1、1第二章第二章 基因突变及其机制基因突变及其机制定义1：突变是指生物表型突然发生的可遗传的变化。定义2：突变是指生物生长过程中，由于内因或外因的作用导致染色体DNA结构或数量发生的改变。突变突变（Mutation）：遗传物质核酸中的核苷酸序列突然发生了稳定的可遗传的变化。突变是一种遗传的状态，是基因由于结构发生改变从而由原来的存在状态变为另一种存在状态，即它的等位基因。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。2第一节突变类型3一、突变类型（一）按突变发生原因分类（一）按突变发生原因分类自发突变自发突变(spontaneous mu
2、tagenesis)：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诱发突变的频率要远远高于自发突变频率 4（二）、按变化范围分突变类型（二）、按变化范围分突变类型 突变可以发生在染色体水平或基因水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平，发生在染色体水平的突变称为染色染色体畸变体畸变，发生在基因水平的突变称为，发生在基因水平的突变称为基基因突变因突变。5染色体畸变（染色体畸变（chromosome aberrat
3、ion)染色体数目的变化或染色体结构发生较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大片段的异常改变。染色体数目的变化染色体数目的变化整倍体整倍体(euploidy)：含有完整的染色体组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）：tetraploid6非整倍体非整倍体 aneuploidy：含有不完整状态的染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色体组，一般是指二倍体中成对染色体成员的增加或减少。的增加或减少。单体（二倍减一，monosomic diploid):2n-1 缺体（二
4、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 部分二倍体部分二倍体（merodiploid）：细菌等原核生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段所构成的不完整二倍7染色体结构的变化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，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
5、、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。8b fa-缺失 b-重复 c-倒位 d-相互易位 9染色体结构的变化染色体结构的变化缺失缺失 deficiency：是染色体片段的丢失。细胞学效应：缺失环遗传学效应：这种突变往往是不可逆的损伤，其结果会造成遗传平衡的失衡。重复重复 repetition：是染色体片段的二次出现。细胞学效应：重复环遗传学效应：这种突变有可能获得具有优良遗传性状的突变体。10倒位倒位 inversion：是指染色体的片段发生了180的位置颠倒 细胞学效应：倒位环遗传学效应：造成染色体部分节段的位置顺序颠倒，极性相反。易位易位 transloca
6、tion：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。相互易位相互易位 reciprocal translocation：两个非同源染色体间相互交换一部分。相互易位的细胞学效应：十字型图象相互易位的遗传学效应：相应基因表达出现异常11基因突变（基因突变（gene mutation）基因突变是指一个基因内部遗传结构或基因突变是指一个基因内部遗传结构或DNADNA序列的任何改变，包括一对或少数几序列的任何改变，包括一对或少数几对核苷酸的缺失、插入或置换，分为碱对核苷酸的缺失、插入或置换，分为碱基置换和移码突变。基置换和移码突变。染色体局部座位内的变化染色体局部座位内的变化点突变点突变poi
7、nt mutation：单碱基对的置换突变发生在一个基因范围内。多位点突变多位点突变：突变超出一个基因范围。12 碱基置换碱基置换 base pair substitution DNA链上一个碱基对为另一碱基对所取链上一个碱基对为另一碱基对所取代叫碱基置换代叫碱基置换 转换转换 transition：DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被另一个嘌呤（嘧啶）所置换。颠换颠换 transversion：DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被一个嘧啶（嘌呤）所置换。13 A G T C 转换 颠换 图 21-1 转换与颠换 14 Phe Asp GluGlu Pro Leu Cys Thr5-TTC GAT G GAG
8、 CCC TTG TGC ACG-3 GA mutation Phe Asp LysLys ProPro Leu Cys Thr5-TTC GAT A AAG CCC C TTG TGC ACG-3 CT mutation Phe Asp Lys ProPro Leu CysCys Thr5-TTC GAT AAG CCT T TTG TGC C ACG-3 CA mutation Phe Asp Lys Pro Leu StopStop Thr5-TTC GAT AAG CCC TTG TGA A ACG-315 移码突变移码突变 frameshift mutationl 在DNA序列中由于
9、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。l一般只引起一个基因的表达出现错误。16 Phe Asp Glu Pro Leu Cys Thr5-TTC GAT GAG CCC TTG TGC ACG-3 Insertion of A Phe Asp Glu Thr Leu Val His5-TTC GAT GAG A ACC CTT GTG CAC G-3 17（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引起遗传性状改变：错义突变（missense mutation），无义突变（nonsense mut
10、ation）和移码突变 一类是不改变遗传性状的突变不改变遗传性状的突变 同义突变（synonymy mutation）和沉默突变（silent mutation）。18 遗传学效应 错义突变错义突变 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：AAG突变为GAG，编码的氨基酸由亮氨酸变成谷氨酸。无义突变无义突变 nonsense mutation：突变后的密码子变为终止密码。例：TGC（亮氨酸）突变为TGA（终止密码子）1920 同义同义/沉默突变沉默突变 silent mutation：突变后的密码子编码的
11、仍是同一种氨基酸。（碱基序列发生改变而氨基酸序列未发生改变的突变称为同义同义/沉默突变沉默突变）。例：ATT突变为ATC，两者都编码异亮氨酸。沉默突变沉默突变的发生是由于遗传密码的简并简并性性。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。2122（四）、按突变的表型变化效应分类（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
12、一种可见突变。23生化突变型：引起特定生化功能的丧失而无形态学效应的突变型。包括营养缺陷型、抗性突变型、糖代谢突变型等。营养缺陷型营养缺陷型 auxotrophic mutant：由于代谢过程的缺陷而不能合成某种与合成初级代谢物有关的基因产物的缺陷型。lack of a gene product involved in the synthesis of an essential metabolite.抗性突变型抗性突变型 resistant mutant：由于基因突变而产生的对某种化学药物、致死物理因子或噬菌体具有抗性的变异菌株 a)抗药物突变型：对原本敏感的药物具有一定的耐性。b)抗噬菌体突
13、变型：对原本敏感的噬菌体产生抗性。24致死突变型致死突变型 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 条件致死突变型条件致死突变型 condition lethal mutant：在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。如：温度敏感突变型 temperature-sensitive mutant调节突变型调节突变型 regulatory mutant：丧失对某一基因或操纵子表达能力调节的突变型。产量突变型产量突变型 metabolite quantitative mutant:所产生的代谢产物的产
14、量明显有别于原始菌株的突变株称产量突变型 25 如何来表示野生型和突变型的表现型和基因型呢？26二二.基因符号基因符号基因命名原则基因命名原则 1966年 M.Demerec每一基因座位（locus）用三个小写英文字母表示，它们来自说明这一基因特性的一个、两个或三个英文单词的前三个字母；例如例如：his：组氨酸基因 histidine rim：核糖体的装配、成熟有关基因 ribosomal modification rps：核糖体蛋白小亚基基因 ribosomal protein small27产生同一突变型表型的不同基因，在三个小写字母后用不同的一个大写斜体字母来表示；例如例如：hisA、h
15、isB：不同的组氨酸基因同一基因的不同突变位点（mutation site）在基因符号后用阿拉伯数字表示。如果位点所属的基因还不确定，那么大写字母用一短线表示 例如例如：trpA46,trpA23：trpA的不同位点的突变28突变型的基因符号用基因座符号加“+”或“-”或其它符号。如：hisA-,strr,strs,strd。基因表型或其表达产物用相应基因符号的正写字母，其中第一个字母大写。如：基因lacZ的表达产物是LacZ29表现型或基因型表现型或基因型表示符号表示符号表现型表现型具有合成或利用某种物质的能力具有合成或利用某种物质的能力缺乏合成或利用某种物质的能力缺乏合成或利用某种物质的能
16、力具有对某种抗生素的抗性具有对某种抗生素的抗性具有对某种抗生素的敏感性具有对某种抗生素的敏感性SubSubSubSubAntAntr rAntAnts s基因型基因型能够合成或利用某种物质的野生型基因能够合成或利用某种物质的野生型基因影响合成或利用某种物质的突变基因影响合成或利用某种物质的突变基因突变的突变的subAsubA基因基因subAsubA基因的基因的6363号突变号突变具有温度敏感表型的具有温度敏感表型的subAsubA基因突变基因突变SubSubSubSubsubAsubAsubAsubA6363subAsubA（TsTs）30带突变基因的菌株带突变基因的菌株 Salmonella
17、 typhimurium 1535(hisG46,rfa,uvrB)Salmonella typhimurium 1537(hisC3076,rfa,uvrB)31第二节第二节 基因突变的规律基因突变的规律32一、基因突变的自发性一、基因突变的自发性 突变可自发产生，突变的微生物与所处的环境因素没有对应关系。1）波动实验2）涂布实验3）影印培养实验33波动实验波动实验fluctuation test 34E.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114464110215562000313522300421481070515655008
18、61444253031726494000816512501920564030101347764815111071012040130191400151016017170111864019002035平均值平均值16.751.43.311.35303.8方方 差差15273.8694662040.835涂布实验涂布实验36影印培养影印培养replica plating实验实验37二、基因突变的随机性二、基因突变的随机性1、随机性随机性波动试验的结果还说明了突变具有随机性，突变发生的时间是随机的。基因突变的发生从时间、个体、位点和所产生的表型变化等方面都带有比较明显的随机性。突变总是以一定的频率在群
19、体中发生。38一些细菌的抗药性基因的突变率一些细菌的抗药性基因的突变率 392、突变热点突变热点（hot spots of mutation）DNA分子上各个部分有着不同的突变频率，某些位点的突变频率大大高于平均值，这些位点称为突变热点 形成突变热点的最主要的原因形成突变热点的最主要的原因 5-甲基胞嘧啶（MeC）的存在 发生DNA上短的连续重复序列处突变热点也还与诱变剂有关 40三、基因突变的稀有性三、基因突变的稀有性1、稀有性、稀有性突变以一定的突变率发生在个别细胞中。正常情况下，突变发生的频率往往很低。v突变率突变率（mutation rate）：某基因或某个性状在每个细胞世代中发生突变
20、的概率。v突变率也可以用某一群体在每一世代（即分裂1次）中产生突变株的数目来表示。412、突变率（突变率（m）的计算）的计算v世代总数=N2-N1v突变率的测定突变率的测定：固体平板法测突变率固体平板法测突变率：在2组平板上接种相等数量的敏感菌，培养一定时间后取一组洗下计细菌总数，另一组计抗性突变菌落数，每一菌落代表一次抗性突变。m=(M2-M1)/(N2-N1)一般N0N，M00，mM/N42液体培养法测突变率液体培养法测突变率：液体培养时突变株有2个可能来源：一次新的突变产生或原突变株分裂而来。因此M/N只能被成为突变型频度，不是突变率。此时 m=2(M2/N2-M1/N1)/(g2-g1
21、)M/N-g做图，斜率则为m/2 g1234NN2N4N8N16NMmN2mN+2mN8mN+4mN24mN+8mNM/Nm/2m3m/22m43液体稀释法测突变率 P0=e-mNv细胞分裂非同步性校正：突变率=ln2m=0.69m例：在20个试管中有11个试管不含任何突变型细菌，每一试管的平均细菌数N测得是5.6108 P0=e-mN P0=11/20=0.55 m=-ln P0/N=0.6/(5.6 108)=1.2 10-8453、增变基因（、增变基因（mutator gene）当生物体内有些基因突变时，整个基因组的突变频率明显上升。这些基因称为增变基因。两类增变基因两类增变基因：一类是
22、DNA聚合酶的各个基因一类是dam基因和mut基因 增变基因的突变导致突变频率的大幅提升增变基因的突变导致突变频率的大幅提升46四、基因突变的独立性四、基因突变的独立性1、独立性、独立性突变的发生具有独立性一个基因的突变不受其它基因突变的影响，两个不同基因同时发生突变的频率为两个基因各自的突变率的乘积。472、交叉抗性、交叉抗性交叉抗性交叉抗性是指细菌对两种抗生素等药物同时由敏感变为抗性。与突变的独立性不矛盾不矛盾由于细胞内单一基因的突变导致微生物对于结构类似或作用机制类似的抗生素均有抗性。48五、基因突变的可诱变性五、基因突变的可诱变性基因突变的频率可以通过某些理化因素的处理而大为提高。提高
23、幅度大约可为101105倍；基因突变的可诱发性是诱变育种的基础 49六、基因突变的可遗传性六、基因突变的可遗传性突变基因和野生型基因一样是一个相对稳定的结构，通过复制传递给子代DNA 突变基因所表现的遗传性状也是一个稳定的性状 50七、基因突变的可逆性七、基因突变的可逆性1.可逆性可逆性 野生型野生型 突变型突变型真正的真正的原位回复突变，可使突变基因回复到原位回复突变，可使突变基因回复到野生型基因完全相同的野生型基因完全相同的DNA序列序列 正向突变正向突变回复突变回复突变 512、第二点的回复突变第二点的回复突变 (抑制突变抑制突变suppressor mutation)第二点的回复突变并
24、没有改变突变的第二点的回复突变并没有改变突变的DNA碱基序列碱基序列，只是其突变效应被抑制了，只是其突变效应被抑制了.大多数回复突变都是第二点突变抑制了第一次突变大多数回复突变都是第二点突变抑制了第一次突变造成的表现型造成的表现型(表型抑制表型抑制)抑制突变包括基因内抑制和基因间抑制。抑制突变包括基因内抑制和基因间抑制。52不对应性、自发性、稀有性、独立性、不对应性、自发性、稀有性、独立性、稳定性、可逆性、诱变性稳定性、可逆性、诱变性53第三节第三节 自发突变的机制自发突变的机制54自发突变的原因自发突变的原因 55 一一.环境因素的作用环境因素的作用 微生物细胞所处的外环境因素是微生物细胞所
25、处的外环境因素是引起自发突变的主要原因之一。引起自发突变的主要原因之一。包括自然界的背景辐射（即宇宙射线）、短波辐射、紫外线、热等作用；病毒以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质。56 二二.自身代谢产物的作用自身代谢产物的作用 微生物在自身代谢过程中，在细胞内产生的一些代谢产物，如过氧化物、亚硝酸盐、咖啡碱，硫氰化物，二硫化二丙烯，重氮丝氨酸等都是已知的化学诱变剂；57 三三.转座因子的作用转座因子的作用 DNA分子所携带的转座因子可以造成插入分子所携带的转座因子可以造成插入突变突变 转座（转座（transposition）：DNA序列通过非同源重组的方式，从染色体的某一部位转移到同一染
26、色体上另一部位或其它染色体上某一部位的现象。转座因子（转座因子（transposable element，TE）转座因子转座因子包括原核生物中的插入序列插入序列、转转座子座子以及转座噬菌体转座噬菌体（如E.coli的Mu噬菌体）等 58DNA分子的运动，造成复制过程中的碱基分子的运动，造成复制过程中的碱基配对的错误，引起自发突变配对的错误，引起自发突变每个碱基对配对错误的发生频率为每个碱基对配对错误的发生频率为10-7 10-11 四四.DNA分子的运动分子的运动591）环出效应（）环出效应（loop out）滑移错配（滑移错配（slipped mismatching）（1）缺失 602）碱基
27、的互变异构作用碱基的互变异构作用 DNA中正常的碱基配对中正常的碱基配对61T和和G可以酮式或烯醇式两种互变异构状态，而可以酮式或烯醇式两种互变异构状态，而C和和A可以以氨基式和亚氨基式两种状态存在可以以氨基式和亚氨基式两种状态存在碱基的互变异构及其配对的改变碱基的互变异构及其配对的改变 62五五.DNA分子自发的化学变化分子自发的化学变化和复制差错和复制差错1）自发脱氨氧化作用胞嘧啶C氧化脱氨基自发地变成尿嘧啶U而形成错配的碱基对 5mC同样易于自发脱氨基转变为胸腺嘧啶T,子代DNA发生GCAT的突变 63脱氨基脱氨基 NH2 O H H H N N Deamination H N O H
28、N O Cytosine Uracil Fig.21-Deamination of cytosine to uracil.64 NH2 O H3C H3C H N N Deamination H N O H N O 5-methyleytosine(5mC)Thymine(T)Fig.21-Deamination of 5-methylcytosine to thymine.652、DNA的复制差错 生物体如何保证DNA复制的精确性？复制差错：源于DNA聚合酶产生的错误DNA分子运动而造成碱基配对错误修复系统的各种缺陷所导致的结果66第四节第四节 诱变剂及其作用机制诱变剂及其作用机制67诱发突
29、变诱发突变(induced mutation)的发现 1927年，Muller诱变诱变：通过人为的方法，利用物理、化学因素处理微生物以引起突变，这一过程称为诱发突变。诱变剂诱变剂mutagen：凡是能诱发生物基因凡是能诱发生物基因突变，且突变频率远远超过自发突变率突变，且突变频率远远超过自发突变率的物理因子或化学物质的物理因子或化学物质。诱变剂种类：诱变剂种类：化学诱变剂、物理诱变剂化学诱变剂、物理诱变剂和生物诱变剂和生物诱变剂 68一、化学诱变剂一、化学诱变剂定义：定义：一类能对DNA起作用，改变DNA结构，并引起遗传变异的化学物质。化学诱变剂种类：化学诱变剂种类：碱基类似物、碱基修饰剂、移
30、码突变剂。69(一一)碱基类似物碱基类似物 base analogue 碱基类似物：碱基类似物：是指其分子结构同DNA分子中的碱基非常类似，因此能取代碱基参入到DNA分子中的一类化合物。主要诱变剂主要诱变剂：5-溴尿嘧啶（5-BU）/T 2-氨基嘌呤（2-AP）/A诱发的突变诱发的突变：AT GC的转换转换。70 在在DNA复制过程中取代正常碱基，整合进复制过程中取代正常碱基，整合进DNA分子分子 它们产生异构体的频率高，出现碱基错配的它们产生异构体的频率高，出现碱基错配的概率也高概率也高碱基类似物是如何提高突变频率的碱基类似物是如何提高突变频率的?715-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-BU）5-溴
31、尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-BU）的结构）的结构72 5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-BU）的碱基配对）的碱基配对73诱发的突变 A A G G T BUK BUE C 酮式 烯醇式745-BU掺入后的复制错误掺入后的复制错误G CG BUeG CG BUeG CA=TA=BUkA:TA:BUkA:TG BUeA:TG CG BUe G CA=T5-BU掺入错误掺入错误A:T G C752-氨基嘌呤（氨基嘌呤（2-AP）比较容易诱发比较容易诱发ATGC这一转换这一转换 76A 2AP 2AP*GT T C C77（二）化学修饰碱基的诱变剂（二）化学修饰碱基的诱变剂改变碱基结构的化学修饰剂：脱氨剂、脱氨剂
32、、羟化剂、烷化剂羟化剂、烷化剂常见的碱基修饰剂（a）亚硝酸亚硝酸（b）羟胺羟胺（c）甲基磺酸乙酯（甲基磺酸乙酯（d）N-甲基甲基-N-硝基硝基-N-亚硝基胍亚硝基胍 781 1脱氨剂脱氨剂亚硝酸（nitrous acid）是典型的脱氨剂 G 黄嘌呤X（xanthine）C U A 次黄嘌呤H79 亚硝酸的脱氨基作用及其诱发的突变亚硝酸的脱氨基作用及其诱发的突变 80亚硝酸诱发的突变 HNO2 A H G G A A T C C C U T HNO2 A:T GC812.羟化剂羟化剂 羟胺（hydroxylamine）是典型的羟化剂 82羟胺（NH2OH）诱发的突变：GCAT转换 HA C 4-
33、OH-C T G A A 833.烷化剂烷化剂 是最常用的一类诱变剂具有一个或多个活性烷基单功能烷化剂：亚硝基类、磺酸酯类、硫酸酯类、重氮烷类和乙烯亚胺等双功能烷化剂：硫芥子类与氮芥子类等烷化位点：G-N7；G-O5，T-O4；G-N3，A-N2，A-N7，C-N3 84Alkylated basesalkylating agents部分烷化剂部分烷化剂 和和 烷化碱基烷化碱基85Chemical reactivity of bases is responsible for some DNA lesion 碱基中最容易发生烷化作用的是嘌呤类碱基中最容易发生烷化作用的是嘌呤类 鸟嘌呤鸟嘌呤N7是
34、最易起反应的位点是最易起反应的位点 86烷化剂作用烷化剂作用：通过对鸟嘌呤N7位点的烷化而导致突变有三种可能：烷化嘌呤引起碱基配对错误，脱嘌呤作用，鸟嘌呤的交联作用87 烷化鸟嘌呤的碱基配对烷化鸟嘌呤的碱基配对 88脱嘌呤作用脱嘌呤作用：N7成为季胺基团后，减弱了成为季胺基团后，减弱了N9位上的位上的N-糖苷键，引起脱氧核糖糖苷键，引起脱氧核糖-碱基键的发碱基键的发生水解，使鸟嘌呤从生水解，使鸟嘌呤从DNA分子上脱落分子上脱落 GC就可能变为任何碱基对就可能变为任何碱基对 89烷化鸟嘌呤的交联作用烷化鸟嘌呤的交联作用鸟嘌呤通过鸟嘌呤通过N7位点的共价结合而发生交联位点的共价结合而发生交联 90
35、甲基磺酸乙脂（EMS）使G的第6位烷化，使T的第4位上烷化，结果产生的O-6-E-G和 O-4-E-T分别和T、G配对，导致GC对转换成AT对；TA对转换成CG G O-6-E-G A T O-4-E-T C C T T A G G91烷化剂名称烷化剂名称理化特性理化特性pH7水中半衰期水中半衰期/h分子量分子量状态状态水溶性水溶性溶点或沸点溶点或沸点203037甲基磺酸乙酯甲基磺酸乙酯(EMS)无色液体无色液体约约8%沸点沸点8586/10mmHg932610.4124乙烯亚胺乙烯亚胺(EI)无色液体无色液体易溶于水易溶于水沸点沸点56/760mmHg43亚硝基乙基脲亚硝基乙基脲(NEU)粉
36、红色液粉红色液约约5%沸点沸点53/5mmHg84117亚硝基甲基脲亚硝基甲基脲(NMU)黄色固体黄色固体35103硫酸二乙酯硫酸二乙酯(DES)无色油状物无色油状物不易溶不易溶3.3410.5亚硝基胍亚硝基胍(NTG)黄色固体黄色固体熔点熔点118烷化剂的某些性质烷化剂的某些性质92（三）、移码诱变剂（三）、移码诱变剂是一类能够嵌入到DNA分子中的物质 吖啶类染料（acridine dye）、溴化乙锭（ethidium bromide）和一系列ICR类化合物 溴化乙锭（EtBr）93移码突变剂的诱变机理移码突变剂的诱变机理 94使用化学诱变剂注意事项使用化学诱变剂注意事项移码诱变剂作用于生长
37、态的细胞,，须通过DNA的复制才形成突变。碱基类似物引起的只对生长态的微生物细胞起作用。烷化剂时具有很高的活性，而且能与水起作用，所以溶液必须在使用前配。而且还要注意介质的pH值。95二、物理诱变剂二、物理诱变剂非电离辐射类的紫外线非电离辐射类的紫外线激光和离子束等，激光和离子束等，电离辐射的电离辐射的X射线、射线、射线和快中子射线和快中子96（一）、紫外线（一）、紫外线 UV波长范围为136390纳米 有效波长 2650，紫外灯波长 2537 作用机理 嘧啶二聚体、嘧啶水合物、交联作用、DNA链断裂效应：移码突变，碱基置换97 紫外线诱发胸苷二聚体紫外线诱发胸苷二聚体 O O UV O O
38、H CH3 H CH3 H CH3 CH3 H N N N N O N H O N H O N H H N O Thymine Thymine Thymine dimer O O 4 5 4 5 3 6 6 2 1 Fig.21-Production of thymine dimer by ultraviolet light irradiation.9899100紫外诱变的注意事项紫外诱变的注意事项避免光复活作用，应在红光下操作，避光避免光复活作用，应在红光下操作，避光培养。培养。101（二）电离辐射（二）电离辐射（X射线和射线和射线）射线）X射线波长是射线波长是0.06136纳米，纳米，X射
39、线一般由射线一般由X光机产生。光机产生。射线的波长是射线的波长是0.0061.4纳米纳米，射线来射线来自放射性元素钴、镭或氡等。自放射性元素钴、镭或氡等。102电离辐射诱变机理电离辐射诱变机理 直接作用：打断化学键间接作用：通过自由基打断化学键，引起缺失和损伤 效应：染色体畸变，碱基置换，移码突变效应：染色体畸变，碱基置换，移码突变103（三）快中子（三）快中子中子可以从回旋加速器、静电加速器或原子反应堆中产生 快中子具有的能量最高，为0.210MeV快中子的应用：可将放在安瓿管中的菌悬液或长在平皿上的菌落置射线源一定距离处进行处理用1030krad的剂量进行处理，控制致死率为5085%，产生
40、的正突变率可达50%104（四）离子注入（四）离子注入一种较为新型的物理诱变手段一种较为新型的物理诱变手段 离子注入的质量、电荷、能量参数可以按离子注入的质量、电荷、能量参数可以按需要进行不同组合，可使诱变具有较高的需要进行不同组合，可使诱变具有较高的方向性和可控性方向性和可控性；产生的生物学效应比单；产生的生物学效应比单一辐射更为丰富。一辐射更为丰富。105化学和物理诱变剂主要效应的小结化学和物理诱变剂主要效应的小结 诱变剂诱变剂在在DNADNA上的初级效应上的初级效应遗传反应遗传反应碱基类似物碱基类似物掺入作用掺入作用ATATGCGC转换转换羟胺羟胺同胞嘧啶起羟化反应同胞嘧啶起羟化反应GC
41、ATGCAT转换转换亚硝酸亚硝酸A A、C C的脱氧基作用的脱氧基作用DNADNA交联交联ATGCATGC转换转换缺失缺失烷化剂烷化剂烷化碱基（主要是烷化碱基（主要是G G）而导致：）而导致：脱嘌呤作用；烷化碱基的互变异构作用脱嘌呤作用；烷化碱基的互变异构作用；DNADNA链的交联作用；糖链的交联作用；糖-磷酸骨架的断磷酸骨架的断裂裂碱基置换（碱基置换（ATATGCGC转换、转换、ATTAATTA颠换、颠换、GCCGGCCG颠换）颠换）及染色体畸变及染色体畸变吖啶类吖啶类个别碱基的插入或缺失个别碱基的插入或缺失移码突变移码突变紫外线照射紫外线照射形成嘧啶二聚体；形成嘧啶的水合物；形成嘧啶二聚体
42、；形成嘧啶的水合物；DNADNA交联；交联；DNADNA断裂断裂ATGCATGC转换、转换、ATGCATGC颠换、颠换、及移码突变及移码突变电离辐射电离辐射脱氧核糖脱氧核糖-碱基之间化学键及脱氧核糖碱基之间化学键及脱氧核糖-磷酸之间化学键的断裂；通过自由基对磷酸之间化学键的断裂；通过自由基对DNADNA的作用的作用ATATGCGC转换、移码突变及染转换、移码突变及染色体畸变色体畸变106三、生物诱变剂转座因子一些其它因素：如抗菌素，杀菌剂、脱氧一些其它因素：如抗菌素，杀菌剂、脱氧核糖核酸和增变因子等，核糖核酸和增变因子等，抗菌素，如链黑霉素、增光霉素、丝裂霉抗菌素，如链黑霉素、增光霉素、丝裂霉
43、素、放线菌素、正定霉素、光辉霉素和阿素、放线菌素、正定霉素、光辉霉素和阿霉素等。霉素等。与化学、物理诱变因素复合使用，可提高与化学、物理诱变因素复合使用，可提高其诱变效果。其诱变效果。107第五节第五节 突变生成过程突变生成过程重点重点：DNA损伤的修复损伤的修复108突变生成过程突变生成过程109一、诱变剂接触一、诱变剂接触DNA分子之前分子之前细胞的透性影响诱变剂的诱变效应细胞的透性影响诱变剂的诱变效应前诱变剂在细胞质的作用下会转化成诱变前诱变剂在细胞质的作用下会转化成诱变剂剂110二、二、DNA损伤损伤前突变：前突变：诱变剂所造成的诱变剂所造成的DNA分子某一分子某一位置的损伤位置的损伤
44、DNA分子的损伤类型分子的损伤类型不同的诱变剂所造成的损伤不同不同的诱变剂所造成的损伤不同有的诱变剂对复制叉的作用强，如NTG有的诱变剂对转录状态的DNA作用强，如DES、EMS111（一）非标准碱基和碱基的衍生物（一）非标准碱基和碱基的衍生物举例：胸腺嘧啶二聚体 DNA作为模板进行复制时，作为模板进行复制时，Pol III将两个腺嘌呤将两个腺嘌呤核苷酸加上去，但由于不能很好地形成氢键，核苷酸加上去，但由于不能很好地形成氢键，然后又由然后又由35校对功能而将之水解。校对功能而将之水解。112（二）碱基的丢失碱基的丢失嘌呤或嘧啶碱基的甲基化作用往往会破嘌呤或嘧啶碱基的甲基化作用往往会破坏坏N-糖
45、苷键，发生脱嘌呤（脱嘧啶）作糖苷键，发生脱嘌呤（脱嘧啶）作用用，产生，产生AP位点位点 AP位点位点（apurinic and apyrimidinic site）指指DNA分子中产生的无嘧啶、无嘌呤分子中产生的无嘧啶、无嘌呤位点统称。位点统称。（三）烷基化损伤（三）烷基化损伤（四）链的断裂和交联（四）链的断裂和交联113三、三、DNA损伤的修复损伤的修复DNA分子要求保持高度的精确性和完整性分子要求保持高度的精确性和完整性保障保障DNA安全的修复系统安全的修复系统纠正偶然的复制错误：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分子损伤的系统分子损伤的系统：如光
46、复活修复系统、切除如光复活修复系统、切除修复系统、重组修复系统、修复系统、重组修复系统、SOS修复系统修复系统 114（一）复制错误修复（一）复制错误修复1DNA多聚酶的校读功能多聚酶的校读功能 DNA聚合酶的聚合酶的35 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 1152N-糖基酶修复系统糖基酶修复系统N-糖基酶（糖基酶（N-glycosylases）作用：专一作用：专一识别识别 DNA分子中的非标准碱基和碱基的分子中的非标准碱基和碱基的衍生物。衍生物。例：尿嘧啶-N-糖基酶系统修复机制 参与的酶参与的酶 尿嘧啶尿嘧啶N-糖基酶、糖基酶、AP限制性内切限制性内切酶、核酸外切酶、酶、核酸外切酶、DNA聚合
47、酶聚合酶Pol I、DNA连接连接酶酶。116尿嘧啶尿嘧啶-N-糖基酶系统的修复过程糖基酶系统的修复过程3.3.错配修复（mismatch repairmismatch 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。MutSMutLMutSMutHMutS识别错配识别错配位点位点,并易位到并易位到GATC位点。位点。MutH在在GATC位点剪切非甲位点剪切非甲基化链，内切酶基化链，内切酶从从GATC到错配到错配位点降解位点降解DNA119（二）损伤修复（二）损伤修复 （T=T）1光复活（光复活（photoreactiv
48、ation）光复活作用：光复活作用：指细菌在紫外线照射后立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。的存活率，降低突变率。光修复机制只作用于紫外线照射所形成光修复机制只作用于紫外线照射所形成的损伤的损伤修复机制：光复活酶（修复机制：光复活酶（photo-reactivating enzyme，PR酶），催化嘧酶），催化嘧啶二聚体分解成为单体啶二聚体分解成为单体 120光复活作用光复活作用1212切除修复切除修复(excision repair)excision repair)暗修复暗修复（UvrUvr修复系统修复系统）是细胞
49、的主要修复系统是细胞的主要修复系统，发生在，发生在DNA复复制之前，是对模板的修复。制之前，是对模板的修复。一种多步骤的酶反应过程：限制性内切一种多步骤的酶反应过程：限制性内切酶、核酸外切酶、酶、核酸外切酶、DNA聚合酶以及连接聚合酶以及连接酶的协同作用酶的协同作用 结果：使损伤的结果：使损伤的DNA分子恢复正常分子恢复正常 修复过程：修复过程：切切 补补 切切 封封122 UvrABC限制性内切酶切除修复系统限制性内切酶切除修复系统 123限制性内切酶限制性内切酶E.coli的修复内切酶由三种亚基构成：的修复内切酶由三种亚基构成：UvrA、UvrB、UvrC；限制性内切酶限制性内切酶UvrA
50、BC能修复不同类型的损伤；能修复不同类型的损伤；它识别的是它识别的是DNA某一部位缺少正常的形状如：胸腺嘧啶某一部位缺少正常的形状如：胸腺嘧啶二聚体引起二聚体引起DNA双螺旋的变形。双螺旋的变形。Uvr系统负责切除大量的胸腺嘧啶二聚体 1243重组修复重组修复recombination repair（RecRec修修复系统）复系统）是一种越过损伤而进行的修复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。而是面对正常的单链。留在模板链上的二聚
