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1、第十三章第十三章 基因突变基因突变学习要点：学习要点：1.基因突变的相关概念基因突变的相关概念 2.基因突变的分子基础基因突变的分子基础 3.突变的修复机制突变的修复机制 4.突变的检测突变的检测 5.突变的遗传学效应突变的遗传学效应思考三大问题1 突变是如何发生的突变是如何发生的(机理机理),突变的后果突变的后果(修复机修复机理理)2 如何防止突变如何防止突变3 如何利用突变如何利用突变第一节第一节 基因突变的相关概念基因突变的相关概念 一、突变的概念一、突变的概念突变突变(mutation):基因结构的改变，导致表型的改变的变基因结构的改变，导致表型的改变的变化化 突变体突变体(mutan
2、t)：具有突变表型的细胞或个体具有突变表型的细胞或个体 正向突变正向突变(forward mutation)：偏离野生型性状的突变偏离野生型性状的突变 反向突变反向突变(back mutation)：由偏离的性状回复为野生型由偏离的性状回复为野生型性状的突变性状的突变 自发突变自发突变(spontaneous mutation)：在自然条件下产生的在自然条件下产生的突变突变诱发突变诱发突变(induced mutation）：）：机体在诱发环境下产生的机体在诱发环境下产生的突变突变生化突变生化突变(biochemical mutation）：）：使机体的代谢过程发使机体的代谢过程发生改变或丧失
3、的突变生改变或丧失的突变 无效突变无效突变(null mutaion)：完全丧失原有基因功能的突变完全丧失原有基因功能的突变渗漏突变渗漏突变(leaky mutation)：部分丧失原有基因功能的突：部分丧失原有基因功能的突变变 致死突变致死突变(lethal mutation)：影响生物体的生活力，导影响生物体的生活力，导致个体死亡的突变致个体死亡的突变 条件致死突变条件致死突变(conditional lethal mutation)：在给定的在给定的某种条件下可以存活，如果缺少这种条件就会致死的突某种条件下可以存活，如果缺少这种条件就会致死的突变变二、突变类型二、突变类型 1.突变发生的
4、突变发生的 细胞类型细胞类型 体细胞突变体细胞突变(somatic mutation)Clone：无性繁殖。无性繁殖。生殖细胞突变生殖细胞突变(germinal mutation)2.突变突变 的表型的表型 (1)形态突变形态突变 morphological mutaion (2)生化突变生化突变 biochemical mutaion (3)失去功能突变失去功能突变 lossoffunction mutation (4)获得功能突变获得功能突变 gainoffunction mutation (5)致死突变致死突变 lethal mutaion (6)条件致死突变条件致死突变 conditi
5、onal lethal mutaion 三、突变的性质三、突变的性质1.稀有性稀有性2.可逆性可逆性3.多向性（随机性）多向性（随机性）第二节第二节 基因突变的分子基础基因突变的分子基础一、自发突变一、自发突变(spontaneous mutation)自发突变可能由复制错误、自发突变可能由复制错误、DNA损伤和转座作用等损伤和转座作用等引起。引起。1.DNA复制错误复制错误(errors of DNA replication)DNA碱基有碱基有互变异构体互变异构体，造成，造成DNA复制过程中的复制过程中的DNA错配。错配。转换：转换：Purine Pu;或者或者 Pyrimidine Py
6、颠换：颠换：Pu Py;或者或者PyPu 移码突变：增加或减少几个碱基移码突变：增加或减少几个碱基,导致蛋白导致蛋白质翻译错位。质翻译错位。返回返回返回返回缺失和重复：大片段碱基的缺失或重复，如缺失和重复：大片段碱基的缺失或重复，如E.coli乳糖发酵调节基因乳糖发酵调节基因lac中四碱基重复中四碱基重复序列。序列。野生型野生型:5GTCTGGCTGGCTGGC3 突变型突变型FS5:5TGGCTGGCTGGCTGGC3 突变型突变型FS2:5GTCTGGCTGGC32.DNA损伤（损伤（lesions）脱嘌呤脱嘌呤 由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏到破坏,从
7、而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从DNA分分子上脱落下来子上脱落下来.脱氨基脱氨基 C脱氨基变成脱氨基变成U;A脱氨基变成脱氨基变成H,：A AT HT HC HC AT GCB GC GU AUAU GC AT 造成转换造成转换 氧氧化化损损伤伤（oxidative lesions）:O2 OH H2O2可对可对DNA造成损伤造成损伤二、诱发突变（二、诱发突变（induced mutaion）多种理化因素都可以诱导多种理化因素都可以诱导DNA的突变的突变1.诱变机制诱变机制 碱基类似物碱基类似物 eg.5BU 和和5BrdU是胸腺是胸腺嘧啶嘧啶(T)的结构类似物的结构类似
8、物，酮式结构易与，酮式结构易与A配对；配对；烯醇式结构易与烯醇式结构易与G配对。另有配对。另有2氨基嘌呤氨基嘌呤(2AP,A类似物类似物)、5 氟尿嘧啶、氟尿嘧啶、5氯尿嘧啶等。氯尿嘧啶等。特异性错配特异性错配 eg.烷化剂烷化剂:甲基磺酸乙酯甲基磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍亚硝基胍(NG)、芥子气等。通过改芥子气等。通过改变碱基结构使碱基错配。变碱基结构使碱基错配。如：如：GC;当当G烷基化后可与烷基化后可与T配对配对，导致，导致碱基转换。碱基转换。或者烷化剂使嘌呤脱落，造成转换、颠换、或者烷化剂使嘌呤脱落，造成转换、颠换、断裂或其他突变断裂或其他突变 嵌合剂的致突作用嵌合剂的致突作用 eg
9、.吖啶类染料吖啶类染料:吖啶橙、吖啶黄素、原黄素吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对的类似物，易造成等碱基对的类似物，易造成移码突变移码突变。辐射诱导效应辐射诱导效应 (1)紫外线紫外线UV:形成嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体，如，如T二聚体，二聚体，同一条单链内，影响复制时与同一条单链内，影响复制时与A的配对，使复制的配对，使复制中止；中止；双链之间，影响双链变性，并影响复制。双链之间，影响双链变性，并影响复制。重复、缺失、移码突变重复、缺失、移码突变 (2)电离辐射：如电离辐射：如Xray、可引起碱基的降解或可引起碱基的降解或脱落，脱落，A变成变成H;C变成变成T，出现出现转换转换。物理物理物理化学
10、物理化学生物化学生物化学大分子损大分子损伤伤黄曲霉的作用黄曲霉的作用 使鸟嘌呤使鸟嘌呤G脱落脱落，SOS修复引入修复引入A,造成突变。造成突变。2.碱基替换的遗传效应碱基替换的遗传效应 ()同义突变（同义突变（samesense mutation）不改变氨基酸不改变氨基酸的密码子变化，与密码子的兼并性有关的密码子变化，与密码子的兼并性有关.如如GAU/GACAsp.()错义突变（错义突变（missense mutation）碱基替换的结果碱基替换的结果引起氨基酸序列的改变引起氨基酸序列的改变.()无义突变（无义突变（nonsense mutation）编码区的单碱基编码区的单碱基突变导致终止密
11、码子突变导致终止密码子(UAG/UGA/UAA)的形成的形成,使使 mRNA的翻译提前终止的翻译提前终止,形成不完全的肽链形成不完全的肽链.如镰刀型贫血症：血红蛋白如镰刀型贫血症：血红蛋白B链链(146Aa)，6号氨基酸号氨基酸的替换的替换,导致明显的表型症状。导致明显的表型症状。GluVal,若若Glu Asp则影响较小。则影响较小。3.移码突变及其产生移码突变及其产生 在基因的外显子中插入或缺失在基因的外显子中插入或缺失1,2或或4个核苷酸个核苷酸,使阅读使阅读信息发生错位信息发生错位,从而使翻译的蛋白质序列与原来完全不从而使翻译的蛋白质序列与原来完全不同同.eg.E.coli中乳糖发酵的
12、调节基因中乳糖发酵的调节基因(lac):野生型野生型:5GTCTGGCTGGCTGGC3 移码突变移码突变:5GTCTGGCTGGCTGGCTGGC3 移码突变移码突变:5GTCTGGCTGGC34.突变热点和增变基因突变热点和增变基因 基因中基因中 某些位点比其它位点突变率高，称某些位点比其它位点突变率高，称突变热点。突变热点。Eg.分析分析T4Phage r 基因基因1500个突变体个突变体：r A(1800bp)有有200个位点；个位点；r B(850bp)有有108个位点个位点。形成原因：形成原因：1.5MeC的存在，的存在，5甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(MeC)脱氨基后变脱氨基后变成成T,
13、使使GC部位转变成部位转变成AT部位；部位；2.短的重复序列短的重复序列的存在，容易配对错位，造成重复的存在，容易配对错位，造成重复或缺失或缺失3.与与诱变剂类型诱变剂类型有关，不同诱变剂出现不同的热点。有关，不同诱变剂出现不同的热点。4.增变基因增变基因(mutator gene)：该基因的突变会使该基因的突变会使整个基因组的突变频率增高，整个基因组的突变频率增高，eg.A.DNA多聚酶基因，突变后使多聚酶的多聚酶基因，突变后使多聚酶的3 5校正功能降低或丧失，使基因组突变频校正功能降低或丧失，使基因组突变频率增高；率增高；B.dam基因，突变后使碱基的错配修复功能基因，突变后使碱基的错配修
14、复功能降低或丧失，使基因组突变频率增高。降低或丧失，使基因组突变频率增高。三、诱变与肿瘤三、诱变与肿瘤 肿瘤的形成与否取决于机体中癌基因和抑癌肿瘤的形成与否取决于机体中癌基因和抑癌基因的平衡，抑癌基因突变会致癌基因的平衡，抑癌基因突变会致癌。一些诱变剂一些诱变剂可以特异性的诱导抑癌基因突变，导致肿瘤发生。可以特异性的诱导抑癌基因突变，导致肿瘤发生。eg.黄曲霉素黄曲霉素、UV(ultraviolet)等等.黄曲霉素黄曲霉素可诱导可诱导P53基因基因G T颠换颠换，导致，导致肝癌的发生；肝癌的发生；UV可诱导可诱导P53基因基因5 TC3发生发生C T颠换颠换，形成形成“T二聚体二聚体”，导致人
15、类鳞状细胞皮肤癌的，导致人类鳞状细胞皮肤癌的发生。发生。四、定点诱变四、定点诱变 定义：定义：利用人工合成的寡核苷酸，在离利用人工合成的寡核苷酸，在离体的条件下，制造基因中任何部位的位点特体的条件下，制造基因中任何部位的位点特异性突变的技术异性突变的技术。反义遗传学（反义遗传学（reverse genetics）:合成合成连接连接(单链单链M13)复制复制转化转化检测检测第三节生物体对突变的修复机制第三节生物体对突变的修复机制一一 光复活光复活(photoreactivation)1.概念：在可见光存在的条件下，在光复活酶作概念：在可见光存在的条件下，在光复活酶作用下将用下将UV引起嘧啶二聚体
16、分解为单体的过程。引起嘧啶二聚体分解为单体的过程。2.条件：可见光条件：可见光(300600nm)、PR酶、嘧啶二聚酶、嘧啶二聚体体 3.作用过程：作用过程：P317 光复活酶与光复活酶与T=T结合形成复合物结合形成复合物;复合物吸收可见光切断复合物吸收可见光切断T=T之间的之间的CC共共价键价键,使二聚体变成单体使二聚体变成单体;光复酶从光复酶从DNA链解离链解离.*光复活是原核生物中的一种主要修复形式。光复活是原核生物中的一种主要修复形式。二二 切除修复切除修复1.概念概念:（核苷酸外切修复、暗修复）先在损伤的（核苷酸外切修复、暗修复）先在损伤的任何一端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡核任
17、何一端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡核苷酸；留下的缺口由修复性合成来填补，再由连苷酸；留下的缺口由修复性合成来填补，再由连接酶将其连接起来。酶作用不需要光的激活，但接酶将其连接起来。酶作用不需要光的激活，但黑暗不是必要条件。黑暗不是必要条件。2.特点：消除由特点：消除由UV引起的损伤，也能消除由电离引起的损伤，也能消除由电离辐射和化学诱变剂引起的其他损伤辐射和化学诱变剂引起的其他损伤。切除的片段。切除的片段可由几十到上万可由几十到上万bp，分别称短补丁修复、长补丁分别称短补丁修复、长补丁修复。修复。3.过程：过程：内切酶的作用在内切酶的作用在DNA损伤的一端损伤的一端,切开形成切开形成一个切
18、口一个切口;外切酶的作用将损伤部位切除外切酶的作用将损伤部位切除;聚合酶的作用将切口补齐聚合酶的作用将切口补齐,留下一个切口留下一个切口;连接酶的作用将连接酶的作用将DNA连接形成完整的连接形成完整的DNA链。链。返回返回返回返回4.特异性切除修复特异性切除修复 E.coli 中明显的损伤，可在中明显的损伤，可在UvrA、UvrB、UvrC的的作用下得以修复，但不明显的损伤需要特异性修复。作用下得以修复，但不明显的损伤需要特异性修复。(1)糖基化酶修复：如果碱基被共价修饰，糖基化酶可作糖基化酶修复：如果碱基被共价修饰，糖基化酶可作用于用于CN糖苷键，使碱基释放，糖苷键，使碱基释放，产生无碱基产
19、生无碱基(AP)位点位点,再由再由AP内切酶修复系统修复。内切酶修复系统修复。(2)AP内切酶修复系统修复：也由内切酶修复系统修复：也由内切内切、外切外切、聚合聚合和和连接连接四种酶活性来完成，以修复四种酶活性来完成，以修复AP位位点。点。*以上两种修复过程都没有涉及到以上两种修复过程都没有涉及到DNA的重的重组组,属于无误差的修复属于无误差的修复。三三 重组修复重组修复1.概念概念:通过对通过对DNA的复制和同源链的重组，来完的复制和同源链的重组，来完成对损伤部位的修复，又称复制后修复。成对损伤部位的修复，又称复制后修复。2.特点特点:修复过程伴随修复过程伴随DNA的复制和重组；的复制和重组
20、；仅修复新合成的不完整的单链，原先的损伤仅修复新合成的不完整的单链，原先的损伤单链仍然保留；单链仍然保留；部分重组蛋白的精确性差，修复的出错率较部分重组蛋白的精确性差，修复的出错率较高。高。3.重组修复过程重组修复过程：(1)复制：以损伤单链为模板复制时，越过损伤部位，对复制：以损伤单链为模板复制时，越过损伤部位，对应位点留下缺口；未损伤单链复制成完整双链。应位点留下缺口；未损伤单链复制成完整双链。(2)重组：缺口单链与完整同源单链重组，缺口转移到完重组：缺口单链与完整同源单链重组，缺口转移到完整链，使损伤单链的互补链完整，损伤单链仍然保留。整链，使损伤单链的互补链完整，损伤单链仍然保留。(3
21、)再合成：转移后的缺口以新的互补链为模板聚合补齐。再合成：转移后的缺口以新的互补链为模板聚合补齐。四四 SOS修复修复1.1.概念：是在概念：是在DNADNA分子受损伤的范围较大而且复制分子受损伤的范围较大而且复制受到抑制时出现的一种应急修复作用。受到抑制时出现的一种应急修复作用。2.2.可能的机理可能的机理:过程过程 当当DNADNA损伤较大时损伤较大时(如产生很多的如产生很多的T=T)T=T)，正常正常的的DNADNA多聚酶复制到损伤位点时，其活性受到抑多聚酶复制到损伤位点时，其活性受到抑制；制；返回返回返回返回短暂抑制后产生一种新的短暂抑制后产生一种新的DNA多聚酶，催化多聚酶，催化损伤
22、部位损伤部位DNA的复制，由于新的的复制，由于新的DNA多聚酶多聚酶的修复校正功能较低，新合成的碱基错配频的修复校正功能较低，新合成的碱基错配频率较高，易引起突变。率较高，易引起突变。3.特点：特点：修复系统需要在修复系统需要在DNA分子受损伤的范围分子受损伤的范围较大而且较大而且复制受到抑制时才能够启动复制受到抑制时才能够启动。修复系统对错配碱基的修复校正功能低修复系统对错配碱基的修复校正功能低下，从而增加突变的频率。下，从而增加突变的频率。在紧急情况下，细胞通过一定水平的变异在紧急情况下，细胞通过一定水平的变异来换取细胞的幸存，有利于细胞逃生。来换取细胞的幸存，有利于细胞逃生。4.SOS系
23、统的启动：系统的启动：通过操纵子通过操纵子(结构基因、启动子、操纵基因、调节基因结构基因、启动子、操纵基因、调节基因)来实现：来实现：A.SOS基因基因：recA基因、基因、UvrA、UvrB、UmuC等，等，也称也称din基因基因(damage inducible gene)，为操纵子的结构为操纵子的结构基因；基因；B.lex基因：阻遏蛋白基因，正常情况下结合基因：阻遏蛋白基因，正常情况下结合在操纵基因上；在操纵基因上；C.recA基因：重组蛋白基因，基因：重组蛋白基因，应急状态下启动应急状态下启动蛋白质水解酶活性，水解阻遏蛋白蛋白质水解酶活性，水解阻遏蛋白，使，使din基基因高效表达，从而
24、启动因高效表达，从而启动SOS修复系统。修复系统。五五 电离辐射损伤的修复电离辐射损伤的修复1电离辐射效应电离辐射效应 2电离辐射的修复电离辐射的修复 氢键断裂：氢键断裂：1.电离辐射效应电离辐射效应 共价键断裂：共价键断裂：交联作用：交联作用：2.电离辐射的修复：电离辐射的修复：1、超快修复、超快修复(0,2min)(E.coli)无无O2、单链单链 (DNA连接酶连接酶)2、快修复、快修复(几分钟几分钟)其余其余90断裂单链断裂单链(聚合酶聚合酶)3、慢修复、慢修复(37,4060min)剩余单链剩余单链 (重组修复酶系统重组修复酶系统)六六 修复缺陷与人类疾病修复缺陷与人类疾病1.着色性
25、干皮病着色性干皮病(XP,xeroderma pigmentosum)位于位于1p的隐性基因控制，干性皮肤伴随神经系统疾的隐性基因控制，干性皮肤伴随神经系统疾病，由切除二聚体能力缺损造成。病，由切除二聚体能力缺损造成。2.Cockayne Syndrome(CS)侏儒、视网膜萎缩。由缺损紫外线引起的侏儒、视网膜萎缩。由缺损紫外线引起的DNA损伤损伤修复系统引起。修复系统引起。3.共济失调毛细血管扩张症共济失调毛细血管扩张症 4.早老症早老症第四节、基因突变的检测第四节、基因突变的检测一、大肠杆菌一、大肠杆菌 突变体的检测突变体的检测 1.影印法影印法StrR突变体突变体 单菌落单菌落基本培养基
26、本培养所有菌落生长所有菌落生长挑选抗性菌落挑选抗性菌落抗性培养抗性培养 StrR培养培养抗性菌落生长抗性菌落生长 (影印影印)StrR 菌落菌落 2.青霉素法青霉素法营养缺陷突变体营养缺陷突变体 （验证）（验证）（验证）（验证）二二 真菌营养缺陷型的检出真菌营养缺陷型的检出菌丝过滤法菌丝过滤法麦孢菌营养缺陷型麦孢菌营养缺陷型 三三 果蝇突变的检出果蝇突变的检出1.性连锁基因隐性突变的检出性连锁基因隐性突变的检出(ClB法法、Muller 5)(1)ClB品系：品系：C交换抑制因子；交换抑制因子；l隐性致死隐性致死突变；突变；B棒眼棒眼 检出步骤检出步骤：A.将待测的将待测的果蝇与杂合果蝇与杂合
27、（ClB/+）果蝇杂交；果蝇杂交；B.将将F1 ClB 与与F1（野生型）野生型）单对杂交单对杂交，目的是检查某一特定，目的是检查某一特定X染色体上的突染色体上的突变；变；返回返回返回返回Step Step Step Step 类似类似类似类似L L纯合纯合纯合纯合B B C.观察分析：观察分析：有有X隐性致死突变，隐性致死突变，F2 无雄蝇无雄蝇(:ClB和和l死亡死亡);隐性非致死突变，隐性非致死突变，F2预期预期:=2:1，突突变性状只在变性状只在F2雄蝇表现，雄蝇表现，F1ClB中不表现；中不表现；无无X隐性突变，在隐性突变，在F2 仅表现简单的仅表现简单的:=2:1。(2)Mulle
28、r-5法：A.Muller5品系品系:B(棒眼棒眼)Wa(杏眼杏眼)sc(小盾小盾片少刚毛片少刚毛)并具重复倒位。并具重复倒位。B.检出步骤检出步骤:.将待测的将待测的果蝇与纯合果蝇与纯合Muller果蝇杂果蝇杂交交.将将F1 自交自交,目的是检查某一特定目的是检查某一特定X染色体上的突变染色体上的突变.返回返回返回返回.观察分析观察分析F2：如果无如果无X隐性致死突变预期隐性致死突变预期F2:=1:1 表表型比为简单的型比为简单的1:1:1:1;如果有如果有X隐性致死突变预期隐性致死突变预期F2:=2:1 表表型比型比1:1:1;如果有隐性非致死突变如果有隐性非致死突变 在在F2 中可见突变
29、。中可见突变。返回返回返回返回2.常染色体突变常染色体突变平衡致死平衡致死系系(Cy和和S)将待测的将待测的果蝇与果蝇与平衡致死系平衡致死系(Cy,S)果蝇杂果蝇杂交，交，F1二种表型；二种表型；F1中的一种类型与平衡致死系做单对杂交，中的一种类型与平衡致死系做单对杂交，F2出现三种表型出现三种表型(任一性状隐性致死任一性状隐性致死)；将将F2中除平衡致死系以外的一种类型自交得中除平衡致死系以外的一种类型自交得F3 观察分析观察分析F3：返回返回返回返回 a.如果有隐性致死突变，则如果有隐性致死突变，则F3只有一种只有一种类型，卷翅（或星状眼）类型，卷翅（或星状眼）b.如无突变，则如无突变，则F3中除有卷翅（或星状中除有卷翅（或星状眼）外，还有野生型眼）外，还有野生型 c.如有隐性非致死突变，则如有隐性非致死突变，则F3中除卷翅中除卷翅（或星状眼）外，还有突变类型。（或星状眼）外，还有突变类型。检出特点检出特点：只能检出常染色体，且与平衡致：只能检出常染色体，且与平衡致死系同号染色体上的基因突变。死系同号染色体上的基因突变。四四 植物突变的检出植物突变的检出玉米胚乳颜色的检出玉米胚乳颜色的检出 精子精子(C)极核极核(cc)胚乳胚乳(Ccc)有有色色亲本亲本 精子精子(c)极核极核(cc)胚乳胚乳(ccc)白色白色 (突变突变)