第五章基因突变

1、第五章 基因突变（gene mutation）教学重点教学重点 1 1、掌握基因突变类型和特点掌握基因突变类型和特点 2 2、了解的果蝇、链孢霉、人的基因突变的检出、了解的果蝇、链孢霉、人的基因突变的检出 3 3、掌握基因突变的分子基础掌握基因突变的分子基础主要内容主要内容 I. I. 基因突变的概说基因突变的概说 II.II.基因突变的性质基因突变的性质 III.III.基因突变的检出基因突变的检出 IV.IV.基因突变的分子基础基因突变的分子基础 弗里斯：弗里斯：“突变是不经过中间过渡而突然出现的，而突变是不经过中间过渡而突然出现的，而且突变一旦产生，便可能一代代遗传下去。且突变一旦产生，

2、便可能一代代遗传下去。”第一节第一节 基因突变的概念与意义基因突变的概念与意义一、一、基因突变的概念基因突变的概念（Concept of gene mutationConcept of gene mutation）基因突变基因突变 （gene mutationgene mutation）又称点突变又称点突变 （point mutationpoint mutation）：基因内部发生可遗传的基因内部发生可遗传的化学性质的变化。化学性质的变化。 基因的化学性质发生了变化，可能引起表现型发生相应的变化基因的化学性质发生了变化，可能引起表现型发生相应的变化 由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体，称为

3、由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体，称为突变体或突变型突变体或突变型（mutantmutant） 与突变型相对的概念是与突变型相对的概念是野生型野生型（wild typewild type） 野生型都是红眼睛，野生型都是红眼睛，那那它白眼睛说明遗传物它白眼睛说明遗传物质发生了改变质发生了改变？！？！哪怕哪怕是表观遗传是表观遗传，也是基因，也是基因修饰修饰造成的造成的 自发突变自发突变（ spontaneous mutation）与诱发突变与诱发突变（induced mutation） 自发突变自发突变（碱基序列发生改变）（碱基序列发生改变）自然环境辐射化学物质DNA复制错误、修复差错、座子

4、转座人为利用物理、化学因素处理诱发基因突变称为诱发突变诱发突变二、基因突变的意义二、基因突变的意义（The significance of genetic mutations）基因突变是生物变异的根本来源基因突变为生物的进化提供了原材料基因突变是新基因产生的途径基因突变是生物进化基因突变是生物进化的根本源泉的根本源泉第二节 基因突变的一般特征一、突变的重演性（ Mutations reproducibility ） 同一突变可以在生物的不同个体上多次发生。同一突变可以在生物的不同个体上多次发生。 同一基因突变在不同的个体上均可能发生；同一基因突变在不同的个体上均可能发生； 不同群体中发生同一基

5、因突变的频率相近。不同群体中发生同一基因突变的频率相近。突变率突变率（Mutation rate）：）：单位时间内某一基因突变发生的概率单位时间内某一基因突变发生的概率突变频率突变频率（Mutation frequency）:突变体在一个世代群体中所占的比例。突变体在一个世代群体中所占的比例。二、突变的可逆性二、突变的可逆性（Reversibility mutationReversibility mutation）突变的可逆性：突变的可逆性：基因突变的发生方向是可逆的。基因突变的发生方向是可逆的。正突变正突变(forward mutation)(forward mutation)：显性基因：显

6、性基因A A隐性基因隐性基因a a；反突变反突变(reverse mutation)(reverse mutation)：隐性基因：隐性基因a a显性基因显性基因A A。通常认为：野生型基因是正常、有功能基因；而最初基因突变往往是野生型基因突变而通常认为：野生型基因是正常、有功能基因；而最初基因突变往往是野生型基因突变而丧失功能、发生功能改变，表现为隐性基因。所以反突变又称为丧失功能、发生功能改变，表现为隐性基因。所以反突变又称为回复突变回复突变(back (back mutaiton)mutaiton)。正突变与反突变发生的频率一般都不相同。多数情况下：正突变与反突变发生的频率一般都不相同。

7、多数情况下：正突变率总是高于反正突变率总是高于反突变率突变率。原因在于：原因在于： 正常野生型基因内部存在许多可突变部位，其中之一结构改变均会导致其正常野生型基因内部存在许多可突变部位，其中之一结构改变均会导致其功能改变；功能改变； 但是一旦突变发生，要但是一旦突变发生，要回复正常野生型功能则只能由原来发生突变的部位回复正常野生型功能则只能由原来发生突变的部位恢复原状。恢复原状。由显性基因产生隐性基因称为由显性基因产生隐性基因称为隐性突变隐性突变（ recessive mutation）有隐性基因产生显性基因称为有隐性基因产生显性基因称为显性突变显性突变（ dominant mutation

8、）野生型基因一般是正常基因，突变会导致其功能丧失野生型基因一般是正常基因，突变会导致其功能丧失正突变通常是隐性突变正突变通常是隐性突变三、突变的多方向性三、突变的多方向性（ Multi-directional mutation ）突变的多方向性突变的多方向性：指基因突变可以多方向发生，即基因内部多个突变部位分别改变后会：指基因突变可以多方向发生，即基因内部多个突变部位分别改变后会产生多种等位基因形式。产生多种等位基因形式。 基因突变的多方向性导致了复等位基因基因突变的多方向性导致了复等位基因 突变是不定向的突变是不定向的, ,不可能按照已有的等位基因的方式去突变不可能按照已有的等位基因的方式去

9、突变 所有的等位基因都是基因突变产生的所有的等位基因都是基因突变产生的, ,所以是基因突变的不定向所以是基因突变的不定向, ,导致复等位基因导致复等位基因5-1 烟草属自交不亲和与异交可孕四、突变的有害性和有利性（Harmful and beneficial mutations）突变的有害性：突变的有害性：大多数基因的突变，对生物的生长与发育大多数基因的突变，对生物的生长与发育往往是有害的。往往是有害的。 生物的野生型基因都是正常有功能的；生物的野生型基因都是正常有功能的； 生物细胞内现有的基因是通过长期自然选择进化而来，并且基因间达到某种生物细胞内现有的基因是通过长期自然选择进化而来，并且基

10、因间达到某种相对平衡与协调状态。相对平衡与协调状态。因此，基因突变可能会导致：因此，基因突变可能会导致：基因间及相关代谢过程的协调关系被破坏基因间及相关代谢过程的协调关系被破坏。基因突变与表现往往会导致当代生物个体：基因突变与表现往往会导致当代生物个体：性状变异、个体发育异常、生性状变异、个体发育异常、生存竞争与生殖能力下降，甚至死亡存竞争与生殖能力下降，甚至死亡致死突变。致死突变。突变的有利性突变的有利性高秆高秆 矮秆：矮秆：有害性：有害性：矮秆株在高秆群体中受光不足、发育不良；矮秆株在高秆群体中受光不足、发育不良；有利性：有利性：矮秆株在多风或高肥地区有较强抗倒伏性、生长茁壮。矮秆株在多风

11、或高肥地区有较强抗倒伏性、生长茁壮。不但无害，不但无害，而且有利。而且有利。如抗倒、抗如抗倒、抗病、早熟等病、早熟等突变。突变。五、突变的平行性（ Parallelism Mutation ）亲缘关系相近物种因亲缘关系相近物种因遗传基础近似遗传基础近似，常发生，常发生相似相似的基因突变的基因突变。由于由于突变平行性突变平行性的存在，可以考虑一个物种或属所具有突变类型，在近缘物种的存在，可以考虑一个物种或属所具有突变类型，在近缘物种或属内也可能存在，对或属内也可能存在，对人工诱变人工诱变 有一定的有一定的参考意义参考意义。例如：小麦有早、晚熟变异类型，属于禾本科其它例如：小麦有早、晚熟变异类型，

12、属于禾本科其它物种物种如大麦、黑麦、燕麦、如大麦、黑麦、燕麦、高粱、玉米、黍、水稻、冰草等高粱、玉米、黍、水稻、冰草等同样存在着这些变异类型。同样存在着这些变异类型。 第三节第三节 基因突变与性状表现基因突变与性状表现（Gene mutation and traits ）一、基因突变的性状变异类型一、基因突变的性状变异类型（ Expression type of mutants ） 形态突变形态突变（Morphological mutationMorphological mutation） 指突变体在形态结构、大小、颜色等可直接观察到的性状与正常个体产生了明 显差别的改变，又称: 可见突变可见

13、突变（visible mutation） 生化突变生化突变（Biochemical mutation） 指指在基因结构水平上产生随机变化的原动力，突变事件通常是破坏性的，在基因结构水平上产生随机变化的原动力，突变事件通常是破坏性的，删除删除 或或改变了基因的关键性的功能区改变了基因的关键性的功能区。 致死突变致死突变（Lethal mutation） 影响影响细胞或个体生活力，导致其死亡的突变细胞或个体生活力，导致其死亡的突变称为致死突变称为致死突变。致死突变可分为。致死突变可分为显显 性性致死致死和和隐性致死隐性致死。 条件致死突变条件致死突变（Conditional lethal muta

14、tion） 指在某些条件下突变体可以存活，在另外的条件下突变体死亡的突变。指在某些条件下突变体可以存活，在另外的条件下突变体死亡的突变。 最常见的是温度敏感突变型最常见的是温度敏感突变型。 抗性突变抗性突变（Resistant mutation） 突变突变细胞或者生物体获得了对某种特殊抑制剂的抵抗能力。细胞或者生物体获得了对某种特殊抑制剂的抵抗能力。如：抗虫性、耐药性、抗病性细菌耐药性二、显性突变和隐性突变的表现二、显性突变和隐性突变的表现隐性突变隐性突变：显性基因显性基因A隐性基因隐性基因a。显性突变：显性突变：隐性基因隐性基因a显性基因显性基因A。 显性突变的表现显性突变的表现 dd dd

15、 突变突变 第一代（第一代（M1M1） DdDd表现表现 第二代（第二代（M2M2） 1DD 2Dd 1dd1DD 2Dd 1dd 有纯合体，但不能区分有纯合体，但不能区分 第三代（第三代（M3M3） 检出纯合体检出纯合体 隐性突变的表现隐性突变的表现 DDDD 突变突变 DdDd不表现不表现 1DD 2Dd 1dd1DD 2Dd 1dd 表现、纯合表现、纯合 三、体细胞突变和性细胞突变的表现三、体细胞突变和性细胞突变的表现基因突变可以发生在生物个体发育的任何时期对有性生殖生物而言，也意味着体细胞(somatic cell)和生殖细胞(germ cell)均可能发生突变。体细胞突变 (Soma

16、tic mutation)体细胞发生的突变性细胞突变 (Sexual mutation )生殖细胞发生的突变四、大突变和微突变大突变大突变 (Macromutation): (Macromutation): 具有明显、容易识别表型变异的基因突变。具有明显、容易识别表型变异的基因突变。( (如：如： 豌豆的圆粒和皱粒豌豆的圆粒和皱粒) )微突变微突变 ( (MicromutationMicromutation): ): 突变效应表现微小，较难察觉的基因突变。突变效应表现微小，较难察觉的基因突变。( (如：数量性状如：数量性状基因座，基因座，QTL)QTL)第四节 基因突变的鉴定一、微生物基因突变

17、的鉴定一、微生物基因突变的鉴定利用专一代谢物、培养条件或抑制剂差异可以筛选特定突变体，并准确地鉴定该基利用专一代谢物、培养条件或抑制剂差异可以筛选特定突变体，并准确地鉴定该基因座位的遗传功能。这种方法称为因座位的遗传功能。这种方法称为选择培养法选择培养法（selective cultureselective culture）红色红色面包霉生化突变的面包霉生化突变的鉴定鉴定 X X射线处理分生孢子射线处理分生孢子 处理后的分生孢子与野生型交配处理后的分生孢子与野生型交配 产生分离的子囊孢子产生分离的子囊孢子 置于完全培养基里生长置于完全培养基里生长 产生菌丝和分生孢子产生菌丝和分生孢子基本培基本

18、培养基养基完完全全培培养养基基加加维维生生素素加加氨氨基基酸酸基基本本培培养养基基完完全全培培养养基基硫硫胺胺素素吡吡醇醇素素泛泛酸酸肌肌醇醇图图5-3 红色面包酶生化突变的诱发和鉴定红色面包酶生化突变的诱发和鉴定可以推论可以推论精氨酸合成步骤精氨酸合成步骤为：为： o c a 前驱前驱物物鸟氨酸鸟氨酸瓜氨酸瓜氨酸精氨酸精氨酸蛋白质蛋白质 从鸟氨酸从鸟氨酸精氨酸的合成精氨酸的合成至少需要至少需要A、C、O三个基因三个基因二、植物基因突变的鉴定二、植物基因突变的鉴定 突变真实性鉴定突变真实性鉴定经经诱变产生的变异是否诱变产生的变异是否属于真实的基因突变，是属于真实的基因突变，是显性突变还是隐性突

19、变、突变频率的高低，都应进行显性突变还是隐性突变、突变频率的高低，都应进行鉴定。鉴定。 由由基因发生某种化学变化而引起的变异是可遗传基因发生某种化学变化而引起的变异是可遗传，而由一般环境条件导致的变异是不遗传的而由一般环境条件导致的变异是不遗传的。例：高秆例：高秆 矮矮秆，秆， 其原因：其原因：1.1.有基因突变而引起；有基因突变而引起；2.2.因土壤瘠薄或遭受病虫为害而生长不良等。因土壤瘠薄或遭受病虫为害而生长不良等。鉴定方法：鉴定方法： 可将变异体与原始亲本在可将变异体与原始亲本在同一栽培条件同一栽培条件下比较。下比较。高秆高秆 矮矮秆秆 后代后代为高秆，则不是突变，由环境引起。为高秆，则

20、不是突变，由环境引起。 后代后代仍为矮秆，则是基因突变引起的。仍为矮秆，则是基因突变引起的。突变性质鉴定突变性质鉴定显性显性突变和突变和隐性隐性突变的区分，可利用杂交试验突变的区分，可利用杂交试验加以鉴定。如：加以鉴定。如： 突变体突变体矮秆株矮秆株原始品种原始品种(高高) F1高高秆秆 F2有高秆、也有矮有高秆、也有矮秆秆 说明说明该突变属于该突变属于隐性隐性突变突变谷类作物种子诱发隐性突变鉴定谷类作物种子诱发隐性突变鉴定 三、动物基因突变的鉴定三、动物基因突变的鉴定 人类基因突变的检出是非常复杂的，而且不易鉴定，主要靠家系分析和人类基因突变的检出是非常复杂的，而且不易鉴定，主要靠家系分析和

21、出生调查：出生调查： 隐性突变的检出隐性突变的检出：常染色体上隐性突变难以检出因为一个隐性性状的出：常染色体上隐性突变难以检出因为一个隐性性状的出现很可能由于两个杂合体的婚配而不是突变；现很可能由于两个杂合体的婚配而不是突变； 显性显性突变的检出突变的检出：显性突变比较容易检出；只要遗传方式规则，一个家：显性突变比较容易检出；只要遗传方式规则，一个家系中，如出现一个显性性状，父母无，则为一个新性状；如果显性遗传系中，如出现一个显性性状，父母无，则为一个新性状；如果显性遗传方式不规则，如双亲之一携带，但未表达，是否突变难以确定。方式不规则，如双亲之一携带，但未表达，是否突变难以确定。第五节第五节

22、 基因突变的分子机制基因突变的分子机制一、基因突变的方式一、基因突变的方式基因在染色体上有固定的基因在染色体上有固定的位置位置，称为，称为座位座位(1ocus(1ocus，loci) loci) 一一个个座位座位还可以分成许多基本单位还可以分成许多基本单位，称为，称为位点位点(site) (site) 碱基替换碱基替换 ( (Base substitutionBase substitution) ) 缺失突变缺失突变 ( (Deletion mutationDeletion mutation) ) 插入突变插入突变 ( (Insertion mutationInsertion mutation

23、) ) 碱基对替换 转换：嘌呤替换嘌呤转换：嘌呤替换嘌呤 A AG GG GA A 嘧啶替换嘧啶嘧啶替换嘧啶 T TC CC CT T 颠换：嘌呤替换嘧啶颠换：嘌呤替换嘧啶 C CG TG TG TG TA CA CA A 嘧啶替换嘌呤嘧啶替换嘌呤 G GT GT GC AC AC AC AT T （2）碱基对增减 碱基缺失：碱基缺失： ATATC CGATGATATGATATGAT 碱基插入：碱基插入： ATCGATATCGATATCATCG GGATGAT二、二、DNADNA修复与差错修复与差错 错配修复错配修复 (Mismatch repair ) 直接修复直接修复 (Direct re

24、pair ) 切除修复切除修复 (Excision repair) 双链断裂修复双链断裂修复 (Double-strand break repair ) 重组修复重组修复 (Recombination repair ) SOS response, 倾向差错倾向差错修复修复 (Error-prone repair ) 错配修复错配修复DNADNA合成过程中常发生碱基配对合成过程中常发生碱基配对错误错误识别识别错配碱基错配碱基切除错误碱基切除错误碱基补入正确碱基补入正确碱基封闭封闭DNADNA链切口链切口错配修复错配修复系统由许多酶组成，包括系统由许多酶组成，包括DNADNA聚合酶聚合酶 直接修复

25、直接修复不需要不需要DNADNA聚合酶参与聚合酶参与例：胸腺嘧啶二聚体的修复例：胸腺嘧啶二聚体的修复胸腺嘧啶二聚体的形成胸腺嘧啶二聚体的形成a. Light repair (光修复)b. Dealkylation (去烷基化)yl-transferase (烷基转移酶)Methyl-tranAlksferase (甲基转移酶）c. Single-strand break repair单链断裂修复切除修复切除修复or暗修复暗修复(Excision repair or dark repair )碱基碱基切除修复切除修复（ Base excision repair ）核苷酸切除修复核苷酸切除修复（

26、Nucleotide excision repair ） 需要一系列的酶参与需要一系列的酶参与 修复以后，修复以后，TTTT二聚体依然存在，但细胞却能勉强完成这一轮复制二聚体依然存在，但细胞却能勉强完成这一轮复制 在切割和修补过程中，会发生这样那样的差错，从而大致突变的在切割和修补过程中，会发生这样那样的差错，从而大致突变的产生产生 由由UVUV照射引起的突变，并不是二聚体本身引起的，而多是修补过照射引起的突变，并不是二聚体本身引起的，而多是修补过程中的差错引起的程中的差错引起的 重组修复重组修复(recombination repair)(recombination repair)（又称复制

27、后修复）（又称复制后修复） 含二聚体的含二聚体的DNADNA仍可仍可复制，新链在二聚体部复制，新链在二聚体部位留有缺口；位留有缺口； 完整的母链与有缺完整的母链与有缺口的子链重组（交换）口的子链重组（交换） 缺口通过缺口通过DNADNA聚合酶聚合酶的作用，以对侧子链为的作用，以对侧子链为模板将切去的母链修补模板将切去的母链修补起来；起来； 由由DNADNA连接酶将缺刻连接酶将缺刻(nick)(nick)连接起来，完成连接起来，完成修复。修复。SOSSOS修复修复 DNADNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNADNA修复方修复方式式 修

28、复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多下的错误较多 故又称为故又称为错误倾向修复错误倾向修复，使细胞有较高的突变率，使细胞有较高的突变率 第六第六节节 基因突变的诱发基因突变的诱发 自然自然条件下各种动、植物发生条件下各种动、植物发生基因突变基因突变频率不高，频率不高，可保持生物种性的相对可保持生物种性的相对稳定性稳定性。但不利于动、植物育种。但不利于动、植物育种。 穆穆勒和勒和斯特德勒（斯特德勒（19271927）用）用X X射线射线研究人工诱变研究人工诱变，证实，证实人工诱发基因突变可人工诱发基因突变可以大

29、大提高突变率。以大大提高突变率。一、物理因素一、物理因素物理因素：物理因素：各种电离辐射与非电离辐射各种电离辐射与非电离辐射。基因突变需要相当大的能量基因突变需要相当大的能量，辐射是能量来源。，辐射是能量来源。能量较高的辐射能量较高的辐射如紫外线可以产生热能，使原子如紫外线可以产生热能，使原子“激发激发”( (activation)activation)； 高能高能量辐射量辐射如如X X射线、射线、射线、射线、射线、射线、射线、射线、中子等除产生热能、激发原子，还能使原子中子等除产生热能、激发原子，还能使原子“电离电离”(ionization)(ionization)，诱使基因诱使基因发生突变

30、。发生突变。射诱变的作用是随机的射诱变的作用是随机的（无特异性）。（无特异性）。性质和条件相同辐射性质和条件相同辐射 诱发不同的变异；诱发不同的变异；性质和条件不同的辐射性质和条件不同的辐射 诱发相同的变异。诱发相同的变异。当前只能期望通过辐射处理得到随机变异。当前只能期望通过辐射处理得到随机变异。中子诱变效果好，但经中子照射的物体带有放射性，人体不能中子诱变效果好，但经中子照射的物体带有放射性，人体不能直接接触。直接接触。其它还有激光、电子和微波、射线（一般不用，电离程度很大其它还有激光、电子和微波、射线（一般不用，电离程度很大，内，内照射很危险）照射很危险）等。等。辐射诱变：辐射诱变：非电

31、离辐射非电离辐射( (Non-ionizing radiationNon-ionizing radiation ) )、电离辐射、电离辐射( (Ionizing radiationIonizing radiation) ) 非电离射线非电离射线主要是主要是紫外线紫外线 紫外线紫外线的诱变作用的诱变作用 引起引起DNADNA同一条链上相邻的两个嘧啶碱共价联结，形成嘧啶二聚同一条链上相邻的两个嘧啶碱共价联结，形成嘧啶二聚体，其中以体，其中以胸腺嘧啶二聚体形成的频率最高胸腺嘧啶二聚体形成的频率最高。 紫外线诱变的最有效的波长为紫外线诱变的最有效的波长为260nm260nm左右，而这个波长正是左右，而这个波长正是DNADNA所吸收的紫外线波长。所吸收的紫外线波长。二、化学诱变二、化学诱变化学因素诱变的历史较晚化学