第十一章 基因突变 学习要点： 1.基因突变的相关概念 2.基因突变的分子基础 3.突变的修复机制 4.突变的检测 5.突变的遗传学效应
第十一章 基因突变 突变：遗传物质的可遗传改变 染色体畸变：染色体水平 基因突变： DNA水平
第一节 基因突变的概说 一、基因突变的概念 突变：染色体上一个基因内部化学结构的改变，一个基因变成它的等位基因。 范围：广泛的生物界 自发：家兔白化、貂的蓝皮毛、丝羽鸡 人工：Muller、Sradler等（X射线照射果蝇、玉米） 二、基因突变发生的时期和部位 三、突变频率
二、基因突变发生的时期和部位 1. 生物个体发育的任何时期均可发生： 性细胞(突变)突变配子后代个体； 体细胞(突变)突变体细胞组织器官。 2. 性细胞的突变频率比体细胞高： 性母细胞与性细胞对环境因素更为敏感。 3. (等位)基因突变常常独立发生： 某一基因位点发生并不影响其等位基因，一对等位基因同时发生的概率非常小(突变率的平方)。 4. 突变时期不同，其表现也不相同：
高等生物基因突变时期与性状表现 突变时期 显性突变 隐性突变 (或下位性突变) 高等生物 性细胞 突变当代表现突变性状。 突变当代不表现突变性状，其自交后代才可能表现突变性状。 体细胞 突变当代表现为嵌合体，镶嵌范围取决于突变发生的早晚。 突变当代不表现突变性状，往往不能被发现、保留。 低等生物 (单倍体) 有性生殖 表现突变性状 无性生殖
三、突变频率 突变率(mutation mate)指生物在一个世代中在特定条件下发生某一突变的概率。 也就是突变体占该世代个体的比例。 有性生殖生物：用突变配子占总配子比例(配子发生突变的概率)表示； (单细胞)无性繁殖生物：每一世代中细胞发生突变的频率。
自然突变频率 自然条件下基因突变率一般较低，并随生物种类、基因而异： 不同生物种类的基因突变率： 同一物种的不同基因的天然突变率也明显不同： 高等植物： ~1×10-5-1×10-8; 低等生物，如细菌： ~1×10-4-1×10-10; 人： ~1×10-4-1×10-6. 同一物种的不同基因的天然突变率也明显不同：
第二节 基因突变的分子基础 一、自发突变(spontaneous mutation) 第二节 基因突变的分子基础 一、自发突变(spontaneous mutation) 1.DNA复制错误(errors of DNA replication) DNA碱基有互变异构体，造成DNA复制过程中的DNA错配。 ⅰ转换：Purine→ Pu;或者 Pyrimidine→ Py ⅱ颠换：Pu →Py; 或者Py→Pu ⅲ移码突变：增加或减少几个碱基,导致蛋白质翻译错位。 ⅳ缺失和重复：大片段碱基的缺失或重复，如E.coli乳糖发酵调节基因lacⅠ中四碱基重复序列。 野生型: 5‘-GTCTGGCTGGCTGGC-3’ 突变型FS5: 5‘-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3’ 突变型FS2: 5‘-GTCTGGCTGGC-3’
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2.DNA损伤（lesions） ⅰ脱嘌呤 由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏,从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从DNA分子上脱落下来. ⅱ脱氨基 C脱氨基变成U;A脱氨基变成H,造成转换 A AT →→ → H-T→→→ H-C→→→ H-C ↘→A-T ↘→G-C B GC →→ → G-U→→→ A-U→→→A-U ↘→G-C ↘→A-T ⅲ氧化损伤: O2- OH- H2O2， 对DNA造成损伤
二、诱发突变（induced mutaion） 1.诱变机制 ⅰ碱基类似物 eg. 5-BU 和5-BrdU是胸腺嘧啶(T)的结构类似物，酮式结构易与A配对；烯醇式结构易与G配对。另有2-氨基嘌呤(2-AP, A类似物)、5- 氟尿嘧啶、5-氯尿嘧啶等。 ⅱ 特异性错配 eg.烷化剂: 甲磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍( NG)、芥子气等。通过改变碱基结构使碱基错配。 如：G-C; 当G烷基化后可与T配对，导致碱基转换。烷化剂使嘌呤脱落，造成转换、颠换、断裂或其他突变
ⅲ 嵌合剂的致突作用 eg. .吖啶类染料: 吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对的类似物，易造成移码突变。 ⅳ 辐射诱导效应 (1)紫外线UV:形成嘧啶二聚体，如T二聚体，①同一条单链内，影响复制时与A的配对，中止复制；②双链之间，影响双链变性，并影响复制。 (2)电离辐射：如X-ray、可引起碱基的降解或脱落，A变成H;C变成T，出现转换。 ⅴ黄曲霉的作用 ：使鸟嘌呤G脱落，SOS修复引入A, 造成突变。
2.碱基替换的遗传效应 (ⅰ) 同义突变（samesense mutation）不改变氨基酸的密码子变化，与密码子的兼并性有关. 如GAU/GAC—Asp. (ⅱ) 错义突变（missense mutation） 碱基替换的结果引起氨基酸序列的改变. (ⅲ) 无义突变（nonsense mutation）编码区的单碱基突变导致终止密码子(UAG/UGA/UAA)的形成, 使 mRNA的翻译提前终止, 形成不完全的肽链. 如镰刀型贫血症：血红蛋白B链(146Aa)，6号氨基酸的替换, 导致明显的表型症状。Glu→Val, 若Glu →Asp则影响较小。
野生型: 5‘-GTCTGGCTGGCTGGC-3’ 3.移码突变及其产生 在基因的外显子中插入或缺失1, 2或4个核苷酸,使阅读信息发生错位,从而使翻译的蛋白质序列与原来完全不同. eg. E.coli中乳糖发酵的调节基因(lacⅠ): 野生型: 5‘-GTCTGGCTGGCTGGC-3’ 移码突变Ⅰ: 5‘-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3’ 移码突变 Ⅱ: 5‘-GTCTGGCTGGC-3’ 4.突变热点和增变基因 基因中 某些位点比其它位点突变率高，称突变热点。 Eg. 分析T4-Phage r Ⅱ基因1500个突变体： r ⅡA (1800bp)有200个位点； r ⅡB (850bp)有108个位点 。
2. 短的重复序列的存在，容易配对错位，造成重复或缺失 3. 与诱变剂类型有关，不同诱变剂出现不同的热点。 形成原因： 1. 5-MeC的存在，5-甲基胞嘧啶(MeC)脱氨基后变成T, 使G-C部位转变成A-T部位； 2. 短的重复序列的存在，容易配对错位，造成重复或缺失 3. 与诱变剂类型有关，不同诱变剂出现不同的热点。 4. 增变基因(mutator gene)：该基因的突变会使整个基因组的突变频率增高，eg. A. DNA多聚酶基因，突变后使多聚酶的3’ → 5’校正功能降低或丧失，使基因组突变频率增高； B. dam基因，突变后使碱基的错配修复功能降低或丧失，使基因组突变频率增高。
三、诱变与肿瘤 肿瘤的形成与否取决于机体中癌基因和抑癌基因的平衡，抑癌基因突变会致癌。一些诱变剂可以特异性的诱导抑癌基因突变，导致肿瘤发生。 eg. 黄曲霉素可诱导P53基因G → T颠换，导致肝癌的发生；UV可诱导P53基因5’ -TC-3’发生C → T颠换，形成“T二聚体”，导致人类鳞状细胞皮肤癌的发生。 四、定点诱变 定义：利用人工合成的寡核苷酸，在离体的条件下，制造基因中任何部位的位点特异性突变的技术。
第三节生物体对突变的修复机制 一 光复活(photoreactivation) 2. 条件：可见光(300~600nm)、PR酶、嘧啶二聚体 1. 概念：在可见光存在的条件下，在光复活酶作用下将UV引起嘧啶二聚体分解为单体的过程。 2. 条件：可见光(300~600nm)、PR酶、嘧啶二聚体 3. 作用过程： ①光复活酶与T=T结合形成复合物; ②复合物吸收可见光切断T=T之间的C-C共价键,使二聚体变成单体; ③光复酶从DNA链解离. *光复活是原核生物中的一种主要修复形式。
二 切除修复 1.概念:（核苷酸外切修复、暗修复）先在损伤的任何一端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡核苷酸；留下的缺口由修复性合成来填补，再由连接酶将其连接起来。酶作用不需要光的激活，但黑暗不是必要条件。 2.特点：消除由UV引起的损伤，也能消除由电离辐射和化学诱变剂引起的其他损伤。切除的片段可由几十到上万bp，分别称短补丁修复、长补丁修复。 3.过程： ①内切酶的作用在DNA损伤的一端,切开形成一个切口; ②外切酶的作用将损伤部位切除; ③聚合酶的作用将切口补齐,留下一个切口; ④连接酶的作用将DNA连接形成完整的DNA链。
E.coli 中明显的损伤，可在UvrA、 UvrB、 UvrC的作用下得以修复，但不明显的损伤需要特异性修复。 4.特异性切除修复 E.coli 中明显的损伤，可在UvrA、 UvrB、 UvrC的作用下得以修复，但不明显的损伤需要特异性修复。 (1)糖基化酶修复：如果碱基被共价修饰，糖基化酶可 作用于C-N糖苷键，使碱基释放，产生无碱基(AP)位点, 再由AP内切酶修复系统修复。 (2)AP内切酶修复系统修复：也由内切、外切、聚合和 连接四种酶活性来完成，以修复AP位点。 **以上两种修复过程都没有涉及到DNA的重组,属于无 误差的修复。
三 重组修复 1.概念: 通过对DNA的复制和同源链的重组，来完成对损伤部位的修复，又称复制后修复。 2.特点: 三 重组修复 1.概念: 通过对DNA的复制和同源链的重组，来完成对损伤部位的修复，又称复制后修复。 2.特点: ① 修复过程伴随DNA的复制和重组； ② 仅修复新合成的不完整的单链，原先的损伤单链仍然保留； ③部分重组蛋白的精确性差，修复的出错率较高。 3.重组修复过程： (1)复制：以损伤单链为模板复制时，越过损伤部位，对应位点留下缺口；未损伤单链复制成完整双链。 (2)重组：缺口单链与完整同源单链重组，缺口转移到完整链，使损伤单链的互补链完整，损伤单链仍然保留。 (3)再合成：转移后的缺口以新互补链为模板聚合补齐。
四 SOS修复 3.特点： 1. 概念：是在DNA分子受损伤的范围较大而且复制受到抑制时出现的一种应急修复作用。 2. 过程 ①当DNA损伤较大时(如产生很多的T=T)，正常的DNA多聚酶复制到损伤位点时，其活性受到抑制； ②短暂抑制后产生一种新的DNA多聚酶，催化损伤部位DNA的复制，由于新的DNA多聚酶的修复校正功能较低，新合成的碱基错配频率较高，易引起突变。 3.特点： ①修复系统需要在DNA分子受损伤的范围较大而且复制受到抑制时才能够启动。 ②修复系统对错配碱基的修复校正功能低下，从而增加突变的频率。
③在紧急情况下，细胞通过一定水平的变异来换取细胞的幸存，有利于细胞逃生。 4.SOS系统的启动： 通过操纵子(结构基因、启动子、操纵基因、调节基因)来实现： A. SOS基因：recA基因、UvrA、UvrB、UmuC等，也称din基因 (damage inducible gene)，为操纵子的结构基因； B. lex基因：阻遏蛋白基因，正常情况下结合在操纵基因上； C. recA基因：重组蛋白基因，应急状态下启动蛋白质水解酶活性，水解阻遏蛋白，使din基因高效表达，从而启动SOS修复系统。
五 电离辐射损伤的修复 ①氢键断裂：DNA双链之间 1.电离辐射效应 ②共价键断裂：DNA单链断裂、 双链断裂、碱基和糖基损伤 五 电离辐射损伤的修复 ①氢键断裂：DNA双链之间 1.电离辐射效应 ②共价键断裂：DNA单链断裂、 双链断裂、碱基和糖基损伤 ③交联作用：DNA与DNA、DNA 与蛋白质之间发生 2.电离辐射的修复： 1、超快修复(0℃, 2min) (E. coli) 无O2、单链 (DNA连接酶) 2、快修复(几分钟) 其余90％断裂单链 (聚合酶Ⅰ) 3、慢修复(37 ℃,40-60min) 剩余单链 (重组修复酶系统)
六 修复缺陷与人类疾病 1. 着色性干皮病 (XP, xeroderma pigmentosum) 六 修复缺陷与人类疾病 1. 着色性干皮病 (XP, xeroderma pigmentosum) 位于1p的隐性基因控制，干性皮肤伴随神经系统疾病，由切除二聚体能力缺损造成。 2. 侏儒、视网膜萎缩。 由缺损紫外线引起的DNA损伤修复系统引起。 3. 共济失调毛细血管扩张症 4. 早老症
第四节、基因突变的检测 一、细菌培养缺陷型的检出 完全培养基或补充培养基（存活） 基本培养基（死亡） 药物处理 10-8~10-6 合成缺陷型 基本培养基
化合物的分组编码 组别 化合物的代号 A F B E C D A B C D E F 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 A F B E C D
二、链孢霉营养缺陷型的检出
三、 果蝇突变的检出 1.性连锁基因隐性突变的检出(ClB法、 Muller- 5) (1) ClB品系：C—交换抑制因子；l—隐性致死突变；B—棒眼 步骤：A. 待测♂果蝇与杂合（ClB/+++）♀果蝇杂交； B. F1 ClB ♀ 与F1♂ （野生型）单对杂交，目的是检查某一特定X染色体上的突变； C. 观察分析： ①有X隐性致死突变，F2 无雄蝇(♂:ClB和l’死亡); ②隐性非致死突变， F2预期♀ :♂=2:1，突变性状只在F2雄蝇表现，F1ClB中不表现； ③无X隐性突变，在F2 ♂仅表现简单的♀ :♂=2:1。
A. Muller-5品系:B(棒眼)-Wa(杏眼)-sc(小盾片少刚毛)——并具重复倒位。 Ⅱ. 将F1 ♀ ♂ 自交, 目的是检查某一特定X染色体上的突变. Ⅲ. 观察分析F2： ① 如果无X隐性致死突变预期F2 ♂: ♀=1:1 表型比为简单的1:1:1:1; ② 如果有X隐性致死突变预期F2 ♂: ♀=2:1 表型比1:1:1; ③ 如果有隐性非致死突变 在F2 ♂中可见突变。
2. 常染色体突变——平衡致死系(Cy和S) ①将待测的♂果蝇与♀平衡致死系(Cy, S)果蝇杂交，F1二种表型； ②F1中的一种类型与平衡致死系做单对杂交，F2出现三种表型(任一性状隐性致死)； ③将F2中除平衡致死系以外的一种类型自交得F3 ④观察分析F3： a.如果有隐性致死突变，则F3只有一种类型，卷翅（或星状眼） b.如无突变，则F3中除有卷翅（或星状眼）外，还有野生型 c.如有隐性非致死突变，则F3中除卷翅（或星状眼）外，还有突变类型。 检出特点：只能检出常染色体，且与平衡致死系同号染色体上的基因突变。
四 植物突变的检出 禾谷类突变的检出 种子处理 1个分蘖的幼芽或穗原始体 只影响1穗或其少数籽粒
大麦诱发隐性突变后代遗传动态示意图
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Step Ⅰ Step Ⅱ ♂ ♀ ♂ ♀ B 类似L纯合 返回
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