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1、掌握基因突变的一般特征和基因突变的分子基础,本章重点：,了解基因突变的诱变和检出,第十四章 基因突变,第一节 基因突变概说,基因突变(gene mutation)：是指染色体上某一基因位点内部发生了化学物质的变化，与原来的基因形成对应关系，即等位关系,基因突变是染色体上一个座位内遗传物质的变化，所以也称作点突变(point mutation),一、体细胞突变和生殖细胞突变,Mutation: Somatic or Germinal,生殖细胞的突变(germinal mutation)：生殖细胞突变发生在种系中,体细胞突变(somatic mutation)：指在保持分裂的身体组织的一个细胞发生
2、了突变,体细胞和生殖细胞突变的区别:,1）生殖细胞的突变频率比体细胞高,3）生殖细胞突变可直接传递给下一代，体细胞突变不能,2）突变的体细胞的生活力不如正常细胞,4）保留体细胞突变需通过无性繁殖或让其产生性细胞，再有性繁殖,5）生殖细胞发生显性突变，可在后代立即表现出来，隐性突变当代不表现，纯合后才能表现,6）体细胞隐性基因发生显性突变，当代形成嵌合体，嵌合体的大小与突变发生的早晚有关,二、突变体的表型特性,形态突变(morphological mutation)或可见突变(visible mutation): 突变主要影响生物的形态结构，导致形状、大小、色泽等的改变,生化突变(biochem
3、ical mutation): 突变主要影响生物的代谢过程，导致一个特定的生化功能的改变或丧失,致死突变(lethal mutation): 突变主要影响生活力，导致个体死亡。,失去功能的突变(loss-of-function mutation): 突变事件破坏了基因的关键性的功能区，干扰了野生型对某种表型的活性功能,无效突变(null mutation): 完全丧失基因功能的突变,渗漏突变(leaky mutation):野生型的功能的失活不完全,获得功能的突变(gain-of-function mutation): 有时突变事件引起遗传变异有可能使之获得某种新的功能,条件致死突变(cond
4、ition lethal mutation):在某些条件下是能成活的，而在另一些条件下是致死的,三、突变的一般特性,1. 突变的稀有性,突变率（mutation rate）：指在一个世代中或其它规定的单位时间中，在特定的条件下，一个细胞发生某一突变事件的概率,2. 突变的重演性和可逆性,两种回复突变的区分： 真的回复突变和抑制因子突变,3. 突变的多方向性和复等位基因,基因A可以突变为a，也可以突变为a1、a2、a3、等。a、a1、a2、a3、对A来说都是隐性基因，同时a、a1、a2、a3、等的生理功能与性状表现又各不相同,4. 突变的有害性和有利性,A. 有害突变：多数基因的突变，不利于生物
5、的生长和发育，往往是有害的,B、中性突变,有些基因仅仅控制一些次要性状，它们的突变不会影响正常的生理活动，如生活力和繁殖力等,如小麦粒色的变化、水稻芒的有无等,C、突变的有利性,少数突变对植物的生命活动是有利的，如抗倒伏性，早熟性等,四、点突变的类型,转换（transition）：同类碱基之间的替换，嘌呤嘌呤，嘧啶嘧啶 颠换（transversion）：不同类型碱基之间的替换，嘌呤嘧啶，嘧啶嘌呤 插入/缺失（insertion and deletion, indel）,第二节 基因突变的分子基础,一、自发突变,自发突变(spontaneous mutations)：是在自然状况下产生的突变,(
6、一)DNA复制中的错误,碱基互变异构体：通常情况下， T和G(酮式) ，A和C(胺式) 稳定存在；但是少数情况下它们可由酮式或胺式转变为极不稳定的烯醇式或亚胺式，从而导致A-C和G-T错配，使得A-T被G-C替换或G-C被A-T替换,（二）直接突变,1.脱嘌呤：由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏，从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从DNA分子上脱落下来,2.脱氨基：胞嘧啶脱氨基后变成尿嘧啶。这种未经校正的尿嘧啶在复制过程中和腺嘌呤配对，形成由G-C变为A-T的转换,3.氧化物损伤碱基：活泼氧化物如超氧基(O2-)、氢氧基(-OH)和过氧化氢(H2O2)对DNA造成氧化物的损伤，从而引起突变,二、诱发
7、突变,诱发突变(induced mutations)：有机体暴露在诱变剂中引起遗传物质改变,HERMANN MULLER (1890-1967),Hermann Muller received the 1946 Nobel Prize in Physiology or Medicine for his work on mutations induced by X-rays.,诱发突变的机制表现：,取代DNA分子中的一个碱基 改变一个碱基使之发生错配 破坏一个碱基使其无法与任何碱基配对,1.碱基类似物：某些化学物质和正常的含氮碱基在结构上非常相似，从而替代正常碱基进入DNA分子，导致DNA复制错
8、配,碱基类似物有： 5-溴尿嘧啶(5-BU) 5-溴-脱氧尿核苷(BrdU) 2-氨基嘌呤(2-AP)等,2. 特异性错配,某些诱变剂并不渗入DNA，而是通过改变碱基的结构从而引起特异性错配,化学诱变剂，如亚硝酸，烷化剂(alkylating agents)，是改变核酸中的核苷酸化学组成，与DNA的复制无关,(1)亚硝酸(HNO2)致突变作用,次黄嘌呤,尿嘧啶,黄嘌呤,(2)烷化剂,烷化剂的种类：芥子气、甲基磺酸乙酯(EMS)、甲基磺酸甲酯(MMS)、硫酸二乙酯、亚硝基胍等,烷化剂诱发突变的机理：,给G添加甲基或乙基，使它的作用象A，所以可跟T配对，产生配对误差,使鸟嘌呤烷化，烷化的鸟嘌呤容易
9、发生缺失，造成脱嘌呤作用(depurination)，引起移码突变,同一DNA分子或不同DNA分子间的两链间形成交键(cross-linkage)，使一个或几个核苷酸丢失或切除,鸟嘌呤,7-乙基-鸟嘌呤,胸腺嘧啶,(3)羟胺(NH2OH),羟胺使碱基上的氨基羟基化从而引起错配,羟胺胞嘧啶,胞嘧啶,腺嘌呤,（4）嵌入剂,如溴化乙锭（EB）、吖啶橙、吖啶黄、原黄素等一些核酸染料，是一些扁平分子，可以嵌入DNA的碱基对之间，造成单个核苷酸的插入/缺失，移码突变； EB会改变质粒分子的构型，改变其电泳迁移率； 结合了EB的DNA，其转膜、杂交效率均会降低。,4、辐射引起的变异,使胞嘧啶变为水合胞嘧啶，
10、在复制过程中误配,使胸腺嘧啶产生TT二聚体,TT二聚体影响DNA突变表现在,干扰DNA双螺旋结构，防碍DNA复制,TT二聚体有时不能修复，从而妨碍细胞的生长,紫外线引起变异的特点,水合胞嘧啶,紫外光对实验操作的影响,紫外光和可见光对克隆效率的影响的对比： 割胶分离DNA时，分别暴露在紫外光和蓝光下30秒，比较两种情况下的克隆效率。结果表明在可见光下分离的DNA的克隆效率高于紫外光下分离的DNA 80倍以上。 紫外光下短暂的照射还会影响后期的PCR、体外转录甚至杂交实验。,由于转座因子或DNA片断的插入导致基因失去功能,5、DNA插入引起突变,同义突变（synonymous mutation）
11、沉默突变（silent mutation）,(二)、碱基替换对遗传信息的影响,错义突变（missense mutation）,无义突变（nonsense mutation） 终止突变（stop mutation）,移码突变（frameshift mutation）,第三节 生物体的修复机制,紫外线引起的DNA损伤的修复，大致上通过3个途径：,(1)在损伤部位就地修复光复活(photoreactivation),(2)取代损伤部位暗修复或切除修复(excision repair),(3)越过损伤部位而进行修复重组修复(recombination repair),一、光复活,光复活在可见光下，可吸
12、收蓝光的能量，使二聚体(C-C键)解开成为单体，释放酶，完成修复过程。,二、暗复活(又称切除修复excision repair),切除修复也称核苷酸外切修复，是一种取代紫外线等辐射物质所造成的损伤部位的暗修复系统。,1. 步骤：,(1)切开(修复内切酶)：在糖-磷酸骨架上形成切口(5-P和3-OH),(2)合成DNA (DNA Pol I)取代损伤的DNA链,(3)切除(外切酶切除)：被置换的DNA片段5-3,(4)连接(ligase),2UvrA与UvrB结合识别受伤DNA,2. 切除修复的酶促过程：,UvrA脱离，与UvrC结合,(切开),UvrB和UvrC使TT二聚体形成12碱基缺口，并
13、随UvrC脱离,UvrB脱离，在Pol I合成缺口，DNA ligase连接,三、重组修复(复制后修复),重组修复(recombination repair)：必须在DNA进行复制的情况下进行，故又称复制后修复(post-replication repair),重组修复步骤：,越过TT dimer，在合成子链上形成gap,由母链与带gap子链重组,填补子链缺口,母链缺口由DNA聚合酶填补,四、SOS修复,当细胞中的DNA受到大规模损伤，严重影响其生存时，被诱发出来的一种高效修复机制，由于保真性差，出错几率大，是一种保命机制。 修复机制：通过式修复和切除式修复。,(一) 大肠杆菌营养缺陷型的检出
14、,基本培养基,1. 基本培养基添加物的筛选,第四节 突变的检出,2. 青霉素法,青霉素法的作用是抑制细菌细胞壁的合成，只能杀死正在生长繁殖中的细菌，而不能杀死处于休止状态的细菌,突变型细菌,筛选出某种营养缺陷型,(三)果蝇突变的检出,1.果蝇伴X隐性致死(或非致死)突变的检出,果蝇的ClB（Crossover-suppressor lethal Bar technique）测定法:,果蝇的ClB是在X射线处理的果蝇的子代群体内发现的，属于X染色体的一种倒位杂合体的雌蝇。C(倒位)，l(致死)，B(棒眼),原理：倒位杂合体的重组率下降，因此可以把倒位染色体的倒位区段作为抑制交换的显性基因或标志，
15、使得隐性致死基因l与棒眼基因B之间不会因重组交换而分开，即用B基因对l基因进行标记。,2. Muller对ClB法的改进：Muller-5(5),Muller-5(-5)品系X染色体带有B(Bar)和wa(杏红眼)、sc(scute，小盾片少刚毛)，称Basc，X染色体上具有重叠倒位，可以抑制5与野生型X染色体的重组。,2：1,Morgan married Lilian Vaughan Sampson, in 1904, who had been a student at Bryn Mawr College, and who often assisted him in his research
16、. They had one son and three daughters.,3. 并连X染色体法,用具有并连X染色体(XX)的雌蝇和经诱变的雄蝇杂交，如果有隐性突变产生，在F1雄蝇上就会出现相应的突变性状。,（二）常染色体突变的检出,利用平衡致死法可以检出常染色体上的突变基因。,果蝇第2染色体Cy基因(curly，卷翅)，对正常翅是显性，隐性纯合致死，同时Cy处于此染色体的一个大倒位区段内，可以抑制重组。同源染色体的另一显性突变基因S(star, 星状眼)属隐性纯合致死。,平衡致死系,致死,致死,常染色体突变？,1. 如第二染色体不带有致死突变，则有1/3野生型 2. 具有致死突变，全部卷翅果蝇 3. 可见隐性突变，则1/3突变型,