1、 第二章第二章 基因突变与基因突变与DNADNA的损伤修复的损伤修复科学的遗传观是动态和进化的遗传，而有活力的突变是可科学的遗传观是动态和进化的遗传，而有活力的突变是可遗传的突变，是生物进化的源泉和动力。遗传的突变，是生物进化的源泉和动力。孟德尔遗传和连锁遗传中的可遗传变异均是孟德尔遗传和连锁遗传中的可遗传变异均是基因重组基因重组的结的结果，不是果，不是基因基因本身发生了本身发生了质的变化质的变化。本章将讨论染色体上组成本章将讨论染色体上组成基因的基因的DNADNA序列和脱氧核苷酸分子序列和脱氧核苷酸分子结构发生的改变结构发生的改变。重要性分析：重要性分析：本部分是遗传变异的重要内容，基因突变
2、与生物进化、人类本部分是遗传变异的重要内容，基因突变与生物进化、人类健康和农业良种选育关系密切。健康和农业良种选育关系密切。参考文献：参考文献：Daniel L. HartlGenetics: Analysis of Genes and GenomesChapter 7 Molecular mechanisms of mutation and DNA repair重点掌握：重点掌握：基因突变的概念和类型、基因突变的一般特点、诱变的因素基因突变的概念和类型、基因突变的一般特点、诱变的因素及突变的分子机理、及突变的分子机理、DNADNA的损伤修复和突变的检出。基因突的损伤修复和突变的检出。基因突变
3、的检出是难点，变的检出是难点，检测方法检测方法因生物的不同而有显著差异因生物的不同而有显著差异，但但共同点就是设计合适的实验让突变基因表达共同点就是设计合适的实验让突变基因表达。第一节、基因突变与多态的关系第一节、基因突变与多态的关系什么是基因突变什么是基因突变 (gene mutation)(gene mutation)呢？基因突变和多态呢？基因突变和多态有什么关系呢？有什么关系呢？There are many of the normal differences between people such as eye color, hair color, and blood type. 这些性
4、状呈明显的多态性：这些性状呈明显的多态性：眼色：黑色、蓝色、褐色眼色：黑色、蓝色、褐色发色：黑色、黄色、白色发色：黑色、黄色、白色血型：血型：A、B、AB、O这些多态性的性状是这些多态性的性状是等位基因控制，由基等位基因控制，由基因突变产生因突变产生依据定义，群体中存在一个正常（野生）的等位基因，而突依据定义，群体中存在一个正常（野生）的等位基因，而突变可以产生一个少有的不正常的变异体（相对野生性状）。变可以产生一个少有的不正常的变异体（相对野生性状）。This implies there is a normal allele that is prevalent in the populati
5、on and that the mutation changes this to a rare and abnormal variant. 任何导致基因序列改变的变异任何导致基因序列改变的变异叫基因突变叫基因突变。A mutation is defined as any change in a DNA sequence away from normal.多态是指群体中普遍存在的一种多态是指群体中普遍存在的一种DNADNA序列变异。序列变异。A polymorphism is a DNA sequence variation that is common in the population. 把
6、因基因突变而表现突变性状的细胞或个体，称为突变体（mutantmutant），或称突变型。二、基因突变的随机性二、基因突变的随机性 random random1 1、生物个体发育的生物个体发育的任何时期中均可发生突变任何时期中均可发生突变，即体细胞突，即体细胞突变和性细胞突变。变和性细胞突变。性细胞突变：突变率高且是可遗传的；性细胞突变：突变率高且是可遗传的；体细胞突变：通常会丢失，如果要保留需经无性繁殖传递体细胞突变：通常会丢失，如果要保留需经无性繁殖传递给后代。给后代。例如例如植物的植物的“芽变芽变”，可经扦插、，可经扦插、压条、嫁接或组织培养后保留。芽压条、嫁接或组织培养后保留。芽变可以
7、选育优良品种，如温州早桔。变可以选育优良品种，如温州早桔。体细胞突变（体细胞突变（somatic mutationsomatic mutation，Acquired mutationAcquired mutation ），），危害个体；危害个体；生殖细胞突变（生殖细胞突变（germ-line mutationgerm-line mutation；hereditary hereditary mutationsmutations ），危害群体。），危害群体。金银金银眼猫眼猫我哪里发生了突变？我哪里发生了突变？是体细胞还是生殖细胞突变？是体细胞还是生殖细胞突变？是发育早期还是晚期突变？是发育早期还是
8、晚期突变？2 2基因突变通常独立发生：基因突变通常独立发生：某一基因位点的一个等位基因发生突变时，不某一基因位点的一个等位基因发生突变时，不影响另一个等位基因，即等位基因中两个基因影响另一个等位基因，即等位基因中两个基因不会同时发生突变。不会同时发生突变。三、基因突变的稀有性三、基因突变的稀有性 rarity rarity据估计，一般高等动植物基因突变率是据估计，一般高等动植物基因突变率是1010-5-51010-8-8。细菌和噬菌体等微生物的突变率比高等动植物的要高一细菌和噬菌体等微生物的突变率比高等动植物的要高一些。些。同一种生物的不同基因，突变率也不相同。例如，玉米同一种生物的不同基因，
9、突变率也不相同。例如，玉米的抑制色素形成的基因的突变率为的抑制色素形成的基因的突变率为1.061.061010-4-4，而黄色胚，而黄色胚乳基因的突变率为乳基因的突变率为2.22.21010-6-6. .四、基因突变的重演性和可逆性四、基因突变的重演性和可逆性 reversibility reversibility1.1.重演性：同一生物不同个体间可以多次发生同样的突变。重演性：同一生物不同个体间可以多次发生同样的突变。如表中玉米籽粒如表中玉米籽粒7 7个基因中前个基因中前6 6个，在多次试验中都出现过个，在多次试验中都出现过类似的突变，且其突变率也极为相似。类似的突变，且其突变率也极为相似。
10、 2.2.可逆性：象许多生化反应过程一样是可逆的可逆性：象许多生化反应过程一样是可逆的。正突变正突变 （forward mutationforward mutation）：）：使野生型基因失活的突变。使野生型基因失活的突变。回复突变回复突变 （back mutationback mutation）：）：通过重建原来的通过重建原来的DNADNA序列或序列或在基因其它部位获得补偿性突变。也叫反突变在基因其它部位获得补偿性突变。也叫反突变（reverse reverse mutation)mutation)。显性基因A A通过正突变形成的隐性基因a a 又可经过反突变又形成显性基因A A。例如：（1
11、 1）真正回复）真正回复（true reversion)：是使表型恢复到野生型的突：是使表型恢复到野生型的突变（多发生在碱基替换）。变（多发生在碱基替换）。（2 2）抑制基因突变）抑制基因突变（suppressor mutation）：）：发生在其它位发生在其它位置的另一次的突变正好补偿了第一次突变的效应，使其恢复置的另一次的突变正好补偿了第一次突变的效应，使其恢复到野生型表型。到野生型表型。如一个基因编码序列发生碱基的改变导致表型的变化可由同如一个基因编码序列发生碱基的改变导致表型的变化可由同一基因另一位置上发生的碱基突变而恢复正常。一基因另一位置上发生的碱基突变而恢复正常。其其A亚基亚基2
12、10位氨基酸编码子发生碱基替换，位氨基酸编码子发生碱基替换，由由GGAGAA导致甘氨酸为谷氨酸所替代导致甘氨酸为谷氨酸所替代,从而使它失去从而使它失去了正常的酶活性；了正常的酶活性；在这一替代不改变的情况下，在这一替代不改变的情况下，A亚基的第亚基的第174位氨基酸编位氨基酸编码序列发生碱基替换，由码序列发生碱基替换，由UACUGC，使酪氨酸为半胱，使酪氨酸为半胱氨酸所替代，这一改变导致酶活性的恢复。氨酸所替代，这一改变导致酶活性的恢复。基因间抑制基因突变：一个基因突变被另一基因突变抑制。基因间抑制基因突变：一个基因突变被另一基因突变抑制。五、突变的多方向性五、突变的多方向性 multi-di
13、rection multi-direction1 1基因突变的方向不定，可多方向发生：基因突变的方向不定，可多方向发生：如如A A突变为突变为a1a1、a2a2、a3a3、对对A A来说他们都是来说他们都是等位关系等位关系，但其，但其之间性状表现可能各不相同。之间性状表现可能各不相同。如何验证等位关系呢？如何验证等位关系呢？遗传试验证明遗传试验证明它们的等位性：它们的等位性：AAAAa a1 1a a1 1 F2 F2呈呈 31 31 或或 121121a a1 1a a1 1a a2 2a a2 2 F2 F2呈呈 31 31 或或 121121果蝇的部分眼色复等位基因及白眼基果蝇的部分眼色
14、复等位基因及白眼基因起源因起源 2 2复等位基因复等位基因(multi-allele)(multi-allele)：指 位 于指 位 于 同 一 基 因 位 点同 一 基 因 位 点 上 各 个 等 位 基 因 的 总 体 。上 各 个 等 位 基 因 的 总 体 。复等位基因并不存在于同一个体中复等位基因并不存在于同一个体中 ( (同源多倍体除外同源多倍体除外) )，而，而是存在于同一生物群内。是存在于同一生物群内。复等位基因的出现，增加生物多样性，提高生物的适应性，复等位基因的出现，增加生物多样性，提高生物的适应性，提供育种工作更丰富的资源，使人们在分子水平上进一步了提供育种工作更丰富的资
15、源，使人们在分子水平上进一步了解基因内部结构。解基因内部结构。3 3复等位基因广泛存在于生物界：复等位基因广泛存在于生物界：（1 1）植物自交不亲和性）植物自交不亲和性：指自花授粉不结实，而不同基因型株间授粉可结实的现象。自花不亲和性表现为花粉在柱头上不能萌发和延伸，在卵细胞与花粉中基因间有拮抗作用，即具有某一基因的花粉不能在具有同一基因的柱头上萌发。栽培的普通烟草为自花授粉植物，但烟草属中有两个野生种表现为自交不亲和性，已发现有1515个自交不亲和的复等位基因S1S1、S2S2、S15 S15 控制自花授粉不结实性。 (2)(2)人类血型：由三个复等位基因I IA A、I IB B和i i
16、决定，其中I IA A、I IB B对i i基因均为显性，I IA A与I IB B间无显隐性关系( (二者同时存在，表现各自的作用) )。这三个复等位基因可组成6 6种基因型和4 4种表现型：六、基因突变的有害性和有利性六、基因突变的有害性和有利性 disadvantage and advantage disadvantage and advantage1 1突变的有害性突变的有害性多数突变对生物是有害的多数突变对生物是有害的（为什么？）：（为什么？）：基因突变会打破或基因突变会打破或削弱长期自然选择进化形成的平衡关系，进而打乱代谢关系，削弱长期自然选择进化形成的平衡关系，进而打乱代谢关系，
17、引起程度不同的有害后果。引起程度不同的有害后果。致死突变致死突变（对个体有害，对群体（对个体有害，对群体有利）有利）：即导致个体死亡的突变：即导致个体死亡的突变(这类突变无法回复）。这类突变无法回复）。玉米玉米白化苗白化苗隐性隐性致死致死隐性致死基因隐性致死基因（recessive lethal alleles）只在只在隐性纯合隐性纯合时才能使个体死亡。时才能使个体死亡。显性致显性致死基因死基因（dominant lethal alleles）在）在杂合杂合体状态体状态时可导致个体死亡。时可导致个体死亡。2、中性突变、中性突变控制次要性状的基因发生突变，不影响该生物的正常生理活动，控制次要性状
18、的基因发生突变，不影响该生物的正常生理活动，因而仍保持其正常的生活力和繁殖力，被自然选择保留下来。因而仍保持其正常的生活力和繁殖力，被自然选择保留下来。例如：水稻有芒、无芒；小麦红皮、白皮。例如：水稻有芒、无芒；小麦红皮、白皮。3、有利突变、有利突变不但无害，而且有利。如抗倒、抗病、早熟等突变。不但无害，而且有利。如抗倒、抗病、早熟等突变。4、突变有害的相对性、突变有害的相对性相对环境：相对环境：如如高秆、矮秆。矮秆株在高秆群体中受光不足；有利性：矮秆株在多风或高肥地区有较强抗倒伏性。相对于人类需要相对于人类需要：谷类落粒性对生物有利、对人类无益；植物雄性不育，对生物不利，但方便人类制备杂交种
19、。七、突变的平行性七、突变的平行性亲缘关系相近物种因遗传基础近似，常发生相似的基亲缘关系相近物种因遗传基础近似，常发生相似的基因突变。因突变。由于突变平行性的存在，可以考虑一个物种或属所具由于突变平行性的存在，可以考虑一个物种或属所具有突变类型，在近缘物种或属内也可能存在，对人工有突变类型，在近缘物种或属内也可能存在，对人工诱变有一定的参考意义。诱变有一定的参考意义。例如：小麦有早、晚熟变异类型，属于禾本科其它物例如：小麦有早、晚熟变异类型，属于禾本科其它物种如大麦、黑麦、燕麦、高粱、玉米、黍、水稻、冰种如大麦、黑麦、燕麦、高粱、玉米、黍、水稻、冰草等同样存在着这些变异类型。草等同样存在着这些
20、变异类型。1 1、根据突变源于不同细胞类型、根据突变源于不同细胞类型1 1）体细胞突变）体细胞突变2 2）生殖细胞突变）生殖细胞突变第三节第三节 基因突变的类型基因突变的类型2 2、根据突变表型、根据突变表型1)1)形态突变（形态突变（morphological mutationmorphological mutation）：）：突变的个体发生突变的个体发生形态可见的变化，也叫可见突变形态可见的变化，也叫可见突变2)2)生化突变生化突变 （biochemical mutationbiochemical mutation）: :突变个体原有特定突变个体原有特定的生化功能发生改变或丧失，在形态上不
21、一定有可见的变化，的生化功能发生改变或丧失，在形态上不一定有可见的变化，但通过生化方法可以检测到。但通过生化方法可以检测到。3)3)致死突变（致死突变（lethal mutationlethal mutation）: :突变造成个体死亡。致死突突变造成个体死亡。致死突变若是隐性基因决定的，那么双倍体生物能够以杂合子的形式变若是隐性基因决定的，那么双倍体生物能够以杂合子的形式存活下来，一旦纯合，则死亡。存活下来，一旦纯合，则死亡。 中中有些酶蛋白（有些酶蛋白（DNADNA聚合酶，氨基酸活化酶等）聚合酶，氨基酸活化酶等）肽链中的几个氨基酸被更换，从而降低了原有的抗热性。肽链中的几个氨基酸被更换，从
22、而降低了原有的抗热性。 3 3、从影响基因的显隐性上、从影响基因的显隐性上（dominant mutationdominant mutation） 造成显性表型的突变，表现早纯合慢，第一代就能表现，第造成显性表型的突变，表现早纯合慢，第一代就能表现，第二代能纯合，而检出纯合突变体则需到第三代。二代能纯合，而检出纯合突变体则需到第三代。（recessive mutation）造成隐性表型的突变，造成隐性表型的突变，表现晚、纯合快，第二表现晚、纯合快，第二代表现，第二代纯合，代表现，第二代纯合，检出在第二代。检出在第二代。4、根据功能是否改变、根据功能是否改变功能丢失突变功能丢失突变 （loss-
23、of-function mutationloss-of-function mutation）突变事件通常是删除或改变了基因的关键功能区，使生物体突变事件通常是删除或改变了基因的关键功能区，使生物体对某种表型的功能丧失后产生的突变。对某种表型的功能丧失后产生的突变。功能获得突变功能获得突变 （gain-of-function mutationgain-of-function mutation）突变事件引起的遗传变化有可能使生物体获得某种新的功能。突变事件引起的遗传变化有可能使生物体获得某种新的功能。5 5、根据突变的方向、根据突变的方向：正向突变正向突变 和和回复突变回复突变6 6、根据起源、根
24、据起源自发突变自发突变spontaneous mutationsspontaneous mutations：指在无人工干预的条件下，指在无人工干预的条件下，自然发生的突变。自然发生的突变。诱发突变诱发突变induced mutation induced mutation ：指在人工干预的条件下发生的指在人工干预的条件下发生的突变。突变。狭义上指只有一个碱基对发生改变，广义点突变狭义上指只有一个碱基对发生改变，广义点突变包括包括碱基替换（碱基替换（base substitution）和和碱基的增加及缺失碱基的增加及缺失(insertion and deletion, indel)。碱基替换碱基替
25、换(base substitution)：一对碱基替换另一对碱基所一对碱基替换另一对碱基所造成的突变。造成的突变。包括：包括：转换转换(transition)：同类碱基之间的替换；同类碱基之间的替换；颠换颠换(transversion)：不同类碱基之间的替换。不同类碱基之间的替换。碱基的增加及缺失碱基的增加及缺失(insertion and deletion, indel)通常称插入通常称插入/缺失，指的是一个或多个碱基对被插入或从缺失，指的是一个或多个碱基对被插入或从DNA中删除，有时也可以同时发生。中删除，有时也可以同时发生。错义突变错义突变(Missense mutation) 多肽链中
26、相应位点发生的氨基多肽链中相应位点发生的氨基酸的取代影响蛋白质的功能。酸的取代影响蛋白质的功能。（1）突变发生在基因编码区）突变发生在基因编码区根据点突变影响基因功能可以将突变分为：根据点突变影响基因功能可以将突变分为：渗漏突变渗漏突变(Leaky mutation)仅导致蛋白功能下降的错义突变；仅导致蛋白功能下降的错义突变；保守性错义突变保守性错义突变（Conservative mutation)也叫也叫中性突变中性突变（neutral mutation）多肽链中相应位点发生）多肽链中相应位点发生氨基酸取代并不影响蛋白质的功能氨基酸取代并不影响蛋白质的功能;非保守性错义突变非保守性错义突变导
27、致蛋白功能和结构严重改变的错义突变（不同化学性质导致蛋白功能和结构严重改变的错义突变（不同化学性质氨基酸的替换）。氨基酸的替换）。移 码 突 变移 码 突 变 （ f r a m e s h i f t f r a m e s h i f t mutationmutation）：由于插入或缺失由于插入或缺失单个或几个（不是单个或几个（不是3 3个）碱基，个）碱基，从而造成编码序列的移码。通从而造成编码序列的移码。通常导致蛋白产物功能丧失。常导致蛋白产物功能丧失。无效突变（无效突变（null mutation)null mutation)： 由于大片段插入、缺失或重由于大片段插入、缺失或重排而导
28、致基因产物完全无效。排而导致基因产物完全无效。无义突变无义突变 ：一个氨基酸密码一个氨基酸密码子突变为翻译终子突变为翻译终止密码子，导致止密码子，导致产生不完整多肽产生不完整多肽或无法完成翻译。或无法完成翻译。在在DNA水平上水平上如在启动子、内含子、终止子等，可影响如在启动子、内含子、终止子等，可影响RNA聚合酶以及相关转录因子的结合位点聚合酶以及相关转录因子的结合位点；在；在RNA水平上则影响水平上则影响核糖体的结合、外显子拼接等核糖体的结合、外显子拼接等同义突变（同义突变（Synonymous mutation)Synonymous mutation)DNADNA上密码子改变但蛋白质中相
29、应位点上是相同的氨基酸，上密码子改变但蛋白质中相应位点上是相同的氨基酸，即沉默突变即沉默突变（silent mutationsilent mutation）。8 8、正向遗传学、正向遗传学和反向遗传学和反向遗传学正向遗传学正向遗传学反向遗传学反向遗传学：图位克隆（图位克隆（map-based cloningmap-based cloning）-经典正向遗传学鉴定经典正向遗传学鉴定基因的方法基因的方法Map-based Cloning summaryUse genetic techniques to find marker near geneGeneMarkerFind cosegregatin
30、g marker基于物理图发现更近的标记基于物理图发现更近的标记Gene/MarkerDiscover overlapping clones (or contig) that contains the markerGene/MarkerFind condidate ORFs on contig/clone测序测序Gene/MarkerProve one ORF is the gene by transformation or mutant analysisMutant + ORF = Wild type?Yes? ORF = Gene遗传图遗传图物理图物理图Marker功能互补实验（功能互补实
31、验（Functional complementation）是确定基因功能的重要方法。是确定基因功能的重要方法。首先得到某个性状的突变体，然后用候选基因在突变体中过首先得到某个性状的突变体，然后用候选基因在突变体中过量表达，如果突变性状得到恢复，说明突变性状与该候选基量表达，如果突变性状得到恢复，说明突变性状与该候选基因有关，从而明确基因功能。如果没有恢复，说明候选基因因有关，从而明确基因功能。如果没有恢复，说明候选基因可能与该性状无关，可以再实验其它基因。可能与该性状无关，可以再实验其它基因。Mutant + ORF = Wild type?Yes? ORF = Gene第四节第四节 突变发生
32、的机制突变发生的机制一、自发突变的机制一、自发突变的机制1、DNA复制错误复制错误自然条件下各种生物发生基因突变频率不高，可自然条件下各种生物发生基因突变频率不高，可保持生物保持生物遗传的相对稳定性，遗传的相对稳定性，但不利于生物的育种工作。但不利于生物的育种工作。2 2、自发的化学变化、自发的化学变化B、脱氨基、脱氨基导致导致GC ATC C、DNA oxidationIt is the process of oxidative damage on Deoxyribonucleic Acid. Reactive oxygen species (ROS) are an unavoidable
33、by-product of aerobic metabolism and cause both base damage and strand breaks.It occurs residues due to the high oxidation potential of this base relative to cytosine, thymine, and adenine. It is widely believed to be linked to certain disease and cancers.8-OH-dG可和可和A A错配错配导致导致G GC CA AT T。3、互变异构化、互
34、变异构化一个分子向它的同分异构体的变化。一个分子向它的同分异构体的变化。DNA中的中的4种碱基各自的异构体间都可以自发地相互变种碱基各自的异构体间都可以自发地相互变化化(例如烯醇式与酮式碱基间的互变例如烯醇式与酮式碱基间的互变)，这种变化就会使，这种变化就会使碱基配对间的氢键改变，可使胸腺嘧啶能配上鸟嘌呤，碱基配对间的氢键改变，可使胸腺嘧啶能配上鸟嘌呤，腺嘌呤能配上胞嘧啶等腺嘌呤能配上胞嘧啶等.如果这些错配发生在如果这些错配发生在DNA复制时，就会造成子复制时，就会造成子代代DNA序列与亲代序列与亲代DNA之间出现碱基替换。之间出现碱基替换。AT (酮式酮式)GT (烯醇式烯醇式)二、诱发突变
35、二、诱发突变穆勒和斯特德勒穆勒和斯特德勒（19271927）用用X X射线射线研究人工诱变，证实人工研究人工诱变，证实人工诱发基因突变可以诱发基因突变可以大大提高大大提高突变率。突变率。物理因素：物理因素：各种电离、非电离辐射。各种电离、非电离辐射。电离辐射电离辐射如如X X射线、射线、射线、射线、射线、射线、射线、中子等除产生热能、激发射线、中子等除产生热能、激发原子，还能使原子原子，还能使原子“电离电离”，诱使，诱使基因发生突变。基因发生突变。非电离辐射如紫外线，可以产生热可以产生热能，使原子能，使原子“激发激发”(activation)(activation)辐射诱变的作用是随辐射诱变的
36、作用是随机的（无特异性）机的（无特异性）紫外线诱发临近胸腺嘧啶形成胸苷二聚体紫外线诱发临近胸腺嘧啶形成胸苷二聚体二聚体导致二聚体导致DNA双螺旋发生弯曲和纽结，直接影响双螺旋发生弯曲和纽结，直接影响DNA的的复制和转录中碱基的配对复制和转录中碱基的配对在太空中进行空间诱变是一项有效的人工诱变技术。在太空中进行空间诱变是一项有效的人工诱变技术。太空中大量存在着太空中大量存在着各种物理射线各种物理射线可诱发突变，可诱发突变，其它其它如如失重、超净、无地球磁场影响以及卫星发射和返回时剧烈失重、超净、无地球磁场影响以及卫星发射和返回时剧烈震动等因素也是产生诱变的重要原因。震动等因素也是产生诱变的重要原
37、因。上述上述诱变因素的共同作用诱变因素的共同作用也会影响诱变效果。也会影响诱变效果。 目前国外主要侧重研究突变体生理生化和诱变机理，国内目前国外主要侧重研究突变体生理生化和诱变机理，国内主要研究形态学和新品种的选育。主要研究形态学和新品种的选育。我国我国已在已在水稻水稻、辣椒辣椒等作物中选育出新品种，获得不少优等作物中选育出新品种，获得不少优良突变体（品种）。良突变体（品种）。化学因素诱变的历史较晚：化学因素诱变的历史较晚： Auerbach Auerbach 和和Robson(1941)Robson(1941)第一次发现第一次发现芥子气芥子气可诱发基因可诱发基因突变；突变； Oehlkers
38、(1943)Oehlkers(1943)第一次发现第一次发现氨基甲酸乙酯氨基甲酸乙酯（NHNH2 2COOCCOOC2 2H H5 5）可诱发染色体结构变异。可诱发染色体结构变异。 化学药物的诱变作用与电离辐射不同，某些化学药物的化学药物的诱变作用与电离辐射不同，某些化学药物的诱变作用具有一定的特异性诱变作用具有一定的特异性。一定性质的药物可以诱发特定类型变异。利用化学药物进一定性质的药物可以诱发特定类型变异。利用化学药物进行行定向诱变定向诱变。A、例如例如5BU结构与胸腺结构与胸腺嘧啶十分相近，酮式结构与烯嘧啶十分相近，酮式结构与烯醇式结构的变化导致在醇式结构的变化导致在DNA复制时复制时A
39、：T转换为转换为G：C。B、 2-2-氨基嘌呤氨基嘌呤(2-AP)(2-AP)也是碱也是碱基的类似物，当基的类似物，当2-AP2-AP掺入到掺入到 DNADNA复制中时，由于其异构体的复制中时，由于其异构体的变换而导致变换而导致ATAT变成变成 G C G C（2）碱基的修饰剂碱基的修饰剂A、亚硝酸亚硝酸（introus acid, NA）有氧化脱氨作用，可使）有氧化脱氨作用，可使C和和A脱氨后分别产生脱氨后分别产生U和次黄嘌呤和次黄嘌呤H（和（和C配对），产生了转换，配对），产生了转换，使使C G转换成转换成A T，A T转换成转换成G CB、羟胺羟胺只特异地和胞嘧啶起反应，在第只特异地和胞
40、嘧啶起反应，在第4个个C原子上加原子上加-OH，产生，产生4-OH-C，此产物可以和，此产物可以和A 配对，使配对，使C G转换成转换成T AC、烷化剂对、烷化剂对DNA的损伤的损伤烷化剂是一类亲电子的化合物，含有活性烷基，例如甲基烷化剂是一类亲电子的化合物，含有活性烷基，例如甲基磺酸乙酯（磺酸乙酯（EMS）、硫酸二乙酯（）、硫酸二乙酯（DES）、氮芥（）、氮芥（EM）等。）等。烷化剂的作用可使烷化剂的作用可使DNA发生各种类型的损伤。发生各种类型的损伤。烷化剂的作用主要是通过烷化作用改变基因的分子烷化剂的作用主要是通过烷化作用改变基因的分子结构，从而造成基因突变。结构，从而造成基因突变。烷化
41、作用：通过烷基置烷化作用：通过烷基置换其它分子上的氢原子的作用。换其它分子上的氢原子的作用。甲基磺酸乙酯甲基磺酸乙酯 EMS硫酸二乙酯硫酸二乙酯 DES 氮芥氮芥2003 年年 8月齐齐哈尔月齐齐哈尔“84中毒事件中毒事件” ，经我国防化专家确认，经我国防化专家确认是侵华日军遗弃的芥子气毒剂是侵华日军遗弃的芥子气毒剂(化学式为：化学式为：C4H8Cl2S)所致。所致。 ClCH2CH2SCH2CH2Cl 芥子气芥子气a.烷基化改变配对关系。如鸟嘌呤被烷化后改与胸腺嘧啶配烷基化改变配对关系。如鸟嘌呤被烷化后改与胸腺嘧啶配对，结果会使对，结果会使G：C转变成转变成A：T。b.烷基化造成碱基脱落。烷
42、化鸟嘌呤的碱基容易脱落形成烷基化造成碱基脱落。烷化鸟嘌呤的碱基容易脱落形成DNA上无碱基的位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成上无碱基的位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。序列的改变。c.断链断链DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷化链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷化，结果形成不稳定，结果形成不稳定的磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使的磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断裂。链断裂。d.交联交联烷化剂有两类，一类是单功能基烷化剂（甲基甲烷碘酸），烷化剂有两类，一类是单功能基烷化剂（甲基甲烷碘酸），只能使一个位点烷基化；另一类是双功能基烷化剂，如氮芥，只能使一个位点烷基
43、化；另一类是双功能基烷化剂，如氮芥，一些抗癌药物如环磷酰胺，某些致癌物如二乙基亚硝胺，其一些抗癌药物如环磷酰胺，某些致癌物如二乙基亚硝胺，其两个功能基可同时使两处烷基化，结果就能造成两个功能基可同时使两处烷基化，结果就能造成DNA链内及链内及链间的交联，影响复制、转录等过程。链间的交联，影响复制、转录等过程。（3） DNA嵌入剂嵌入剂UUU AAA CCCAUU UAA ACC C.UUU AAC CC.丫啶类染料是造成移码突变的一种诱变剂。丫啶类染料是造成移码突变的一种诱变剂。移码突变对遗传信息的影响很大。移码突变对遗传信息的影响很大。3 3、基因的定点突变、基因的定点突变用人工合成引入在用
44、人工合成引入在DNADNA序列上某一点或某几点上碱基顺序改变序列上某一点或某几点上碱基顺序改变的突变。的突变。（1）寡核苷酸诱导的基因定点突变）寡核苷酸诱导的基因定点突变（2 2）双引物）双引物技术进行基因技术进行基因的定点突变的定点突变4、Hot spots of mutation突变热点的成因：突变热点的成因：1)1) 在在CGCG二核苷酸对上二核苷酸对上C C常发生甲基化，形成常发生甲基化，形成5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶（MeCMeC），MeCMeC脱氨可以形成脱氨可以形成T T，一般不被修复，所以在，一般不被修复，所以在DNADNA复复制中就造成了制中就造成了G:CG:C转换为转换为
45、A:TA:T。2)2)一些单或寡核苷酸重复序列也容易发生基因突变，形成突一些单或寡核苷酸重复序列也容易发生基因突变，形成突变热点。变热点。Certain DNA sequences are called mutational hot spots because of they are more likely to undergo mutation than others.三、三、 表观遗传变异表观遗传变异以上的变异均涉及了遗传物质以上的变异均涉及了遗传物质DNA序列的改变。序列的改变。差异的基因差异的基因表达模式表达模式Genetically identical cells or indivi
46、dualsDifferent epigenetic modifications leading to different expression patternsdifferent phenotype表观遗传变异表观遗传变异 (Epigenetic variation) (Epigenetic variation)基因组中某些调控因子虽然不改变基因序列，但是可以调控其基因组中某些调控因子虽然不改变基因序列，但是可以调控其它基因功能的可遗传的变异类型。分子机制主要包括它基因功能的可遗传的变异类型。分子机制主要包括DNADNA甲基甲基化；化；RNARNA干扰；组蛋白修饰与染色质改型。干扰；组蛋白修饰
47、与染色质改型。表观基因组学表观基因组学(epigenomics)(epigenomics)是在基因组水平上研究表观遗传变异的科学。是在基因组水平上研究表观遗传变异的科学。 表观遗传学（表观遗传学（Epigenetics) Epigenetics) 是研究非是研究非DNADNA突变引起的可遗传表型变异的科学。突变引起的可遗传表型变异的科学。( (not dependent on the DNA sequence itself, but rather on factors that regulate DNA activity).Literally, epigenetics means above,
48、 or on top of, genetics. Usually this means information coded beyond the DNA sequence, such as in covalent modifications to the DNA or modifications to the chromatin structure.TranscriptionEpigenetic SilencingXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXIn female mammals, one copy of the X chromosome in each cell is e
49、pigenetically inactivated. A female cat that is heterozygous for the orange gene shows black and orange patches, corresponding to which X chromosome is active.Epigenetic programming in plants helps control developmental transitionsEmbryonic developmentVegetative developmentReproductive developmentVe
50、getative to reproductive transitionEmbryonic to vegetative transition1、Epigenetic covalent modification， include:Cytosine methylation of DNA，Histone modifications1）DNA methylation and demethylationcytosine5-methylcytosineMethyltransferaseDNA can be covalently modified by cytosine methylation. Epigen
