第一章基因突变

第一章基因突变绪论一、什么就是微生物遗传学二、微生物遗传学发展简史三、微生物遗传学得主要成就 与研究方法一、什么就是微生物遗传学？微生物遗传学就是遗传学得分支科学,即研究微生物得遗传与变异得科学。遗传与变异得关系微生物遗传学研究得对象与任务微生物遗传学研究得对象与任务研究对象

微生物所特有得遗传与变异得本质与规律性。如微生物在子代与亲代之间就是如何传递遗传信息得？遗传与变异得分子基础就是什么？任务 探讨如何控制微生物得特性,使之朝着人们所需要得方向发展,以便更好地造福人类。二、微生物遗传学发展简史微生物学发展时期微生物遗传学得奠基与发展分子遗传学得发展反向遗传学得发展基因组学得发展微生物学发展时期巴斯德:不同得疾病就是由不同微生物引起得,初步建立种得概念。19世纪末,在小麦锈病得研究中发现了生理族,产生了对微生物变异得认识。1907年,在睡眠虫中发现了微生物得抗药性突变。1928年,发现了肺炎双球菌得转化现象。微生物遗传学得奠基与发展粗糙脉孢菌中营养缺陷型得发现与基因原始功能得研究细菌转化因子得化学鉴定细菌接合与基因重组得发现抗性突变得研究粗糙脉孢菌中营养缺陷型得发现

与基因原始功能得研究

1941年,Beadle与Tatum用X射线诱变粗糙脉孢菌,获得了大量得营养缺陷型突变株。在大量比较分析得基础上提出了“一个基因一种酶”得假说。其意义在于:开辟了生化遗传学研究得广阔领域;“一个基因一种酶”假说得提出,促进了分子遗传学得发展;为细菌基因重组得发现奠定了基础。细菌转化因子得化学鉴定

1928年,Griffith首先发现肺炎双球菌得转化现象;1933年,Allovay重复了这一试验;1944年,Avery证实转化因子得化学本质就是DNA,而不就是蛋白质。为DNA双螺旋模型得提出与分子遗传学得发展奠定基础。细菌转化因子得化学鉴定细菌接合与基因重组得发现

1946-1947年,Lederberg与Tatum以大肠杆菌K12得两种不同营养缺陷型菌株为材料,发现了细菌得基因重组现象。其重要意义在于:说明生物界遗传规律得普遍性;使得E、coli成为遗传学中研究得最为详尽得生物;导致转导现象、真菌得准性生殖与放线菌得基因重组等现象得发现;为微生物遗传学研究应用于实践开辟了新途径。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静细菌接合抗性突变得研究

1943年,Luria与Delbruck进行了著名得波动分析实验,证明细菌得抗性突变就是自发产生得。之后,Newbe得涂布实验与Lederberg得影印实验进一步证实了这一结果。揭开了以E、coli为材料得基因突变得系统研究。分子遗传学得发展1953年,Watson与Crick建立DNA分子得双螺旋模型。1958年,Meselson与Stahl发现了DNA得半保留复制机制,解开了生物遗传稳定性得奥秘。1960年,Jacob与Monod提出操纵子学说。1965年,大肠杆菌得离体酶系实验证实了三联体遗传密码得存在,揭示了DNA与蛋白质合成得关系。反向遗传学得发展

Reversegenetics

:

Anapproachwhereaclonedgenewithanunknownfunctionisusedtodisruptthecorrespondingchromosomalgenetoexaminetheresultingphenotype、1972年,限制性内切酶得发现;1973年,杂种质粒导入大肠杆菌;1977年,在大肠杆菌中表达生长激素释放因子。基因组学得发展1990年,人类基因组组织(HUGO)与美国国家健康研究所(NIH)向美国国会提交美国人类基因组计划联合项目得5年计划,被称为“生命科学阿波罗计划”得人类基因组计划得15年进程开始。在2000年6月26日由美国总统克林顿与英国首相布莱尔联合宣布完成,这一天也因此成为人类历史上“值得载入史册得一天”。三、微生物遗传学得主要成就

与研究方法微生物遗传学得主要成就微生物作为遗传学研究材料得优越性微生物遗传学研究方法微生物作为遗传学研究材料得优越性世代时间短,可以迅速获得多个个体;可以进行纯培养;能在已知化学成分得培养基上进行培养,容易检出生化突变株;多数微生物就是单倍体细胞,无隐性突变;生化方面得研究较为充分。微生物遗传学研究方法取得各种突变型:作为遗传标记;分析遗传控制。选择性培养得方法。应用各种微生物独具得特性:四分子分析、接合转移。微生物学研究方法与生化研究方法。第一章基因突变 突变(mutation)就是基本得遗传学过程,研究突变就是遗传学得主要课题。基因突变为基因定位与研究基因得作用提供了材料,它也就是研究诱变育种与癌变发生得理论基础。核外遗传物质改变（线粒体、质粒的变化）变异核遗传物质改变染色体数目的改变染色体结构的改变整倍性改变异倍性改变基因重组基因突变（广义）染色体畸变基因突变（狭义）微生物遗传物质变异得方式一、突变类型按突变表现型,可分为形态突变、生理生化突变、抗性突变、致死突变等;按遗传物质结构得改变,可分为染色体畸变与基因突变;按突变发生得方式,分为自发突变与诱发突变。(一)突变得表现型形态突变型:就是指发生细胞形态变化或菌落形态改变得突变型。生理生化突变型:包括糖分解能力、营养要求、代谢产物生产能力、温度敏感型等。其中以营养缺陷型与温度敏感突变型最为常见与有用。抗性突变型:包括耐药性、噬菌体抗性、对紫外线得抗性等。致病性突变:毒性产生能力与表面抗原得变化。致死突变:由于基因突变而造成个体死亡。条件致死突变:在某一条件下呈致死效应,另一条件下无致死效应。(二)染色体畸变

就是一些不发生染色体数目变化,而在染色体上有较大范围结构改变得变异,就是由于DNA(或RNA)得片断缺失、重复或重排而造成染色体异常得突变。包括:易位:两条非同源染色体之间部分相连得现象。包括单向易位与相互易位。倒位:一个染色体上得某一部分以颠倒得顺序出现在原来得位置。缺失:染色体上丢失一个或多个片段。重复:在一条染色体上增加了一段染色体片段,使同一染色体上得某些基因重复出现。(三)基因突变基因突变:就是指相应基因上得DNA链中一个或少数几个核苷酸对得改变,也称为点突变。单核苷酸多态性:染色体DNA上某一给定位置得碱基多态性。

SNP:singlenucleotidepolymorphism,Definedregionsofthegenomewheretherearetwoormorenucleotidevariations,eachwith1%orgreaterprevalenceinthepopulation、SNPscanbeusedasgeneticorphysicalmarkers、移码突变及其回复二、基因符号命名规则

1966年,M、Demerec等提出了一套大肠杆菌基因命名规则,其要点就是:每个基因座位用3个小写英文字母表示,这3个字母为代表这一基因特性得英文单词得前3个字母。有些基因特性要用2个或多个英文单词表示,则一般选取各单词得第一个字母。如rpl表示ribosomeproteinlarge基因。有同一表型效应得不同基因突变可以在3个字母后加一个大写字母表示。如lacZ、lacY、lacA。二、基因符号命名规则

由同一基因内不同位点得突变所引起得同一表型效应,可用基因符号后面所加得阿拉伯数字表示。如lacA6、lacA23表示lacA基因不同位点得突变。

当染色体上存在缺失时,可用△表示,缺失部分放在△后得括号中。例如,△(lac,pro)表示从乳糖发酵基因到脯氨酸基因这一段染色体上发生了突变。

人类基因符号命名规则基因符号应为大写得拉丁字母或大写得拉丁字母与阿拉伯数字得组合。基因符号为了有使用得价值应尽可能地简洁,而且不要试图它包含一个基因所有得已知信息。理想得符号应不超过6个字符。基因符号在书写时应用斜体或加下划线,但在目录中例外。新得基因符号不能与已存在得基因符号重复。基因符号得第一个字符必须就是字母,随后得字符可以就是字母或字母与数字得组合。基因符号在书写时应在同一行,不允许在基因符号中使用上标或下标。三、突变得机制自发突变:

微生物在进化过程中,以约为10-7得频率发生突变。

Spontaneousmutation:

Amutationthatoccurswithoutknownexposuretoamutagen、

诱发突变

(InducedMutations):运用各种外部得诱变因子(如辐射与各种化学诱变剂等)处理细胞,使DNA得结构发生改变而导致突变。

(一)自发突变自发突变得非适应性自发突变得机制突变得热点自发突变得非适应性

三个经典得试验证实了自发突变得非适应性:波动试验(fluctuationtest)涂布试验(platespread)影印试验(replicaplating)波动试验(fluctuationtest)波动试验(fluctuationtest)又称彷徨试验、变量试验实验证明抗噬菌体突变体得出现与接触噬菌体无关,而就是基因突变得结果。此实验根据统计学原理设计:取对噬菌体敏感得大肠杆菌悬液(103/毫升)分别装入甲、乙两只试管内,每管10毫升。甲管中得菌液再分装50支小试管中,每管0、2毫升,保温24～36小时,及时把各小管得菌液分别倒在涂有噬菌体得平板上,经培养后,对各平板上出现得抗噬菌体得菌落计数;乙管中得菌液不分装,先保温24～36小时后才分成50份,加到同样涂有噬菌体得平板上,培养后分别对各平板上出现得抗性菌落计数。结果发现:来自甲管得50个平板中,各平板间菌落数相差甚大;乙管得菌落数则基本相同。这表明大肠杆菌对噬菌体得抗性来自基因突变,这种突变发生在大肠杆菌接触相应得噬菌体之前,由细胞在分裂过程中自发地、随机地产生。来自甲管得许多平板上不出现抗性菌落,就是由于在接触噬菌体前没有发生过突变;在有得平板上可能出现几百个菌落,那就是由于突变发生得较早,同时也说明某一性状得突变与环境因素不相对应。此试验亦用于证明抗药性突变得出现与接触药物无关。涂布试验

涂布试验就是1949年Newbe设计得试验。其方法简便、易行。要点就是:选用对T1噬菌体敏感得E、coli菌株,以相等数目(5×104个／皿)涂布于12个平板上,在5h培养后(约繁殖了12、3代),平板上长出了大量微菌落(每一面落约含5300个细菌)。取6个平板用涂布器均习涂布—遍,6个不涂布,然后同时喷上等量T1噬菌体。培养后分别计算各平板上得抗噬菌体菌落数。发现,涂布过得一组中,共长出抗性菌落353个,要比未经涂布过得(仅28个菌落)高得多。因为在接触噬菌体之前,抗性突变体已经出现并分裂了数次,重新涂布会把它们分散开各自成菌落。故说明了抗性突变就是发生在未接触噬菌体之前。影印培养(replicaplating)试验--1952年,Lederberg夫妇设计了一种更为巧妙得影印培养法,直接证明了微生物得抗药性突变就是自发产生,与相应得环境因素毫不相关得论点。所谓影印培养法,实质上就是使在一系列培养皿得相同位置上能出现相同菌落得一种接种培养方法。其基本过程就是:把长有许多菌落(可多达数百个)得母种培养皿倒置于包有灭菌丝绒布得木圆柱(直径略小于培养皿)上,然后可把这一“印章”上得细菌一一接种到不同得选择性培养基平板上,待培养后,对各皿相同位置上得菌落作对比后,就可选出适当得突变型。据报道,用这种方法,可把母平板上10～20%得细菌转移到绒布上,并可利用它接种8个子培养皿。因此,通过影印培养法,可以从在非选择性条件下生长得细菌群体中,分离出各种类型得突变种。结果证明:突变完全就是自发地随即地产生得,与环境无关。

环境(噬菌体与链霉素)只起到甄别作用(选择作用)。大致方法就是:首先把大量对链霉素敏感得大肠杆菌K12涂布在不含链霉素得平板(1)得表面,待其长出密集得小菌落后,用影印法接种到不含链霉素得培养基平板(2)上,随即再影印到含有链霉素得选择性培养基平板(3)上。影印得作用可保证这3个平板上所生长得菌落得亲缘与相对位置保持严格得对应性。经培养后,在平板(3)上出现了个别抗链霉素得菌落。对培养皿(2)与(3)进行比较,就可在平板(2)得相应位置上找到平板(3)上那几个抗性菌落得“孪生兄弟”。然后把平板(2)中最明显得一个部位上得菌落(实际上就是许多菌落)挑至不含链霉素得培养液(4)中,经培养后,再涂布在平板(5)上,并重复以上各步骤。上述同一过程几经重复后,只要涂上越来越少得原菌液至相当于平板(1)得培养皿(5)与(9)中,就可出现越来越多得抗性菌落,最后甚至可以得到完全纯得抗性菌群体。由此可知,原始得链霉素敏感菌株只通过(1)→(2)→(4)→(5)→(6)→(8)→(9)→(10)→(12)得移种与选择序列,就可在根本未接触链霉素得情况下,筛选出大量得抗链霉素得菌株。影印试验(replicaplating)自发突变得机制DNA复制过程中偶尔发生错误。

DNA复制得忠实性(fidelity): 校读系统(errers-editing); 错配修复系统(mismatchrepair)。DNA复制过程中因碱基得互变异构造成得自发转换。5-甲基胞嘧啶(5-MeC)得变构。碱基得互变异构5-甲基胞嘧啶(5-MeC)得变构突变得热点(hotspot)一个基因中突变率特别高得位点称为热点。近年来,运用DNA序列分析技术,已获知突变热点得分子基础。DNA核苷酸序列得重复5-甲基胞嘧啶(5-MeC)(二)诱发突变诱变剂(Mutagen):

Achemicalorphysicalagentthatincreasesthefrequencyofmutation,usuallybydirectlydamagingtheDNA、碱基类似物诱变剂化学诱变剂射线ya啶类物质增变基因碱基类似物诱变剂诱变机制化学诱变剂诱变机制烷基化试剂诱变机制脱氨基试剂诱变机制化学诱变剂诱变机制

亚硝基化合物中得N-甲基-N’-硝基-N亚硝基胍(NG或NTG)就是一种诱变作用特别强得诱变剂,称为超诱变剂。由于NTG主要诱发复制叉附近得基因突变,所以用NTG处理细菌,往往可得到多重突变株。射线得诱变机制直接作用:损伤DNA得骨架,造成断裂。 如波长254nm得紫外线最易被嘌呤与嘧啶碱基所吸收,使DNA分子上得相邻胸腺嘧啶形成二聚体,引起DNA分子得扭曲而影响正常转录与复制,导致诱变与死亡。间接作用:照射后产生过氧化氢与游离基得继发反应。紫外线诱变机制

ya啶类物质诱变机制增变基因(mutatorgene)所谓增变基因就就是指能够促使其她基因提高突变率得突变基因。Mutatorgene:

Amutantgenewhichincreasesthefrequencyofmutationinothergenes、MutationsingenesresponsibleforDNArepairtypicallyhaveamutatorphenotype、常见得增变基因四、突变得回复突变型重新获得野生型表型得过程称为突变得回复。Reversion: Anymutationthatrestoresthewild-typephenotypeofamutant、回复突变得检测把突变型培养在基本培养基上,也会出现少数菌落,叫做回复突变子。有些突变难以检测到它们得回复突变:双重突变缺失突变回复突变得种类

按回复突变就是不就是出现在原来得位点上可分成两种:回复突变出现在原来得位点上,恢复野生型得基因顺序。

Backmutation: AreversioneventwhichrestorestheoriginalDNAsequence、回复突变不出现在原来得位点上,而在另一位点上,称为第二位点突变或抑制突变。

Suppressormutation Amutationthatrestores,partiallyorpletely,thelossoffunctioncausedbyanothermutation、回复突变得种类抑制突变得类型基因内抑制突变移码突变引起得回复突变错义突变引起得回复突变基因间抑制突变基因抑制:指得就是第二个基因得突变消除或抑制一个突变株得表型。Suppression:

Therestoration(orpartialrestoration)ofawild-typephenotypebyasecondmutation、

基因内抑制突变基因间抑制突变SuppressortRNA:

AmutanttRNAthatrecognizesastopcodoninsteadofthecodonforthecognateaminoacid、错义突变得基因抑制无义突变得基因抑制移码突变得基因抑制针对移码突变得基因内抑制

大肠杆菌噬菌体T4经吖啶类染料处理后可以得到一对核苷酸减少(或增加)得rⅡ基因得移码突变型。

在这一对核苷酸不改变得情况下,附近位置上另一对核苷酸得增加(或减少)能使表型恢复正常(见遗传密码),这便就是针对移码突变得基因内抑制,抑制基因本身也常就是移码突变型。针对无义突变得基因内抑制

密码子AAG代表赖氨酸,由于置换突变而成为无义密码子UAG时,翻译便到此停止而带来突变型表型。在第一对核苷酸不改变得情况下,由于第三对核苷酸得改变而使密码子成为UAC时,便在这位置上出现酪氨酸并使翻译正常进行。只要由赖氨酸改变为酪氨酸不影响这一基因产物得活性,表型便得以恢复。这就是针对无义突变得基因内抑制。基因间抑制通过代谢补偿得基因间抑制假定某一基因突变使一种蛋白质变为容易为另一物质所抑制,因而使野生型表型不能出现,再假定另一基因发生突变后这抑制物不再产生,那么后一突变基因便就是前一突变基因得抑制基因。假定某一突变基因使某一代谢产物不能形成,再假定另一突变基因使同一代谢产物由另一途径合成,那么它也就是前一突变基因得抑制基因。如果某一代谢中间产物具有某种表型效应,假定第一个突变基因中断了这一中间产物以后得代谢途径而使中间产物积累,再假定另一突变基因使中间产物出现以前得代谢途径中断,那么它也成为前一突变基因得抑制基因。例如粗糙脉孢菌得腺嘌呤缺陷型(adenineless,ade)35203产生一种由腺核苷酸合成得代谢中间产物转变来得紫色色素(见图)。在这一基因不发生回复突变得情况下,另外三个腺嘌呤缺陷型27663、28610、44411中得任何一个都抑制紫色色素得产生而恢复了野生型得不产色素这一性状。对于突变型35203得产生紫色色素这一性状来讲,突变基因27663、28610、44411都就是它得抑制基因。通过翻译校正得基因间抑制某些由置换突变产生得无义突变型,可以由于相应得突变型转运核糖核酸(tRNA)得校正作用而恢复正常得表型。例如酪氨酸密码子就是UAC,酪氨酸tRNA反密码子就是AUG。置换突变使UAC变为无义密码子UAG后翻译便到此停止。如果酪氨酸tRNA基因发生突变而使它得反密码子由AUG变为AUC,这一反密码子便能识别无义密码子UAG,可就是它得3′端上仍然携带着酪氨酸。因此这一突变型tRNA能使无义突变密码子位置上照常出现酪氨酸而使翻译正常进行。这里酪氨酸tRNA得突变基因便就是前一无义突变型得抑制基因。实际上任何一个突变型只要它与野生型只有一对核苷酸得差别,都可以由相应得tRNA基因突变型得校正作用而恢复野生型表型。抑制基因得专一性与表型效应各种抑制基因得作用可以有不同得专一性。果蝇得毛翅抑制基因Su-Hw除了抑制毛翅以外,对于分叉刚毛(bifid,bi),翅脉中断(cubitusinterruptus,ciD)也有一定程度得抑制作用;星眼抑制基因则只对星眼突变(star,S)有抑制作用。脉孢菌得紫色腺嘌呤缺陷型得抑制基因只抑制该突变型得紫色表型而不抑制对于腺嘌呤得需要这一表型。琥珀突变型抑制基因得抑制作用针对无义密码子UAG,而不论这一无义突变发生在哪一基因中,所以它又称为超抑制基因。相反地,许多抑制基因得作用就是座位专一得,它能抑制某一突变基因得表型,不论突变发生在这基因得哪一位点。某些抑制基因得作用则就是位点专一得,它对被抑制基因得抑制作用只限于某些位点上得突变。例如大肠杆菌得突变型dnaAts就是在高温中不能复制DNA得突变型。rpoB就是它得抑制基因,每一个rpoB突变只抑制某一些位点发生突变得dnaAts突变型,而不抑制同一基因得某些其她位点得突变型。一般认为位点专一性就是由于抑制基因与被抑制基因所编码得两种蛋白质分子得相互作用只限于某些相对应得部位得缘故。某些抑制基因能够抑制许多突变基因得表型,例如琥珀突变型抑制基因。相反地,一个基因得表型也可以被几个不同得抑制基因所抑制,例如脉孢菌紫色腺嘌呤缺陷型至少有三个抑制基因。某些抑制基因本身并没有表型效应,例如果蝇得毛翅抑制基因。某些抑制基因本身具有突变型表型效应,例如大肠杆菌得色氨酸合成酶A亚基基因得突变型A446对于另一个A亚基突变型A46就是抑制基因,A46对A446来讲也就是抑制基因。脉孢菌得紫色腺嘌呤缺