivationphotoreactivation 光修复示意图 光复活对因紫外线照射损伤的RNARNA没有作用。因此我们会见到一种现象， 即有些菌株有了一些表型的变化，但是经过生长和繁殖过程后，又恢复 了野生型的特征。给我们造成一种假性突变的错觉。 用于修复因诱变受伤的DN

19、A， 与光无关。 修复过程：由四种酶参与。 即: 内切核酸酶； 外切核酸酶； DNA聚合酶； DNA连接酶。 方式：先切后补 先补后切 切补修复excision repairexcision repair 先切后补示意图先补后切示意图 复制后修复（重组修复） 重组修复是指损伤的DNADNA经过复制后完成修复的过程。即复制 后修复，将另一母链上的正确序列转移到子代链的空缺处， 另一母链的空缺再合成。 结果：虽并不消除原来的错误和损伤，但避免了新合成链出 现损伤，使损伤稀释。 经过复制后二聚体虽然还存在，但随着复制代数的增多，带 有二聚体的DNADNA成分在新合成的DNADNA分子总数中比例越来越

20、 少，最后被稀释成不足以影响生物细胞的正常生理功能。 重组修复 SOS修复系统（自学） DNA聚合酶的校正作用（自学） 修复系统是否能够引起基因突变？ 修复机制的意义 上述几种修复系统是生物体普遍存在的生理现象。 它是为了使遗传性状稳定地保存下来，在长期进化过 程中建立的一套自我保护的修复系统。 生物体内的这些修复机制对化学试剂诱导突变的损伤 也有修复作用。 修复机制与微生物育种 修复机制和微生物诱变育种是一对矛盾 。 因此如何采取措施消除校正错误的修复途径成为 微生物育种的一个重要课题。 4 4 突变体的形成 当一个突变发生后，只有经过复制，把发生改 变的遗传信息确定下来，并能传递给下一代，

21、 才能成为突变体。 突变的表型效应 突变引起基因型的改变，通常也引起表型上的改变。 表型效应有的可以直接辨认出来，如各种形态突变。 有的表型改变是属于生理生化类型的改变，只能凭借 遗传学方法和生理化学技术及其他方法才能检测出来。 有的突变不一定产生遗传效应 （碱基置换）中的同义突变和无义突变 在二倍体细胞中显性基因的存在会掩盖隐性突变 基因的表型。 表型与环境：基因型是内因，环境条件是外因， 表型是基因型和环境综合作用的结果。 影响表型效应的因素 基因突变引起部分氨基酸的变化，如果变化的氨基 酸是决定多肽链功能的主要氨基酸，电荷上的变化 对多肽链的折叠结构和活性也有明显的影响，那么 这种突变将

22、使微生物产生明显的遗传效应；相反， 如果氨基酸种类的更改，并不改变多肽链的正常功 能，这种突变对遗传性状没有影响。 影响表型效应的因素 在二倍体细胞中，突变发生在显性基因或隐性基因 上，其表型效应不同。在纯合体中无论是显性基因 还是隐性基因突变都有表型效应。在杂合体中显性 基因突变使微生物产生一定的表型，而隐性基因突 变其表型和野生型相同。 在单倍体微生物中，如细菌、噬菌体，不管显性基 因突变还是隐性基因突变都出现突变型的表型。 影响表型效应的因素 基因存在于细胞里，也存在于一定的环境中， 因此基因的作用既受其他同在一个细胞内的基 因的影响，也受环境条件的制约。 环境虽然并不引起突变，但由于选

23、择的结果， 突变基因不一定能保留下来，对不适应的个体 进行淘汰。 还有很多微生物，突变后的表型是随着环境条 件的变化而改变，如红色面包霉生长在有光的 环境中菌落颜色为红色，当移到黑暗处就变成 白色。具有鞭毛的细菌，在含石炭酸培养基中 培养时鞭毛消失。 红色面包霉 小 结 前面讲述的影响表型效应的各个因素告诉我们： 具有突变基因的生物，其表型必须在相应的环 境中才能表现出来。 因此从微生物育种的角度说，要选育一个高产 的菌株，不仅要具备一个高产突变基因，还必 须有适合的培养基和培养条件来充分发挥突变 基因的高产性能。 基因型是个体特性的内因，而环境条件是外因， 表型是基因型和环境综合作用的结果。 关于表型延迟 表型延迟现象是指微生物通过自发突变或人工 诱变而产生新的基因型所表现出来的遗传特性 不能在当代出现，其表型的出现必须经过2 2代 以上的繁殖复制。 一般说表型的改变总是落后于基因型的改变。 表型延迟： （1 1）接触延迟：诱变剂进入细胞速率较慢； （2 2）杂核细胞到纯核突变细胞： （3 3）原有基因产物的影响：原有产物仍能支配野生型细胞作 用，经几代繁殖后，原有基因产物浓度降低，出现突变型。 产