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1、第十四章遗传物质的改变 二 基因突变 Asidefromchromosomalmutations themajorbasisofdiversityamongorganisms eventhosethatarecloselyrelated isgeneticvariationatthelevelofthegene Theoriginsofsuchvariationaregenemutations wherebycodingsequencesarealteredasaresultofsubstitution addition ordeletionofoneormorebaseswithinthos
2、esequences 第一节基因突变的概说 突变 mutation 是指遗传物质内所发生的可遗传的变异 是自然界产生变异的主要来源 是生物进化的源泉 突变类型 基因突变和染色体畸变 基因突变概念 是指基因内部的改变 也就是染色体上一定位点化学结构的改变 故又称点突变 genicorpointmutations 基因突变的特点 1 突变率相对稳定 高等动物10 5 10 8 细菌10 4 10 10 2 突变的多向性 3 突变的重演性 同种生物中 同一基因突变可以重复地发生 也即同种生物中相同基因的突变可以重复地出现 4 突变的可逆性 基因突变是可逆的 基因突变的可逆性 是区别基因重组和染色体畸
3、变的特点之一 因为畸变的类型一般是不能恢复的 5 突变的有害性与有利性 突变对生物体来说 绝大多数是不利的 但又是必需的 它提供了适应新环境的潜在因素 从突变的发生上突变可分为 自发突变 在自然情况下产生的 诱发突变 人们有意识地应用一些物理 化学因素诱发的 从突变体的表型特性上 突变可分为 1 形态突变 2 生化突变 3 致死突变 4 条件致死突变 1 形态突变 突变主要影响生物的形态结构 导致形状 大小 色泽等的改变 例 安康羊四肢很短 2 生化突变 突变主要影响生物的代谢过程 导致一个特定的生化功能的改变或丧失 可以对正常个体与变异个体的生化特性研究以分析基因的作用机制 例 链孢霉的营养
4、缺陷类型 生化突变 野生型 wildtype 与原养型 prototroph 野生型是指存在于自然界中没有经过基因突变 具有正常生化代谢功能的遗传类型 原养型指具有与野生型相同营养需求与表现的遗传类型 有时特指突变型恢复为与野生型相同的个体 营养缺陷型 auxotroph 因基因突变丧失了某种生活物质合成能力 在基本培养基上不能正常生长 需加入相应营养成分的突变型 红色面包霉的生化突变型 野生型红色面包霉能在基本培养基上正常生长 几种生化突变型 突变型a 精氨酸 精氨酸合成缺陷型 突变型c 精氨酸或瓜氨酸 瓜氨酸合成缺陷型 突变型o 精氨酸 瓜氨酸或鸟氨酸 鸟氨酸合成缺陷型 研究表明 精氨酸是
5、蛋白质合成的必需氨基酸 而其合成途径为 3 致死突变 突变主要影响生活力 发生突变后会导致特定基因型个体死亡的基因突变 大多数致死突变都为隐性致死 突变后代中的隐性纯合体表现为致死的效应 如 小鼠毛色遗传的隐性致死突变 植物隐性白化突变 少数致死突变表现为显性致死 带有突变基因的个体都会死亡 如 人的神经胶症基因 如果致死突变发生在性染色体上 将产生伴性致死现象 小鼠毛色遗传的隐性致死突变 在正常黑色鼠中发现一种黄色突变型 杂合体 黄色 自群交配 杂合体与黑色鼠交配结果如下图所示 研究表明 黄色基因 AY 在毛色上表现为显性 但是同时具有隐性纯合致死效应 AYAY个体胚胎阶段即死亡 所以杂合体
6、自群交配毛色会表现2 1 植物隐性白化突变 与叶绿体形成有关的基因多达50多对 其中不少基因突变 丧失功能 均可能导致叶绿素不能形成 产生白化苗 白化苗不能进行光合作用 子叶或胚乳中养料耗尽时 幼苗就死亡 在某些条件下能成活 而在另一些条件下致死 例 噬菌体T4的温度敏感突变型在25 时能在E coli宿主中生存 而在42 时则不能 4 条件致死突变 突变发生的时期 生物个体发育的任何时期均可发生 性细胞 突变 突变配子 后代个体 体细胞 突变 突变体细胞 组织器官2 性细胞的突变频率比体细胞高 性母细胞与性细胞对环境因素更为敏感 3 等位 基因突变常常是独立发生的 某一基因位点发生并不影响其
7、等位基因 一对等位基因同时发生的概率非常小 突变率的平方 4 突变时期不同 其表现也不相同 突变可发生在个体发育的任何时期 一般来说 突变发生的时期愈迟 生物体表现突变的部分愈少 例金银眼猫 一个眼睛是黄褐色 另一个眼睛是蓝色 突变率 在正常的生长条件和环境下 突变率往往是很低的 突变的可逆性 突变的重演性 同一突变可以在生物的不同个体上多次发生 同一基因突变在不同的个体上均可能发生 不同群体中发生同一基因突变的频率相近 突变的可逆性 基因突变的发生方向是可逆的 正突变 forwardmutation 显性基因A 隐性基因a 反突变 reversemutation 隐性基因a 显性基因A 通常
8、认为 野生型基因是正常 有功能基因 而最初基因突变往往是野生型基因突变而丧失功能 发生功能改变 表现为隐性基因 所以反突变又称为回复突变 backmutaiton 通常用u表示正突变频率 v表示反突变频率 则 正突变uA a反突变v 正突变与反突变发生的频率一般都不相同 多数情况下 正突变率总是高于反突变率 原因在于 正常野生型基因内部存在许多可突变部位 其中之一结构改变均会导致其功能改变 但是一旦突变发生 要回复正常野生型功能则只能由原来发生突变的部位恢复原状 因此 基因突变一般不是由于基因物质的丧失 而主要是组成基因的物质发生了化学性质变化所致 突变的多方向性与复等位基因 突变的多方向性
9、指基因突变可以多方向发生 即基因内部多个突变部位分别改变后会产生多种等位基因形式 例如 A基因不同部位发生改变产生突变基因a1 a2 a3等对A均表现为隐性的基因 新基因可能均是无功能的 也可能各具不同功能 复等位基因 multipleallele 由于基因突变多方向性而在同一基因位点上可能具有的多种等位基因形式 在二倍体与异源多倍体中 同一位点只能有一对基因 最多存在两种等位基因形式 因此复等位基因的各种形式会存在于生物群体的不同个体中 自发突变的原因 1 物理因素 太阳的辐射 自然界的射线 紫外线 电流 高温 超声波 激光等 2 化学因素 秋水仙碱 芥子油 咖啡碱 甲醛 脱氨剂 烷化剂 亚
10、硝酸等 3 生物因素 在生物的新陈代谢过程中 排放的生物毒素等 例 植物种子贮存久了可引起突变率增加 从陈种子可提取出一些诱变物质 番茄种在很干燥的条件下 提高番茄细胞的渗透压 以后从它的F2 F3可以分离出多数突变体 三 突变发生的部位 2 体细胞突变 somaticmutation 突变发生在体细胞中 能传给后代 1 生殖细胞突变 gameticmutation 突变发生在配子或形成配子的组织中 不传给后代 第二节基因突变的分子机制 一 突变的分子基础 1 碱基改变 basesubstitution 2 颠换 transversion 嘌呤变成嘧啶或嘧啶变成嘌呤 A G C T 1 转换
11、transition 一种嘌呤变成另一种嘌呤 A G 一种嘧啶变成另一种嘧啶 C T 2 碱基的插入或丢失 insertionordeletion 引起移码突变 frameshiftmutation 二 突变的分子机制 1 复制错误 是突变的基本来源 1953年 Watson和Crick就提出DNA中的嘌呤和嘧啶存在互变异构体 与错误的碱基配对就会导致互变异构变化 tautomericshift 主要是由于碱基的互变异构体 tautomers 形成的碱基错配 1 复制错误的原因 互变异构的形式 i 酮式 烯醇式 keto enol 互变 ii 氨基 亚氨基 amino imino 互变 T G
12、 C A T A C G 互变异构引起的配对错误 亚氨基形式 2 碱基类似物 baseanalogs 是一类与标准碱基结构相似的碱基衍生物 1 5 溴尿嘧啶 5 bromouracil 5 BU 与T结构相似 5 BU在烯醇式 enolform 时能与G配对 A T A B T A A T B G A B G C 2 2 氨基嘌呤 2 aminopurine 2AP 是A的类似物 亚氨基时可以与C配对 2AP aminoform T 2AP iminoform C 用于AIDS acquiredimmunodeficiencysyndrome 病治疗的AZT azidothymidine 叠氮
13、胸苷 就是T的类似物 而且是反转录酶的底物 但不是复制酶的合适底物 3 烷化剂 alkylatingagents 可将烷基团加到核苷酸上 1 甲基磺酸乙酯 ethylmethanesulfonate EMS 能给酮式G的第6位 T的第4位上加上甲基 G甲基化后与T配对 4 吖啶染料 acridinedyes 在DNA链中加入或除去一对碱基 造成移码突变 frameshiftmutation 1 二氨基吖啶 原黄素 proflavin 扁平分子 能嵌入碱基对之间 引起DNA双螺旋扭曲 复制时导致缺失或插入 CGGC CGGC CGGNC CNGGNC 5 脱嘌呤位点 apurinicsite 是
14、指嘌呤环的9位N与脱氧核糖的1 位C之间的糖苷键 glycosidicbond 断裂形成的位点 又称APsite 丢失一个嘧啶后的位点也称为APsite 脱嘧啶位点 apyrimidinicsite 引起的后果 导致碱基丢失 CGGTC CAGGTC CGGC 6 脱氨基 deamination 1 亚硝酸的作用 nitrousacid NA C或A被脱掉氨基后分别变成U或H hypoxanthine 次黄嘌呤 C U NA A H NA H可与C配对 引起的后果 引起转换 CG UG UA TA AT HT HC GC 7 紫外线和高能辐射 电磁波 electromagneticspectr
15、um 随着波长变短 能量增加 1 紫外线 ultraviolet UV 1934年 发现UV对果蝇卵有诱变作用 到1960年已经搞清楚它的作用机理 UV对DNA的作用 主要是诱导形成嘧啶二聚体 pyrimidinedimers 尤其是T T 二聚体扭曲了DNA构像 导致复制不能进行 T Tdimer T Tdimer 2 离子辐射 ionizingradiation 1920年 HermannJ Muller和LewisJ Stadler发现比紫外线波长更短的X rays gammarays 以及cosmicrays这些离子辐射有诱变作用 X ray的诱变作用的机理 产生自由基 freerad
16、icals 打断磷酸二酯键 导致染色体断裂 X rays与X连锁隐性致死突变 第三节突变的后果 一 沉默突变 silentmutation 突变对基因组的功能并无影响 1 基因间区或非编码区突变 2 同义突变 突变后的密码仍然编码同一个氨基酸 二 错义突变 突变后的密码编码另一个氨基酸 如果发生在活性部位 对蛋白质的功能有重大影响 三 终止突变 编码氨基酸的密码突变成终止密码 导致肽链合成提前终止 产生残缺蛋白 四 通读 readthrough 终止密码突变成某个氨基酸的密码 第四节突变的检出 Amestest 突变可以通过多种生物系统检查 如果蝇 鼠 培养的哺乳动物细胞等 但最常用的是Amestest 一 Amestest的原理 是BruceAmes1970年建立的 化学诱变剂 mutagens 能引起DNA突变 碱基替换 移码突变等 使细菌的表型发生改变 1 诱变 mutagenesis 营养缺陷型 野生型 恢复突变 突变 1 直接诱变 directmutagenesis 化学试剂 如EMS 或射线直接引起碱基改变或DNA断裂 诱变剂 DNA 表型改变 诱变剂 代谢产物 化学试剂
