第四章 基因突变.ppt

1、第四章 基因突变,本章内容： 突变的概念 突变类型 突变体形成,1,突变（Mutation）：突变泛指细胞内（或病毒颗粒内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，突变是一种遗传状态，往往导致产生新的基因及新的表现型。 突变体：带有突变基因的细胞或个体 突变型：突变体的基因型或表型称为突变型，和其相对的原存在状态称为野生型。,2,第一节 突变类型,一、按突变发生原因分类 自发突变(spontaneous mutagenesis) ：未经任何人为的处理而自然地发生的突变，称为自发突变。 诱发突变(induced mutagenesis) ：由人们有意识地利用物理或化学手段引起的突变称为诱

2、发突变。 诱发突变的频率要远远高于自发突变频率,4,二、按变化范围分突变类型突变的分子机制,突变可以发生在染色体水平或基因水平，发生在染色体水平的突变称为染色体畸变（chromosomal aberrztion）；发生在基因水平的突变称为基因突变(gene mutation)。,5,染色体畸变（chromosome aberration), 染色体数目的变化或染色体结构发生较大片段的异常改变。 染色体数目的变化 整倍体(euploidy)：含有完整的染色体组 单倍体（ n ）：haploid 二倍体（2n）：diploid 三倍体（3n）：triploid 四倍体（4n）：tetraploid

3、,6,非整倍体 aneuploidy：含有不完整状态的染色体组，一般是指二倍体中成对染色体成员的增加或减少。 单体（二倍减一，monosomic diploid): 2n-1 缺体（二倍减二，nullisomic dilpoid): 2n-2 三体（二倍加一，trisomic diploid): 2n+1 四体（二倍加二，tetrasomic diploid): 2n+2 双二倍加一（double trisomic）: 2n+1+ 1 部分二倍体（merodiploid）：细菌等原核生物中由一整条染色体和外来的一个染色体片段所构成的不完整二倍,7,染色体结构的变化,染色体结构的改变，多数是染色

4、体或染色单体遭到巨大损伤产生断裂，而断裂的数目、位置、断裂端连接方式等造成不同的突变 包括染色体缺失、重复、倒位和易位等 涉及到DNA分子上较大范围的变化，往往会涉及到多个基因。,8,b f,a-缺失,b-重复,c-倒位,d-相互易位,常见的几种染色体畸变及其减数分裂前期的染色体图像,9,染色体结构的变化,缺失 deficiency ：是染色体片段的丢失。 重复 repetition ：是染色体片段的二次出现。 倒位 inversion：是指染色体的片段发生了180的位置颠倒 易位 translocation ：是指一个染色体的一个片段连接到另一个非同源染色体上。 相互易位 reciproca

5、l translocation：两个非同源染色体间相互交换一部分。,11,基因突变（gene mutation）,基因突变：是指一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对核苷酸的缺失、插入或置换，分为碱基置换和移码突变。 染色体局部座位内的变化 点突变point mutation ：单碱基对的置换 突变发生在一个基因范围内。 多位点突变：突变超出一个基因范围。,12,碱基置换 base pair substitution,DNA链上一个碱基对为另一碱基对所取代叫碱基置换 转换 transition ：DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被另一个嘌呤（嘧啶）所置换。 颠换 transv

6、ersion：DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被一个嘧啶（嘌呤）所置换。,13,13,移码突变 frameshift mutation,在DNA序列中由于一对或少数几对核苷酸的插入或缺失，而使其后全部遗传密码的阅读框架发生移动，进而引起转录和转译错误的突变叫移码突变。 一般只引起一个基因的表达出现错误。,14,15,三、按突变是否引起遗传编码特性的改变分类,一类是引起遗传性状改变 ： 错义突变（missense mutation），无义突变（nonsense mutation）和移码突变 一类是不改变遗传性状的突变 同义突变（synonymy mutation）和沉默突变（silent mutati

7、on）。,16,遗传学效应 错义突变 missense mutation：突变后的密码子编码另一种氨基酸。个别碱基的改变导致多肽链上某个氨基酸为另一种氨基酸所取代。 例：GAT突变为CAT，编码的氨基酸由亮氨酸变成缬氨酸。 无义突变 nonsense mutation：突变后的密码子变为终止密码。 例：ACC突变为ATC,编码的氨基酸由色氨酸变为终止密码子,17,18,同义/沉默突变 silent mutation：突变后的密码子编码的仍是同一种氨基酸。（碱基序列发生改变而氨基酸序列未发生改变的突变称为同义/沉默突变）。 例：TAA突变为ATG，两者都编码异亮氨酸。 同义突变的发生是由于遗传密

8、码的简并性。 同义突变和沉默突变不会导致编码特性的改变，但往往会引起限制酶切割位点的变化，造成DNA限制片段长度的多态性。,19,20,四、按突变的表型变化效应分类,野生型 wild type：表现该物种正常表型的生物。 突变型 mutant：由于突变导致其正常的表型发生了改变的生物。 形态突变型morphological mutant ：引起细胞个体形态和菌落形态发生改变的突变型。是一种可见突变。 包括细菌鞭毛、芽孢、荚膜的有无，霉菌或放线菌的孢子的有无或颜色变化，菌落的大小，菌落表面的光滑、粗糙，以及噬菌体的大小或清晰度等的突变。,生化突变型：不管是形态突变、营养突变、条件致死突变或致死突

9、变，都是以生物化学为基础，是相应酶的结构活性改变，引起生化代谢的变化，所以突变型都可以认为是生化突变。 其中最典型的是营养缺陷型（auxotrophic mutant）：它从野生型基因突变形成。其特点是由于突变而失去合成某种代谢物质的能力，如氨基酸、维生素等。 归入生化突变型的还有糖类分解发酵突变株，色素形成突变株及有益代谢产物生产能力突变株。,条件致死突变型 conditional lethal mutation： 是一类遗传学分析最有用的突变性，它们的生命分界线由某种条件决定。这种突变体在允许条件下存活，在限制条件下致死。 其中应用得最广的是温度敏感突变型。,致死突变型 lethal mu

10、tant： 由于基因突变造成个体死亡的突变型。 杂合状态的显性致死和纯合状态的隐性致死都导致个体的死亡,抗性突变型 resistant mutant： 是最为常见的一种突变，它包括抗药突变、抗噬菌体突变、抗高温突变及抗辐射突变等。 使相当数量的细菌群体生活在含有一定浓度的抗性因子环境中，其中敏感菌将大量死亡，仅有极少量的细菌能够存活并且继续生长繁殖，这就是抗性突变体。,这种突变株的产生，究竟是因为细菌和抗性因子之间长期接触得到“驯化”，还是因为细菌本来就具有这种抗性突变基因呢？,24,1）波动实验 2）涂布实验 3）影印培养实验,在1943年之前，一直是人们争论未决的问题。次后一些科学家完成了

11、这方面的研究，如抗噬菌体的波动试验和涂布试验，抗链霉素的影印试验等。这些实验所得出的信服可靠的结论终于解答了这个问题。,25,波动实验fluctuation test,26,E.coli B 抗噬菌体a的波动测验结果,27,涂布实验,28,影印培养replica plating实验,第二节 突变体的形成,基因突变是微生物育种的基础。基因突变的结果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，这种突变形成的性状会遗传给后代，发育成为新的遗传型个体。 基因突变遵循以下的一般规律，即突变具有自发性、稀有性、随机性、独立性、可诱发性、可遗传性、可逆性。 某些化学、物理因素能诱发基因突变，并

12、且通过进一步处理又可引起突变基因回复。突变是可逆转的，突变的发生并不一定意味着突变体的产生及性状的改变。,由突变到突变体的 形成是经历一个复杂的生物学过程。因此，直到今天，人们还不能完全定向控制诱发突变后获得的突变个体的性状。,30,一些细菌的抗药性基因的突变率,31,突变生成过程,32,（一）诱变剂接触DNA分子之前,细胞的透性影响诱变剂的诱变效应 当化学诱变剂处理微生物细胞时，首先和细胞充分接触，通过扩散作用诱变物质穿过细胞壁、膜及细胞质，才能达到核质体，与DNA接触。 前诱变剂在细胞质的作用下会转化成诱变剂 诱变剂透过细胞壁后还要穿过细胞质，这个过程诱变剂也会发生一些化学变化，受到各种因

13、素的影响，如亚硝酸和蛋白质或游离氨基酸起反应，使它们氧化脱去氨基，以此影响诱变效应。,一、突变体的形成过程,33,（二）突变发生过程,诱变剂和DNA接触后能否发生基因突变，与DNA是否处在复制状态有密切关系。而DNA复制活跃程度与某些营养条件和细胞生理状态有关。 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12h，用亚硝基胍进行诱发回复突变，其诱变效应显著下降。反之，如补给所缺的氨基酸，则频率提高。诱发效应上升的先后次序是精氨酸、丝氨酸、脯氨酸。这些顺序与各个基因在DNA上的排列次序是相吻合的。这被解释为DNA在染色体上的复制由某一位点开始逐步向前，亚硝基

14、胍最有效的诱变作用正好发生在复制的那个位置。,又如，大肠杆菌的-半乳糖苷酶结构基因Z的诱发效应，与培养基中加诱导物和不加诱导物有关。加诱导物以后，用亚硝基胍、硫酸二乙酯和甲基硫酸乙酯等诱变剂处理，它们的诱变效应比不加诱导物的高68倍。认为这一现象可能由于DNA转录时双链解开，使以上诱变剂的诱变效果处于最为有利的状态。 但如果用X射线、5-溴尿嘧啶、2-氨基嘌呤等诱变剂来进行处理时，则是否加诱导物对诱变效果没有什么影响，这表明不同性质的诱变剂和DNA双链的构形对突变都会有影响。,从诱变剂进入细胞，到突变发生，会受到多种酶的作用和影响。很多实验证明，在酶的作用下，有的诱变剂诱变作用加强了，有的却减

15、弱了，有的甚至完全变成另一种物质。显而易见，在诱变剂进入细胞后，那些对酶的活性和作用有影响的物质及培养条件都将间接地影响诱变剂的诱变效应。,35,（三）突变体的形成 诱变剂和DNA接触后发生化学反应，继而使DNA上的碱基发生变化，产生突变。但是从突变到突变体的形成要经过相当复杂的过程，并且不是所有的突变都能形成突变体。当一个突变发生后，要经过复制，才能成为突变体。在复制前后过程中，生物细胞有一整套修复系统进行修补，还有某些校正机能的作用以及细胞中一系列酶的反应，都有可能使突变了的DNA结构复原，以保证遗传物质的相对稳定和生物自身准确地繁殖后代。,36,二、突变的修复,DNA分子要求保持高度的精

16、确性和完整性 保障DNA安全的修复系统 纠正偶然的复制错误：如：DNA多聚酶35的校读功能、糖基酶修复系统等 DNA分子损伤的系统 ：如光复活修复系统、切除修复系统、重组修复系统、SOS修复系统,37,（一）复制错误修复,1DNA多聚酶的校读功能,DNA聚合酶的35 核酸外切酶活性,38,2N-糖基酶修复系统 N-糖基酶（N-glycosylases） 作用：专一识别 DNA分子中的非标准碱基和碱基的衍生物。 例：尿嘧啶-N-糖基酶系统修复机制 参与的酶 尿嘧啶N-糖基酶、AP限制性内切酶、核酸外切酶、DNA聚合酶Pol I、DNA连接酶。,39,尿嘧啶-N-糖基酶系统的修复过程,3.错配修复

17、（mismatch repair）,识别错配的碱基对； 对错配的一对碱基要能准确区别哪一个是错的，哪一个是对的； 切除错误的碱基，并进行修复合成。,41,（二）损伤修复 （T=T）,1光复活（photoreactivation）（又称光修复） 光复活作用：指细菌在紫外线照射后立即用可见光照射，可以显著地增加细菌的存活率，降低突变率。 光修复机制只作用于紫外线照射所形成的损伤 修复机制：光复活酶（photo-reactivating enzyme，PR酶），催化嘧啶二聚体分解成为单体,42,光复活作用,43,2切除修复(excision repair) 暗修复（ Uvr修复系统 ） 是细胞的主要

18、修复系统，发生在DNA复制之前，是对模板的修复。 一种多步骤的酶反应过程：限制性内切酶、核酸外切酶、DNA聚合酶以及连接酶的协同作用 结果：使损伤的DNA分子恢复正常 修复过程： 切 补 切 封,44,UvrABC限制性内切酶切除修复系统,45,限制性内切酶 E. coli的修复内切酶由三种亚基构成：UvrA、UvrB、UvrC； 限制性内切酶UvrABC能修复不同类型的损伤； 它识别的是DNA某一部位缺少正常的形状如：胸腺嘧啶二聚体引起DNA双螺旋的变形。,Uvr系统负责切除大量的胸腺嘧啶二聚体,46,3重组修复recombination repair（Rec修复系统）,是一种越过损伤而进行的修复 不将损伤碱基除去，而是通过复制后，经染色体交换，使子链上的空隙部位不再正对T=T，而是面对正常的单链。 留在模板链上的二聚体：切除修复加以除去，或经细胞分裂而稀释,47,复制后重组修复机制 重组修复,4.SOS修复系统,Jeam Weigle 等发现 UV 感染 细菌(用UV照射过) 存活率高 噬菌体 细菌(UV未照射过) 存活率低 UV-复活（UV-reactivation