第三章 基因突变

第三章基因突变第一页，共八十六页，编辑于2023年，星期四一、基因突变的分类按照遗传物质结构的改变：碱基的置换、移码、缺失、插入突变从突变的效应与野生型的关系：正向、回复突变从突变所引起的遗传信息的意义改变：同义、错义、无义突变如果发生在调控区的突变有：组成型突变、启动子上升/下降突变、抗阻遏、抗反馈突变从突变所带来的表型改变分为：形态、致死或条件致死、生化突变型分类标准突变产生的过程：自发、诱发突变第一节基因突变的类型、符号和规律第二页，共八十六页，编辑于2023年，星期四基因突变的机制

基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的，诱变又可分为点突变和畸变。具体类型可归纳如下：第三页，共八十六页，编辑于2023年，星期四回复突变：突变体所失去的野生型性状可以通过第二次突变得到回复，这种二次突变就是回复突变。

正向突变：改变野生型性状的突变。第四页，共八十六页，编辑于2023年，星期四基因突变的特征随机性独立性稳定性可逆性稀有性二、基因突变规律第五页，共八十六页，编辑于2023年，星期四

三、基因突变类型

●野生型菌株：从自然界分离获得的菌株，称之为~。●基本培养基(MM)：满足野生型菌株生长最低营养要求的合成培养基。第六页，共八十六页，编辑于2023年，星期四（一）突变类型●营养缺陷型：野生型菌株由于突变而丧失了某种营养合成能力，而无法在基本培养基上生长的变异类型。

表示：基因：his+，his-；表型：His+，His-第七页，共八十六页，编辑于2023年，星期四

●抗性突变型：野生型菌株由于突变而产了对某些化学药物或致死物理因子抗性变异类型。表示：基因：

strr、strs；tetr、tets；

表型：Strr，Strs第八页，共八十六页，编辑于2023年，星期四

●条件致死突变型：某些菌株或病毒经基因突变后，在某种条件可生长并实现表型，而在另一条件却无法生长繁殖的突变类型。(如温度敏感突变株：Ts）●形态突变株●抗原突变株●产量突变株第九页，共八十六页，编辑于2023年，星期四●突变株类型划分：----选择性突变株：营养缺陷型、抗性突变型、条件致死突变型----非选择突变株：形态、抗原、产量突变型第十页，共八十六页，编辑于2023年，星期四四、基因符号表示命名规则：1.根据基因产物或其作用产物的英文名称的第一个字母缩写成3个小写斜体字母来表示。2.不同的基因座，其中任何一个突变所产生的表型变化可能相同，其表示方法是在3个小写斜体字母后加上一个斜体大写字母来表示区别。如Recombination→recA、recB、recC第十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期四3.突变位点应通过在突变基因符号后加不同数字表示。如supE444.某个基因或某个领域缺失时，在其基因型前面加上“∆”表示。例如：lac-proAB基因缺失时它的基因型表示为∆(lac-proAB)。5.Φ融合如Φ（ara-lac）表示ara和lac融合成新基因

第十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期四五、突变率及其检出●突变率：某一细胞在每一世代中发生突变的几率。常用单位群体中每一世代产生的突变株的数目来表示。五第十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期四一个细菌分裂一次产生两个细菌，两个细菌再经一次分裂产生四个细菌，这时一个细菌开始总共经历了三个世代。细菌繁殖过程中的世代总数为细菌数减1.如果细菌总数和开始时的细菌总数相差很大，可以认为细菌总数就是世代数。突变率＝（M2-M1）/(N2-N1)，其中M为抗性菌落数；N为不同时间的细菌数。第十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期四考虑到微生物分裂不同步，细菌总数就是世代数G的计算为：G=(N2-N1)/ln2=(N2-N1)/0.693突变率＝（M2-M1）*0.693/(N2-N1)第十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期四例如测定某一大肠杆菌对链霉素的抗性突变时，得到如下数据：接种细菌数为5.4х105，测定时细菌数为31.4х108，抗性菌落数为24，则突变率（μ）＝（M2-M1）*0.693/(N2-N1)=24*0.693/(31.4х108-5.4х105)=0.52х10-8第十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期四如果是液体培养基，需要考虑细菌的分裂次数。突变率（μ）=2（M2/N2-M1/N1）/(g2-g1)由于突变次数的随即分布，平均突变率可用泊桑公式计算：P0=e–μN则μ=-lnP0/N第十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期四例如：在某一实验中，测得20支培养试管中有11支没有出现抗性突变细菌，每支试管的细胞数为：2х108。则有：P=11/22=0.55μ=-lnP0/N=-ln0.55/2х108=3х10-9第十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期四●突变株的检出及突变率的计算

检出方法：1）选择性突变株----营养缺陷型----抗药性突变2）非选择性突变株：第十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期四第二节诱变剂与突变机制诱变剂：能使突变率提高到自发突变水平以上的物理、化学和生物因素。诱变机制：碱基置换突变移码突变插入/缺失突变第二十页，共八十六页，编辑于2023年，星期四碱基置换可以分为两类：转换和颠换前者是嘌呤到嘌呤，嘧啶到嘧啶的变化，后者是嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化。第二十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期四碱基置换的诱变原理Watson和Crick认为酮式与烯醇式的互变氨基与亚氨基的互变碱基碱基配对方式改变自发突变10-6－10-10第二十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期四碱基类似物——5BrU的诱变机理和该假设的证明酮式烯醇式一、碱基类似物的机制第二十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期四烯醇式：与G配对诱发G.C→A.T

参入错误酮式与A配对诱发A.T→G.C复制错误第二十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期四另一种碱基类似物：2-氨基嘌呤(AP)，类似于A异构体：酮式烯醇式配对形式：AP=TAP≡C第二十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期四二、碱基的化学修饰1.Nitrousacid(HONO)第二十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期四Nitrousacidcytosineuracil,guaninexanthineGX（黄嘌呤）adeninehypoxanthineAH（次黄嘌呤）A:T→G:CH与C配对G：C→A：T

第二十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期四isspecificforcytosine,butonlyworksinvitro(cannotentercells).2.Hydroxylamine(NH2OH)第二十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期四Alkylatingagentsareexcellentdonorsofalkylgroups.3、烷化剂（Alkylation）theadditionofalkylgroupstothebasesofDNA(EMS)(NNG)(MMS)第二十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期四EMSandMMStendtoethylate(ormethylate)N7

ofguanineorN3ofadenine,whichseverelydisruptsbasepairing:第三十页，共八十六页，编辑于2023年，星期四是一种诱变作用特别强的诱变剂。可以使一个群体的任何一个基因的突变率高达1%。此外可以诱发邻近的位置的基因同时发生突变，即引起多位点的突变。亚硝基胍（N-methyl-N‘-nitro-N-nitrosoguanidine,NNG)：caninadditionmethylatetheO6ofguanineandtheO4ofthymine第三十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期四烷化剂对DNA的损伤机制

一类亲电子的化合物，易与生物体中大分子的亲核位点起反应。烷化剂的作用可使DNA发生各种类型的损伤：a.碱基烷基化：烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的N或O上，其中鸟嘌呤的N7和腺嘌呤的N3最容易受攻击，烷基化的嘌呤碱基配对会发生变化，例如鸟嘌呤N7被烷化后就不再与胞嘧啶配对，而改与胸腺嘧啶配对，结果会使G－C转变成A－T。b.碱基脱落：烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落形成DNA上无碱基的位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。c.断链：DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷化，结果形成不稳定的磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断裂。第三十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期四d.交联：烷化剂有两类，一类是单功能基烷化剂，如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；另一类是以双功能基烷化剂，化学武器如氮芥、硫芥等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝裂霉素等，某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此类，其两个功能基可同时使两处烷基化，结果就能造成DNA链内、DNA链间，以及DNA与蛋白质间的交联。第三十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期四三、移码突变定义：DNA分子中一对或少数几对核苷酸的增加和缺失造成的基因突变。引起移码突变的诱变剂：如吖啶橙，原黄素，吖黄素，可掺入DNA的碱基对之间，引起DNA双链错位移码突变机制：第三十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期四第三十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期四四、辐射诱变热紫外线UV电离辐射激光离子束诱变第三十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期四有效诱变范围：200～300nm1.紫外线引起的DNA损伤UV：非电离辐射型波长范围：136～390nm诱变机制：DNA链的断裂DNA分子的交联C、U的水合作用嘧啶二聚体的形成第三十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期四UV照射形成嘧啶二聚体第三十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期四2.电离辐射引起的DNA损伤直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损伤间接效应是指DNA周围其他分子(主要是水分子)吸收射线能量产生具有很高反应活性的自由基进而损伤DNA。suchassuperoxideradicals(·O2-),hydrogenperoxide(H2O2),andhydroxylradicals(·OH)第三十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期四电离辐射可导致：a.碱基变化主要是由OH－自由基引起，包括DNA链上的碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。b.脱氧核糖变化脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与OH－反应，导致脱氧核糖分解，最后会引起DNA链断裂。c.DNA链断裂这是电离辐射引起的严重损伤事件，断链数随照射剂量而增加d.交联包括DNA链交联和DNA-蛋白质交联。2、电离辐射第四十页，共八十六页，编辑于2023年，星期四3、激光诱变激光：电磁波机制：辐射活化效应，使机体形态结构和代谢生理方面发生改变4、离子束诱变离子束的产生装置：离子注入机机制：能量传递、动量交换、离子沉积和电荷积累。第四十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期四MutagenMechanismTypesofmutationsproducedSpontaneousDNAreplicationandrepairerrors,spontaneousmodificationofnucleotidesAlltypesofmutationsproducedUVirradiationPyrimidinedimersinduceerrorpronerepair(SOS)MainlyG-CtoA-Ttransitions,butallothertypesofmutationsincludingdeletions,frameshifts,andrearrangementsatsomewhatlowerfrequency2-aminopurine(2AP)BaseanalogA-TtoG-CandG-CtoA-TtransitionsBromouracilBaseanalogG-CtoA-TandA-TtoG-CtransitionsHydroxylamine(NH2OH)Alkylatingagent,generatesN4-hudroxycytosineG-CtoA-TtransitionswhenusedinvitroN-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidine(MNNG)Alkylatingagent,generatesO6-methylguanineG-CtoA-Ttransitions,multiple,closelyspacedmutationscommonEthylmethanesulfonate(EMS)(EMS)Alkylatingagent,generatesO6-methylguanineG-CtoA-TtransitionsEthylethanesulfonate(DES)Alkylatingagent,inducesSOSresponseG-CtoT-Atransversions,otherbasesubstitutionmutationsNitrousacidOxidativedeaminationG-CtoA-TandA-TtoG-Ctransitions,deletionsproducedatalowerfrequencyICR-191Intercalatingagent,alkylacridinederivativethatstabilizesloopedoutbasesbystackingbetweenthemFrameshifts,mainlyadditionsordeletionsinrunsofGorC第四十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期四？抗药性的来源抗性基因突变？生理适应？抗药性质粒的获得？第三节、自发突变第四十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期四波动实验涂布实验影印实验抗药性突变的发生与药物无关第四十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期四实验结果证明两套平板上耐噬菌体菌落数差异很大，从而证实细菌自身发生突变，而外界条件仅起选择作用。

波动实验第四十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期四第四十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期四然而，仍有学者对上述实验的统计学意义特异议。1952年Lederberg设计了影印培养(Replicaplating)。第四十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期四●平板影印培养试验

(Lederberg)第四十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期四其方法为将对链霉素敏感的大肠杆菌大量接种于营养琼脂平板上，培养后细菌在培养基上均匀的长出菌苔层，然后用灭菌的丝绒复盖在一块与平皿同样大小的木块上轻轻影印，使细菌菌落全部转移到丝绒面上。另取含有链霉素的琼脂培养平板，将丝绒面再印在其上，从而获得与原始平板完全相同的复制平板。将此平板培养，耐药的菌落出现后，通过比较，可从原始平板的相应部位刮取菌苔转种至液体培养基中，增菌后，重复制备原始平板与影印平板。经过数次重复后，则可获得一株完全没有接触过链霉素的高度耐链毒素的突变株，表现为原始平板上全部菌落与含链霉素平板上的菌落吻合。这一实验雄辩地证明了链霉素仅起选择作用。第四十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期四二、自发突变的主要原因1.互变异构和环出效应2.微生物自身所产生的诱变物质的作用3.背景辐射和环境诱变第五十页，共八十六页，编辑于2023年，星期四抗药性突变以一定的突变率发生在个别细菌中。

每一个细胞发生突变的频率几乎是随机的，但是突变的频率仍然有一定的规律性：不同的细菌均以一定的频率发生某一突变,同一细菌也将以一定的频率发生不同的突变。突变是随机的突变率：每一细胞每一世代中发生突变的机率。三、自发突变的规律第五十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期四对于各种药物的抗性突变的发生彼此独立无关抗药性是一种数量性状，有单基因决定的，如链霉素；也有多基因决定的，如青霉素和氯霉素各个抗性突变的发生是独立无关的。巨大芽孢杆菌对异烟肼抗性突变的突变率是5×10-5，对氨基柳酸抗性突变的突变率是1×10-6，兼抗两者的突变体是8×10-10大约是两者的乘积。突变对细胞来讲是随机的，突变对Gene也是随机的。第五十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期四抗药性突变型的稳定性及回复突变稳定性：无药物存在时，抗药性能稳定保持和遗传。以此可以区别抗性是由于基因突变还是生理适应。抗药性突变的回复突变：频率同样很低抗药性突变的突变率可通过某些理化因素的处理而提高自发突变没有接触诱变剂而发生的突变诱发突变接触诱变剂而发生的突变自发突变与诱发突变有没有本质的区别？没有第五十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期四突变不完全是个随机的过程突变热点(hotspotsofmutation）从理论上讲，DNA分子上每一个碱基都可能发生突变，但实际上突变部位并非完全随机分布。DNA分子上的各个部分有着不同的突变频率，即DNA分子某些部位的突变频率大大高于平均数，这些部位就称为突变热点无论是自发还是诱发突变中都有热点存在。第五十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期四突变热点产生的原因5－甲基胞嘧啶（MeC）的存在，MeC脱氨氧化后生成T，引起G－MeC→A-T转换；短的连续重复顺序处容易发生插入或缺失突变；有的与突变剂种类有关，如DNA顺序中某个碱基对突变剂更敏感，有的则相反。相邻碱基对的影响：CAACAG谷氨酰胺↑↑3倍赭石UAA→UAG琥珀↓↓33倍乳石UGAUGG第五十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期四第四节DNA损伤的修复第五十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期四光复活作用切除修复重组修复DNA聚合酶的校读作用错配修复SOS修复适应性修复校正修复已知的修复系统有以下几种：第五十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期四1.光复活修复类似的修复酶广泛存在于动植物中，人体细胞中也有发现UV引起的DNA损伤，由于可见光的照射而得以恢复的现象。细菌DNA光解酶(photolyase)第五十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期四photolyase第五十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期四

修复DNA损伤最为普遍的方式，对多种DNA损伤包括碱基脱落形成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链断裂等都能起修复作用。这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中，也是人体细胞主要的DNA修复机制。主要有两种形式2.切除修复(excisionrepair)第六十页，共八十六页，编辑于2023年，星期四为普遍的无差错的修复机制。有两种形式：核苷酸切除修复（如E.coli中的UvrABC内切核酸酶识别并切除嘧啶二聚体和其他大块损伤，缺口可由DNA聚合酶和连接酶填补）。碱基切除修复。如专一的DNA糖基化酶识别修饰碱基，切除修饰碱基与糖基间的N—糖苷键，留下一个脱嘌呤或脱嘧啶的AP位点，自发碱基丢失也可以产生AP位点。AP内切核酸酶在该位点切开DNA，缺口可由DNA聚合酶和连接酶填补。第六十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期四切除修复第六十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期四核苷酸切除修复AnendonucleasecleavesDNAaprecisenumberofbasesonbothsidesofthelesions(UvrABCendonulceaseremovespyrimidinedimers)Excisedlesion-DNAfragmentisremovedThegapisfilledbyDNApolymeraseIandsealedbyligase第六十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期四（碱基切除修复DNAglycolasescleavesapurinicorpyrimidinesiteDNApolymeraseDNAligaseDNArepaircleavesN-glycosylicbondAPendonuclease3’5’cleavageand&5’3’synthesis第六十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期四修复过程需要多种酶的一系列作用，基本步骤为：①首先由核酸酶识别DNA的损伤位点，在损伤部位的5′侧切开磷酸二酯键。不同的DNA损伤需要不同的特殊核酸内切酶来识别和切割。②由5′→3′核酸外切酶将有损伤的DNA片段切除。③在DNA聚合酶的催化下，以完整的互补链为模板，按5′→3′方向DNA链，填补已切除的空隙。④由DNA连接酶将新合成的DNA片段与原来的DNA断链连接起来。这样完成的修复能使DNA恢复原来的结构。第六十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期四3.重组修复(RecombinationRepair)某些情况下没有互补链可以直接利用，例如在DNA复制进行时发生DNA损伤，此时DNA两条链已经分开，其修复可用重组方式：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另一条母链DNA与有缺口的子链DNA进行重组交换，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聚合酶催化合成一新DNA片段填补母链DNA的缺口，最后由DNA连接酶连接，完成修补。

第六十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期四重组修复图示第六十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期四重组修复不能完全去除损伤，损伤的DNA区段仍然保留在亲代DNA链上，只是重组修复后合成的DNA分子是不带有损伤的，但经多次复制后，损伤就被“冲淡”了，在子代细胞中只有一个细胞是带有损伤DNA的。第六十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期四4DNA聚合酶的校读作用作用：校正DNA复制过程中出现的差错。参与反应的酶：①DNA聚合酶ⅠⅡⅢ

5′→3′聚合酶活性3′→5′外切核酸酶活性5′→3′外切核酸酶活性（DNA聚合酶Ⅰ）②尿嘧啶-N-糖苷酶：切除U第六十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期四（mismatchrepair，MMR）：在含有错配碱基的DNA分子中，使正常核苷酸序列恢复的修复方式如何识别亲代链与子代链？5、错配修复第七十页，共八十六页，编辑于2023年，星期四第七十一页，共八十六页，编辑于2023年，星期四6.SOS修复(SOSRepair)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，修复目的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（error-pronerepair），使细胞有较高的突变率。

第七十二页，共八十六页，编辑于2023年，星期四1.损伤不能被切除修复或重组修复2.损伤诱导产生的一整套的特殊DNA聚合酶──SOS修复酶类。3.SOS修复酶补上去的核苷酸几乎是随机的，仍然终于保持了DNA双链的完整性，使细胞得以生存4.留下错误较多5.需要的修复酶很多SOS修复特点：第七十三页，共八十六页，编辑于2023年，星期四SOS修复图示第七十四页，共八十六页，编辑于2023年，星期四第七十五页，共八十六页，编辑于2023年，星期四RecA——正调控因子LexA——负调控因子、阻遏蛋白调控UvrA、B、C、D、HimA、DinA、DinB的表达RecA的作用：（1）切除LexA阻遏蛋白，使体内多种切除修复酶的合成量增加，提高切除修复效率。（2）提高RecA的重组修复修复机制：1.提高切除修复和重组修复酶的活性2.产生新的修复酶——倾向差错一种新的DNA多聚酶，又称SOS多聚酶第七十六页，共八十六页，编辑于2023年，星期四7.适应性修复烷基转移酶或烷基受体蛋白质：对DNA的烷化作用可以诱导一种具有专一作用的蛋白质的合成，这种蛋白质称为烷基转移酶或烷基受体蛋白质。例如：当细菌长期接触低浓度的强诱变剂亚硝基胍（NG）以后，可产生一种修复蛋白，修复DNA上因甲基化而产生的损伤；适应性修复：将这种在适应期间产生的修复蛋白的修复作用称为适应性修复。第七十七页，共八十六页，编辑于2023年，星期四该蛋白能将O6-烷基鸟嘌呤的烷基转移至酶本身半胱氨酸上的巯基，从而恢复鸟嘌呤的本来结构。最新研究认为有可能存在对不同位置烷化作用有专一性的转移酶或受体。在多种细胞中，包括哺乳动物细胞，都发现“适应性”的反应活性。修复机制第七十八页，共八十六页，编辑于2023年，星期四七、修复与突变的关系过去认为：修复的作用是阻碍突变发生。现在：很多是启动具有高度错误倾向的修复体系造成的。修复系统分为：校正修复和差错修复，其中光复活和适应性修复属于校正修复，其它都属于差错修复。第七十九页，共八十六页，编辑于2023年，星期四习题练习一、填空题1.DNA分子中一种嘧啶被另一种嘌呤取代称为______。2.1944年_____等人证明了转化因子为DNA。3.基因自发突变具有的特性为____、____、____、____、___、____和____。

4．紫外线照射能使DNA相邻碱基形成_____，从而导致DNA复制产生错误，用紫外线诱变微生物后应在_____条件下进行，以防止____现象的产生。

第八十页，共八十六页，编辑于2023年，星期四5.不同碱基变化对遗传信息的改变可分为___、_____、_____和____四种类型，而常用的表型