1、第三章 基因突变,第一节 突变的概念和类型 第二节 突变的分子机制和效应 第三节 突变体的形成 第四节 基因符号的命名系统,主要内容,第一节 突变的概念和类型,突变 （Mutation）:是指DNA特定部位上核苷酸序列变化，致使蛋白质结构的改变，最后导致个体表型的不同。,广义的突变可以分三类： 基因突变 染色体畸变 染色体组变,突变的类型,突变,T,组变,插 入:,自发突变和诱发突变:自发突变(spontaneous mutation)：指在自然状态下基因发生的突变。诱发突变(induced mutation)：人为用诱变剂去处理微生物而引起的突变。所有能诱发基因突变的因子，称为诱变剂(mut
2、agen)。诱变剂往往同时也具有致癌作用，也是一种致癌物(carcinogen)。每个细胞在每一世代中发生某一性状突变的概率称为突变率(Mutation ratio)，自发突变率一般在10-9 10-6之间。诱发突变可使突变率提高10100倍。,增变基因（mutatot gene）生物体内有些基因与整个基因组的突变率直接相关，当这些基因发生突变时，整个基因组的突变率明显上升。1. DNA聚合酶的各个基因。如DNA聚合酶的3-5校对功能丧失或下降，则突变率上升且随机分布。2. Dam基因。它们的突变使修复系统功能丧失，也可引起突变率上升。,第二节 突变的分子机制和效应,1. 碱基置换,一个碱基被
3、另一碱基取代而造成的突变称为碱基置换。 凡是一个嘌呤(purine)被另一个嘌呤所取代，或者一个嘧啶被另一个嘧啶所取代的置换称为转换（transition）； 凡是一个嘌呤被另一个嘧啶所取代或一个嘧啶被另一个嘌呤所替代的置换称为颠换（transversion）。,一、 点突变的分子机制和效应,DNA复制时，碱基互变异构体导致碱基置换酮式 烯醇式,碱基的脱嘌呤或脱氨基作用脱嘌呤：空位随机插入碱基，引起突变。脱氨基：如5mC T 5mC : G T : A,突变热点 （hot spots of mutation）DNA分子上的各个部分有着不同的突变频率，某些突变频率大大高于平均数的部位就称为突变热
4、点。,形成突变热点的原因仍未明了。有人认为是5-甲基胞嘧啶（MeC）的存在，MeC脱氨氧化后生成T，引起5-MeC-GT-A 转换；短的连续重复顺序处容易发生插入或缺失突变；有的与突变剂种类有关，如DNA顺序中某个碱基对突变剂更敏感，有的则相反。,碱基置换导致核苷酸顺序的改变，对多肽链中氨基酸顺序的影响，有下列几种类型：,同义突变由于密码子具有兼并性，因此，单个碱基置换后使mRNA上改变后的密码子与改变前所编码的氨基酸一样，肽链中出现同一氨基酸。,错义突变 是指DNA分子中的核苷酸置换后改变了mRNA上遗传密码，从而导致合成的多肽链中一个氨基酸被另一氨基酸所取代，这种情况称为错义突变（miss
5、ense mutation）。此时，在该氨基酸前后的氨基酸不改变。,错义突变结果产生异常蛋白质和酶。如果错义突变不影响蛋白质或酶的生物活性，可不表现出明显的表型效应，这种突变可称为中性突变（neutral mutation）。如果错义突变置换了酶活性中心的氨基酸，因而合成了没有活性的酶蛋白，但有时还具有蛋白质抗原性，其所产生的抗体可与正常蛋白质发生交叉反应。可用于制备基因工程疫苗。,无义突变当单个碱基置换导致出现终止密码子（UAG、UAA、UGA）时，多肽链将提前终止合成，所产生的蛋白质（或酶）大都失去活性或丧失正常功能，此种突变称为无义突变。因此翻译便到此为止，使肽链缩短。无义突变如果发生在
6、靠近3-末端处，它所产生的多肽链常有一定的活性，表现为渗漏型，这类多肽多半具有野生型多肽链的抗原特异性。,终止密码突变 当DNA分子中一个终止密码发生突变，成为编码氨基酸的密码子时，多肽链的合成将继续进行下去，肽链延长直到遇到下一个终止密码子时方停止，因而形成了延长的异常肽链，这种突变称为终止密码突变（termination codon mutation），这也是种延长突变（elongtion mutation）,抑制基因突变 当基因内部不同位置上的不同碱基发生两次突变，其中一次抑制了另一次突变的遗传效应，这种突变称为抑制基因突变（suppressor gene mutation）。 例如Hb
7、 Harlem是链第6位谷氨酸变成缬氨酸，第73位天冬氨酸变成天冬酰胺；如果单纯6 谷氨酸缬氨酸，则可产生HbS病，往往造成死亡。但Hb Harlem临床表现却较轻，即73 的突变抑制了6 突变的有害效应。,2. 移码突变移码突变（frame-shift mutation）是指DNA链上插入或丢失1个、2个甚至多个碱基，导致在插入或丢失碱基部位以后的编码都发生了相应改变。,如果在DNA链的密码子之间插入或丢失一个或几个密码子，则合成的肽链将增加或减少一个或几个氨基酸，但插入或丢失部位的前后氨基酸顺序不变，称为整码突变（codon mutation）。,DNA复制时，单链环出或跳格导致移码突变,
8、新合成链环出,亲本链环出,增加碱基,减少碱基,插入突变,缺失突变,1. 基因突变的自发性及不对应性基因突变的自发性和不对应性已被波动试验和影印培养试验所证实。,2. 基因突变的稀有性,3. 基因突变的独立性 突变对每个细胞是随机的，对每个基因也是随机的。,基因突变的特点,4. 基因突变的可诱变性 通过人为诱变剂作用，一般可以将突变率提高10100倍。 基因突变的稳定性 突变产生的新变异性状是稳定的，可遗传的。 基因突变的可逆性 由原始的野生型基因变异成为突变型基因的过程称为正向突变(Forward mutation)，相反的过程称为回复突变(Back mutation或Reverse muta
9、tion)。,二、染色体畸变的机制和效应,染色体畸变 指染色体结构的改变。是在自然突变或人工诱变的条件下使染色体的某区段发生改变，从而改变了基因的数目、位置和顺序。染色体结构变异可分为四种类型: 缺失(deletion)； 重复(duplication)； 倒位(inversion)； 易位(translocation)。,1. 缺失（deletion）缺失是指一个正常染色体上某区段的丢失。该区段上所载荷的基因也随之丢失。 缺失的类型 按照缺失区段发生的部位不同，可分为以下几种类型： (1)中间缺失(interstitial deletion)：染色体中部缺失了一个片段。这种缺失较为普遍，较稳
10、定，故较常见。 (2)末端缺失(terminal deletion)：染色体的末端发生缺失。,缺失产生的原因 可能有以下几种： (1)染色体损伤后产生断裂，发生末端缺失非重建性愈合可产生中间缺失或形成环状染色体。 (2)染色体纽结：染色体发生纽结时若在纽结处产生断裂和非重建愈合就可能形成中间缺失。 (3)转座因子可以引起染色体的缺失、倒位和易位。,缺失的遗传效应： （1） 致死或出现异常 由于染色体缺失使它上面所载的基因也随之丢失，因此，缺失常常造成生物的死亡或出现异常，但其严重程度决定于缺失区段的大小，所载基因的重要性而定。 （2） 假显性 (pseudo dominant) 显性基因的缺失
11、使同源染色体上隐性非致死等位基因的效应得以显现，这种现象称为假显性。,2. 重复(duplication) 重复是一个正常染色体增加了与本身相同的一段。 重复的类型 按发生的位置和顺序不同，可分为以下几种类型： (1)顺接重复 (2)反接重复 (3)同臂重复 (4)异臂重复,重复的遗传效应： (1) 重复会破坏正常的连锁群，影响固有基因的交换率。 (2) 位置效应(position effect)：一个基因随着染色体畸变而改变它和相邻基因的位置关系，所引起表型改变的现象称位置效应。重复的发生改变了原有基因间的位置关系。 (3) 剂量效应：由于基因数目的不同，而表现了不同的表型差异称为剂量效应。
12、 (4) 表型异常：重复对生物的发育和生活力也是有影响的，但比缺失的损害轻。,3. 倒位(inversion) 一个染色体上某区段的排列顺序发生了180度的颠倒。 倒位的类型 按照倒位区段是否包含着丝粒为以下两种类型： (1) 臂内倒位：一个臂内不含着丝粒的颠倒。 (2) 臂间倒位：两个臂间包含着丝粒的颠倒。,倒位的遗传效应倒位造成基因的重排，但由于倒位不造成倒位区内基因的缺失，因而倒位通常仅仅影响断裂点及其邻近的那些基因。 产生“位置效应”。(2) 导致“重组抑制”。,4. 易位(translocation)指两对非同源染色体间某区段的转移。易位的类型 (1)相互易位 非同源染色体间相互置换
13、一段染色体片段。 (2)单向易位 一个染色体的某区段结合到另一非同源染色体上。 (3)罗伯逊易位 也指着丝粒融合。它是由两个非同源的端着丝粒染色体的着丝粒融合，形成一个大的中或亚中着丝粒染色体。,易位的遗传效应 (1) 配子的育性降低。 (2) 后代有遗传病。 (4) 推动生物物种进化。,三、染色体组变的机制和效应,染色体组变是指染色体数目发生不正常的改变。在真核细胞染色体中，每一种染色体都有一个大小、形态、结构相同的同源染色体，每一种同源染色体之一构成的一套染色体，称为一个染色体组。一套染色体上带有相应的一套基因，所以，也称为一个基因组（genome）。,1. 整倍体(euploid)的变异
14、,整倍体是指含有完整染色体组的细胞或生物。 整倍体的变异是指细胞中整套染色体的增加或减少。 单倍体(haploid) 二倍体(diploid) 多倍体(polyploid),2. 非整倍体的变异,非整倍体是指细胞中含有不完整的染色体组的生物。 非整倍体的变异是指在正常染色体(2n)的基础上发生个别染色体的增减现象。（1）单体(monosomy) ( 2n-1) 出现异常表型特征： 染色体的平衡受到破坏；某些基因产物的剂量减半，有的会影响性状的发育；随着一条染色体的丢失，其携带的显性基因随之丢失，其隐性基因得以表达。,（2） 缺体 指有一对同源染色体成员全部丢失(2n-2)的生物个体。又称为零体
15、。一般是致死的。 在异源多倍体植物中常可成活，但生长较弱小。,（3）多体(polysomy) 增加了一个或多个染色体的生物个体的通称。三体(trisomy) 2n+1双三体(double trisomy) 2n+1+1四体(tetrasomy) 2n+2,部分染色体整倍体和非整倍体变异类型,1. 形态突变型 指突变的菌体发生形态可见的变化。如细胞大小、形状、鞭毛、纤毛、孢子、芽孢、荚膜，以及群体形态结构（菌落和噬菌斑等）的改变。 2. 生化突变型 指突变的菌体原有特定的生化功能发生改变或丧失。如菌体对底物的利用能力、对氨基酸、维生素及碱基等的营养需求、对过量代谢产物或其类似物的耐性以及抗药性发
16、生的变化。生化突变对于发酵工业生产具有重大意义。,突变型的种类,3. 条件致死突变型 突变后的菌体在某些条件下，可以生存，但在另一些条件下则发生死亡。如：温度敏感突变型是最典型的条件致死突变型。4. 致死突变型 突变造成菌体死亡或生活能力下降。,第三节 突变体的形成,突变的发生并不一定意味着突变体的产生及性状的改变。,DNA分子突变 ？,携带突变基因的细胞或个体，称为突变体（mutant)。,没有发生基因突变的细胞或个体称为野生型（wild type）。,突变的修复,一、光修复,二、切除修复,三、重组修复,四、SOS修复,五、DNase的校正作用,一、 光修复 （photoreactivati
17、on）,经紫外线照射后的微生物若立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率?,光修复主要是对紫外线引起的 DNA 损伤进行修复。 光解酶（photolyase）在光环境中能直接修复 DNA的嘧啶二聚体而不需切除部分碱基。 此酶在黑暗中能专一性地识别并能与二聚体结合成酶 -DNA 复合物，在有光时可催化一个光化学反应。,二、切除修复 （ excision repair ）,在 DNA 损伤较为严重时进行的修复。（暗修复）UvrABCD酶类 切除DNA损伤部位，如T=T、核苷酸片段等，从而提供一个 3- OH 末端。 DNA聚合酶 补充空隙，连接酶连接，完成修复。可修复各种理、化DNA损伤。,切除修
18、复,C B,uvrD,即复制后修复 重组酶 结果： 虽并不消除原来的错误和损伤，但避免了新合成链出现损伤，使损伤稀释。 原母链中的损伤部位仍需切除修复才能去除。 子代细胞中只有一个细胞带有损伤DNA,三、重组修复（ recombination repair ）,重组修复,子代,亲链,亲链,子链,子链,亲链,亲链,子链,子链,亲代,亲链,亲链,亲链,亲链,子链,子链,SOS修复是指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式。,四、 SOS修复（ SOS repair ）,SOS 修复 （ SOS repair ） SOS 修复是指紧急修复。 SOS修复基因是一组基因，它们为
19、 DNA 的损伤所诱导。在DNA未受重大损伤时SOS修复基因受 LexA 阻遏蛋白的抑制，使 mRNA 和蛋白质合成都保持在低水平状态。当DNA受到重大损伤，少量存在的 RecA 蛋白立即与 DNA 单链结合，结合后其修复活性被激活，激活的 RecA 蛋白切除 LexA 阻遏蛋白，使其他修复基因得以表达，产生的修复蛋白对损伤的 DNA 进行修复。修复结果是维持基因组的完整性，提高细胞的存活率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复，使细胞有较高的突变率。,DNA分子突变 ？,1. 经修复系统修补后恢复原有DNA分子结构。,2. 克服修复系统的作用，个体成为突变体。,突变的表型效应,突变不改变遗
20、传性状,显性突变和隐性突变的表型效应,突变后的表型和环境,表型延迟（phenotype lag）,原因： 诱变剂的渗入速度相当慢。 突变发生在多核细胞的一个核。 原有基因产物的影响。,概念：指微生物通过自发突变或人工诱变而产生的新基因型个体所表现出来的遗传特性不能在当代出现，其表型的出现必须经过2代以上的繁殖复制。？,表型延迟现象,诱变,涂皿培养,诱变,涂皿培养,后培养,第四节 基因符号的命名系统,基因符号的命名系统,1966年Genetics刊登了Demerec M等建议的大肠杆菌中基因符号的命名系统。 1981年Sherman又在此基础上提出了啤酒酵母基因符号的命名规则。 现在国际各权威性
21、生命学科杂志也制定了明确的要求，这些要求基本上和以上两大命名系统相一致。,规则的要点：(1)每一个基因座位 如 色氨酸基因trp。(2)产生同样表型的不同基因座位 如 trpA.trpB。(3)一个基因的不同突变位点 如trpA23，trpB17，trp-54。(4)表型特性 如色氨酸营养缺陷型Trp-。(5)菌株用简单的序号表示。如 Bz(6)染色体上存在缺失 如 (lac，pro) (7)在基因符号书写时，先写生化缺陷标记，然后是糖发酵标记、抗药性标记和形态变异标记，最后是像噬菌体类的附加体在细菌中的存在状态或细菌对这类附加体的反应和抑制基因的符号。,大肠杆菌和其它细菌: 肩上的符号用以表
22、示野生型、突变型、抗性或敏感性。如：Gal 表型为半乳糖野生型或原养型， Gal或Gal 表型为半乳糖突变型或缺陷型， gal 基因型为半乳糖野生型， gal 或gal 基因型为半乳糖突变型， AmpR 表型为氨基苄青霉素抗型， amps 基因型为氨基苄青霉素敏感型。,酵母: 啤酒酵母基因GAL4 CDC28; 蛋白质：GAL4, CDC28。 非洲粟酒酵母基因 gal4, cdc2; 蛋白质：Gal4, Cdc2 线虫: 基因unc-86; 蛋白UNC-86 果蝇: 1-4个字母表示基因white(w ), tailless ( tll ), hedgehog ( hh ); 而蛋白为 White, Tailless, Hedgehog,思考题,突变有哪些类型？ 突变的分子机制和效应是怎样的？ 突变的特点是什么？ 突变一定会形成突变体吗？为什么？,
