第5章 基因突变

第一节基因突变的概念与意义第二节基因突变的一般特征第三节基因突变与性状表现第四节基因突变的鉴定第五节基因突变的分子基础第六节基因突变的诱发第七节转座子第五章基因突变变异环境引起的表型变异(不遗传)遗传物质的改变(可遗传)重新分配(基因重新组合)遗传物质的变异不同染色体之间的自由组合同源染色体间的片段交换结构变异基因突变(细胞核中)细胞质变异(细胞核外)染色体畸变数目变异变异的分类可在显微镜下看到在表型上有所表达◆基因突变(genemutation)：染色体上某一基因位点内部发生了化学性质的变化，与原来基因形成对性关系。例如：植物高秆基因D突变为矮秆基因d。第一节基因突变的概念与意义突变体(mutant):由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体。显性突变：突变产生的新基因对原来的基因表现为显性。隐性突变：突变产生的新基因对原来的基因表现为隐性。摩尔根等1910年发现果蝇眼色的突变(Ww)，并进行鉴定与分析，从而明确证实基因突变的存在。第一节基因突变的概念与意义第一节基因突变的概念与意义自发突变（spontaneousmutation）：在自然条件下发生的突变原因：辐射、化学物质、DNA复制错误、修复差错、转座子转座诱发突变（inducedmutation）：人为利用物理、化学因素处理诱发基因突变产生新等位基因与遗传功能差异

没有基因突变，基因将只有一种存在形式，难

以揭示生物性状的遗传变异规律突变基因是生物进化的根本源泉多态性能增强生物对环境的适应性遗传育种的重要基础新品种、新类型的利用与培育基因突变的意义第二节基因突变的一般特征一、突变的重演性二、突变的可逆性三、突变的多方向性四、突变的有害性和有利性五、突变的平行性一、突变的重演性◆突变的重演性：相同的基因突变可以在同种生物的不同个体上重复发生。突变率：表示单位时间内（如一个生物世代或细胞世代内）某一基因突变发生的概率。突变频率：突变体在一个世代群体中所占的比例。★有性生殖生物突变频率通常是用配子发生突变的概率表示；★细菌与单细胞生物突变频率用细胞发生突变的概率表示。一、突变的重演性自然突变频率一般都很低

高等生物：1×10-5~1×10-8

低等生物：1×10-4~1×10-10人：1×10-4～1×10-6一、突变的重演性二、突变的可逆性◆基因突变的发生方向是可逆的

正突变u

野生型===========突变型

反突变vu表示正突变频率、v表示反突变频率◆正突变与反突变发生的频率一般都不相同。多数情况下：正突变率总是高于反突变率。◆原因在于：正常野生型基因内部存在许多可突变部位，任一结构改变均会导致其功能改变；一旦突变发生，要回复正常野生型功能则只能由原来发生突变的部位恢复原状。二、突变的可逆性三、突变的多方向性◆指基因突变可以多方向发生，即基因内部多个突变部位分别改变后会产生多种等位基因形式。例如：A基因不同部位发生改变产生突变基因a1、a2、a3。新基因可能均是无功能的，也可能各具不同功能。复等位基因(multipleallele)：同源染色体相同位点上存在3个或3个以上等位基因。三、突变的多方向性果蝇的眼色人类ABO血型的复等位基因◆人类红细胞表面抗原的特异性由3个复等位基因IA，IB，i决定。IA，IB对i均为显性；IA，IB间为共显性。

3种基因两两组合可能形成6种基因型、4种红细胞表面抗原反应类型烟草的自交不亲和性基因◆自交不亲和性(self-incompatibility)：植物自花授粉不结实，而株间授粉可能结实的现象。例：烟草属有两个野生种(Nicotianaforgationa与N.alata)这一特性由15个复等位基因(S1,S2,…,S15)控制，称为自交不亲和基因。原因是具有某一基因的花粉粒不能在具有相同基因的柱头上萌发、伸长，因而不能完成受精过程。即：柱头对具有相同基因的花粉粒具有拮抗作用。烟草的自交不亲和性基因四、突变的有害性和有利性1、突变的有害性：大多数基因的突变，对生物

的生长与发育往往是有害的。生物的野生型基因都是正常有功能的；现有的基因是通过长期自然选择进化而来，并且基因间达到某种相对平衡与协调状态。基因突变可能会导致：基因间及相关代谢过程的协调关系被破坏。

生物个体：性状变异、个体发育异常、生存竞争与生殖能力下降，甚至死亡—致死突变。致死突变◆致死突变：指发生突变后会导致特定基因型个体死亡的基因突变。大多数致死突变都为隐性致死(recessivelethal)，只有突变后代中的隐性纯合体才表现为致死的效应。少数致死突变表现为显性致死(dominantlethal)，带有突变基因的个体都会死亡。人的神经胶症(epiloia)基因。如果致死突变发生在性染色体上，将产生伴性致死(sexlinkedlethal)。小鼠毛色遗传的显性致死突变◆在正常黑色鼠中发现一种黄色突变型。黄色基因(AY)在毛色上表现为显性，具有显性纯合致死效应；AYAY个体胚胎阶段即死亡，所以杂合体自交后代毛色会表现2:1。植物隐性白化突变◆与叶绿体形成有关的基因多达50多对，其中不少基因突变(丧失功能)均可能导致叶绿素不能形成，产生白化苗。白化苗不能进行光合作用，子叶或胚乳中养料耗尽时，幼苗就死亡。2、突变的有利性◆少数基因突变不仅对生物的生命活动无害，反而有利于其生存和生长发育例如：作物的抗病、早熟突变，鸡的多产蛋突变、牛的高泌乳量突变等。这类突变往往是“适应”环境的突变，可通过自然选择保留下来。四、突变的有害性和有利性◆中性突变：指突变型的性状变异对生物个体生活力与繁殖力没有明显的影响，在自然条件下不具有选择差异的基因突变。四、突变的有害性和有利性◆突变的有害与有利性是相对的，在某些情况下，基因突变的有害与有利性可以转化：★对后代群体在特殊环境中生存而言：作物矮秆突变型在多风与高肥环境下；果蝇残翅突变型在多风海岛环境下。★对人类需求与利用而言：作物矮秆突变型的利用；作物雄性不育突变型的利用。四、突变的有害性和有利性五、突变的平行性◆指亲缘关系相近的物种因为遗传基础比较接近，往往会发生相似的基因突变。根据这一学说，如果一个物种或更大的生物分类单位中存在某种类型的变异，与其同类的生物中也可以预期得到这些变异类型。五、突变的平行性第三节基因突变与性状表现一、性状变异类型1、形态突变（morphologicalmutation）：指导致生物体外部形态结构产生肉眼可见的突变1、形态突变正常水稻花药变异1、形态突变2、生化突变型(biochemicalmutation)：指影响生物的代谢过程，导致特定生化功能改变和丧失的突变原养型：Ade+、leu+、his+营养缺陷型：ade－、leu－、his－

一、性状变异类型营养缺陷型3、致死突变（lethalmutation）：指导致特定基因型突变体死亡的突变一、性状变异类型4、条件致死突变（conditionlethalmutation）：在一定的条件下表现致死效应，在另一种条件下存活的突变。细菌的温度敏感突变30℃存活、42℃致死T4噬菌体温度敏感型25℃时在E.coli中存活、

42℃时不能生长一、性状变异类型5、抗性突变（resistantmutation）：指突变细胞或生物体获得了对某种特殊抑制剂的抵抗能力。敏感型：Strs抗药型：Strr一、性状变异类型二、显性突变和隐性突变的表现◆一对等位基因同时突变的概率非常低，所以突变发生当代一般都是杂合体，显性突变与隐性突变的性状表现不同；◆显性突变和隐性突变自交后代中检测到突变型的早晚、获得纯合体的快慢也不同：如果用M表示突变世代，M1、M2…第三节基因突变与性状表现M1M2M3M1M2自交情况下：显性突变表现早而检出晚隐性突变表现晚而检出早二、显性突变和隐性突变的表现三、体细胞突变和性细胞突变的表现◆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。◆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。◆体细胞突变：在体细胞中如果隐性基因发生显性突变，当代就会表现出来，同原来性状并存，形成镶嵌现象或称嵌合体(chimera)◆突变时期不同，其表现也不相同芽变选择第三节基因突变与性状表现三、体细胞突变和性细胞突变的表现四、大突变和微突变大突变（macromutation）

具有明显、容易识别表型变异的基因突变

主效基因—质量性状例如：豌豆圆粒、皱粒微突变（micromutation）

指突变效应表现微小，较难察觉的基因突变

微效基因—数量性状例如：玉米果穗长度第三节基因突变与性状表现第四节基因突变的鉴定一、微生物基因突变的鉴定细菌营养缺陷型的检出-影印培养法真菌营养缺陷型的检出真菌营养缺陷型的检出1941年，比德尔和泰特姆对红色面包霉进行生化突变的研究，提出了“一个基因一个酶”假说（onegene,oneenzyme），从而把基因与性状联系了起来。一、微生物基因突变的鉴定红色面包霉的生化突变型◆野生型能在基本培养基上正常生长水、无机盐、糖类、微量生物素◆几种生化突变型：突变型a：精氨酸(精氨酸合成缺陷型)；突变型c：精氨酸或瓜氨酸(瓜氨酸合成缺陷型)；突变型o：精氨酸、瓜氨酸或鸟氨酸(鸟氨酸合成缺陷型)。◆精氨酸合成途径为：红色面包霉的生化突变型二、植物基因突变的鉴定

1、突变真实性的鉴定◆原始材料与变异体在一致的环境条件下种植，对两类个体进行性状考察与比较分析；

◆根据试验结果进行判定：两类个体间没有差异不可遗传变异(环境变异)；差异仍然存在存在真实差异为突变体。2、突变性质的鉴定-杂交鉴定显性/隐性突变3、突变频率测定-植物性细胞突变检测玉米籽粒：非甜(Su)甜(su)P: 甜粒亲本(susu)×非甜粒亲本(SuSu)(♂)

F1: Susu(非甜) susu(甜粒)

正常花粉粒后代突变花粉粒后代二、植物基因突变的鉴定

4、谷类作物种子诱发隐性突变鉴定二、植物基因突变的鉴定

杂合体，鉴定困难半合子基因突变,ClB类似微生物的方法（特异抑制剂筛选抗性变异）家系分析（人类）二、动物基因突变的鉴定

二、动物基因突变的鉴定

二、动物基因突变的鉴定

第五节基因突变的分子机制一、基因突变的方式◆经典遗传学认为：★基因是染色体上的一个点，称为座位（locus）★单个基因的突变称为点突变（pointmutation）◆现代基因概念认为：基因是DNA分子中带有特定遗传信息的碱基序列的一个区段；基因由众多碱基对构成，一个核苷酸对在染色体上的位置称为位点（site）碱基替换(basesubstitution)缺失突变(deletionmutation)插入突变(insertionmutation)一、基因突变的方式DNA分子单链（双链）中某个碱基（对）被另一种碱基（对）代替。1、碱基替换颠换（transversion）转换（transition）不改变DNA分子序列长度及mRNA分子的阅读框2、缺失和插入突变缺失突变：DNA分子缺失了一个或多个碱基（对）。插入突变：DNA分子增加了一个或多个碱基（对）。当缺失或插入碱基数不等于3或3的倍数时，突变效应将不限于缺失与插入碱基本身，还会导致下游阅读框改变-移码。

GAAGAAGAAGAA…谷氨酸↓

GGAAGAAGAAGAA…

精氨酸2、缺失和插入突变二、突变的防护机制1、密码的简并性2、回复突变突变基因经过第二次突变又完全或部分恢复为野生型基因。频率比正突变低得多二、突变的防护机制3、抑制突变二、突变的防护机制基因内抑制（intragenicsuppression）：突变基因内另一个位点再次发生突变，新基因（与野生型相比有两个突变位点）表现为野生型性状。基因间抑制（intergenicsuppression）：与突变基因表达或功能相关的另一个基因发生突变，突变体恢复为野生型性状。二、突变的防护机制4、二倍体和多倍体掩盖作用5、选择和致死

自然选择致死突变三、DNA修复与差错

错配修复（mismatchrepair）直接修复（directrepair）切除修复（excisionrepair）双链断裂修复复制后修复（postreplicativerepair）

SOS反应与倾向差错修复1、错配修复直接恢复DNA分子中损伤碱基的结构2、直接修复光修复（lightrepair）去烷基化（dealkylation）单链断裂修复移除DNA分子中损伤部分然后加以修复。这类修复途径并不依赖于光照，所以也称暗修复（darkrepair）。3、切除修复碱基切除修复（baseexcisionrepair）核苷酸切除修复（nucleotideexcisionrepair）DNA糖基化酶识别损伤、切除错误碱基AP内切酶检测损伤断开DNA链DNA聚合酶与连接酶碱基切除修复E.ColiUvrABC系统修复UvrA2UvrB复合体查找损伤,释放UvrB亚基使DNA吸引并结合UvrCUvrB亚基在损伤处3′端4-5个核苷酸处切断，UvrC在5′端8个核苷酸处切断，UvrD去除12-13个核苷酸和UvrCDNA聚合酶Ⅰ填补缺口，并驱出UvrBDNA连接酶封闭缺口（UvrD）核苷酸切除修复4、双链断裂修复DNA复制失败产生缺口之后的修复子链被修复，损伤仍保留5、复制后修复DNA单链上产生大量缺口引起的细胞应急反应RecA表达量上升，诱导合成忠实性低的聚合酶越过损伤部位进行复制，增加DNA结构的完整性6、SOS反应与倾向差错修复一、物理诱变电离非电离诱变因素电离辐射离子辐射x射线射线a射线b射线质子中子第六节基因突变的诱发紫外线一、物理诱变

碱基类似物

作为DNA成分掺入，引起碱基对的替换

碱基修饰物

通过与碱基作用，使其分子结构改变，导致碱基替代

DNA插入剂插入DNA分子中，复制时产生碱基的插入和缺失二、化学诱变5溴尿嘧啶（5BU）、2-氨基嘌呤5BUk＝A5BUe＝G碱基类似物5溴尿嘧啶（5BU）5溴尿嘧啶（5BU）碱基修饰物烷化剂、亚硝酸和羟胺甲基磺酸乙酯（EMS）、甲基磺酸甲酯（MMS）、亚硝基胍（NG）、芥子气（NM）等C→TA→G亚硝酸（HNO2）对C、A和G具有氧化脱氨作用羟胺（NH2OH）胞嘧啶C6位置上的氨基氮羟化原黄素丫啶橙DNA插入剂转座子（transposon，简称Tn）,又称易位子，是指存在于染色体DNA上可以自主复制和移位的一段DNA序列。

转座子可以在不同复制子之间转移，以非正常重组方式从一个位点插入到另外一个位点，对新位点基因的结构与表达产生多种遗传效应。第七节转座子1951年McClintock-麦克林托克提出转座（Transposition）和跳跃基因(jumpinggene)的新概念；1967年Shapiro才在E.coli中发现了转座因子（transposableelement）。BarbaraMcClintock(1902-1992)NobelPrizeforPhysiologyorMedicine1983第七节转座子一、转座子的分类1、插入序列（insertionalsequence，IS）特征：两端都有短的4-15bp的正向重复序列(directrepeats,DR)（靶序列）；末端有略长的15-25bp的反向重复序列(invertedrepeats,IR)；1kb左右的编码区，它仅编码和转座有关的转座酶。2、复合转座子（compositetransposon）复合转座子是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列。一、转座子的分类二、转座过程转座酶（transposase）催化IS的转座，它由IS编码。首先转座酶交错切开宿主靶位点，然后IS插入，与宿主的单链末端相连接，余下的缺口由DNA聚合酶和连接酶加以填补，最终插入的IS两端形成了DR(Directrepeat)或靶重复。三、转座作用的机制1、复制型转座(Replicativetransposon)：在相互作用时，转座子被复制，转座实体是原转座子的一个拷贝。转座子中作为移动的部分被拷贝。一个拷贝保留在原位点，而另一个则插入到新的位点。2、非复制