1、不同皮色的老鼠不同皮色的老鼠各种白化动物各种白化动物11.1 基因突变的一般特征基因突变的一般特征11.2 基因突变与性状表现基因突变与性状表现11.3 基因突变的鉴定基因突变的鉴定11.4 动态突变动态突变11.5 基因突变的分子基础基因突变的分子基础11.6 人工创造突变体人工创造突变体第十一章第十一章 基因突变与人工创造突变体基因突变与人工创造突变体孟德尔遗传以及连锁遗传中论述的可遗传变异均是由于孟德尔遗传以及连锁遗传中论述的可遗传变异均是由于基因重组基因重组的结果，不是的结果，不是基因基因本身发生了本身发生了质的变化质的变化。如：黄子叶、园粒如：黄子叶、园粒 绿子叶、皱粒绿子叶、皱粒
2、黄、园，黄、皱，绿、园，绿、皱黄、园，黄、皱，绿、园，绿、皱本章讨论染色体上本章讨论染色体上基因发生改变基因发生改变。11.1 基因突变的一般特征基因突变的一般特征基因突变的概念基因突变的概念自发突变的随机性和不定向性自发突变的随机性和不定向性基因突变的可逆性和重演性基因突变的可逆性和重演性基因突变的多方向性和复等位基因基因突变的多方向性和复等位基因基因突变的有害性和有利性基因突变的有害性和有利性基因突变的平行性基因突变的平行性突变的概念突变的概念基因突变：基因突变：（gene mutation）是指基因的核苷酸序列）是指基因的核苷酸序列（包括（包括编码序列编码序列及其及其调控序列调控序列）发
3、生了改变。）发生了改变。De Vries首先提出首先提出“突变突变”一词一词1910年年Morgan TH 首先在果蝇中发现基因突变首先在果蝇中发现基因突变1927年年Muller HJ首次用首次用X X射线诱发了基因突变射线诱发了基因突变 突变体（突变体（mutant）或称突变型）或称突变型。带有突变（或改。带有突变（或改变的）基因的细胞或个体。变的）基因的细胞或个体。突变率（突变率（mutation rate）的估算）的估算突变率的估算因生物生殖方式而不同：突变率的估算因生物生殖方式而不同：有性生殖的生物有性生殖的生物：用每一配子发生突变的概率，用每一配子发生突变的概率，即用一定数目配子中
4、的突变配子数表示。即用一定数目配子中的突变配子数表示。高等生物中的自发突变率一般为高等生物中的自发突变率一般为1010-10-10-10-10-5-5，即在即在1010万到万到1 1亿个配子中可能有一个突变发生。亿个配子中可能有一个突变发生。玉米、果蝇、人玉米、果蝇、人：自发突变率为：自发突变率为1010-6-6-1010-5-5，即在十万至一百万个配子中只有一个发生突即在十万至一百万个配子中只有一个发生突变，可见自然突变的频率很低。变，可见自然突变的频率很低。老鼠老鼠：自发突变率：自发突变率1010-5-5-1010-4-4无性繁殖的细菌无性繁殖的细菌。用每一细胞世代中每一细。用每一细胞世代
5、中每一细菌发生突变的菌发生突变的概率概率，即用一定数目的细菌在分，即用一定数目的细菌在分裂一次过程中发生突变的次数表示。裂一次过程中发生突变的次数表示。举例：大肠杆菌举例：大肠杆菌 链霉素抗性基因链霉素抗性基因strstrR R为为4 41010-10-10 乳糖发酵基因乳糖发酵基因laclac-为为2 21010-7-7 病毒与细菌基因平均自发突变率为病毒与细菌基因平均自发突变率为1010-8-8基因突变的时期基因突变的时期 时期时期 在任何时期都可发生，即体细胞和性细胞在任何时期都可发生，即体细胞和性细胞都能发生突变。基因突变通常是都能发生突变。基因突变通常是独立发生独立发生的。的。体细胞
6、和性细胞突变频率体细胞和性细胞突变频率 性细胞的突变频率比体细胞高，这是因为性细胞的突变频率比体细胞高，这是因为性细胞在减数分裂末期对外界环境条件具有较性细胞在减数分裂末期对外界环境条件具有较大的敏感性。大的敏感性。性细胞和体细胞突变的传递与表现性细胞和体细胞突变的传递与表现 性细胞性细胞 如果是显性突变如果是显性突变aaAa，可通过受精过程传递，可通过受精过程传递给后代，并立即表现出来。给后代，并立即表现出来。如果是隐性突变如果是隐性突变AAAa，当代不表现，只有等，当代不表现，只有等到第二代突变基因处于纯合状态才能表现出来。到第二代突变基因处于纯合状态才能表现出来。体细胞体细胞 显性突变，
7、当代表现，同原来性状并存，形显性突变，当代表现，同原来性状并存，形成嵌合体。突变越早，范围越大，反之越小。成嵌合体。突变越早，范围越大，反之越小。果树上许多果树上许多“芽变芽变”就是体细胞突变引起的，就是体细胞突变引起的，一旦发现要及时扦插、嫁接或组培加以繁殖保一旦发现要及时扦插、嫁接或组培加以繁殖保留。留。“芽变芽变”在育种上很重要，有不少新品种在育种上很重要，有不少新品种是通过芽变选育出来的，如温州早桔就是源于是通过芽变选育出来的，如温州早桔就是源于温州密桔的芽变。温州密桔的芽变。一、基因突变具有随机性和不定向性一、基因突变具有随机性和不定向性自发突变自发突变 自发突变自发突变（spont
8、aneous mutation）是在无人工干预条是在无人工干预条件下，自然发生的基因突变。件下，自然发生的基因突变。自发突变具有自发突变具有不定向不定向而且是而且是随机发生随机发生的特征。的特征。突变是突变是不定向的，随机的不定向的，随机的，只有，只有选择才是定向的选择才是定向的，群体中某基因，群体中某基因的定向改变是由特定的选择因素的作用造成的，并非生物的定向改变是由特定的选择因素的作用造成的，并非生物体的定向变异的结果。例如，体的定向变异的结果。例如，细菌的抗性突变与所接触的细菌的抗性突变与所接触的抗生素药物或噬菌体无关，药物或噬菌体只是以一种自发抗生素药物或噬菌体无关，药物或噬菌体只是以
9、一种自发突变体的选择因子在起作用。突变体的选择因子在起作用。二、突变的重演性和可逆性二、突变的重演性和可逆性 重演性重演性 同一突变可以在同一突变可以在同种生物的不同个体间同种生物的不同个体间多次多次发生，称突变的重演性。下表列举玉米子粒的发生，称突变的重演性。下表列举玉米子粒的7 7个个基因的前基因的前6 6个在多次试验中都出现过类似的突变。个在多次试验中都出现过类似的突变。野生型野生型wild type 突变型突变型mutant 可逆性可逆性正向突变正向突变Forword mutation回复突变回复突变Back mutation正反突变的频率不一，一般正反突变的频率不一，一般正向正向回复
10、回复,这是因这是因为一个正常野生型的基因内部许多位点上的分为一个正常野生型的基因内部许多位点上的分子结构，都可能发生改变而导致基因突变；但子结构，都可能发生改变而导致基因突变；但是一个突变基因内部却只有那个被改变了的结是一个突变基因内部却只有那个被改变了的结构恢复原状，才是真正意义上的回复突变。构恢复原状，才是真正意义上的回复突变。三、突变的多方向性和复等位基因三、突变的多方向性和复等位基因多方向性多方向性 Aa，Aa1，Aa2，复等位基因复等位基因multiple alleles 定义：位于同一基因座位上的定义：位于同一基因座位上的3个或个或3个以上的个以上的基因称为基因称为复等位基因复等位
11、基因。如上，如上，A、a1、a2、an彼此组成一对等位基因，彼此组成一对等位基因，它们全体组成复等位基因。它们全体组成复等位基因。复等位基因存在于同一类型的不同个体里复等位基因存在于同一类型的不同个体里 如如AA，Aa1，a2 a3，aman 举例：烟草自交不亲和性有举例：烟草自交不亲和性有15个复等位基因，个复等位基因，S1 S2 S15 四、突变的有害性和有利性四、突变的有害性和有利性 有害性有害性 大多数是有害的大多数是有害的 致死突变致死突变 lethal mutation 例：例：植物的白化突变植物的白化突变 绿株绿株WW 绿株绿株Ww 1WW:2Ww:1ww 3绿苗绿苗:1白苗白苗
12、(死亡死亡)多数为隐性致死（多数为隐性致死（recessive lethal），也有少数显），也有少数显性致死（性致死（dominant lethal）。）。伴性致死伴性致死（sex-linked lethal）即致死突变发生在性染色体上。即致死突变发生在性染色体上。中性突变中性突变 neutral mutation 控制一些次要性状基因，即使发生突变，也不会控制一些次要性状基因，即使发生突变，也不会影响生物的正常生理活动，因而仍能保持其正常的影响生物的正常生理活动，因而仍能保持其正常的生活力和繁殖力，为自然选择保留下来。称为中性生活力和繁殖力，为自然选择保留下来。称为中性突变，如水稻芒的有无
13、、籽粒颜色等。突变，如水稻芒的有无、籽粒颜色等。突变的有害有利性的相对性突变的有害有利性的相对性 突变的有害性是相对的，在一定条件下可以转化，突变的有害性是相对的，在一定条件下可以转化，如矮杆突变体：刚开始出现时在群体中呈劣势；但如矮杆突变体：刚开始出现时在群体中呈劣势；但育成品种后在高肥、多风条件下种植则具有竞争优势育成品种后在高肥、多风条件下种植则具有竞争优势昆虫残翅突变体：一般条件下有害突变；在多风海昆虫残翅突变体：一般条件下有害突变；在多风海岛却可避免被飓风刮走而利于生存岛却可避免被飓风刮走而利于生存五、突变的平行性五、突变的平行性 定义定义 亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往往
14、发生亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往往发生相似的基因突变，相似的基因突变，称突变的平行性称突变的平行性。意义意义 当了解到一个物种或属内具有那些变异类型，就能预当了解到一个物种或属内具有那些变异类型，就能预见近缘的其他物种或属也同样存在相似的变异类型。见近缘的其他物种或属也同样存在相似的变异类型。11.2 基因突变与性状表现基因突变与性状表现一、显性突变和隐性突变的表现一、显性突变和隐性突变的表现 显性突变显性突变 表现表现早早纯合纯合慢慢，当代（第一代）就能表现，第，当代（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，如图。二代能纯合，而检出纯合突变体则需到第三代，如
15、图。显性突变的表现 dd第1代（M1）Dd第2代（M2）1DD：2Dd:1dd第3代（M3）DD 1DD:2Dd:1dd dd自交自交自交自交突变发生突变发生 体细胞显性突变，当代以嵌合体表现，要选出体细胞显性突变，当代以嵌合体表现，要选出纯合体，须通过有性繁殖自交两代。纯合体，须通过有性繁殖自交两代。隐性突变 表现得晚纯合快，第二代表现，第二代纯合，检出在第二代。隐性突变的表现 DD第1代（M1）Dd第2代（M2）1DD：2Dd:1dd自交自交突变发生突变发生 体细胞隐性突变，当代不表现，要使其表现只体细胞隐性突变，当代不表现，要使其表现只需有性繁殖自交一代。需有性繁殖自交一代。突变的表现与
16、植物繁殖方式突变的表现与植物繁殖方式 自花授粉作物，只要自交即可分离出来，自花授粉作物，只要自交即可分离出来，异花授粉作物，要进行人工自交或互交异花授粉作物，要进行人工自交或互交 ，否，否则长期保持异质。则长期保持异质。二、大突变和微突变的表现二、大突变和微突变的表现大突变大突变 突变效应表现明显，容易识别。突变效应表现明显，容易识别。质量性状的突质量性状的突变大都属之。变大都属之。微突变微突变 效应表现微小，较难察觉效应表现微小，较难察觉。数量性状的突变属之。数量性状的突变属之。微突变可以积累微突变可以积累大的变化大的变化 微突变中出现的有利突变微突变中出现的有利突变大突变。所以在育种大突变
17、。所以在育种工作中要特别注意微突变的分析和选择，在注意大工作中要特别注意微突变的分析和选择，在注意大突变的同时，也应重视微突变。突变的同时，也应重视微突变。11.3 基因突变的鉴定基因突变的鉴定 突变发生的鉴定突变发生的鉴定 经经诱变产生的变异诱变产生的变异是否是否属于真实的基因突变，属于真实的基因突变，是显性突变还是隐性突变、突变频率的高低，都是显性突变还是隐性突变、突变频率的高低，都应进行鉴定。应进行鉴定。由由基因发生某种化学变化而引起的变异是可基因发生某种化学变化而引起的变异是可遗传遗传，而由一般环境条件导致的变异是不遗传的。，而由一般环境条件导致的变异是不遗传的。一、植物基因突变的鉴定
18、一、植物基因突变的鉴定例：高秆例：高秆矮秆，矮秆，其原因其原因：有基因突变而引起；有基因突变而引起；因土壤瘠薄或遭受病虫为害而生长不良等。因土壤瘠薄或遭受病虫为害而生长不良等。鉴定方法：鉴定方法：可将变异体与原始亲本在可将变异体与原始亲本在同一栽培条件同一栽培条件下比较。下比较。高秆高秆矮秆矮秆后代为高秆，则不是突变，由环境引起；后代为高秆，则不是突变，由环境引起；自交自交 后代仍为矮秆，则是基因突变引起的。后代仍为矮秆，则是基因突变引起的。显隐性的鉴定显隐性的鉴定显性显性突变和突变和隐性隐性突变的区分，可利用杂交试验突变的区分，可利用杂交试验加以鉴定。如：加以鉴定。如：突变体突变体矮秆株矮秆
19、株原始品种原始品种(高高)F1高秆高秆自交自交F2有高秆、也有矮秆，有高秆、也有矮秆，说明该突变属于说明该突变属于隐性突变隐性突变 突变率的测定突变率的测定 花粉直感花粉直感(胚乳直感）法估算配子的突变率胚乳直感）法估算配子的突变率举例：测定玉米籽粒由举例：测定玉米籽粒由Su su的突变率。的突变率。利用甜粒玉米利用甜粒玉米susususu为母本、诱变处理的非甜玉米为母本、诱变处理的非甜玉米SuSuSuSu为父本进行杂交，理论上为父本进行杂交，理论上F F1 1果穗上都应为非甜，但果穗上都应为非甜，但2 2万粒中却出现个别甜粒（万粒中却出现个别甜粒（2 2粒），这说明父本的粒），这说明父本的2
20、 2万粒花万粒花粉中有粉中有2 2粒花粉的基因由粒花粉的基因由Su su，说明基因，说明基因SuSu的突变率的突变率为万分之一。为万分之一。花粉直感：两个相异的植株杂交，当代所结籽粒即表现花粉直感：两个相异的植株杂交，当代所结籽粒即表现 父本性状的现象父本性状的现象植株测定法植株测定法 根据根据M M2 2出现的突变体占观察总个体数的比出现的突变体占观察总个体数的比例来估算。如例来估算。如M M2 2群体中群体中1010万个观察个体数中出万个观察个体数中出现现5 5个突变体，突变率为十万分之五。个突变体，突变率为十万分之五。二、二、真菌生化突变的鉴定真菌生化突变的鉴定（一）红色面包霉的生化突变
21、型（一）红色面包霉的生化突变型 几个基本概念几个基本概念 生化突变生化突变：由于诱变因素的影响导致生物代谢功：由于诱变因素的影响导致生物代谢功能的变异。能的变异。营养缺陷型（营养缺陷型（auxotroph）：诱变导致生物丧失了）：诱变导致生物丧失了合成某种生活物质的能力，需在特定的营养下才能生长。合成某种生活物质的能力，需在特定的营养下才能生长。野生型或原养型（野生型或原养型（prototroph）基本培养基：基本培养基：野生型可在这种培养基因生长。野生型可在这种培养基因生长。水水+无机盐无机盐(硫酸盐、硝酸盐等硫酸盐、硝酸盐等)+糖类糖类(葡萄糖或蔗糖葡萄糖或蔗糖)+微量微量生物素生物素(V
22、B的一种的一种)。完全培养基：完全培养基：各种突变型可以在这种培养基生长。各种突变型可以在这种培养基生长。基本培养基基本培养基+多种氨基酸多种氨基酸+多种维生素多种维生素红色面包霉的突变型：红色面包霉的突变型：红色面包霉红色面包霉合成其生活所需物质合成其生活所需物质一系列生化过程一系列生化过程每一每一过程过程由由一定的基因所控制。一定的基因所控制。只要综合分析大量的生化突变资料只要综合分析大量的生化突变资料可阐明有关基因的功能可阐明有关基因的功能及其作用的程序。及其作用的程序。1.Beadle1.Beadle红色面包霉的生化突变型红色面包霉的生化突变型 野生型：基本培养基野生型：基本培养基 突
23、变型突变型(a)(a)：基本培养基：基本培养基+精氨酸精氨酸 突变型突变型(c)(c)：基本培养基：基本培养基+瓜氨酸瓜氨酸(精氨酸精氨酸)突变型突变型(o)(o)：基本培养基：基本培养基+鸟氨酸鸟氨酸(精或精或瓜瓜)2.2.推理推理 红色面包霉在合成它生活所需物质时，要经过一系红色面包霉在合成它生活所需物质时，要经过一系列的生化过程，而每一个系列化过程又由一定的基因所列的生化过程，而每一个系列化过程又由一定的基因所控制。控制。图中图中表示不添加某物质，表示不添加某物质，表示不能生长，表示不能生长，表示在添加某物质的培养基上可生长表示在添加某物质的培养基上可生长根据以上实验，可以推论精氨酸的合
24、成步骤为：根据以上实验，可以推论精氨酸的合成步骤为：前体前体鸟氨酸鸟氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨酸精氨酸 蛋白质蛋白质 由此可以看出，从鸟由此可以看出，从鸟 精的合成至少需要精的合成至少需要A、C、O三个基三个基因，其中一个基因发生突变，精氨酸是不会合成的，这个实验因，其中一个基因发生突变，精氨酸是不会合成的，这个实验证明了基因与新陈代谢的关系。证明了基因与新陈代谢的关系。Beadle 1941年根据这个实验研年根据这个实验研究，阐明基因是通过酶的作用来控制性状的，于是提出究，阐明基因是通过酶的作用来控制性状的，于是提出“一个一个基因一个酶基因一个酶”的假说，把基因与性状两者联系起来。的假说，把基
25、因与性状两者联系起来。前体前体 鸟氨酸鸟氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨酸精氨酸 蛋白质蛋白质基因基因O酶酶I基因基因C酶酶II基因基因A酶酶III（二）（二）红色红色面包霉生化面包霉生化突变的鉴定突变的鉴定方法方法图片引自图片引自Klug and Cummings，2002三、三、果蝇突变体的鉴定果蝇突变体的鉴定 果蝇果蝇X染色体上隐性突变的检出染色体上隐性突变的检出 ClB法法 并连并连X染色体法（自学）染色体法（自学）果蝇常染色体突变的检出果蝇常染色体突变的检出平衡致死法平衡致死法ClB法：法：Cross over suppressor-lethal-Bar techniqueClB果蝇：倒位杂
26、合的雌果蝇果蝇：倒位杂合的雌果蝇 一条一条X染色体正常，染色体正常，另一条另一条X染色体是倒位染色体染色体是倒位染色体ClBC:起起抑制交换作用的倒位区段抑制交换作用的倒位区段，可阻止，可阻止ClB染色体和待测定染染色体和待测定染色体之间的交换色体之间的交换l：该倒位区段内的一个：该倒位区段内的一个隐性致死基因，纯合隐性致死隐性致死基因，纯合隐性致死B：倒位区段外的一个：倒位区段外的一个16区区A段的重复区段，其表型是段的重复区段，其表型是显性棒眼显性棒眼果蝇果蝇X染色体上隐性突变的检出染色体上隐性突变的检出ClB法法ClB法测定法测定X染色体上的隐性突变染色体上的隐性突变辐射处理雄果蝇辐射处
27、理雄果蝇选择选择F1的棒眼雌果蝇的棒眼雌果蝇与正常雄果蝇单对杂交与正常雄果蝇单对杂交 先用不同剂量的先用不同剂量的X射线处理野生型雄蝇，因为精子只带一条射线处理野生型雄蝇，因为精子只带一条X染色体，染色体，如果这条如果这条X染色体受到辐射影响，整个配子就受到影响。然后和带有染色体受到辐射影响，整个配子就受到影响。然后和带有ClB 杂合的雌蝇交配，在其杂合的雌蝇交配，在其F1 中会产生中会产生2雌：雌：1雄，这雄，这1 3的雄蝇的雄蝇只能是野生型，而在雌蝇中，却有两种，一种带有只能是野生型，而在雌蝇中，却有两种，一种带有ClB，另一种是野生型。，另一种是野生型。此后，将带有此后，将带有ClB的的
28、F1 雌蝇挑选出来以备测交。因为这样的雌蝇中的一雌蝇挑选出来以备测交。因为这样的雌蝇中的一条条X染色体是来自未被照射的母本的染色体是来自未被照射的母本的ClB，另一条必定来自照射过的父本。，另一条必定来自照射过的父本。如果这条如果这条X染色体产生了一个新的致死突变基因染色体产生了一个新的致死突变基因l，而这个，而这个l基因一般不基因一般不可能正好与可能正好与ClB的致死基因的致死基因l具有等位性，何况它们如果是等位基因的话，具有等位性，何况它们如果是等位基因的话，卵子受精后就成为纯合子而死亡。将这些准备测交的雌蝇一对一地与卵子受精后就成为纯合子而死亡。将这些准备测交的雌蝇一对一地与F1 正常的
29、雌雄交配。在下一代中，如果没有雄蝇出现，则表明发生了新的正常的雌雄交配。在下一代中，如果没有雄蝇出现，则表明发生了新的隐性致死突变，否则后代的性别比例应为隐性致死突变，否则后代的性别比例应为2雌：雌：1雄。雄。检查每一个单对杂交的结果，一方面可以得到隐性突变，特别是致检查每一个单对杂交的结果，一方面可以得到隐性突变，特别是致死突变是否发生的信息，另一方面可以计算某一剂量的死突变是否发生的信息，另一方面可以计算某一剂量的X射线在射线在X染色体染色体上造成致死突变的概率。上造成致死突变的概率。果蝇果蝇X染色体上隐性突变的检出染色体上隐性突变的检出ClB法法果蝇果蝇2号染色体的平衡致死系号染色体的平
30、衡致死系同源染色体的一个成员：同源染色体的一个成员：有一个有一个Cy卷翅基因，卷翅基因，对正常翅是显性，但在致死作用上是隐对正常翅是显性，但在致死作用上是隐性的，即性的，即Cy Cy 纯合致死。而且存在一个纯合致死。而且存在一个大片段的倒位，大片段的倒位，Cy在倒位区段内，可以在倒位区段内，可以抑制重组发生。抑制重组发生。同源染色体的另一成员：同源染色体的另一成员：有一个有一个S基因，星基因，星状眼，对正常眼是显性，状眼，对正常眼是显性，SS 纯合致死。纯合致死。该平衡致死系只能以该平衡致死系只能以双杂合体双杂合体存在。品系内存在。品系内个体间相互交配后，只出现一种与亲代个体间相互交配后，只出
31、现一种与亲代完全一样的后代，表型是卷翅、星状眼。完全一样的后代，表型是卷翅、星状眼。果蝇常染色体突变的检出果蝇常染色体突变的检出平衡致死法平衡致死法 SCy SCy S SCy Cy SCy SCy SCy Cy S致死致死致死致死利用这样的永久杂种检测第利用这样的永久杂种检测第2染色体上的突变基因时，先将该品系的染色体上的突变基因时，先将该品系的雌蝇和待测的雄蝇杂交，在雌蝇和待测的雄蝇杂交，在F1 挑选卷翅雄体挑选卷翅雄体再与该品系的雌体作再与该品系的雌体作单单对交配对交配，分别饲养。在，分别饲养。在F2 选取卷翅的雌雄个体相互交配。选取卷翅的雌雄个体相互交配。到到F3 可出现以下情况：可出
32、现以下情况：如被检测的第如被检测的第2染色体不带有致死突变，则有染色体不带有致死突变，则有13左右的野生型出现左右的野生型出现 如被检测的第如被检测的第2染色体带有致死突变，则染色体带有致死突变，则F3 全部是卷翅果蝇。全部是卷翅果蝇。如发生可见的隐性突变，还有如发生可见的隐性突变，还有13左右的突变型左右的突变型（正常翅）（正常翅）果蝇常染色体突变的检出果蝇常染色体突变的检出平衡致死法平衡致死法动态突变及其机制动态突变及其机制动态突变与人类疾病动态突变与人类疾病11.4 动态突变（动态突变（dynamic mutation）动态突变及其机制动态突变及其机制动态突变（动态突变（dynamic
33、mutation）是在基因的编码区、是在基因的编码区、3或或5UTR、启动子区、内含子区出现启动子区、内含子区出现三核苷酸重复三核苷酸重复，及其他长短不等的小卫及其他长短不等的小卫星、微卫星序列星、微卫星序列的重复拷贝数，在减数分裂或体细胞的有丝分裂的重复拷贝数，在减数分裂或体细胞的有丝分裂过程中发生扩增而造成遗传物质的不稳定状态。过程中发生扩增而造成遗传物质的不稳定状态。三核苷酸重复，如三核苷酸重复，如(CAG)n、(CCG)n、(CTG)n、(CGG)n等的重等的重复数复数（n）不断增加使拷贝数改变后的基因的可突变性）不断增加使拷贝数改变后的基因的可突变性（mutability）不同于拷贝
34、数改变前的基因。不同于拷贝数改变前的基因。这类特殊的突变可造成基因这类特殊的突变可造成基因功能丧失功能丧失或或获得异常改变的产物获得异常改变的产物，从，从而导致人类的多种疾病。而导致人类的多种疾病。可能原因：可能原因：重复序列诱发的重复序列诱发的复制滑动复制滑动(replication slippage)，即模板链及其拷，即模板链及其拷贝发生位置的相对移动，即滑动错配，其结果使部分模板被重复贝发生位置的相对移动，即滑动错配，其结果使部分模板被重复复制或被遗漏，造成新的多聚核苷酸拥有或多或少的重复单位。复制或被遗漏，造成新的多聚核苷酸拥有或多或少的重复单位。动态突变与人类疾病动态突变与人类疾病与
35、动态突变有关的人类疾病具有下列特征：与动态突变有关的人类疾病具有下列特征：除了都具有三核苷酸重复数目的异常增加外，致病基因序列之间没除了都具有三核苷酸重复数目的异常增加外，致病基因序列之间没有同源性。例如，有同源性。例如，(CAG)n扩增引起的导致的脊髓小脑共济失调，扩增引起的导致的脊髓小脑共济失调，各个基因都具有各个基因都具有(CAG)n 的拷贝扩增外，序列之间无同源性，提示的拷贝扩增外，序列之间无同源性，提示其内在功能各不相同；其内在功能各不相同；即使都是由即使都是由(CAG)n 扩增引起的疾病，但病变仅选择性地累及特定扩增引起的疾病，但病变仅选择性地累及特定的细胞；的细胞；遗传早现现象，
36、在同一家系中，随着致病基因在后续世代中的传递，遗传早现现象，在同一家系中，随着致病基因在后续世代中的传递，后代个体的发病年龄会越来越早，病情愈来愈严重。后代个体的发病年龄会越来越早，病情愈来愈严重。除了三核苷酸重复外，某些基因内的其他类型的多核苷酸重复的除了三核苷酸重复外，某些基因内的其他类型的多核苷酸重复的拷贝扩增也引起遗传病，拷贝扩增也引起遗传病，例如例如SCA 10基因第基因第9内含子中的内含子中的(ATTCT)n当当n为为10 22时，并不引发时，并不引发SCA10疾病，而上述疾病，而上述5核苷酸核苷酸重复次数达重复次数达4000余次时，余次时，SCA10发病。发病。动态突变与人类疾病
37、动态突变与人类疾病动态突变致病机制的假说（自学）动态突变致病机制的假说（自学）11.5 基因突变的分子基础基因突变的分子基础自发突变的原因：自发突变的原因：A.复制错误复制错误 B.碱基的异构体互变效应碱基的异构体互变效应 C.转座因子的插入转座因子的插入 D.自发的化学变化：脱嘌呤、脱氨基、生物体内活性自发的化学变化：脱嘌呤、脱氨基、生物体内活性 氧化剂对氧化剂对DNA的氧化损伤的氧化损伤诱变因素：诱变因素：A.化学诱变化学诱变 B.物理诱变物理诱变 C.生物学诱变生物学诱变一、突变的分子机制一、突变的分子机制（一）位点与基因座（一）位点与基因座 位点位点（site）：）：DNA（基因）上一
38、个核苷酸对，（基因）上一个核苷酸对，一个基因内不同位点的改变可以形成许多等位一个基因内不同位点的改变可以形成许多等位基因（复等位基因）。基因（复等位基因）。基因座基因座（locus）：指一个基因，包括数百个）：指一个基因，包括数百个数千个核苷酸对。一个基因座上的复等位基因数千个核苷酸对。一个基因座上的复等位基因是基因内部不同碱基改变的结果。是基因内部不同碱基改变的结果。（二）（二）突变的方式突变的方式（1）分子结构的改变）分子结构的改变 碱基替换：碱基替换：如如AAA（赖）（赖）GAA（谷）。包括：（谷）。包括：转换转换:transition,嘌呤与嘌呤或嘧啶与嘧啶之间的转换嘌呤与嘌呤或嘧啶与
39、嘧啶之间的转换 颠换颠换:transversion,嘌呤转换为嘧啶或嘧啶转换为嘌呤嘌呤转换为嘧啶或嘧啶转换为嘌呤 （2）移码）移码 frameshift 碱基缺失移码：碱基缺失移码：如如AAA（赖）（赖）CAC（组）（组）AAC（天）（天）AC 碱基插入移码：碱基插入移码：如如AAA(赖赖)AAC（天冬酰胺）（天冬酰胺）A镰刀型贫血症与点突变镰刀型贫血症与点突变 正常红细胞正常红细胞基因型基因型HbAHbA镰刀型红细胞镰刀型红细胞基因型基因型HbSHbS人的血红蛋白由2条链和2条链组成。镰刀型贫血症患者的链第6位的Glutamic acid 变成了Valine。谷氨酸的密码子为GAA 或GAG
40、，而缬氨酸的密码子为GUU、GUC、GUA、GUG。中间1个碱基的替换导致了1个氨基酸的改变，从而导致了镰刀型贫血症。图片引自图片引自Klug and Cummings，2002移码突变移码突变（三）自发突变的机制（三）自发突变的机制（1）自发损伤自发损伤常见的有常见的有脱嘌呤脱嘌呤和和脱氨基脱氨基作用。一个哺乳动物细胞在作用。一个哺乳动物细胞在37 培养培养20 h的细胞的细胞复制周期中，复制周期中，DNA 自发地脱落大约自发地脱落大约10 000个嘌呤碱基。个嘌呤碱基。（2）碱基的氧化损伤碱基的氧化损伤 活性氧化物活性氧化物，如超氧自由基，如超氧自由基(O2)、过氧化氢、过氧化氢(H2O2
41、)和羟自由基和羟自由基(OH)都被都被认为是正常有氧代谢的副产物，这些副产物对认为是正常有氧代谢的副产物，这些副产物对DNA产生氧化损伤，不仅产生氧化损伤，不仅能对能对DNA的前体造成氧化性损伤，从而引起突变，而且会引发多种人类的前体造成氧化性损伤，从而引起突变，而且会引发多种人类疾病。疾病。（3）DNA复制错误复制错误碱基异构体转换碱基异构体转换会导致会导致DNA复制错误，造成碱基替换；复制错误，造成碱基替换；复制滑动可导致碱基插入、缺失，造成移码突变。复制滑动可导致碱基插入、缺失，造成移码突变。（4）其他可能的机制其他可能的机制自然界存在的自然界存在的辐射辐射；温度急剧变化温度急剧变化导致
42、导致DNA复制酶的保真性降低；重复序复制酶的保真性降低；重复序列引起的列引起的复制滑动复制滑动（replication slippage）碱碱 基基嘧嘧啶啶环环嘌嘌呤呤环环异构体互变会改变碱基配对性质并导致突变异构体互变会改变碱基配对性质并导致突变碱基异构体互变（碱基异构体互变（Tautomeric shifts）酮式酮式烯醇式烯醇式标准的碱基配对标准的碱基配对异常碱基配对异常碱基配对氨基式氨基式亚氨基式亚氨基式二、突变的修复二、突变的修复(自学自学)1、DNA防护机制防护机制 （1）简并密码子简并密码子 （2）回复突变回复突变 （3）抑制抑制 （4）致死和选择致死和选择 （5）多倍性多倍性2
43、、DNA的修复的修复 （1）光修复光修复 （2）暗修复暗修复 （3）重组修复重组修复 （4）SOS修复修复未雨绸缪未雨绸缪 坏了就修坏了就修?（自学）（自学）想变就变想变就变理化诱变理化诱变想变什么就变什么？！想变什么就变什么？！生物学诱变生物学诱变11.6 人工创造突变体人工创造突变体一、突变体的用途一、突变体的用途太空辐射育种太空辐射育种 突变体的用途突变体的用途育种育种CoCo6060 辐射育种辐射育种 http:/:8080 突变体的用途突变体的用途遗传与发育机理的揭示遗传与发育机理的揭示例如：例如：TH Morgan 通过研究果蝇白眼突变体揭示了通过研究果蝇白眼突变体揭示了性连锁遗传
44、规律性连锁遗传规律C Nsslein-Volhard 等人通过研究大量果蝇和等人通过研究大量果蝇和斑马鱼胚胎突变体，提出了由间隙基因、成斑马鱼胚胎突变体，提出了由间隙基因、成对基因、节段极性基因、同形异位（同源异对基因、节段极性基因、同形异位（同源异形）基因控制发育的模式形）基因控制发育的模式例如：例如：GW Beadle 和和EL Tatum以红色面包酶为以红色面包酶为材料，根据对材料，根据对生化突变体生化突变体的研究提出的研究提出“一个基一个基因一个酶因一个酶”假说。认为生物体内发生的每一步假说。认为生物体内发生的每一步代谢反应，都是由一种特殊的酶负责控制的，代谢反应，都是由一种特殊的酶负
45、责控制的，而这种酶又是某一特定基因的合成产物。而这种酶又是某一特定基因的合成产物。突变体的用途突变体的用途生化途径的揭示生化途径的揭示 突变体的用途突变体的用途遗传疾病的研究遗传疾病的研究沙皇尼古拉二世之子：血友病沙皇尼古拉二世之子：血友病 维多利亚女王：血友病突变基因携带者维多利亚女王：血友病突变基因携带者 正向遗传学策略（正向遗传学策略（forward genetics strategy）克隆已知突变表型或功能的基因，再分析其序列，克隆已知突变表型或功能的基因，再分析其序列，即由即由功能功能序列序列。只能分析单个的或少数的基因，。只能分析单个的或少数的基因，所获得的信息是零散而片面的所获得
46、的信息是零散而片面的逆向遗传学策略（逆向遗传学策略（reverse genetics strategy）从大规模的已知从大规模的已知DNA序列出发，对基因组的基因序列出发，对基因组的基因进行功能敲除（进行功能敲除（knock-out）或激活）或激活(knock-on),获获得大量突变体，并系统地分析其功能。即由得大量突变体，并系统地分析其功能。即由大规大规模模序列序列 功能功能。所获得的信息是系统的、完整的。所获得的信息是系统的、完整的 突变体的用途突变体的用途基因功能分析与功能基因组学研究基因功能分析与功能基因组学研究二、人工创造突变体的方法二、人工创造突变体的方法获得突变体的途径最终可归结
47、为：获得突变体的途径最终可归结为：破坏基因结构破坏基因结构 改变基因表达改变基因表达诱变方法：诱变方法：物理诱变（物理诱变（physical mutagenesis）化学诱变化学诱变(chemical mutagenesis)生物学诱变生物学诱变(biological mutagenesis)（一）物理诱变（一）物理诱变物理诱变因素物理诱变因素电离诱变因素电离诱变因素非电离诱变因素非电离诱变因素电磁辐射电磁辐射粒子辐射粒子辐射紫外线紫外线X射线射线 射线射线带电粒子带电粒子 不带电粒子不带电粒子射线射线 射线射线 质子质子 中子中子电磁波谱的组成及其波长电磁波谱的组成及其波长能量高于可见光的射
48、线对生物体有害能量高于可见光的射线对生物体有害1.电离辐射诱变电离辐射诱变 包括包括 射线、射线、射线和中子等粒子辐射，还包括射线和中子等粒子辐射，还包括射线和射线和X射线等电磁波辐射。中子的诱变效果最好。射线等电磁波辐射。中子的诱变效果最好。根据辐射（照射）的方法，可分为根据辐射（照射）的方法，可分为“内内”和和“外外”照射。照射。外照射外照射 即辐射源与接受照射的物体之间要保持一定的距即辐射源与接受照射的物体之间要保持一定的距离，让射线从物体之外透入物体之内，在体内诱发基离，让射线从物体之外透入物体之内，在体内诱发基因突变。因突变。X射线、射线、射线和中子都适用于射线和中子都适用于“外照射
49、外照射”。内照射内照射 即用浸泡或注射的方法，使其渗入生物体内，在即用浸泡或注射的方法，使其渗入生物体内，在体内放出体内放出 射线进行诱变。射线进行诱变。和和 射线的穿透力很弱，故只能用射线的穿透力很弱，故只能用“内照射内照射”。实际。实际应用时，一般不用应用时，一般不用 射线，只用射线，只用 射线。射线。射线常用辐射线常用辐射源是射源是P32和和S35，尤以，尤以P32使用较多使用较多 电离辐射诱变的机理电离辐射诱变的机理 照射照射初级电离初级电离次级电离次级电离 基因分子结构改组基因分子结构改组基因突变基因突变 辐射剂量及表示方法辐射剂量及表示方法定义：定义：单位质量被照射的物质所吸收的能
50、量数值，单位质量被照射的物质所吸收的能量数值，称为辐射剂量称为辐射剂量。X射线和射线和射线：用射线：用“伦琴伦琴”（r）表示，即在）表示，即在1克空气中克空气中 吸收吸收8310-7焦耳（焦耳（J）辐射的能量。）辐射的能量。中子：单位是中子：单位是“积分流量积分流量”。即每平方厘米的截面上通。即每平方厘米的截面上通过过 的中子数（的中子数（n/cm2）。）。射线：用射线：用“微居里微居里”表示。具体是每克物质吸收多少表示。具体是每克物质吸收多少 “微居里微居里”（cu）的放射性同位素。微居里是放射强）的放射性同位素。微居里是放射强度度 单位，表示每秒钟有单位，表示每秒钟有3.7104个原子核发
