第八章-基因突变

1、第八章 基因突变,第一节 基因突变概说 基因突变(mutation): 基因组DNA分子发生的可遗传的变异。 从分子水平上看，是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变而引起的表型变化的一种改变。,一、突变率 在一个世代中或其他规定的单位时间内，在特定条件下一个细胞发生某一突变的概率。 有性生殖的生物： 一定数目配子中的突变配子所占的比例； 细菌： 一定数目的细胞在分裂一次过程中发生突变细胞的比例。,二、突变的类型,1.自发突变（spontaneous mutation） 在自然条件下发生的突变称为自发突变。 生活环境中的本底辐射、宇宙射线和化学诱变剂等因素的影响作用； 生物体内的自由基，

2、过氧化物造成的碱基的氧化、脱嘌呤、脱氨基等引起的突变。,小麦诱变育种,2.诱发突变（induced mutation） 人工运用物理或化学方法所诱发的突变被称为诱发突变。,三、突变体的表型特征 1.形态突变 2.生化突变 3.致死突变 4.条件致死突变,四、基因突变的一般特点 1.突变的随机性 突变位置的随机性 生殖细胞突变 体细胞突变,牛舌草白色突变,花色体细胞突变,柑桔体细胞突变,苹果体细胞突变,突变的无目的性和不确定性,2.突变的稀有性,3.突变的重演性和可逆性 重演性： 同一生物不同个体，不同世代间可以多次发生同样的突变。,玉米br-2矮生基因（brachtic-2）的主要遗传效应是抑

3、制节间的伸长（对果穗以下的节间抑制尤为明显）。在不同玉米品种中均已发现br-2矮生基因，如： 辽宁的“马圈快”； 山西的“金皇后”； 河南的“武步矮”； 四川的“龙门大心”和“搬不倒” 。,基因突变 的可逆性 正突变 u A a 反突变 v 在多数情况下，即uv,4、多方向性 基因突变的方向是不定的，可以多方向发生。 例如，基因A可以突变为a，也可以突变为a1、a2、a3、等 AA a1a1 a1a1 a2a2 Aa1 a1a2 1AA:2Aa1:1a1a1 1a1a1:2a1a2:1a2a2 复等位基因:位于同一基因位点上的各个等位基因,个体1,个体2,例1 人的ABO血型就是由IA、IB、

4、i 3个复等位基因决定,例2 普通烟草为自花授粉植物；在烟草属中有两个野生种(N. forgationa 和N. alata)表现为自交不亲和性，在这些烟草中发现15个自交不亲和的复等位基因S1、S2、S3、S4等，控制自花授粉的不结实性。具有某一基因的花粉不能在具有同一基因的柱头上萌发，好象同一基因之间存在一种桔抗作用。, 亲缘关系相近物种因遗传基础近似，常发生相似的基因突变。 由于突变平行性的存在，可以考虑一个物种或属所具有突变类型，在近缘物种或属内也可能存在，对人工诱变有一定的参考意义。例如：玉米有高、矮秆变异类型，其它物种如水稻、大麦、高粱和向日葵等同样存在着这些变异类型。,5.突变的

5、平行性:,禾本科部分物种的品种子粒性状的变异,6.基因突变的有害性和有利性 大多数基因的突变，对生物的生长和发育往往是有害的。 甚至导致死亡，这种导致个体死亡的突变，称为致死突变。致死突变最初是在小鼠的毛色遗传中发现的。在黑色鼠中发现一种黄色突变型，但从未获得纯合的黄色个体，具有纯合致死的效应： a（黑） AY（黄） AY AY纯合致死,黄色鼠黄色鼠 黄色鼠黑色鼠 AYa AYa AYa aa 1AYAY : 2AYa :1aa lAYa : 1aa (死亡) 黄色 黑色 黄色 黑色,绿株 WW 突变 绿株 Ww 1 WW: 2 Ww: 1 ww 3绿苗 : 1白苗(死亡),大多数致死突变为隐

6、性致死；也有少数为显性致死，显性致死突变在杂合状态下即可死亡； 致死突变发生在性染色体上，形成为伴性致死； 有些基因仅控制一些次要性状，即使发生突变，也不会影响生物的正常生理活动，这类突变称为中性突变； 少数突变不仅对生物的生命活动无害，反而对它本身有利，例如抗病性，优质，早熟性等有利突变。,基因突变有利与有害的相对性,基因突变的特点: 1.突变的随机性; 2.突变的稀有性; 3.突变的重演性和可逆性; 4.突变的多方向性; 5.突变的平行性; 6.突变的有利性和有害性.,第二节 突变的表现和检出,一、基因突变与性状表现 显性突变和隐性突变 显性突变：由隐性基因突变为显性基因的过程称为显性突变

7、； 隐性突变：由显性基因突变为隐性基因的过程被称为隐性突变。,显性突变 dd 突变 M1 Dd M2 1DD 2Dd 1dd M3 DD 1DD:2Dd:1dd dd,隐性突变 DD 突变 M1 Dd M2 1DD 2Dd 1dd 显性突变表现的早而纯合的慢，隐性突变表现的晚而纯合的快,突变发生的鉴定: 经诱变产生的变异是否属于真实的基因突变，是显性突变还是隐性突变、突变频率的高低，都应进行鉴定。 由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。,二、基因突变的鉴定与检出 (1)变异是否属于真实的基因突变 (2)显性突变还是隐性突变 (3)突变频率,1.植物突

8、变基因的鉴定 例：高秆矮秆，其原因：由基因突变引起；因土壤瘠薄或病虫为害而生长不良等。,鉴定方法：可将矮秆变异株与原始高秆亲本 的后代种植在同一栽培条件下进行比较。 矮秆变异株-？-，则不是突变，矮秆由环境引起。,显性突变和隐性突变的区分，可利用杂交试验加以鉴定。如： 矮秆突变株原始品种（高秆） F1高秆 F2有高秆、也有矮秆，,突变显、隐性的鉴定,原高秆突变体矮 全矮秆 高秆、矮秆分离 不分离 高矮分离,突变频率的测定 利用花粉直感现象 X susu SuSu 2/20000为甜粒 一般测定突变率的方法是根据M2出现的突变体占观察总个体数的比例来估算的。 如，在M2的10万个观察个体数中出现

9、5个突变体，表示突变频率为0.5/10000,稻、麦等谷类作物有分蘖存在，经过种子处理后生长的植株，其体细胞突变往往只发生于一个分蘖的幼芽或幼穗原始 体，因而只影响一个 穗子，甚至其中少数 籽粒，应分株、分穗 收获，应以单穗或籽 粒作为估算单位,2.果蝇突变的检出 （1）Muller-5技术检出X染色体上的隐性突变 Muller-5品系: X染色体上带有棒眼基因(B)和杏色眼基因(Wa)，同时具有倒位。,（2）果蝇常染色体上基因突变的检出 平衡致死法 平衡致死品系 + s cy + + s + s cy + + s cy + cy +,1基本培养基：野生型可以生长。水 + 无机盐（硫酸盐、硝酸

10、盐等）+ 糖类（葡萄糖或蔗糖）+微量生物素。 2完全培养基：各种突变型可以生长。基本培养基 + 多种氨基酸 + 多种维生素。 3红色面包霉的突变型： 红色面包霉 合成生活所需物质一系列生化过程由一定的基因所控制。 只要综合分析大量的生化突变资料阐明有关基因的功能及其作用。,微生物突变型的检出,红色面包霉的生化突变型 突变型a: 提供精氨酸才能正常生长，否则就不能合成蛋白质。这说明它丧失了合成精氨酸的能力。 突变型c: 在有精氨酸的条件下能够正常生长，但不给精氨酸而只给瓜氨酸也能生长。这说明它能利用瓜氨酸合成精氨酸。 突变型o: 在有精氨酸或瓜氨酸的条件下能够正常生长；但不给这两种物质，而只给鸟

11、氨酸也能生长。这说明它能利用鸟氨酸最终合成精氨酸。 推测精氨酸的合成步骤与基因的关系 ？,推测精氨酸的合成步骤与基因的关系大致为: O C A 鸟氨酸瓜氨酸精氨酸蛋白质 其中任何一个基因发生突变，精氨酸都不会合成,红色面包霉生化突变的鉴定方法 1.诱发突变： 以X射线或紫外线照射纯型的分生孢子诱发突变。 纯型分生孢子 X射线处理 处理后的分生孢子与野生型交配 子囊孢子分离 分别置于完全培养基里生长 产生菌丝和分生孢子。,2鉴定突变： 鉴定突变是否发生： 从完全培养基上生长分别取出分生孢子 置于基本培养基生长。 能生长：未发生突变； 不能生长：则表示已发生突变。 鉴定突变属于何种突变： 从完全培

12、养基中取出突变型材料 分别培养在几种不同培养基内 明确发生突变的基因。,现已鉴定几百个生化突变型，它们分别控制着各种维生素、氨基酸、嘧啶、嘌呤等的合成。 基因通过一系列生化过程来控制性状的表现，并不是基因直接作用于性状。,4.动物与人类基因突变的鉴定 动物基因突变的鉴定应用交配的方法来鉴定。 人类基因突变的检出是比较复杂的，而且不易鉴定，主要靠家系分析和出生调查。,隐性突变难以检出：因为常染色体上隐性性状的出现，很可能是两个杂合体婚配的结果，而非基因突变所产生。 显性突变较易检出：前提是遗传方式规则，如果发现一个人有显性突变性状，而其父母是正常的，就可能是一个新的突变。, , 一个上睑下垂显性

13、突变的家系分析,三、现代分子生物学方法基因突变检出 1、非测序法检出突变 1）SOUTHERN检测 2）RFLP分析阐明突变 3）变性凝胶电泳 4）核糖核酸酶A切割法 5）生物芯片法 2、测序法 PCR结合DNA测序 3、蛋白质电泳检测,（1）Southern检测基因突变 检测对象 染色体畸变：缺失、易位等生物体; 检测方法： 用标记的DNA去杂交检测对象的DNA ，突变则杂交无信号。,（2）RFLP,（3）变性梯度凝胶电泳 变性梯度凝胶电泳（denatured gradient gel electrophoresis，DGGE）最初是Lerman 等人于20 世纪80 年代初期发明的，起初主

14、要用来检测DNA 片段中的点突变。Muyzer 等人在1993 年首次将其应用于微生物群落结构研究 。后来又发展出其衍生技术，温度梯度凝胶电泳（temperature gradient gel electrophoresis，TGGE）。此后十年间，该技术被广泛用于微生物分子生态学研究的各个领域，目前已经发展成为研究微生物群落结构的主要分子生物学方法之一。,（4）核糖核酸酶法,当基因的突变部位和性质已完全明了时，可以合成等基因特异的寡核苷酸探针（allele-specific oligonucleotide,ASO）用同位素或非同位素标记进行诊断。 探针通常为长20bp左右的核苷酸。用于探测点

15、突变时一般需要合成两种探针，一种与正常基因序列完全一致，能与之稳定地杂交，但不能与突变基因序列杂交；另一种与突变基因序列一致，能与突变基因序列稳定杂交，但不能与正常基因序列稳定杂交，这样，就可以把只有一个碱基发生了突变的基因区别开来. PCR可结合ASO，即PCRASO技术，即先将含有突变点的基因有关片段进行体外扩增，然后再与ASO探针作点杂交，这样大大简化了方法，节约了时间，而且只要极少量的基因组DNA就可进行。,第三节 基因突变的分子基础,一、突变的分子基础 1.碱基替换 碱基替换：一个碱基对被另一个碱基对替换造成的DNA水平上的改变方式。它有转换和颠换两种形式。 转换：嘌呤被嘌呤替换，或

16、者嘧啶被嘧啶替换的DNA错配方式。 颠换:嘧啶被嘌呤替换，或者嘌呤被嘧啶替换的DNA错配方式。,(1) 同义突变(same sense mutation) (2) 错义突变(missense mutation) (3) 无义突变(nonsense mutation) (4)终止密码突变(termination codon mutation),2.移码突变： 增加或减少一至几对碱基所造成的突变，是蛋白水平上的突变。 碱基的缺失、插入 GAA GAA GAA GAA GGA AGA AGA AGA A,移码突变,酪 精 丝 酪 精 亮 甘,酪 缬 亮 谷酰 天酰 甘,3.动态突变（dynamic

17、mutation）,DNA序列中由于寡核苷酸拷贝数目的变化，引起生物表型改变的突变，称为动态突变。动态突变通常是由三联体密码子重复数目的增加而形成的。 X脆性染色体综合症是由于在X染色体P27.3位置上CGG拷贝数目增加到200以上，引起基因的改变，形成痕迹很重的染色体，突变的部分很容易被打断，所以被称为是脆性染色体。,脆性X综合征 (CGG)n n = 6 46； 正常人群 n = 60 200； 无临床症状的携带者 n = 200 230； 有临床症状的患者,脆性位点是染色体上在特殊条件下易断裂的位点，可能为收缩或缝隙。在人类染色体上已发现一系列的脆性位点。其中研究最详尽的位于X 染色体上

18、，目前发现其与智障有关。脆性X综合症为X连锁遗传，出现几率在男婴中为1/2500，主要成因可能是因为CGG三核苷片段重复数目的变化。,三联体密码子的重复与疾病,疾 病 密码子 正常拷贝 患者拷贝 脊髓肌肉萎缩症 CAG(gln) 11-33 40-62 亨廷顿症 CAG(gln) 11-34 42-100 X脆性染色体 CGG(arg) 6-54 250-4000 强直型肌营养不良 CTG(leu) 7-23 49-75 小脑共济失调 CAG(glu) 4-18 40-200,4.缺失和重复 超出几个碱基对的大片段的缺失或重复也是基因突变的原因。 大片段的缺失很难通过回复突变恢复成野生型； 大

19、片段的重复可以通过回复突变恢复成野生型，而且回复突变率很高。,二、自发突变的分子基础 1.DNA复制错误 2.自发的化学损伤 3.其他因素的自发突变,1.脱嘌呤（常见）：由于碱基或脱氧核糖间的糖苷键受到破坏，从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从DNA分子上脱落下来的现象被称为脱嘌呤； 2.脱氨基：胞嘧啶脱氨基变为尿嘧啶。未经校正的尿嘧啶会在复制中和腺嘌呤配对，结果形成由G-C到A-T的转换； 3.氧化性损伤碱基：超氧化物对DNA前体或DNA分子造成氧化损伤，引起突变的过程。,自然条件下各种动、植物发生基因 突变频率不高，可保持生物种性的相对 稳定性。但不利于动、植物育种。 穆勒和斯特德勒（1927）用

20、X射线研究人工诱变， 证实人工诱发基因突变可以大大提高突变率。,穆勒,变异,人工变异,自然变异,分子生物技术：目标基因生物技术受体品种,人工诱变：基因诱变技术新性状品种,人工杂交:亲本杂交技术性状重组品种,三、诱发突变 （一）物理性诱发突变 1、电离辐射 粒子辐射- 、中子 电磁辐射-、X 电离作用基因分子结构改组基因突变 辐射剂量：单位质量被照射的物质所吸收的能量数值。基因突变频率与辐射剂量成正比，但不受辐射强度的影响,地下部形态特征的鉴定,CK Mutant,其它还有激光、电子和微波、射线（一般不用，电离程度很大，内照射很危险）等。,室外活体辐照圃,室内辐照源,辐照源置于井下水中保存,外照

21、射：辐射源与接受照射的物体间保持一定距离，让射线从物体之外透入体内诱发基因突变。 内照射：一般采用浸泡或注射法使辐射源渗入生物体内在体内放出射线（如）进行诱变。,基因突变率与辐射剂量成正比提高总剂量可提高突变率但过高剂量会引起不育、畸形、叶绿体突变率增加、甚至植株死亡等问题。 基因突变率一般不受辐射强度的影响照射总剂量不变时，不管单位时间所照射的剂量多少、其基因突变率保持不变。,2、非电离辐射 UV,形成 紫外线诱变的最 有效的波长为 260nm左右，而 这个波长正是DNA 所吸收的紫外线 波长,主要是紫外线照射，其波长较长（3800150）、穿透力 弱，一般应用于微生物或高等生物的配子诱变。

22、 紫外线诱变的最有效波长为2600（DNA所吸收的紫外波长）紫外线直接诱变作用在于被DNA吸收促使分子结构发生离析、进而引起突变。, 紫外线间接诱变作用：紫外线照射培养基培养微生物提高微生物的突变率。原因：紫外线照射培养基会产生H2O2作用于氨基酸而导致微生物突变。,辐射诱变可以直接作用于基因本身，也可通过改变环境间接地起诱变作用。,胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚体,紫外线（UV）： 主要作用于嘧啶，使得同链上邻近的嘧啶核苷酸间 形成多价的联合。 使T联合成二聚体。 C脱氨成U； 将H2O加到嘧啶的C4、C5位置上成为光产物，削弱 G - C之间的氢键，使DNA链发生局部分离或变性。,在太空中进

23、行空间诱变是一项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、超净、无地球磁场影响以及卫星发射和返回时剧烈 震动等因素也是产生诱变的重要原因。 上述诱变因素的共同作用也会影响诱变效果。,3、综合效应诱变：,目前国外主要侧重研究突变体生理生化和诱变机理， 国内主要研究形态学和新品种的选育。 我国已在水稻、青椒、辣椒等作物中选育出新品种， 获得不少优良突变体。,物理诱变因素作用机理： 1.使细胞内染色体或DNA被射解，产生电离和激发。 2.水分子被射解，所形成的自由基与细胞中溶解的氧反应生成过氧基，可引起细胞结构，遗传物质及功能的变化。 物理诱变剂的特点： 1、诱变剂

24、有剂量效果； 2、具随机性，无定向性。,(二)化学因素诱变 电离辐射的诱变作用是随机的，是不存在特异性的。化学药物的诱变作用与电离辐射不同，某些化学药物的诱变作用有特异性：烷化剂、碱基类似物、抗生素等,化学因素诱变的历史较晚： Auerbach 和Robson（1941）第一次发现芥子气可以诱发基因突变； Oehlkers（1943）第一次发现氨基甲酸乙酯（NH2COOC2H5）可诱发染色体结构变异。 化学药物的诱变作用与电离辐射不同，某些化学药物的诱变作用具有一定的特异性。,一定性质的药物可以诱发特定类型变异利用化学药物进行定向诱变。,1. 妨碍DNA某一成分的合成，引起DNA变化： 妨碍合

25、成嘧啶：5-氨基尿嘧啶、8-乙氧基咖啡碱； 妨碍嘌呤合成：6-巯基嘌呤。,2. 碱基类似物替换： 如5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-溴去氧尿核苷（5-BudR）、 2-氨基嘌吟（2-AP）。 诱变原理：化学药物分子结构与DNA碱基相似，在不妨碍基因复制的情况下能渗入到基因分子中。在DNA复制时引起碱基配对差错，最终导致碱基对替换，引起突变。,. 亚硝酸（HNO2）：氧化脱氨作用以氧代替A和C在C6 位置上的氨基。,3.直接改变DNA某些特定的结构： DNA诱变剂：与DNA起化学反应并改变碱基氢键特性的物质。,诱变原理： EMS、MMS等烷化剂都带有1个或多个活泼的烷基， 这些烷基能够加入碱基的许多位置形成烷基化碱基， 改变氢键的结合能力。,.羟胺： 只与胞嘧啶（C）起作用，使胞嘧啶C6位置上氨基羟化 变成类似于T（胸腺嘧啶）的结合特性，DNA复制时与A（腺嘌呤）配对形成GC与AT的转换。,胞嘧啶羟氨胞嘧啶腺嘌呤,4.引起DNA复制的错误： 诱变剂：2-氨基吖啶、吖啶橙、ICR-170等。 能嵌入DNA双链中的碱基之间，引起单一核酸的缺失 或插入，造成突变。,5.抗生素： 如重氮丝氨酸、链霉素和丝裂霉素C等。 抗生素的诱变作用：破坏基因分子结构造成染色体断裂 而引起突变。,Perov等用链霉素诱导出玉米细胞质雄性不育（CMS）。 Burton和