1、第第7 7章章 基因突变基因突变 本章重点：本章重点：1、基因突变的鉴定、基因突变的鉴定 2、基因突变的分子机制、基因突变的分子机制本章难点：本章难点：1、移动遗传因子、移动遗传因子 2、突变的分子机制、突变的分子机制1 1 基因突变概说基因突变概说 v 基因突变基因突变 gene mutationv 又称点突变又称点突变 point mutationv 基因内部发生可遗传的化学性质的变化基因内部发生可遗传的化学性质的变化v 基因的化学性质发生了变化，基因的化学性质发生了变化，可能可能引起表现型引起表现型发生相应的变化发生相应的变化 v 是新基因的唯一来源，是生物进化的原始材料是新基因的唯一来
2、源，是生物进化的原始材料。突变体突变体 由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体，由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体，称为突变体（称为突变体（mutant）或突变型）或突变型。与突变型相对的概念是野生型（与突变型相对的概念是野生型（wild typewild type）形态突变形态突变 生化突变生化突变 形态突变（形态突变（morphological mutations）v突变导致形态结构，如形状、大小、色泽等突变导致形态结构，如形状、大小、色泽等的改变。的改变。v 普通绵羊的四肢较长，而突变体安康羊的四肢很短。普通绵羊的四肢较长，而突变体安康羊的四肢很短。v 普通水稻株高一般在普通水稻株高
3、一般在1.50m1.50m以上，矮秆突变体以上，矮秆突变体202080cm80cm。v又称为可见突变（又称为可见突变（visible mutationsvisible mutations）形态突变：形态突变：苹果人类的白化症人类的白化症生化突变（生化突变（biochemical mutations）突变主要影响生物新陈代谢过程，导致突变主要影响生物新陈代谢过程，导致特定的生化功能的改变或丧失。特定的生化功能的改变或丧失。如细菌的营养缺陷型如细菌的营养缺陷型 v 事实上大多数基因的作用就是决定特定的生化过程，而生化过程才能决定形态结构v 在这个意义上说，几乎所有的基因突变都是生化突变。突变的有利
4、性和有害性突变的有利性和有害性 1 1、有害突变、有害突变 2 2、中性突变、中性突变 3 3、有利突变、有利突变 1 1、有害突变、有害突变v 大多数基因的突变对生物的生长和发育是大多数基因的突变对生物的生长和发育是有害的有害的v 极端的会导致突变体死亡极端的会导致突变体死亡v 导致个体死亡的突变，称为致死突变导致个体死亡的突变，称为致死突变（lethal mutation）。）。3 3、有利突变、有利突变v 有少数突变不仅对生物的生命活动无害，而且有利v 如植物的抗倒伏性、早熟性 2 2、中性突变、中性突变v突变不影响生物的正常生理活动，仍能保持正常的生活力和繁殖力，这类突变称为中性突变（
5、neutral mutation）。v 小麦粒色的变化，水稻芒的有无，果树叶片形状的变化等。v 中性突变能够为自然选择所保留，因而是生物进化的重要途径 突变的有害性有利性是相对的突变的有害性有利性是相对的v 在一定的条件下，突变的效应可以转化 高杆作物群体中出现矮杆的突变体高杆作物群体中出现矮杆的突变体v 有的突变对生物本身有害，却对人类有利 玉米、水稻、高粱等作物的雄性不育性，是人们利用杂种优玉米、水稻、高粱等作物的雄性不育性，是人们利用杂种优势的好材料势的好材料。v 有些突变对生物本身有利，却对人类不利。谷类作物的落粒性谷类作物的落粒性基因突变的重演基因突变的重演性性 同一突变可以在同种作
6、物的不同个体间多次发同一突变可以在同种作物的不同个体间多次发生，且发生频率也相似生，且发生频率也相似表 10-1 玉米子粒性状 7 个基因的自发突变率 基因 表现型 测定配子数 突变数 平均突变率(1/100 万)R 籽粒颜色 554786 273 492.0 I 抑制色素的形成 265391 28 106.0 Pr 紫色 647102 7 11.0 Su 非甜粒 1678736 4 2.4 Y 黄色胚乳 1745280 4 2.2 Sh 饱满胚 2469285 3 1.2 Wx 非糯性 1503744 0 0 突变的可逆性突变的可逆性 v 显性基因A隐性基因a正突变（forward muta
7、tion）v 隐性基因a显性基因A回复突变或反突变（back mutation）v 正突变率u 回复突变率v。v大多数情况下，uv。v野生型基因内部每一个突变子都可能发生改变而导致基因突变v突变了的那个位点恢复原状才能使该基因回复为野生型。v大肠杆菌中 his+his-210-6 his-his+410-8。基因突变的多方向性基因突变的多方向性:基因突变的方向是不固定的，基因突变的方向是不固定的，Aa1;Aa2;Aa3Aa1;Aa2;Aa3，是随机的，是随机的 复等位基因就是突变的多方向性造成的复等位基因就是突变的多方向性造成的复等位基因复等位基因 一个基因座位上有两个以上的等位基因。一个基因
8、座位上有两个以上的等位基因。烟草：自花授粉不能结实由一组烟草：自花授粉不能结实由一组1515个复个复等位基因控制（等位基因控制（S1S1、S2S2、S15 S15）S1S2 S1S3 S2S3 S1S2 S1S3、S2S3 S1S3、S2S3 S1S3 S1S2、S2S3 S1S2、S2S3 S2S3 S1S2、S1S3 基因突变的平行性基因突变的平行性:亲缘关系相近的物种往往发生相亲缘关系相近的物种往往发生相似的基因突变。似的基因突变。2 2 基因突变的鉴定基因突变的鉴定v 禾谷类作物基因突变的鉴定禾谷类作物基因突变的鉴定v 微生物生化突变型的鉴定微生物生化突变型的鉴定禾谷类作物基因突变的鉴
9、定禾谷类作物基因突变的鉴定1 1、是可遗传的变异还是不可遗传的变异？、是可遗传的变异还是不可遗传的变异？和亲本一起种植在相同的条件下和亲本一起种植在相同的条件下2 2、是显性突变还是隐性突变？、是显性突变还是隐性突变？和原亲本杂交，看和原亲本杂交，看F1F1代的表现代的表现3 3、是单基因突变还是多个基因突变？、是单基因突变还是多个基因突变？测交测交 1 1：1 1自交自交 3 3：1 1显性突变显性突变 隐性突变隐性突变 dd dd 突变突变 第一代（第一代（M1M1）DdDd表现表现 第二代（第二代（M2M2）1DD 2Dd 1dd1DD 2Dd 1dd 有纯合体，但不能区分有纯合体，但不
10、能区分 第三代（第三代（M3M3）检出纯合体检出纯合体 DDDD 突变突变 DdDd不表现不表现 1DD 2Dd 1dd 1DD 2Dd 1dd 表现、纯合表现、纯合 大突变与微突变大突变与微突变v突变效应大，性状差异明显，易于识别，突变效应大，性状差异明显，易于识别，多为控制质量性状基因的突变。多为控制质量性状基因的突变。v 突变效应小，性状差异不大，较难察觉，突变效应小，性状差异不大，较难察觉，多为控制数量性状基因的突变。多为控制数量性状基因的突变。突变频率：突变频率：指突变体占观察总个体数的比例。指突变体占观察总个体数的比例。高等生物高等生物：110-6 110-8 低等生物低等生物：1
11、10-4110-8有性生殖生物的有性生殖生物的突变率突变率:通常用每个配子发生突变的概率表示，通常用每个配子发生突变的概率表示，即突变配子数占总配子数的比例。即突变配子数占总配子数的比例。胚乳胚乳(花粉花粉)直感直感：估算配子的突变率：估算配子的突变率 例：例：玉米非甜玉米非甜Su甜粒甜粒suPsusuSuSu对父本进行对父本进行射线射线处理处理F1大部分大部分为为Susu，极少数为，极少数为susu 如果如果10万粒种子中有万粒种子中有5粒为甜粒，则粒为甜粒，则突变率突变率=5/100000=1/20000红色面包霉生化突变的鉴定红色面包霉生化突变的鉴定v X X射线处理分生孢子射线处理分生
12、孢子v 处理后的分生孢子与野生型交配处理后的分生孢子与野生型交配v 产生分离的子囊孢子产生分离的子囊孢子v 置于完全培养基里生长置于完全培养基里生长v 产生菌丝和分生孢子产生菌丝和分生孢子 基本培基本培养基养基完完全全培培养养基基加加维维生生素素加加氨氨基基酸酸基基本本培培养养基基完完全全培培养养基基硫硫胺胺素素吡吡醇醇素素泛泛酸酸肌肌醇醇可以推论精氨酸合成步骤精氨酸合成步骤为：o c a前驱物鸟氨酸瓜氨酸精氨酸蛋白质 从鸟氨酸精氨酸的合成至少需要至少需要A、C、O三个基因3 3 基因突变的分子基础基因突变的分子基础 v 基因在染色体上有固定的基因在染色体上有固定的位置位置，称为，称为座位座位
13、(1ocus，loci)v 一个一个座位座位还可以分成许多基本单位还可以分成许多基本单位，称为，称为位位点点(site)v 突变子、重组子突变子、重组子 开放阅读框开放阅读框 open reading frameopen reading frame，ORFORF点突变DNADNA分子中个别碱基的变化：分子中个别碱基的变化：碱基对的增减：增加、减少碱基对的增减：增加、减少碱基对的替换：转换、颠换碱基对的替换：转换、颠换 基因的内部结构发生改变基因的内部结构发生改变DNA碱基对发生增添、缺失或改变。碱基对发生增添、缺失或改变。增增添添缺缺失失改改变变点突变的分类：点突变的分类：碱基对替换碱基对替换
14、 碱基缺失：碱基缺失：ATATC CGATGATATGATATGAT（2 2）碱基对增减）碱基对增减 碱基插入碱基插入：ATCGATATCGATATCATCG GGATGAT转换：嘌呤替换嘌呤转换：嘌呤替换嘌呤 A AG GG GA A 嘧啶替换嘧啶嘧啶替换嘧啶 T TC CC CT T 颠换：嘌呤替换嘧啶颠换：嘌呤替换嘧啶 C CG TG TG TG TA CA CA A 嘧啶替换嘌呤嘧啶替换嘌呤 G GT GT GC AC AC AC AT T 遗遗传传密密码码表表错义突变错义突变 碱基替换的结果改变了密码子，改变了氨基酸如：ACGGCG；thr（苏）ala（丙）改变该基因编码的蛋白质的结
15、构、化学性质和生物活性。无义突变无义突变v 有义密码子变为无义密码子，造成蛋白质合成的提前终止。DNA TACDNA TACTAATAA mRNA UAC mRNA UACUAA (UAA (终止密码子终止密码子)v 这种突变又称为无义突变。v 无义突变对生物体的影响较大，很可能导致死亡。v 无义突变若发生在阅读框的开始，后果严重，若发生在阅读框的后部，影响会小一些。沉默突变 由于密码子具有简并性，个别碱基的替换也有可能不改变密码子的意义，这种突变称为沉默突变。UUAUUGCUUCUCCUACUG 这这6 6个密码子都编码亮氨酸（个密码子都编码亮氨酸（leuleu）中性突变中性突变 个别密码子
16、的改变对蛋白质的结构、化学性质和生物活性的影响很小，甚至没有什么影响。移码突变移码突变(shift mutation)缺失或插入一个或两个碱基，会造成整个阅读框的改变 自插入或缺失位置向后的所有密码子都发生了变化。原模板链原模板链 3CTT CTT CTT CTT CTT CTT5mRNAmRNA的序列的序列 5GAA GAA GAA GAA GAA GAA3氨基酸顺序氨基酸顺序 glu glu glu glu glu glu开始处插入一个开始处插入一个C C 3CCT TCT TCT TCT TCT TCT T5mRNAmRNA的序列为的序列为 5GGA AGA AGA AGA AGA AG
17、A A3氨基酸顺序氨基酸顺序 gly arg arg arg arg arg改变了蛋白质中所有氨基酸的组成改变了蛋白质中所有氨基酸的组成 移码突变也可以造成无义密码子，导致蛋移码突变也可以造成无义密码子，导致蛋白质合成的提前终止白质合成的提前终止如原模板 TTC GAT CGT CCA TCAmRNA AAG CUA GCA GGU AGU插入一个碱基 TTC GAC TCG TCC ATC A突变后的mRNA AAG CUG AGC AGG UAG U非移码插入或缺失非移码插入或缺失v 如果插入或缺失了3个碱基，或者是3的倍数，阅读框不变v 多肽链中增加或减少一个或几个氨基酸v 最终产物常常
18、是有活性的，或者有部分活性。4 突变的修复突变的修复v 生物界自身对诱变因素的作用具有一定的防护能力v 也能对已经发生的DNA结构变化进行部分修复1 1、DNADNA的防护机制的防护机制 密码子的简并性回复突变某个突变子发生突变以后，又发生回复突变，恢复原来的结构。AGA抑制突变A A基因内抑制突变基因内抑制突变v 在一个顺反子内，某个突变子发生了突变，有可能在该顺反子内的另一个突变子也发生一次突变v 这后一次突变的效应抵消了第一次突变的效应，使突变表现型恢复为野生型v DNA结构并没有恢复。基因间抑制基因间抑制v 主要是tRNA基因发生突变，或者是与tRNA功能有关的基因发生突变v 使另一个
19、基因已经发生的无义突变、错义突变、或移码突变所导致的突变表现型恢复为野生型 tRNAtRNA上的反密码子发生突变上的反密码子发生突变vAAG GAG UCG AAG GAG UCG UUG UUG UGG UAC UAUUGG UAC UAU UAG UAG 成为无义突变成为无义突变v 如果某个如果某个tRNAtRNA的反密码子突变为的反密码子突变为5CUA35CUA3，能够与，能够与UAGUAG互补互补v 部分恢复或全部恢复蛋白质的功能部分恢复或全部恢复蛋白质的功能致死选择 突变使生物体死亡，突变的个体或细胞被淘汰，突变基因在群体中消失。多倍体v 高等植物中，多倍体种占有很大的比例v 在多倍
20、体中，相同的基因组或相近的基因组有几份，对突变、尤其是隐性突变的耐受力要比二倍体和低等生物强得多。DNADNA损伤的修复损伤的修复v DNA DNA损伤是经常发生的损伤是经常发生的v 细胞具有多重、复杂的细胞具有多重、复杂的DNADNA损伤修复系统。损伤修复系统。v 许多损伤类型具有多种修复途径许多损伤类型具有多种修复途径v 一个修复途径可以修复多种损伤类型一个修复途径可以修复多种损伤类型修复系统修复系统v错配修复错配修复（mismatch repair）v直接修复直接修复（direct repair）v切除修复切除修复（excision repairexcision repair）v双链断裂
21、修复双链断裂修复（double-strand break repair)v重组修复重组修复（recombination repair)错配修复错配修复（mismatch repair）v DNADNA合成过程中常发生碱基配对错误合成过程中常发生碱基配对错误v识别错配碱基识别错配碱基v切除错误碱基切除错误碱基v补入正确碱基补入正确碱基v封闭封闭DNADNA链切口链切口v 错配修复系统由许多酶组成，包括错配修复系统由许多酶组成，包括DNADNA聚合酶聚合酶直接修复直接修复（direct repair）不需要不需要DNADNA聚合酶参与聚合酶参与例：胸腺嘧啶二聚体的修复例：胸腺嘧啶二聚体的修复胸腺嘧
22、啶二聚体的形成胸腺嘧啶二聚体的形成胸腺嘧啶二聚胸腺嘧啶二聚体的光修复体的光修复在蓝色光条件下，有在蓝色光条件下，有一种光激活酶可以将一种光激活酶可以将TTTT二聚体切开，使二聚体切开，使DNADNA结构恢复正常。结构恢复正常。紫外线灭菌必须在黑紫外线灭菌必须在黑暗中进行暗中进行光修复就是直接修复光修复就是直接修复 切除修复切除修复（excision repair）v DNA DNA经经UVUV照射后发生损伤，在下一轮复制照射后发生损伤，在下一轮复制前，体内的酶将包括二聚体在内的一段单前，体内的酶将包括二聚体在内的一段单链切除，重新合成一段单链予以修复。链切除，重新合成一段单链予以修复。v 与光
23、修复相比，不依赖于光的存在，在黑与光修复相比，不依赖于光的存在，在黑暗中也能进行，所以被称为暗修复暗中也能进行，所以被称为暗修复(dark(dark repair)repair)。v 暗修复又成为切除修复暗修复又成为切除修复。切除修复切除修复（暗修复）（暗修复）原核生物切除原核生物切除12bases真核生物切除真核生物切除28bases重组修复重组修复(recombination repair)（又称复制后修复）又称复制后修复）v 需要一系列的酶参与v 修复以后，TT二聚体依然存在，但细胞却能勉强完成这一轮复制v 在切割和修补过程中，会发生这样那样的差错，从而大致突变的产生v 由UV照射引起的
24、突变，并不是二聚体本身引起的，而多是修补过程中的差错引起的 含二聚体的含二聚体的DNADNA仍可复制，新链在仍可复制，新链在二聚体部位留有缺二聚体部位留有缺口；口；完整的母链与有完整的母链与有缺口的子链重组缺口的子链重组（交换）（交换）缺口通过缺口通过DNADNA聚聚合酶的作用，以对合酶的作用，以对侧子链为模板将切侧子链为模板将切去的母链修补起来；去的母链修补起来；由由DNADNA连接酶将连接酶将缺刻缺刻(nick)(nick)连接起连接起来，完成修复。来，完成修复。SOSSOS修复修复v DNADNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种种DN
25、ADNA修复方式修复方式v 修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多成率，但留下的错误较多v 故又称为故又称为错误倾向修复错误倾向修复，使细胞有较高的突变率，使细胞有较高的突变率 5 5 移动遗传因子移动遗传因子 v 上个世纪上个世纪5050年代初，年代初，McClintockMcClintock发现了可以移动发现了可以移动的遗传因子的遗传因子(transposable genetic elements)(transposable genetic elements)v 这是遗传学发展史上一个重要的里程碑，这是遗传学发展史
26、上一个重要的里程碑，McClintockMcClintock因此而获得因此而获得19831983年的诺贝尔奖。年的诺贝尔奖。概概 念念v一些基因可以从染色体的一个基因座位转到另一个一些基因可以从染色体的一个基因座位转到另一个基因座位基因座位v又叫转座子（又叫转座子（trsnsposon)，跳跃基因，跳跃基因（jumping genes)vMcClitock 叫它转座因子叫它转座因子（transposable elements）.Barbura McClintock 美国女遗传学家。20世纪40年代开始 研究Ac-Ds，花了20年时间。1983年被授予生理学及医学诺贝尔奖 终生没有结婚。一、转座
27、因子的发现和鉴定：一、转座因子的发现和鉴定：v Emerson Emerson(1914)(1914)在研究玉米果皮色素遗传时，在研究玉米果皮色素遗传时，发现一种特殊的突变类型：发现一种特殊的突变类型：花斑果皮花斑果皮，产生宽，产生宽窄不同，红白相间的花窄不同，红白相间的花斑斑v 花斑条纹不稳定，可以发生多次回复突变，花斑条纹不稳定，可以发生多次回复突变，但不知道原因但不知道原因。v 2020世纪世纪4040年代初，年代初，McClintockMcClintock开始研究玉米植株和糊粉层色开始研究玉米植株和糊粉层色素产生的遗传基础，她发现，素产生的遗传基础，她发现，色素的变化与一系列染色体重色
28、素的变化与一系列染色体重组有关。组有关。v 她观察到，染色体的断裂或解她观察到，染色体的断裂或解离离(dissociation)(dissociation)有一个特定有一个特定的位点，命名为的位点，命名为DsDs。v 但但DsDs不能自行断裂，受一个激不能自行断裂，受一个激活因子活因子Ac(activatorAc(activator)所控制。所控制。AcAc可以象普通基因一样遗传。可以象普通基因一样遗传。但有时可以离开原来的座位，但有时可以离开原来的座位，移动到同一染色体的另一个位移动到同一染色体的另一个位置上，也可以移动到不同染色置上，也可以移动到不同染色体上体上。二、转座因子的结构特性二、
29、转座因子的结构特性:、原核生物的转座因子：、原核生物的转座因子：根据分子结构与遗传特性可以分为三类。根据分子结构与遗传特性可以分为三类。1插入因子插入因子（insertion sequence，IS）：）：具有转座能力的简单遗传因子具有转座能力的简单遗传因子。长度一般小于长度一般小于2kb，最小的插入序列如，最小的插入序列如IS1 仅仅768bp。IS因子因子只只含有与转座有关的基因与序列含有与转座有关的基因与序列。共同特征是在其共同特征是在其末端末端都具有一段都具有一段反向的重复序列反向的重复序列(inverted repeats,IR)(inverted repeats,IR)，其长度不一
30、。，其长度不一。如如IS10左边左边IR序列是序列是17bp、右边是、右边是22bp 2 2转座子转座子（transposonstransposons）IS因子因子+抗菌素抗性抗菌素抗性基因基因+IS因子因子IS因子因子可以是可以是反向重复构型反向重复构型或或同向重复同向重复构型构型。Tnp3系转座子系转座子v 结构较复杂，长度约结构较复杂，长度约5000bpv 末端有一对末端有一对38bpIR序列，但不含序列，但不含IS因子因子序列序列v 每个转座子都带有每个转座子都带有3个基因个基因：对对氨苄青霉素氨苄青霉素抗性的抗性的内酰胺酶内酰胺酶(-lactamase)基因，基因，与转座作用有关与转
31、座作用有关的基因（的基因（TnpA和和TnpR）3.Mu3.Mu噬菌体噬菌体(Mu(Mu)v E.coli的的温和噬菌体温和噬菌体，溶源化后能起到转座，溶源化后能起到转座子的作用子的作用v 和转座子一样，和转座子一样，Mu噬菌体噬菌体也含有与转座有也含有与转座有关的基因和反向重复序列关的基因和反向重复序列v Mu能够整合进寄主染色体能够整合进寄主染色体，催化一系列染色，催化一系列染色体重排体重排、真核生物的转座因子：、真核生物的转座因子：v 玉米籽粒色斑的产生玉米籽粒色斑的产生v 果蝇复眼颜色的变异果蝇复眼颜色的变异v 啤酒酵母接合的转换等啤酒酵母接合的转换等 都与转座因子在染色体上的转座有关
32、都与转座因子在染色体上的转座有关AcAcDsDs系统系统 Ac:4563bp 两个编码序列，三个非编码区，两个编码序列，三个非编码区，1个个TIR（末端倒位重复）（末端倒位重复），长，长11bp 自主性转座子，末端的自主性转座子，末端的TIR是转座酶的识别位点是转座酶的识别位点 Ds：600-2000bp,非自主性转座子，它的转位必非自主性转座子，它的转位必须由须由Ac驱动，是自主性转座子的内部缺失或重驱动，是自主性转座子的内部缺失或重排引起的变异类型。排引起的变异类型。Ds的的TIR同同Ac一样。一样。DsDs与与AcAc的关系的关系 转转 座座 子子 导导 入入 植植 物物 细细 胞胞 获获 得得 目目 的的 性性 状状 突突 变变 分分 析析 转转 座座 子子 两两 侧侧 序序列列 并并 且且 以以 此此 为为 探探 针针 野野 生生 型型 植植 物物 DNA 构构 建建 核核 DNA 文文 库库 完完 整整 的的 目目 的的 性性 状状 基基 因因 转座子的应用转座子的应用
