第14章基因突变

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第十四章章 基因突变基因突变第一节第一节 基因突变概说基因突变概说基因突变基因突变(gene mutation)：是指染色体上某：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一、体细胞突变和生殖细胞突变Mutation:Somatic or Germinal生殖细胞的突变生殖细胞的突变(germinal mutation)：生殖细胞突变发生在种系中生殖细胞突变发生在种系中体细胞突变体细胞突变(somatic mutation)：指在保持：指在保持分裂的身体组织的一分裂的身体组织的一个细胞发生了突变个细胞发生了突变体细胞和生殖细胞突变的区别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）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，）生殖细胞突变可直接传递给下一代，体细胞突变不能体细胞突变不能2）突变的体细胞的生活力不如正常细胞）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）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）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，纯合后才能表现出来，隐性突变当代不表现，纯合后才能表现现6）体细胞隐性基因发生显性突变，当代形成嵌）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、突变体的表型特性二、突变体的表型特性形态突变形态突变(morphological mutation)或可见突变或可见突变(visible mutation):突变主要影响生物的形态结构，导突变主要影响生物的形态结构，导致形状、大小、色泽等的改变致形状、大小、色泽等的改变生化突变生化突变(biochemical mutation):突变突变主要影响生物的代谢过程，导致一个特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定的生化功能的改变或丧失致死突变致死突变(lethal mutation):突变主要影响突变主要影响生活力，导致个体死亡。生活力，导致个体死亡。失去功能的突变失去功能的突变(loss-of-function mutation):突变事件破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的活性功能无效突变无效突变(null mutation):完全完全丧失基因功能的突变丧失基因功能的突变渗漏突变渗漏突变(leaky mutation):野野生型的功能的失活不完全生型的功能的失活不完全+m+m获得功能的突变获得功能的突变(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某种新的功能条件致死突变条件致死突变(condition lethal mutation):在某些条件下是能成活的，而在另一些条在某些条件下是能成活的，而在另一些条件下是致死的件下是致死的三、突变的一般特性三、突变的一般特性1.突变的稀有性突变的稀有性突变率（突变率（mutation rate）：指在一个世代中）：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，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突变的重演性和可逆性同一突变可以在同种生物的不同个体间多次发生，同一突变可以在同种生物的不同个体间多次发生，称为突变的重演性称为突变的重演性点突变是可逆的点突变是可逆的有芒基因有芒基因A无芒基因无芒基因a正突变正突变回复突变回复突变his+his-210-6410-8两种回复突变的区分：两种回复突变的区分：真的回复突变和抑制因子突变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突变的多方向性和复等位基因基因基因A可以突变为可以突变为a，也可以突变为，也可以突变为a1、a2、a3、等。等。a、a1、a2、a3、对对A来说都是隐来说都是隐性基因，同时性基因，同时a、a1、a2、a3、等的生理功能与等的生理功能与性状表现又各不相同性状表现又各不相同4.突变的有害性和有利性突变的有害性和有利性A.有害突变有害突变：多数基因的突变，不利于生物的：多数基因的突变，不利于生物的生长和发育，往往是有害的生长和发育，往往是有害的绿株绿株WW突变突变绿株绿株Ww 1WW ：2Ww ：1ww3绿苗绿苗 ：1白苗白苗(死亡死亡)B、中性突变、中性突变有些基因仅仅控制一些次要性状，它们的突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，如生活力和繁变不会影响正常的生理活动，如生活力和繁殖力等殖力等如小麦粒色的变化、水稻芒的有无等如小麦粒色的变化、水稻芒的有无等C、突变的有利性、突变的有利性少数突变对植物的生命活动是有利的，如少数突变对植物的生命活动是有利的，如抗倒伏性，早熟性等抗倒伏性，早熟性等四、点突变的类型1.转换（transition）：同类碱基之间的替换，嘌呤嘌呤，嘧啶嘧啶2.颠换（transversion）：不同类型碱基之间的替换，嘌呤嘧啶，嘧啶嘌呤3.插入/缺失（insertion and deletion,indel）第二节第二节 基因突变的分子基础基因突变的分子基础一、自发突变一、自发突变自发突变自发突变(spontaneous mutations)：是在自：是在自然状况下产生的突变然状况下产生的突变(一一)DNA复制中的错误复制中的错误碱基互变异构体：通常情况下，碱基互变异构体：通常情况下，T和和G(酮式酮式)，A和和C(胺式胺式)稳定存在；但是少数情况下它们可由稳定存在；但是少数情况下它们可由酮酮式或胺式转变为极不稳定的烯醇式或亚胺式式或胺式转变为极不稳定的烯醇式或亚胺式，从，从而导致而导致A-C和和G-T错配，使得错配，使得A-T被被G-C替换或替换或G-C被被A-T替换替换（二）直接突变（二）直接突变1.脱嘌呤脱嘌呤：由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏，从而引：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起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从DNA分子上脱落下来分子上脱落下来2.脱氨基脱氨基：胞嘧啶脱氨基后变成尿嘧啶。这种未经校正的尿嘧：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，啶在复制过程中和腺嘌呤配对，形成由形成由G-C变为变为A-T的转换的转换3.氧化物损伤碱基氧化物损伤碱基：活泼氧化物如超氧基：活泼氧化物如超氧基(O2-)、氢氧基、氢氧基(-OH)和和过氧化氢过氧化氢(H2O2)对对DNA造成氧化物的损伤，从而引起突变造成氧化物的损伤，从而引起突变二、诱发突变二、诱发突变n诱发突变诱发突变(induced mutations)：有机体暴：有机体暴露在诱变剂中引起遗传物质改变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：诱发突变的机制表现：取代取代DNA分子中的一个碱基分子中的一个碱基改变一个碱基使之发生错配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破坏一个碱基使其无法与任何碱基配对1.碱基类似物：碱基类似物：某些化学物质和正常的含氮碱基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在结构上非常相似，从而替代正常碱基进入DNA分分子，导致子，导致DNA复制错配复制错配碱基类似物有：碱基类似物有：5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)5-溴溴-脱氧尿核苷脱氧尿核苷(BrdU)2-氨基嘌呤氨基嘌呤(2-AP)等等2.特异性错配特异性错配某些诱变剂并不渗入某些诱变剂并不渗入DNA，而是通过改变碱基的，而是通过改变碱基的结构从而引起特异性错配结构从而引起特异性错配化学诱变剂，如亚硝酸，烷化剂化学诱变剂，如亚硝酸，烷化剂(alkylating agents)，是改变核酸中的核苷酸化学组成，是改变核酸中的核苷酸化学组成，与与DNA的复制无关的复制无关(1)亚硝酸亚硝酸(HNO2)致致突变作用突变作用次黄嘌呤次黄嘌呤尿嘧啶尿嘧啶黄嘌呤黄嘌呤(2)烷化剂烷化剂烷化剂的种类：烷化剂的种类：芥子气芥子气、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)、硫酸二乙酯、亚硝基胍等、硫酸二乙酯、亚硝基胍等烷化剂诱发突变的机理：烷化剂诱发突变的机理：给给G添加甲基或乙基，使它的作用象添加甲基或乙基，使它的作用象A，所以可跟，所以可跟T配对，配对，产生配对误差产生配对误差使鸟嘌呤烷化，烷化的鸟嘌呤容易发生缺失，造成脱嘌呤作使鸟嘌呤烷化，烷化的鸟嘌呤容易发生缺失，造成脱嘌呤作用用(depurination)，引起移码突变，引起移码突变同一同一DNA分子或不同分子或不同DNA分子间的两链间形成交键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，使一个或几个核苷酸丢失或切除鸟嘌呤鸟嘌呤7-乙基乙基-鸟嘌呤鸟嘌呤胸腺嘧啶胸腺嘧啶(3)羟胺羟胺(NH2OH)羟胺使碱基上的氨基羟基化从而引起错配羟胺使碱基上的氨基羟基化从而引起错配羟胺胞嘧啶羟胺胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶腺嘌呤腺嘌呤（4）嵌入剂）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、辐射引起的变异使胞嘧啶变为水合胞嘧啶，在复制过程中误配使胞嘧啶变为水合胞嘧啶，在复制过程中误配使胸腺嘧啶产生使胸腺嘧啶产生TT二聚体二聚体TT二聚体影响二聚体影响DNA突变表现在突变表现在干扰干扰DNA双螺旋结构，防碍双螺旋结构，防碍DNA复制复制TT二聚体有时不能修复，从而妨碍细胞的生长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紫外线引起变异的特点水合胞嘧啶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。由于转座因子或由于转座因子或DNA片断的插入导致基因失去功能片断的插入导致基因失去功能5、DNA插入引起突变插入引起突变1.同义突变（同义突变（synonymous mutation）沉默突变沉默突变（silent mutation）(二二)、碱基替换对遗传信息的影响、碱基替换对遗传信息的影响2.错义突变错义突变（missense mutation）3.无义突变无义突变（nonsense mutation）终止突变终止突变（stop mutation）4.移码突变移码突变（frameshift mutation）第三节第三节 生物体的修复机制生物体的修复机制紫外线引起的紫外线引起的DNA损伤的修复，大致上通过损伤的修复，大致上通过3个途径：个途径：(1)在损伤部位就地修复在损伤部位就地修复光复活光复活(photoreactivation)(2)取代损伤部位取代损伤部位暗修复暗修复或或切除修复切除修复(excision repair)(3)越过损伤部位而进行修复越过损伤部位而进行修复重组修复重组修复(recombination repair)一、光复活一、光复活光复活在可见光下，光复活在可见光下，可吸收蓝光的能量，可吸收蓝光的能量，使二聚体使二聚体(C-C键键)解解开成为单体，释放开成为单体，释放酶，完成修复过程。酶，完成修复过程。二、暗复活二、暗复活(又称切除修复又称切除修复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。等辐射物质所造成的损伤部位的暗修复系统。1.步骤：步骤：(1)切开切开(修复内切酶修复内切酶)：在糖：在糖-磷酸骨架上形成切口磷酸骨架上形成切口(5-P和和3-OH)(2)合成合成DNA(DNA Pol I)取代损伤的取代损伤的DNA链链(3)切除切除(外切酶切除外切酶切除)：被置换的被置换的DNA片段片段5-3(4)连接连接(ligase)2UvrA与与UvrB结结合识别受伤合识别受伤DNA2.切除修复的切除修复的酶促过程：酶促过程：UvrA脱离，脱离，与与UvrC结合结合(切开切开)UvrB和和UvrC使使TT二二聚体形成聚体形成12碱基缺口，碱基缺口，并随并随UvrC脱离脱离UvrB脱离，在脱离，在Pol I合成缺口，合成缺口，DNA ligase连接连接三、重组修复三、重组修复(复制后修复复制后修复)重组修复重组修复(recombination repair)：必须在：必须在DNA进行复制的情况下进行，进行复制的情况下进行，故又称复制后修复故又称复制后修复(post-replication repair)重组修复步骤：重组修复步骤：越过越过TT dimer，在合成子链上形在合成子链上形成成gap由母链与带由母链与带gap子链子链重组重组填补子链缺口填补子链缺口母链缺口由母链缺口由DNA聚合酶填补聚合酶填补四、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。(一一)大肠杆菌营养缺陷型的检出大肠杆菌营养缺陷型的检出基本培养基基本培养基野生型野生型正常生长正常生长缺陷型缺陷型不能生长不能生长加入缺陷型细菌所不能加入缺陷型细菌所不能合成的物质，如氨基酸、合成的物质，如氨基酸、维生素、抗生素维生素、抗生素能够生长能够生长(添加的物添加的物质就是缺陷的基因质就是缺陷的基因)1.基本培养基添加物的筛选基本培养基添加物的筛选第四节第四节 突变的检出突变的检出2.青霉素法青霉素法青霉素法的作用是抑制细菌细胞壁的合成，只能青霉素法的作用是抑制细菌细胞壁的合成，只能杀杀死正在生长繁殖中的细菌死正在生长繁殖中的细菌，而不能杀死处于休止状，而不能杀死处于休止状态的细菌态的细菌野生型细菌野生型细菌基本培养基本培养 基基(青霉素青霉素)突变型细菌突变型细菌补充培养基补充培养基筛选出某种营养缺陷型筛选出某种营养缺陷型杀死野生型杀死野生型(三三)果蝇突变的检出果蝇突变的检出1.果蝇伴果蝇伴X隐性致死隐性致死(或非致死或非致死)突变的检出突变的检出果蝇的果蝇的ClB（Crossover-suppressor lethal Bar technique）测定法）测定法:果蝇的果蝇的ClB是在是在X射线处理的果蝇的子代群体内发现射线处理的果蝇的子代群体内发现的，属于的，属于X染色体的一种倒位杂合体的雌蝇。染色体的一种倒位杂合体的雌蝇。C(倒倒位位)，l(致死致死)，B(棒眼棒眼)原理：倒位杂合体的重组率下降，因此可原理：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，使得隐性致死基因的显性基因或标志，使得隐性致死基因l与与棒眼基因棒眼基因B之间不会因重组交换而分开，之间不会因重组交换而分开，即即用用B基因对基因对l基因进行标记基因进行标记。结果：结果：2：0 0(致死突变致死突变)2 2：1 1(非致死突变非致死突变)2.Muller对对ClB法的改进：法的改进：Muller-5(5)Muller-5(-5)品系品系X染色体带有染色体带有B(Bar)和和wa(杏红眼杏红眼)、sc(scute，小盾片少刚毛，小盾片少刚毛)，称，称Basc，X染色体上具有染色体上具有重叠倒位重叠倒位，可以抑制，可以抑制 5与野生型与野生型X染色体的重组。染色体的重组。2：1 1Morgan married Lilian Vaughan Sampson,in 1904,who had been a student at Bryn Mawr College,and who often assisted him in his research.They had one son and three daughters.3.并连并连X染色体法染色体法用具有并连用具有并连X染色体染色体(XX)的雌蝇和经诱变的雄蝇的雌蝇和经诱变的雄蝇杂交，如果有杂交，如果有隐性突变产生隐性突变产生，在，在F1雄蝇上就会出雄蝇上就会出现相应的现相应的突变性状。突变性状。（二）常染色体突变的检出（二）常染色体突变的检出利用利用平衡致死法平衡致死法可以检出常染色体上的突变基因。可以检出常染色体上的突变基因。果蝇第果蝇第2染色体染色体Cy基因基因(curly，卷翅，卷翅)，对正常翅是显性，对正常翅是显性，隐隐性纯合致死性纯合致死，同时，同时Cy处于此染色体的一个大倒位区段内，可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以抑制重组。同源染色体的另一显性突变基因S(star,星状眼星状眼)属隐性纯合致死。属隐性纯合致死。CySCySCyS平衡致死系平衡致死系致死致死致死致死常染色体突变？常染色体突变？1.如第二染色体不带有致死突变，则有如第二染色体不带有致死突变，则有1/3野生型野生型2.具有致死突变，全部卷翅果蝇具有致死突变，全部卷翅果蝇3.可见隐性突变，则可见隐性突变，则1/3突变型突变型