基因突變與染色體變異

關(guān)于基因突變與染色體變異第一頁，共八十四頁，2022年，8月28日§1基因突變概說

基因突變

genemutation

又稱點(diǎn)突變

pointmutation

基因內(nèi)部發(fā)生可遺傳的化學(xué)性質(zhì)的變化

基因的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，可能引起表現(xiàn)型發(fā)生相應(yīng)的變化

是新基因的唯一來源，是生物進(jìn)化的原始材料。

第二頁，共八十四頁，2022年，8月28日突變體

由于基因突變而表現(xiàn)突變性狀的細(xì)胞或個體，稱為突變體（mutant）或突變型。與突變型相對的概念是野生型（wildtype）形態(tài)突變生化突變第三頁，共八十四頁，2022年，8月28日形態(tài)突變（morphologicalmutations）突變導(dǎo)致形態(tài)結(jié)構(gòu)，如形狀、大小、色澤等的改變。普通綿羊的四肢較長，而突變體安康羊的四肢很短。普通水稻株高一般在1.50m以上，矮稈突變體20～80cm。又稱為可見突變（visiblemutations）第四頁，共八十四頁，2022年，8月28日形態(tài)突變：第五頁，共八十四頁，2022年，8月28日蘋果第六頁，共八十四頁，2022年，8月28日人類的白化癥第七頁，共八十四頁，2022年，8月28日生化突變（biochemicalmutations）

突變主要影響生物新陳代謝過程，導(dǎo)致特定的生化功能的改變或喪失。如細(xì)菌的營養(yǎng)缺陷型

第八頁，共八十四頁，2022年，8月28日

事實(shí)上大多數(shù)基因的作用就是決定特定的生化過程，而生化過程才能決定形態(tài)結(jié)構(gòu)在這個意義上說，幾乎所有的基因突變都是生化突變。第九頁，共八十四頁，2022年，8月28日突變的有利性和有害性

1、有害突變

2、中性突變

3、有利突變

第十頁，共八十四頁，2022年，8月28日1、有害突變

大多數(shù)基因的突變對生物的生長和發(fā)育是有害的極端的會導(dǎo)致突變體死亡導(dǎo)致個體死亡的突變，稱為致死突變（lethalmutation）。第十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日3、有利突變

有少數(shù)突變不僅對生物的生命活動無害，而且有利如植物的抗倒伏性、早熟性

第十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日2、中性突變突變不影響生物的正常生理活動，仍能保持正常的生活力和繁殖力，這類突變稱為中性突變（neutralmutation）。

小麥粒色的變化，水稻芒的有無，果樹葉片形狀的變化等。中性突變能夠?yàn)樽匀贿x擇所保留，因而是生物進(jìn)化的重要途徑

第十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日突變的有害性有利性是相對的

在一定的條件下，突變的效應(yīng)可以轉(zhuǎn)化

高桿作物群體中出現(xiàn)矮桿的突變體有的突變對生物本身有害，卻對人類有利

玉米、水稻、高粱等作物的雄性不育性，是人們利用雜種優(yōu)勢的好材料。有些突變對生物本身有利，卻對人類不利。谷類作物的落粒性第十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日第十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日基因突變的重演性同一突變可以在同種作物的不同個體間多次發(fā)生，且發(fā)生頻率也相似第十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日第十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日突變的可逆性

顯性基因A→隱性基因a正突變（forwardmutation）隱性基因a→顯性基因A回復(fù)突變或反突變（backmutation）正突變率u

回復(fù)突變率v。

第十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日大多數(shù)情況下，u＞v。野生型基因內(nèi)部每一個突變子都可能發(fā)生改變而導(dǎo)致基因突變突變了的那個位點(diǎn)恢復(fù)原狀才能使該基因回復(fù)為野生型。大腸桿菌中

his+→his-2×10-6his-→his+4×10-8。

第十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日基因突變的多方向性:

基因突變的方向是不固定的，A→a1;A→a2;A→a3，是隨機(jī)的復(fù)等位基因就是突變的多方向性造成的第二十頁，共八十四頁，2022年，8月28日復(fù)等位基因

一個基因座位上有兩個以上的等位基因。第二十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日煙草：自花授粉不能結(jié)實(shí)由一組15個復(fù)等位基因控制（S1、S2、、、S15）

第二十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日

基因突變的平行性:

親緣關(guān)系相近的物種往往發(fā)生相似的基因突變。

第二十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日§2基因突變的鑒定

禾谷類作物基因突變的鑒定微生物生化突變型的鑒定第二十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日禾谷類作物基因突變的鑒定1、是可遺傳的變異還是不可遺傳的變異？和親本一起種植在相同的條件下2、是顯性突變還是隱性突變？和原親本雜交，看F1代的表現(xiàn)3、是單基因突變還是多個基因突變？測交1：1自交3：1第二十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日顯性突變隱性突變

dd↓突變第一代（M1）Dd表現(xiàn)↓

第二代（M2）1DD2Dd1dd

有純合體，但不能區(qū)分

↓

第三代（M3）檢出純合體

DD↓突變

Dd不表現(xiàn)↓

1DD2Dd1dd

表現(xiàn)、純合

第二十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日大突變與微突變突變效應(yīng)大，性狀差異明顯，易于識別，多為控制質(zhì)量性狀基因的突變。

突變效應(yīng)小，性狀差異不大，較難察覺，多為控制數(shù)量性狀基因的突變。第二十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日突變頻率：指突變體占觀察總個體數(shù)的比例。①高等生物：1×10-6~1×10-8

②低等生物：1×10-4~1×10-8第二十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日有性生殖生物的突變率:

通常用每個配子發(fā)生突變的概率表示，即突變配子數(shù)占總配子數(shù)的比例。

第二十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日

胚乳(花粉)直感：估算配子的突變率

例：玉米非甜Su甜粒su

P

susu

×

SuSu

↓對父本進(jìn)行射線處理

F1大部分為Susu，極少數(shù)為susu

如果10萬粒種子中有5粒為甜粒，則

突變率=5/100000=1/20000

第三十頁，共八十四頁，2022年，8月28日紅色面包霉生化突變的鑒定

X射線處理分生孢子處理后的分生孢子與野生型交配產(chǎn)生分離的子囊孢子置于完全培養(yǎng)基里生長產(chǎn)生菌絲和分生孢子

第三十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日基本培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基加維生素加氨基酸基本培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基硫胺素吡醇素泛酸肌醇第三十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日可以推論精氨酸合成步驟為：

o

c

a前驅(qū)物è鳥氨酸è瓜氨酸è精氨酸è蛋白質(zhì)

∴從鳥氨酸è精氨酸的合成至少需要A、C、O三個基因第三十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日§3基因突變的分子基礎(chǔ)第三十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日

基因在染色體上有固定的位置，稱為座位(1ocus，loci)

一個座位還可以分成許多基本單位，稱為位點(diǎn)(site)

突變子、重組子

第三十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日開放閱讀框openreadingframe，ORF第三十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日點(diǎn)突變DNA分子中個別堿基的變化：

堿基對的增減：增加、減少堿基對的替換：轉(zhuǎn)換、顛換第三十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日

基因的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變——

DNA堿基對發(fā)生增添、缺失或改變。┯┯┯┯

ＡＴＧＣ

ＴＡＣＧ

┷┷┷┷┯┯┯┯┯

ＡＴＡＧＣ

ＴＡＴＣＧ

┷┷┷┷┷┯┯┯┯

ＡＴＧＣ

ＴＡＣＧ

┷┷┷┷┯┯┯

ＡＧＣ

ＴＣＧ

┷┷┷┯┯┯┯

ＡＣＧＣ

ＴＧＣＧ

┷┷┷┷┯┯┯┯

ＡＴＧＣ

ＴＡＣＧ

┷┷┷┷增添缺失改變第三十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日點(diǎn)突變的分類：⑴堿基對替換

堿基缺失：ATCGATèATGAT（2）堿基對增減堿基插入：ATCGATèATCGGAT

轉(zhuǎn)換：嘌呤替換嘌呤AèGGèA

嘧啶替換嘧啶TèCCèT顛換：嘌呤替換嘧啶CèGTèGTèACèA

嘧啶替換嘌呤GèTGèCAèCAèT第三十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日遺傳密碼表第四十頁，共八十四頁，2022年，8月28日錯義突變

堿基替換的結(jié)果改變了密碼子，改變了氨基酸如：ACG―――――→GCG；

thr（蘇）――→ala（丙）改變該基因編碼的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和生物活性。第四十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日無義突變

有義密碼子變?yōu)闊o義密碼子，造成蛋白質(zhì)合成的提前終止。

DNATAC——→TAAmRNAUAC——→UAA(終止密碼子)

這種突變又稱為無義突變。無義突變對生物體的影響較大，很可能導(dǎo)致死亡。無義突變?nèi)舭l(fā)生在閱讀框的開始，后果嚴(yán)重，若發(fā)生在閱讀框的后部，影響會小一些。第四十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日沉默突變

由于密碼子具有簡并性，個別堿基的替換也有可能不改變密碼子的意義，這種突變稱為沉默突變。UUAUUGCUUCUCCUACUG

這6個密碼子都編碼亮氨酸（leu）第四十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日中性突變個別密碼子的改變對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和生物活性的影響很小，甚至沒有什么影響。

第四十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日移碼突變(shiftmutation)

缺失或插入一個或兩個堿基，會造成整個閱讀框的改變自插入或缺失位置向后的所有密碼子都發(fā)生了變化。第四十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日原模板鏈

3’CTTCTTCTTCTTCTTCTT5’mRNA的序列

5’GAAGAAGAAGAAGAAGAA3’氨基酸順序

gluglugluglugluglu開始處插入一個C3’CCTTCTTCTTCTTCTTCTT5’mRNA的序列為5’GGAAGAAGAAGAAGAAGAA3氨基酸順序

glyargargargargarg改變了蛋白質(zhì)中所有氨基酸的組成

第四十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日移碼突變也可以造成無義密碼子，導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成的提前終止如原模板TTCGATCGTCCATCAmRNAAAGCUAGCAGGUAGU插入一個堿基TTCGACTCGTCCATCA突變后的mRNAAAGCUGAGCAGGUAGU第四十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日非移碼插入或缺失

如果插入或缺失了3個堿基，或者是3的倍數(shù)，閱讀框不變多肽鏈中增加或減少一個或幾個氨基酸最終產(chǎn)物常常是有活性的，或者有部分活性。

第四十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日§4突變的修復(fù)

生物界自身對誘變因素的作用具有一定的防護(hù)能力也能對已經(jīng)發(fā)生的DNA結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行部分修復(fù)第四十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日1、DNA的防護(hù)機(jī)制

①密碼子的簡并性②回復(fù)突變某個突變子發(fā)生突變以后，又發(fā)生回復(fù)突變，恢復(fù)原來的結(jié)構(gòu)。A——→G——→A③抑制突變第五十頁，共八十四頁，2022年，8月28日A．基因內(nèi)抑制突變

在一個順反子內(nèi)，某個突變子發(fā)生了突變，有可能在該順反子內(nèi)的另一個突變子也發(fā)生一次突變這后一次突變的效應(yīng)抵消了第一次突變的效應(yīng)，使突變表現(xiàn)型恢復(fù)為野生型

DNA結(jié)構(gòu)并沒有恢復(fù)。

第五十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日基因間抑制

主要是tRNA基因發(fā)生突變，或者是與tRNA功能有關(guān)的基因發(fā)生突變使另一個基因已經(jīng)發(fā)生的無義突變、錯義突變、或移碼突變所導(dǎo)致的突變表現(xiàn)型恢復(fù)為野生型

第五十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日tRNA上的反密碼子發(fā)生突變AAGGAGUCGUUGUGGUACUAUUAG成為無義突變?nèi)绻硞€tRNA的反密碼子突變?yōu)?’CUA3’，能夠與UAG互補(bǔ)部分恢復(fù)或全部恢復(fù)蛋白質(zhì)的功能第五十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日④致死選擇

突變使生物體死亡，突變的個體或細(xì)胞被淘汰，突變基因在群體中消失。第五十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日⑤多倍體

高等植物中，多倍體種占有很大的比例在多倍體中，相同的基因組或相近的基因組有幾份，對突變、尤其是隱性突變的耐受力要比二倍體和低等生物強(qiáng)得多。

第五十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日DNA損傷的修復(fù)DNA損傷是經(jīng)常發(fā)生的細(xì)胞具有多重、復(fù)雜的DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)。許多損傷類型具有多種修復(fù)途徑一個修復(fù)途徑可以修復(fù)多種損傷類型第五十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日修復(fù)系統(tǒng)錯配修復(fù)（mismatchrepair）直接修復(fù)（directrepair）切除修復(fù)（excisionrepair）雙鏈斷裂修復(fù)（double-strandbreakrepair)重組修復(fù)（recombinationrepair)第五十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日錯配修復(fù)（mismatchrepair）

DNA合成過程中常發(fā)生堿基配對錯誤識別錯配堿基切除錯誤堿基補(bǔ)入正確堿基封閉DNA鏈切口

錯配修復(fù)系統(tǒng)由許多酶組成，包括DNA聚合酶第五十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日直接修復(fù)（directrepair）不需要DNA聚合酶參與例：胸腺嘧啶二聚體的修復(fù)第五十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日胸腺嘧啶二聚體的形成第六十頁，共八十四頁，2022年，8月28日胸腺嘧啶二聚體的光修復(fù)

在藍(lán)色光條件下，有一種光激活酶可以將TT二聚體切開，使DNA結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常。

紫外線滅菌必須在黑暗中進(jìn)行

光修復(fù)就是直接修復(fù)

第六十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日切除修復(fù)（excisionrepair）DNA經(jīng)UV照射后發(fā)生損傷，在下一輪復(fù)制前，體內(nèi)的酶將包括二聚體在內(nèi)的一段單鏈切除，重新合成一段單鏈予以修復(fù)。與光修復(fù)相比，不依賴于光的存在，在黑暗中也能進(jìn)行，所以被稱為暗修復(fù)(darkrepair)。暗修復(fù)又成為切除修復(fù)。

第六十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日切除修復(fù)

（暗修復(fù)）

原核生物切除12bases

真核生物切除28bases第六十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日重組修復(fù)(recombinationrepair)

（又稱復(fù)制后修復(fù)）

需要一系列的酶參與修復(fù)以后，TT二聚體依然存在，但細(xì)胞卻能勉強(qiáng)完成這一輪復(fù)制在切割和修補(bǔ)過程中，會發(fā)生這樣那樣的差錯，從而導(dǎo)致突變的產(chǎn)生由UV照射引起的突變，并不是二聚體本身引起的，而多是修補(bǔ)過程中的差錯引起的

第六十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日

含二聚體的DNA仍可復(fù)制，新鏈在二聚體部位留有缺口；

完整的母鏈與有缺口的子鏈重組（交換）

缺口通過DNA聚合酶的作用，以對側(cè)子鏈為模板將切去的母鏈修補(bǔ)起來；

由DNA連接酶將缺刻(nick)連接起來，完成修復(fù)。

第六十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日SOS修復(fù)

DNA受到嚴(yán)重?fù)p傷、細(xì)胞處于危急狀態(tài)時所誘導(dǎo)的一種DNA修復(fù)方式修復(fù)結(jié)果只是能維持基因組的完整性，提高細(xì)胞的生成率，但留下的錯誤較多故又稱為錯誤傾向修復(fù)，使細(xì)胞有較高的突變率

第六十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日§5移動遺傳因子

上個世紀(jì)50年代初，McClintock發(fā)現(xiàn)了可以移動的遺傳因子(transposablegeneticelements)

這是遺傳學(xué)發(fā)展史上一個重要的里程碑，McClintock因此而獲得1983年的諾貝爾獎。第六十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日

概念一些基因可以從染色體的一個基因座位轉(zhuǎn)到另一個基因座位又叫轉(zhuǎn)座子（trsnsposon)，跳躍基因（jumpinggenes)McClitock叫它轉(zhuǎn)座因子（transposableelements）.第六十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日第六十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日一、轉(zhuǎn)座因子的發(fā)現(xiàn)和鑒定：

Emerson(1914)在研究玉米果皮色素遺傳時，發(fā)現(xiàn)一種特殊的突變類型：花斑果皮，產(chǎn)生寬窄不同，紅白相間的花斑花斑條紋不穩(wěn)定，可以發(fā)生多次回復(fù)突變，但不知道原因。第七十頁，共八十四頁，2022年，8月28日

20世紀(jì)40年代初，McClintock開始研究玉米植株和糊粉層色素產(chǎn)生的遺傳基礎(chǔ)，她發(fā)現(xiàn)，色素的變化與一系列染色體重組有關(guān)。她觀察到，染色體的斷裂或解離(dissociation)有一個特定的位點(diǎn)，命名為Ds。但Ds不能自行斷裂，受一個激活因子Ac(activator)所控制。Ac可以象普通基因一樣遺傳。但有時可以離開原來的座位，移動到同一染色體的另一個位置上，也可以移動到不同染色體上。第七十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日二、轉(zhuǎn)座因子的結(jié)構(gòu)特性:第七十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日㈠、原核生物的轉(zhuǎn)座因子：

根據(jù)分子結(jié)構(gòu)與遺傳特性可以分為三類。

1．插入因子（insertionsequence，IS）：

具有轉(zhuǎn)座能力的簡單遺傳因子。長度一般小于2kb，最小的插入序列如IS1僅768bp。

IS因子只含有與轉(zhuǎn)座有關(guān)的基因與序列。共同特征是在其末端都具有一段