第四章基因突變

第四章基因突變第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三1突變（Mutation）：突變泛指細胞內(nèi)（或病毒顆粒內(nèi)）遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)或數(shù)量突然發(fā)生的可遺傳的變化，突變是一種遺傳狀態(tài)，往往導(dǎo)致產(chǎn)生新的基因及新的表現(xiàn)型。突變體：帶有突變基因的細胞或個體突變型：突變體的基因型或表型稱為突變型，和其相對的原存在狀態(tài)稱為野生型。

第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三2第一節(jié)突變類型一、按突變發(fā)生原因分類自發(fā)突變(spontaneousmutagenesis)

：未經(jīng)任何人為的處理而自然地發(fā)生的突變，稱為自發(fā)突變。誘發(fā)突變(inducedmutagenesis)

：由人們有意識地利用物理或化學(xué)手段引起的突變稱為誘發(fā)突變。誘發(fā)突變的頻率要遠遠高于自發(fā)突變頻率第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三4二、按變化范圍分突變類型——突變的分子機制突變可以發(fā)生在染色體水平或基因水平，發(fā)生在染色體水平的突變稱為染色體畸變（chromosomalaberrztion）；發(fā)生在基因水平的突變稱為基因突變(genemutation)。第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三5染色體畸變（chromosomeaberration)——染色體數(shù)目的變化或染色體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大片段的異常改變。染色體數(shù)目的變化

整倍體(euploidy)：含有完整的染色體組

單倍體（n）：haploid二倍體（2n）：diploid

三倍體（3n）：triploid四倍體（4n）：tetraploid第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三6非整倍體aneuploidy：含有不完整狀態(tài)的染色體組，一般是指二倍體中成對染色體成員的增加或減少。

單體（二倍減一，monosomicdiploid):2n-1

缺體（二倍減二，nullisomicdilpoid):2n-2

三體（二倍加一，trisomicdiploid):2n+1

四體（二倍加二，tetrasomicdiploid):2n+2

雙二倍加一（doubletrisomic）:2n+1+1

部分二倍體（merodiploid）：細菌等原核生物中由一整條染色體和外來的一個染色體片段所構(gòu)成的不完整二倍第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三7染色體結(jié)構(gòu)的變化

染色體結(jié)構(gòu)的改變，多數(shù)是染色體或染色單體遭到巨大損傷產(chǎn)生斷裂，而斷裂的數(shù)目、位置、斷裂端連接方式等造成不同的突變

包括染色體缺失、重復(fù)、倒位和易位等涉及到DNA分子上較大范圍的變化，往往會涉及到多個基因。第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三8bfa-缺失b-重復(fù)c-倒位d-相互易位常見的幾種染色體畸變及其減數(shù)分裂前期Ⅰ的染色體圖像第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三9染色體結(jié)構(gòu)的變化

缺失deficiency：是染色體片段的丟失。

重復(fù)repetition：是染色體片段的二次出現(xiàn)。倒位inversion：是指染色體的片段發(fā)生了180°的位置顛倒易位translocation：是指一個染色體的一個片段連接到另一個非同源染色體上。

相互易位reciprocaltranslocation：兩個非同源染色體間相互交換一部分。第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三11基因突變（genemutation）基因突變：是指一個基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變，包括一對或少數(shù)幾對核苷酸的缺失、插入或置換，分為堿基置換和移碼突變。

染色體局部座位內(nèi)的變化

點突變pointmutation：單堿基對的置換突變發(fā)生在一個基因范圍內(nèi)。多位點突變：突變超出一個基因范圍。

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堿基置換basepairsubstitution

DNA鏈上一個堿基對為另一堿基對所取代叫堿基置換

轉(zhuǎn)換transition：DNA鏈中一個嘌呤（嘧啶）被另一個嘌呤（嘧啶）所置換。顛換transversion：DNA鏈中一個嘌呤（嘧啶）被一個嘧啶（嘌呤）所置換。第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三13第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三13

移碼突變frameshiftmutation在DNA序列中由于一對或少數(shù)幾對核苷酸的插入或缺失，而使其后全部遺傳密碼的閱讀框架發(fā)生移動，進而引起轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯錯誤的突變叫移碼突變。一般只引起一個基因的表達出現(xiàn)錯誤。

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三、按突變是否引起遺傳編碼特性的改變分類一類是引起遺傳性狀改變：——錯義突變（missensemutation），無義突變（nonsensemutation）和移碼突變一類是不改變遺傳性狀的突變——同義突變（synonymymutation）和沉默突變（silentmutation）。

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遺傳學(xué)效應(yīng)錯義突變missensemutation：突變后的密碼子編碼另一種氨基酸。個別堿基的改變導(dǎo)致多肽鏈上某個氨基酸為另一種氨基酸所取代。例：GAT突變?yōu)镃AT，編碼的氨基酸由亮氨酸變成纈氨酸。無義突變nonsensemutation：突變后的密碼子變?yōu)榻K止密碼。例：ACC突變?yōu)锳TC,編碼的氨基酸由色氨酸變?yōu)榻K止密碼子

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同義/沉默突變silentmutation：突變后的密碼子編碼的仍是同一種氨基酸。（堿基序列發(fā)生改變而氨基酸序列未發(fā)生改變的突變稱為同義/沉默突變）。例：TAA突變?yōu)锳TG，兩者都編碼異亮氨酸。同義突變的發(fā)生是由于遺傳密碼的簡并性。同義突變和沉默突變不會導(dǎo)致編碼特性的改變，但往往會引起限制酶切割位點的變化，造成DNA限制片段長度的多態(tài)性。

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四、按突變的表型變化效應(yīng)分類野生型wildtype：表現(xiàn)該物種正常表型的生物。突變型mutant：由于突變導(dǎo)致其正常的表型發(fā)生了改變的生物。形態(tài)突變型morphologicalmutant：引起細胞個體形態(tài)和菌落形態(tài)發(fā)生改變的突變型。是一種可見突變。

包括細菌鞭毛、芽孢、莢膜的有無，霉菌或放線菌的孢子的有無或顏色變化，菌落的大小，菌落表面的光滑、粗糙，以及噬菌體的大小或清晰度等的突變。第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三生化突變型：不管是形態(tài)突變、營養(yǎng)突變、條件致死突變或致死突變，都是以生物化學(xué)為基礎(chǔ)，是相應(yīng)酶的結(jié)構(gòu)活性改變，引起生化代謝的變化，所以突變型都可以認為是生化突變。

其中最典型的是營養(yǎng)缺陷型（auxotrophicmutant）：它從野生型基因突變形成。其特點是由于突變而失去合成某種代謝物質(zhì)的能力，如氨基酸、維生素等。歸入生化突變型的還有糖類分解發(fā)酵突變株，色素形成突變株及有益代謝產(chǎn)物生產(chǎn)能力突變株。第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三條件致死突變型conditionallethalmutation：是一類遺傳學(xué)分析最有用的突變性，它們的生命分界線由某種條件決定。這種突變體在允許條件下存活，在限制條件下致死。其中應(yīng)用得最廣的是溫度敏感突變型。致死突變型lethalmutant：

由于基因突變造成個體死亡的突變型。雜合狀態(tài)的顯性致死和純合狀態(tài)的隱性致死都導(dǎo)致個體的死亡第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三抗性突變型resistantmutant：是最為常見的一種突變，它包括抗藥突變、抗噬菌體突變、抗高溫突變及抗輻射突變等。使相當數(shù)量的細菌群體生活在含有一定濃度的抗性因子環(huán)境中，其中敏感菌將大量死亡，僅有極少量的細菌能夠存活并且繼續(xù)生長繁殖，這就是抗性突變體。這種突變株的產(chǎn)生，究竟是因為細菌和抗性因子之間長期接觸得到“馴化”，還是因為細菌本來就具有這種抗性突變基因呢？第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三24

1）波動實驗2）涂布實驗3）影印培養(yǎng)實驗

在1943年之前，一直是人們爭論未決的問題。次后一些科學(xué)家完成了這方面的研究，如抗噬菌體的波動試驗和涂布試驗，抗鏈霉素的影印試驗等。這些實驗所得出的信服可靠的結(jié)論終于解答了這個問題。第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三25

波動實驗fluctuationtest第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三26

E.coliB抗噬菌體a的波動測驗結(jié)果

培養(yǎng)皿編號培養(yǎng)皿上菌落數(shù)樣品來自同一培養(yǎng)物樣品來自不同培養(yǎng)物11446411021556200031352230042148107051565500861444253031726494000816512501920564030101347764815111071012040130191400151016017170111864019002035平均值16.751.43.311.35303.8方差15273.8694662040.8第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三27

涂布實驗第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三28

影印培養(yǎng)replicaplating實驗第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)突變體的形成基因突變是微生物育種的基礎(chǔ)?；蛲蛔兊慕Y(jié)果會影響或改變微生物某一形態(tài)或生化性狀。通過細胞繁殖、分裂，這種突變形成的性狀會遺傳給后代，發(fā)育成為新的遺傳型個體?；蛲蛔冏裱韵碌囊话阋?guī)律，即突變具有自發(fā)性、稀有性、隨機性、獨立性、可誘發(fā)性、可遺傳性、可逆性。某些化學(xué)、物理因素能誘發(fā)基因突變，并且通過進一步處理又可引起突變基因回復(fù)。突變是可逆轉(zhuǎn)的，突變的發(fā)生并不一定意味著突變體的產(chǎn)生及性狀的改變。由突變到突變體的形成是經(jīng)歷一個復(fù)雜的生物學(xué)過程。因此，直到今天，人們還不能完全定向控制誘發(fā)突變后獲得的突變個體的性狀。第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三30

一些細菌的抗藥性基因的突變率

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突變生成過程第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三32

（一）誘變劑接觸DNA分子之前細胞的透性影響誘變劑的誘變效應(yīng)

當化學(xué)誘變劑處理微生物細胞時，首先和細胞充分接觸，通過擴散作用誘變物質(zhì)穿過細胞壁、膜及細胞質(zhì)，才能達到核質(zhì)體，與DNA接觸。前誘變劑在細胞質(zhì)的作用下會轉(zhuǎn)化成誘變劑誘變劑透過細胞壁后還要穿過細胞質(zhì)，這個過程誘變劑也會發(fā)生一些化學(xué)變化，受到各種因素的影響，如亞硝酸和蛋白質(zhì)或游離氨基酸起反應(yīng)，使它們氧化脫去氨基，以此影響誘變效應(yīng)。一、突變體的形成過程第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三33

（二）突變發(fā)生過程誘變劑和DNA接觸后能否發(fā)生基因突變，與DNA是否處在復(fù)制狀態(tài)有密切關(guān)系。而DNA復(fù)制活躍程度與某些營養(yǎng)條件和細胞生理狀態(tài)有關(guān)。如，一個氨基酸營養(yǎng)缺陷型的大腸桿菌菌株，如果在培養(yǎng)基中除去它需要補給的氨基酸，培養(yǎng)1—2h，用亞硝基胍進行誘發(fā)回復(fù)突變，其誘變效應(yīng)顯著下降。反之，如補給所缺的氨基酸，則頻率提高。誘發(fā)效應(yīng)上升的先后次序是精氨酸、絲氨酸、脯氨酸。這些順序與各個基因在DNA上的排列次序是相吻合的。這被解釋為DNA在染色體上的復(fù)制由某一位點開始逐步向前，亞硝基胍最有效的誘變作用正好發(fā)生在復(fù)制的那個位置。

第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三又如，大腸桿菌的β-半乳糖苷酶結(jié)構(gòu)基因Z的誘發(fā)效應(yīng)，與培養(yǎng)基中加誘導(dǎo)物和不加誘導(dǎo)物有關(guān)。加誘導(dǎo)物以后，用亞硝基胍、硫酸二乙酯和甲基硫酸乙酯等誘變劑處理，它們的誘變效應(yīng)比不加誘導(dǎo)物的高6—8倍。認為這一現(xiàn)象可能由于DNA轉(zhuǎn)錄時雙鏈解開，使以上誘變劑的誘變效果處于最為有利的狀態(tài)。但如果用X射線、5-溴尿嘧啶、2-氨基嘌呤等誘變劑來進行處理時，則是否加誘導(dǎo)物對誘變效果沒有什么影響，這表明不同性質(zhì)的誘變劑和DNA雙鏈的構(gòu)形對突變都會有影響。從誘變劑進入細胞，到突變發(fā)生，會受到多種酶的作用和影響。很多實驗證明，在酶的作用下，有的誘變劑誘變作用加強了，有的卻減弱了，有的甚至完全變成另一種物質(zhì)。顯而易見，在誘變劑進入細胞后，那些對酶的活性和作用有影響的物質(zhì)及培養(yǎng)條件都將間接地影響誘變劑的誘變效應(yīng)。第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三35

（三）突變體的形成誘變劑和DNA接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，繼而使DNA上的堿基發(fā)生變化，產(chǎn)生突變。但是從突變到突變體的形成要經(jīng)過相當復(fù)雜的過程，并且不是所有的突變都能形成突變體。當一個突變發(fā)生后，要經(jīng)過復(fù)制，才能成為突變體。在復(fù)制前后過程中，生物細胞有一整套修復(fù)系統(tǒng)進行修補，還有某些校正機能的作用以及細胞中一系列酶的反應(yīng)，都有可能使突變了的DNA結(jié)構(gòu)復(fù)原，以保證遺傳物質(zhì)的相對穩(wěn)定和生物自身準確地繁殖后代。第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三36

二、突變的修復(fù)DNA分子要求保持高度的精確性和完整性保障DNA安全的修復(fù)系統(tǒng)糾正偶然的復(fù)制錯誤：如：DNA多聚酶3’→5’的校讀功能、糖基酶修復(fù)系統(tǒng)等DNA分子損傷的系統(tǒng)：如光復(fù)活修復(fù)系統(tǒng)、切除修復(fù)系統(tǒng)、重組修復(fù)系統(tǒng)、SOS修復(fù)系統(tǒng)第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三37

（一）復(fù)制錯誤修復(fù)1．DNA多聚酶的校讀功能

DNA聚合酶的3’→5’核酸外切酶活性

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2．N-糖基酶修復(fù)系統(tǒng)N-糖基酶（N-glycosylases）作用：專一識別DNA分子中的非標準堿基和堿基的衍生物。例：尿嘧啶-N-糖基酶系統(tǒng)修復(fù)機制

參與的酶——尿嘧啶N-糖基酶、AP限制性內(nèi)切酶、核酸外切酶、DNA聚合酶PolI、DNA連接酶。第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三39

尿嘧啶-N-糖基酶系統(tǒng)的修復(fù)過程第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三3.錯配修復(fù)（mismatchrepair）

識別錯配的堿基對；對錯配的一對堿基要能準確區(qū)別哪一個是錯的，哪一個是對的；切除錯誤的堿基，并進行修復(fù)合成。

第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三41

（二）損傷修復(fù)（T=T）1．光復(fù)活（photoreactivation）（又稱光修復(fù)）光復(fù)活作用：指細菌在紫外線照射后立即用可見光照射，可以顯著地增加細菌的存活率，降低突變率。光修復(fù)機制只作用于紫外線照射所形成的損傷

修復(fù)機制：光復(fù)活酶（photo-reactivatingenzyme，PR酶），催化嘧啶二聚體分解成為單體

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光復(fù)活作用第42頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三43

2．切除修復(fù)(excisionrepair)

——暗修復(fù)（Uvr修復(fù)系統(tǒng)

）是細胞的主要修復(fù)系統(tǒng)，發(fā)生在DNA復(fù)制之前，是對模板的修復(fù)。一種多步驟的酶反應(yīng)過程：限制性內(nèi)切酶、核酸外切酶、DNA聚合酶以及連接酶的協(xié)同作用

結(jié)果：使損傷的DNA分子恢復(fù)正常修復(fù)過程：切補切封第43頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三44

UvrABC限制性內(nèi)切酶切除修復(fù)系統(tǒng)

第44頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三45

限制性內(nèi)切酶

E.coli的修復(fù)內(nèi)切酶由三種亞基構(gòu)成：UvrA、UvrB、UvrC；限制性內(nèi)切酶UvrABC能修復(fù)不同類型的損傷；它識別的是DNA某一部位缺少正常的形狀如：胸腺嘧啶二聚體引起DNA雙螺旋的變形。

Uvr系統(tǒng)負責切除大量的胸腺嘧啶二聚體

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3．重組修復(fù)recombinationrepair（Rec修復(fù)系統(tǒng)）

是一種越過損傷而進行的修復(fù)不將損傷堿基除去，而是通過復(fù)制后，經(jīng)染色體交換，使子鏈上的空隙部位不再正對T=T，而是面對正常的單鏈。留在模板鏈上的二聚體：切除修復(fù)加以除去，或經(jīng)細胞分裂而稀釋第46頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三47

復(fù)制后重組修復(fù)機制

重組修復(fù)第47頁，共52頁，2023年，2月20日，星期三4.SOS修復(fù)系統(tǒng)JeamWeigle等發(fā)現(xiàn)UV感染細菌(用UV照射過)－存活率高λ噬菌體細菌(UV未照射過)－存活率低

UV-復(fù)活（UV-reactivation），也稱W-復(fù)活SOS反應(yīng)（SOS