基因突變與人工創(chuàng)造突變體

1、不同皮色的老鼠各種白化動(dòng)物11.1 基因突變的一般特征11.2 基因突變與性狀表現(xiàn)11.3 基因突變的鑒定11.4 動(dòng)態(tài)突變11.5 基因突變的分子基礎(chǔ)11.6 人工創(chuàng)造突變體第十一章 基因突變與人工創(chuàng)造突變體孟德?tīng)栠z傳以及連鎖遺傳中論述的可遺傳變異均是由于基因重組的結(jié)果，不是基因本身發(fā)生了質(zhì)的變化。如：黃子葉、園粒 綠子葉、皺粒 黃、園，黃、皺，綠、園，綠、皺本章討論染色體上基因發(fā)生改變。11.1 基因突變的一般特征基因突變的概念自發(fā)突變的隨機(jī)性和不定向性基因突變的可逆性和重演性基因突變的多方向性和復(fù)等位基因基因突變的有害性和有利性基因突變的平行性突變的概念基因突變：（gene mutati

2、on）是指基因的核苷酸序列（包括編碼序列及其調(diào)控序列）發(fā)生了改變。De Vries首先提出“突變” 一詞1910年Morgan TH 首先在果蠅中發(fā)現(xiàn)基因突變1927年Muller HJ首次用X射線誘發(fā)了基因突變 突變體（mutant）或稱突變型。帶有突變（或改變的）基因的細(xì)胞或個(gè)體。突變率（mutation rate）的估算突變率的估算因生物生殖方式而不同： 有性生殖的生物：用每一配子發(fā)生突變的概率，即用一定數(shù)目配子中的突變配子數(shù)表示。 高等生物中的自發(fā)突變率一般為10-10-10-5，即在10萬(wàn)到1億個(gè)配子中可能有一個(gè)突變發(fā)生。玉米、果蠅、人：自發(fā)突變率為10-6-10-5，即在十萬(wàn)至一百

3、萬(wàn)個(gè)配子中只有一個(gè)發(fā)生突變，可見(jiàn)自然突變的頻率很低。老鼠：自發(fā)突變率10-5-10-4無(wú)性繁殖的細(xì)菌。用每一細(xì)胞世代中每一細(xì)菌發(fā)生突變的概率，即用一定數(shù)目的細(xì)菌在分裂一次過(guò)程中發(fā)生突變的次數(shù)表示。 舉例：大腸桿菌 鏈霉素抗性基因strR為410-10 乳糖發(fā)酵基因lac-為210-7 病毒與細(xì)菌基因平均自發(fā)突變率為10-8基因突變的時(shí)期 時(shí)期 在任何時(shí)期都可發(fā)生，即體細(xì)胞和性細(xì)胞都能發(fā)生突變?；蛲蛔兺ǔＪ仟?dú)立發(fā)生的。 體細(xì)胞和性細(xì)胞突變頻率 性細(xì)胞的突變頻率比體細(xì)胞高，這是因?yàn)樾约?xì)胞在減數(shù)分裂末期對(duì)外界環(huán)境條件具有較大的敏感性。 性細(xì)胞和體細(xì)胞突變的傳遞與表現(xiàn) 性細(xì)胞 如果是顯性突變aaAa

4、，可通過(guò)受精過(guò)程傳遞給后代，并立即表現(xiàn)出來(lái)。 如果是隱性突變AAAa，當(dāng)代不表現(xiàn)，只有等到第二代突變基因處于純合狀態(tài)才能表現(xiàn)出來(lái)。 體細(xì)胞 顯性突變，當(dāng)代表現(xiàn)，同原來(lái)性狀并存，形成嵌合體。突變?cè)皆纾秶酱?，反之越小。果?shù)上許多“芽變”就是體細(xì)胞突變引起的，一旦發(fā)現(xiàn)要及時(shí)扦插、嫁接或組培加以繁殖保留?！把孔儭痹谟N上很重要，有不少新品種是通過(guò)芽變選育出來(lái)的，如溫州早桔就是源于溫州密桔的芽變。一、基因突變具有隨機(jī)性和不定向性自發(fā)突變 自發(fā)突變（spontaneous mutation）是在無(wú)人工干預(yù)條件下，自然發(fā)生的基因突變。 自發(fā)突變具有不定向而且是隨機(jī)發(fā)生的特征。突變是不定向的，隨機(jī)的，只有

5、選擇才是定向的，群體中某基因的定向改變是由特定的選擇因素的作用造成的，并非生物體的定向變異的結(jié)果。例如，細(xì)菌的抗性突變與所接觸的抗生素藥物或噬菌體無(wú)關(guān)，藥物或噬菌體只是以一種自發(fā)突變體的選擇因子在起作用。二、突變的重演性和可逆性 重演性 同一突變可以在同種生物的不同個(gè)體間多次發(fā)生，稱突變的重演性。下表列舉玉米子粒的7個(gè)基因的前6個(gè)在多次試驗(yàn)中都出現(xiàn)過(guò)類似的突變。 野生型wild type 突變型mutant 可逆性正向突變Forword mutation回復(fù)突變Back mutation正反突變的頻率不一，一般正向回復(fù), 這是因?yàn)橐粋€(gè)正常野生型的基因內(nèi)部許多位點(diǎn)上的分子結(jié)構(gòu)，都可能發(fā)生改變而導(dǎo)

6、致基因突變；但是一個(gè)突變基因內(nèi)部卻只有那個(gè)被改變了的結(jié)構(gòu)恢復(fù)原狀，才是真正意義上的回復(fù)突變。 三、突變的多方向性和復(fù)等位基因 多方向性 Aa， Aa1， Aa2， 復(fù)等位基因multiple alleles 定義：位于同一基因座位上的3個(gè)或3個(gè)以上的基因稱為復(fù)等位基因。如上，A、a1、a2、an彼此組成一對(duì)等位基因，它們?nèi)w組成復(fù)等位基因。復(fù)等位基因存在于同一類型的不同個(gè)體里 如AA，Aa1，a2 a3， aman 舉例：煙草自交不親和性有15個(gè)復(fù)等位基因， S1 S2 S15 四、突變的有害性和有利性 有害性 大多數(shù)是有害的 致死突變 lethal mutation 例： 植物的白化突變 綠

7、株WW 綠株Ww 1WW:2Ww:1ww 3綠苗:1白苗(死亡) 多數(shù)為隱性致死（recessive lethal），也有少數(shù)顯性致死（dominant lethal）。 伴性致死（sex-linked lethal） 即致死突變發(fā)生在性染色體上。 中性突變 neutral mutation 控制一些次要性狀基因，即使發(fā)生突變，也不會(huì)影響生物的正常生理活動(dòng)，因而仍能保持其正常的生活力和繁殖力，為自然選擇保留下來(lái)。稱為中性突變，如水稻芒的有無(wú)、籽粒顏色等。突變的有害有利性的相對(duì)性 突變的有害性是相對(duì)的，在一定條件下可以轉(zhuǎn)化，如矮桿突變體：剛開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)在群體中呈劣勢(shì)；但育成品種后在高肥、多風(fēng)條件下

8、種植則具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)昆蟲(chóng)殘翅突變體：一般條件下有害突變；在多風(fēng)海島卻可避免被颶風(fēng)刮走而利于生存 五、突變的平行性 定義 親緣關(guān)系相近的物種因遺傳基礎(chǔ)比較近似，往往發(fā)生相似的基因突變，稱突變的平行性。 意義 當(dāng)了解到一個(gè)物種或?qū)賰?nèi)具有那些變異類型，就能預(yù)見(jiàn)近緣的其他物種或?qū)僖餐瑯哟嬖谙嗨频淖儺愵愋汀?1.2 基因突變與性狀表現(xiàn)一、顯性突變和隱性突變的表現(xiàn) 顯性突變 表現(xiàn)早純合慢，當(dāng)代（第一代）就能表現(xiàn)，第二代能純合，而檢出純合突變體則需到第三代，如圖。 顯性突變的表現(xiàn) dd 第1代（M1） Dd 第2代（M2） 1DD：2Dd: 1dd 第3代（M3） DD 1DD:2Dd:1dd dd自交自交突

9、變發(fā)生 體細(xì)胞顯性突變，當(dāng)代以嵌合體表現(xiàn)，要選出純合體，須通過(guò)有性繁殖自交兩代。 隱性突變 表現(xiàn)得晚純合快，第二代表現(xiàn)，第二代純合，檢出在第二代。 隱性突變的表現(xiàn) DD 第1代（M1） Dd 第2代（M2） 1DD：2Dd: 1dd自交突變發(fā)生 體細(xì)胞隱性突變，當(dāng)代不表現(xiàn)，要使其表現(xiàn)只需有性繁殖自交一代。 突變的表現(xiàn)與植物繁殖方式 自花授粉作物，只要自交即可分離出來(lái)，異花授粉作物，要進(jìn)行人工自交或互交 ，否則長(zhǎng)期保持異質(zhì)。 二、大突變和微突變的表現(xiàn) 大突變 突變效應(yīng)表現(xiàn)明顯，容易識(shí)別。質(zhì)量性狀的突變大都屬之。微突變 效應(yīng)表現(xiàn)微小，較難察覺(jué)。數(shù)量性狀的突變屬之。 微突變可以積累大的變化 微突變中

10、出現(xiàn)的有利突變大突變。所以在育種工作中要特別注意微突變的分析和選擇，在注意大突變的同時(shí)，也應(yīng)重視微突變。 11.3 基因突變的鑒定 突變發(fā)生的鑒定 經(jīng)誘變產(chǎn)生的變異是否屬于真實(shí)的基因突變，是顯性突變還是隱性突變、突變頻率的高低，都應(yīng)進(jìn)行鑒定。 由基因發(fā)生某種化學(xué)變化而引起的變異是可遺傳，而由一般環(huán)境條件導(dǎo)致的變異是不遺傳的。一、植物基因突變的鑒定 例：高稈矮稈，其原因： 有基因突變而引起； 因土壤瘠薄或遭受病蟲(chóng)為害而生長(zhǎng)不良等。 鑒定方法：可將變異體與原始親本在同一栽培條件下比較。 高稈矮稈后代為高稈，則不是突變，由環(huán)境引起； 自交 后代仍為矮稈，則是基因突變引起的。 顯隱性的鑒定 顯性突變和

11、隱性突變的區(qū)分，可利用雜交試驗(yàn) 加以鑒定。如： 突變體矮稈株原始品種(高) F1高稈 自交 F2有高稈、也有矮稈， 說(shuō)明該突變屬于隱性突變 突變率的測(cè)定 花粉直感(胚乳直感）法估算配子的突變率舉例：測(cè)定玉米籽粒由Su su的突變率。 利用甜粒玉米susu為母本、誘變處理的非甜玉米SuSu為父本進(jìn)行雜交，理論上F1果穗上都應(yīng)為非甜，但2萬(wàn)粒中卻出現(xiàn)個(gè)別甜粒（2粒），這說(shuō)明父本的2萬(wàn)粒花粉中有2?；ǚ鄣幕蛴蒘u su，說(shuō)明基因Su的突變率為萬(wàn)分之一。 花粉直感：兩個(gè)相異的植株雜交，當(dāng)代所結(jié)籽粒即表現(xiàn) 父本性狀的現(xiàn)象 植株測(cè)定法 根據(jù)M2出現(xiàn)的突變體占觀察總個(gè)體數(shù)的比例來(lái)估算。如M2群體中10萬(wàn)個(gè)

12、觀察個(gè)體數(shù)中出現(xiàn)5個(gè)突變體，突變率為十萬(wàn)分之五。二、 真菌生化突變的鑒定（一）紅色面包霉的生化突變型 幾個(gè)基本概念 生化突變：由于誘變因素的影響導(dǎo)致生物代謝功能的變異。 營(yíng)養(yǎng)缺陷型（auxotroph）：誘變導(dǎo)致生物喪失了合成某種生活物質(zhì)的能力，需在特定的營(yíng)養(yǎng)下才能生長(zhǎng)。 野生型或原養(yǎng)型（prototroph） 基本培養(yǎng)基：野生型可在這種培養(yǎng)基因生長(zhǎng)。 水+ 無(wú)機(jī)鹽(硫酸鹽、硝酸鹽等) + 糖類(葡萄糖或蔗糖) + 微量 生物素(VB的一種) 。 完全培養(yǎng)基：各種突變型可以在這種培養(yǎng)基生長(zhǎng)。 基本培養(yǎng)基+ 多種氨基酸+ 多種維生素 紅色面包霉的突變型： 紅色面包霉合成其生活所需物質(zhì)一系列生化過(guò)

13、程每一過(guò)程由一定的基因所控制。 只要綜合分析大量的生化突變資料可闡明有關(guān)基因的功能及其作用的程序。 1. Beadle紅色面包霉的生化突變型 野生型：基本培養(yǎng)基 突變型(a)：基本培養(yǎng)基+精氨酸 突變型(c)：基本培養(yǎng)基+瓜氨酸(精氨酸) 突變型(o)：基本培養(yǎng)基+鳥(niǎo)氨酸(精或瓜) 2. 推理 紅色面包霉在合成它生活所需物質(zhì)時(shí)，要經(jīng)過(guò)一系列的生化過(guò)程，而每一個(gè)系列化過(guò)程又由一定的基因所控制。 圖中表示不添加某物質(zhì)， 表示不能生長(zhǎng)，表示在添加某物質(zhì)的培養(yǎng)基上可生長(zhǎng)根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，可以推論精氨酸的合成步驟為： 前體鳥(niǎo)氨酸 瓜氨酸 精氨酸 蛋白質(zhì) 由此可以看出，從鳥(niǎo) 精的合成至少需要A、C、O三個(gè)基因

14、，其中一個(gè)基因發(fā)生突變，精氨酸是不會(huì)合成的，這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了基因與新陳代謝的關(guān)系。Beadle 1941年根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)研究，闡明基因是通過(guò)酶的作用來(lái)控制性狀的，于是提出“一個(gè)基因一個(gè)酶”的假說(shuō)，把基因與性狀兩者聯(lián)系起來(lái)。前體 鳥(niǎo)氨酸 瓜氨酸 精氨酸 蛋白質(zhì)基因O酶I基因C酶II基因A酶III（二）紅色面包霉生化突變的鑒定方法圖片引自Klug and Cummings，2002三、 果蠅突變體的鑒定 果蠅X染色體上隱性突變的檢出 ClB法 并連X染色體法（自學(xué)） 果蠅常染色體突變的檢出平衡致死法 ClB法：Cross over suppressor-lethal-Bar technique ClB

15、果蠅：倒位雜合的雌果蠅 一條X染色體正常， 另一條X染色體是倒位染色體ClB C: 起抑制交換作用的倒位區(qū)段，可阻止ClB染色體和待測(cè)定染色體之間的交換 l ：該倒位區(qū)段內(nèi)的一個(gè)隱性致死基因，純合隱性致死 B：倒位區(qū)段外的一個(gè)16區(qū)A段的重復(fù)區(qū)段，其表型是顯性棒眼果蠅X染色體上隱性突變的檢出ClB法ClB法測(cè)定法測(cè)定X染色體上的隱性突變?nèi)旧w上的隱性突變 輻射處理雄果蠅選擇F1的棒眼雌果蠅與正常雄果蠅單對(duì)雜交 先用不同劑量的X射線處理野生型雄蠅，因?yàn)榫又粠б粭lX染色體，如果這條X染色體受到輻射影響，整個(gè)配子就受到影響。然后和帶有ClB 雜合的雌蠅交配，在其F1 中會(huì)產(chǎn)生2雌：1雄，這1 3的

16、雄蠅只能是野生型，而在雌蠅中，卻有兩種，一種帶有ClB，另一種是野生型。此后，將帶有ClB的F1 雌蠅挑選出來(lái)以備測(cè)交。因?yàn)檫@樣的雌蠅中的一條X染色體是來(lái)自未被照射的母本的ClB，另一條必定來(lái)自照射過(guò)的父本。如果這條X染色體產(chǎn)生了一個(gè)新的致死突變基因l，而這個(gè)l基因一般不可能正好與ClB的致死基因l具有等位性，何況它們?nèi)绻堑任换虻脑挘炎邮芫缶统蔀榧兒献佣劳?。將這些準(zhǔn)備測(cè)交的雌蠅一對(duì)一地與F1 正常的雌雄交配。在下一代中，如果沒(méi)有雄蠅出現(xiàn)，則表明發(fā)生了新的隱性致死突變，否則后代的性別比例應(yīng)為2雌：1雄。檢查每一個(gè)單對(duì)雜交的結(jié)果，一方面可以得到隱性突變，特別是致死突變是否發(fā)生的信息，另一

17、方面可以計(jì)算某一劑量的X射線在X染色體上造成致死突變的概率。果蠅X染色體上隱性突變的檢出ClB法 果蠅2號(hào)染色體的平衡致死系 同源染色體的一個(gè)成員：有一個(gè)Cy卷翅基因，對(duì)正常翅是顯性，但在致死作用上是隱性的，即Cy Cy 純合致死。而且存在一個(gè)大片段的倒位，Cy在倒位區(qū)段內(nèi)，可以抑制重組發(fā)生。 同源染色體的另一成員：有一個(gè)S基因，星狀眼，對(duì)正常眼是顯性， SS 純合致死。 該平衡致死系只能以雙雜合體存在。品系內(nèi)個(gè)體間相互交配后，只出現(xiàn)一種與親代完全一樣的后代，表型是卷翅、星狀眼。果蠅常染色體突變的檢出平衡致死法 SCy SCy S SCy Cy SCy SCy SCy Cy S致死致死利用這樣

18、的永久雜種檢測(cè)第2染色體上的突變基因時(shí)，先將該品系的雌蠅和待測(cè)的雄蠅雜交，在F1 挑選卷翅雄體再與該品系的雌體作單對(duì)交配，分別飼養(yǎng)。在F2 選取卷翅的雌雄個(gè)體相互交配。到F3 可出現(xiàn)以下情況： 如被檢測(cè)的第2染色體不帶有致死突變，則有13左右的野生型出現(xiàn) 如被檢測(cè)的第2染色體帶有致死突變，則F3 全部是卷翅果蠅。 如發(fā)生可見(jiàn)的隱性突變，還有13左右的突變型（正常翅）果蠅常染色體突變的檢出平衡致死法動(dòng)態(tài)突變及其機(jī)制動(dòng)態(tài)突變與人類疾病11.4 動(dòng)態(tài)突變（dynamic mutation）動(dòng)態(tài)突變及其機(jī)制動(dòng)態(tài)突變（ dynamic mutation）是在基因的編碼區(qū)、3或5UTR、啟動(dòng)子區(qū)、內(nèi)含子區(qū)

19、出現(xiàn)三核苷酸重復(fù)，及其他長(zhǎng)短不等的小衛(wèi)星、微衛(wèi)星序列的重復(fù)拷貝數(shù)，在減數(shù)分裂或體細(xì)胞的有絲分裂過(guò)程中發(fā)生擴(kuò)增而造成遺傳物質(zhì)的不穩(wěn)定狀態(tài)。三核苷酸重復(fù)，如(CAG)n、(CCG)n、(CTG)n、(CGG)n等的重復(fù)數(shù)（ n）不斷增加使拷貝數(shù)改變后的基因的可突變性（mutability）不同于拷貝數(shù)改變前的基因。這類特殊的突變可造成基因功能喪失或獲得異常改變的產(chǎn)物，從而導(dǎo)致人類的多種疾病?？赡茉颍?重復(fù)序列誘發(fā)的復(fù)制滑動(dòng)(replication slippage)，即模板鏈及其拷貝發(fā)生位置的相對(duì)移動(dòng)，即滑動(dòng)錯(cuò)配，其結(jié)果使部分模板被重復(fù)復(fù)制或被遺漏，造成新的多聚核苷酸擁有或多或少的重復(fù)單位。動(dòng)態(tài)

20、突變與人類疾病與動(dòng)態(tài)突變有關(guān)的人類疾病具有下列特征： 除了都具有三核苷酸重復(fù)數(shù)目的異常增加外，致病基因序列之間沒(méi)有同源性。例如，(CAG) n擴(kuò)增引起的導(dǎo)致的脊髓小腦共濟(jì)失調(diào)，各個(gè)基因都具有(CAG)n 的拷貝擴(kuò)增外，序列之間無(wú)同源性，提示其內(nèi)在功能各不相同； 即使都是由(CAG)n 擴(kuò)增引起的疾病，但病變僅選擇性地累及特定的細(xì)胞； 遺傳早現(xiàn)現(xiàn)象，在同一家系中，隨著致病基因在后續(xù)世代中的傳遞，后代個(gè)體的發(fā)病年齡會(huì)越來(lái)越早，病情愈來(lái)愈嚴(yán)重。除了三核苷酸重復(fù)外，某些基因內(nèi)的其他類型的多核苷酸重復(fù)的拷貝擴(kuò)增也引起遺傳病，例如SCA 10基因第9內(nèi)含子中的(ATTCT)n當(dāng)n為10 22時(shí)，并不引發(fā)S

21、CA10疾病，而上述5核苷酸重復(fù)次數(shù)達(dá)4000余次時(shí)，SCA10發(fā)病。動(dòng)態(tài)突變與人類疾病動(dòng)態(tài)突變致病機(jī)制的假說(shuō)（自學(xué)）11.5 基因突變的分子基礎(chǔ)自發(fā)突變的原因： A. 復(fù)制錯(cuò)誤 B. 堿基的異構(gòu)體互變效應(yīng) C. 轉(zhuǎn)座因子的插入 D.自發(fā)的化學(xué)變化：脫嘌呤、脫氨基、生物體內(nèi)活性 氧化劑對(duì)DNA的氧化損傷誘變因素： A. 化學(xué)誘變 B. 物理誘變 C. 生物學(xué)誘變 一、突變的分子機(jī)制 （一）位點(diǎn)與基因座 位點(diǎn)（site）：DNA（基因）上一個(gè)核苷酸對(duì)，一個(gè)基因內(nèi)不同位點(diǎn)的改變可以形成許多等位基因（復(fù)等位基因）。 基因座（locus）：指一個(gè)基因，包括數(shù)百個(gè)數(shù)千個(gè)核苷酸對(duì)。一個(gè)基因座上的復(fù)等位基因

22、是基因內(nèi)部不同堿基改變的結(jié)果。 （二）突變的方式 （1）分子結(jié)構(gòu)的改變 堿基替換：如AAA（賴）GAA（谷）。包括： 轉(zhuǎn)換: transition, 嘌呤與嘌呤或嘧啶與嘧啶之間的轉(zhuǎn)換 顛換: transversion ,嘌呤轉(zhuǎn)換為嘧啶或嘧啶轉(zhuǎn)換為嘌呤 （2）移碼 frameshift 堿基缺失移碼：如AAA（賴）CAC（組） AAC（天）AC 堿基插入移碼：如AAA(賴) AAC（天冬酰胺） A鐮刀型貧血癥與點(diǎn)突變 正常紅細(xì)胞基因型HbAHbA鐮刀型紅細(xì)胞基因型HbSHbS人的血紅蛋白由2條鏈和2條鏈組成。鐮刀型貧血癥患者的鏈第6位的Glutamic acid 變成了Valine。谷氨酸的密碼

23、子為GAA 或GAG，而纈氨酸的密碼子為GUU、GUC、GUA、GUG。中間1個(gè)堿基的替換導(dǎo)致了1個(gè)氨基酸的改變，從而導(dǎo)致了鐮刀型貧血癥。圖片引自Klug and Cummings，2002移碼突變 （三）自發(fā)突變的機(jī)制 （1） 自發(fā)損傷 常見(jiàn)的有脫嘌呤和脫氨基作用。一個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞在37 培養(yǎng)20 h的細(xì)胞復(fù)制周期中，DNA 自發(fā)地脫落大約10 000個(gè)嘌呤堿基。 （2） 堿基的氧化損傷 活性氧化物，如超氧自由基(O2)、過(guò)氧化氫(H2O2) 和羥自由基(OH)都被認(rèn)為是正常有氧代謝的副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物對(duì)DNA產(chǎn)生氧化損傷，不僅能對(duì)DNA的前體造成氧化性損傷，從而引起突變，而且會(huì)引發(fā)多種人類

24、疾病。 （3） DNA復(fù)制錯(cuò)誤 堿基異構(gòu)體轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致DNA復(fù)制錯(cuò)誤，造成堿基替換； 復(fù)制滑動(dòng)可導(dǎo)致堿基插入、缺失，造成移碼突變。 （4） 其他可能的機(jī)制 自然界存在的輻射；溫度急劇變化導(dǎo)致DNA復(fù)制酶的保真性降低；重復(fù)序列引起的復(fù)制滑動(dòng)（replication slippage）堿 基嘧啶環(huán)嘌呤環(huán)異構(gòu)體互變會(huì)改變堿基配對(duì)性質(zhì)并導(dǎo)致突變堿基異構(gòu)體互變（Tautomeric shifts）酮式烯醇式標(biāo)準(zhǔn)的堿基配對(duì)異常堿基配對(duì)氨基式亞氨基式 二、突變的修復(fù)(自學(xué)) 1、DNA防護(hù)機(jī)制 （1） 簡(jiǎn)并密碼子 （2） 回復(fù)突變 （3） 抑制 （4） 致死和選擇 （5） 多倍性2、DNA的修復(fù) （1） 光修

25、復(fù) （2） 暗修復(fù) （3） 重組修復(fù) （4） SOS修復(fù)未雨綢繆 壞了就修?（自學(xué)）想變就變理化誘變想變什么就變什么？！生物學(xué)誘變11.6 人工創(chuàng)造突變體一、突變體的用途太空輻射育種 突變體的用途育種Co60 輻射育種 http:/:8080 突變體的用途遺傳與發(fā)育機(jī)理的揭示例如：TH Morgan 通過(guò)研究果蠅白眼突變體揭示了性連鎖遺傳規(guī)律C Nsslein-Volhard 等人通過(guò)研究大量果蠅和斑馬魚(yú)胚胎突變體，提出了由間隙基因、成對(duì)基因、節(jié)段極性基因、同形異位（同源異形）基因控制發(fā)育的模式 例如：GW Beadle 和EL Tatum以紅色面包酶為材料，根據(jù)對(duì)生化突變體的研究提出“一個(gè)基

26、因一個(gè)酶”假說(shuō)。認(rèn)為生物體內(nèi)發(fā)生的每一步代謝反應(yīng)，都是由一種特殊的酶負(fù)責(zé)控制的，而這種酶又是某一特定基因的合成產(chǎn)物。 突變體的用途生化途徑的揭示 突變體的用途遺傳疾病的研究沙皇尼古拉二世之子：血友病 維多利亞女王：血友病突變基因攜帶者 正向遺傳學(xué)策略（forward genetics strategy） 克隆已知突變表型或功能的基因，再分析其序列，即由功能序列。只能分析單個(gè)的或少數(shù)的基因，所獲得的信息是零散而片面的 逆向遺傳學(xué)策略（reverse genetics strategy） 從大規(guī)模的已知DNA序列出發(fā)，對(duì)基因組的基因進(jìn)行功能敲除（knock-out）或激活(knock-on), 獲

27、得大量突變體，并系統(tǒng)地分析其功能。即由大規(guī)模序列 功能。所獲得的信息是系統(tǒng)的、完整的 突變體的用途基因功能分析與功能基因組學(xué)研究二、人工創(chuàng)造突變體的方法 獲得突變體的途徑最終可歸結(jié)為： 破壞基因結(jié)構(gòu) 改變基因表達(dá) 誘變方法： 物理誘變（physical mutagenesis） 化學(xué)誘變(chemical mutagenesis) 生物學(xué)誘變(biological mutagenesis)（一）物理誘變 物理誘變因素電離誘變因素非電離誘變因素電磁輻射粒子輻射紫外線X射線 射線帶電粒子 不帶電粒子射線 射線 質(zhì)子 中子電磁波譜的組成及其波長(zhǎng)能量高于可見(jiàn)光的射線對(duì)生物體有害1. 電離輻射誘變 包括

28、射線、射線和中子等粒子輻射，還包括射線和X射線等電磁波輻射。中子的誘變效果最好。根據(jù)輻射（照射）的方法，可分為“內(nèi)”和“外”照射。 外照射 即輻射源與接受照射的物體之間要保持一定的距離，讓射線從物體之外透入物體之內(nèi)，在體內(nèi)誘發(fā)基因突變。X射線、射線和中子都適用于“外照射”。 內(nèi)照射 即用浸泡或注射的方法，使其滲入生物體內(nèi)，在體內(nèi)放出射線進(jìn)行誘變。 和射線的穿透力很弱，故只能用“內(nèi)照射”。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般不用 射線，只用射線。射線常用輻射源是P32和S35，尤以P32使用較多 電離輻射誘變的機(jī)理 照射初級(jí)電離次級(jí)電離 基因分子結(jié)構(gòu)改組基因突變 輻射劑量及表示方法定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量被照射的物質(zhì)所吸收的

29、能量數(shù)值， 稱為輻射劑量。 X射線和射線：用“倫琴”（r）表示，即在1克空氣中 吸收8310-7焦耳（J）輻射的能量。 中子：?jiǎn)挝皇恰胺e分流量”。即每平方厘米的截面上通過(guò) 的中子數(shù)（n/cm2）。 射線：用“微居里”表示。具體是每克物質(zhì)吸收多少 “微居里”（cu）的放射性同位素。微居里是放射強(qiáng)度 單位，表示每秒鐘有3.7104個(gè)原子核發(fā)生蛻變。基因突變的頻率與輻射劑量成正比，即劑量增加一倍，突變頻率增加一倍，但突變率不受輻射強(qiáng)度的影響。輻射強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)照射的劑量數(shù)，即劑量率，倘若照射劑量不變，不管單位時(shí)間內(nèi)所照射是多還是少，基因突變率總是保持一致。 2. 非電離輻射誘變 種類：UV 作用

30、機(jī)理 激發(fā)作用DNA結(jié)構(gòu)改變配對(duì)差錯(cuò)突變 最有效的誘變波長(zhǎng)： 260nm 適用 UV能量較低、穿透力較弱，適于微生物、生殖細(xì)胞的誘變UV照射 DNA上的胸腺嘧啶環(huán)共價(jià)交聯(lián)形成胸腺嘧啶二聚體DNA構(gòu)像改變，抑制復(fù)制錯(cuò)配“Children of the night”陽(yáng)光中的UV可導(dǎo)致DNA形成thymine dimer（胸腺嘧啶二聚體），正常人含有NER修復(fù)系統(tǒng)，可以切除修復(fù)受影響的DNA。但干皮病患者喪失了NER功能，所以暴露于陽(yáng)光中會(huì)導(dǎo)致皮膚受損、甚至長(zhǎng)腫瘤（如圖中男孩的鼻子上就有2個(gè)）。如果這種孩子從小就不暴露在陽(yáng)光中，皮膚受損可以減輕（圖中女孩）簡(jiǎn)史1941年Auerbach和Robson

31、第一次發(fā)現(xiàn)芥子氣（mustard gas, 一種烷化劑）可以誘發(fā)基因突變。 1943年Oehlkers第一次發(fā)現(xiàn)氨基甲酸乙酯(NH2COO2H5）可以誘發(fā)染色體結(jié)構(gòu)的變異。 （二）化學(xué)誘變 化學(xué)誘變的特點(diǎn) 某些化學(xué)藥物的誘變作用是有特異性的，即一定性質(zhì)的藥物能夠誘發(fā)一定類型的變異?；瘜W(xué)誘變劑的種類化學(xué)誘變劑的種類 堿基類似物具有配對(duì)兩重性，DNA復(fù)制時(shí)如錯(cuò)誤摻入堿基類似物可造成堿基的轉(zhuǎn)換（base transition） 堿基修飾劑對(duì)堿基某些基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)修飾從而改變堿基的配對(duì)性質(zhì)，造成堿基的轉(zhuǎn)換或顛換(transversion) DNA嵌入劑可嵌入DNA的堿基對(duì)之間，造成復(fù)制錯(cuò)誤，形成堿基插入

32、/缺失, 導(dǎo)致移碼突變 堿基類似物：base analogs DNA復(fù)制時(shí)錯(cuò)誤摻入到DNA分子中，引起堿基配對(duì)錯(cuò)誤，造成堿基替換 5溴尿嘧啶（ 5-BU, 5-bromouracil ） 2氨基嘌呤（2-AP, 2-amino purine） 堿基修飾劑： 對(duì)堿基進(jìn)行修飾使其性質(zhì)發(fā)生改變，引起特異性錯(cuò)配，造成堿基替換 亞硝酸（HNO2）：使堿基脫氨 羥胺（HA）：使堿基的氨基氮羥基化 甲基磺酸乙酯（EMS，烷化劑）：使堿基烷基化 嵌合劑：吖啶類染料。含有吖啶環(huán)，是一種平面分子，分子大小與堿基對(duì)大小相似，可以插入到DNA雙螺旋雙鏈或單鏈的兩個(gè)相鄰堿基之間，造成堿基插入或缺失，引起移碼突變。 某些

33、抗菌素、疊氮化合物也有誘變效應(yīng)堿基類似物具有配對(duì)兩重性，導(dǎo)致堿基轉(zhuǎn)換突變T=A5BU=A5BU=GC=G酮式烯醇式酮式烯醇式5-BU，5-溴尿嘧啶，是T的類似物，但可以和A或G配對(duì)烷化劑EMS對(duì)堿基的修飾導(dǎo)致其配對(duì)性質(zhì)改變DNA修飾烷化劑是極強(qiáng)的化學(xué)誘變劑。如乙基甲磺酸（EMS）和亞硝基胍（NTG），可對(duì)堿基進(jìn)行烷基化，改變其配對(duì)性質(zhì)，造成堿基替換。DNA嵌入劑，如原黃素素(proflavin), 吖啶橙(acridine) 等扁平分子可以嵌入DNA的堿基對(duì)之間，導(dǎo)致單核苷酸對(duì)的插入/缺失，引起移碼突變。（三）生物學(xué)誘變轉(zhuǎn)座因子會(huì)跳舞的基因？ 1、定義： 指可以在染色體組內(nèi)移動(dòng)的特定DNA片段

34、。 2、發(fā)現(xiàn)： Emerson（1914） 花斑果皮 McClintock 轉(zhuǎn)座因子的遺傳基礎(chǔ)巴巴拉麥克林托克 Barbara McClintock（ 1902-1992）是20世紀(jì)具有傳奇般經(jīng)歷的女科學(xué)家，她在玉米中發(fā)現(xiàn)了“會(huì)跳舞”的基因。 面對(duì)榮獲貝爾獎(jiǎng)（1983年）這一崇高榮譽(yù)，麥克林托克平靜地說(shuō)：“我覺(jué)得自己獲得這種意外的獎(jiǎng)賞似乎有些過(guò)分。多少年來(lái)，我在對(duì)于玉米遺傳的研究中已獲得很多的歡樂(lè)。我不過(guò)是請(qǐng)求玉米幫助我解決一些特殊的問(wèn)題，并傾聽(tīng)了她那奇妙的回答?！?（一）原核生物的轉(zhuǎn)座因子它們的一個(gè)共同特征是，在它們的末端都具有一段反向的重復(fù)序列(IR)。 1插入因子（insertion s

35、equence, IS） 2轉(zhuǎn)座子(transposons) Tnp3系轉(zhuǎn)座子末端有一對(duì)38bp的IR序列，每個(gè)轉(zhuǎn)座子都帶有3個(gè)基因:一個(gè)是編碼對(duì)氨芐青霉素抗性的內(nèi)酰胺酶(lactamase)基因，其它二個(gè)是編碼與轉(zhuǎn)座作用有關(guān)的基因，TnpA和TnpR。 （二）真核生物的轉(zhuǎn)座因子194bp缺失11bp末端顛倒重復(fù)區(qū)加405bp無(wú)關(guān)序列Ac因子：activator，是自主成分，具備自身切除和轉(zhuǎn)座的能力。帶有2個(gè)與轉(zhuǎn)座有關(guān)的基因Ds因子：dissociation, 非自主成分，只有在同一自主成分Ac存在時(shí)才能切除或轉(zhuǎn)座。 自主成分對(duì)非自主成分的互補(bǔ)效應(yīng)是反式的，非自主成分大概起源于丟失了自主轉(zhuǎn)座功

36、能的成分，如各種Ds均來(lái)源于Ac。 轉(zhuǎn)座子的末端序列是轉(zhuǎn)座酶的識(shí)別位點(diǎn)，保守性很強(qiáng)。如，Ac-Ds系統(tǒng)兩端均為11bp的顛倒重復(fù)序列。生物學(xué)誘變 定點(diǎn)突變 T-DNA tagging Transposon tagging RNA interference定點(diǎn)突變基因的定點(diǎn)突變（ site specific mutagenesis of gene）是指按照人們的意愿對(duì)基因的編碼區(qū)和表達(dá)調(diào)控區(qū)（包括啟動(dòng)子區(qū)）定向進(jìn)行缺失、插入或堿基替換等過(guò)程。基因的定點(diǎn)突變改變了自然狀態(tài)下誘發(fā)突變表現(xiàn)的隨機(jī)性，根據(jù)所要突變的已知基因序列，對(duì)其保守的功能結(jié)構(gòu)域，調(diào)控區(qū)進(jìn)行定點(diǎn)突變，從而改變基因的結(jié)構(gòu)和表達(dá)狀況。定點(diǎn)

37、突變的方法定點(diǎn)突變的方法 雙引物法將克隆到任一質(zhì)粒上某基因的特定位點(diǎn)，設(shè)計(jì)兩個(gè)互補(bǔ)的含有突變堿基的引物，該引物應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度，以保證與該突變位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的質(zhì)粒DNA 配對(duì)，在基因的上游和下游各設(shè)計(jì)一個(gè)引物，分別與突變位置處的一個(gè)引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，兩個(gè)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物混合，延伸后就可獲得有特定位點(diǎn)突變的基因，為了保證PCR延伸過(guò)程中盡量不出現(xiàn)錯(cuò)誤堿基的摻入，應(yīng)采用高保真的Pfu Taq 酶進(jìn)行PCR反應(yīng)。突變點(diǎn)MP1、P2是中間位置帶有突變堿基的引物，P3、P4是正常引物。分別用引物P1P4、P2P3 進(jìn)行PCR擴(kuò)增，將得到的2種PCR產(chǎn)物混合，繼續(xù)延伸，即可得到定點(diǎn)突變M的產(chǎn)物。P3P4P1P2T-DNA tagging利用農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒上的T-DNA作為誘變因子, 將其插入植物基因組，造成基因的插入突變（insertional mutation）突變性狀與T-DNA的共分離關(guān)系的確定插入點(diǎn)旁側(cè)的基因組序列分析以旁側(cè)序列為探針篩選基因組文庫(kù)，獲取全長(zhǎng)基因?；蛑苯訉⑿蛄信c網(wǎng)上公共數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，獲取相關(guān)信息。Gene A基因組文庫(kù)或數(shù)據(jù)庫(kù)中含gene A 的克隆Ge ne A Ge ne A ne A Ge Transposon tagging將轉(zhuǎn)座成分（transposable eleme