遗传学第十二章基因突变课件

第十一章基因突变第一节基因突变概说第二节基因突变的分子本质第三节基因突变的诱发第四节基因突变的检出..第一节基因突变概说一、突变的类型

自发突变和诱发诱变显性突变与隐性突变

突变体的表型特性类型二、基因突变的时期三、基因突变的一般特征..基因突变的概念基因突变（genemutation）：是指一个基因内部可遗传的结构改变，是基因分子内部在某种条件作用下所发生的一个或几个核苷酸的改变。其结果是形成等位基因。基因突变一般在染色体结构上是看不到的，所以又称点突变（pointmutation）。实际上点突变与染色体畸变的界限并不明确，特别是微细的染色体畸变更是如此。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。..基因突变的意义

1.是生物进化过程中自然选择的最根本的基础；2.基因突变形成的不同等位基因及相对性状差异是人们发现该基因(位点)存在的前提；3.是生物遗传育种的重要基础。例：矮秆基因的利用；植物雄性不育基因的利用。..一、基因突变的类型根据诱发的原因，基因突变可分为以下两个类型：1.自发突变（spontaneousmutation）：在没有人工特设的诱发条件下，由于外界环境的自然作用或生物体内生理生化变化而诱发的突变。根据这个定义，我们知道所谓的自发突变并不是没原因的突变，而是指人工特设诱变因素以外的其它因素引起的突变。2.诱发诱变（inducedmutation）：由人工特设物理、化学诱发因素而引起的突变。

两者本质一样，频率不同。..根据显隐性关系的不同分为显性突变与隐性突变

突变体(突变型,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。当代就可表现。可能是：原来无功能的位点产生了一个功能；原来有功能的位点产生了新的功能。隐性突变：突变产生的新基因对原来的基因表现为隐性。当代不表现。往往是原来有功能的基因丧失了功能，或产生了一个新功能。..根据突变引起的表型特征，可将突变分为：１．形态突变（morphologicalmutation），基因突变主要影响生物的形态结构，导致形状、大小、色泽改变。

例：普通绵羊的四肢有一定的长度，但安康羊（Anconsheep）的四肢很短，这类突变可在外观上看到，称为可见突变（visiblemutation）2.生化突变（biochemicalmutation)：基因突变主要影响代谢过程，导致某种特定生化功能改变。

例：链孢霉的营养缺陷型..3．致死突变（lethalmutation）：基因突变主要影响生活力，导致个体死亡。致死突变又可分为：全致死突变（90％以上死亡）、亚致死突变（50%~90%％死亡）、半致死突变（10%~50%死亡）和弱致死突变（10%以下死亡）。致死基因在杂合体种的表现：

显性致死：杂合态即有致死效应。例如神经胶症。

隐性致死：纯合态的才有致死效应。例如镰刀形贫血症、植物白化基因等

。..植物隐性白化突变（致死突变）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。..4．条件致死突变（conditionallethalmutation)：在一定条件下表现致死效应，而在其它条件下可以存活的突变。

例如：T4噬菌体的温度敏感突变型在25℃时能在E.coli宿主中正常生长，形成噬菌斑，但在42℃时就不能这样。

..水稻分蘖基因的突变（Lietal.,2003,Nature,422:618-621）野生型突变体（moc1）..二、基因突变的时期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。植物的体细胞突变：芽变动物的体细胞突变：癌变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.突变时期不同，其表现也不相同。..突变时期显性突变隐性突变高等生物性细胞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..三、突变频率突变频率：指生物在一个世代中发生突变的概率。一般指每一世代每一配子每个基因座发生突变的概率。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概率。突变频率一般是很低的，不同的生物，不同的基因其突变率相差较大。真核生物基因的突变频率（10-5范围）较原核生物的（10-7~10-8范围）高很多。如果在人工诱变条件下，突变频率可以大大提高，有时可达自发突变频率的几千倍。

....（一）突变的重演性

指同种生物的同一基因突变表现相同的表型，可以在不同个体间重复出现。同一基因突变在不同的个体上均可能发生；不同群体中发生同一基因突变的频率相近。四、基因突变的一般特征..（二）突变的多方向性基因的突变可以向多个方向进行，形成复等位基因(multiplealleles)。这些复等位基因可以从野生型基因突变产生，也可以从其它任何一个突变基因突变产生。

..（三）突变的可逆性突变的可逆性：突变的基因可以发生回复突变。正突变(forwardmutation)：显性基因A隐性基因a；反突变(reversemutation)：隐性基因a显性基因A。通常认为：野生型基因是正常、有功能基因；而最初基因突变往往是野生型基因突变而丧失功能、发生功能改变，表现为隐性基因。所以反突变又称为回复突变(backmutation)。通常用u表示正突变频率、v表示反突变频率，则：正突变uA===========a反突变v..正向突变和回复突变的发生频率是不一样的。在多数情况下，正向突变频率总是高于回复突变频率（高1-2个数量级）。这是因为一个野生型基因内部的许多位点都可能发生改变而导致基因突变。但是一个基因内部却只有那个被改变了的结构恢复原状，才可发生回复突变。由于缺失而引起的突变不能发生回复突变。当然染色体畸变也不能回复。..（四）突变的有害性与有利性突变大多数是有害的。因为生物经长期的自然选择，形成了对外界环境的适应，基因突变后可能改变这种适应性，所以大部分突变对生物体是不利的。少数的突变有利。例如作物抗病性，微生物的抗药性等，这些突变为生物进化提供了最有利的条件。抗药性突变与药物：微生物产生抗药性突变与药物的存在与否没有关系。药物的存在只是起筛选作用。..（五）突变的平行性突变的平行性：指亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往往发生相似的基因突变。根据一个物种或属内具有的变异类型，就能预见到近缘的其他物种或属也同样存在相似的变异类型..第四节基因突变的分子本质从分子水平上说，基因突变是由于DNA分子的核苷酸序列改变，随而基因的作用改变，最后导致个体表型改变。..一、基因突变导致的核苷酸序列改变（信息内容改变）--点突变的类型1.碱基替换（basesubstitution）：

一对碱基被另一对碱基取代。分为：转换（transition）是指同类碱基之间的替换。颠换（transversion）是嘌呤与嘧啶之间的替换。..2.移码突变（frameshiftmutation）

一对或多对核苷酸的增减，造成这一位置以后一系列编码发生移位错误。又叫插入/缺失突变。例：野生型…TGGATAAACGAC…DNA…ACCUAUUUGCUG…mRNA…ThrTyrLeuLeu…Protein突变型…TGGAAAACGAC……ACCUUUUGC……ThrPheCys…插入（insertion）和缺失（deletion）突变对遗传信息的影响较大，会严重影响基因的功能，甚至导致基因功能失活。..二、基因突变导致的遗传信息意义的改变—突变的分子效应1.同义突变（samesensemutation）：碱基改变虽然使密码子改变，但不带来氨基酸的改变。这样的突变又称沉默突变（silentmutation）。DNACGTCGCCGGGCAGCGGCCmRNACGUCGCCGGProteinArgArgArg置换颠换核苷酸序列的改变（替换）在蛋白质水平上会导致基因决定的多肽链的氨基酸序列改变。原因是：密码子的兼并性。..2.错义突变(mis-sensemutation)碱基改变使某一氨基酸的密码子变为另一氨基酸的密码子。例：人类镰形细胞贫血症：Hbβ链发生颠换。DNAGAAGTACTTCATmRNAGAAGUAProteinGluVal表型HbA

HbS颠换..3.无义突变(non-sensemutation)碱基的改变使某一氨基酸的密码子变成终止密码子（无义密码子）。

UAG琥珀突变（amber,amb）

UAA赭石突变（ochre,och）

UGA乳白突变（opal,op）

若无义密码在中间，肽链延长提前终止，产生无活性的多肽片段。若无义突变发生在靠近基因的开放阅读框的3′末端，则所产生的蛋白质有可能保有一些生物学功能。插入和缺失突变同样会导致多肽链改变，而且改变更大。..关于基因突变的另外几个概念中性突变（neutralmutation）多肽链中相应位点发生的氨基酸的取代并不影响蛋白质的功能。沉默突变（silentmutation）蛋白质中相应位点是发生了相同氨基酸的取代，即同义突变。抑制突变（suppressormutation）突变的作用还可以通过其它位点的突变而得到减少或校正。..突变也可以发生在基因的非编码区

调节区和非编码区的DNA序列：在DNA水平上，包括RNA多聚酶及其相关因子和特定转录因子的结合位点。在RNA水平上，包括核糖体结合位点，真核生物mRNA外显子交接区5′和3′端拼接位点以及调节mRNA进入细胞特定区域和组分的翻译调节和定位信号位点。..

结合位点一旦被破坏很可能改变基因在特定时间、组织或特定环境反应中的表达量，某些结合位点的突变可能完全阻遏基因正常表达的必经步骤，如果RNA聚合酶或剪接因子的接合位点发生突变则可使基因产物完全失活或阻断其产生。调节位点的突变通常只改变产生蛋白质的数量而不是其结构。在基因的非编码区发生的许多点突变，往往只引起细小的或完全没有表型上的改变，这些点突变通常发生在调节蛋白结合位点之间的DNA序列，这些序列可能与基因功能无关或位于基因内的重复区。..回复突变（reversemutations）的分子机理：

1、精确回复（exactreversion）：

AAA(Lys)GAA(Glu)AAA(Lys)wild-typemutantwild-type

forwardreverse2、等价回复突变(Equivalentreversion)

UCC(Ser)UGC(Cys)AGC(Ser)wild-typeMutantwild-typeforwardreverse..3、抑制基因突变（suppressormutation）一种突变的效应由另一突变来减少或取消抑制基因突变并不导致一个原来突变的回复，而是遮蔽或补偿最初突变的效应。原来的突变位点依然存在，而它的表型效应被基因组第二位点的突变所抑制。基因内抑制基因突变（IntragenicSuppressors）基因间抑制基因突变（intergenicSuppressors）不论是基因内的还是基因间的抑制起作用都产生有功能或有部分功能的蛋白质，这样，只有在原来的突变和抑制基因突变都存在于相同的细胞内时可能恢复蛋白质的功能。..基因间抑制基因突变—tRNA反密码子突变..

功能缺失型突变与功能获得型突变

由于突变导致基因功能的丧失或减弱，这种突变称为功能缺失型突变（loss-of-functionmutation）。如果由于DNA序列的插入、丢失或重要的碱基替换造成的蛋白质功能的完全丧失，或导致转录产物的提前终止，使得基因功能完全丧失，则称为零突变或剔除突变（nullmutationsorknockoutmutations）。如果基因突变仅造成基因表达水平或基因产物活性的降低，这种突变称为亚效突变（hypomorphicmutation）或渗漏突变（leakymutation）。如果这个基因的突变导致表型变异，那么零突变表型变异应该是完全彻底的，而亚效突变的表型取得于基因表达水平或基因产物活性降低的程度，介于零突变与野生型之间。功能缺失突变一般是隐性突变。..

这种突变赋予了蛋白质异常的活性，并可能产生新的表型。很多这类突变发生在基因的调节序列而不是编码区，因而其后果有多种情况。如果基因表达的空间方式被改变，即基因表达产物在基因原来不表达的部位积累，这种表达方式叫异位表达（ectopicexpression）。基因的异位表达经常导致超出预期的表型变化，例如在果蝇任何非眼组织（腿、嘴、腹和翅等）异位表达eyeless可导致复眼的部分组织以及完整的眼色素的产生。如果一个基因在个体基因组中具有多个拷贝，功能缺失型突变一般不造成明显的表型变异，因为突变拷贝的功能会被其它正常的拷贝所弥补。而功能获得型突变则可以使基因原来的功能互相叠加，表型更加明显。功能获得型突变（gain-of-functionmutation）..第三节基因突变的诱发一、物理因素诱变(一)电离辐射诱变(二)非电离辐射诱变二、化学因素诱变三、诱发突变的应用..一、物理因素诱变

(一)电离辐射诱变1.种类：粒子辐射：α射线、β射线(32P、35S)、中子(60钴、137铯)；电磁波辐射：X射线、γ射线。2.原理：辐射能量使DNA、蛋白质等发生电离和激发。电离和激发使生物大分子受损伤---电离辐射的直接作用。发生电离和激发的分子通过一系列的反应产生许多化学性质很活跃的自由基和自由原子。自由基和自由原子相互作用，并与周围的物质（特别是核酸和蛋白质）起反应，引起分子结构变化，造成大分子损伤。----电离辐射的间接作用。DNA的损伤有：碱基间氢键断裂、磷酸二酯键断裂、单链或双链交联、DNA和蛋白质交联。这些会进一步造成基因突变和染色体结构变异。..4.电离辐射诱变的作用规律辐射剂量的表示方法：X射线、γ射线：伦琴(r)；中子：积分流量(n/cm2)；β射线：微居里(μcu/g)。突变率与辐射剂量的关系：突变率与辐射总剂量成正比；辐射效应是累积的。低强度长期照射（慢性照射）与高强度短期照射（急性照射）诱发的突变数一样。..(二)非电离辐射诱变主要是紫外线(最有效的波长是270nm)。紫外线的穿透能力弱，故多用于微生物、生殖细胞、花粉粒以及培养中的细胞。紫外线会使DNA发生多种形式的结构变化，主要是形成嘧啶二聚体。物理诱变的非专一性：对DNA分子及其核苷酸残基无选择性，所以没有专一性和特异性。..二、化学因素诱变

1.诱变剂及其种类与作用机制：烷化剂：使碱基烷基化、改变碱基形成氢键的能力，从而改变碱基配对关系；碱基类似物：在复制过程中取代碱基渗入DNA分子，但形成氢键的类型不同，改变碱基配对关系。2.作用特点：具有一定的碱基特异性。..三、诱发突变的应用1.提高基因突变频率；2.获得更丰富的突变类型；3.改良生物的个别性状。..三、自发突变的起因..自发突变来自：

1.DNA复制的差错未被校正。2.自发的化学变化：(1)碱基的互变异构(2)脱嘌呤（depurination）(3)脱氨（基）(deamination)(4)氧化作用损伤碱基（oxidativelydamagedbases）..DNA复制的差错未被校正

DNA的精确复制依赖于：校读系统：由DNApolI的3’5’外切酶活性完成。错配修复系统但偶尔会出现差错未被校正或修复而导致突变发生。增变基因(mutationgene):突变后使整个基因组突变频率明显上升。如：

DNApolI基因：突变后3’5’校正功能丧失

dam基因：dam-错配修复功能丧失..DNA的碱基的互变异构，从而导致错配:正常情况：A(氨基式)=T(酮式)G(酮式)=C(氨基式)异常情况：Ai(亚氨基式)=CA=C(亚氨基式)G=T(烯醇式)G(烯醇式)=T导致碱基替换....脱嘌呤：由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏，从而引起G、A从DNA分子上脱落下来,导致错误掺入碱基，发生碱基替换。..脱氨基导致碱基替换..氧化损伤

过氧化物原子团（O2-）、（H2O2）、（-OH）等需氧代谢的副产物都是有活性的氧化剂，它们可导致DNA的氧化损伤：T氧化后产生T－乙二醇，G氧化后产生8-氧-7,8二氢脱氧鸟嘌呤、8-氧鸟嘌呤(8-O-G)或“GO”，GO可和A错配，导致G→T。..四、诱发突变的起因（一）化学物质1.碱基类似物(1)5-溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU）(2)氨基嘌呤（2-aminopurine2-AP）这些碱基类似物常能掺入到DNA分子中去，好像是它的正常组成成分。它们对DNA的复制影响不大，而是在DNA复制时引起碱基配对差错，最终导致碱基对替换，引起突变。..5BU与T基本相同以酮式状态和A配对：A–5BUk酮式结构常转换成烯醇式与G配对:G–5BUe

（1）5-溴尿嘧啶（5-BU）..(2)2-氨基嘌呤(2-AP)有正常状态和稀有状态两种异构体，可分别与T和C配对结合。当2-AP掺入到DNA复制中时，由于其异构体的变换而导致A∶TG∶C..2.碱基的修饰剂能和DNA起化学反应并能改变碱基氢键特性的物质：(1)亚硝酸（NA）(2)羟胺(3)烷化剂：使碱基烷基化。..

(1)

亚硝酸（introusacid,NA）：有氧化脱氨作用。使A脱氨，产生次黄嘌呤(H)；使C脱氨，产生U。导致碱基转换..（2）羟胺：只特异地和胞嘧啶起反应，在第4个C原子上加-OH，产生4-OH-C，此产物可以和A配对，使C∶G转换成T∶A。..(3)烷化剂如甲基黄酸乙脂（EMS）,氮芥(NM),甲基黄酸甲脂（MMS）,亚硝基胍（NG）等。作用：是使碱基烷基化，（1）导致碱基错配，产生碱基置换。（2）脱嘌呤作用，影响复制，产生移码突变。特异性错配..3.DNA插入剂：引起移码突变如原黄素（proflavin）、吖啶橙（acridineorange）等..

（二）紫外线诱发胸苷二聚体..第四节DNA损伤修复一、光复活二、切除修复三、复制后修复四、SOS修复..一、光复活（photoreactivation）

修复因紫外线照射产生的嘧啶二聚体。在暗处，光复合酶（PRE,photoreactingenzyme，由phr

基因编码）识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物,在可见光下PR使二聚体解开成为单体,PR释放。..二、切除修复（excision-repair）又称暗修复（darkrepair），指不需要光。不仅仅修复嘧啶二聚体，还可修复化学诱变剂引起的损伤。色素性干皮症（Xerodermapigmentosum）：对光极度敏感，易患皮肤癌，是一种切除修复酶的缺陷（AR）。人类的切除修复参与的蛋白质和酶最少有17种之多。..损伤：突变的碱基错配或改变DNA结构剪切：内切酶在损伤碱基位点两侧剪切切除：外切酶除去切口间的DNA合成：DNA聚合酶III合成取代DNA连接酶封闭缺口1、切除修复..连接酶封闭缺口E.coli的切除修复系统:uvrA,B,C,D四个基因的产物完成切除修复。UvrAB：识别损伤；

UvrBC：在DNA上切缺口；

UvrD：使被标记区解旋。..2、DNA糖苷酶及AP核酸酶修复途径碱基发生修饰而发生结构改变由DNA糖苷酶水解产生无嘌呤或无嘧啶位点（AP位点）AP核酸内切酶切除损伤部位的DNA单链DNA聚合酶合成新的DNA片段，连接酶补缺口。..三、复制后修复1、错配修复（mismatchrepair）(1)识别错配的碱基对；(2)对错配的一对碱基要能准确区别哪一个是错的，哪一个是对的；(3)切除错误的碱基，并进行修复合成。..DNA正常复制错配酶识别未甲基化新链和错配碱基错配校正酶切除包含错配碱基的新链DNApol修复空隙..①受损伤的DNA链复制时，产生的子代DNA在损伤的对应部位出现缺口。②完整的另一条母链DNA与有缺口的子链DNA进行重组，将母链DNA上相应的片段填补子链缺口处，而母链DNA出现缺口。③以另一条子链DNA为模板，经DNA聚合酶合成一新DNA片段填补母链DNA的缺口④由DNA连接酶连接，完成修补。(二)重组修复（recombinationrepair）..(三)SOS修复系统

SOS修复是指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，提高细胞的生存率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复（error-pronerepair），它使细胞有较高的突变率。正常情况下有关酶系无活性，DNA受损伤而复制又受到抑制情况下发出信号，激活有关酶系，对DNA损伤进行修复。..SOS修复机制：通过式修复切除式修复..第二节突变的检出和应用一、果蝇突变的检出二、链孢霉营养缺陷型的检出三、人的突变的检出..一、果蝇性突变的检出（1）鉴别果蝇X染色体上基因的隐性突变Muller-5技术：检出果蝇X染色体上的隐性突变特别是致死突变。Muller-5品系的X染色体上：B（Bar棒眼）Wa（apricot杏色眼）Sc(Scute,小盾片少刚毛）倒位：可抑制Muller-5的X染色体与野生型X染色体的重组

..图单对交配野外采集的，或经诱变处理的雄蝇..（2）果蝇常染色体上突变的检出果蝇常染色体上的致死突变也可以被检出，但要经过三代。例如：要检出果蝇第二染色体上的突变基因可利用平衡致死系统（永久杂种）一条第二染色体上显性基因Cy（curly,翻翅）纯合致死，还有一个大倒位另一条第二染色体上显性基因S（star,星状眼）纯合致死Cy+×Cy++S+S

Cy++S该平衡致死系统，同时又是倒位杂合体。检出过程如下：..P133－1图（1）如最初第2染色体上不带致死基因，则F3有1/3左右的野生型；（2）如最初第2染色体含有致死基因，则F3只有翻翅果蝇（3）如