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1、关于基因与基因组突变第1页，讲稿共97张，创作于星期日2一一基因的组织结构基因的组织结构（一）（一）基因的概念基因的概念1.基因的研究简史基因的研究简史孟德尔（孟德尔（Mendel）的）的颗粒因子颗粒因子：一个因子决定一个性状一个因子决定一个性状(1865年年)。约翰森（约翰森（Johannsen）：首先提出）：首先提出基因基因一词（一词（1909年）年）摩尔根（摩尔根（Morgan）的）的基因论基因论：一一个个基基因因控控制制一一个个性性状状（1926年年），明明确确了了基基因因存存在在于于染染色色体上。体上。第2页，讲稿共97张，创作于星期日3Beadle-Tatum：一个基因一个酶一个基
2、因一个酶学说（学说（1941年）。年）。Avery等：转化实验证实了等：转化实验证实了遗传物质的本质是遗传物质的本质是DNA（1944年）。年）。Hershey-Chase：噬菌体感染细菌实验，：噬菌体感染细菌实验，只有只有DNA能进入细菌细胞（能进入细菌细胞（1952年）。年）。Benzer：互补测验，：互补测验，提出一个顺反子，一条多肽链的概念（提出一个顺反子，一条多肽链的概念（1955年）年）。第3页，讲稿共97张，创作于星期日4Watson和和Crick：DNA右手右手双螺旋理论双螺旋理论（1953年）。年）。Crick：中心法则中心法则（1957年）。年）。Jacob-Monod：操
3、纵子模型（操纵子模型（1961年）。年）。Nirenberg-Matthaei：三联密码子三联密码子学说（学说（1966年）年）将将DNA结构与生物功能结合起来。结构与生物功能结合起来。McClintocK：遗传因子遗传因子可以转移位置可以转移位置(1950)。Sharp:真核生物基因中的真核生物基因中的断裂断裂现象（现象（1977年）。年）。Sanger：噬菌体中发现了噬菌体中发现了重叠基因重叠基因（1978,X174).第4页，讲稿共97张，创作于星期日52.基因基因gene：含含有有特特定定遗遗传传信信息息的的核核苷苷酸酸序序列列，是是遗遗传传物物质质的的最最小小功功能能单单位。合成有功
4、能的蛋白质多肽链或位。合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核酸序列。所必需的全部核酸序列。编编码码序序列列+调调控控序序列列（启启动动子子、终终止止子子；5非非翻翻译译序序列列、内内含含子子以以及及3非翻译序列等非翻译序列等)。3.基因组基因组genome 一一个个细细胞胞或或者者生生物物体体所所携携带带的的一一套套完完整整的的单单倍倍体体序序列列，包包括括全全套套基因和间隔序列基因和间隔序列。第5页，讲稿共97张，创作于星期日6（二）（二）基因的组织结构基因的组织结构第6页，讲稿共97张，创作于星期日7(三三)基因的功能分析基因的功能分析1互补测验互补测验（Benzer，1955）互
5、补测验互补测验(complementationtest)互补测验是确定突变的功能关系的一种常用方法。互补测验是确定突变的功能关系的一种常用方法。用不同的用不同的r突变型成对组合突变型成对组合同时去感染同时去感染大肠杆菌大肠杆菌K()菌株。菌株。如果被双重感染的细菌中产生两种亲代基因型的子代噬菌体外，也如果被双重感染的细菌中产生两种亲代基因型的子代噬菌体外，也有少量重组型的噬菌体，那么就必然是一个突变型补偿了另一个突变型有少量重组型的噬菌体，那么就必然是一个突变型补偿了另一个突变型所不具有的功能，这两个突变型就称为彼此互补。所不具有的功能，这两个突变型就称为彼此互补。如果双重感染的细菌不产生子代
6、噬菌体，那么这两种突变型一定有如果双重感染的细菌不产生子代噬菌体，那么这两种突变型一定有一个相同功能受到损伤。一个相同功能受到损伤。第7页，讲稿共97张，创作于星期日8 类类 型型不同大肠杆菌菌斑平板上表型不同大肠杆菌菌斑平板上表型E.coliBE.coliK()E.coli S野生型野生型 小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑rI rI 大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑r r 大噬菌斑大噬菌斑无噬菌斑（致死）无噬菌斑（致死）小噬菌斑小噬菌斑r r小噬菌斑小噬菌斑 大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑T4T4突变型突变型第8页，讲稿共97张，创作于星期日9第9页，讲稿共
7、97张，创作于星期日10第10页，讲稿共97张，创作于星期日11反式排列反式排列：用于互补测验中所用的两个突变：用于互补测验中所用的两个突变分别位于两条染色体上分别位于两条染色体上顺式排列顺式排列：用于互补测验中所用的两个突变：用于互补测验中所用的两个突变同时位于一条染色体上同时位于一条染色体上顺反子顺反子：通过顺反测验将不同突变之间没有互补：通过顺反测验将不同突变之间没有互补的功能区称为一个顺反子。的功能区称为一个顺反子。顺反子就是一个功能水平上的基因。顺反子就是一个功能水平上的基因。第11页，讲稿共97张，创作于星期日12顺反位置效应测验顺反位置效应测验第12页，讲稿共97张，创作于星期日
8、132互补测验的方法互补测验的方法斑点测试法（斑点测试法（spottest）：）：用一种用一种r突变型以突变型以0.1的感染比（噬菌体的感染比（噬菌体1细菌细菌10）去感染大肠杆）去感染大肠杆菌菌K（）菌株。噬菌体和细菌在温热的琼脂中混合，涂布在营养平板上，琼脂）菌株。噬菌体和细菌在温热的琼脂中混合，涂布在营养平板上，琼脂凝固后，在平板上所划出的一定位置上再加一滴含有另一种凝固后，在平板上所划出的一定位置上再加一滴含有另一种r突变型的培养基，突变型的培养基，在这一滴培养基的范围内，一些细菌就会被两种噬菌体所感染。如在这范围内在这一滴培养基的范围内，一些细菌就会被两种噬菌体所感染。如在这范围内形
9、成噬菌斑，就证明这两种突变型互补，相反就不能互补。在一个培养皿平板形成噬菌斑，就证明这两种突变型互补，相反就不能互补。在一个培养皿平板上可做上可做68个斑点试验。个斑点试验。第13页，讲稿共97张，创作于星期日143 互补测验的条件互补测验的条件两个突变引入同一细胞内两个突变引入同一细胞内：大肠杆菌：性导，转导（局限性转导，流产转导），转化大肠杆菌：性导，转导（局限性转导，流产转导），转化真菌：准性生殖中的杂合二倍体真菌：准性生殖中的杂合二倍体排除重组的影响：排除重组的影响：recA排除基因内互补：基因工程中排除基因内互补：基因工程中lacZ-互互补补排除回复突变的影响排除回复突变的影响排除其
10、它影响，如极性突变，排除其它影响，如极性突变，lacIs第14页，讲稿共97张，创作于星期日15第15页，讲稿共97张，创作于星期日164 基因内互补：基因内互补：lacZ -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 X-gal(5-溴溴-4-氯氯-3-吲哚吲哚-D-半乳糖苷半乳糖苷)：蓝色：蓝色5-溴溴-4-靛蓝靛蓝 麦康凯培养基麦康凯培养基：MacConkey Agar红色红色 伊红美兰培养基：伊红美兰培养基：eosin-methylene blue medium,EMB 紫黑色带金属光泽紫黑色带金属光泽 伊红为酸性染料，美蓝为碱性染料。当大肠杆菌分解伊红为酸性染料，美蓝为碱性染料。当大肠杆菌分解乳糖乳糖产酸
11、时细菌带正电荷被染成红色，再与美产酸时细菌带正电荷被染成红色，再与美蓝结合形成紫黑色菌落，并带有绿色金属光泽。蓝结合形成紫黑色菌落，并带有绿色金属光泽。X-galMacConkeyEMB第16页，讲稿共97张，创作于星期日17互补互补：载体上含有载体上含有lacZ的部分基因的部分基因lacZ中包括：一段中包括：一段-半乳糖苷酶的启动子；编码半乳糖苷酶的启动子；编码肽链的区段；一个多克隆位点肽链的区段；一个多克隆位点(MCS)。MCS位于编码位于编码肽链的区段中，是外源肽链的区段中，是外源DNA的选择性插入位点，但其本身不影响的选择性插入位点，但其本身不影响载体编码载体编码肽链的功能活性。肽链的
12、功能活性。质粒载体常用的筛选标记：质粒载体常用的筛选标记：受体菌含有特定的受体菌含有特定的lacZ缺失缺失 DH5a菌株菌株：F-，80dlacZM15，(lacZYA-argF)U169，deoR，recA1，endA1，dR17(rk-，mk)，phoA，supE44，-，thi-1，gyrA96，relA1JM109菌株菌株：F-，recA1，endA1，gyrA96，thi-1，hsdR17，supE44，relA1，lac-proAB）/FtraD36，proAB，lacIq，lacZM15 第17页，讲稿共97张，创作于星期日18基因功能研究的方法基因功能研究的方法互补测验一般用于
13、确定顺反子互补测验一般用于确定顺反子功能研究其它方法：功能研究其它方法：缺失或突变后，功能是否改变；重新引入后，功能是否回复；回补缺失或突变后，功能是否改变；重新引入后，功能是否回复；回补体外翻译体系：体外翻译体系：in vitro translation 又称无细胞蛋白质合成系统又称无细胞蛋白质合成系统,是分子生物学中一种常规的表达系统。是分子生物学中一种常规的表达系统。有两种体外翻译的基本方法：以有两种体外翻译的基本方法：以RNA为模板，或以为模板，或以DNA为模板（即偶联的转录为模板（即偶联的转录/翻译）。翻译）。RNA模板可以是总模板可以是总RNA、mRNA或体外合成的转录子。或体外合
14、成的转录子。DNA模板可以是一个质粒，或模板可以是一个质粒，或一个一个PCR/RT-PCR产物，这个产物，这个PCR/RT-PCR产物在转录启动子和翻译起点下游含产物在转录启动子和翻译起点下游含有需要翻译的基因。有需要翻译的基因。选择哪一个体外翻译系统取决于许多因素，这些因素包括要翻译的基因的来源选择哪一个体外翻译系统取决于许多因素，这些因素包括要翻译的基因的来源（真核（真核/原核），可提供的模板（如原核），可提供的模板（如RNA或或DNA），和所生产的蛋白质的下游应），和所生产的蛋白质的下游应用。用。第18页，讲稿共97张，创作于星期日19二、细菌的基因组及特点二、细菌的基因组及特点（一）组
15、成：细菌染色体和质粒（一）组成：细菌染色体和质粒（二）细菌基因组的特征（二）细菌基因组的特征1.基基因因组组相相对对较较小小（4.6106bp，4000个个基基因因），只只有有一一个个复复制制启启始始位点。位点。2.具具有有操操纵纵子子结结构构：功功能能上上相相关关的的几几个个基基因因往往往往在在一一起起组组成成操操纵纵子子结结构构，即即几几个个结结构构基基因因串串联联在在一一起起，受受它它们们上上游游的的共共同同调调控控区区控控制制。当当基基因因开开放放时时，这这几几个个基基因因转转录录在在一一条条mRNA链链上上，然然后后分分别别翻译合成各自的蛋白肽链。操纵子的末端具有特殊的终止序列。翻译
16、合成各自的蛋白肽链。操纵子的末端具有特殊的终止序列。3.基基因因是是连连续续的的：结结构构基基因因中中没没有有内内含含子子（intron）成成分分，在在转转录录后后不需剪接加工，转录产物的寿命较短。不需剪接加工，转录产物的寿命较短。第19页，讲稿共97张，创作于星期日204.大大部部分分DNA是是用用于于编编码码蛋蛋白白质质的的，只只有有一一小小部部分分是是不不翻翻译译的的。不不翻翻译译区区中中含有间隔区（含有间隔区（Spacer）和基因表达的调控序列。）和基因表达的调控序列。5.基因组中仅有少数基因存在基因重叠现象。基因组中仅有少数基因存在基因重叠现象。6.结构基因是单拷贝，结构基因是单拷贝
17、，rRNA基因是多拷贝基因是多拷贝。7.非编码的重复序列非编码的重复序列Chi5-GCTGGTGG-3REP(repeatedextrogenicpalinodrome)基因外重复的回文序列基因外重复的回文序列第20页，讲稿共97张，创作于星期日21第21页，讲稿共97张，创作于星期日22第22页，讲稿共97张，创作于星期日23第23页，讲稿共97张，创作于星期日24第24页，讲稿共97张，创作于星期日25 种类单一；形式多样；大小不一种类单一；形式多样；大小不一 单倍体基因组：每个基因都是单拷贝单倍体基因组：每个基因都是单拷贝 基因常常成簇排列，没有间隔序列，或间隔序列很小基因常常成簇排列，
18、没有间隔序列，或间隔序列很小 （功能相关基因排列在一起）（功能相关基因排列在一起）动物病毒与真核基因相似，有内含子；动物病毒与真核基因相似，有内含子；细菌病毒与原核基因相似细菌病毒与原核基因相似 有基因重叠有基因重叠 三三 病毒基因组的特点病毒基因组的特点第25页，讲稿共97张，创作于星期日26 具有不规则的结构基因具有不规则的结构基因 某些结构基因无帽状结构；有翻译增强子。某些结构基因无帽状结构；有翻译增强子。某些结构基因编码区无间隔，因此有些结构基因没某些结构基因编码区无间隔，因此有些结构基因没 有翻译起始序列。通过宿主及病毒本身酶切。有翻译起始序列。通过宿主及病毒本身酶切。有些结构基因转
19、录后产物没有翻译功能，需要在转有些结构基因转录后产物没有翻译功能，需要在转 录后进行加工剪接，成为有翻译功能的录后进行加工剪接，成为有翻译功能的mRNA。第26页，讲稿共97张，创作于星期日27第27页，讲稿共97张，创作于星期日28第28页，讲稿共97张，创作于星期日29第29页，讲稿共97张，创作于星期日30有增强子有增强子 转录产物加工后，成为成熟的转录产物加工后，成为成熟的mRNA第30页，讲稿共97张，创作于星期日31T抗原控制病毒的复制，起动晚期转录抗原控制病毒的复制，起动晚期转录第31页，讲稿共97张，创作于星期日32乙肝病毒乙肝病毒 DNA 长短不一长短不一 重叠基因重叠基因第
20、32页，讲稿共97张，创作于星期日33脊髓灰质炎病毒脊髓灰质炎病毒 单链（单链（+）RNA第33页，讲稿共97张，创作于星期日34第34页，讲稿共97张，创作于星期日35逆转录病毒逆转录病毒第35页，讲稿共97张，创作于星期日36第36页，讲稿共97张，创作于星期日37四、真核生物基因组的特点四、真核生物基因组的特点1.基基因因组组含含有有更更大大的的DNA分分子子，以以染染色色体体形形式式储储存存于于细细胞胞核内，除配子细胞外，体细胞内的基因的基因组是双份的。核内，除配子细胞外，体细胞内的基因的基因组是双份的。（1）并并非非生生物物越越高高等等，基基因因组组越越大大。即即并并非非进进化化的的
21、复复杂杂程程度度与与DNA含含量量成成正正比比。如如某某些些植植物物和和两两栖栖类类的的DNA含含量量是是人人的的几几十十乃乃至至上上百百倍。倍。C值矛盾。值矛盾。（2）同同一一类类复复杂杂性性差差不不多多，形形态态也也相相似似的的生生物物，理理论论上上其其基基因因组组也也应比较接近，其实不然。如同是两栖类可相差十倍以上。应比较接近，其实不然。如同是两栖类可相差十倍以上。（3）基因组中）基因组中DNA的量远大于编码蛋白质的量远大于编码蛋白质所需要的量。所需要的量。第37页，讲稿共97张，创作于星期日382.基基因因组组结结构构复复杂杂，有有多多个个复复制制启启始始位位点点，但但每每个个复复制子
22、的长度较小。制子的长度较小。3.基因是不连续的。断裂基因，内含子基因是不连续的。断裂基因，内含子/外显子。外显子。4.转转录录单单位位一一般般是是单单顺顺反反子子的的。即即一一个个基基因因一一种种mRNA一一种种蛋蛋白白质质，但蛋白质的最终产物可因剪接方式的不同而有差异（如但蛋白质的最终产物可因剪接方式的不同而有差异（如Bcl-x：Bcl-x1Bcl-xs）5存在重复序列存在重复序列第38页，讲稿共97张，创作于星期日39单一顺序单一顺序(Unique sequence)重复顺序重复顺序 短片段的重复顺序可分为三种类型：短片段的重复顺序可分为三种类型：（1）正向重复正向重复(direct re
23、peats)又叫顺向重复顺向重复；（2）反向重复反向重复(inverted repeats)；（3）回文顺序回文顺序(Palindromic sequence)5GTGAGCTCAC33CACTCGAGTG5 第39页，讲稿共97张，创作于星期日40轻度重复顺序和中度重复顺序轻度重复顺序和中度重复顺序轻度重复顺序轻度重复顺序在基因组中含有在基因组中含有2-10拷贝拷贝，酵母酵母tRNA基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。基因、人和小鼠的珠蛋白基因等。中度重复顺序中度重复顺序长约长约300bp基因组中约有基因组中约有10-几千个拷贝的顺序几千个拷贝的顺序如如rRNA和和tRNA基因，组蛋白基因等基因，
24、组蛋白基因等第40页，讲稿共97张，创作于星期日41第41页，讲稿共97张，创作于星期日42第42页，讲稿共97张，创作于星期日43高度重复序列高度重复序列（105次）。次）。（1）卫星）卫星DNA：根据长度可将其分为根据长度可将其分为3类类卫星（卫星（satellite）DNA：重复长度重复长度5-10bp，多态性不强。，多态性不强。小卫星小卫星DNA：重复长度重复长度15-70bp，有高度的特异性。，有高度的特异性。微卫星微卫星DNA（简单串联重复序列）：重复长度（简单串联重复序列）：重复长度2-5bp，存在个体，存在个体间间的高度变化，是的高度变化，是DNA指纹的形成基础。指纹的形成基础
25、。第43页，讲稿共97张，创作于星期日44（2）倒位（反向）重复序列）倒位（反向）重复序列又又称称零零时时复复性性部部分分，重重复复单单位位约约长长300bp，两两个个单单位位之之间间有有一平均一平均1.6kb的片段相隔，多数散布于基因组中。的片段相隔，多数散布于基因组中。（3）较复杂的重复单位组成的重复顺序）较复杂的重复单位组成的重复顺序灵灵长长类类所所独独有有，用用Hind消消化化非非洲洲绿绿猴猴DNA，可可以以得得到到重重复复单单位位为为172bp的的高高度度重重复复顺顺序序，这这种种顺顺序序大大部部份份由由交交替替变变化化的的嘌嘌呤和嘧啶组成，又称为呤和嘧啶组成，又称为卫星卫星DNA。
26、第44页，讲稿共97张，创作于星期日45（4）高度重复顺序的功能）高度重复顺序的功能a.参与复制水平的调节。参与复制水平的调节。b.参与基因表达的调控参与基因表达的调控c.参与转位作用参与转位作用d.与进化有关与进化有关e.DNA指纹指纹f.卫星卫星DNA成簇的分布在染色体着丝粒附近，可能成簇的分布在染色体着丝粒附近，可能与染色体减数分裂时染色体配对有关与染色体减数分裂时染色体配对有关第45页，讲稿共97张，创作于星期日46第46页，讲稿共97张，创作于星期日476.存在多基因家族和超基因家族存在多基因家族和超基因家族（1）多多基基因因家家族族（multigenefamily）：亦亦称称基基因
27、因家家族族。是是指指一一组组具具有类似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。有类似功能，核苷酸序列又有同源性的基因。分类：分类：按按基基因因的的终终产产物物分分为为两两类类：一一类类编编码码RNA，另另一一类类编编码码蛋蛋白白质。质。按按在在基基因因组组中中的的分分布布分分为为两两类类：一一类类串串联联排排列列在在一一起起，形形成成基基因因簇簇，亦称串联重复基因。另一类家族成员则可以分散在不同的部位上。亦称串联重复基因。另一类家族成员则可以分散在不同的部位上。（2）超基因家族（）超基因家族（supergenefamily）：由多基因家族及单基因组成）：由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。成员
28、间有不同程度的同源，但它们的功能并不的更大的基因家族。成员间有不同程度的同源，但它们的功能并不相似，这是与多基因家族的差别所在。如相似，这是与多基因家族的差别所在。如Ig超家族。超家族。第47页，讲稿共97张，创作于星期日487.基因类型多样基因类型多样（1）假假基基因因：在在多多基基因因家家族族中中，不不产产生生有有功功能能基基因因产产物物的的基基因因。即即序序列列与与有有功功能能的的基基因因相相似似，但但或或者者不不能能转转录录，或或者者转转录录后后生生成成无无功功能能的的基基因因产产物物。用用表表示示。造造成成原原因因是是基基因因在在进进化化过过程程中中，发发生生突突变变所所致致（如如缺
29、缺失失、倒倒位位、点点突突变变等等）。假假基基因因往往往往缺缺少少正正常常基基因因的的内内含子，两侧有顺向重复序列。含子，两侧有顺向重复序列。（2）断断裂裂基基因因（不不连连续续基基因因）：编编码码序序列列称称外外显显子子（exon），非非编编码序列称内含子（码序列称内含子（intron，orinterveningsequence）。）。（3）非非剪剪接接基基因因（连连续续基基因因）：原原核核和和真真核核细细胞胞都都有有。真真核核rRNA基因也是非剪接基因。基因也是非剪接基因。第48页，讲稿共97张，创作于星期日49（4）跳动（跃）基因（可转移的）跳动（跃）基因（可转移的DNA成分、转座子）：
30、成分、转座子）：是是指指可可在在DNA分分子子间间进进行行转转移移的的DNA片片段段。与与一一般般转转移移概概念念不不同同，转转移移后后仍仍保保留留原原来来位位置置上上的的DNA序序列列，只只是是把把一一个个新新合合成的复本插入到另外的位置上。真核和原核细胞都有。可分为两类成的复本插入到另外的位置上。真核和原核细胞都有。可分为两类简简单单转转座座子子（插插入入序序列列，insertionsequence，IS）：较较小小，只只有与转位有关的序列和促进转座过程所要的蛋白质如转座酶的基因。有与转位有关的序列和促进转座过程所要的蛋白质如转座酶的基因。复复杂杂转转座座子子（Tn）：除除转转位位序序列列
31、和和蛋蛋白白质质基基因因外外，在在其其中中心心区区还还含有一个或多个基因。含有一个或多个基因。第49页，讲稿共97张，创作于星期日50（5）基因重叠基因重叠:是一种转录单位，一个基因可决定多种是一种转录单位，一个基因可决定多种mRNA和蛋白质，如和蛋白质，如Bcl-X基因基因8.自私自私DNA（selfishDNA）：指非编码序列，包括分散的高度、中度重复序列，内含子和指非编码序列，包括分散的高度、中度重复序列，内含子和间隔序列等。这些序列极少转录成间隔序列等。这些序列极少转录成mRNA并翻译成蛋白质，对细并翻译成蛋白质，对细胞存活、代谢等不做任何贡献，它们存在的唯一目的似乎就是复制胞存活、代
32、谢等不做任何贡献，它们存在的唯一目的似乎就是复制自己。故称之为自私自己。故称之为自私DNA。而且有些成分还通过转录成而且有些成分还通过转录成mRNA，生成，生成cDNA，再通过转位，再通过转位插入到基因组，颇象机体内寄生虫的繁殖、生活，故也有人称之为寄生插入到基因组，颇象机体内寄生虫的繁殖、生活，故也有人称之为寄生DNA（parasiteDNA）。）。第50页，讲稿共97张，创作于星期日51但但自自私私DNA并并非非真真的的自自私私，毫毫无无功功能能。如如有有些些调调控控序序列列虽虽不不编编码码任任何何蛋蛋白白，但但对对细细胞胞代代谢谢也也有有很很大大影影响响。如如在在Ig和和MHC基基因因的
33、内含子部分发现有增强子的存在，可以增强该基因的转录。的内含子部分发现有增强子的存在，可以增强该基因的转录。9.DNA序列组织的可变性序列组织的可变性：DNA序序列列并并非非一一成成不不变变。如如B细细胞胞成成熟熟过过程程中中Ig基基因因结结构构的的重重排排及及TCR基因在分化过程中的重排。基因在分化过程中的重排。第51页，讲稿共97张，创作于星期日52第52页，讲稿共97张，创作于星期日53第二章基因突变和损伤第二章基因突变和损伤DNADNA的修复的修复基因符号基因符号基因突变的规律基因突变的规律基因突变的分子基础基因突变的分子基础自发突变和诱发突变的机制自发突变和诱发突变的机制DNA复制的准
34、确性与损伤复制的准确性与损伤DNA的修复的修复诱变育种技术诱变育种技术第53页，讲稿共97张，创作于星期日54第一节基因突变的类型、符号和规律第一节基因突变的类型、符号和规律遗传型（遗传型（genotypegenotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；是一种内在可能性或潜力。总和；是一种内在可能性或潜力。遗传型遗传型+环境条件环境条件 表型表型表型（表型（phenotypephenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和和;是一种是一种现实存在，现实存在，是具一定遗传
35、型的生物在一定条件下所表现出的具是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。体性状。代谢代谢发育发育第54页，讲稿共97张，创作于星期日55Escherichia coliATCC31343FhadS20(r-Bm-B)ara-14leuB6proA2lacY1galK2rpsLxyl-5mtl-1supE44rpsL=str rE.coli JM105K12hasR4(rm+)thi supE44rspL20endAsbcB15(lac-proA)X111FtraDproABlacIQ(lacZ)M15一基因符号与遗传标记一基因符号与遗传标记第55页，讲稿共97张，创作于星期日56S
36、almonella typhimurium TSM112 zgc-7206:Tn10d(Cm)S.typhimurium TSM118 proAB47/Fpro+lac+zzf-1834:Tn10d(Km)Vibrio cholereaCS2-1O395(tcpA-proA)2-1(Hyb)SmrKmrCm(氯霉素氯霉素)Sm(链霉素）链霉素）Tc(四环素四环素)Ap(氨苄青霉素氨苄青霉素)Km(卡那霉素）卡那霉素）cmlr strr tetr ampr kanr第56页，讲稿共97张，创作于星期日57Vibrio cholereaTSM360recA thi pro hsdRm+(RP4-2
37、Tc:Mu-Km:Tn7),pir(Tpr Smr)替考拉宁teicoplaninVibrio cholereaTSM361TSM360(pKAS37)质粒质粒pNK972AprPtac-tnpA转座酶pPY190AprTcrpBR322EcoRI:P22mnt-pant-SmaI/XmaI-antpPC39TcrpPY190SmaI:SmaI-HincIIK.aerogenesputcontrolregion产气克雷伯氏菌产气克雷伯氏菌第57页，讲稿共97张，创作于星期日58 缺失缺失插入（质粒，转座子）插入（质粒，转座子）易位易位 相互易位相互易位融合融合第58页，讲稿共97张，创作于星期
38、日59第59页，讲稿共97张，创作于星期日60二基因突变的类型二基因突变的类型1按突变体的表型分类按突变体的表型分类（1）形态突变）形态突变（2）生化突变）生化突变（3）致死突变）致死突变（4）条件致死突变）条件致死突变第60页，讲稿共97张，创作于星期日61野生型野生型(wild type)与原养型与原养型(prototroph)野生型是指存在于自然界中没有经过基因突变，具有正常生化野生型是指存在于自然界中没有经过基因突变，具有正常生化代谢功能的遗传类型；代谢功能的遗传类型；原养型指具有与野生型相同营养需求与表现的遗传类型，有时特指突原养型指具有与野生型相同营养需求与表现的遗传类型，有时特指
39、突变型恢复为与野生型相同的个体。变型恢复为与野生型相同的个体。营养缺陷型营养缺陷型(auxotroph)因基因突变丧失了某种生活物质合成能力，在基本培养基上不能因基因突变丧失了某种生活物质合成能力，在基本培养基上不能正常生长，需加入相应营养成分的突变型。正常生长，需加入相应营养成分的突变型。第61页，讲稿共97张，创作于星期日622 2按遗传信息的改变分为按遗传信息的改变分为错义突变错义突变missencemutation同义突变同义突变samesencemutation无义突变无义突变nonsencemutation琥珀突变琥珀突变amber UAG 赭石突变赭石突变ocher UAA 乳白
40、突变乳白突变opal UGA第62页，讲稿共97张，创作于星期日633按基因突变机制分类按基因突变机制分类碱基置换突变碱基置换突变substitution碱基颠换碱基颠换 transversion 碱基转换碱基转换 transition移码突变移码突变frameshift缺失缺失deletion 重复重复repetition第63页，讲稿共97张，创作于星期日64三基因突变的规律三基因突变的规律1.自发性自发性2.稀有性稀有性3.随机性随机性4.独立性独立性5.稳定性稳定性6.可逆性可逆性第64页，讲稿共97张，创作于星期日651 1 基因突变的自发性基因突变的自发性两种观点两种观点：突变的性
41、状与引起突变的原因间呈对应性，定向突变；突变是自发产生的，与环境是否存在该物质无关。突变无方向第65页，讲稿共97张，创作于星期日661 1）Fluctuation testFluctuation test彷徨试验彷徨试验时间：时间：19431943年年设计者：设计者：S.E.Luria&M.Delbrck实验材料：对实验材料：对T T1 1噬菌体敏感的大肠杆菌噬菌体敏感的大肠杆菌实验目的实验目的 验证突变的性状（对验证突变的性状（对T1T1抗性）与引起突变的原因（与抗性）与引起突变的原因（与1 1噬菌体接触）间有无直接的对应关系噬菌体接触）间有无直接的对应关系实验设计：实验设计：第66页，讲
42、稿共97张，创作于星期日67彷彷徨徨试试验验的的设设计计原原理理第67页，讲稿共97张，创作于星期日68103/mL24-36h第68页，讲稿共97张，创作于星期日69小概率随机事件与小概率随机事件与Poisson分布分布当一个随机事件发生的几率很小，而事件可在其中发生的试验次数又当一个随机事件发生的几率很小，而事件可在其中发生的试验次数又很大，该事件的发生概率遵循很大，该事件的发生概率遵循Poisson分布。分布。K=0,1,2,.e 2.7183,:.第69页，讲稿共97张，创作于星期日70第70页，讲稿共97张，创作于星期日71第71页，讲稿共97张，创作于星期日722 2）涂布试验（）
43、涂布试验（Newcombe experimentNewcombe experiment）19491949年年H.B.NewcombeH.B.Newcombe实验材料实验材料对对T T1 1噬菌体敏感的大肠杆菌噬菌体敏感的大肠杆菌采用固体平板培养采用固体平板培养实验过程实验过程第72页，讲稿共97张，创作于星期日73第73页，讲稿共97张，创作于星期日743.5 44 30 1580第74页，讲稿共97张，创作于星期日753 3）平板影印试验（）平板影印试验（replica platingreplica plating）19521952年，美国的莱德伯格夫妇年，美国的莱德伯格夫妇Joshua L
44、ederberg&Esther Lederberg实验材料实验材料E.coliE.coli K12 str K12 strr r实验过程实验过程第75页，讲稿共97张，创作于星期日76Lederberg的平板培养法的平板培养法第76页，讲稿共97张，创作于星期日774）适应性突变概念的重新提出）适应性突变概念的重新提出非致死选择条件长期培养非致死选择条件长期培养固体平板固体平板突变时间依赖性：突变时间依赖性：生长非依赖性；生长非依赖性；有利突变高频率发生：有利突变高频率发生：方向性；方向性；符合符合Poisson分布分布第77页，讲稿共97张，创作于星期日78没有方向性没有方向性Jin et
45、al.2002 BMC Gnentics,3:6有利突变和中性突变都能高频率产生有利突变和中性突变都能高频率产生表型表型DNA序列改变序列改变生长依赖性生长依赖性 Jin et al.2002 BMC Gnentics,3:6细胞密度依赖性涂布与点种青霉素细胞密度依赖性涂布与点种青霉素固体平板固体平板Poisson分布分布液体试管液体试管Poisson分布和非分布和非Poisson分布同时存在分布同时存在 Jin et al.2012,中国科学，中国科学，42：809。第78页，讲稿共97张，创作于星期日79第79页，讲稿共97张，创作于星期日80第80页，讲稿共97张，创作于星期日81第81
46、页，讲稿共97张，创作于星期日82选择条件与突变的关系选择条件与突变的关系不良环境，触发细菌生长代谢改变，其中涉及不良环境，触发细菌生长代谢改变，其中涉及DNA复制复制保真性和损伤修复体系的酶可能发生变化，使细胞处保真性和损伤修复体系的酶可能发生变化，使细胞处于一种于一种“超诱变态超诱变态”，即细胞本底水平的自发突变率，即细胞本底水平的自发突变率提高，各种突变都能以高频率产生，但是哪种突变是提高，各种突变都能以高频率产生，但是哪种突变是否发生仍然是随机的，自发的否发生仍然是随机的，自发的。第82页，讲稿共97张，创作于星期日83突变的稀有性突变的稀有性u突变率突变率mutationrate每一
47、个细胞在每一每一个细胞在每一世代世代中发生某一性状突变的几率；中发生某一性状突变的几率；自发突变几率一般在自发突变几率一般在10-610-9范围内；范围内；u 突变频率突变频率mutationfrequencymutantproportion突变细胞在总细胞中的比例突变细胞在总细胞中的比例第83页，讲稿共97张，创作于星期日84 若干细菌的自发突变率若干细菌的自发突变率菌菌名名突变性状突变性状突变率突变率Escherichiacoli 抗抗T1噬菌体噬菌体3108E.coli抗抗T3噬菌体噬菌体1107E.coli不发酵乳糖不发酵乳糖11010E.coli抗紫外线抗紫外线1105Staphyl
48、ococcus aureus抗青霉素抗青霉素1107S.aureus抗链霉素抗链霉素1109Salmonella typhi抗抗25 g/L链霉素链霉素1106Bacillus megaterium抗异烟肼抗异烟肼5105第84页，讲稿共97张，创作于星期日85突变率的计算突变率的计算世代世代generation每个细胞每分裂一次为一个世代。每个细胞每分裂一次为一个世代。division代：代：generation cycle:群体中每个个体繁（分裂）殖一代。群体中每个个体繁（分裂）殖一代。细胞数与世代数的关系细胞数与世代数的关系n代后代后N0个细胞分裂成为个细胞分裂成为 N0 n个细胞个细胞
49、所经历的世代数为所经历的世代数为 N0(n)第85页，讲稿共97张，创作于星期日861 2 4 8 16 32 64 128 2n 细胞数细胞数 1 3 7 15 31 63 127 2n-1 世代数世代数 1 2 3 4 5 6 7 n代数代数同步生长（同步分裂）同步生长（同步分裂）金建玲等突变率计算中细菌群体生长不同步系数的修正微生物金建玲等突变率计算中细菌群体生长不同步系数的修正微生物学通报学通报2009，36(3):446-452.第86页，讲稿共97张，创作于星期日87突变率计算公式突变率计算公式u固体培养条件下固体培养条件下=（M2M1)/(N2N1)其中，其中，M2和和M1分别是
50、培养后和培养前突变菌落的数目。分别是培养后和培养前突变菌落的数目。N2和和N1分别是培养后和培养前菌落总数。分别是培养后和培养前菌落总数。第87页，讲稿共97张，创作于星期日88u液体培养条件下液体培养条件下=(M2/N2M1/N1)/(G2G1)其中其中G2和和G1分别是试验后和试验开始时细胞分裂的代数分别是试验后和试验开始时细胞分裂的代数。条件条件野生型细胞和突变型细胞分裂速度相等野生型细胞和突变型细胞分裂速度相等突变率很低突变率很低突变细胞很少，回复突变可以忽略不计。突变细胞很少，回复突变可以忽略不计。第88页，讲稿共97张，创作于星期日891 2 4 8 16 32 64 128 2n