第4章---遗传信息的改变

1、第六章遗传信息的改变,变异可以使生物具有多样性，使生物通过自然选择而产生进化，影响生物的性状。遗传信息的改变可以发生在染色体水平与DNA水平上。染色体结构和数目的改变称为染色体畸变（chromosomeaberration)。DNA分子结构发生的化学变化称为基因突变(genemutation)。,第六章遗传信息的改变,第一节染色体畸变第二节基因突变第三节突变的抑制与DNA修复第四节重组与转座,第一节染色体畸变,一、染色体结构的改变二、染色体数目的变异,一、染色体结构变异,结构变异的形成：断裂重接使染色体产生折断的因素：自然：温度剧变、营养生理条件异常、遗传因素等；人为：物理射线与化学药剂处理等

2、。染色体折断的结果：正确重接：重新愈合，恢复原状；错误重接：产生结构变异；保持断头：产生结构变异。结构变异的基本类型：缺失、重复、倒位、易位。形成、类型与特点；细胞学特征与鉴定；遗传效应。,1.物理因素：放射线人类染色体对辐射甚为敏感，孕妇接触放射线后，其子代发生染色体畸变的危险性增加。2.化学因素：许多化学药物、抗代谢药物和毒物都能导致染色体畸变。3.生物因素：病毒感染传染性单核细胞增多症、流行性腮腺炎、风疹和肝炎等病毒都可以引起染色体断裂，造成胎儿染色体畸变。4.年龄因素：母亲受孕时年龄过大孕母年龄愈大，子代发生染色体病的可能性愈大，可能与母体卵子老化有关。5.遗传因素：染色体异常的父母可

3、能遗传给下一代。,一、染色体结构的改变,染色体结构的改变是指在自然突变或人工诱变的条件下使染色体的某区段发生改变，从而改变了基因的数目、位置和顺序。可分为4种类型：1、缺失(deletion)2、重复(duplication)3、倒位(inversion)4、易位(translocation),1、缺失(deletion),缺失是指一个正常染色体上某区段的丢失，因而该区段所载荷的基因也随之丢失。缺失的类型缺失产生的原因缺失的遗传与表型效应,缺失的类型,丢失的区段如发生在两臂的内部，称为中间缺失；如发生在顶端，称为顶端缺失。一般以中间缺失较为普遍。发生缺失后，带有着丝粒的那一段染色体，仍可继续存

4、留在细胞里，没有着丝粒的另一段（断片），将随细胞分裂而消失。,缺失(deletion，del),末端缺失(terminaldeletion),4q13,缺失(deletion，del),中间缺失(interstitialdeletion),缺失,a.正常染色体,染色体结构的变异,杂合体在减数分裂时染色体的联合,（2）缺失形成的原因染色体损伤、染色体纽结、不等交换（3）缺失的遗传效应缺失区段上基因丢失导致：基因所决定、控制的生物功能丧失或异常；基因间相互作用关系破坏；基因排列位置关系改变。影响缺失对生物个体危害程度的因素：缺失区段的大小；缺失区段所含基因的多少；缺失基因的重要程度；染色体倍性水平

5、。缺失的遗传与表型效应致死或出现异常、假显性或拟显性(pseudodominant),猫叫综合症,在人类中，第5染色体短臂杂合缺失称为猫叫综合症，最明显的特征是患儿哭声轻，音调高，常发出咪咪声，耳位低下，。通常在婴儿期和幼儿期夭折。第5号染色体缺失（短臂缺失）智商仅2040。发病率约为1/5万。,2、重复(duplication),重复是一个正常染色体增加了与本身相同的一段。重复的类型重复产生的原因重复的遗传与表型效应,重复的类型,顺接重复(tandemduplication)重复区段按原有的顺序相连接，即重复顺序所携带的遗传信息的顺序和方向与染色体上原有的顺序相同。反接重复(reversed

6、uplication)重复区段按颠倒顺序连接，即重复顺序所携带DNA顺序和原来的相反。,a.正常染色体,b.染色体结构的变异,重复的产生的原因,断裂融合桥的形成染色体由于断裂而丢失了端粒的可自身连接形成环状染色体，复制后若姊妹染色体单体之间发生交换，则在有丝分裂后期可以形成染色体桥。由于附着在纺缍丝上的着丝粒不断拉动导致桥的断裂，从而导致染色体的重复和缺失。染色体纽结一对同源染色体中的一条若发生纽结和断裂，可能会产生反接重复和缺失。不等交换一对同源染色体非姊妹染色单体间发生了不等的交换，会导致染色体的缺失与重复。,顶端缺失的形成(断裂)复制姊妹染色单体顶端断头连接(融合)有丝分裂后期桥(桥)新

7、的断裂,断裂融合桥,重复的遗传与表型效应,破坏正常的连锁群，影响固有基因的交换率。位置效应：一个基因随着染色体畸变而改变了原有基因间的位置关系，引起表型改变的现象称为位置效应。剂量效应：由于基因拷贝数的不同，而表现了不同的表型差异称为剂量效应。表型异常：如果重复的基因或产物对生物发育和性细胞活力很重要，就会引起表型异常。,重复的遗传效应,位置效应(positioneffect)：果蝇的棒眼遗传是重复造成表现型变异的最早和最突出的例子。棒眼表现型的果蝇只有很少的小眼数，其眼睛缩成狭条。这种表现型是由X染色体16A横纹区的重复所产生的。,果蝇眼面大小遗传的位置效应,正常眼,棒眼,纯合棒眼,纯合重棒

8、眼,重棒眼,780,358,69,45,25,3、倒位(inversion),倒位是指一个染色体上某区段的正常排列顺序发生了180的颠倒。倒位的类型倒位产生的原因倒位的遗传与表型效应,倒位的类型,根据倒位区段包含着丝粒的有无，可分为以下两种类型：臂内倒位(paracentricinversion)一个臂内不含着丝粒的颠倒。臂间倒位(paricentricinversion)两个臂间并包含着丝粒的颠倒。,倒位产生的原因,染色体纽结、断裂和重接。转座因子可以引起染色体的倒位。,b.染色体结构的变异,a.正常染色体,倒位的遗传与表型效应,引起基因重排产生倒位圈在减数分离联会时，倒位的染色体与其同源的

9、正常染色体配对过程中，倒位的区段会出现环状的倒位圈。对生物生活力的影响对生物物种进化的影响多次发生倒位并通过杂合体自交纯化后，出现倒位纯合体后代并形成生殖隔离，往往会形成新的物种，促进物种的进化。,4、易位(translocation),易位是指两对非同源染色体间某区段的转移。易位的类型易位产生的原因易位的遗传与表型效应易位的应用,易位的类型,相互易位(reciprocaltranslocation)单向易位(simpletranslocation)罗伯逊易位(Robertsoniantranslocation),相互易位,指非同源染色体间相互置换了一段染色体片段。相互易位与基因交换的区别：交

10、换是发生在同源染色体之间，而易位是发生在非同源染色体之间。,b.染色体结构的变异,a.正常染色体,单向易位,一个染色体的某区段结合到另一非同源染色体上。,b.染色体结构的变异,a.正常染色体,罗伯逊易位,也称着丝粒融合。它是由两个非同源的端着丝粒染色体的着丝粒融合，形成一个大的中或亚中着丝粒染色体。,易位产生的原因,断裂非重建性愈合。转座因子的作用。,易位的遗传与表型效应,易位可以改变正常的连锁群位置效应基因重排导致癌基因活化，产生肿瘤。易位可导致动物的繁殖机能和生产性能降低,易位导致肿瘤的发生,1、慢性粒细胞性白血病：t(9：22)2、Burkitt淋巴瘤:8号染色体重排致基因表达的失控t（

11、8；14）（q24；q32）约占75%;t（8；22）（q24；q11）约占16%;t（2；8）（p12；q24）约占9%;,易位的应用,主要应用于动植物的育种。在诱变育种上，人们通过诱发易位，把某一类型或种、属的基因转移过来。例1：将小伞山羊草的抗小麦锈病基因转移到小国春小麦上。例2：将蚕二号染色体上的斑纹基因易位于W染色体上，成为伴性遗传而用于幼虫的性别鉴定。,二、染色体数目的变异,染色体数目的变异是指染色体数目发生不正常的改变。染色体组：在动物细胞染色体中，每一种染色体都有一个相应的大小、形态、结构相同的同源染色体，每一种同源染色体之一构成的一套染色体，称为一个染色体组。一套染色体上带有

12、相应的一套基因，所以，也称为一个基因组(genome)。,NormalHumanKaryotypes,1、整倍体的变异,整倍体(euploid)是指含有完整染色体组的细胞或生物。整倍体的变异是指细胞中整套染色体的增加或减少。整倍体的类型可分为：一倍体(monoploid)、单倍体(haploid)、二倍体(diploid)和多倍体(polyploid)。,概念辨析一倍体和单倍体,含有一个染色体组的细胞或生物称一倍体(x)；含有配子染色体数的生物称单倍体(n)，它具有正常体细胞染色体数的一半。大部分动物单倍体和一倍体是相同的，都含有一个染色体组，x和n可以交替使用。,2、非整倍体的变异,非整倍体

13、是指细胞中含有不完整的染色体组的生物。非整倍体的变异是指在正常染色体(2n)的基础上发生个别染色体的增减现象。常染色体异常：人类的染色体异常中，缺少一条染色体的配子通常是没有受精能力的，多一条染色体的配子虽然可以受精而形成三体，但三体个体绝大多数在胚胎或胎儿期死亡而表现为自发性流产。按变异类型，非整倍体可分为：单体：2n-1缺体：2n-2多体：2n+m,单体：2n-1指二倍体染色体组丢失一条染色体（2n1）的生物个体。如：人类的Turner氏综合征，XO缺体：2n-2指有一对同源染色体全部丢失（2n2）的生物个体。一般是致死的。多体：2n+m指二倍体染色体增加了一个或多个染色体的生物个体的通称

14、。三体2n+1双三体2n+1+1四体2n+2,三体,指多了某一条染色体（2n+1）的生物个体。例如：先天愚形(21三体综合征，Downsyndrome)严重智力低下，生长迟缓；男性不育、女性偶有生育能力。,18三体：Edward综合征核型：47，XX（XY）+18,18三体,性染色体病,1、先天性睾丸发育不全综合征(Klinefeltersyndrome)2、XYY综合征3、性腺发育不全(Turner综合征，Turnersyndrome)4、X三体综合征,1、先天性睾丸发育不全综合征(Klinefeltersyndrome),1942年，Klinefelter首先描述。1959年，Jacob和

15、Strong证实患者核型为47，XXY发病率为1/850男性。男性精神发育不全中为1/100，男性不育中为1/10。,核型：47，XXY,2、XYY综合征,1961年，Sandburg首先描述，核型为47，XYY发病率为0.11。男性身高180cm：1/200；190cm：1/30；200cm：1/10。男性精神病患者中占为3/100患者外表男性，表型大多正常，可生育，但身材特别高大，性格受损，表现为极度不安定和不负责；有暴力倾向，但通常针对财产（盗窃、抢劫、诈骗、放火等），犯罪年龄平均13.1岁。,3、性腺发育不全(Turner综合征，Turnersyndrome),1938年，Turner

16、首先描述。1954年，发现患者的X染色质呈阴性。1959年，Ford证实患者核型为45，X。发病率为1/2,5001/5,000女性。,X单体型：45，X(Turner综合征),Turnersyndrome核型：45，X。X染色质、Y染色质均阴性。原因：父亲形成精子过程，XY染色体不分离。,4、X三体综合征,1959年，Jacob首先描述，核型为47，XXX。发病率为1/1,000女性新生儿。女性精神病患者中占为4/1,000。XXX综合征：47，XXX，卵细胞分裂时，X染色体不分离。多数患者性发育正常，可生育，部分患者性发育幼稚，原发性闭经。X愈多智力发育愈差，身体畸形愈重。,部分染色体整倍

17、体和非整倍体变异类型,嵌合体(geneticmosaic),嵌合体是指含有两种以上染色体数目或类型细胞的个体。将含有雌雄两种细胞类型的称为雌雄嵌合体或两性嵌合体。,第二节基因突变,基因突变(genemutation)是在基因水平上遗传物质中任何可检测的能遗传的改变，不包括遗传重组。按其发生的原因分为自发突变和诱发突变两大类。基因突变既可由放射线所引起，也可由一些化学物质所引起。,不同皮色的老鼠,不同肤色的蛇,不同眼色的果蝇,月季的红花和白花,苹果熟色变异,玉米籽粒颜色突变,基因突变,一、基因突变的类型二、突变产生的时期和频率三、基因突变的一般特征四、突变发生的分子机制五、突变产生的原因,突变及

18、其分类,突变,自发突变,诱发突变,复制错误,化学改变,碱基错配DNA复制跳格,脱嘌呤脱氨基氧化损伤,高能放射作用如紫外线产生胸腺嘧啶二聚体,化学诱变剂,碱基类似物的渗入碱基修饰物插入剂,一、基因突变的类型,自发突变和诱发突变自发突变:没有人工特设的诱发条件下，由于外界环境的自然作用或生物体内生理或生化变化而诱发的突变。诱发突变:人工特设诱发因素而引起的突变。显性突变和隐性突变显性突变：aA；隐性突变：Aa正向突变和回复突变,根据突变引起的表型特征，可将突变分为：,形态突变（morphologicalmutation）是泛指能造成外形改变的突变。例：普通绵羊的四肢有一定的长度，但安康羊（Anco

19、nsheep）的四肢很短，这类突变可在外观上看到，称为可见突变（visiblemutations）,突变引起的表型特征，可将突变分为：,致死突变（lethalmutation）：是指能造成个体死亡的突变。致死突变型又可分为全致死突变型（以上死亡），亚致死突变（50%90%死亡）；半致死突变（10%50%死亡）弱致死突变（10%以下死亡）。显性致死：杂合态即有致死。隐性致死：纯合态才有致死镰刀形贫血症、植物白化基因等,突变引起的表型特征，可将突变分为：,条件致死突变（conditionallethalmutation)：一定条件下表现致死效应，而在其它条件下可以存活的突变。例:噬菌体T4的温度敏

20、感突变型在25时能在E.coli宿主中正常生长，形成噬菌斑，但在42时就不能这样。生化突变（biochemicalmutation)：指没有形态效应，但导致某种特定生化功能改变的突变。例：链孢霉的氨基酸突变型某种氨基酸才能生长,二、突变产生的时期和频率,1突变发生的时期生物个体发育的任何时期中均可发生突变，即，体细胞和性细胞均能发生突变。性细胞的突变率高于体细胞：性细胞在减数分裂末期对外界环境条件的敏感性较大；性细胞发生的突变可以通过受精过程直接传递给后代，而体细胞则不能。突变后的体细胞常竞争不过正常细胞，会受到抑制或最终消失。,2、突变发生的频率,突变率(mutationrate)是指在一定

21、时间内突变可能发生的次数，即突变个体占总观察个体数的比值。在自然条件下，基因突变的频率非常低，高等生物为10-510-8，细菌中为10-410-10。在一定条件下，各种生物、各种基因其自发突变率是相对稳定的，但不同生物、不同基因的突变率有很大差异；诱发突变率因诱发因素和诱发物种的不同而变化很大。,一些生物的自发突变率,人类中某些遗传病的基因突变频率,白化病28x10-6苯丙酮尿症25x10-6血友病27x10-6色盲28x10-6鱼鳞病11x10-6肌肉退化症43x10-6小眼球症5x10-6,三、基因突变的一般特征,1、突变的重演性和可逆性2、突变的多方向性与复等位基因3、突变的有害性和有利

22、性4、突变的平行性,1、突变的重演性,指同种生物的同一基因突变为相同的表型，可以在不同个体间重复出现。例如果蝇的白眼突变就曾发生过多次；20世纪40年代矮腿安康羊在挪威曾重复出现。,2、突变的可逆性,突变的可逆性是指显性基因可以突变为隐性基因，而隐性基因也可以突变为显性基因，前者称为正向突变(forwardmutation)。后者称为反问突变或回复突变(backmutation)。,频率：正突变率反突变率，即uv自然突变多为隐性突变，而隐性突变多为有害突变。,正突变(u),水稻有芒A,无芒a,反突变(v),3、突变的多方向性与复等位基因,突变的多方向性是指一个基因可以突变成它的不同的复等位基因

23、，它们的生理功能和性状表现各不相同。基因突变的方向不定，可多方向发生：如Aa，可以Aa1、a2、a3、等对A都是隐性。同时，a1、a2、a3、之间的生理功能与性状表现各不相同。由于复等位基因的存在，丰富了生物多样性。复等位基因并不存在于同一个体中，而是存在于同一生物群内。如，人类的ABO血型，3个复等位基因IA、IB和i。,4、突变的有害性与有利性,多数事例表明，突变大多数是有害的。某一突变打破基因间固有的平衡关系打乱代谢关系引起程度不同的有害后果一般表现为生育反常或导致死亡。少数的突变能促进和加强某些生命活力，所以是有利的突变。这些突变为生物进化提供了最有利的条件。如：牛有角无角、金鱼突变为

24、艳丽颜色如1943年从自然界分离到的青霉素产生菌的效价只有20单位/毫升,经过一系列的诱变育种后，效价已达40000单位/毫升。,5、突变的平行性,突变的平行性是指亲缘关系相近的物种往往会发生相似的基因突变，由此可在同属不同种，或亲缘属的其他物种中，取期获得相似的突变。如白化和矮化基因。根据突变平行性的存在，如果一个物种或属内发现一些突变类型，可以预期在同种的其他物种或属内也会出现类似的突变，这对人工诱变有一定的参考意义。,四、突变发生的分子机制,基因突变的实质是DNA分子上碱基序列、成分和结构发生了改变，归纳起来有碱基替代(base-pairsubstitution)、移码突变(frames

25、hiftmutation)。,1、碱基替换,替换类型转换（transition）：指DNA分子中一种嘌呤被另一种嘌呤取代，或一种嘧啶被另一种嘧啶取代的方式。AG、TC颠换（transversion）：指DNA分子中的嘌呤碱基被嘧啶碱基替代，或嘧啶碱基被嘌呤碱基取代的方式。AC、GT,遗传效应错义突变：指发生碱基取代后，使基因表达的产物发生改变的基因突变。无义突变：某一碱基取代后也可能产生一种终止密码子，导致多肽链合成不完全，使蛋白质失活或代谢紊乱，这类突变称为无义突变。同义突变：碱基取代后产生的新密码可能仍然决定原来的氨基酸，结果不会改变蛋白质一级结构中氨基酸的种类，这类突变称为同义突变。,如

26、：人血红蛋白链第63位氨基酸的变化,血红蛋白C病,镰刀形,血红蛋白M病,镰状细胞贫血,2、移码突变,移码突变：指一对或少数几对相邻碱基的增加或减少，导致这一位置以后的一系列密码发生移位错误的突变。遗传效应如果插入或缺失的碱基对数正好是3的整数倍，则所表达的多肽链就插入或丢失了某一个或几个氨基酸。若插入或缺失的是一个或两个碱基对，则会使插入或缺失点以后密码的错位，导致合成多肽链中氨基酸序列的改变。如果同时发生插入和缺失的双重突变，且插入和缺失的碱基数目相等，则二者可以相互抑制突变产生的遗传效应，即第二次移码突变能校正第一次移码突变打乱的密码顺序。,缺失：ATCGATATGAT插入：ATCGATA

27、TCGGAT,五、突变产生的原因,1、自发突变：然状况下产生的突变。2、诱发突变：是有机体暴露在诱变剂中引起的遗传物质改变。它通常比自发突变的频率要高。,1、自发突变,DNA复制的错误在DNA复制时可能产生碱基的错配、少量碱基的增加和缺失等。自发的化学变化如：特殊碱基脱嘌呤和脱氨(基)作用，以及氧化作用引起的碱基损伤等。,2、诱发突变,物理因素诱变电离辐射诱变：射线、射线(32P、35S)、中子(60钴、137铯)；电磁波辐射：X射线、射线。原理：基因的化学物质(DNA)发生电离作用。非电离辐射诱变：主要是紫外线(380-15nm)化学因素诱变烷化剂：碱基烷基化、改变碱基形成氢键的能力，从而改

28、变碱基配对关系；碱基类似物：在复制过程中取代碱基渗入DNA分子，但形成氢键的类型不同，改变碱基配对关系；抗生素：阻碍碱基合成或破坏DNA分子结构。,在太空中进行空间诱变是一有效的人工诱变技术。太空中大量存在着各种物理射线可诱发突变，其它如失重、真空、超净、无地球磁场影响以及卫星发射和返回时的剧烈震动等因素也是产生诱变的重要原因。从80年代后期开始，已在水稻、青椒等作物中选育出新品种，同时获得了不少优良突变体。,太空育种,诱发突变的应用,1.提高基因突变率；2.获得更丰富的突变类型；3.改良生物的个别性状。,第三节突变的抑制与DNA的修复,细胞中存在完整的突变抑制及DN修复系统，其作用能降低生物

29、的突变频率，从而保证遗传的稳定性。1.密码子的简并性功能基因编码区的碱基突变多为同义突变（DNA中的碱基突变导致密码子改变，但未改变编码的氨基酸）。2.基因内突变的抑制双移码突变-/+；+/-3.基因间的突变抑制无义、错义和移码突变时的tRNA基因改变，使装配系统氨基酸编码相应改变。,1、DNA的防护机制,.密码的简并性：UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG均为亮氨酸。大部分氨基酸具有2个或2个以上的密码子。.回复突变：正突变野生型突变型回复突变,.抑制.基因间抑制：抑制作用发生在不同的基因间。如：当DNA上某碱基发生了突变，凑巧tRNA上的反密码子也发生了改变，成为野生型。.基因内抑制：抑制作用发生在同一基因内。一个座位上的突变有可能被另一个座位上的突变所