遗传学基因突变专家讲座

第十章基因突变§1．突变概念一、基因突变概念基因突变（Genemutation）：指染色体上某一基因位点内部分子结构发生了化学改变，变为与原来遗传性规定性略有不一样新等位基因。第1页第十章基因突变§1．突变概念一、基因突变概念基因突变（Genemutation）：指染色体上某一基因位点内部分子结构发生了化学改变，变为与原来遗传性规定性略有不一样新等位基因。第2页

基因突变是物种进化主要源泉，世界上许许多多生物类型均是无数次基因突变形成。

如花卉，五彩缤纷，千姿百态，可见大自然神奇和奥妙。仅牡丹花卉就是数不清变异类型，菊花也是这么。

再如小麦、水稻矮杆，棉花短果枝，玉米籽粒甜和糯等都是基因突变形成。人类很多性状也是基因突变形成。如血型、波发、眼睛颜色、发色等。在动物方面也很多，如达尔文描述安康羊、禽类羽毛颜色等。在植物育种中芽变育种也是利用基因突变。第3页芽变育种（budsportbreeding）：利用花芽顶端突变，经过嫁接、扦插、压条或组织培养等方法加以繁殖培育新品种育种方法。

系统育种也主要是利用自然突变。遗传学把表现为突变性状个体称为突变体（mutant）。在自然状态下突变为自然突变（spontaneousmutation）。不一样基因，自然突变率能够相差500倍（见P250表10—1）。

表10-1：玉米子粒7个基因自然突变率

第4页二、性细胞突变和体细胞突变在生命周期中，基因突变能够发生在任何时期任何部位，发生在性细胞中为性细胞突变，发生在体细胞中为体细胞突变。（一）性细胞突变（germinalmutation）：在配子形成时或形成后发生突变。能够经过受精结合直接传给后代。（二）体细胞突变（somaticmutation）：突变发生在体细胞一个细胞中，由这个细胞再分裂形成一群细胞，这一群细胞都是突变细胞，这叫做一个克隆（clone）。第5页体细胞突变遗传给后代有两个路径：1．无性繁殖：体细胞突变发生以后，经过细胞分裂繁殖可形成一个“突变体区”（mutantsector），这是由发生表型改变突变细胞形成一个斑块，成为嵌合体（chimaera）。在个体发育过程中，体细胞突变发生愈早，突变体区就会愈大，对表型影响也就愈大。如发生在一个不再分裂细胞中，就有可能被忽略，体细胞突变普通是不能传给后代，但能够经过细胞培养，培育成突变体，假如在突变体区形成枝条，还能够经过嫁接、扦插等方法繁殖后代。2．有性繁殖：假如在突变体区形成新枝条，这种枝条也能够形成突变性细胞，即可经过受精结合传给后代。

第6页三、突变类型（一）形态突变（morphologicalmutations）：突变主要影响生物体外在可见形态结构，如形状、大小、色泽等改变，故又称为可见突变（visiblemutation）。第7页（二）生化突变（biochemicalmutations）：突变影响生物代谢过程，造成一个特定生化功效改变或丧失。如细菌各种营养缺点型等都属于生化突变。第8页（三）致死突变（lethalmutations）：影响生物体生命力，造成突变体死亡突变，致死突变可分为显性致死和隐性致死两类，显性致死在杂合状态下也有致死作用，隐性致死必须在纯合状态下才有致死作用。普通以隐性致死较为常见。但致死突变不一定都伴有可见表型效应，因为致死突变致死作用能够发生在不一样发育阶段，如在配子期、合子期或胚胎期致死就见不到成体表型效应。第9页（四）条件致死突变（conditionallethalmutation）：在一些条件下能成活，而在一些条件下是致死。如T4—phage温度敏感突变型在25℃时能在E.Coli宿主细胞中正常生长，形成噬菌斑，但在4℃时就不能生长，是致死。第10页§2．基因突变普通特征

一、基因突变重演性和可逆性1．重演性：在同一个种内发生相同突变。重演性是指发生在同一个内，不一样个体、不一样时间、不一样地域突变。如达尔文描述安康羊，以后绝种了。50年后在挪威一个农家羊群中也发觉这种突变。第11页2．可逆性：如Aa普通情况正突变率大于反突变率。

正突变反突变第12页二、基因突变多方向性如我们在前面讲复等位基因（mullipleallele），就是基因突变多方向性造成。在一个基因位点，也能够发生各种突变，成为各种突变型。复等位基因：

指位于同一基因位点上各个等位基因总体。

复等位基因并不存在于同一个体中(同源多倍体除外)，而是存在于同一生物群内。

复等位基因出现增加生物多样性提升生物适应性提供育种工作更丰富资源使人们在分子水平上深入了解基因内部结构。第13页复等位基因广泛存在于生物界，很多性状都由复等位基因决定，如烟草有15自交不孕复等位基因S1、S2、……S15。S1S1×S1S1→不能成功，不能形成后代。S1S2×S1S2→不能形成后代。S1S2×S2S3→S1S3、S2S3S1S2×S3S4→S1S3、S2S3、S1S4、S2S4每个自交不亲和基因，其柱头上都能产生一个含有拮抗作用物质，妨碍含有相同基因型花粉参加受精。

第14页人类血型有3个复等位基因：A、B、O，组成四种血型：A、B、AB、O；其中A对O、B对O都是显性，A对B为共显性。①IAIA×ii→IAiA型血②IBIB×ii→IBiB型血③IAIA×IBIB→IAIBAB型血④IAi×IBi→IAIB、IAi、IBi、ii四种。第15页三、基因突变有害性

1.大多数基因突变是有害，有时是致死：一个生物物种基因型和外界环境条件都形成了一个协调而稳定体系，一旦发生突变，这种基因型原有平衡就会被打破，造成有害性，甚至是致死。如白化突变就是致死突变，人类中也有很多是致死突变，如鱼鳞癣、白血病等都是致死突变。2.有些是有利：如抗病突变，矮杆突变等都是有利。3.有些是无所谓中性突变：如粒色、小麦有芒与无芒，植物花色等都是无所谓，对生命都构不成影响。4.有些是矛盾性：如落粒性对本身有利，对人类不利，植物雄性不育对人类有利，但对生物体本身又不利第16页怎样对待这些突变呢？用选择来处理这些问题

自然淘汰有害突变选择

保留有利突变朝着更有利方向突变随机保留中性突变人工选择矛盾性突变

第17页如在小家鼠中有一个基因AY有两种作用，控制毛色时为显性，表现为黄色，但AY却含有隐性致死效应，AY基因不能纯合，一旦纯合就会出现隐性纯合致死。这是一个自然选择。黄色AYa×AYa黄色黄色AYa×aa ↓ ↓AYAYAYaaaAYaaa×黄黑 黄黑

2∶1 1∶1第18页四、平行性：亲缘关系较近种属间发生相同突变。亲缘关系较近物种，往往发生相同突变，这种现象称基因突变平行性。依据这一学说，假如某一物种或属内发生了某种突变，能够预料，在一些近缘种中或属中也能够发生类似突变。如禾本科植物，在水稻中发生了无融合生殖基因，能够预料在禾本科其它种和属中也能够发生这么突变。

第19页§3．基因突变与性状表现一、显性突变和隐性突变

a→A为显性突变

A→a为隐性突变第20页1．显性突变表现

M1M2M3AA1不分离纯合aaAaAa2分离不纯

aa1显性突变当代就能表现，但得到一个基因型纯合突变体要到M3。但显性突变假如发生在体细胞中，能够形成镶嵌现象，成为嵌合体。镶嵌现象：生物体部分组织或细胞表现和周围组织和细胞不相同现象。第21页2．隐性突变表现：

M1M2AA1AAAaAa2aa1纯合隐性突变，M1不能表现，M2才能表现，一旦表现即为纯合体，所以隐性突变表现晚，但判定早。

第22页二、大突变和微突变表现控制质量性状基因发生突变，性状变异显著为大突变，数量性状是微效多基因控制，其中一对基因发生了突变为微突变。大突变即使变异显著，但普通意义不大，微突变即使变异不显著，但能够积少成多，由量变到质变产生飞跃。分析微突变须用统计分析方法。第23页§4．基因突变判定一、显隐性判定：杂交以后，观察F1。F1代表现为突变性状，为显性突变，反之为隐性突变。二、真实性突变：在条件相同情况下进行比较，看是否和原性状一致。第24页三、突变判定：突变体，植株性状，以植株为单位，有分蘖，以分蘖为单位，籽粒性状以籽粒为单位。突变率判定普通在M2代进行。原因①M2显隐性都能表现；

②诱变时，机械损伤消失。第25页四、等位性判定

aa×aa突变a1a1×a2a2↓↓F1aaF1A1a1A2a2显性互补

↓

↓

F2aaF2A1_A2_互补为同一对基因突变A1_a2a2a1a1A2_突变

a1a1a2a2

第26页§5．生化突变40年代，人们以低等生物红色面包霉为材料研究遗传学，并提出了“一个基因一个酶”学说，1941年，Beadle等人取得诺贝尔奖。因而出现了生化遗传学和微生物遗传学。“一个基因一个酶”提出揭示了基因是经过酶合成来控制新陈代谢，进而决定生物性状。经过诱导红色面包霉变异，能够揭示某种物质在生物体内形成步骤。第27页一、红色面包霉生化突变型野生型红色面包霉能够在基本培养基上生长，可利用基本培养基物质合成他们本身所需要物质，如经诱导变异以后，只有添加这种物质以后才能生活，成为营养缺点型，经过缺点型营养物质添加，能够证实某种物质合成步骤。第28页例：有三种精氨酸缺点型，在基本培养基上都不能生活，但添加一些物质以后能够生活。第一个：基本培养基＋精氨酸→能生长

加其它物质均不能生长

第二种：①基本培养基＋精氨酸→能生长

②基本培养基＋瓜氨酸→能生长

加其它物质不能生长，说明瓜氨酸→精氨酸

第三种：①基本培养基＋精氨酸

②基本培养基＋瓜氨酸能生长

③基本培养基＋鸟氨酸

加其它物质不能生长，说明鸟氨酸能够转化为瓜氨酸，瓜氨酸再转化为精氨酸。

第29页从这三种突变型情况来分析，精氨酸合成要经过这么一个过程：

③②①

前趋物鸟氨酸瓜氨酸精氨酸其中一个基因发生突变即不能形成精氨酸，均为精氨酸缺点型，但三个基因突变结果不一样。说明前趋物转化为鸟氨酸以后，鸟氨酸又能够转化为瓜氨酸，瓜氨酸再转化为精氨酸，三个基因控制精氨酸合成三步。。第30页二、红色面包霉生化突变判定方法如红色面包霉变异，假如是发生了营养缺点型，能够经过添加培养基判定突变。如经X光诱变以后，首先，判定是否发生突变。

第31页1．判定是否发生了突变：

不能生活（突变）基本培养基上能生活（没有突变）子囊孢子接种在完全培养基上能生活起繁殖作用2．判定哪类突变：

如基本培养基＋各种氨基酸→不能生活基本培养基＋各种V.t→能生活

说明V.t突变型。第32页3．判定是哪一个V.t突变：基本培养基分别添加一个V.t，配制成添加V.t系列培养基，见教材P257图。第33页1.纯合野生型

2.X射线处理分生孢子

3.与野生型杂交

4.得子囊果

5.子囊孢子

6.子囊孢子接种在完全培养基中

7.子囊孢子接种在基本培养基中

8.基本培养基另加维生素

9.基本培养基另加氨基酸

10.基本培养基

11.完全培养基

12.基本培养基另加硫胺素

13.基本培养基另加吡醇素

14.基本培养基另加泛酸

15.基本培养基另加肌醇第34页§6．基因突变诱发在自然状态下，基因会以一定频率发生突变，这叫自发突变或自然突变。自发突变：在自然状态下，以一定频率发生突变。1945年，美国朝日本广岛、长崎投了两颗原子弹，这两个地方都造成了严重污染，地面上散发很多放射性物质，直到现在后患无穷。

第35页

居里夫人一生两次取得了诺贝尔奖，她发觉了放射性元素，但她一生只活了62岁，死于恶性贫血，第一个成了她发觉放射性元素牺牲品。如现在环境污染对人类生存已产生了重大影响，如畸形儿占各种儿童病疾首位。第36页广东省翁源县上坝村为癌症高发村，年报导：全村死于癌症367人，有些家庭死去几个，有一个家庭死去两个小孩，一个12岁，另一个17岁，村中惨状目不忍睹。原因：大宝山开矿，大量使用硫酸，使硫酸和重金属结合形成很毒物质，将这些水排入河中，直接殃及上坝村。

第37页X光机能产生X射线，这种射线也是造成基因突变主要原因，所以常照X光，也可造成基因突变。种子放在卫星上接收更多宇宙射线，也可造成基因突变，培育新品种已经成功。近代医学已经证实亚硝酸是很强致癌原因。第38页为了提升基因突变频率，人们于1927年就开始诱导基因突变选育新品种，这种方法称为诱变育种或称为辐射育种。

诱变育种：采取物理或化学方法诱导基因突变选育新品种育种方法。一、物理原因：X射线、γ射线、β射线、α射线、快中子、激光、紫外线等。这些原因都是诱发基因突变物理原因，依据能量高低把这些原因分为两种：电离原因和非电离原因。

第39页1．电离原因：X射线、γ射线、β射线、α射线、快中子、激光等，这些诱变原因能量较高，能使DNA分子外围电子脱落，形成离子，脱落电子也能够附着在另一个DNA分子上，形成负离子，这么就形成了离子对，这么离子对称为初级电离。第40页这么离子不稳定，正离子还要寻找机会从其它DNA分子上取得电子，使自己成为稳定状态，负离子也在向外释放电子给其它分子，使自己到达稳定状态，而使另一个分子成为负离子，这么又形成次级电离，次级电离能够发生屡次，造成DNA分子紊乱，产生基因突变。第41页电离辐射有两种方法：即外照射和内照射。外照射：将诱发种子花芽等材料与放射性物质保持一定距离，照射一定时间，诱发突变，这叫外照射。

第42页内照射：利用放射性同位素，在生物体内发生原子衰变，放出射线，诱导基因突变。如P32、S35这两种同位素原子衰变时放出β射线，将这两种物质中一个溶到水中，将干种子在水中浸泡，使其吸收这种放射性同位素，在种子萌发过程中产生基因突变，这种方法就称为内照射。。第43页在照射时候，照射水可能性更大，使水形成H2O2和自由基HO、OHO，在和DNA分子接触时，对DNA分子发生作用，造成DNA分子发生化学改变，形成基因突变。第44页2．非电离辐射：诱变原因能量较小，如紫外线，不能使DNA分子离子化，但能使DNA分子外围能量升高，从基态变成激发态，造成DNA分子氢键断裂，DNA分子离析退火以后，再重新形成氢键，这么一断一建会使DNA分子发生突变，在微生物育种中多采取这种方法。第45页二、化学原因诱变亚硝酸、吖啶、芥子气、碱基类似物、烷化剂等原因都是造成基因突变化学原因。第46页亚硝酸是近年来医学上研究发觉一个很强致癌原因。

吖啶能够附着在DNA分子上，使这一段DNA分子链不能复制，发生改变。

芥子气是1941年发觉一个基因突变原因。碱基类似物主要是以假乱真，在DNA分子复制时发生错误。

烷化剂主要是发生烷化作用，将电子转移到电子密度较高其它分子中去，以置换分子中H原子。第47页§7．基因突变分子基础一、突变分子机制要了解基因突变机制，需要从DNA和蛋白质分子水平去分析。分子遗传学发展，使人们已经能够大片段测定DNA分子序列，也能够用于检测突变引发DNA序列改变，能够帮助人们了解和认识突变基因形成。基因突变有自发突变和诱发突变。这两种突变机理以下：

第48页（一）自发突变机制：自发突变机理主要是DNA在复制过程发生了错误。如A—C等，则引发碱基替换，从而引发DNA复制中错误。

DNA分子中碱基能够有几个互变异构体，这些异构体原子位置及原子之间键有所不一样。第49页比如碱基中氨基能够转变成亚氨基，氨基态腺嘌呤只和胸腺嘧啶配对

A—T但变成亚氨基以后，↓能够和胞嘧啶配A—C↓再复制一代时就发生了错误

C—G这种互变异构体有各种，能够在DNA复制中自发产生，这就是在DNA复制中错误。第50页在DNA复制中错误有各种类型：

1．转换：一个嘌呤被另一个嘌呤代替或一个嘧啶被另一个嘧啶代替。2．颠换：一个嘧啶被一个嘌呤代替或一个嘌呤被一个嘧啶代替。这两种情况都是一个碱基被另一个碱基代替，造成了DNA分子改变。3．移码突变：在DNA复制过程中造成移码突变原因是增加或降低一个或若干个碱基，造成蛋白质分子结构改变。4．突变热点：DNA分子中重复次数较多DNA序列，第51页（二）诱发突变机制由各类诱变剂（如物理、化学）诱发突变，都有其对应特异性，可引发特定突变型，如G—C→A—T甲磺酸乙酯（EMS）紫外线（UV）偏好于G—C→A—T转换黄曲霉素B1（AFB1）偏好于C—G→A—T颠换第52页1．碱基类似物：如5-溴尿嘧啶（BU）和5-溴脱氧尿苷（BrdU）和胸腺嘧啶（T）非常相同，在DNA分子复制时，T会被BU代替与A配对，但BU有两种异构体还与C相同

A—BU→BU—G→G—C第53页2．特异性错配：一些诱变剂，如烷化剂，这是一类含有一个或多个活性烷基化合物。活性烷基很不稳定，能够转移到电子密度较高位置上，并置换其中氢原子成为一个很不稳定状态，造成突变。如甲硫酸乙酯（EMS）、亚硝基胍（NG）、芥子气等。第54页二、碱基替换与对遗传信息影响DNA分子中一个碱基发生改变，就能改变一个遗传密码，遗传密码改变以后有三种情况：（一）同义突变：因为密码子含有简并作用，改变以后，氨基酸不变，和原来蛋白质结构相同。如GAU→GAC都是天门冬氨酸第55页（二）错义突变：指碱基替换结果改变了密码子，也改变氨基酸序列，有时严重影响蛋白质活性，甚至使活性完全丧失。从而影响其表型，有时是致死，有些还有活性，使表型介于野生型与突变型之间，这种突变称为渗漏突变（leakymutation）。第56页（三）无义突变（终止突变）：有些碱基替换以后，密码子成为终止子密码，停顿肽链伸长，成为不完全肽链，这么产物普通没有活性。第57页三、基因突变修复（一）DNA防护机制1．简并性：2．回复突变：DNA分子结构回复到原来状态。3．抑制：tRNA基因改变，使原来发生突变回复到原有状态。第58页（二）DNA修复1．光修复：如紫外线（UV）照射细菌，在黑暗条件下照射突变率高，在光下突变率低。是在光下自我修复结果。2．暗修复：有些突变修复不需要在光下进行，在黑暗条件下修复。3．重组修复：DNA链重组，恢复到原来状态。4．SOS修复：SOS发生作用时，可使修复损伤功效增强。

第59页§7转座子

转座遗传因子又叫可移动因子，是指一段特定DNA序列。它是McClintock(1951)在玉米上首先发觉是遗传学发展史上主要里程碑之一。

转座遗传因子可在染色体组内移动，从一个位点切除，插入到一个新位点引发基因突变或染色体重组。

第60页一、转座因子发觉和判定：

Emerson(1914)在研究玉米果皮色素遗传时，发觉一个特殊突变类型花斑果皮，产生宽窄不一样，红白相间花斑。

花斑条纹突变能够发生屡次回复突变，它产生在于突变基因不稳定性，原因不清。

第61页Rhoades(1938)在研究玉米糊粉层色素遗传时，首次报道一个基因遗传不稳定性受到一个独立基因控制发觉与籽粒糊粉层色素产生相关基因，在另一个独立基因

dt处于隐性状态时，就能产生频率不等回复突变，即由a1突变为A1。

含有A1糊粉层细胞，能产生色素，整个籽粒糊粉层表现为在无色背景上分布着许多大小不等有色斑点。

Rhoades把引发a1遗传不稳定基因称为斑点产生基因。第62页20世纪40年代初McClintock研究玉米花斑糊粉层和植株色素产生遗传基础时发觉色素改变与一系列染色体重组相关。请看右图。

染色体断裂或解离(dissociation)有一个特定位点(Ds)。但Ds并不能自行断裂，受一个激活因子Ac(ac-tivator)所控制。

第63页Ac能够像普通基因一样进行传递，但有时表现很特殊，能够离开原座位转移到同一个或不一样染色体另一座位。

Ds也能移动，不过只有在Ac存在时才能发生。

McClintock把“Ac--Ds”系统，称之为控制因子或转座因子

“控制因子”假说。

第64页JacobP.A.和MonodL.（1961年）发表乳糖操纵子模型和控制基因理论，McClintock“控制因子”假说才开始重新引发人们注意。60年代未期，ShapiroJ.研究E.coli高效突变时发觉，这是因为一个大片段DNA插入作用造成，称这种DNA片段为插入序列细菌中首次发觉了移动基因。移动基因概念也即被大家所公认。第65页二、转座因子结构特征:

㈠、原核生物转座因子：

依据分子结构与遗传特征能够分为三类。

1.插入因子（insertionsequence，IS）：含有转座能力简单遗传因子，长度普通小于2kb，最少插入序列，如IS1仅768bp。

IS因子只含有与转座相关基因与序列。共同特征是在其末端都含有一段反向重复序列（IR），其长度不一。比如IS10左边IR序列是17bp、右边是22bp，二者相差5bp。第66页2．转座子（transposons）：

由几个基因组成特定DNA片段常带抗菌素抗性基因，所以易于判定。

转座子能够分为以下两种系统：

①.复合转座子：有两个一样IS因子连接抗菌素抗性片段两侧组成：

IS因子＋抗菌素抗性片段＋IS因子IS因子能够是反向重复构型也能够是同向重复构型。

第67页

②.Tnp3系转座子：结构较复杂，长度约5000bp。末端有一对38bpIR序列，但不含IS因子序列。

这类每个转座子都带有3个基因：一个是编码对氨苄青