第十一章基因突变

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1、第十一章 基因突变 学习要点：1.基因突变的相关概念2.基因突变的分子基础3.突变的修复机制4.突变的检测5.突变的遗传学效应第十一章 基因突变突变：遗传物质的可遗传改变染色体畸变：染色体水平基因突变： DNA水平第一节 基因突变的概说一、基因突变的概念突变：染色体上一个基因内部化学结构的改 变，一个基因变成它的等位基因。范围：广泛的生物界自发：家兔白化、貂的蓝皮毛、丝羽鸡人工：Muller、Sradler等（X射线照射果 蝇、玉米） 二、基因突变发生的时期和部位 三、突变频率二、基因突变发生的时期和部位1. 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

2、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)基因突变常常独立发生： 某一基因位点发生并不影响其等位基因，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：高等生物基因突变时期与性状表现突变时 期显性突变隐性突变 (或下位性突变)高等生物性细胞突变当代表现突变性 状。突变当代不表现突变性 状，其自交后代才可能 表现突变性状。体细胞突变当代表现为嵌合 体，镶嵌范围取决于 突变发生的早晚。突变当代不表现突变性 状，往往不能被发现、 保留。低等生物 (单倍体)有性生殖 表现突变性状表现突变性状无性

3、生殖 表现突变性状表现突变性状三、突变频率 突变率(mutation mate)指生物在一个世代中在特定条件下发生某一突变的概率。也就是突变体占该世代个体的比例。 有性生殖生物：用突变配子占总配子比例(配子发生突变的概率)表示； (单细胞)无性繁殖生物：每一世代中细胞发生突变的频率。自然突变频率自然条件下基因突变率一般较低，并随生物种类 、基因而异： 不同生物种类的基因突变率： 高等植物：110-5-110-8; 低等生物，如细菌：110-4-110-10; 人：110-4-110-6. 同一物种的不同基因的天然突变率也明显不同 ：第二节 基因突变的分子基础 一、自发突变(spontaneou

4、s mutation)1.DNA复制错误(errors of DNA replication)DNA碱基有互变异构体，造成DNA复制过程中的DNA错 配。转换：Purine Pu;或者 Pyrimidine Py 颠换：Pu Py; 或者PyPu移码突变：增加或减少几个碱基,导致蛋白质翻 译错位。缺失和重复：大片段碱基的缺失或重复，如 E.coli乳糖发酵调节基因lac中四碱基重复序列。野生型: 5GTCTGGCTGGCTGGC3突变型FS5: 5GTCTGGCTGGCTGGCTGGC3突变型FS2: 5GTCTGGCTGGC3返回返回2.DNA损伤（lesions） 脱嘌呤 由于碱基和脱氧核

5、糖间的糖苷键受 到破坏,从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从DNA分 子上脱落下来.脱氨基 C脱氨基变成U;A脱氨基变成H,造 成转换 A AT HT HC HCAT GC B GC GU AUAUGC AT 氧化损伤: O2 OH H2O2， 对DNA造成损 伤二、诱发突变（induced mutaion） 1.诱变机制碱基类似物 eg. 5BU 和5BrdU是胸 腺嘧啶(T)的结构类似物，酮式结构易与A配对 ；烯醇式结构易与G配对。另有2氨基嘌呤(2 AP, A类似物)、5 氟尿嘧啶、5氯尿嘧啶等。 特异性错配 eg.烷化剂: 甲磺酸乙酯 (EMS)、亚硝基胍( NG)、芥子气等。通过改变 碱基结

6、构使碱基错配。如：GC; 当G烷基化后可与T配对，导致碱 基转换。烷化剂使嘌呤脱落，造成转换、颠换 、断裂或其他突变 嵌合剂的致突作用 eg. .吖啶类染料: 吖啶橙、吖啶黄素、原黄 素等碱基对的类似物，易造成移码突变。 辐射诱导效应(1)紫外线UV:形成嘧啶二聚体，如T二聚体， 同一条单链内，影响复制时与A的配对，中 止复制；双链之间，影响双链变性，并影响 复制。(2)电离辐射：如Xray、可引起碱基的降解或 脱落，A变成H;C变成T，出现转换。 黄曲霉的作用 ：使鸟嘌呤G脱落，SOS修复引 入A, 造成突变。2.碱基替换的遗传效应() 同义突变（samesense mutation）不改变

7、氨 基酸的密码子变化，与密码子的兼并性有关. 如 GAU/GACAsp.() 错义突变（missense mutation） 碱基替换 的结果引起氨基酸序列的改变.() 无义突变（nonsense mutation）编码区的单 碱基突变导致终止密码子(UAG/UGA/UAA)的形成, 使 mRNA的翻译提前终止, 形成不完全的肽链.如镰刀型贫血症：血红蛋白B链(146Aa)，6号氨 基酸的替换, 导致明显的表型症状。GluVal, 若Glu Asp则影响较小。3.移码突变及其产生在基因的外显子中插入或缺失1, 2或4个核苷酸,使阅 读信息发生错位,从而使翻译的蛋白质序列与原来完全 不同. eg

8、. E.coli中乳糖发酵的调节基因(lac):野生型: 5GTCTGGCTGGCTGGC3移码突变: 5GTCTGGCTGGCTGGCTGGC3移码突变 : 5GTCTGGCTGGC34.突变热点和增变基因基因中 某些位点比其它位点突变率高，称突变热点 。Eg. 分析T4Phage r 基因1500个突变体： r A (1800bp)有200个位点； r B (850bp)有108个位点 。形成原因：1. 5MeC的存在，5甲基胞嘧啶(MeC)脱氨基后变成T, 使GC部位转变成AT部位； 2. 短的重复序列的存在，容易配对错位，造成重复或缺 失 3. 与诱变剂类型有关，不同诱变剂出现不同的热

9、点。 4. 增变基因(mutator gene)：该基因的突变会使整个基 因组的突变频率增高，eg. A. DNA多聚酶基因，突变后使多聚酶的3 5校正 功能降低或丧失，使基因组突变频率增高；B. dam基因，突变后使碱基的错配修复功能降低或 丧失，使基因组突变频率增高。三、诱变与肿瘤肿瘤的形成与否取决于机体中癌基因和抑 癌基因的平衡，抑癌基因突变会致癌。一些诱 变剂可以特异性的诱导抑癌基因突变，导致肿 瘤发生。eg. 黄曲霉素可诱导P53基因G T颠换， 导致肝癌的发生；UV可诱导P53基因5 TC3 发生C T颠换，形成“T二聚体”，导致人类鳞 状细胞皮肤癌的发生。 四、定点诱变定义：利用

10、人工合成的寡核苷酸，在离体的 条件下，制造基因中任何部位的位点特异性突 变的技术。 第三节生物体对突变的修复机制一 光复活(photoreactivation)1. 概念：在可见光存在的条件下，在光复活酶作用下 将UV引起嘧啶二聚体分解为单体的过程。2. 条件：可见光(300600nm)、PR酶、嘧啶二聚体3. 作用过程：光复活酶与T=T结合形成复合物;复合物吸收可见光切断T=T之间的CC共价键,使二 聚体变成单体;光复酶从DNA链解离.*光复活是原核生物中的一种主要修复形式。二 切除修复1.概念:（核苷酸外切修复、暗修复）先在损伤的任何一 端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡核苷酸；留下 的缺

11、口由修复性合成来填补，再由连接酶将其连接起 来。酶作用不需要光的激活，但黑暗不是必要条件。 2.特点：消除由UV引起的损伤，也能消除由电离辐射和 化学诱变剂引起的其他损伤。切除的片段可由几十到 上万bp，分别称短补丁修复、长补丁修复。 3.过程： 内切酶的作用在DNA损伤的一端,切开形成一个切口 ;外切酶的作用将损伤部位切除;聚合酶的作用将切口补齐,留下一个切口;连接酶的作用将DNA连接形成完整的DNA链。4.特异性切除修复E.coli 中明显的损伤，可在UvrA、 UvrB、 UvrC 的作用下得以修复，但不明显的损伤需要特异性修复 。(1)糖基化酶修复：如果碱基被共价修饰，糖基化酶可 作用

12、于CN糖苷键，使碱基释放，产生无碱基(AP)位 点, 再由AP内切酶修复系统修复。(2)AP内切酶修复系统修复：也由内切、外切、聚合 和连接四种酶活性来完成，以修复AP位点。*以上两种修复过程都没有涉及到DNA的重组,属于无 误差的修复。三 重组修复 1.概念: 通过对DNA的复制和同源链的重组，来完成对 损伤部位的修复，又称复制后修复。 2.特点: 修复过程伴随DNA的复制和重组； 仅修复新合成的不完整的单链，原先的损伤单链 仍然保留；部分重组蛋白的精确性差，修复的出错率较高。 3.重组修复过程：(1)复制：以损伤单链为模板复制时，越过损伤部位， 对应位点留下缺口；未损伤单链复制成完整双链。

13、(2)重组：缺口单链与完整同源单链重组，缺口转移到 完整链，使损伤单链的互补链完整，损伤单链仍然保 留。(3)再合成：转移后的缺口以新互补链为模板聚合补齐 。 四 SOS修复 1. 概念：是在DNA分子受损伤的范围较大而且复制受到 抑制时出现的一种应急修复作用。 2. 过程当DNA损伤较大时(如产生很多的T=T)，正常的 DNA多聚酶复制到损伤位点时，其活性受到抑制；短暂抑制后产生一种新的DNA多聚酶，催化损伤 部位DNA的复制，由于新的DNA多聚酶的修复校正功 能较低，新合成的碱基错配频率较高，易引起突变。 3.特点：修复系统需要在DNA分子受损伤的范围较大而且 复制受到抑制时才能够启动。修

14、复系统对错配碱基的修复校正功能低下，从而 增加突变的频率。在紧急情况下，细胞通过一定水平的变异来换取细胞 的幸存，有利于细胞逃生。 4.SOS系统的启动： 通过操纵子(结构基因、启动子、操纵基因、调节基 因)来实现：A. SOS基因：recA基因、UvrA、UvrB、UmuC 等，也称din基因 (damage inducible gene)，为操 纵子的结构基因；B. lex基因：阻遏蛋白基因，正常情况下结合在操 纵基因上；C. recA基因：重组蛋白基因，应急状态下启动蛋 白质水解酶活性，水解阻遏蛋白，使din基因高效表 达，从而启动SOS修复系统。五 电离辐射损伤的修复氢键断裂：DNA双

15、链之间 1.电离辐射效应 共价键断裂：DNA单链断裂 、双链断裂、碱基和糖基损伤交联作用：DNA与DNA、 DNA与蛋白质之间发生 2.电离辐射的修复： 1、超快修复(0, 2min)(E. coli) 无O2、单链 (DNA连接 酶)2、快修复(几分钟) 其余90断裂单链 (聚合酶 ) 3、慢修复(37 ,4060min)剩余单链 (重组修复酶系统)六 修复缺陷与人类疾病1. 着色性干皮病 (XP, xeroderma pigmentosum)位于1p的隐性基因控制，干性皮肤伴随神经系统 疾病，由切除二聚体能力缺损造成。 2. 侏儒、视网膜萎缩。由缺损紫外线引起的DNA损伤修复系统引起。 3. 共济失调毛细血管扩张症 4. 早老症一、细菌培养缺陷型的检出完全培养基或补充培养基（存活）基本培养基（死亡）完全培养基10-810-6合成缺陷型药物处理基本培养基第四节、基因突变的检