遗传育种学课件：基因突变与重组

基因突变与重组生物变异的来源基因重组（gene

recombination）：包括通过父母本杂交而产生染色体重新组合以及减数分裂时的染色体重组，这种变异服从于一般遗传规律；突变（mutation）：由于遗传物质的改变而导致的变异，突变可分为2大类：细胞学水平上可看到的变异，包括染色体数目和结构的改变，称为染色体变异；细胞学水平上看不到的基因突变（gene

mutation）或称点突变（pointmutation）。Chapter

9 基因突变与重组第一节

基因突变概述一、基因突变的类型1.

转换（transition）DNA分子中的嘌呤为另一种嘌呤或嘧啶为另一种嘧啶所取代而引起的突变2.

颠换（transversion）DNA分子中的嘌呤被嘧啶取代或嘧啶被嘌呤取代所引起的突变。一、基因突变的类型3.

移码突变（frameshift

mutation）DNA分子中插入或缺失一个或少数几个核苷酸，使整个阅读框改变而引起的突变。二、基因突变的分子效应1.

错义突变（missense

mutation）由于突变而导致一个氨基酸的密码子被另一个氨基酸的密码子所取代，大多数的突变属于此类；2.同义突变（synonymous

mutation

or

silent

mutation）基因发生突变，但仍编码同一种氨基酸，这是因为密码子有简并性；3.无义突变（nonsense

mutation）由于突变而使其某一编码子突变为终止密码子（UGA，UAG，UGG）;4.

延长突变（elongation

mutation）这是一类刚好与无义突变相反的突变，是由于终止密码子突变为编码子，使肽链延长。三、基因突变的一般特征1. 突变的稀有性：自发突变的突变率一般很低。如果在人工诱变条件下，突变率会大幅升高，有时可达几千倍。自发突变（spontaneous

mutation）：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或生化变化而诱发的突变；诱发突变（induced

mutation）：由人工特设诱发因素而引起的突变；突变率（mutation

rate）：在一个世代中或其他规定的单位时间内，一个细胞发生某一突变事件的概率。三、基因突变的一般特征三、基因突变的一般特征2. 突变的随机性：具有时间、个体、细胞和基因上的随机性。在生物个体发育的任何时期，在体细胞或性细胞中都可发生，但性细胞发生频率要比体细胞高些。体细胞突变（somatic

mutations）配子突变（germinal

mutations）三、基因突变的一般特征突变的多方向性：基因的突变可以向多个方向进行，一个基因A可以突变为a1、a2、a3……an等而构成所谓的复等位基因（multiple

alleles）。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。重演性：同种生物的同一基因突变为相同的表型，可以在不同个体间重复出现。例如果蝇的白眼突变就曾发生过几次。独立性：一个基因突变不影响其等位基因和其他基因发生突变。平行性：具有类似遗传基础和性状的不同物种可发生同类型基因突变型，

如作物抗倒伏性。三、基因突变的一般特征7. 突变的可逆性：由野生型变为突变型，称为正向突变（forward

mutation）；反之有突变型也可变回成野生型，称为逆向突变（reverse

mutation）。回复突变（back

mutation）：对原来突变的严格逆转；抑制（基因）突变（suppressormutation）：另一次突变可能发生在基因的其他位置，正好补偿了第一次突变的效应使其恢复到野生型的表型。Chapter

9 基因突变与重组第二节

诱发突变一、常用诱变剂及其诱变机理1. 物理诱变因素及其诱变机理射线（radiation）电离射线（ionizing

radiation）：X射线、γ射线、宇宙射线非电离射线（nonionizing

radiation）：紫外线一、常用诱变剂及其诱变机理1. 物理诱变因素及其诱变机理射线通过2个途径对遗传物质发生作用直接作用：射线直接作用于遗传物质，如电离射线和紫外线都可引起DNA骨架断裂，从而造成染色体畸变。UV可使DNA分子上相邻的嘧啶成为二聚体，最常见的是胸腺嘧啶二聚体（T＝T）。一、常用诱变剂及其诱变机理1. 物理诱变因素及其诱变机理射线通过2个途径对遗传物质发生作用间接作用：辐射首先作用于遗传物质外的其它物质，使之发生变化，这些变化了的物质再作用于遗传物质从而引起系列遗传学效应。例：X射线使细胞中的H2O产生H2O2和游离基团H2O

+O2 OH

+

HO2 H2O2所形成的H2O2

、OH

和HO2以及它们产生的其它连锁反应才是真正的诱变剂，作用于染色体引起突变。一、常用诱变剂及其诱变机理2. 化学诱变剂及其作用机制烷化剂（Alkylating

agents）乙基甲磺酸（ethyl

methane

sulfonate，EMS）、亚硝基胍（nitrosoguanidine，NG）等。作用机制有一个或几个不稳定的烷基，可与核酸中的碱基起化学反应，置换其中某些基团的氢原子，从而改变碱基的化学结构，使DNA分子复制时出现碱基错配，导致基因突变。一、常用诱变剂及其诱变机理2. 化学诱变剂及其作用机制烷化剂作用机制通常，在EMS的作用下，烷基加到鸟嘌呤G的第6位氧原子上，导致与胸腺嘧啶T错配，下一轮DNA复制时，会产生CG－TA的突变。一、常用诱变剂及其诱变机理2. 化学诱变剂及其作用机制亚硝酸（HNO2）主要作用是氧化脱氨，A变为次黄嘌呤（H）；C经氧化脱氨后变为U；G变为黄嘌呤（X）。一、常用诱变剂及其诱变机理2. 化学诱变剂及其作用机制碱基类似物5-溴尿嘧啶（5-BU）、2-氨基嘌呤作用机制溴尿嘧啶有不同的构型：以酮式存在时可与A配对，以烯醇式存在时可与G配对。一、常用诱变剂及其诱变机理2. 化学诱变剂及其作用机制碱基类似物作用机制与DNA分子中碱基结构十分相似的化学物质。当DNA复制时，这些类似物可以以假乱真掺入到DNA分子中而引起误配，引发基因突变。一、常用诱变剂及其诱变机理2. 化学诱变剂及其作用机制吖啶类染料可以插入DNA分子结构中，诱发移码突变，使DNA分子增加或缺失几对核苷酸，在复制或转录时出现错配，导致突变。羟基化剂羟胺（NH2OH），这一诱变剂几乎只和Ｃ发生反应，而不与其它三种碱基发生反应。所以它只能引起G/C——A/T的转换。二、诱变剂的检测Ames’试验法（The

Ames

Test）:利用是否能引起鼠伤寒沙门氏菌组氨酸缺陷型（hisˉ）菌株的回复突变来判断化学物质是否诱变剂和致癌剂，组氨酸缺陷型在基本培养基不能生长，如发生回复突变则能生长。不同的菌株可以检测不同的突变类型的诱变剂。例如：TA1535(rfa

ΔuvrB

hisG46):

碱基置换TA1536(rfa

Δ

uvrB

hisC207):

移码突变，GC对缺失TA1537(rfa

ΔuvrB

hisC3076):

移码，GC对增加二、诱变剂的检测Ames’试验法（The

Ames

Test）:Chapter

9 基因突变与重组第三节

DNA损伤的修复第三节

DNA损伤的修复光复活作用（photo

reactivation）经UV照射后的细菌等细胞暴露在可见光下时，存活数明显大于黑暗培养。细胞中含有一种酶（光复合酶，DNA

photolyase），可与经UV照射过的DNA在黑暗中结合，但需经可见光激活，可将嘧啶二聚体分开，同时酶脱离DNA;光复活过程已在细菌、酵母、原生动物、哺乳动物乃至人类细胞中发现。第三节

DNA损伤的修复光复活作用（photo

reactivation）第三节

DNA损伤的修复切除修复（excision

repair）修复DNA的损伤并不需要光的激活作用，而是在DNA内切酶、DNA聚合酶、DNA外切酶和DNA连接酶等共同作用下，将DNA分子受损伤的部分切除，并以完整的一条链为模板，合成切除的部分使DNA恢复正常结构的过程。切除修复存在2种主要的类型：base

excision

repair

systems：去除DNA异常或化学修饰的碱基；nucleotide

excision

repair

pathways：修复大的缺陷如胸腺嘧啶二聚体。第三节

DNA损伤的修复baseexcisionrepair

systems第三节

DNA损伤的修复nucleotideexcisionrepair

pathways第三节

DNA损伤的修复重组修复（recombination

repair）在DNA复制情况下进行，又称复制后修复；带有二聚体的DNA单链仍为模板进行复制，但子代DNA链中与二聚体对应部位出现空隙；有缺口子代DNA链与另1完整母链进行重组，空隙由母链片段弥补而将空隙转移给母链；重组后，空缺已不再对着二聚体部位，而是面对另一正常单链，在DNA多聚酶和连接酶作用下完成修复过程。第三节

DNA损伤的修复重组修复（recombination

repair）第三节

DNA损伤的修复错配修复（mismatch

repair）第三节

DNA损伤的修复错配修复（mismatch

repair）第三节

DNA损伤的修复SOS修复系统（SOS

repair）也称差错倾向修复（error

prone

repair）；DNA受到严重损伤时，细胞处于危急状态或DNA2条链损伤临近时，损伤不能被切除修复或重组修复，诱导SOS修复；随机补充核苷酸，保持了DNA双链的完整性，但给细胞带来很高的突变率，是一种带来差错的修复。第三节

DNA损伤的修复DNA损伤修复的缺陷着色性干皮病

xeroderma

pigmentosumChapter

9 基因突变与重组第四节

DNA

重组的分子机制第四节

DNA

重组的分子机制同源重组（homologous

recombination）发生在减数分裂时期的同源染色体的非姊妹染色单体之间，染色体或DNA分子之间相互交换同源片段。关于真核生物同源重组的分子解释大多衍生于1964年Robin

Holliday提出的模型，我们称为Holliday模型。，Holliday模型异源双链DNA联会；2染色单体双链DNA中各1单链为核酸内切酶切断；单链交换，形成重组连接点；连接，形成异源双链；分支迁移；接合分子分开呈十字型结构；两臂旋转，形成Holliday中间体；上下2单链由限制性内切酶切断；DNA连接，中间包含杂合双链的2染色单体两旁基因(A和B，a和b之间)发生重组.Holliday模型双链断裂模型（double

strand

break

model）核酸内切酶在一条染色单体的双链DNA分子切开一个双链切口；切口在核酸外