遗传物质的改变-基因突变

1、2021/3/261 第十一章第十一章 基因突变基因突变 学习要点学习要点: 1.基因突变的相关概念基因突变的相关概念 2.基因突变的分子基础基因突变的分子基础 3.突变的修复机制突变的修复机制 4.突变的检测突变的检测 5.突变的遗传学效应突变的遗传学效应 2021/3/262 第十一章 基因突变 突变:遗传物质的可遗传改变 染色体畸变:染色体水平 基因突变: DNA水平 2021/3/263 第一节 基因突变的概说 一、基因突变的概念 突变:染色体上一个基因内部化学结构的改变, 一个基因变成它的等位基因。 范围:广泛的生物界 自发:家兔白化、貂的蓝皮毛、丝羽鸡 人工:Muller、Srad

2、ler等（X射线照射果蝇、 玉米） 二、基因突变发生的时期和部位 三、突变频率 2021/3/264 二、基因突变发生的时期和部位 1. 生物个体发育的任何时期均可发生: 性细胞(突变)突变配子后代个体; 体细胞(突变)突变体细胞组织器官。 2. 性细胞的突变频率比体细胞高: 性母细胞与性细胞对环境因素更为敏感。 3. (等位)基因突变常常独立发生: 某一基因位点发生并不影响其等位基因,一对 等位基因同时发生的概率非常小(突变率的平 方)。 4. 突变时期不同,其表现也不相同: 2021/3/265 高等生物基因突变时期与性状表现 突变时期显性突变 隐性突变 (或下位性突变) 高等生物 性细胞

3、 突变当代表现突变性 状。 突变当代不表现突变性 状,其自交后代才可能 表现突变性状。 体细胞 突变当代表现为嵌合 体,镶嵌范围取决于突 变发生的早晚。 突变当代不表现突变性 状,往往不能被发现、 保留。 低等生物 (单倍体) 有性生殖 表现突变性状表现突变性状 无性生殖 表现突变性状表现突变性状 2021/3/266 三、突变频率 突变率(mutation mate)指生物在一个世代中在 特定条件下发生某一突变的概率。 也就是突变体占该世代个体的比例。 有性生殖生物:用突变配子占总配子比例(配子 发生突变的概率)表示; (单细胞)无性繁殖生物:每一世代中细胞发生突 变的频率。 2021/3/

4、267 自然突变频率 自然条件下基因突变率一般较低,并随生物种类、 基因而异: 不同生物种类的基因突变率: 高等植物:110-5-110-8; 低等生物,如细菌:110-4-110-10; 人:110-4-110-6. 同一物种的不同基因的天然突变率也明显不同: 2021/3/268 2021/3/269 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(spontaneous mutation) 1.DNA复制错误复制错误(errors of DNA replication) DNA碱基有碱基有互变异构体互变异构体,造成造成DNA复制过程中的复制过程中的DNA错配

5、。错配。 转换转换:Purine Pu;或者或者 Pyrimidine Py 颠换颠换:Pu Py; 或者或者PyPu 移码突变移码突变:增加或减少几个碱基增加或减少几个碱基,导致蛋白质翻译导致蛋白质翻译 错位。错位。 缺失和重复缺失和重复:大片段碱基的缺失或重复大片段碱基的缺失或重复,如如E.coli乳乳 糖发酵调节基因糖发酵调节基因lac中四碱基重复序列。中四碱基重复序列。 野生型野生型: 5-GTCTGGCTGGCTGGC-3 突变型突变型FS5: 5-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3 突变型突变型FS2: 5-GTCTGGCTGGC-3 2021/3/2610 2021/3/

6、2611 2.DNA损伤（损伤（lesions） 脱嘌呤脱嘌呤 由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到 破坏破坏,从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从DNA分子分子 上脱落下来上脱落下来. 脱氨基脱氨基 C脱氨基变成脱氨基变成U;A脱氨基变成脱氨基变成H,造成造成 转换转换 A A-T H-T H-C H-C A-T G-C B G-C G-U A-UA-U G-C A-T 氧化损伤氧化损伤: O2- OH- H2O2, 对对DNA造成损伤造成损伤 2021/3/2612 二、诱发突变（二、诱发突变（induced mutaion） 1.诱变机制诱

7、变机制 碱基类似物碱基类似物 eg. 5-BU 和和5-BrdU是胸是胸 腺嘧啶腺嘧啶(T)的结构类似物的结构类似物,酮式结构易与酮式结构易与A配对配对;烯烯 醇式结构易与醇式结构易与G配对。另有配对。另有2-氨基嘌呤氨基嘌呤(2-AP, A 类似物类似物)、5- 氟尿嘧啶、氟尿嘧啶、5-氯尿嘧啶等。氯尿嘧啶等。 特异性错配特异性错配 eg.烷化剂烷化剂: 甲磺酸乙酯甲磺酸乙酯 (EMS)、亚硝基胍亚硝基胍( NG)、芥子气等。通过改变芥子气等。通过改变 碱基结构使碱基错配。碱基结构使碱基错配。 如如:G-C; 当当G烷基化后可与烷基化后可与T配对配对,导致碱基转导致碱基转 换。烷化剂使嘌呤脱

8、落换。烷化剂使嘌呤脱落,造成转换、颠换、断裂造成转换、颠换、断裂 或其他突变或其他突变 2021/3/2613 嵌合剂的致突作用嵌合剂的致突作用 eg. .吖啶类染料吖啶类染料: 吖啶橙、吖啶黄素、原黄吖啶橙、吖啶黄素、原黄 素等碱基对的类似物素等碱基对的类似物,易造成移码突变。易造成移码突变。 辐射诱导效应辐射诱导效应 (1)紫外线紫外线UV:形成嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体,如如T二聚体二聚体,同同 一条单链内一条单链内,影响复制时与影响复制时与A的配对的配对,中止复制中止复制; 双链之间双链之间,影响双链变性影响双链变性,并影响复制。并影响复制。 (2)电离辐射电离辐射:如如X-ray、可引

9、起碱基的降解或脱可引起碱基的降解或脱 落落,A变成变成H;C变成变成T,出现转换。出现转换。 黄曲霉的作用黄曲霉的作用 :使鸟嘌呤使鸟嘌呤G脱落脱落,SOS修复引入修复引入A, 造成突变。造成突变。 2021/3/2614 2.碱基替换的遗传效应碱基替换的遗传效应 () 同义突变（同义突变（samesense mutation）不改变氨基不改变氨基 酸的密码子变化酸的密码子变化,与密码子的兼并性有关与密码子的兼并性有关. 如如 GAU/GACAsp. () 错义突变（错义突变（missense mutation） 碱基替换的碱基替换的 结果引起氨基酸序列的改变结果引起氨基酸序列的改变. ()

10、无义突变（无义突变（nonsense mutation）编码区的单编码区的单 碱基突变导致终止密码子碱基突变导致终止密码子(UAG/UGA/UAA)的形成的形成, 使使 mRNA的翻译提前终止的翻译提前终止, 形成不完全的肽链形成不完全的肽链. 如镰刀型贫血症如镰刀型贫血症:血红蛋白血红蛋白B链链(146Aa),6号氨基酸号氨基酸 的替换的替换, 导致明显的表型症状。导致明显的表型症状。GluVal, 若若Glu Asp 则影响较小。则影响较小。 2021/3/2615 3.移码突变及其产生移码突变及其产生 在基因的外显子中插入或缺失在基因的外显子中插入或缺失1, 2或或4个核苷酸个核苷酸,使

11、阅读使阅读 信息发生错位信息发生错位,从而使翻译的蛋白质序列与原来完全不从而使翻译的蛋白质序列与原来完全不 同同. eg. E.coli中乳糖发酵的调节基因中乳糖发酵的调节基因(lac): 野生型野生型: 5-GTCTGGCTGGCTGGC-3 移码突变移码突变: 5-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3 移码突变移码突变 : 5-GTCTGGCTGGC-3 4.突变热点和增变基因突变热点和增变基因 基因中基因中 某些位点比其它位点突变率高某些位点比其它位点突变率高,称突变热点。称突变热点。 Eg. 分析分析T4-Phage r 基因基因1500个突变体个突变体: r A (1800bp

12、)有有200个位点个位点; r B (850bp)有有108个位点个位点 。 2021/3/2616 形成原因形成原因: 1. 5-MeC的存在的存在,5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(MeC)脱氨基后变成脱氨基后变成T, 使使 G-C部位转变成部位转变成A-T部位部位; 2. 短的重复序列短的重复序列的存在的存在,容易配对错位容易配对错位,造成重复或缺失造成重复或缺失 3. 与与诱变剂类型诱变剂类型有关有关,不同诱变剂出现不同的热点。不同诱变剂出现不同的热点。 4. 增变基因增变基因(mutator gene):该基因的突变会使整个基因该基因的突变会使整个基因 组的突变频率增高组的突变频率增高,eg

13、. A. DNA多聚酶基因多聚酶基因,突变后使多聚酶的突变后使多聚酶的3 5校正校正 功能降低或丧失功能降低或丧失,使基因组突变频率增高使基因组突变频率增高; B. dam基因基因,突变后使碱基的错配修复功能降低或丧突变后使碱基的错配修复功能降低或丧 失失,使基因组突变频率增高。使基因组突变频率增高。 2021/3/2617 三、诱变与肿瘤三、诱变与肿瘤 肿瘤的形成与否取决于机体中癌基因和抑癌肿瘤的形成与否取决于机体中癌基因和抑癌 基因的平衡基因的平衡,抑癌基因突变会致癌抑癌基因突变会致癌。一些诱变剂一些诱变剂 可以特异性的诱导抑癌基因突变可以特异性的诱导抑癌基因突变,导致肿瘤发生。导致肿瘤发

14、生。 eg. 黄曲霉素可诱导黄曲霉素可诱导P53基因基因G T颠换颠换,导致导致 肝癌的发生肝癌的发生;UV可诱导可诱导P53基因基因5 -TC-3发生发生C T颠换颠换,形成形成“T二聚体二聚体”,导致人类鳞状细胞皮导致人类鳞状细胞皮 肤癌的发生。肤癌的发生。 四、定点诱变四、定点诱变 定义定义:利用人工合成的寡核苷酸利用人工合成的寡核苷酸,在离体的条件在离体的条件 下下,制造基因中任何部位的位点特异性突变的技制造基因中任何部位的位点特异性突变的技 术。术。 2021/3/2618 第三节生物体对突变的修复机制第三节生物体对突变的修复机制 一一 光复活光复活(photoreactivatio

15、n) 1. 概念概念:在可见光存在的条件下在可见光存在的条件下,在光复活酶作用下将在光复活酶作用下将UV 引起嘧啶二聚体分解为单体的过程。引起嘧啶二聚体分解为单体的过程。 2. 条件条件:可见光可见光(300600nm)、PR酶、嘧啶二聚体酶、嘧啶二聚体 3. 作用过程作用过程: 光复活酶与光复活酶与T=T结合形成复合物结合形成复合物; 复合物吸收可见光切断复合物吸收可见光切断T=T之间的之间的C-C共价键共价键,使二聚使二聚 体变成单体体变成单体; 光复酶从光复酶从DNA链解离链解离. *光复活是原核生物中的一种主要修复形式。光复活是原核生物中的一种主要修复形式。 2021/3/2619 二

16、二 切除修复切除修复 1.概念概念:（核苷酸外切修复、暗修复）先在损伤的任何一（核苷酸外切修复、暗修复）先在损伤的任何一 端打开磷酸二酯键端打开磷酸二酯键,然后外切掉一段寡核苷酸然后外切掉一段寡核苷酸;留下的缺留下的缺 口由修复性合成来填补口由修复性合成来填补,再由连接酶将其连接起来。酶再由连接酶将其连接起来。酶 作用不需要光的激活作用不需要光的激活,但黑暗不是必要条件。但黑暗不是必要条件。 2.特点特点:消除由消除由UV引起的损伤引起的损伤,也能消除由电离辐射和化学也能消除由电离辐射和化学 诱变剂引起的其他损伤。切除的片段可由几十到上万诱变剂引起的其他损伤。切除的片段可由几十到上万 bp,分

17、别称短补丁修复、长补丁修复。分别称短补丁修复、长补丁修复。 3.过程过程: 内切酶的作用在内切酶的作用在DNA损伤的一端损伤的一端,切开形成一个切口切开形成一个切口; 外切酶的作用将损伤部位切除外切酶的作用将损伤部位切除; 聚合酶的作用将切口补齐聚合酶的作用将切口补齐,留下一个切口留下一个切口; 连接酶的作用将连接酶的作用将DNA连接形成完整的连接形成完整的DNA链。链。 2021/3/2620 4.特异性切除修复特异性切除修复 E.coli 中明显的损伤中明显的损伤,可在可在UvrA、 UvrB、 UvrC的的 作用下得以修复作用下得以修复,但不明显的损伤需要特异性修复。但不明显的损伤需要特

18、异性修复。 (1)糖基化酶修复糖基化酶修复:如果碱基被共价修饰如果碱基被共价修饰,糖基化酶可作用糖基化酶可作用 于于C-N糖苷键糖苷键,使碱基释放使碱基释放,产生无碱基产生无碱基(AP)位点位点, 再由再由 AP内切酶修复系统修复。内切酶修复系统修复。 (2)AP内切酶修复系统修复内切酶修复系统修复:也由也由内切内切、外切外切、聚合聚合和和连连 接接四种酶活性来完成四种酶活性来完成,以修复以修复AP位点。位点。 *以上两种修复过程都没有涉及到以上两种修复过程都没有涉及到DNA的重组的重组,属于无属于无 误差的修复误差的修复。 2021/3/2621 三三 重组修复重组修复 1.概念概念: 通过

19、对通过对DNA的复制和同源链的重组的复制和同源链的重组,来完成对损伤来完成对损伤 部位的修复部位的修复,又称复制后修复。又称复制后修复。 2.特点特点: 修复过程伴随修复过程伴随DNA的复制和重组的复制和重组; 仅修复新合成的不完整的单链仅修复新合成的不完整的单链,原先的损伤单链仍原先的损伤单链仍 然保留然保留; 部分重组蛋白的精确性差部分重组蛋白的精确性差,修复的出错率较高。修复的出错率较高。 3.重组修复过程重组修复过程: (1)复制复制:以损伤单链为模板复制时以损伤单链为模板复制时,越过损伤部位越过损伤部位,对应位对应位 点留下缺口点留下缺口;未损伤单链复制成完整双链。未损伤单链复制成完

20、整双链。 (2)重组重组:缺口单链与完整同源单链重组缺口单链与完整同源单链重组,缺口转移到完整缺口转移到完整 链链,使损伤单链的互补链完整使损伤单链的互补链完整,损伤单链仍然保留。损伤单链仍然保留。 (3)再合成再合成:转移后的缺口以新互补链为模板聚合补齐。转移后的缺口以新互补链为模板聚合补齐。 2021/3/2622 四四 SOS修复修复 1. 概念概念:是在是在DNA分子受损伤的范围较大而且复制受到抑分子受损伤的范围较大而且复制受到抑 制时出现的一种应急修复作用。制时出现的一种应急修复作用。 2. 过程过程 当当DNA损伤较大时损伤较大时(如产生很多的如产生很多的T=T),正常的正常的DN

21、A 多聚酶复制到损伤位点时多聚酶复制到损伤位点时,其活性受到抑制其活性受到抑制; 短暂抑制后产生一种新的短暂抑制后产生一种新的DNA多聚酶多聚酶,催化损伤部催化损伤部 位位DNA的复制的复制,由于新的由于新的DNA多聚酶的修复校正功能较多聚酶的修复校正功能较 低低,新合成的碱基错配频率较高新合成的碱基错配频率较高,易引起突变。易引起突变。 3.特点特点: 修复系统需要在修复系统需要在DNA分子受损伤的范围较大而且分子受损伤的范围较大而且 复制受到抑制时才能够启动。复制受到抑制时才能够启动。 修复系统对错配碱基的修复校正功能低下修复系统对错配碱基的修复校正功能低下,从而增从而增 加突变的频率。加

22、突变的频率。 2021/3/2623 在紧急情况下在紧急情况下,细胞通过一定水平的变异来换取细胞的细胞通过一定水平的变异来换取细胞的 幸存幸存,有利于细胞逃生。有利于细胞逃生。 4.SOS系统的启动系统的启动: 通过操纵子通过操纵子(结构基因、启动子、操纵基因、调节基因结构基因、启动子、操纵基因、调节基因) 来实现来实现: A. SOS基因基因:recA基因、基因、UvrA、UvrB、UmuC等等, 也称也称din基因基因 (damage inducible gene),为操纵子的结为操纵子的结 构基因构基因; B. lex基因基因:阻遏蛋白基因阻遏蛋白基因,正常情况下结合在操纵基正常情况下结

23、合在操纵基 因上因上; C. recA基因基因:重组蛋白基因重组蛋白基因,应急状态下启动蛋白质应急状态下启动蛋白质 水解酶活性水解酶活性,水解阻遏蛋白水解阻遏蛋白,使使din基因高效表达基因高效表达,从而启从而启 动动SOS修复系统。修复系统。 2021/3/2624 五五 电离辐射损伤的修复电离辐射损伤的修复 氢键断裂氢键断裂:DNA双链之间双链之间 1.电离辐射效应电离辐射效应 共价键断裂共价键断裂:DNA单链断裂、单链断裂、 双链断裂、碱基和糖基损伤双链断裂、碱基和糖基损伤 交联作用交联作用:DNA与与DNA、DNA 与蛋白质之间发生与蛋白质之间发生 2.电离辐射的修复电离辐射的修复:

24、1、超快修复、超快修复(0, 2min) (E. coli) 无无O2、单链单链 (DNA连接酶连接酶) 2、快修复、快修复(几分钟几分钟) 其余其余90断裂单链断裂单链 (聚合酶聚合酶) 3、慢修复、慢修复(37 ,40-60min) 剩余单链剩余单链 (重组修复酶系统重组修复酶系统) 2021/3/2625 六六 修复缺陷与人类疾病修复缺陷与人类疾病 1. 着色性干皮病着色性干皮病 (XP, xeroderma pigmentosum) 位于位于1p的隐性基因控制的隐性基因控制,干性皮肤伴随神经系统疾干性皮肤伴随神经系统疾 病病,由切除二聚体能力缺损造成。由切除二聚体能力缺损造成。 2.

25、侏儒、视网膜萎缩。侏儒、视网膜萎缩。 由缺损紫外线引起的由缺损紫外线引起的DNA损伤修复系统引起。损伤修复系统引起。 3. 共济失调毛细血管扩张症共济失调毛细血管扩张症 4. 早老症早老症 2021/3/2626 一、细菌培养缺陷型的检出 完全培养基或补充培养基（存活） 基本培养基（死亡） 完全培养基 10-810-6 合成缺陷型 药物处理 基本培养基 第四节、基因突变的检测第四节、基因突变的检测 2021/3/2627 化合物的分组编码 组别化合物的代号 A B C D E F 1 2 3 4 5 6 7 7 8 9 10 11 8 12 12 13 14 15 9 13 16 16 17

26、18 10 14 17 19 19 20 11 15 18 20 21 21 AF EB C D 2021/3/2628 二、链孢霉营养缺陷型的检出 2021/3/2629 三、三、 果蝇突变的检出果蝇突变的检出 1.性连锁基因隐性突变的检出性连锁基因隐性突变的检出(ClB法法、 Muller- 5) (1) ClB品系品系:C交换抑制因子交换抑制因子;l隐性致死突变隐性致死突变;B 棒眼棒眼 步骤步骤:A. 待测果蝇与杂合（待测果蝇与杂合（ClB/+）果蝇杂交果蝇杂交; B. F1 ClB 与与F1 （野生型）野生型）单对杂交单对杂交,目的是目的是 检查某一特定检查某一特定X染色体上的突变染

27、色体上的突变; C. 观察分析观察分析: 有有X隐性致死突变隐性致死突变,F2 无雄蝇无雄蝇(:ClB和和l死亡死亡); 隐性非致死突变隐性非致死突变, F2预期预期 :=2:1,突变性状只在突变性状只在 F2雄蝇表现雄蝇表现,F1ClB中不表现中不表现; 无无X隐性突变隐性突变,在在F2 仅表现简单的仅表现简单的 :=2:1。 2021/3/2630 (2) Muller-5法: A. Muller-5品系品系:B(棒眼棒眼)-Wa(杏眼杏眼)-sc(小盾片少小盾片少 刚毛刚毛)并具重复倒位。并具重复倒位。 B. 检出步骤检出步骤 : . 将待测的果蝇与纯合将待测的果蝇与纯合Muller果蝇杂交果蝇杂交