基因突变与染色体变异

关于基因突变与染色体变异第一页，共八十四页，2022年，8月28日§1基因突变概说

基因突变

genemutation

又称点突变

pointmutation

基因内部发生可遗传的化学性质的变化

基因的化学性质发生了变化，可能引起表现型发生相应的变化

是新基因的唯一来源，是生物进化的原始材料。

第二页，共八十四页，2022年，8月28日突变体

由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体，称为突变体（mutant）或突变型。与突变型相对的概念是野生型（wildtype）形态突变生化突变第三页，共八十四页，2022年，8月28日形态突变（morphologicalmutations）突变导致形态结构，如形状、大小、色泽等的改变。普通绵羊的四肢较长，而突变体安康羊的四肢很短。普通水稻株高一般在1.50m以上，矮秆突变体20～80cm。又称为可见突变（visiblemutations）第四页，共八十四页，2022年，8月28日形态突变：第五页，共八十四页，2022年，8月28日苹果第六页，共八十四页，2022年，8月28日人类的白化症第七页，共八十四页，2022年，8月28日生化突变（biochemicalmutations）

突变主要影响生物新陈代谢过程，导致特定的生化功能的改变或丧失。如细菌的营养缺陷型

第八页，共八十四页，2022年，8月28日

事实上大多数基因的作用就是决定特定的生化过程，而生化过程才能决定形态结构在这个意义上说，几乎所有的基因突变都是生化突变。第九页，共八十四页，2022年，8月28日突变的有利性和有害性

1、有害突变

2、中性突变

3、有利突变

第十页，共八十四页，2022年，8月28日1、有害突变

大多数基因的突变对生物的生长和发育是有害的极端的会导致突变体死亡导致个体死亡的突变，称为致死突变（lethalmutation）。第十一页，共八十四页，2022年，8月28日3、有利突变

有少数突变不仅对生物的生命活动无害，而且有利如植物的抗倒伏性、早熟性

第十二页，共八十四页，2022年，8月28日2、中性突变突变不影响生物的正常生理活动，仍能保持正常的生活力和繁殖力，这类突变称为中性突变（neutralmutation）。

小麦粒色的变化，水稻芒的有无，果树叶片形状的变化等。中性突变能够为自然选择所保留，因而是生物进化的重要途径

第十三页，共八十四页，2022年，8月28日突变的有害性有利性是相对的

在一定的条件下，突变的效应可以转化

高杆作物群体中出现矮杆的突变体有的突变对生物本身有害，却对人类有利

玉米、水稻、高粱等作物的雄性不育性，是人们利用杂种优势的好材料。有些突变对生物本身有利，却对人类不利。谷类作物的落粒性第十四页，共八十四页，2022年，8月28日第十五页，共八十四页，2022年，8月28日基因突变的重演性同一突变可以在同种作物的不同个体间多次发生，且发生频率也相似第十六页，共八十四页，2022年，8月28日第十七页，共八十四页，2022年，8月28日突变的可逆性

显性基因A→隐性基因a正突变（forwardmutation）隐性基因a→显性基因A回复突变或反突变（backmutation）正突变率u

回复突变率v。

第十八页，共八十四页，2022年，8月28日大多数情况下，u＞v。野生型基因内部每一个突变子都可能发生改变而导致基因突变突变了的那个位点恢复原状才能使该基因回复为野生型。大肠杆菌中

his+→his-2×10-6his-→his+4×10-8。

第十九页，共八十四页，2022年，8月28日基因突变的多方向性:

基因突变的方向是不固定的，A→a1;A→a2;A→a3，是随机的复等位基因就是突变的多方向性造成的第二十页，共八十四页，2022年，8月28日复等位基因

一个基因座位上有两个以上的等位基因。第二十一页，共八十四页，2022年，8月28日烟草：自花授粉不能结实由一组15个复等位基因控制（S1、S2、、、S15）

第二十二页，共八十四页，2022年，8月28日

基因突变的平行性:

亲缘关系相近的物种往往发生相似的基因突变。

第二十三页，共八十四页，2022年，8月28日§2基因突变的鉴定

禾谷类作物基因突变的鉴定微生物生化突变型的鉴定第二十四页，共八十四页，2022年，8月28日禾谷类作物基因突变的鉴定1、是可遗传的变异还是不可遗传的变异？和亲本一起种植在相同的条件下2、是显性突变还是隐性突变？和原亲本杂交，看F1代的表现3、是单基因突变还是多个基因突变？测交1：1自交3：1第二十五页，共八十四页，2022年，8月28日显性突变隐性突变

dd↓突变第一代（M1）Dd表现↓

第二代（M2）1DD2Dd1dd

有纯合体，但不能区分

↓

第三代（M3）检出纯合体

DD↓突变

Dd不表现↓

1DD2Dd1dd

表现、纯合

第二十六页，共八十四页，2022年，8月28日大突变与微突变突变效应大，性状差异明显，易于识别，多为控制质量性状基因的突变。

突变效应小，性状差异不大，较难察觉，多为控制数量性状基因的突变。第二十七页，共八十四页，2022年，8月28日突变频率：指突变体占观察总个体数的比例。①高等生物：1×10-6~1×10-8

②低等生物：1×10-4~1×10-8第二十八页，共八十四页，2022年，8月28日有性生殖生物的突变率:

通常用每个配子发生突变的概率表示，即突变配子数占总配子数的比例。

第二十九页，共八十四页，2022年，8月28日

胚乳(花粉)直感：估算配子的突变率

例：玉米非甜Su甜粒su

P

susu

×

SuSu

↓对父本进行射线处理

F1大部分为Susu，极少数为susu

如果10万粒种子中有5粒为甜粒，则

突变率=5/100000=1/20000

第三十页，共八十四页，2022年，8月28日红色面包霉生化突变的鉴定

X射线处理分生孢子处理后的分生孢子与野生型交配产生分离的子囊孢子置于完全培养基里生长产生菌丝和分生孢子

第三十一页，共八十四页，2022年，8月28日基本培养基完全培养基加维生素加氨基酸基本培养基完全培养基硫胺素吡醇素泛酸肌醇第三十二页，共八十四页，2022年，8月28日可以推论精氨酸合成步骤为：

o

c

a前驱物è鸟氨酸è瓜氨酸è精氨酸è蛋白质

∴从鸟氨酸è精氨酸的合成至少需要A、C、O三个基因第三十三页，共八十四页，2022年，8月28日§3基因突变的分子基础第三十四页，共八十四页，2022年，8月28日

基因在染色体上有固定的位置，称为座位(1ocus，loci)

一个座位还可以分成许多基本单位，称为位点(site)

突变子、重组子

第三十五页，共八十四页，2022年，8月28日开放阅读框openreadingframe，ORF第三十六页，共八十四页，2022年，8月28日点突变DNA分子中个别碱基的变化：

碱基对的增减：增加、减少碱基对的替换：转换、颠换第三十七页，共八十四页，2022年，8月28日

基因的内部结构发生改变——

DNA碱基对发生增添、缺失或改变。┯┯┯┯

ＡＴＧＣ

ＴＡＣＧ

┷┷┷┷┯┯┯┯┯

ＡＴＡＧＣ

ＴＡＴＣＧ

┷┷┷┷┷┯┯┯┯

ＡＴＧＣ

ＴＡＣＧ

┷┷┷┷┯┯┯

ＡＧＣ

ＴＣＧ

┷┷┷┯┯┯┯

ＡＣＧＣ

ＴＧＣＧ

┷┷┷┷┯┯┯┯

ＡＴＧＣ

ＴＡＣＧ

┷┷┷┷增添缺失改变第三十八页，共八十四页，2022年，8月28日点突变的分类：⑴碱基对替换

碱基缺失：ATCGATèATGAT（2）碱基对增减碱基插入：ATCGATèATCGGAT

转换：嘌呤替换嘌呤AèGGèA

嘧啶替换嘧啶TèCCèT颠换：嘌呤替换嘧啶CèGTèGTèACèA

嘧啶替换嘌呤GèTGèCAèCAèT第三十九页，共八十四页，2022年，8月28日遗传密码表第四十页，共八十四页，2022年，8月28日错义突变

碱基替换的结果改变了密码子，改变了氨基酸如：ACG―――――→GCG；

thr（苏）――→ala（丙）改变该基因编码的蛋白质的结构、化学性质和生物活性。第四十一页，共八十四页，2022年，8月28日无义突变

有义密码子变为无义密码子，造成蛋白质合成的提前终止。

DNATAC——→TAAmRNAUAC——→UAA(终止密码子)

这种突变又称为无义突变。无义突变对生物体的影响较大，很可能导致死亡。无义突变若发生在阅读框的开始，后果严重，若发生在阅读框的后部，影响会小一些。第四十二页，共八十四页，2022年，8月28日沉默突变

由于密码子具有简并性，个别碱基的替换也有可能不改变密码子的意义，这种突变称为沉默突变。UUAUUGCUUCUCCUACUG

这6个密码子都编码亮氨酸（leu）第四十三页，共八十四页，2022年，8月28日中性突变个别密码子的改变对蛋白质的结构、化学性质和生物活性的影响很小，甚至没有什么影响。

第四十四页，共八十四页，2022年，8月28日移码突变(shiftmutation)

缺失或插入一个或两个碱基，会造成整个阅读框的改变自插入或缺失位置向后的所有密码子都发生了变化。第四十五页，共八十四页，2022年，8月28日原模板链

3’CTTCTTCTTCTTCTTCTT5’mRNA的序列

5’GAAGAAGAAGAAGAAGAA3’氨基酸顺序

gluglugluglugluglu开始处插入一个C3’CCTTCTTCTTCTTCTTCTT5’mRNA的序列为5’GGAAGAAGAAGAAGAAGAA3氨基酸顺序

glyargargargargarg改变了蛋白质中所有氨基酸的组成

第四十六页，共八十四页，2022年，8月28日移码突变也可以造成无义密码子，导致蛋白质合成的提前终止如原模板TTCGATCGTCCATCAmRNAAAGCUAGCAGGUAGU插入一个碱基TTCGACTCGTCCATCA突变后的mRNAAAGCUGAGCAGGUAGU第四十七页，共八十四页，2022年，8月28日非移码插入或缺失

如果插入或缺失了3个碱基，或者是3的倍数，阅读框不变多肽链中增加或减少一个或几个氨基酸最终产物常常是有活性的，或者有部分活性。

第四十八页，共八十四页，2022年，8月28日§4突变的修复

生物界自身对诱变因素的作用具有一定的防护能力也能对已经发生的DNA结构变化进行部分修复第四十九页，共八十四页，2022年，8月28日1、DNA的防护机制

①密码子的简并性②回复突变某个突变子发生突变以后，又发生回复突变，恢复原来的结构。A——→G——→A③抑制突变第五十页，共八十四页，2022年，8月28日A．基因内抑制突变

在一个顺反子内，某个突变子发生了突变，有可能在该顺反子内的另一个突变子也发生一次突变这后一次突变的效应抵消了第一次突变的效应，使突变表现型恢复为野生型

DNA结构并没有恢复。

第五十一页，共八十四页，2022年，8月28日基因间抑制

主要是tRNA基因发生突变，或者是与tRNA功能有关的基因发生突变使另一个基因已经发生的无义突变、错义突变、或移码突变所导致的突变表现型恢复为野生型

第五十二页，共八十四页，2022年，8月28日tRNA上的反密码子发生突变AAGGAGUCGUUGUGGUACUAUUAG成为无义突变如果某个tRNA的反密码子突变为5’CUA3’，能够与UAG互补部分恢复或全部恢复蛋白质的功能第五十三页，共八十四页，2022年，8月28日④致死选择

突变使生物体死亡，突变的个体或细胞被淘汰，突变基因在群体中消失。第五十四页，共八十四页，2022年，8月28日⑤多倍体

高等植物中，多倍体种占有很大的比例在多倍体中，相同的基因组或相近的基因组有几份，对突变、尤其是隐性突变的耐受力要比二倍体和低等生物强得多。

第五十五页，共八十四页，2022年，8月28日DNA损伤的修复DNA损伤是经常发生的细胞具有多重、复杂的DNA损伤修复系统。许多损伤类型具有多种修复途径一个修复途径可以修复多种损伤类型第五十六页，共八十四页，2022年，8月28日修复系统错配修复（mismatchrepair）直接修复（directrepair）切除修复（excisionrepair）双链断裂修复（double-strandbreakrepair)重组修复（recombinationrepair)第五十七页，共八十四页，2022年，8月28日错配修复（mismatchrepair）

DNA合成过程中常发生碱基配对错误识别错配碱基切除错误碱基补入正确碱基封闭DNA链切口

错配修复系统由许多酶组成，包括DNA聚合酶第五十八页，共八十四页，2022年，8月28日直接修复（directrepair）不需要DNA聚合酶参与例：胸腺嘧啶二聚体的修复第五十九页，共八十四页，2022年，8月28日胸腺嘧啶二聚体的形成第六十页，共八十四页，2022年，8月28日胸腺嘧啶二聚体的光修复

在蓝色光条件下，有一种光激活酶可以将TT二聚体切开，使DNA结构恢复正常。

紫外线灭菌必须在黑暗中进行

光修复就是直接修复

第六十一页，共八十四页，2022年，8月28日切除修复（excisionrepair）DNA经UV照射后发生损伤，在下一轮复制前，体内的酶将包括二聚体在内的一段单链切除，重新合成一段单链予以修复。与光修复相比，不依赖于光的存在，在黑暗中也能进行，所以被称为暗修复(darkrepair)。暗修复又成为切除修复。

第六十二页，共八十四页，2022年，8月28日切除修复

（暗修复）

原核生物切除12bases

真核生物切除28bases第六十三页，共八十四页，2022年，8月28日重组修复(recombinationrepair)

（又称复制后修复）

需要一系列的酶参与修复以后，TT二聚体依然存在，但细胞却能勉强完成这一轮复制在切割和修补过程中，会发生这样那样的差错，从而导致突变的产生由UV照射引起的突变，并不是二聚体本身引起的，而多是修补过程中的差错引起的

第六十四页，共八十四页，2022年，8月28日

含二聚体的DNA仍可复制，新链在二聚体部位留有缺口；

完整的母链与有缺口的子链重组（交换）

缺口通过DNA聚合酶的作用，以对侧子链为模板将切去的母链修补起来；

由DNA连接酶将缺刻(nick)连接起来，完成修复。

第六十五页，共八十四页，2022年，8月28日SOS修复

DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，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

第六十六页，共八十四页，2022年，8月28日§5移动遗传因子

上个世纪50年代初，McClintock发现了可以移动的遗传因子(transposablegeneticelements)

这是遗传学发展史上一个重要的里程碑，McClintock因此而获得1983年的诺贝尔奖。第六十七页，共八十四页，2022年，8月28日

概念一些基因可以从染色体的一个基因座位转到另一个基因座位又叫转座子（trsnsposon)，跳跃基因（jumpinggenes)McClitock叫它转座因子（transposableelements）.第六十八页，共八十四页，2022年，8月28日第六十九页，共八十四页，2022年，8月28日一、转座因子的发现和鉴定：

Emerson(1914)在研究玉米果皮色素遗传时，发现一种特殊的突变类型：花斑果皮，产生宽窄不同，红白相间的花斑花斑条纹不稳定，可以发生多次回复突变，但不知道原因。第七十页，共八十四页，2022年，8月28日

20世纪40年代初，McClintock开始研究玉米植株和糊粉层色素产生的遗传基础，她发现，色素的变化与一系列染色体重组有关。她观察到，染色体的断裂或解离(dissociation)有一个特定的位点，命名为Ds。但Ds不能自行断裂，受一个激活因子Ac(activator)所控制。Ac可以象普通基因一样遗传。但有时可以离开原来的座位，移动到同一染色体的另一个位置上，也可以移动到不同染色体上。第七十一页，共八十四页，2022年，8月28日二、转座因子的结构特性:第七十二页，共八十四页，2022年，8月28日㈠、原核生物的转座因子：

根据分子结构与遗传特性可以分为三类。

1．插入因子（insertionsequence，IS）：

具有转座能力的简单遗传因子。长度一般小于2kb，最小的插入序列如IS1仅768bp。

IS因子只含有与转座有关的基因与序列。共同特征是在其末端都具有一段