备课素材：基因突变的时期及因素-高一下学期生物人教版必修2

基因突变的时期及因素先看一道试题：二倍体动物某个精原细胞形成精细胞过程中，不同时期细胞的核DNA相对含量和染色体数目如图所示。下列叙述错误的是（

）A．乙时期的细胞和丙时期细胞均含有两个染色体组B．甲→乙过程中DNA复制前需要合成RNA聚合酶C．乙→丙过程中可发生基因重组和基因突变D．丙→丁过程中着丝粒分裂、姐妹染色单体分离答案：D解析：本题以染色体和DNA的数量关系为载体，考查考生首先要明确减数分裂的过程，其次是减数分裂过程中染色体和DNA的数量变化关系。甲乙丙丁图表示一个精原细胞形成精细胞的过程，根据每个过程DNA和染色体的数量及其关系，可判断甲为DNA还没复制的精原细胞，乙为减数第一次分裂，丙为减数第二次分裂后期，丁为精细胞或精子，所以乙时期细胞有2个染色体组，丙时期细胞有2个染色体组，A正确；甲到乙的过程中有DNA复制和蛋白质合成，DNA复制前需合成RNA聚合酶，接着参与催化DNA的合成，B正确；乙到丙过程是减数第一次分裂到减数第二次分裂，减数第一次分裂前期或后期发生基因重组，基因突变可以发生在任何时期，C正确；因为丙是减数分裂后期II，已发生了着丝粒分裂，所以丙到丁过程中没有着丝粒的分裂，D错误。有些同学不理解，认为：乙过程DNA已经完成，减数第一次分裂到减数第二次分裂只有同源染色体分离与非同源染色体自由组合，为何有基因突变？许多复习用书的观点也认为基因突变就发生在间期。2019版高中生物学必修二明确说明：学生很难理解基因突变发生的时期不一定是分裂间期，其实根据突变的机理来看，可以不是发生在间期，而是发生在复制前，但往往要通过分裂间期复制来实现传递到子代细胞。以线粒体为例也可以解释基因突变可以发生在任何时期。1．复制时引起的基因突变基因突变可以是DNA序列中单个碱基或核苷酸的变化，也可能是一段核酸序列的改变，这种在基因分子水平上发生的改变可以通过DNA复制经细胞分裂永远传递给子代细胞。根据突变发生情况分有自发突变和诱发突变，自发突变是指在自然状态下未经诱变剂处理而出现的突变。自发突变可能是由于DNA复制错误、碱基的异构互变效应、自发的化学变化和转座因子等多种原因引起的。在DNA复制过程中，可能产生碱基的错配，带有错配碱基的DNA在下一次复制时，则会引起碱基的替代，从而引起DNA分子的错误，由于DNA分子中的碱基本身存在着交替的化学结构，称为互变异构体，当碱基以它稀有的形式出现时就可能与错误的碱基配对，这种碱基化学结构的改变过程称为互变异构移位。碱基的互变异构可以在DNA复制过程中自发发生。它导致的碱基替代如果是发生在同类碱基之间，即一种嘌呤被另一种嘌呤替代，或一种嘧啶被另一种嘧啶替代，这称为转换；若碱基的替代发生异类碱基之间，即一种嘌呤被一种嘧啶替代，或反之，则称为颠换。2．复制前引起的基因突变自发的化学变化（1）脱嘌呤由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键断裂，从而引起一个鸟嘌呤或一个腺嘌呤从DNA分子上脱落下来。研究发现，在37℃条件下培养一个哺乳动物细胞20小时，会有数以千计的嘌呤通过脱嘌呤作用自发地脱落。如果这种损伤得不到修复，就会引起很大的遗传损伤，因为在DNA复制的过程中，无嘌呤位点将没有特异碱基与之互补，而可能随机地选择一个碱基插进去，结果导致突变。（2）脱氨基作用在一个碱基上去掉氨基，常见的胞嘧啶（C）和5-甲基胞嘧啶（m5C），它们脱氨基后分别变成尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T），从而使DNA分子受到损伤。由于在DNA中U不是一个正常碱基，因此如果它不被除去在DNA复制中它将与腺嘌呤（A）配对，导致原来的GC碱基对转变为AT碱基对。5-甲基胞嘧啶是基因组中常见的一种经甲基化修饰的碱基，由于它脱氨基后变成胸腺嘧啶（T），因此它可将DNA中的m5CG碱基对转变为AT碱基对。并且，由于T是DNA分子中的正常碱基，修复系统不能将其作为非正常碱基识别，结果错误碱基通常不能被修复，从而导致m5C位点常常成为突变热点，在该位点发生突变的频率要比其他位点高得多。脱氨基造成的碱基转换转座因子或插入序列引起在生物基因组内存在的可移动DNA序列转座因子或插入序列，通过在基因组内的移动也经常引起基因功能的失活或改变。现已知道，在玉米、果蝇等生物中发生的一些典型突变就是由于这类可移动DNA序列的插入所引起的。转座子或插入序列引起基因突变的机制化学诱变（1）碱基修饰剂有的化学诱变剂并不是掺入到DNA中，而是通过对碱基的化学结构进行修饰使其性质发生改变，从而引起特异性错配，如亚硝酸、羟胺、烷化剂等。例如，亚硝酸（HNO2）是一种有效的诱变剂，它能作用于腺嘌呤（A）使其脱去分子中的氨基而转化为次黄嘌呤（H）。由于次黄嘌呤的分子结构特点，它能暂时与胞嘧啶（C）配对。在以后的复制过程中，次黄嘌呤又被鸟嘌呤（G）所代替，从而形成了C－G碱基对，结果使A－T改变为C－G。（2）插入突变剂这类化合物主要包括吖啶橙、原黄素、黄素等吖啶类染料，它们均含有吖啶环，是一种平面分子，其分子大小与碱基对大小差不多，可以插入到DNA双螺旋双链或单链的两相邻碱基之间。如果它们插在DNA模板链中，合成新链时必须要有一个碱基因插入相应位置以填补空缺，这个碱基并不存在配对问题，是随机选择的。合成的新链上一旦插入了一个碱基，在下一轮复制时必然会增加一个碱基。若这类插入突变剂在插入新合成DNA链时取代了一个碱基，并且在下一轮DNA复制前该插入剂又被丢失，那么就会导致下一轮DNA复制时减少一个碱基。因此，插入突变剂通过在其插入位置上引起碱基对的插入或缺失突变，结果会导致可读框的改变，造成移码突变。物理因素引起的突变当用紫外线诱变处理时，紫外线的照射能使物质的分子因激发而变成活化分子。被照射物质分子的电子吸收了紫外线的能量后从低能轨道跃迁到高能轨道，从而使物质的分子处于活化状态。紫外线的生物学效应主要是引起DNA分子的变化造成的。DNA能强烈地吸收紫外线，尤其是DNA分子链中的碱基对，它们对紫外线具有特殊的吸收能力。紫外线引起DNA结构改变的形式很多，例如DNA链的断裂、DNA分子内和分子间的交联、DNA与蛋白质的交联、嘧啶的水合作用和二聚体的形成等，其中主要的是水合物和二聚体的形成。紫外线照射形成二聚体引起突变3．引起基因突变的因素引起基因突变的外部因素：物理因素:主要指紫外线、X射线和其他辐射,能损伤细胞内的DNA；化学因素：亚硝酸、碱基类似物等能改变核酸的碱基；生物因素：指某些病毒的遗传物质能影响宿主细胞的DNA等。引起基因突变的内部因素：DNA复制偶尔发生错误；DNA碱基组成发生改变等。上述外部因素和内部因素中，DNA复制出错是发生在间期。内部因素中D