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1、遗传与变异的概念遗传与变异的概念遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。遗传遗传(heredity)(heredity)：亲代生物的性状在子代得到亲代生物的性状在子代得到表现；亲代将自身一整套遗传信息传递给下一表现；亲代将自身一整套遗传信息传递给下一代的行为和功能。特点：具稳定性。代的行为和功能。特点：具稳定性。遗传型（遗传型（genotypegenotype）：）：又称基因型，指某一生又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；物个体所含有的全部基因的总和；-是一种内是一种内在可能性或潜力在可能性或潜力。表型（表型（phenotypephenotyp
2、e）：）：指生物体所具有的一切外指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和表特征和内在特性的总和;-;-是一种是一种现实存在，现实存在，是是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状的具体性状。变变异异(variation):生生物物体体在在外外因因或或内内因因的的作作用用下下，遗遗传物质的结构或数量发生改变。传物质的结构或数量发生改变。饰饰变变（modification）：指指不不涉涉及及遗遗传传物物质质结结构构改改变变而而只发生在转录、转译水平上的表型变化。只发生在转录、转译水平上的表型变化。特点是：特点是：细菌的变异现象细菌的变异现象形态、结
3、构变异形态、结构变异毒力变异毒力变异耐药性变异耐药性变异菌落变异菌落变异形态结构变异3-6%食盐鼠疫耶氏菌多形态性陈旧培基物青霉素、溶菌酶正常形态细菌L型变异抗体或补体(部分或完全失去胞壁)特殊结构的变异42-43炭疽杆菌失去形成芽孢能力,毒性降低10-20天变形杆菌0.1%石炭酸迁徙生长（H）点状生长、单个菌落（O）鞭毛变异毒力变异增强棒状噬菌体白喉棒状杆菌获得白喉毒素减弱胆汁、甘油、马铃薯培养基牛分枝杆菌卡介苗13年(230代)耐药性变异细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。金黄色葡萄球菌有些细菌还同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。含链霉素培基痢疾杆菌
4、依链株长期培养菌落变异在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落粗糙型菌落SR原因：失去LPS的特异多糖 凡游离于原核生物核基因组之外，具有独立复制凡游离于原核生物核基因组之外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状的双链能力的小型共价闭合环状的双链DNADNA分子分子量约分子分子量约为为100 100 10 106 6 D.D.携带携带1 1100100个基因个基因,一个菌细胞一个菌细胞可有一至数十个质粒。可有一至数十个质粒。Structure of a bacterium highlighting the bacterial plasmid.三、原核生物的质粒三、原核生物的质粒2 2 质粒的特点：质粒的
5、特点：1、可以在细胞质中、可以在细胞质中独立独立于染色体之外（即以游离于染色体之外（即以游离状态）存在，也可以插入到染色体上以状态）存在，也可以插入到染色体上以附加体附加体(某某些可以与染色体发生整合与脱离的质粒）些可以与染色体发生整合与脱离的质粒）的形式的形式存在；存在；2、在细胞分裂时，可以不依赖于细菌染色体而、在细胞分裂时，可以不依赖于细菌染色体而独独立立进行自我进行自我复制复制，也可以插入到细菌染色体中，也可以插入到细菌染色体中与与染色体一道进行复制染色体一道进行复制；3、质粒可以通过转化、转导或接合作用而由一个、质粒可以通过转化、转导或接合作用而由一个细胞转移到另一个细胞，使两个细胞
6、都成为带有细胞转移到另一个细胞，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒的细胞；4、质粒对于细胞生存并不是必要的。、质粒对于细胞生存并不是必要的。存在范围存在范围：很多细菌如：很多细菌如E.coliE.coli、ShigellaShigella、S.aureusS.aureus、Streptococcus Streptococcus lactislactis、根癌土壤杆菌根癌土壤杆菌等等制备：制备：包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体和蛋白质等成分、去除蛋白质等成分、去除RNARNA和蛋白质等步骤。和蛋白质等步骤。鉴定：鉴定：电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制
7、性酶电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性酶切图谱等方法切图谱等方法3 3 质粒的种类：质粒的种类：1、大肠杆菌的大肠杆菌的F F因子因子2 2、细菌抗药质粒（细菌抗药质粒（R R因子）因子）3 3、大肠杆菌素质粒（、大肠杆菌素质粒（ColCol因子）因子）4 4、TiTi质粒质粒5 5、降解质粒、降解质粒6 6、毒性质粒、毒性质粒 4.1 F4.1 F因子（因子（fertility factorfertility factor）：）：又又称称致育因子或性因子致育因子或性因子，621062106 6DaltonDalton，94.5kb94.5kb，相当于核染色体相当于核染色体DNA2%DNA2
8、%的的环状双链环状双链DNADNA，足以编码足以编码9494个中等大小多肽，含有与个中等大小多肽，含有与质质粒复制和转移粒复制和转移有关的许多基因和一些有关的许多基因和一些转座因转座因子（可以整合到宿主核染色体上的一定部位）子（可以整合到宿主核染色体上的一定部位）。决定性别（决定性别（F+F+雄性；雄性；F-F-雌性）。雌性）。tra基因编码性纤毛蛋白；基因编码性纤毛蛋白；IS2和和IS3为插入序列；为插入序列；Tn1000为转座子。为转座子。插入序列插入序列只携带与其转只携带与其转座相关的基因，编码特座相关的基因，编码特殊的酶和调节蛋白，不殊的酶和调节蛋白，不给与细菌表型特征，但给与细菌表型
9、特征，但其插入会影响读码。其插入会影响读码。转座子转座子携带有能赋予宿携带有能赋予宿主某种遗传特性的基因。主某种遗传特性的基因。R因子因子由相连的两个由相连的两个DNA片段组成，即片段组成，即抗性转移因抗性转移因子子（resistence transfor factor，RTF）和和抗性决定抗性决定R因子因子（r-determinant）。）。RTF为分子量约为为分子量约为11106Dalton，控制质粒拷贝数控制质粒拷贝数及复制和转移及复制和转移。抗性决定因子大小不固定，从几百万到抗性决定因子大小不固定，从几百万到100106Dalton以上。其上带有以上。其上带有各种抗生素的抗性基各种抗生
10、素的抗性基因因。4.2 R因子（因子（resistence factor）产大肠杆菌素因子产大肠杆菌素因子。大肠杆菌素是由大肠杆菌素是由E.coliE.coli的某些菌株所分泌的的某些菌株所分泌的细细菌素菌素，能通过抑制复制、转录、转译或能量代，能通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地谢等而专一地杀死其它肠道细菌杀死其它肠道细菌。其分子量约。其分子量约4104104 48108104 4DaltonDalton。大肠杆菌素都是由大肠杆菌素都是由ColCol因子编码的。因子编码的。凡带凡带ColCol因子的菌株，由于质粒本身编码一种因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素
11、有免疫作用，不免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。受其伤害。4.3 Col因子因子（colicinogenic factor）即即诱癌质粒诱癌质粒。存在于存在于根癌土壤杆菌根癌土壤杆菌（Agrobacterium Agrobacterium tumefacienstumefaciens）中中,可引起许多可引起许多双子叶植物的根癌双子叶植物的根癌。当细菌侵入植物细胞中后，在其细胞中溶解，把细当细菌侵入植物细胞中后，在其细胞中溶解，把细菌的菌的DNADNA释放到植物细胞中。这时，含有复制基因释放到植物细胞中。这时，含有复制基因的的TiTi质粒的质粒的T-DNAT-DNA小片段与植物细
12、胞中的核染色体小片段与植物细胞中的核染色体发生整合，合成正常植株所没有的冠瘿碱类，破坏发生整合，合成正常植株所没有的冠瘿碱类，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。细胞。4.4 Ti质粒质粒（tumor inducing plasmid）农杆菌农杆菌限制性酶限制性酶内切及内切及DNA连接连接外源基因外源基因DNA/CDNA转入培转入培养的植养的植物细胞物细胞插入插入新基新基因的因的DNA重建植重建植物体物体表现出新性表现出新性状的植株状的植株农杆菌农杆菌Ti质粒转化植物的技术质粒转化植物的技术TiTi质粒长质粒长200kb200kb，
13、是一个大型质粒。当前，是一个大型质粒。当前，TiTi质粒已成为质粒已成为植物遗传工程研究中的重要植物遗传工程研究中的重要载体载体。一些具有重要性状的外源基因可借。一些具有重要性状的外源基因可借DNADNA重组技术设法插入到重组技术设法插入到TiTi质粒中，并进一质粒中，并进一步使之整合到植物染色体上，以改变该植步使之整合到植物染色体上，以改变该植物的遗传性，达到培育植物优良品种的目物的遗传性，达到培育植物优良品种的目的。的。降解质粒降解质粒：具有分解多种特殊有机化合物：具有分解多种特殊有机化合物能力的因子。如分解甲苯的能力的因子。如分解甲苯的TOL质粒。质粒。毒性质粒毒性质粒：携带编码产生毒素
14、基因的质粒，：携带编码产生毒素基因的质粒，如苏云金杆菌中编码内毒素的质粒，如苏云金杆菌中编码内毒素的质粒，Col质质粒也是毒性质粒。粒也是毒性质粒。第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种基因突变（基因突变（基因突变（基因突变（mutation mutation mutation mutation）：）：）：）：生物体在外因或内因的作用生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。下，遗传物质的结构或数量发生改变。突变体突变体（mutantmutant）：）：发生了突变的微生物细胞或菌株。发生了突变的微生物细胞或菌株。野生型（野生型（wild typewild type）
15、：）：从自然界分离到的任何微生物从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的原始菌株。在其发生突变前的原始菌株。依表型的改变分为：依表型的改变分为：营养缺陷型营养缺陷型因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变类型。类型。抗性突变型抗性突变型因突变而产生了对某种化学药物或致死物因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性。理因子的抗性。条件致死突变型条件致死突变型突变后在某种条件下可正常生长繁殖，突变后在某种条件下可正常生长繁殖，而在另一条件下却无法生长繁殖的
16、突变型。而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型。形态突变型形态突变型由突变引起的个体或菌落形态的变异。由突变引起的个体或菌落形态的变异。抗原突变型抗原突变型因突变而引起的抗原结构发生改变因突变而引起的抗原结构发生改变产量突变型产量突变型通过基因突变而产生的在代谢产物产量上通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株。明显有别于原始菌株的突变株。（一）基因突变的类型（一）基因突变的类型按按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：来分：选择性突变株（选择性突变株（selective mutant）：）：具有选择标记具有选择标记（如营养缺
17、陷型、抗性突变型、条件致死突变型），（如营养缺陷型、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、pH值值等，就比较容易检出和分离到。等，就比较容易检出和分离到。非选择性突变株（非选择性突变株（non-selective mutant）：无选择标无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。出差异。定义：定义：每一细胞在每一世代中发生某一性每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。状突
18、变的几率。突变率为突变率为101088是指该细胞在一亿次细胞分是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变。裂中，会发生一次突变。突变率也可以用每一单位群体在每一世代突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株中产生突变株（mutantmutant，即突变型）的数即突变型）的数目来表示。如一个含目来表示。如一个含10108 8个细胞的群体，当个细胞的群体，当其分裂为其分裂为2102108 8个细胞时，平均发生一次个细胞时，平均发生一次突变的突变率也是突变的突变率也是101088 。（二）突变率（二）突变率突变率突变率=突变细胞数突变细胞数/分裂前群体细胞数分裂前群体细胞数突变是突变是独立独
19、立的的。某一基因发生突变。某一基因发生突变不会影不会影响响其它基因其它基因的突变率。在同一个细胞中同的突变率。在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的，因时发生两个基因突变的几率是极低的，因为双重突变型的几率只是各个突变几率的为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积。乘积。由于突变的几率一般都极低，因此，必须由于突变的几率一般都极低，因此，必须采用检出选择性突变株的手段，尤其是采采用检出选择性突变株的手段，尤其是采用用检出营养缺陷型的恢复突变株检出营养缺陷型的恢复突变株（back back mutantmutant或或reverse mutantreverse mutant）或）或抗性
20、突变株抗性突变株特别是抗药性突变株的方法来加以确定。特别是抗药性突变株的方法来加以确定。若干细菌某一性状的自发突变率若干细菌某一性状的自发突变率菌菌 名名 突变性状突变性状突变率突变率E.coliE.coli抗抗T1T1噬菌体噬菌体3 103 1088E.coliE.coli抗抗T3T3噬菌体噬菌体1 101 1077 E.coliE.coli不发酵乳糖不发酵乳糖1 101 101010E.coliE.coli 抗抗紫外线紫外线1 101 1055Staphylococcus aureusStaphylococcus aureus 抗青霉素抗青霉素1 101 1077S.aureusS.aur
21、eus 抗链霉素抗链霉素1 101 1099 Salmonella typhiSalmonella typhi抗抗2525 g/Lg/L链霉素链霉素1 101 106 6 Bacillus megateriumBacillus megaterium 抗异烟肼抗异烟肼5 105 1055 （三）突变的特点（三）突变的特点不不对对应应性性：突突变变的的性性状状与与突突变变原原因因之之间间无无直直接接的的对对应应关系。关系。自自发发性性：突突变变可可以以在在没没有有人人为为诱诱变变因因素素处处理理下下自自发发地地产生。产生。稀有性稀有性：突变率低且稳定。：突变率低且稳定。独立性独立性：各种突变独立发
22、生，不会互相影响。：各种突变独立发生，不会互相影响。可诱发性可诱发性：诱变剂可提高突变率。：诱变剂可提高突变率。稳定性稳定性：变异性状稳定可遗传。：变异性状稳定可遗传。可逆性可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变，从突变株回到野生型的过程则称为回复突变。向突变，从突变株回到野生型的过程则称为回复突变。（四）基因突变的自发性和不对应性的证明（四）基因突变的自发性和不对应性的证明在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相当长时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。当长时间内对这种抗性产生的原因争
23、论十分激烈。一种观点认为，一种观点认为，突变是通过适应而发生的突变是通过适应而发生的，即各种，即各种突变是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出突变是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，并认为这就是来的，并认为这就是“定向变异定向变异”，也有人称它为，也有人称它为“驯化驯化”或或“驯养驯养”。另一种看法则认为，另一种看法则认为，基因突变是自发的基因突变是自发的，且与环境，且与环境是不相对的。是不相对的。从从19431943年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了检出在检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株接触抗性因子前已产生的自发突变
24、株的难题，终于解的难题，终于解决了这场纷争。决了这场纷争。平板影印培养试验平板影印培养试验（replica plating）19521952年，年，J.LederbergJ.Lederberg夫妇的论文夫妇的论文平板影印培养法和细菌平板影印培养法和细菌突变株的间接选择突变株的间接选择，更好地证明了微生物的抗药性是在未，更好地证明了微生物的抗药性是在未接触药物前自发地产生的，这一突变与相应药物环境毫不相接触药物前自发地产生的，这一突变与相应药物环境毫不相干。干。平板影印培养法平板影印培养法，是一种能达到在，是一种能达到在一系列培养皿一系列培养皿的的相同位置相同位置上上出现出现相同遗传型菌落相同遗
25、传型菌落的接种培养方法：的接种培养方法：把长有许多菌落的母种培养皿倒置于包有灭菌丝绒布的把长有许多菌落的母种培养皿倒置于包有灭菌丝绒布的木质圆柱印章上，使其沾上来自平板上的菌落。然后可把这木质圆柱印章上，使其沾上来自平板上的菌落。然后可把这一一“印章印章”上的菌落一一接种到不同的选择性培养基平板上。上的菌落一一接种到不同的选择性培养基平板上。待这些平板培养后，对各平板相同位置上的菌落作对比后，待这些平板培养后，对各平板相同位置上的菌落作对比后，就可选出适当的突变型菌株。就可选出适当的突变型菌株。因此，通过影印培养法，就可以因此，通过影印培养法，就可以从从从从在非选择性条件下生在非选择性条件下生
26、长的细菌群体中，分离出各种类型的突变株。长的细菌群体中，分离出各种类型的突变株。平平板板影影印印培培养养法法在根本未接触过任何一点链霉素的情况下，就可以筛选到大量抗链霉在根本未接触过任何一点链霉素的情况下，就可以筛选到大量抗链霉素的突变株，充分说明了突变是自发产生的，链霉素只是起到了一种检出素的突变株，充分说明了突变是自发产生的，链霉素只是起到了一种检出作用。作用。平板影印培养不仅在微生物遗传理论的研究中有重要应用，而且在育平板影印培养不仅在微生物遗传理论的研究中有重要应用，而且在育种时间和其它研究中均有应用，值得很好地领会。种时间和其它研究中均有应用，值得很好地领会。第三节第三节 细菌的基因
27、转移和重组细菌的基因转移和重组结合结合（conjugationconjugation）：两个细菌通过性菌毛沟通，）：两个细菌通过性菌毛沟通，将质粒上的遗传物质从供体菌转移给受体菌的过程。将质粒上的遗传物质从供体菌转移给受体菌的过程。转导转导（transductiontransduction）：通过完全缺陷或部分缺陷）：通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体为载体，将供体菌的一段噬菌体为载体，将供体菌的一段DNADNA转移到受体菌内，转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。使受体菌获得新的性状。转化转化（transformationtransformation）：受体细胞从外界直接吸）：受体细胞从外界直接吸
28、收来自供体细胞的遗传物质（收来自供体细胞的遗传物质（DNADNA片段或质粒片段或质粒DNADNA），），从而引起生物遗传性状的改变。从而引起生物遗传性状的改变。带上宿主带上宿主染色体的染色体的遗传因子遗传因子转化转化（transformationtransformation）：受体细胞从外）：受体细胞从外界直接吸收来自供体细胞的遗传物质（界直接吸收来自供体细胞的遗传物质（DNADNA片段或质粒片段或质粒DNADNA），从而引起生物遗传性状），从而引起生物遗传性状的改变。的改变。转化子转化子：经转化后出现了供体性状的受体：经转化后出现了供体性状的受体细胞。细胞。转化因子：有转化活性的外来转化因子
29、：有转化活性的外来DNADNA片段。片段。感受态：细菌能从周围环境中吸收感受态：细菌能从周围环境中吸收DNADNA分子分子进行转化的生理状态。进行转化的生理状态。，交换重组，交换重组感受态：促进感受态：促进自溶素自溶素的表达，的表达，使细胞表面的使细胞表面的DNA结合蛋白结合蛋白和和核酸酶核酸酶裸露裸露出来，从而使出来，从而使其能与外源其能与外源DNA结合并对结合并对DNA进行切割，进行切割，只有一条链能只有一条链能与特异蛋白结与特异蛋白结合进入细胞。合进入细胞。另一条链被核另一条链被核酸酶降解，产酸酶降解，产生的能量用于生的能量用于核酸链的进入。核酸链的进入。转导转导（transductio
30、ntransduction）：通过完全缺陷或部分缺）：通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体为载体，将供体菌的一段陷噬菌体为载体，将供体菌的一段DNADNA转移到受体转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。菌内，使受体菌获得新的性状。转导子转导子：通过转导获得供体细胞部分遗传性状的：通过转导获得供体细胞部分遗传性状的重组受体细胞。重组受体细胞。转导噬菌体转导噬菌体(转导颗粒）：转导颗粒）：携带供体部分遗传物质携带供体部分遗传物质的噬菌体。仅含有供体的噬菌体。仅含有供体DNADNA的称为完全缺陷噬菌体；的称为完全缺陷噬菌体；同时含有供体同时含有供体DNADNA和噬菌体和噬菌体DNADNA的称为部分缺陷噬的称
31、为部分缺陷噬菌体。菌体。转导方式转导方式普遍性转导普遍性转导：转导噬菌体可携带供体基因组中的：转导噬菌体可携带供体基因组中的任何一部分染色体片段，在感染受体时，所有转任何一部分染色体片段，在感染受体时，所有转导基因都能以相同的频率转移，使受体获得这部导基因都能以相同的频率转移，使受体获得这部分遗传性状。分遗传性状。局限性转导局限性转导：当某一溶源菌群经诱导后，其中极：当某一溶源菌群经诱导后，其中极少数原噬菌体从宿主染色体脱落时产生错误切割，少数原噬菌体从宿主染色体脱落时产生错误切割，从而把宿主的某些基因整合到噬菌体的基因组上，从而把宿主的某些基因整合到噬菌体的基因组上，当这样的噬菌体侵染另一宿
32、主菌时，使受体菌获当这样的噬菌体侵染另一宿主菌时，使受体菌获得了这部分的遗传性状。得了这部分的遗传性状。1952，Zinder和Lederberg，鼠伤寒沙门氏菌。普普遍遍性性转转导导的的机机制制缺陷性半乳糖转导噬菌体缺陷性半乳糖转导噬菌体缺陷性生物素转导噬菌体缺陷性生物素转导噬菌体第四章第四章 微生物的诱变微生物的诱变诱变剂诱变剂（mutagenmutagen）：）：凡能提高突变率的凡能提高突变率的任何理化因子，就称为诱变剂。任何理化因子，就称为诱变剂。种类：诱变剂的种类很多，作用方式多种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有几种样。即使是同一种诱变剂，也常有几种作用
33、方式。作用方式。按照遗传物质结构变化的特点讨论几种按照遗传物质结构变化的特点讨论几种有代表性的诱变剂的作用机制。有代表性的诱变剂的作用机制。（1 1）碱基置换）碱基置换（substitutionsubstitution）定义定义：对对DNADNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（microlesionmicrolesion），），一般也称点突变（一般也称点突变（point mutationpoint mutation）。）。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。分类：分类：转换转换（transitiontrans
34、ition），即），即DNADNA链中的一个嘌呤被另一链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；颠换颠换（transversiontransversion），即一个嘌呤被一个嘧啶即一个嘌呤被一个嘧啶,或或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。对某一具体诱变剂来对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转说，即可同时引起转换与颠换，也可只具换与颠换，也可只具其中的一种功能。根其中的一种功能。根据化学诱变剂是据化学诱变剂是直接直接还是还是间接间接地引起置换，地引起置换，可把置换的机制分成可把置换的机制分成以下两类来讨论。以下两类来讨论
35、。直接引起置换的直接引起置换的诱变剂诱变剂定义：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变定义：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。种类：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸种类：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，二乙酯，甲基磺酸乙酯，N-N-甲基甲基-N-N硝基硝基-N-N-亚硝基亚硝基胍胍，N-N-甲基甲基-N-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。芥等）。作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从作用：它们可与一个或几个核苷酸发生
36、化学反应，从而引起而引起DNADNA复制时碱基配对的转换，并进一步使微生复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异。物发生变异。亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。HNO2胞嘧啶（胞嘧啶（C）尿嘧啶（尿嘧啶（U）HNO2腺嘌呤（腺嘌呤（A）次黄嘌呤（次黄嘌呤（H）HNO2鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）黄嘌呤（黄嘌呤（X）这些反应及形成物均可在这些反应及形成物均可在DNA复制中产生影响，复制中产生影响，主要是使碱基对发生转换。主要是使碱基对发生转换。碱基转换的分子机制碱基转换的分子机制以亚硝酸为例以亚硝酸为例腺嘌呤腺嘌呤A=胸腺嘧啶胸腺嘧啶T鸟嘌呤鸟嘌呤G=胞嘧啶胞嘧啶
37、C这类诱变剂主要是一些这类诱变剂主要是一些碱基类似物碱基类似物 ,如：如：5-5-溴尿嘧溴尿嘧啶啶(5-BU)(5-BU)和和5-5-氨基尿嘧啶（氨基尿嘧啶（5 5AUAU）、）、叠氮胸腺嘧啶叠氮胸腺嘧啶（AITAIT）等等等等；作用方式作用方式：通过活细胞的代谢活动参入到通过活细胞的代谢活动参入到DNADNA分子中，分子中，主要是在主要是在DNADNA复制时碱基类似物插入复制时碱基类似物插入DNADNA中，引起碱中，引起碱基对配对错误，造成碱基置换。基对配对错误，造成碱基置换。以以5-5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)(5-BU)为例：为例：5-BU5-BU是是胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T T）的类
38、似物的类似物 ，酮式的酮式的5-BU5-BU可以和可以和A A配对配对，烯醇式的烯醇式的5-5-BUBU可以和可以和G G配对配对，在，在DNADNA分子复制的过程中，由于分子复制的过程中，由于5-5-BUBU的的插入和互变异构导致碱基置换。插入和互变异构导致碱基置换。间接引起置换的诱变剂间接引起置换的诱变剂5-BU引起的转换引起的转换5-BU引起的转换引起的转换从上图中，还可以看到从上图中，还可以看到5-BU的掺入引起的的掺入引起的G C回复回复到到AT的过程。通过这两个图示，就很容易理解为什的过程。通过这两个图示，就很容易理解为什么同一种诱变剂既可造成正向突变，又可使它产生么同一种诱变剂既
39、可造成正向突变，又可使它产生回复突变的原因了。回复突变的原因了。也可以知道，为什么像也可以知道，为什么像5-BU这类代谢类似物只有对这类代谢类似物只有对正在进行新陈代谢和繁殖着的微生物才起作用，而正在进行新陈代谢和繁殖着的微生物才起作用，而对休止细胞、游离的噬菌体粒子或离体的对休止细胞、游离的噬菌体粒子或离体的DNA分子分子却不起作用。却不起作用。（2）移码突变）移码突变frame-shift mutation frame-shift mutation 或或 phase-shift phase-shift mutationmutation，指指诱变剂使诱变剂使DNADNA分子中增加（插分子中增
40、加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸入）或缺失一个或少数几个核苷酸，从而，从而使该部位后面的使该部位后面的全部遗传密码发生转录和全部遗传密码发生转录和转译错误转译错误的一类突变。的一类突变。由移码突变所产生的突变株，称为由移码突变所产生的突变株，称为移码突移码突变株变株（frame-shift mutantframe-shift mutant）。）。与染色体与染色体畸变相比，移码突变也只能算是畸变相比，移码突变也只能算是DNADNA分子的分子的微小损伤。微小损伤。图图8-14能诱发移码突变的几种代表性化合物能诱发移码突变的几种代表性化合物引起移码突变的诱变剂：主要是引起移码突变的诱变剂：主要是
41、吖啶类染料，如吖啶吖啶类染料，如吖啶黄、吖啶橙等等。黄、吖啶橙等等。这类化合物都是平面型的三环分子，它们的结构与一这类化合物都是平面型的三环分子，它们的结构与一个嘌呤个嘌呤嘧啶对十分相似。嘧啶对十分相似。丫啶类化合物的诱变机制：丫啶类化合物的诱变机制：至今还不很清楚。至今还不很清楚。有人认为，由于它们是一种平面型三环分子，有人认为，由于它们是一种平面型三环分子，结构与一个结构与一个嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶对对对对十分相似，故能十分相似，故能嵌入嵌入两个相邻两个相邻DNADNA碱基对之间，造成双螺旋的部分碱基对之间，造成双螺旋的部分解开（两个碱基对原来相距解开（两个碱基对原来相距0.34nm0.34nm
42、，当嵌入一当嵌入一个丫啶分子时，就变成个丫啶分子时，就变成0.68nm0.68nm），），从而在从而在DNADNA复制过程中，会使链上增添或缺失一个碱基，复制过程中，会使链上增添或缺失一个碱基，结果就引起了移码突变。结果就引起了移码突变。丫啶类化合物诱发的移码突变及其回复突变图示：丫啶类化合物诱发的移码突变及其回复突变图示：（3）染色体畸变）染色体畸变（chromosomal aberration）某些理化因子，如某些理化因子，如X X射线等的辐射及烷化剂、射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起DNADNA的大损伤（的大损伤（macrolesionmacrolesion）染色体畸变，染色体畸变，它包括：它包括：染色体结构上的变化：染色体结构上的变化：缺失（缺失（deletiondeletion）重复（重复（duplicationduplication）易位（易位（translocationtranslocation）倒位（倒位（inversioninversion）染色体数目的变化染色体数目的变化