第三章+基因突变

1、按照遗传物质结构的改变：碱基的置换、移码、缺失、插入突变：碱基的置换、移码、缺失、插入突变从突变的效应与野生型的关系：正向、回复突变正向、回复突变从突变所引起的遗传信息的意义改变：同义、错义、无义突变同义、错义、无义突变如果发生在调控区的突变有：组成型突变、启动子上升组成型突变、启动子上升/下降突变、下降突变、 抗阻遏、抗反馈突变抗阻遏、抗反馈突变从突变所带来的表型改变分为：形态、致死或条件致死、生化突变型形态、致死或条件致死、生化突变型分分 类类 标标 准准突变产生的过程：自发、诱发突变自发、诱发突变第一节 基因突变的类型及规律基因突变的规律基因突变的规律随机性独立性稳定性可逆性稀有性 二、

2、基因突变二、基因突变野生型菌株：从自然界分离获得的菌株，野生型菌株：从自然界分离获得的菌株， 称之为称之为。基本培养基基本培养基(MM)(MM)：满足野生型菌株生长最：满足野生型菌株生长最 低营养要求的合成培养基。低营养要求的合成培养基。（一）突变类型一）突变类型营养缺陷型：野生型菌株由于突变而丧失营养缺陷型：野生型菌株由于突变而丧失 了了 某种营养合成能力，而无法在基本培某种营养合成能力，而无法在基本培 养基上生长的变异类型。养基上生长的变异类型。 表示：表示：基基 因：因：hishis+ +，his his - - ； 表表 型：型：His His + + ，His His - - 抗性突

3、变型：抗性突变型：野生型菌株由于突变而产了对某些化学药物野生型菌株由于突变而产了对某些化学药物或致死物理因子抗性变异类型。或致死物理因子抗性变异类型。表示：表示：基基 因：因： strstrr r、strstrs s； tettetr r、tettets s； 表表 型：型：Str Str r r ， Str Str s s 条件致死突变型：条件致死突变型：某些菌株或病毒经基因突变后，在某种条件某些菌株或病毒经基因突变后，在某种条件可生长并实现表型，而在另一条件却无法生可生长并实现表型，而在另一条件却无法生长繁殖的突变类型。长繁殖的突变类型。(如温度敏感突变株：如温度敏感突变株：Ts）形态突变

4、株形态突变株抗原突变株抗原突变株产量突变株产量突变株突变株类型划分：突变株类型划分： -选择性突变株：营养缺陷型、抗性选择性突变株：营养缺陷型、抗性 突变型、条件致死突变型突变型、条件致死突变型 -非选择突变株：形态、抗原、产量非选择突变株：形态、抗原、产量 突变型突变型 命名规则：命名规则： 1.1.根据基因产物或其作用产物的英文名称的第一根据基因产物或其作用产物的英文名称的第一个字母缩写成个字母缩写成3 3 个小写斜体字母来表示。个小写斜体字母来表示。 2.2.不同的基因座，其中任何一个突变所产生的表不同的基因座，其中任何一个突变所产生的表型变化可能相同，其表示方法是在型变化可能相同，其表

5、示方法是在3 3 个小写斜体个小写斜体字母后加上一个斜体大写字母来表示区别。如字母后加上一个斜体大写字母来表示区别。如RecombinationrecARecombinationrecA、recBrecB、recCrecC 3.突变位点应通过在突变基因符号后加不同数字表突变位点应通过在突变基因符号后加不同数字表示。如示。如supE44 supE44 4.4.某个基因或某个领域缺失时，在其基因型前面加某个基因或某个领域缺失时，在其基因型前面加上上“”表示。例如：表示。例如：lac-proAB lac-proAB 基因缺基因缺 失时它失时它的基因型表示为的基因型表示为(lac-proAB)(lac

6、-proAB)。 5. 融合融合 如如（ara-lacara-lac）表示）表示araara和和 laclac融合成新基因融合成新基因 （二）突变率及其捡出（二）突变率及其捡出突变率：突变率：某一细胞在每一世代中发生突变的几率。常用单位群某一细胞在每一世代中发生突变的几率。常用单位群体中每一世代产生的突变株的数目来表示。体中每一世代产生的突变株的数目来表示。 一个细菌分裂一次产生两个细菌，两个细菌再经一次分裂产生四个细菌，这时一个细菌开始总共经历了三个世代。细菌繁殖过程中的世代总数为细菌数减1.如果细菌总数和开始时的细菌总数相差很大，可以认为细菌总数就是世代数。 突变率（M2-M1）/(N2-

7、N1)，其中M为抗性菌落数；N为不同时间的细菌数。突变株的捡出及突变率的计算突变株的捡出及突变率的计算 捡出方法：捡出方法：1）选择性突变株）选择性突变株-营养缺陷型营养缺陷型 -抗药性突变抗药性突变回复突变回复突变: 突变不完全是个随机的过程 突变热点 (hotspots of mutation） 从理论上讲，DNA分子上每一个碱基都可能发生突变，但实际上突变部位并非完全随机分布。DNA分子上的各个部分有着不同的突变频率，即DNA分子某些部位的突变频率大大高于平均数，这些部位就称为突变热点无论是自发还是诱发突变中都有热点存在。 5甲基胞嘧啶（MeC）的存在，MeC脱氨氧化后生成T，引起GMe

8、CA-T转换；短的连续重复顺序处容易发生插入或缺失突变；有的与突变剂种类有关，如DNA顺序中某个碱基对突变剂更敏感，有的则相反。 相邻碱基对的影响： CAA CAG 谷氨酰胺 3倍 赭石 UAA UAG 琥珀 33倍 乳石UGA UGG 诱变剂：能使突变率提高到自发突变水平以上的物理、化学和生物因素。 诱变机制：碱基置换突变移码突变插入/缺失突变碱基置换的诱变原理碱基置换的诱变原理Watson和和Crick认为认为酮式与烯醇式的互变氨基与亚氨基的互变碱基碱基碱基配对方式改变自发突变10-610-10酮式酮式烯醇式烯醇式烯醇式 ： 与G配对 诱发G.CA.T G.CG.CG.BUG.CA.BUA

9、.TA.BU参入错误酮式 与A配对 诱发A.TG.CA.TA.TA.BUA.TG.BUG.CA.BU复制错误Deamination of basesNitrous acid (HONO)Nitrous acidcytosineuracil,guaninexanthineGX（黄嘌呤）adeninehypoxanthineAH（次黄嘌呤）（次黄嘌呤）A:TG:CH与C 配对G：CA：T is specific for cytosine, but only works in vitro (cannot enter cells).G.CG.C*G.CC.A*C.A*T.AHA Hydroxylami

10、ne (NH2OH) Alkylating agents are excellent donors of alkyl groups.Alkylation:the addition of alkyl groups to the bases of DNA(EMS)(NNG)(MMS)EMS and MMS tend to ethylate (or methylate) N7 of guanine or N3 of adenine,which severely disrupts base pairing:是一种诱变作用特别强的诱变剂。可以使一个群体的任何一个基因的突变率高达1%。此外可以诱发邻近的位

11、置的基因同时发生突变，即引起多位点的突变。亚硝基胍（N-methyl-N-nitro-N-nitrosoguanidine, NNG)：can in addition methylatethe O6 of guanine and the O4 of thymine烷化剂对DNA的损伤一类亲电子的化合物，易与生物体中大分子的亲核位点起反应。烷一类亲电子的化合物，易与生物体中大分子的亲核位点起反应。烷化剂的作用可使化剂的作用可使DNA发生各种类型的损伤：发生各种类型的损伤：a.碱基烷基化 ：烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的N或O上，其中鸟嘌呤的N7和腺嘌呤的N3最容易受攻击，烷基化的嘌

12、呤碱基配对会发生变化，例如鸟嘌呤N7被烷化后就不再与胞嘧啶配对，而改与胸腺嘧啶配对，结果会使GC转变成AT。b.碱基脱落：烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落形成DNA上无碱基的位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。c.断链：DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷化，结果形成不稳定的磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断裂。 d.交联：交联：烷化剂有两类，一类是单功能基烷化剂，烷化剂有两类，一类是单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；另一如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；另一类是以双功能基烷化剂，化学武器如氮芥、硫芥类是以双功能基烷化剂，化学武器如氮芥、硫芥

13、等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂霉素等，某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此裂霉素等，某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此类，其两个功能基可同时使两处烷基化，结果就类，其两个功能基可同时使两处烷基化，结果就能造成能造成DNA链内、链内、DNA链间，以及链间，以及DNA与蛋白质与蛋白质间的交联。间的交联。 定义：定义： DNA分子中一对或少数几对核苷酸的增加和缺失造成的基因突变。 引起移码突变的诱变剂引起移码突变的诱变剂： 如吖啶橙，原黄素，吖黄素，可掺入DNA的碱基对之间，引起DNA双链错位 移码突变机制移码突变机制：二、 物理诱变剂1、 非电离辐

14、射-紫外线 2、电离辐射：激光 离子束诱变 微波 红外线 热 有效诱变范围：200300nm紫外线引起的紫外线引起的DNA损伤损伤lUV：非电离辐射型波长范围：136390nm诱变机制：DNA链的断裂DNA分子的交联C、U的水合作用嘧啶二聚体的形成电离辐射引起的电离辐射引起的DNA损伤损伤直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损伤间接效应是指DNA周围其他分子(主要是水分子)吸收射线能量产生具有很高反应活性的自由基进而损伤DNA。such as superoxide radicals(O2-), hydrogen peroxide (H2O2), and hydroxyl radicals (O

15、H)电离辐射可导致：a.碱基变化主要是由OH自由基引起，包括DNA链上的碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。b.脱氧核糖变化脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与OH反应，导致脱氧核糖分解，最后会引起DNA链断裂。c.DNA链断裂这是电离辐射引起的严重损伤事件，断链数随照射剂量而增加 d.交联包括DNA链交联和DNA-蛋白质交联。 激光：电磁波机制：辐射活化效应， 使机体形态结构和代谢生理方面发生改变 离子束的产生装置：离子注入机 机制： 能量传递、动量交换、离子沉积和电荷积累。MutagenMechanismTypes of mutations pro

16、ducedSpontaneousDNA replication and repair errors, spontaneous modification of nucleotidesAll types of mutations producedUV irradiationPyrimidine dimers induce error prone repair (SOS) Mainly G-C to A-T transitions, but all other types of mutations including deletions, frameshifts, and rearrangement

17、s at somewhat lower frequency2-aminopurine (2AP)Base analogA-T to G-C and G-C to A-T transitionsBromouracilBase analogG-C to A-T and A-T to G-C transitionsHydroxylamine (NH2OH)Alkylating agent, generates N4-hudroxycytosineG-C to A-T transitions when used in vitroN-methyl-N-nitro-N-nitrosoguanidine (

18、MNNG)Alkylating agent, generates O6-methylguanineG-C to A-T transitions, multiple, closely spaced mutations commonEthylmethane sulfonate (EMS) (EMS)Alkylating agent, generates O6-methylguanineG-C to A-T transitionsEthylethane sulfonate (DES)Alkylating agent, induces SOS responseG-C to T-A transversi

19、ons, other base substitution mutationsNitrous acidOxidative deaminationG-C to A-T and A-T to G-C transitions, deletions produced at a lower frequencyIntercalating agent, alkylacridine derivative that stabilizes looped out bases by stacking between themFrameshifts, mainly additions or deletions in ru

20、ns of G or C一、诱变剂与DNA接触之前：与细胞通透性、细胞壁成分是否反应等有关。二、突变发生过程： 与DNA是否处于复制状态有密切关系。如营养缺陷性菌株在诱变时加入菌株缺乏的氨基酸，诱变效果增强。 会受到多种酶的影响。 三、突变体的形成 形成的突变需经过突变后的修复，保留下来的才行。l光复活作用l切除修复l重组修复lDNA聚合酶的校读作用lSOS修复l适应性修复校正修复校正修复已知的修复系统有以下几种： 类似的修复酶广泛存在于动植物中，人体细胞中也有发现lUV引起的DNA损伤，由于可见光的照射而得以恢复的现象。l细菌DNA光解酶(photolyase)photolyase 修复DN

21、A损伤最为普遍的方式，对多种DNA损伤包括碱基脱落形成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链断裂等都能起修复作用。 这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中，也是人体细胞主要的DNA修复机制。 主要有两种形式2.切除修复切除修复(excision repair)切除修复切除修复An endonuclease cleaves DNA a precise number of bases on both sides of the lesions (UvrABC endonulcease removes pyrimidine dimers)Excised lesion-DNA fragment is

22、removedThe gap is filled by DNA polymerase I and sealed by ligase（碱基切除修复碱基切除修复DNA glycolasescleaves apurinic or pyrimidine site DNA polymeraseDNA ligaseDNA repaircleaves N-glycosylic bondAP endonuclease35 cleavage and & 53 synthesis 修复过程需要多种酶的一系列作用，基本步骤为： 首先由核酸酶识别DNA的损伤位点，在损伤部位的5侧切开磷酸二酯键。不同的DNA损

23、伤需要不同的特殊核酸内切酶来识别和切割。 由53核酸外切酶将有损伤的DNA片段切除。 在DNA聚合酶的催化下，以完整的互补链为模板，按53方向DNA链，填补已切除的空隙。 由DNA连接酶将新合成的DNA片段与原来的DNA断链连接起来。这样完成的修复能使DNA恢复原来的结构。 某些情况下没有互补链可以直接利用，例如在DNA复制进行时发生DNA损伤，此时DNA两条链已经分开，其修复可用重组方式： 受损伤的DNA链复制时，产生的子代DNA在损伤的对应部位出现缺口。 另一条母链DNA与有缺口的子链DNA进行重组交换，将母链DNA上相应的片段填补子链缺口处，而母链DNA出现缺口。以另一条子链DNA为模板，经DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填补母链DNA的缺口，最后由DNA连接酶连接，完成修补。 重组修复图示重组修复图示 重组修复重组修复不能完全去除损伤，损伤的DNA区段仍然保留在亲代DNA链上，只是重组修复后合成的DNA分子是不带有损伤的，但经多次复制后，损伤就被“冲淡”了，在子代细胞中只有一个细胞是带有损伤DNA的。 作用：校正DNA复制过程中出现的差错。 参与反应的酶： DNA聚合酶 53聚合酶活性 3