第四章++遗传信息的改变1.ppt

1、第四章 遗传信息的改变,遗传信息的改变可发生在染色体水平上，称之为染色体畸变，包括染色体结构变异和染色体数目变异。 遗传信息的改变也可发生在DNA水平上，包括基因突变和遗传重组。,遗传信息 的改变,染色体水平,DNA水平,染色体结构变异,染色体数目变异,基因突变,遗传重组,第一节 染色体畸变,一、染色体结构变异,1、染色体结构变异的类型 缺失、重复、倒位、易位 2、染色体结构变异的原因,缺失、重复、倒位：一对同源染色体中一条或两条染色体发生一次或多次断裂后，其断裂面以不同形式黏合的结果。 易位：两对同源染色体中各有一条染色体断裂后，进行单向黏合或双向黏合的结果。,（一）缺失(deletion)

2、,1、缺失的类型,缺失一个正常染色体上某区段的丢失。,2、缺失的产生,末端缺失：染色体末端断裂丢失末端。 染色体纽结：染色体发生纽结时，若在纽结处产生断裂和非重建愈合，这就可能形成中间缺失。,染色体纽结产生的中间缺失,不等交换：一对同源染色体之间发生不等交换，产生缺失和重复。 转座因子：引起染色体产生缺失和倒位(见后面)。,不等交换产生的缺失,3、缺失的遗传与表型效应,缺失小片段的影响小； 关系到生命代谢的缺失影响大； 缺失纯合体比缺失杂合体影响大。,(1) 致死或出现异常,人类5号染色体短臂部分丢失患者临床上最独特的表现为婴儿期哭声如“猫叫”故被称为“猫叫综合征” ； 1963年由法国科学家

3、Jerome Lejeune首先报道。,(2) 假显性或拟显性,拟显性的出现,显性基因缺失使同源染色体上的隐性基因得以表现。,（二）重复(duplication),1、重复的类型,(1) 顺接重复(tandem duplication) 染色体某区段按照自己染色体的正常直线顺序重复； ab. cdefab.cdcdef,(2) 反接重复 (reverse duplication) 染色体某区段在重复时颠倒了自己在染色体上的正常直线顺序； ab. cdefab.cdeedf,重复一个正常染色体增加了与本身相同的一段。,(3) 同臂重复 重复的片段在同一条染色体臂上； ab. cdefab.cdc

4、def,(4) 异臂重复 重复的片段在一条染色体不同臂上,2、重复的产生,不等交换产生的重复,断裂融合桥的形成 染色体纽结 不等交换,3、重复的遗传与表型效应,破坏正常的连锁群，改变连锁关系和交换率； 位置效应：一个基因与相邻基因位置关系改变所造成的表型改变称为位置效应；,产生剂量效应：因基因数目不同造成的表型差异； 表型异常：重复的基因产物很重要，会引起表型异常。,果蝇X染色体上16A区段重复,780,358,69,45,25,正常眼,棒眼,纯合棒眼,重棒眼,纯合重棒眼,(三) 倒位(inversion),倒位一个染色体某区段的正常排列顺序发生了180颠倒。,1、倒位的类型,臂内倒位颠倒的区

5、段不含着丝粒。 臂间倒位颠倒的区段包含着丝粒。,2、倒位的产生,染色体纽结、断裂和重接 转座引起的倒位,染色体纽结产生的倒位,3、倒位的效应,对生物物种进化的影响：倒位纯合体与原物种形成生殖隔离，促进物种进化,引起基因重排：改变连锁关系，改变遗传密码，导致表型变化 产生倒位圈：减数分裂中同源染色体配对时，倒位染色体形成倒位环 对生活力的影响：倒位纯合体一般正常，倒位杂合体常表现不育,4、倒位的应用,用倒位的交换抑制效应，可以保存带有致死基因的品系。 如 果蝇：展翅(D，隐性致死基因)正常翅（+） 粘胶眼（Gl，隐性致死基因）正常眼（+）,（四）易位(translocation),1、易位的类型

6、,(1) 相互易位(reciprocal translocation) 非同源染色体间相互置换了一段染色体片段。,易位两对非同源染色体间某区段的转移。,夜来香的变异,（2）单向易位：染色体的某区段结合到非同源染色体上。,（3）罗伯逊易位：两个非同源的端着丝粒染色体的着丝粒融合，形成一条大的中或亚中着丝粒的染色体。,Interstitial translocation,Reciprocal translocation,2、易位的产生,断裂后非重建性愈合,转座引起的易位,3易位的效应,改变正常的连锁群 产生位置效应：基因改变位置 基因重排导致癌基因活化，产生肿瘤。,假连锁现象：易位纯合体一般正常，

7、易位杂合体常表现不育。 降低繁殖机能和生产性能。,先天愚型患者,染色体组：每一种同源染色体之一构成的一套染色体，称为一个染色体组。 一个染色体组带有一套基因，故又称基因组。 染色体数目变异的类型：整倍体、非整倍体、嵌合体。,二、染色体数目的变异,整倍体是指含有完整染色体组的细胞或生物。（整倍体是指含有一个或若干个染色体组的细胞或生物） 整倍体变异是指染色体组增加或减少的变异。（整倍体变异是指以染色体组为变化单位的变异）,（一）整倍体的变异,1、整倍体的命名视其体细胞内含有几个染色体组,含有一个染色体组一倍体 含有两个染色体组二倍体 含有三个染色体组三倍体 余此类推。,请判断下列细胞中各有多少个

8、染色体组？,2个,3个,4个,1. Aa 2. AaBb 3. Aaa 4. AAaBBb 5. AB,2个,2个,3个,3个,1个,一倍体：含有一个染色体组的细胞或生物(x)。 单倍体：含有配子染色体的生物(n)。,2、一倍体和单倍体,练习：,1、一倍体一定是单倍体吗？单倍体一定是一倍体吗？,一定,不一定,2、二倍体物种所形成的单倍体中，其体细胞中只含有一个染色体组？,答：对，因减数分裂形成配子时，同源染色体分开，导致染色体数目减半。,3、如果是四倍体、六倍体物种形成的单倍体，其体细胞中就含有两个或三个染色体组，我们可以称之为二倍体或三倍体吗？,答：不可以，因是正常体细胞的配子形成的物种，只

9、能称单倍体。,4、单倍体中可以只有一个染色体组，但也可以有多个染色体组，对吗？,答：对，如果本物种是二倍体，则其配子所形成的单倍体中含有一个染色体组；如果本物种是四倍体、六倍体等多倍体，则其配子所形成的单倍体含有两个或两个以上的染色体组。,一倍体(ABCD) 二倍体.(ABCD) (ABCD) 三倍体(ABCD) (ABCD) (ABCD) 同源四倍体(ABCD) (ABCD) (ABCD) (ABCD) 异源四倍体(ABCD) (ABCD) (ABCD)(ABCD),3、整倍体的染色体组成以 (ABCD) 为一个染色体组,(二) 非整倍体变异,非整倍体是指含有不完整染色体组的生物。,1、非整

10、倍体的类型,单体：二倍体染色体组丢失一条染色体的生物(2n1) 。如 人的45，XO 牛的59，先天性卵巢发育不全。 多体：多了一条染色体或多条染色体的生物，包含三体(2n1)、四体(2n2)、双三体(2n11)等。 。,缺体：丢失一对同源染色体的生物(2n2) 。 如小麦单体(2n1)自交可得缺体，一般生长势弱，半数以上不育。 可育的缺体一般都各具特征，据此可进行基因定位。,非整倍体变异的染色体组成：以 (ABCD) 为一个染色体组。,单体 (ABCD) (ABC) 缺体 (ABC) (ABC) 三体 (ABCD) (ABCD) (A) 四体 (ABCD) (ABCD) (AA) 双三体 (

11、ABCD) (ABCD) (AB),21三体综合征（又称先天愚型或唐氏综合征） 患者的智力低下，身体发育缓慢, 患儿常表现出特殊的面容。,染色体异常为18三体。表型特征有智力低下、小头、前额窄、枕部突、小颌且张口范围小，腭弓高窄、低位耳、肾畸形、肌张力增高及手紧握等。,18-三体，即Edward综合征,嵌合体：指含有两种以上染色体数目或类型细胞的个体，如2n/2n-1、XX/XY、XO/XYY等。 果蝇的雌雄嵌合体。此合子是w+m+/wm，当第一次卵裂时一个细胞丢失了带有w+m+基因的X染色体，发育成两性嵌合体。身体的一半为雄性(左)，白眼，其基因型为O/ wm；另一半为雌性(红眼)，其基因型

12、为w+m+。,（三）嵌合体,染色体分裂，细胞不分裂，染色体成套增加，产生多倍体。 染色体发生不正常分裂，姐妹染色体不分离，形成不正常配子。,（四）染色体数目变异的产生,多倍体育种：鱼、虾、贝等海洋生物已才用此方法育种。,(五) 染色体数目变异在育种上的应用,滴加秋水仙素,单倍体育种：直接选择配子的方法。,第二节 基因突变,基因突变：基因水平上遗传物质可检测、能遗传的改变，不包括遗传重组。 引起的原因 (1) 放射线(、射线) (2) 紫外线 (3) 化学物质：化学诱变剂,一、基因突变的类型, 自发突变自然条件下自发发生的突变 诱发突变人为采用理化方法处理发生的突变 显性突变隐性基因a变为显性基

13、因 A 隐性突变显性基因A变为隐性基因 a,正向突变野生型变为突变型 回复突变突变型 变为野生型 ,二、突变发生的时期与频率,1、任何生长发育阶段都可能发生： 性细胞突变突变发生在性细胞，经受精卵传至后代，并在后代的体细胞和性细胞中存在，又称为种系突变(germ-line mutation)。 体细胞突变植物的体细胞突变可经压条、嫁接传至后代；动物的体细胞突变不能通过有性生殖传至后代，但可采用克隆技术保存和繁殖。,2、发生的频率突变率，指一定时间内突变发生的次数，即突变个体占观察总数的百分率(表4-2)。,三、基因突变的一般特征,1、重演性：同种生物的某一突变在不同个体、不同时间、不同地点的重

14、复出现。 2、可逆性：正向突变一般大于回复突变。 3、多向性：某一基因突变为不同的等位基因。,如A突变为a1、a2、a3 复等位基因在群体的不同个体中，位于同一座位的多个基因。,4、平行性：亲缘相近物种基因突变的相似性，人、马、牛 的白化基因；马、牛、猪的矮化基因。 5、有利性和有害性 有利性创造新基因，增加多样性，提供育 种素材，促进生物进化。 有害性破坏有机体的相对平衡和协调统一，生活力下降，甚至死亡。,四、突变发生的分子机制,1突变方式,(1) 碱基替代(碱基置换)DNA分子中一个碱基被另一个碱基所替代 转换一个嘌呤被另一个嘌呤所替代，或一个嘧啶被另一个嘧啶所替代。 颠换一个嘌呤被一个嘧

15、啶所替代，或一个嘧啶被另一个嘌呤所替代。,转换 ATA ATG CCC CCT 颠换 ATA ATC CCT CCA,(2) 移码突变DNA序列中碱基增加或减少，使这一位置后的编码发生位移（密码子改变）的现象。,移码 原序列.AAU GCG CAU UAC 插入AAAA UGC GCA UUA C 丢失UAAG CGC AUU AC,2、遗传效应,(1)碱基替代的遗传效应 错义突变碱基替代后产生的密码子与原密码子编码不同氨基酸(UUU UCU，苯丙氨酸丝氨酸)。 无义突变碱基替代后产生无义密码子(UAA， UAG，UGA） 同义突变碱基替代后产生的密码子与原密码子编码同一氨基酸(CUU CUC

16、 亮氨酸，AAAAGA 精氨酸)。,(2) 移码的遗传效应 插入或丢失碱基的位置以后的DNA序列上的密码子都发生改变。,五、突变产生的原因,(一) 自发突变,1、DNA复制错误,(1)碱基错配,复制中互变结构移位造成的突变,(2) 碱基增减,碱基错误跳格产生突变,2、自发的化学变化,(1) 脱嘌呤作用 (2) 脱氨基作用 (3) 氧化作用,3、转座成分的致变作用,转座成分：DNA 基因组中能够进行复制并将一个拷贝插入新位点的DNA序列单元。,4、增变基因的致变作用,增变基因：在生物体内有些基因与整个基因组的突变率直接相关，当这些基因突变时，整个基因组的突变率明显上升。 如DNA聚合酶的各基因的

17、突变会影响正常基因的复制，从而引起突变。,(二) 诱发突变,常用诱变剂：放射线和化学物质,1、化学诱发突变,(1) 碱基类似物的诱变作用,5溴尿嘧啶(5BU) 氨基嘌呤(2AP),5溴尿嘧啶的诱变作用,2AP的诱变机制,(2) 改变化学结构的诱变剂,亚硝酸：脱氨作用，A-H，C-U。 烷化剂：DNA分子中的碱基烷基化，导致配对错误，产生碱基替代现象。,羟胺(HA)：还原剂，专一性的与胞嘧啶作用，使其C6位置上的氨基羟化，成为T的结合特性，G-C变为A-T对,丫啶类物质（原黄素、丫啶黄、亚黄素）,(3) 结合到DNA分子上的诱变剂,2、高能射线或紫外线的诱变作用,放射线包括非离子射线和离子射线

18、非离子射线紫外线(UV) 造成 DNA结构改变，主要是胸腺嘧啶二聚体(TT)的形成，严重影响复制和转录。此外，还有DNA链断裂、DNA分子内或分子外交联等。,离子射线X射线、射线和宇宙射线，具有很高的能量，可诱导基因突变和引起染色体断裂。,六、诱变在育种中的应用,微生物诱变育成多种抗生素菌种 植物育成水稻、大麦、小麦、玉米、高粱等新品种 动物应用很有限，如家蚕的ZW,在家蚕中应用电离辐射，育成ZW易位平衡致死系用于制种，提供全雄蚕的杂交种，提高蚕丝的产量与质量； 使野生水貂的棕色皮毛变为天蓝色、灰褐色、纯白色等。,第三节 突变的抑制与DNA的修复,一、突变的抑制,（一）密码子的兼并性,64个密

19、码子中，3个是终止密码子，61个是编码20种氨基酸的密码子，除色氨酸和甲硫氨酸只有一个密码子外，其余18种氨基酸有26个密码子。 一个氨基酸有多个密码子的现象称为密码子的兼并性。,(二)基因内突变的抑制(双移码突变),基因内DNA序列的某处发生插入或丢失碱基会因密码子误读而产生突变，若在其附近又发生丢失或插入，有可能使其后面的密码子恢复正常阅读。 ATC CCG CCC GGG ACG ATC CGC CCG GGA CG ATC XCG CCC GGG ACG,(三) 基因间突变的抑制,1、无义突变和错义突变：结构基因发生碱基替代会造成无义突变和错义突变，若相应密码子的tRNA基因也发生突变

20、， tRNA反密码子也发生变异，就会带有相同氨基酸合成完整的多肽，使突变得到抑制。,2、移码突变的抑制：可由tRNA分子结构的改变而被抑制。,二、DNA 的修复,(一) DNA 的复制修复,1、聚合酶修复(3-5外切酶活性),2、错配修复系统(错配修正酶、Poly、连接酶）,3、尿嘧啶糖基酶修复系统,(二) DNA损伤的修复,1、光修复 在光复活酶作用下，利用光能使损伤的DNA 重新复原。,紫外线损伤的修复：产生胸腺嘧啶二聚体(TT),2、暗修复(切除修复),在外切酶、内切酶、聚合酶、连接酶等作用下切除损伤部分并合成相应片段，使DNA 重新复原。,3、重组修复：通过DNA分子核苷酸链之间的重组

21、来修复损伤。 4、二聚体糖基酶修复系统（同尿嘧啶糖基酶修复系统）,5、SOS修复,DNA分子受到严重创伤时进行的急救性修复，也叫差错倾向修复(error prone repair)。,第四节重组与转座,一、DNA重组的概念,生物变异的来源：一是突变，二是重组。 重组：染色体序列发生重排。 重组是维持遗传多样性和生物进化的物质基础。,二、重组的类型,(一) 同源重组,同源重组：也称交换，是指减数分裂过程中染色体间遗传物质的交换，即在两个双螺旋DNA分子间的相互作用。,1、同源重组模型 Holliday模型,(1) 产生切口 (2) 双链侵入 (3) 交叉连接 (4) 分支迁移 (5) 异构化作用

22、 (6)(8)Holliday结构的拆分与拆分的结果,2、大肠杆菌的重组过程,不依赖于DNA顺序的同源性，而依赖于能与某些酶相结合的特异DNA序列，这些酶能催化DNA链的断裂和重接，引发位点专一性重组。（ 噬菌体与细菌DNA之间的重组）,(二) 位点专一性重组,1、重组特点,溶菌状态：噬菌体在宿主细菌中独立存在。 溶源状态： 噬菌体通过重组作用整合进宿主细菌染色体的特异位点。,整合 溶菌状态 溶源状态 切除,整合和切除发生在细菌DNA和噬菌体DNA的专一性附着位点。 DNA专一性重组具有以下两个特点：,1）交换是可逆的 2）噬菌体和细菌的DNA之间有一段很短的同源序列，重组交换必须通过特定的核

23、苷酸完成,2、重组的机制,(1) 噬菌体的整合 (2) 整合反应 (3) 切除过程,整合识别位点： attP(POP) ，attB(BOB) 切除识别位点：attL(BOP)，attR(POB),在attB和attP共同核心序列上进行交叉切割，使重组体末端连接，产生重组体。,转座子或跳跃基因(transposon or jumping gene): 即能够反复插入到基因中许多位点的特殊DNA片段，它们可从一个位点转移到另一个位点，从一个复制子到另一个复制子。 最早由美国遗传学家Barbara McClintock于20世纪40年代发现。,(三) 转座重组,1、转座子的类型和结构特征,（1）两种

24、类型： A 简单转座子(simple transposon)或插入序列 ( insertion sequence IS) B 复合转座子(composite transposon),（2） 特征： a）两端有2040bp的反向重复序列(IR) b）具有编码转座酶(transposase)的基因 c）复合转座子除转座酶基因外还有1至数个基因。 d）转座酶催化转座子插入新位点。, 最简单，是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组分，是一个自主的单位，每种IS均编码自身转座所需的蛋白质。,(1) 插入序列,每种IS元件具有不同序列，但有共同的组织形式,(2) 复合转座子, 表示法：通常以Tn和后面加上

25、数码表示，如Tn903。 结构特点: a. 转座子转座是很精确的，除有转座酶基因外还有其它表型基因，如抗药基因，使宿主具表性效应。 b. 在插入部位处有靶序列的精确重复，两端各有一个拷贝。 c. 和 IS 一样可以从一个位点转座到另一个位点，但有倾向性。,1）复制型转座作用,转座子作为可移动的元件被复制，一个拷贝保留在供体原来的部位不变；另一个拷贝则插入到受体的位点上，结果供体和受体都有一个转座子的拷贝。,3、转座作用机制,需两种酶：转座酶(transposase)：作用于靶位点和原来转座子两端；解离酶(resolvase)：作用于复制后的拷贝。,过程,a) 共合体形成：切口连接复制 b) 拆

26、分,靶位点的DR形成,2） 非复制型转座(nonreplicative transposition),转座子从供体一个位点转移到受体新位点处，供体位点留下缺口，受到损伤(严重时致死)或宿主修复系统识别修复。 只需转座酶,另一种非复制型。与整合机制相似其转座酶与整合酶家族有关。,3） 保守型复制（conservative transpositionJ),4、转座子的调控机制,一般情况下，转座频率极低，Tn10自发转座频率仅为107。 Tn10为复合转座子，IS10R为活性组件(右臂)，IS10L组件(左臂)为功能缺陷。 Pin和Pout转录方向相反，存在36pb的重复。,a） 通过反义RNA的翻译水平控制, IS10R外侧边缘两个启动子。, PIN控制IS10R的转录弱启动子