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1、第三章基因突变第1页，本讲稿共117页本章内容突变类型与基因符号基因突变的规律诱变机制自发突变的机制突变诱发的影响因素致癌物质的检测诱变育种与突变型的选育第2页，本讲稿共117页第一节第一节 突变类型与基因符号突变类型与基因符号广义的“突变”，包括两大类：基因突变基因突变（又称（又称点突变点突变）染色体畸变染色体畸变狭义的狭义的“突变突变”，专指基因突变（点突变）。，专指基因突变（点突变）。只涉及一对或少数几对碱基的改变。只涉及一对或少数几对碱基的改变。第3页，本讲稿共117页一一、突变类型突变类型1.环境变异与遗传变异环境变异与遗传变异（1）表型变异（环境变异）表型变异（环境变异）由于生物所
2、处的环境不同，导致表型上的差异，这种表型只在当代表型只在当代，F1则无，是生物在一定的基因型下适应性的表现，不能遗传不能遗传。例1：E.coli 的-半乳糖苷酶：E.coli 培养在葡萄糖培养基上时，不产生-半乳糖苷酶，而在含有乳糖的培养基上培养，可产生-半乳糖苷酶，转入葡萄糖培养基上时，则不产生-半乳糖苷酶。例2：E.coli在含有致死剂量的苯酚中，全部无鞭毛，转入不含苯酚的平板上时，又产生鞭毛。（2）遗传变异）遗传变异 指生物的遗传物质发生了变化，可遗传可遗传。发生频率通常为10-6-10-9/细胞/世代。第4页，本讲稿共117页如何区别两种变异？如何区别两种变异？通过观察群体变化倾向，可
3、区别两种变异。通过观察群体变化倾向，可区别两种变异。环境变异环境变异：变异频率高频率高，表现为全部个体的行为；遗传变异遗传变异：变异频率低频率低，群体中极少数个体的行为；（自发突变频率通常为10-6-10-9）第5页，本讲稿共117页2.突变的表现型突变的表现型从突变所带来的表型的改变，突变型可分为以下几类；（1）形态突变型）形态突变型包括影响细胞形态细胞形态的突变型以及影响细菌、霉菌、放线菌等的菌落形态菌落形态以及影响噬菌体的噬菌斑噬菌斑的突变型。（2）生化突变型）生化突变型如：孢子、鞭毛、荚膜、色泽、噬菌斑指没有形态效应的突变型。最常见的是营养缺陷型，由于代谢过程的缺陷而成为必需某种物质才
4、能生长的突变型。糖分解，营养要求，代谢产物生成能力，温度敏感(Ts)一般是加工tRNA的蛋白敏感第6页，本讲稿共117页（3）抗性突变型）抗性突变型抗药性，抗噬菌体，抗紫外线（4）条件致死突变型）条件致死突变型Ts，抑制基因突变在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。常用的条件致死突变是温度敏感突变温度敏感突变，用ts（temperaturesensitive）表示，这类突变在高温下（如42）是致死的，但可以在低温（如25-30）下得到这种突变。第7页，本讲稿共117页3.染色体畸变的特点染色体畸变的特点缺失缺失染色体缺失造成的遗传学效应一般不同于基因突变：不能发生回复突
5、变不能发生回复突变；通常相邻的几个基因同时发生突变相邻的几个基因同时发生突变；重复重复在染色体上增加一染色体片段，使某些基因重复出现。一个最明显的效应是基因剂量效应基因剂量效应，可通过基因产物通过基因产物的测定而检出的测定而检出。倒位倒位一部分染色体的顺序颠倒。易位易位相互易位指两个非同源染色体两个非同源染色体相互交换一个部分。产生半数不育配子半数不育配子/子囊孢子子囊孢子（脉孢菌）。不同于转座。转座是一段可进行自我复制，转移的DNA片段，转座可视为一种易位。第8页，本讲稿共117页4.点突变点突变 只涉及DNA分子中1对或少数几对碱基的改变。这种DNA结构变异是可以遗传的，通常引起一定的表型
6、变化。从遗传物质的结构改变，可分为：从遗传物质的结构改变，可分为：基因突变基因突变（点突变）（点突变）碱基置换碱基置换移码突变移码突变转换颠换增加缺失第9页，本讲稿共117页第10页，本讲稿共117页（2）按突变所引起的遗传信息的改变（碱基置换突变的效应）可把突变分为三种：同义突变同义突变碱基突变后编码的氨基酸与野生型的氨基酸相同。（密码子是简并的）；错义突变错义突变突变造成一个氨基酸的置换。错义突变表型不一样，看是否影响蛋白质的二级、三级结构。无义突变无义突变碱基突变后形成终止密码子，使蛋白质合成提前终止。无义密码子无义密码子：UAGUAG：琥珀：琥珀密码（amberamber）；UAAUA
7、A：赫色：赫色密码（ocherocher）；UGAUGA：半透明：半透明密码（opalopal或或umberumber）；第11页，本讲稿共117页GGA（甘氨酸）GGC（甘氨酸）同义突变，多肽链结构不变 GCA（丙氨酸）错义突变，错义突变，多肽链中的一个 氨基酸被置换，但不影响活性。AGA（精氨酸）错义突变，错义突变，多肽链中的一 个氨基酸被置换，形成无 活性的蛋白。UGA终止密码子，合成不完全的多肽链。第12页，本讲稿共117页二、基因符号 每个基因座位基因座位用三个小写英文字母三个小写英文字母表示（这三个字母来自说明这一基因特性的一个或一组英文单词的前三个字母）；产生同一突变型表型的不同
8、基因，在三个小写字母后加一个大写字母表示；同一基因的不同突变位点，用基因符号后所加的阿拉伯数字表示；如突变位点所属的基因还不确定，那么大写字母用一短线表示；1966年，M.Demerec 等人提出了一套 E.coli 的基因命名规则：表示：基因在染色体上位置 突变基因第13页，本讲稿共117页表型用大写字母表示，第一字母大写，并加+/-，如乳糖发酵缺陷型的基因符号lacZ-，其表型符号 LacZ-；Amp r；缺失用 表示，并写在缺失基因前面，如 lac,uvrB（uv修复基因B缺失）；抑制基因突变表示为Sup+或Su+，野生型表示为Sup-或Su-（suppressor的缩写）；F因子上基因
9、采用“；”或“/”与染色体基因分开。第14页，本讲稿共117页第二节第二节 基因突变的规律基因突变的规律一、基因突变是自发的，抗性突变与环境无关一、基因突变是自发的，抗性突变与环境无关这句话有三层含义：遗传物质自我运动的结果，是随机的；突变多方向性；环境可以诱发突变，但突变不必因环境要求改变，即两者无因果关系。抗性突变的特点：抗性突变的特点：突变的回复；突变的发生彼此独立；突变型具有一定的稳定性；突变率可经诱发而提高。第15页，本讲稿共117页S.E.Luria&M.Delbruck：波动试验：波动试验”（1943）（根据统计学原理设计）波动实验原理：波动实验原理：）适应学说预期）适应学说预期
10、：噬菌体的存在诱发了抗性细菌的出现噬菌体的存在诱发了抗性细菌的出现，把正在生长的敏感菌培养物与T1接触后，所出现的抗性菌的数量在任何条件下都应该是平均值，平均值等于方差应该是平均值，平均值等于方差。）变异学预期：）变异学预期：抗性细菌是在接触抗性细菌是在接触T1T1之外的生长过程中基因之外的生长过程中基因自发突变的结果自发突变的结果，则抗性菌出现的频率将依赖于：是否出现；出现的早晚；而是呈现巨大的波动，平均值不等于方差呈现巨大的波动，平均值不等于方差。第16页，本讲稿共117页1）变量实验（）变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria&Max Delbru
11、ck(1943)对噬菌体对噬菌体T1敏感的敏感的E.coli 对数期培养物，对数期培养物，稀释至稀释至103/mL,分装两试管，各分装两试管，各10 mL 与甲管分装的各小管同时保与甲管分装的各小管同时保温温2436h甲管 乙管 第17页，本讲稿共117页第18页，本讲稿共117页证明：证明：抗噬菌体菌株的出现与接触T1无关；突变是自发的，T1无诱发抗噬菌体菌株的作用，只是起选择作用；抗性细菌多，则突变发生的早；抗性细菌少，则突变发生的晚；抗性细菌无，则没有发生有关的突变。突变发生在接触之前（突变发生的时间是随机的）第19页，本讲稿共117页涂布实验涂布实验问题：问题：经重新涂布的一组平板上，
12、抗性细菌多，是否可理解为：经重新涂布后，细菌接触噬菌体的机会增多了，从而诱发的抗性也多了？为什么？答：答：重新涂布后，接触机会没有增多，而是因为抗性突变可抗性突变可以在接触噬菌体之前发生，无涂布的抗性突变型细菌形成一以在接触噬菌体之前发生，无涂布的抗性突变型细菌形成一个菌落，涂布后可以形成若干菌落，个菌落，涂布后可以形成若干菌落，同时由于突变的时间发由于突变的时间发生早晚，而使每次涂布结果不同生早晚，而使每次涂布结果不同。在比较早的时候重新涂布，已发生突变的菌落少，涂布后，突变菌落数目也少；在比较晚的时候重新涂布，已发生突变的菌落多，涂布后，突变菌落数目也多，如果是涂布使噬菌体与菌体接触的机会
13、增多，则无论早晚，突变菌落应差不多。第20页，本讲稿共117页2）Newcombe的涂布实验（的涂布实验（1949）选用对选用对T1 噬菌体敏感的噬菌体敏感的E.coli，以相等数目涂布于，以相等数目涂布于12个平板个平板上上约繁殖了约繁殖了12.3代代在涂布过的一组中，共长在涂布过的一组中，共长出抗性菌落出抗性菌落353个，比未经个，比未经涂布过的（涂布过的（28个菌落）高个菌落）高得多得多第21页，本讲稿共117页第22页，本讲稿共117页3）影印实验（）影印实验（replica plating）Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）通过使菌
14、不接触抗性环境而检查其抗性菌落的方法平板上的对应菌落可在含Sm平板上生长，其它不能。该实验反映：经过多次影印可得到少数抗性菌落，也说明抗性突变可发生在接触药物之前，突变是随机的。第23页，本讲稿共117页二、抗性突变以一定的频率发生在个别细菌中二、抗性突变以一定的频率发生在个别细菌中突变率的计算：突变率的计算：固体平板法 液体培养法 间接计算法突变率：突变率：每一细胞每一世代中发生突变的概率。通过细菌的总数与每一世代所需的时间（生物时间）换算出世代数。细菌不分裂，不发生突变。第24页，本讲稿共117页从一个细菌开始细菌世代数和细菌数的关系分裂次数n12345细菌数2n2481632世代总数2n
15、-111+2=31+2+4=71+2+4+8=151+2+4+8+16=31细菌数与世代数的关系：细菌数与世代数的关系：如果细菌总数和开始时的细菌数相差很大，可认为，细菌数细菌数=世代数世代数第25页，本讲稿共117页固体平板法计算突变率：突变率突变率=（M2-M1）/（N2-N1）=（M2/N2）0.69M1，M2：代表培养前后出现的抗性菌落数；N1，N2：代表培养前后出现的细菌总数（世代数）；M1=0，N2 N1 一个菌落代表一个突变的事件，细菌生长不同步，需0.69校正。单位：单位：个个/细胞细胞/世代世代第26页，本讲稿共117页三、突变的其它规律（性质）三、突变的其它规律（性质）.突
16、变的回复（可逆性）；.突变稳定，这里指狭义的点突变，可稳定遗传；.突变具有独立性，突变的发生彼此独立无关；.突变率可以通过各种物化因素而增加。第27页，本讲稿共117页野生型基因变为突变型基因的过程，称为正向突变正向突变；突变型基因变为野生型基因的过程，称为回复突变回复突变；回复突变可由多种原因引起：回复突变可由多种原因引起：回复突变发生在原突变位点上，恢复原来的野生型碱基顺序；移码突变引起的回复突变（缺失一个核苷酸的突变，同一基因的另一位置上一个核苷酸的插入，能抵消前一突变的作用而使后一突变位点后面的编码恢复正常）；由抑制基因（suppressor）引起的回复突变；抑制基因：抑制基因：由于第
17、二个基因的突变，消除或抑制了第一个突变基因的表型，第二个突变基因称为抑制基因，用sup表示。有抑制基因突变时用+，没有抑制基因突变时用-，抑制基因用来抑制无义突变。第28页，本讲稿共117页 E.coli 中：有一个抑制基因su3+，它能使一个无义琥珀突变型的终止密码位置上出现一个酪氨酸(Tyr)，而使蛋白质合成能通过终止密码而继续进行。mRNA.UAG(琥珀密码，是基因无义突变的结果)突变tRNATyrAUG tRNATyrAUC 突变后tRNATyr的反密码子能识别UAG(琥珀密码），而把一个Tyr放到终止密码位置上。这一这一tRNA基因突变型对于琥珀突变型来讲，便是一个抑制基因突变型对于
18、琥珀突变型来讲，便是一个抑制基因。基因。第29页，本讲稿共117页第三节诱变机制第三节诱变机制诱变剂（诱变剂（mutagen）：）：凡能提高基因突变频率的因素统称为诱变剂。凡能提高基因突变频率的因素统称为诱变剂。诱变剂的种类诱变剂的种类物理诱变剂物理诱变剂化学诱变剂化学诱变剂光，热，射线（UV，x-射线，射线）从遗传物质结构变化的特点，将化学诱变剂分为：引起碱基置换的诱变剂 移码突变诱变剂 引起染色体畸变的诱变剂第30页，本讲稿共117页一、碱基置换一、碱基置换.天然的碱基结构类似物；非标准的核酸碱基，可通过 正常的聚合作用进入到核酸中去；.参入错误和复制错误；.其它诱变剂。凡是可以与凡是可以
19、与DNA分子发生化学反应，并使其结构发生分子发生化学反应，并使其结构发生改变的物质，统称为改变的物质，统称为诱变剂诱变剂。用诱变剂处理细胞得到突变型，则为诱发突变；用诱变剂诱发突变叫诱变。第31页，本讲稿共117页化学诱变剂分类：化学诱变剂分类：.碱基类似物（碱基类似物（5-Bu，2-Ap）：非标准的核酸碱基，能通过正常聚合作用进入DNA分子中；.碱基修饰剂（碱基修饰剂（HNO，NH2OH，烷化剂），烷化剂）；.吖啶类吖啶类（3个环的扁平分子，大小与嘌呤-嘧啶对 大致相等，可插入到两个碱基对之间。在DNA分子 复制时，产生移码突变）其中,为碱基置换诱变剂，3为移码诱变剂。第32页，本讲稿共11
20、7页（一）天然的碱基结构类似物（一）天然的碱基结构类似物 5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-Bu）5-BU有两种异构体：酮式酮式和烯醇式烯醇式，可分别与A及G配对；5-Bu 比 T 有较多的烯醇式出现，5-Bu本身也是酮式占优。T的结构类似物，仅在第5个碳元子上由Br取代了甲基。第33页，本讲稿共117页复制错误（TA CG）参入错误(CG TA)酮式烯醇式几率小烯醇式酮式几率大第34页，本讲稿共117页 复制错误（复制错误（TA CG）：在DNA链复制过程中，5-Bu 分子由酮式转变为烯醇式，而形成G:Bu碱基对的过程，称为复制错误。参入错误参入错误(CG TA)：5-Bu 以烯醇式结合进DNA分
21、子中，以较小概率形成G:Bu碱基对的过程，称为参入错误。参入错误几率大于复制错误几率参入错误几率大于复制错误几率。第35页，本讲稿共117页 上述两个错误反映出：突变是由5-Bu 诱发，但在突变位点上，5-Bu 并没有 代替T的位置；5-Bu 既可引起正向突变，又可诱发回复突变。5-Bu 能引发两种转换：转换：CG TA（更容易）TA CG 不引起颠换不引起颠换。第36页，本讲稿共117页作用特点：作用特点：配对不严谨（既可以与T，又可与C配对）；不能发生变构；能诱发两个方向的转换，能诱发两个方向的转换，AT GC AT GC（主要）。（2）2-氨基嘌呤（氨基嘌呤（2-Ap）是是A的结构类似物
22、的结构类似物第37页，本讲稿共117页第38页，本讲稿共117页（1）亚硝酸（）亚硝酸（HNO）A H(次黄嘌呤)引起 AT GCC U 引起 CG ATG X（黄嘌呤）仍和C配对，不产生转换突变（二）碱基的化学修饰剂（二）碱基的化学修饰剂通过改变碱基的结构，从而引起碱基的错配。氧化脱氨基作用，使氨基变为酮基，从而改变配对性质造成碱基置换突变。第39页，本讲稿共117页AHAATTTHHHCCCG次黄嘌呤第40页，本讲稿共117页第41页，本讲稿共117页HNO诱变作用特点：诱变作用特点：可作用非复制状态下DNA；通过氧化作用，把氨基转变为酮基；可引起AT GC双向转换；（由HNO引起的突变可
23、以由HNO引起回复突变）第42页，本讲稿共117页（2）羟胺（）羟胺（NH2OH）特点：特点：高度特异性诱变剂，只与高度特异性诱变剂，只与C反应反应（而不与其它三种 碱基反应）；只引起单向转换只引起单向转换GC AT；第43页，本讲稿共117页（3）烷化剂）烷化剂对于点突变的诱变作用主要是由于引起碱基的错误配对引起碱基的错误配对。常用的烷化剂：常用的烷化剂：硫酸二乙酯（硫酸二乙酯（DES）甲基磺酸乙酯（甲基磺酸乙酯（EMS）甲基磺酸甲酯（甲基磺酸甲酯（MMS）N-甲基甲基-N-硝基硝基-N-亚硝基胍亚硝基胍(NTG)氮芥、硫芥氮芥、硫芥环氧乙烷环氧乙烷 诱发点突变和染色体畸变诱发点突变和染色体
24、畸变第44页，本讲稿共117页两种机理：两种机理：许多烷化剂和碱基的反应产物主要是7-烷基嘌呤 嘌呤环上N-7位置接上烷基而形成四价氮的基团，该基团可促进嘌呤环的离子化促进嘌呤环的离子化，离子化的离子化的 G 与与T配对配对，故使GC AT。烷基化嘌呤，可使糖苷键发生不稳定变化，易水解，而产产生脱嘌呤部位生脱嘌呤部位(O表示表示)。DNA复制时和O相对的位置上可相对的位置上可以出现任何一种碱基，从而引起转换或颠换。以出现任何一种碱基，从而引起转换或颠换。第45页，本讲稿共117页烷基化脱嘌呤第46页，本讲稿共117页亚硝基胍亚硝基胍(NTG)作用特点：作用特点：突变频率高突变频率高（约1%）（
25、超诱变剂）；可引发并发突变引发并发突变（两个以上临近位置的基因同时发生突变）；主要作用于主要作用于DNA复制叉位置的基因复制叉位置的基因，诱变部位可随DNA复制叉的移动而变（因此应尽量作用于DNA复制的细胞，提高突变率）；并发突变可回复，缺失突变不可回复并发突变可回复，缺失突变不可回复，可由此检验两者不同（并发突变与缺失突变的表型效应相同）。第47页，本讲稿共117页二、辐射二、辐射非电离辐射（如：UV），可回复突变，故为点突变辐射的诱变作用：辐射的诱变作用：直接作用：直接作用于染色体直接作用：直接作用于染色体 引起DNA骨架的断裂骨架的断裂，而造成畸变；形成嘧啶二聚体嘧啶二聚体（一般是TT二
26、聚体）间接作用：使细胞中染色体以外的物质发生变化，间接作用：使细胞中染色体以外的物质发生变化，然后这些物质作用于染色体而引起突变。然后这些物质作用于染色体而引起突变。产生过氧化氢（产生过氧化氢（H H2 2O O2 2）和自由基，导致）和自由基，导致DNADNA的氧化损伤的氧化损伤 如：超氧阴离子自由基（O O2 2-.），羟基自由基（OH.）形成碱基类似物，诱发突变形成碱基类似物，诱发突变第48页，本讲稿共117页辐射诱变的特点：辐射有直接作用；点突变的频率与照射剂量呈直线关系；这些剂量关系曲线都通过原点，证明任何一点辐射都可诱发突变；只要总剂量不变，多次照射和一次照射的效果相等，即少量多次
27、辐射和一次大量辐射的剂量效应相同。第49页，本讲稿共117页1.紫外线（紫外线（ultravioler ray,UV）波长范围：波长范围：136390nm200300nm范围对诱变最有效（260nm诱变效果最强）紫外线诱变的作用机制：紫外线诱变的作用机制：形成胸腺嘧啶二聚体（主要）形成胸腺嘧啶二聚体（主要）DNA链的断裂；DNA分子内或分子间的交联；形成嘧啶水合物；非电离辐射 胸腺嘧啶二聚体的存在，可带来胸腺嘧啶二聚体的存在，可带来DNA分子构形的扭曲，分子构形的扭曲，从而影响正常的复制和转录并从而致死，也可使从而影响正常的复制和转录并从而致死，也可使DNA复制造复制造成差错从而发生突变。成差
28、错从而发生突变。第50页，本讲稿共117页2.电离辐射电离辐射 X-射线：0.060.136nm；-射线射线：0.010.14nm（65Co发射）发射）X-射线和-射线带有较高的能量，能引起被照射物质中原子的电离，故称电离辐射。诱变作用有两种方式：直接作用：引起DNA链的断裂，DNA双链间的交联等；间接作用：使细胞产生过氧化氢和自由基，而引起突变；第51页，本讲稿共117页3.离子束离子束 离子注入是近年发展起来的一种新的生物诱变技术，具有损伤小、突变谱广、突变率高、并具有一定的重复性和方向性的新特点。20世纪80年代中期，我国学者余增亮首先余增亮首先把该技术应用于水稻诱变育种水稻诱变育种，育
29、成2个水稻新品种（晚梗D9055和中熟早籼S9042），后来用于其它农作物，如小麦、玉米、大豆、小麦、玉米、大豆、烟草、谷子等的诱变育种烟草、谷子等的诱变育种，选育出很多优质、抗病的新品种；在微生物育种方面：使利福霉素利福霉素发酵水平提高了40%；处理后的糖化酶糖化酶生产菌、右旋糖酐右旋糖酐产生菌的产量均有较大提高。离子束的产生装置是离子注入机离子注入机，一般有离子源、质量分析器、加速器、四极透镜、扫描系统和靶室组成。离子源是离子注入机的重要部件，直接决定着离子的种类和束流强度，它的作用是把需要注入的元素电离成离子。许多离子注入机能够单独或同时产生金属和气体离子束。在生物诱变育种中经常应用的是
30、生物诱变育种中经常应用的是N+离子束离子束。第52页，本讲稿共117页 离子注入和其它常规的辐射诱变及化学诱变过程有明显的差异。离子注入生物体时存在能量传递、动量交换、离子沉积及电荷积累过程，而其它的电离辐射诱变仅仅是能量交换；化学诱变剂考虑的也只是分子基团的交换。因此离子注入不仅兼有辐射诱变和化学诱变特点和功能离子注入不仅兼有辐射诱变和化学诱变特点和功能，而且原则上通过精确控制离子种类、注入参数，使离子的能量、动量及电荷等根据需要重新组合，使诱变具有一定的重复性和方向性。但精确的机制尚不清楚。第53页，本讲稿共117页三、移码突变诱变剂三、移码突变诱变剂移码突变是由于DNA分子中一对或少数几
31、对核苷酸的增加或缺失，而造成的基因突变。移码突变的两个特点：碱基重复（重复碱基处易形成移码突变）；不能用其它诱变剂回复突变，只有用吖啶类吖啶类才能回复突变吖啶类染料是有效的移码突变诱变剂。移码突变诱变剂。常用的有：吖啶橙吖啶橙、二氨基吖啶二氨基吖啶（又称原黄素原黄素）；噬菌体的有效诱变剂 一系列烷化剂和吖啶类相结合的化合物（称为ICR）；细菌的良好诱变剂第54页，本讲稿共117页第55页，本讲稿共117页诱变机制：一般认为和它能嵌入DNA分子中间有关。插入不一定引起移码突变，要形成一个环状分子，不形成环状分子不形成移码突变移码突变的发生和碱基的重复有关。吖啶类在单股断口附近单一碱基重复的位点引
32、起吖啶类在单股断口附近单一碱基重复的位点引起移码组移动的可能机制，吖啶分子会非常规配对保持足够长的时间，以吖啶分子会非常规配对保持足够长的时间，以使复制得以进行。但插入能力与引起的突变不成比例，关键使复制得以进行。但插入能力与引起的突变不成比例，关键在于能否形成茎环，重复碱基处易形成在于能否形成茎环，重复碱基处易形成移码突变。第56页，本讲稿共117页转座因子（转座因子（transposable element)又称又称“跳跃基因跳跃基因”一类能够转移位置的遗传因子。可以在同一染色体上一类能够转移位置的遗传因子。可以在同一染色体上转移位置，也可以在染色体和质粒间转移位置。转移位置，也可以在染色
33、体和质粒间转移位置。广泛分布于原核和真核细胞中。广泛分布于原核和真核细胞中。特点特点转座因子可在转座因子可在DNA分子的许多位点插入及整合，不需要分子的许多位点插入及整合，不需要转座子和目标位点之间广泛的同源性。转座子和目标位点之间广泛的同源性。转座因子不能自主复制和独立存在于染色体外转座因子不能自主复制和独立存在于染色体外（有别于质（有别于质粒）。没有像病毒那样的生命循环周期而不同于噬菌体。粒）。没有像病毒那样的生命循环周期而不同于噬菌体。典型转座是典型转座是复制型转座，复制型转座，即转座子的一个拷贝插入靶即转座子的一个拷贝插入靶DNA，而转座子本身却留在染色体原来的位置。，而转座子本身却留
34、在染色体原来的位置。四、生物分子的诱变作用四、生物分子的诱变作用第57页，本讲稿共117页根据分子结构和遗传性质，转座因子可分为根据分子结构和遗传性质，转座因子可分为3类：类：插入序列（插入序列（Insertion sequence,IS）只含转座基因，不带有使细菌表现任何性状的基因，大小只含转座基因，不带有使细菌表现任何性状的基因，大小8.5bp1.5kb。当其转移到一个基因中时，便使这一基因成为。当其转移到一个基因中时，便使这一基因成为一个突变基因（称为插入突变）。一个突变基因（称为插入突变）。转座子（转座子（Transposon,Tn）除转座基因外，还有抗药性基因，大小在几个除转座基因外
35、，还有抗药性基因，大小在几个kb。当当Tn插入某一基因时，一方面使这一基因发生突变，另一方面在插入某一基因时，一方面使这一基因发生突变，另一方面在这一座位上出现了一个抗药性基因。这一座位上出现了一个抗药性基因。Mu噬菌体噬菌体几十几十kb，Mu噬菌体的插入除了使细菌成为某一突变型外，还使噬菌体的插入除了使细菌成为某一突变型外，还使它成为一个溶源性细菌。它成为一个溶源性细菌。第58页，本讲稿共117页 插入突变可以看作一种染色体畸变。转座因子除了引起插插入突变可以看作一种染色体畸变。转座因子除了引起插入突变外，还能带来插入位置临近的染色体畸变，包括缺失、入突变外，还能带来插入位置临近的染色体畸变
36、，包括缺失、倒位、易位等。倒位、易位等。切离：转座因子从插入位置消失的过程。切离：转座因子从插入位置消失的过程。准确切离，回复突变；准确切离，回复突变；非准确切离，同样引起突变效应（染色体畸变）。非准确切离，同样引起突变效应（染色体畸变）。基因符号表示：基因符号表示：lac Z21:Tn3 lac基因的21位点上插入Tn3；gal T135:Is4 gal基因的135位点上插入Is4 第59页，本讲稿共117页 在实验室可以利用已知的转座因子来取得插入突变在实验室可以利用已知的转座因子来取得插入突变 （在这里转座因子可以看作是一种诱变剂）（在这里转座因子可以看作是一种诱变剂）例：利用Tn km
37、 r诱变，筛选lac-的E.coli （采用含km的EMB选择性平板）Tn kmr lac+kms 平板筛选（EMB+km）lac-kmr（插入突变）转座 （抗km的白色菌落）第60页，本讲稿共117页五、诱变作用的专一性五、诱变作用的专一性1.回复突变的专一性回复突变的专一性由羟胺所诱发的突变不能由羟胺诱发它的回复突变（只引起单向突变）；吖啶类诱发的突变只能用吖啶类诱发它的回复突变；缺失突变一律都不能发生回复突变，不论自发或诱发；转座子的插入突变的回复突变率（切离），任何诱变剂不能提高。回复突变的诱发，对诱变剂具有高度的专一性。回复突变的诱发，对诱变剂具有高度的专一性。第61页，本讲稿共11
38、7页2.正向突变的专一性正向突变的专一性热点（热点（hot spot）：一个基因中突变率特别高的位点。在E.coli T4的r 突变中首先观察到。（分离到的2400个自发的r 突变型中，通过基因定位测定，分属308个位点，在许多位点只发生一次、两次或十几次，在r17位点发生517次。）热点的存在，说明某一位点上的突变的发生必然和它的临近的和核苷酸顺序有关。与碱基重复顺序有关。热点是化学诱变剂容易控制到的区域，也为SOS修复发生错误的位点。第62页，本讲稿共117页第四节第四节 自发突变的机制自发突变的机制自发突变的原因：自发突变的原因：碱基的互变异构碱基的互变异构，稀有式出现，引起错配（转换突
39、变）（T，G：酮式或烯醇式；C，A：氨基式或亚氨基式）环出效应环出效应（模板链弯曲形成凸环）；自身代谢产物的诱变自身代谢产物的诱变（H H2 2O O2 2，重氮丝氨酸等）转座子转座子 背景辐射和环境诱变背景辐射和环境诱变第63页，本讲稿共117页第64页，本讲稿共117页第五节第五节 突变诱发的影响因素突变诱发的影响因素影响突变的因素：影响突变的因素：细胞的透性；细胞的透性；DNA损伤修复和基因突变；损伤修复和基因突变；环境；环境；诱变作用的专一性；诱变作用的专一性；第65页，本讲稿共117页一、诱变剂接触一、诱变剂接触DNA分子前分子前第66页，本讲稿共117页前突变：前突变：诱变剂所造成
40、DNA分子某一位置的结构改变。1.诱变剂必须进入细胞才能诱发突变。细胞壁的通透性细胞壁的通透性将影响细胞对紫外线和化学诱变剂的敏感程度。如：鼠伤寒沙门氏菌的深度粗糙突变型（rfa），脂多糖不正常，诱变率比野生型高10倍（诱变剂易进入细胞）2.细胞质中某些物质可降解或强化诱变剂。羟化酶如：陆蒽酮（无诱变作用）海蒽酮（有诱变作用）肝脏3.突变的诱发和基因是否处于转录状态有关。如：亚硝基胍(NTG)作用于复制叉位置 lac-lac+（回复突变）必须在转录状态才能发生。第67页，本讲稿共117页4.保护系统：保护系统：细菌中至少有2套保护系统：限制保护系统（甲基化）保护修复系统（DNA损伤修复）第68
41、页，本讲稿共117页1.光复活作用（光复活作用（photoreactivation）1949年，在放线菌中首先发现光复活作用。经UV照射的孢子如果在可见光下培养，存活数高于在黑暗中培养的同一处理样品。嗜血杆菌虽没有光复活能力，可是经来自具有光复活能力E.coli的抽提物处理后，具有了光复活能力。19591960年，发现了光复活酶。E.coli的光复活酶由471个氨基酸组成，分子量为35kD，由phr基因编码，位于染色体上16分钟。在暗处不起作用。二、二、DNA损伤修复损伤修复第69页，本讲稿共117页机理：机理：光复活酶（光复活酶（photolyase）在可见光下被激活，使胸腺嘧啶二聚体）在可
42、见光下被激活，使胸腺嘧啶二聚体 分解成单体。分解成单体。该修复机制不是移去或取代核苷酸，而是胸腺嘧啶二聚体直接被修复，所以是一种无错误的修复（无错误的修复（error free）。低等生物的主要修复机制。广泛存在于生物界，但生物越高等进化，光复活的作用越弱。特点：特点：必须有可见光（提供能量）；只涉及的一条链，不需要另一条链的帮助；特异性强（只作用于UV 引起的DNA 嘧啶二聚体）。第70页，本讲稿共117页2.切除修复（切除修复（excision repair，又称暗修复），又称暗修复）在三种酶的协同作用下进行：切除酶（一种内切酶，在链的损伤部位 两侧同时切开）DNA聚合酶 DNA连接酶这三
43、种酶都不需要可见光激活。必须依赖未受损的DNA互补链。包括3个步骤：特异性酶识别DNA 链中的损伤部位；DNA 损伤部位被切离；在DNA聚合酶和 DNA连接酶的作用下完成修复。第71页，本讲稿共117页第72页，本讲稿共117页E.coli的UvrABC核酸核酸内切酶内切酶：由uvrA,uvrB，uvrC三个基因编码三个亚基。对损伤的对损伤的DNA进行识进行识别和切割别和切割。切割时从受损DNA的两侧位置上各造成一个切口，切下包括损伤DNA在内的一个1213个核苷酸片段。UvrAB识别损伤UvrBC在DNA上切一缺口UvrD使被标记区解旋Uvr系统在修复各阶段中的作用第73页，本讲稿共117页
44、 是一种普遍的修复系统。能移去胸腺嘧啶 二聚体和修复大多数引起的DNA扭曲损伤。从低等到高等生物都需要这种修复。（着色性干皮病（着色性干皮病是一种切除修复酶的缺陷）第74页，本讲稿共117页3.重组修复（重组修复（recombination repair）重组修复重组修复发生于发生于DNA复制过程或复制之后，所以又称为复制过程或复制之后，所以又称为“复制后修复复制后修复”；切除修复切除修复和和光修复光修复均发生在均发生在DNA复制之前。复制之前。光复活光复活：使胸腺嘧啶二聚体复原为二个单体；切除修复切除修复：将胸腺嘧啶二聚体切除；重组修复重组修复：在不改变胸腺嘧啶二聚体的情况下进行 的修复作用
45、。可把这三种修复作用看作生物对外界环境对于遗传物质的损伤所设置的层层屏障。第75页，本讲稿共117页子链中的缺口由母链填补，而母链中失去的部分由子链中的缺口由母链填补，而母链中失去的部分由DNA聚合酶和连接酶进行修复。聚合酶和连接酶进行修复。E.coli在不切除TT二聚体的情况下，以带有二聚体的单链为模板合成互补单链。子代子代DNA链在损伤的对应部位留下缺口链在损伤的对应部位留下缺口其互补链则复制成完整的双链其互补链则复制成完整的双链RecA蛋白结合在有缺口的单链蛋白结合在有缺口的单链DNA上，并与上，并与完整双链的同源区进行配对交换完整双链的同源区进行配对交换在重组修复过程中，原母链中的损伤
46、部位并未被切除，损伤部在重组修复过程中，原母链中的损伤部位并未被切除，损伤部位仍然要依靠再一次的切除修复，或经一定代数的增殖以后损位仍然要依靠再一次的切除修复，或经一定代数的增殖以后损伤的伤的DNA链将逐渐稀释，最后无碍于细胞的正常生长和繁殖。链将逐渐稀释，最后无碍于细胞的正常生长和繁殖。第76页，本讲稿共117页第77页，本讲稿共117页说明：说明：E.coli对对UV所造成的损伤修复，依赖于切除和重组修复所造成的损伤修复，依赖于切除和重组修复系统。如果不被修复，少数几个系统。如果不被修复，少数几个TT二聚体的存在就可造成死亡；二聚体的存在就可造成死亡；野生型细菌的野生型细菌的DNA中即使产
47、生了大量的二聚体而仍然能大量地中即使产生了大量的二聚体而仍然能大量地存活，就是因为它有多种有效的修复系统。存活，就是因为它有多种有效的修复系统。第78页，本讲稿共117页4.SOS（save our soul）修复系统）修复系统 SOS是是DNA分子受到较大范围的重大分子受到较大范围的重大损伤时诱导的损伤时诱导的一种修复系统一种修复系统，而且是唯一，而且是唯一导致基因突变导致基因突变的修复机制，的修复机制，也叫也叫“差错修复差错修复”。而前面的三种修复发生是不需要诱导的。而前面的三种修复发生是不需要诱导的。第79页，本讲稿共117页差错倾向修复差错倾向修复（Error prone repair
48、）1953年，Jeam Weigle 等发现 UV 感染 E.coli(用UV照射过)存活率高噬菌体 突变型增加 E.coli(UV未照射过)存活率低说明：说明：轻度的UV照射，使E.coli细胞中出现一种对于 噬菌体DNA的UV损伤的修复功能，可是在修复 过程中却带来了基因突变。第80页，本讲稿共117页在正常细胞中，LexA阻遏蛋白阻遏SOS基因的表达DNA损伤后，激活的RecA蛋白使LexA自我切割，引起SOS基因的表达。SOS基因：切除修复基因重组修复基因umuC,umuD第81页，本讲稿共117页RecA蛋白在SOS反应中起着关键作用：一方面，对细胞中积累的单链DNA进行感知，从而引
49、起LexA蛋白的自我切割；另一方面，促进重组修复。第82页，本讲稿共117页 SOS系统中，与嘧啶二聚体相对位置上，可以是任何碱基，系统中，与嘧啶二聚体相对位置上，可以是任何碱基，因而引起突变。因而引起突变。umuC和和umuD编码的蛋白帮助细胞耐受编码的蛋白帮助细胞耐受DNA的损伤，使的损伤，使DNA聚合酶能越过损伤部位而继续复制，但在这个过程中引起突变。聚合酶能越过损伤部位而继续复制，但在这个过程中引起突变。以上两个基因组成一个转录单位，被以上两个基因组成一个转录单位，被RecA蛋白阻遏。蛋白阻遏。UmuC和和UmuD替代替代DNADNA聚合酶聚合酶中的中的 蛋白，形成较松弛的夹子蛋白，形
50、成较松弛的夹子第83页，本讲稿共117页4种修复机制总结修复类型光复活切除修复重组修复SOS修复能量来源可见光细胞本身水解ATP产生修复机理修复DNA模板（切除修复依赖于另一条链修补合成）形成新模板不顾模板修复功能避免差错修复避免差错修复倾向差错修倾向差错修复复只有光复活不切断糖-磷酸键，只有SOS修复需要诱导，并导致突变。两类修复功能 避免差错修复功能避免差错修复功能 倾向差错修复功能倾向差错修复功能第84页，本讲稿共117页 不论哪一种DNA损伤的修复功能发生缺陷的突变型，都对UV格外敏感。根据对UV的诱变作用，可区分为两种类型：一类比野生型更为敏感一类比野生型更为敏感 它们是避免差错的修