1、 第八章 遗传物质的改变（二）基因突变 第一节第一节 基因突变概说基因突变概说一、突变的概念一、突变的概念1 定义：基因突变定义：基因突变（gene mutation）：是指一个基因内部可以遗传的结构改变，是基因分子内部在某种条件作用下所发生的一个或几个核苷酸的改变，导致结构蛋白或酶的改变，从而影响有机体的大小、品质、颜色、结构和生长率等性状的改变。2 相关概念：点突变：点突变：基因突变一般在染色体结构上是看不到的，所以又称点突变点突变（point mutation）。实际上点突变与染色体畸变的界限并不明确，特别是微细的畸变更是如此。同义突变，错义突变，无义突变移码突变:基因的编码序列中发生核
2、苷酸增加或缺失的突变，使处在突变发生位置下游的密码子组成发生改变，从而造成移码突变（frameshift mutation)(见书124页）E.coli中乳糖发酵的调节基因中乳糖发酵的调节基因(lac):野生型野生型:5-GTCTGGCTGGCTGGC-3 移码突变移码突变:5-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3 移码突变移码突变:5-GTCTGGCTGGC-3动态突变：基因的编码序列中或者是编码序列两侧的序列中发现某个密码子的拷贝数目远远多于正常个体的拷贝数，在不同类型的细胞或者同一类型的不同细胞中，三核苷酸的的重复拷贝数也可以不同，重复拷贝数改变后的基因的可突变性将不同于拷贝数改变
3、前的基因，称为动态突变（见书129页）。突变体突变体(mutant)：具有突变表型的细胞或个体具有突变表型的细胞或个体 正向突变正向突变(forward mutation)：偏离野生型性状的突变偏离野生型性状的突变 反向突变反向突变(back mutation)：由偏离的性状回复为野生由偏离的性状回复为野生型性状的突变型性状的突变 自发突变自发突变(spontaneous mutation)：在自然条件下产在自然条件下产生的突变生的突变 诱发突变诱发突变(induced mutation）：）：机体在诱发环境下产机体在诱发环境下产生的突变生的突变生化突变生化突变(biochemical mut
4、ation）：）：使机体的代谢过使机体的代谢过程发生改变或丧失的突变程发生改变或丧失的突变 无效突变无效突变(null mutaion)：完全丧失原有基因功能的突完全丧失原有基因功能的突变变 渗漏突变渗漏突变(leaky mutation)：部分丧失原有基因功能的部分丧失原有基因功能的突变突变 致死突变致死突变(lethal mutation)：影响生物体的生活力，影响生物体的生活力，导致个体死亡的突变导致个体死亡的突变 条件致死突变条件致死突变(conditional lethal mutation)：在给定在给定的某种条件下可以存活，如果缺少这种条件就会致死的某种条件下可以存活，如果缺少这
5、种条件就会致死的突变的突变3、抗DDT果蝇品系的例子n见书121页n来自不放DDT玻片的果蝇与接触DDT的同胞一样具有很高的抗性。二、基因突变的类型二、基因突变的类型n根据诱发的原因，基因突变可分为以下两个类型：n1.自发突变自发突变（spontaneous mutation），所谓的自发突变，是指在没有人工特设的诱发条件下，由于外界环境的自然作用或生物体内生理或生化变化而诱发的突变。根据这个定义，我们知道所谓的自发突变并不是没原因的突变，而是指人工特设诱变因素以外的其它因素引起的突变。n2.诱发诱变诱发诱变：这是指由人工特设诱发因素而引起的突变。(诱变剂与致癌物)根据突变引起的表型特征，可将
6、突变分为：根据突变引起的表型特征，可将突变分为：n形态突变形态突变（morphological mutation），是泛指能造成外形改变的突变。n例：普通绵羊的四肢有一定的长度，但安康羊（Ancon sheep）的四肢很短，这类突变可在外观上看到，称为可见突变（visible mutations）根据突变引起的表型特征，可将突变分为：根据突变引起的表型特征，可将突变分为：n致死突变致死突变（lethal mutation）：是指能造成个体死亡的突变，致死突变型又可分为全致死突变型（以上死亡），亚致死突变（50%90%死亡）；半致死突变（10%50%死亡）和弱致死突变（10%以下死亡）。显性致死
7、：杂合态即有致死。隐性致死：纯合态才有致死 镰刀形贫血症、植物白化基因等 根据突变引起的表型特征，可将突变分为：根据突变引起的表型特征，可将突变分为：n3条件致死突变条件致死突变（conditional lethal mutation)：指在一定条件下表现致死效应，而在其它条件下可以存活的突变。n例如：n噬菌体T4的温度敏感突变型在25时能在E.coli宿主中正常生长，形成噬菌斑，但在42时就不能这样。n4生化突变生化突变（biochemical mutation)：指没有形态效应，但导致某种特定生化功能改变的突变。例：链孢霉的氨基酸突变型某种氨基酸才能生长三、基因突变的一般特征三、基因突变的
8、一般特征n基因突变表现出以下几个方面的普遍特征：基因突变表现出以下几个方面的普遍特征：n(一一)、突变的重演性和可逆性、突变的重演性和可逆性n(二二)、突变的多方向性与复等位基因、突变的多方向性与复等位基因n(三三)、突变的有害性和有利性、突变的有害性和有利性n(四四)、突变的平行性、突变的平行性突变频率突变频率：n突变频率是指生物体在每一世代中（单细胞生物以每一细胞）发生突变的频率，也就是一定时间内突变可能发生的次数。突变频率一般是很低的，不同的生物，不同的基因其突变率相差较大，高等生物自发突变频率为110-10-110-5，细菌的自发突变频率为110-10-410-4。如果在人工诱变条件下
9、，突变频率可以大大提高，有时可达几千倍(书121页)。突变发生的时期和部位突变发生的时期和部位：n从理论上讲，突变可以发生在生物个体发育的任何时期，在体细胞或性细胞中都可发生，但性细胞发生的频率要比体细胞高些。突变的多方向性：突变的多方向性：n基因的突变可以向多个方向进行，一个基因可以突变为a1、a2、a3an等而构成所谓的复等位基因（multiple alleles）。这些复等位基因可以从野生型基因突变产生，也可以从其它任何一个突变基因突变产生。突变的重演性：突变的重演性：n指同种生物的同一基因突变为相同的表型，可以在不同个体间重复出现。例如果蝇的白眼突变就曾发生过几次。突变的可逆性：突变的
10、可逆性：n即可发生回复突变，显性基因可以突变为隐性基因，而隐性基因也可以突变为显性基因，前者称为正向突变（forward mutation）。后者称为反向突变或回复突变（back mutation）。正向突变和反向突变的发生频率是不一样的。在多数情况下，正向突变率总是高于反向突变率。这是因为一个野生型基因内部的许多位点都可能发生改变而导致基因突变。但是一个基因内部却只有那个被改变了的结构恢复原状，才可发生回复突变。n需要指出的是，由于缺失而引起的突变不能发生回复突变。突变的有害性与有利性：突变的有害性与有利性：n多数事例表明，突变大多数是有害的。这是因为生物经长期的自然选择，产生了与外界环境相
11、同协调的关系，这种关系一旦因突变而改变便可能干扰内部的生理生化过程，所以大部分突变对生物体是不利的。n少数的突变能促进和加强某些生命活力，所以是有利的突变。例如作物抗病性，微生物的抗药性等，这些突变为生物进化提供了最有利的条件。n抗药性突变与药物：微生物产生抗药性突变与药物的存在与否没有关系。药物的存在只是起筛选作用。第二节第二节 突突 变变 的的 检检 出出 和和 应应 用用一、果蝇性连锁突变的检出一、果蝇性连锁突变的检出二、链孢霉营养缺陷型突变的检出二、链孢霉营养缺陷型突变的检出三、三、大肠杆菌营养缺陷型的检出大肠杆菌营养缺陷型的检出四、人的突变的检出四、人的突变的检出一、果蝇性连锁突变的
12、检出（1）鉴别果蝇X染色体上基因的隐性突变 ClB方法 为检查果蝇突变出现频率所常用的方法。是由H.J.Muller提出的 ClBClB品系品系（一条X染色体上为ClB，另一条正常）C：在X染色体上有一个大的倒位（inversion），代表Crossove suppressor,使它不能和另一同源染色体之间发生交换。L：是一个lethal recessive X-Linked gene B：Bar eye 显性棒眼基因一、果蝇性连锁突变的检出 ClB方法是让经过不同处理后受检的雄果蝇和ClB雌果蝇交配，F1 2：1 ，其中的半数雌蝇带ClB染色体，它的另一条X染色体则来自父本，可能带有隐性突变
13、基因而不表现。新的隐性致死基因（l）一般也不会是l的等位基因，故这些雌蝇仍可存活。n为检查果蝇突变出现频率所常用的方法。是由H.J.Muller提出的。C为交叉抑制因子，系基于大的转位。L是隐性致死基因，B为棒眼（Bar）。用同时具有CLB的X染色体（CLBX）和普通X染色体的雌性与经X射线照射等处理的雄性交配，从F1中选出具有B性质的雌与未受照射的正常的雄性（利用前述雌的同生个体较为方便）交配。如果在F1雌从处理雄接受的X染色体上未产生隐性致死突变则应为雌2 雄1之比，如已产生，在F2则完全不生雄。另外如果不是致死变异，只是普通的可见的隐性突变，则所产生的所有F2雄都表现为隐性突变。所以将F
14、1雌一个一个分别取出作成许多交配组合，通过调查不出现F2雄或出现具有突变性状雄的培养瓶数，即可了解各种变异的出现频率。一、果蝇性连锁突变的检出（1）鉴别果蝇X染色体上基因的隐性突变 Muller-5技术：检出果蝇X染色体上的隐性突变特别是致死突变，这与ClB原理一样。Muller-5品系的X染色体上：B（Bar 棒眼）Wa（apricot 杏色眼）Sc(Scute,小盾片少刚毛）倒位：可抑制Mullers的X染色体 一、果蝇性连锁突变的检出n实验时，把野外采集的，或经诱变处理的雄蝇，与Muller-5雌蝇交配，得到子一代后，做单对交配，看子二代的分离情况。如有致死突变，F2中没有野生型雄蝇，如
15、有隐性的可见突变，则除Muller-5雄蝇外，出现具有可见突变的雄蝇。图n这个技术的缺点：（1）只能检出完全致死（100致死）的隐性基因，而且这种致死作用要发生在成蛹期以前。（2）有时Y染色体上有些正常作用的基因，可降低X的致死作用。但我们要分析的主要是子二代的雄蝇的致死作用，所以有时结果受到影响，不能正确地估计隐性致死突变率。这个技术的好处：（1）子二代中有野生型雄蝇，还是没有野生型雄蝇，可以客观地决定。（2）可研究致死基因（1）在杂合体中的作用。（3）也可检出可见突变，但同时具有致死作用时，则无法检出。（2）果蝇常染色体上突变的检出 果蝇常染色体上的致死突变也可以被检出，但要经过三代。例如
16、：要检出果蝇第二染色体上的突变基因 可利用平衡致死系统一条第二染色体上 显性基因Cy（curly,翻翅）纯合致死，还有一个大倒位另一条第二染色体上 显性基因S（star,星状眼）纯合致死 Cy +Cy+S +S Cy +S 该平衡致死系统，同时又是倒位杂合体。检出过程如下：P1331图 现在把这系统的雌蝇与要检验的雄蝇交配，在子一代现在把这系统的雌蝇与要检验的雄蝇交配，在子一代中选取翻翅雄蝇，再与这系统的雌蝇单对交配，分别饲中选取翻翅雄蝇，再与这系统的雌蝇单对交配，分别饲养。在子二代中选取翻翅个体相互交配，在子三代时：养。在子二代中选取翻翅个体相互交配，在子三代时：（1 1）如最初第）如最初第
17、2 2染色体上不带致死基因，则有染色体上不带致死基因，则有1/31/3左右的野生型左右的野生型 （2 2）如最初第）如最初第2 2染色体含有致死基因，则只有翻翅果蝇染色体含有致死基因，则只有翻翅果蝇n（3）如最初第）如最初第2染色体上会有隐性可见突变，则除翻翅果蝇外，还染色体上会有隐性可见突变，则除翻翅果蝇外，还有有1/3左右的突变型。左右的突变型。n（4）如最初第）如最初第2染色体上含有半致死突变，则野生型很少。染色体上含有半致死突变，则野生型很少。二、链孢霉营养缺陷型突变的检出二、链孢霉营养缺陷型突变的检出1 1、菌丝过滤法（可将野生型与突变型分离）、菌丝过滤法（可将野生型与突变型分离）链
18、孢霉不受青霉素的影响，但是可以用菌丝过滤链孢霉不受青霉素的影响，但是可以用菌丝过滤法把野生型和突变型分离。野生型的孢子能在基法把野生型和突变型分离。野生型的孢子能在基本培养基中萌发并长成菌丝，而缺陷型则一般不本培养基中萌发并长成菌丝，而缺陷型则一般不萌发或不能长成菌丝。这些萌发的分生孢子就可萌发或不能长成菌丝。这些萌发的分生孢子就可以用棉花过滤去掉，未萌发的分生孢子继续留在以用棉花过滤去掉，未萌发的分生孢子继续留在液体培养基中。液体培养基中。二、链孢霉营养缺陷型突变的检出二、链孢霉营养缺陷型突变的检出n2、营养缺陷型突变的检出与鉴定、营养缺陷型突变的检出与鉴定n1945年，美国遗传学家年，美国
19、遗传学家Beadle和生物化学家和生物化学家Tatium研研究出检测链孢霉营养缺陷型突变的方法。究出检测链孢霉营养缺陷型突变的方法。n基本根据：野生型菌株能合成一系列化合物基本根据：野生型菌株能合成一系列化合物-基本培养基本培养基上生长；缺陷型菌株基上生长；缺陷型菌株 不能在基本培养基上生长不能在基本培养基上生长;能在能在完全培养基上生长完全培养基上生长;能在基本培养基它所不能合成的能在基本培养基它所不能合成的物质物质-生长。（图）生长。（图）二、链孢霉营养缺陷型突变的检出二、链孢霉营养缺陷型突变的检出 这样依次分析下去，就可知道是哪种这样依次分析下去，就可知道是哪种AAAA或哪种维或哪种维生
20、素不能合成。为了进一步确定发生的变异是由生素不能合成。为了进一步确定发生的变异是由那一个基因控制的，还要将经过上述方法检出的那一个基因控制的，还要将经过上述方法检出的突变型，跟不同交配型的野生型交配。看产生的突变型，跟不同交配型的野生型交配。看产生的子囊孢子的发育，表现出来什么样的分离现象，子囊孢子的发育，表现出来什么样的分离现象，如果表现为如果表现为1 1：1 1的分离，即的分离，即4 4个是野生型，个是野生型，4 4个是个是突变型，那就表明是一个基因突变。突变型，那就表明是一个基因突变。三、三、大肠杆菌营养缺陷型的检出大肠杆菌营养缺陷型的检出1 1、影印接种法（影印培养法、影印接种法（影印
21、培养法 Replica-plating Replica-plating technique technique）E.coliE.coli 诱变剂诱变剂 E.coliE.coli稀释稀释 完全培养基完全培养基Master plate Master plate（主平（主平皿）皿）基本培养基上（基本培养基上（Replica plateReplica plate）n对照对照Master plate 和和 Replica plate 相应位置所长菌落情况，在相应位置所长菌落情况，在Replica plate上相应位置不长，而在上相应位置不长，而在Master plate 相应位置所长的相应位置所长的菌落
22、即为营养缺陷突变。菌落即为营养缺陷突变。（图）（图）n在复制平板上（基本培养平板上）添加适当的物质，便能鉴别特定在复制平板上（基本培养平板上）添加适当的物质，便能鉴别特定类型的营养缺陷型。类型的营养缺陷型。三、三、大肠杆菌营养缺陷型的检出大肠杆菌营养缺陷型的检出2 2、青霉素法、青霉素法这种方法只适用于细菌，当把经诱变处理的大肠杆菌（含突变型和野生这种方法只适用于细菌，当把经诱变处理的大肠杆菌（含突变型和野生型）培养在含有青霉素的基本培养基中时。型）培养在含有青霉素的基本培养基中时。野生型野生型 E.coliE.coli可生长繁殖，蛋白质等物质进行合成，但由于青霉素可生长繁殖，蛋白质等物质进行
23、合成，但由于青霉素作用，细胞壁不再增大，导致细胞破裂而死亡。作用，细胞壁不再增大，导致细胞破裂而死亡。营养缺陷型营养缺陷型 E.coliE.coli不能生长，而避免了青霉素的致死作用，得以保不能生长，而避免了青霉素的致死作用，得以保存（处于休止状态）将青霉素除去，补加其他营养，如氨基酸等，存（处于休止状态）将青霉素除去，补加其他营养，如氨基酸等，如果有菌落生长，就说明这些菌落是氨基酸缺陷型。如果有菌落生长，就说明这些菌落是氨基酸缺陷型。四、人的突变的检出四、人的突变的检出1 1、家系分析（、家系分析（pedigree analysispedigree analysis）和出生调查）和出生调查
24、常染色体隐性突变难以检出。常染色体隐性突变难以检出。很可能是由于两个杂合个体的婚配，而不是由于隐性突变。显性突变很可能是由于两个杂合个体的婚配，而不是由于隐性突变。显性突变的起源比较容易检出的起源比较容易检出,只要遗传方式规则，一个家系中，如只要遗传方式规则，一个家系中，如果一个人有一显性突变性状，而他（或她）的父母是正果一个人有一显性突变性状，而他（或她）的父母是正常的，这就表明是一个新的突变常的，这就表明是一个新的突变。在人类方面，突变率的估计方法之一是根据家系中有显性性状的在人类方面，突变率的估计方法之一是根据家系中有显性性状的患儿的出现。在这些家系中，祖先各代是没有这些性状的；如双亲一
25、患儿的出现。在这些家系中，祖先各代是没有这些性状的；如双亲一方也有同一遗传病，则这名患儿应除去不计。方也有同一遗传病，则这名患儿应除去不计。四、人的突变的检出四、人的突变的检出例如：软骨发育不全（例如：软骨发育不全（achondroplasiaachondroplasia）由常染色体显）由常染色体显性基因引起，患者四肢粗短。性基因引起，患者四肢粗短。MrchMrch(1941)(1941)调查，调查，在在9407594075活产儿中，发现活产儿中，发现1010例为本病患者，其中例为本病患者，其中2 2例的例的一方亲本也是本病患者，所以应该除去不计，其余一方亲本也是本病患者，所以应该除去不计，其
26、余8 8例的双亲正常，可以认为是新突变的结果。则每个基例的双亲正常，可以认为是新突变的结果。则每个基因的突变率是（因的突变率是（10102 2）/2 2（94072940722 2）4.24.21010-5 5四、人的突变的检出四、人的突变的检出n下面是一个上眼睑下垂的家系，先证者的父母表型正常，说明是新产生的突变。四、人的突变的检出四、人的突变的检出2 2目前用的较多的检出人类突变的另一方法，是筛选各种蛋白质目前用的较多的检出人类突变的另一方法，是筛选各种蛋白质或酶的微小变异：或酶的微小变异：例如：镰型细胞贫血症患者基因型例如：镰型细胞贫血症患者基因型HbHbs s HbHbs s 血红蛋白
27、（血红蛋白（S S）(S S S S)正常为正常为 HbAHbA HbAHbA 血红蛋白（血红蛋白（A A）（）（A A A A)杂合体杂合体 HbsHbs HbAHbA 具两种血红蛋白的具两种血红蛋白的A A和和S(S(A A S S)A A与与S S两种血红蛋白电泳的迁移率不同，通过电泳可以分辩两种血红蛋白电泳的迁移率不同，通过电泳可以分辩四、人的突变的检出四、人的突变的检出四、人的突变的检出四、人的突变的检出现已知现已知HbsHbs是是 6 6 GluvalGluval该方法的局限是并不是所有氨基酸的代换都该方法的局限是并不是所有氨基酸的代换都能引起蛋白质分子电荷的变化，因此，不能引起蛋
28、白质分子电荷的变化，因此，不是所有氨基酸的改变都能用电泳检出。是所有氨基酸的改变都能用电泳检出。分子水平：分子水平：RFLP RFLP、AFLP AFLP 等、基因组序列分等、基因组序列分析等。析等。第三节 基因突变的诱发一、物理因素诱变 (一)电离辐射诱变 (二)非电离辐射诱变二、化学因素诱变三、诱发突变的应用(一一)电离辐射诱变电离辐射诱变n1.种类：q粒子辐射：射线、射线(32P、35S)、中子(60钴、137铯)；q电磁波辐射：X射线、射线。n2.方法：q外照射：中子、X射线、射线；q内照射：射线、射线。n3.原理：基因的化学物质(DNA)发生电离作用。q原发电离与次级电离。q碱基对、
29、碱基结构破坏、改变基因突变；q磷酸二酯键断裂、染色体断裂重接染色体结构变异。(一一)电离辐射诱变电离辐射诱变4.电离辐射诱变的作用规律n辐射剂量的表示方法：qX射线、射线：伦琴(R)；q中子：积分流量(n/cm2)；q射线：微居里(cu/g)。n突变率与辐射剂量：q突变率与辐射总剂量成正比；q突变率与剂量率(辐射强度的影响)无关。(二二)非电离辐射诱变非电离辐射诱变n主要是紫外线(380-15nm)：n紫外线的作用机制：q激发作用q穿透能力与处理方法q最有效波长260nm(嘌呤、嘧啶的共轭环)q间接诱变作用n物理诱变的非专性：对DNA分子及其核苷酸残基无选择性，所以没有专化性和特异性。二、化学
30、因素诱变二、化学因素诱变1.诱变剂及其种类与作用机制：q烷化剂：使碱基烷基化、改变碱基形成氢键的能力，从而改变碱基配对关系；q碱基类似物：在复制过程中取代碱基渗入DNA分子，但形成氢键的类型不同，改变碱基配对关系；q抗生素：阻碍碱基合成或破坏DNA分子结构。2.作用特点：q具有一定的碱基特异性。三、诱发突变的应用1.提高基因突变率；2.获得更丰富的突变类型；3.改良生物的个别性状。第四节第四节 表表观观遗传变异遗传变异（epigenetic variation)基因的基因的DNA序列不发生改变，但是由于序列不发生改变，但是由于DNA甲基化，甲基化，RNA选择性剪接等作用，使选择性剪接等作用，使
31、得基因表达发生改变的现象，称为表观遗得基因表达发生改变的现象，称为表观遗传变异，这种变异的遗传不符合孟德尔遗传变异，这种变异的遗传不符合孟德尔遗传规律。传规律。DNA甲基化 CH3 胞嘧啶 5-甲基胞嘧啶 methylase DNA甲基础化抑制或降低转录水平。在基因转录起始点附近，有高度密集的 CpG重复序列，被称为CpG岛，或HTF岛（HpaII tiny fragments-islands）。推测该序列与基因转录活性有关。利用 CpG序列作遗传标记，可以作为筛选基因的标志。基因组印记（基因组印记（genomic imprinting）基因在世代传递过程中，由于基因在世代传递过程中，由于DN
32、A的甲基化作的甲基化作用，来源于父母本的等位基因会有不同的表现。个体用，来源于父母本的等位基因会有不同的表现。个体表现出上代遗传下来的基因组印记的效应。就好像被表现出上代遗传下来的基因组印记的效应。就好像被打上了父母的印记一样。但是，被打上父母印记的基打上了父母的印记一样。但是，被打上父母印记的基因在生殖细胞形成时，印记会被抹去，重新打上自己因在生殖细胞形成时，印记会被抹去，重新打上自己的印记。的印记。印记基因（印记基因（imprinting gene）遍布于整个基因组，遍布于整个基因组，印记基因内含子较小，基因组织表达有特异性。人类印记基因内含子较小，基因组织表达有特异性。人类基因组约有基因
33、组约有100多个印记基因。多个印记基因。Prader-willi 综合征综合征Angelman综合征综合征亨廷顿舞蹈病（HD）遗传方式 Hh Hh Hh Hh 发病早 发病迟 Hh 发病早亨廷顿舞蹈病亨廷顿舞蹈病RNA编辑n基因转录产生的mRNA分子中，由于核苷酸的缺失，插入或置换，基因转录物序列不与基因编码序列互补，使翻译生成的蛋白质的氨基酸组成，不同于基因序列中的编码信息，这种现象称为RNA编辑。promoter exon 1 exon2 exon3 exon 4 exon5 terminatorA:利用不同的启动子（例：鸡的强心肌和砂囊肌）B:利用不同的终止子（鼠降钙素基因）C:改变拼接方式（例鼠鸡钙蛋白T）1 2 3 4 5 1 2 3 5
