基因突变4学习.pptx

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1、1突变（Mutation）：突变泛指细胞内（或病毒颗粒内）遗传物质的分子结构或数量突然发生的可遗传的变化，突变是一种遗传状态，往往导致产生新的基因及新的表现型。突变体：带有突变基因的细胞或个体 突变型：突变体的基因型或表型称为突变型，和其相对的原存在状态称为野生型。第1页/共52页2第一节 突变类型一、按突变发生原因分类 自发突变(spontaneous mutagenesis)：未经任何人为的处理而自然地发生的突变，称为自发突变。诱发突变(induced mutagenesis)：由人们有意识地利用物理或化学手段引起的突变称为诱发突变。诱发突变的频率要远远高于自发突变频率 第2页/共52页4

2、二、按变化范围分突变类型突变的分子机制 突变可以发生在染色体水平或基因水平，发生在染色体水平的突变称为染色体畸变（chromosomal aberrztion）；发生在基因水平的突变称为基因突变(gene mutation)。第3页/共52页5 染色体畸变（chromosome aberration)染色体数目的变化或染色体结构发生较大片段的异常改变。染色体数目的变化 u整倍体(euploidy)：含有完整的染色体组 单倍体（n）：haploid 二倍体（2n）：diploid 三倍体（3n）：triploid 四倍体（4n）：tetraploid第4页/共52页6u非整倍体 aneuploi

3、dy：含有不完整状态的染色体组，一般是指二倍体中成对染色体成员的增加或减少。单体（二倍减一，monosomic diploid):2n-1 缺体（二倍减二，nullisomic dilpoid):2n-2 三体（二倍加一，trisomic diploid):2n+1 四体（二倍加二，tetrasomic diploid):2n+2 双二倍加一（double trisomic）:2n+1+1 部分二倍体（merodiploid）：细菌等原核生物中由一整条染色体和外来的一个染色体片段所构成的不完整二倍第5页/共52页7 染色体结构的变化 染色体结构的改变，多数是染色体或染色单体遭到巨大损伤产生断裂

4、，而断裂的数目、位置、断裂端连接方式等造成不同的突变 包括染色体缺失、重复、倒位和易位等 涉及到DNA分子上较大范围的变化，往往会涉及到多个基因。第6页/共52页8b fa-缺失 b-重复 c-倒位 d-相互易位 常见的几种染色体畸变及其减数分裂前期的染色体图像第7页/共52页9染色体结构的变化 u缺失 deficiency：是染色体片段的丢失。u重复 repetition：是染色体片段的二次出现。u倒位 inversion：是指染色体的片段发生了180的位置颠倒 u易位 translocation：是指一个染色体的一个片段连接到另一个非同源染色体上。相互易位 reciprocal trans

5、location：两个非同源染色体间相互交换一部分。第8页/共52页11 基因突变（gene mutation）基因突变：是指一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对核苷酸的缺失、插入或置换，分为碱基置换和移码突变。染色体局部座位内的变化 点突变point mutation：单碱基对的置换 突变发生在一个基因范围内。多位点突变：突变超出一个基因范围。第9页/共52页12 碱基置换 base pair substitution DNA链上一个碱基对为另一碱基对所取代叫碱基置换 转换 transition：DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被另一个嘌呤（嘧啶）所置换。颠换 trans

6、version：DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被一个嘧啶（嘌呤）所置换。第10页/共52页13第11页/共52页12 移码突变 frameshift mutationu在DNA序列中由于一对或少数几对核苷酸的插入或缺失，而使其后全部遗传密码的阅读框架发生移动，进而引起转录和转译错误的突变叫移码突变。u一般只引起一个基因的表达出现错误。第12页/共52页13 第13页/共52页14 三、按突变是否引起遗传编码特性的改变分类 一类是引起遗传性状改变：错义突变（missense mutation），无义突变（nonsense mutation）和移码突变 一类是不改变遗传性状的突变 同义突变（synon

7、ymy mutation）和沉默突变（silent mutation）。第14页/共52页15 遗传学效应 错义突变 missense mutation：突变后的密码子编码另一种氨基酸。个别碱基的改变导致多肽链上某个氨基酸为另一种氨基酸所取代。例：GAT突变为CAT，编码的氨基酸由亮氨酸变成缬氨酸。无义突变 nonsense mutation：突变后的密码子变为终止密码。例：ACC突变为ATC,编码的氨基酸由色氨酸变为终止密码子 第15页/共52页16 第16页/共52页17 同义/沉默突变 silent mutation：突变后的密码子编码的仍是同一种氨基酸。（碱基序列发生改变而氨基酸序列未

8、发生改变的突变称为同义/沉默突变）。例：TAA突变为ATG，两者都编码异亮氨酸。同义突变的发生是由于遗传密码的简并性。同义突变和沉默突变不会导致编码特性的改变，但往往会引起限制酶切割位点的变化，造成DNA限制片段长度的多态性。第17页/共52页18 第18页/共52页19 四、按突变的表型变化效应分类野生型 wild type：表现该物种正常表型的生物。突变型 mutant：由于突变导致其正常的表型发生了改变的生物。形态突变型morphological mutant：引起细胞个体形态和菌落形态发生改变的突变型。是一种可见突变。包括细菌鞭毛、芽孢、荚膜的有无，霉菌或放线菌的孢子的有无或颜色变化，

9、菌落的大小，菌落表面的光滑、粗糙，以及噬菌体的大小或清晰度等的突变。第19页/共52页生化突变型：不管是形态突变、营养突变、条件致死突变或致死突变，都是以生物化学为基础，是相应酶的结构活性改变，引起生化代谢的变化，所以突变型都可以认为是生化突变。其中最典型的是营养缺陷型（auxotrophic mutant）：它从野生型基因突变形成。其特点是由于突变而失去合成某种代谢物质的能力，如氨基酸、维生素等。归入生化突变型的还有糖类分解发酵突变株，色素形成突变株及有益代谢产物生产能力突变株。第20页/共52页条件致死突变型 conditional lethal mutation：是一类遗传学分析最有用的

10、突变性，它们的生命分界线由某种条件决定。这种突变体在允许条件下存活，在限制条件下致死。其中应用得最广的是温度敏感突变型。致死突变型 lethal mutant：由于基因突变造成个体死亡的突变型。杂合状态的显性致死和纯合状态的隐性致死都导致个体的死亡第21页/共52页抗性突变型 resistant mutant：是最为常见的一种突变，它包括抗药突变、抗噬菌体突变、抗高温突变及抗辐射突变等。使相当数量的细菌群体生活在含有一定浓度的抗性因子环境中，其中敏感菌将大量死亡，仅有极少量的细菌能够存活并且继续生长繁殖，这就是抗性突变体。这种突变株的产生，究竟是因为细菌和抗性因子之间长期接触得到“驯化”，还是

11、因为细菌本来就具有这种抗性突变基因呢？第22页/共52页23 1）波动实验 2）涂布实验 3）影印培养实验 在1943年之前，一直是人们争论未决的问题。次后一些科学家完成了这方面的研究，如抗噬菌体的波动试验和涂布试验，抗链霉素的影印试验等。这些实验所得出的信服可靠的结论终于解答了这个问题。第23页/共52页24 波动实验fluctuation test 第24页/共52页25 E.coli B 抗噬菌体a的波动测验结果 培养皿编号培养皿上菌落数样品来自同一培养物样品来自不同培养物1144641102155620003135223004214810705156550086144425303172

12、6494000816512501920564030101347764815111071012040130191400151016017170111864019002035平均值平均值16.751.43.311.35303.8方方 差差15273.8694662040.8第25页/共52页26 涂布实验第26页/共52页27 影印培养replica plating实验第27页/共52页第二节 突变体的形成 基因突变是微生物育种的基础。基因突变的结果会影响或改变微生物某一形态或生化性状。通过细胞繁殖、分裂，这种突变形成的性状会遗传给后代，发育成为新的遗传型个体。基因突变遵循以下的一般规律，即突变具

13、有自发性、稀有性、随机性、独立性、可诱发性、可遗传性、可逆性。某些化学、物理因素能诱发基因突变，并且通过进一步处理又可引起突变基因回复。突变是可逆转的，突变的发生并不一定意味着突变体的产生及性状的改变。由突变到突变体的 形成是经历一个复杂的生物学过程。因此，直到今天，人们还不能完全定向控制诱发突变后获得的突变个体的性状。第28页/共52页29 一些细菌的抗药性基因的突变率 第29页/共52页30 突变生成过程第30页/共52页31（一）诱变剂接触DNA分子之前细胞的透性影响诱变剂的诱变效应 当化学诱变剂处理微生物细胞时，首先和细胞充分接触，通过扩散作用诱变物质穿过细胞壁、膜及细胞质，才能达到核

14、质体，与DNA接触。前诱变剂在细胞质的作用下会转化成诱变剂 诱变剂透过细胞壁后还要穿过细胞质，这个过程诱变剂也会发生一些化学变化，受到各种因素的影响，如亚硝酸和蛋白质或游离氨基酸起反应，使它们氧化脱去氨基，以此影响诱变效应。一、突变体的形成过程第31页/共52页32（二）突变发生过程 诱变剂和DNA接触后能否发生基因突变，与DNA是否处在复制状态有密切关系。而DNA复制活跃程度与某些营养条件和细胞生理状态有关。如，一个氨基酸营养缺陷型的大肠杆菌菌株，如果在培养基中除去它需要补给的氨基酸，培养12h，用亚硝基胍进行诱发回复突变，其诱变效应显著下降。反之，如补给所缺的氨基酸，则频率提高。诱发效应上

15、升的先后次序是精氨酸、丝氨酸、脯氨酸。这些顺序与各个基因在DNA上的排列次序是相吻合的。这被解释为DNA在染色体上的复制由某一位点开始逐步向前，亚硝基胍最有效的诱变作用正好发生在复制的那个位置。第32页/共52页 又如，大肠杆菌的-半乳糖苷酶结构基因Z的诱发效应，与培养基中加诱导物和不加诱导物有关。加诱导物以后，用亚硝基胍、硫酸二乙酯和甲基硫酸乙酯等诱变剂处理，它们的诱变效应比不加诱导物的高68倍。认为这一现象可能由于DNA转录时双链解开，使以上诱变剂的诱变效果处于最为有利的状态。但如果用X射线、5-溴尿嘧啶、2-氨基嘌呤等诱变剂来进行处理时，则是否加诱导物对诱变效果没有什么影响，这表明不同性

16、质的诱变剂和DNA双链的构形对突变都会有影响。从诱变剂进入细胞，到突变发生，会受到多种酶的作用和影响。很多实验证明，在酶的作用下，有的诱变剂诱变作用加强了，有的却减弱了，有的甚至完全变成另一种物质。显而易见，在诱变剂进入细胞后，那些对酶的活性和作用有影响的物质及培养条件都将间接地影响诱变剂的诱变效应。第33页/共52页34（三）突变体的形成 诱变剂和DNA接触后发生化学反应，继而使DNA上的碱基发生变化，产生突变。但是从突变到突变体的形成要经过相当复杂的过程，并且不是所有的突变都能形成突变体。当一个突变发生后，要经过复制，才能成为突变体。在复制前后过程中，生物细胞有一整套修复系统进行修补，还有

17、某些校正机能的作用以及细胞中一系列酶的反应，都有可能使突变了的DNA结构复原，以保证遗传物质的相对稳定和生物自身准确地繁殖后代。第34页/共52页35 二、突变的修复DNA分子要求保持高度的精确性和完整性 保障DNA安全的修复系统 纠正偶然的复制错误：如：DNA多聚酶35的校读功能、糖基酶修复系统等DNA分子损伤的系统：如光复活修复系统、切除修复系统、重组修复系统、SOS修复系统 第35页/共52页36（一）复制错误修复1DNA多聚酶的校读功能 DNA聚合酶的35 核酸外切酶活性 第36页/共52页37 2N-糖基酶修复系统 N-糖基酶（N-glycosylases）作用：专一识别 DNA分子

18、中的非标准碱基和碱基的衍生物。例：尿嘧啶-N-糖基酶系统修复机制 参与的酶 尿嘧啶N-糖基酶、AP限制性内切酶、核酸外切酶、DNA聚合酶Pol I、DNA连接酶。第37页/共52页38 尿嘧啶-N-糖基酶系统的修复过程第38页/共52页3.错配修复（mismatch repair）识别错配的碱基对；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；切除错误的碱基，并进行修复合成。第39页/共52页40（二）损伤修复 （T=T）1光复活（photoreactivation）（又称光修复）光复活作用：指细菌在紫外线照射后立即用可见光照射，可以显著地增加细菌的存活率，降低突变率。光修复机制只作

19、用于紫外线照射所形成的损伤 修复机制：光复活酶（photo-reactivating enzyme，PR酶），催化嘧啶二聚体分解成为单体 第40页/共52页41 光复活作用第41页/共52页42 2切除修复(excision repair)暗修复（Uvr修复系统）是细胞的主要修复系统，发生在DNA复制之前，是对模板的修复。一种多步骤的酶反应过程：限制性内切酶、核酸外切酶、DNA聚合酶以及连接酶的协同作用 结果：使损伤的DNA分子恢复正常 修复过程：切 补 切 封第42页/共52页43 UvrABC限制性内切酶切除修复系统 第43页/共52页44 限制性内切酶 E.coli的修复内切酶由三种亚基

20、构成：UvrA、UvrB、UvrC；限制性内切酶UvrABC能修复不同类型的损伤；它识别的是DNA某一部位缺少正常的形状如：胸腺嘧啶二聚体引起DNA双螺旋的变形。Uvr系统负责切除大量的胸腺嘧啶二聚体 第44页/共52页45 3重组修复recombination repair（Rec修复系统）是一种越过损伤而进行的修复 不将损伤碱基除去，而是通过复制后，经染色体交换，使子链上的空隙部位不再正对T=T，而是面对正常的单链。留在模板链上的二聚体：切除修复加以除去，或经细胞分裂而稀释第45页/共52页46 复制后重组修复机制 重组修复第46页/共52页4.SOS修复系统Jeam Weigle 等发现

21、 UV 感染 细菌(用UV照射过)存活率高 噬菌体 细菌(UV未照射过)存活率低 UV-复活（UV-reactivation），也称W-复活 SOS反应（SOS response）第47页/共52页RecALexA复合体活化的RecA蛋白阻遏蛋白DNA损伤因子（诱变原等）传达产生损伤的效应物（分解产物）蛋白酶作用失活噬菌体诱导SOS修复酶的诱导作用有关SOS修复的机制，有人提出了图中所示的模式，受到损伤的DNA发出信号，使recA基因的产物活化，而使SOS修复酶的阻遏物不活化（蛋白酶分解作用），结果使SOS修复酶诱导并对DNA损伤进行修复。第48页/共52页49 三、突变基因的形成 1.前突变

22、的不同命运 损伤太大，细胞死亡；损伤较小，细胞存活 DNA损伤未修复，细胞DNA经复制变成突变型；DNA损伤被修复，回复正常，突变不发生；DNA损伤进行倾向差错修复，发生突变第49页/共52页50 2.环境因素的影响 环境条件影响DNA修复系统的酶活性 如：咖啡碱抑制切除修复系统的酶；可见光可以激活光复活系统；SOS修复系统属于倾向差错修复，它依赖蛋白质合成，因此丰富的培养基可以强化诱变作用，而氯霉素则相反 有些物质可以增强或减弱诱变剂的活性 助变剂（comutagen）：本身没有诱变作用但对诱变剂的诱变作用具有增强效应的物质；抗变剂（antimutagen）：能够减弱诱变剂诱变效应的物质第50页/共52页51 四、从突变到突变表型 表型延迟（phenotype lag）：指突变体表型的改变落后于其基因型改变的现象。分离性表型延迟（segregational lag）：突变基因由杂合状态到纯合状态所造成的表型迟延。生理性表型延迟（physiological lag）：由于基因产物的“稀释”过程所造成的表型迟延。表型迟延的消除：诱变后进行后培养 第51页/共52页感谢您的观看。第52页/共52页