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1、第三章 基因突变和DNA的修复,在微生物中，突变是经常发生的，学习和掌握突变的规律，不但有助于对基因定位和基因功能等基本理论问题的了解，而且还为微生物选种、育种提供必要的理论基础,同时对于致癌物质的检测也有重要意义。,突变的意义,突变是指遗传物质突然发生稳定的可遗传的变化。它有两个意义：一是指与野生型不同的个体所携带和传递的基因组变异结构，这种变异结构可以是基因水平的，也可以是染色体水平的；突变的另一个意义是指上述变异结构发生的过程。对微生物来讲，基因突变最常见，最重要，而由于重组或附加体等外源遗传物质的整合而引起DNA的改变，则不属突变的范围。 在微生物纯种群体或混合群体中，都可能偶尔出现个
2、别微生物在形态、生理生化或其他方面的性状发生改变。改变了的性状可以遗传，这时的微生物发生变异，成了变种或变株 。,突变的类型是多种多样，从突变涉及的范围，可以把突变分为基因突变和染色体畸变。在粗糙脉孢菌中，染色体畸变的研究已经相当深入了。在电子显微镜下现在已经可以观察病毒的染色体畸变。不过就遗传学研究较为深人的大肠杆菌、沙门氏菌、枯草杆菌等细菌以及其它多数微生物来讲，突变的研究主要是在基因突变方面。下面就分类的依据不同，探讨一下突变的类型。,第一节 基因突变的类型和规律,染色体畸变，又称染色体突变包括染色体结构和数目的改变。 染色体结构改变：是一些不发生染色体数目变化而在染色体上有较大范围结构
3、改变的变异，是由DNA(RNA)的片段缺失、重复或重排而造成染色体异常的突变。 其中包括以下变化：,一、从突变涉及范围，可以把突变分为基因突变和染色体畸变。,染色体结构的改变,一是易位，指两条非同源染色体之间部分相连的现象。它包括一个染色体的一部分连接到某一非同源染色体上的单向易位以及两个非同源染色体部分相互交换连接的相互易位。 二是倒位，指一个染色体的某一部分旋转180度后以颠倒的顺序出现在原来位置的现象。 三是缺失，指在一条染色体上失去一个或多个基因的片段，这是造成畸变的缺失。 四是重复，指在一条染色体上增加了一段染色体片段，使同一染色体上某些基因重复出现的突变。发生染色体畸变的微生物往往
4、易致死，所以微生物中突变类型的研究主要是在基因突变方面。,基因突变，又称点突变。,是发生于一个基因座位内部的遗传物质结构变异。往往只涉及一对碱基或少数几个碱基对。点突变可以是碱基对的替代，也可以是碱基对的增减。前者可分为转换和颠换。转换是指一种嘌呤嘧啶对变为另一种嘌呤嘧啶对，或一种嘧啶嘌呤对变为另一种嘧啶嘌呤对；颠换是指一种嘧啶嘌呤对变为另一种嘌呤嘧啶对，或反过来一种嘌呤嘧啶对变为另一种嘧啶嘌呤对。,这两种碱基的替代突变改变了遗传密码的结构和该密码所编码的氨基酸。碱基对的增减则造成增减变异点以后全部密码及其编码的氨基酸，所以称为移码突变。,第二节突变的表型效应形态突变型：指发生细胞形态变化或引
5、起菌落形态改变的那些突变型。 包括影响细胞形态的突变型以及影响细菌、霉菌、放线菌等的菌落形态以及影响噬菌体的噬菌斑的突变型。例如细菌的鞭毛、芽孢或荚膜的有无，菌落的大小，外形的光滑或粗糙及颜色的变异；放线菌或真菌产孢子的多少，外形及颜色的变异；噬菌斑的大小和清晰程度的变异等。,致死突变型,指由于基因突变而造成个体死亡的突变类型，造成个体生活力下降的突变型称为半致死突变型。一个隐性的致死突变基因可以在二倍体生物中以杂合状态保存下来，可是不能在单倍体生物中保存下来，所以致死突变在微生物中研究得不多。,条件致死突变型,这类突变型的个体只是在特定条件，即限定条件下表达突变性状或致死效应，而在许可条件下
6、的表型是正常的。广泛应用的一类是温度敏感突变型，这些突变型在一个温度中并不致死，所以可以在这种温度中保 存下来；它们在另一温度中是致死的，通过它们的致死作用，可以用来研究基因的作用等问题。,营养缺陷突变型,是一类重要的生化突变型。是指某种微生物经基因突变而引起微生物代谢过程中某些酶合成能力丧失的突变型，它们必须在原有培养基中添加相应的营养成分才能正常生长繁殖。这种突变型在微生物遗传学研究中应用非常广泛，它们在科研和生产中也有着重要的应用价值。,抗性突变型,是指一类能抵抗有害理化因素的突变型，细胞或个体能在某种抑制生长的因素(如抗生素或代谢活性物质的结构类似物)存在时继续生长与繁殖。根据其抵抗的
7、对象分抗药性、抗紫外线、抗噬菌体等突变类型。这些突变类型在遗传学基本理论的研究中非常有用，常以抗性突变为选择标记，特别在融合试验、协同转染实验中用得最多。,抗原突变型,是指细胞成分，特别是细胞表面成分如细胞壁、荚膜、鞭毛的细致变异而引起抗原性变化的突变型。 其它突变型 如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种类和数量以及对某种药物的依赖性等的突变型。,这几类突变型并不是彼此排斥的。营养缺陷型也可以认为是一种条件致死突变型，因为在没有补充给它们所需要的物质的培养基上它们不能生长。某些营养缺陷型也具有明显的形态改变。例如粗糙脉胞菌和酵母菌的某些腺嘌呤缺陷型分泌红色色素。所有的突变型可以认为都是生化突变型，
8、最为常见的是营养缺陷型。抗药性突变也是微生物遗传学中常用的一类生化突变型。因为任何突变，不论是影响形态的或是致死的，都必然有它的生化基础。突变型的这一区分不是本质性的。,突变所引起的遗传信息的改变错义突变 造成一个不同氨基酸的置换。同义突变 突变后编码的氨基酸与野生型的氨基酸相同。无义突变 突变后形成终止密码子，使蛋白质合成提前结束。,按突变的条件和原因划分,突变可以分为自发突变和诱发突变。 自发突变 是指某种微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变。在过去相当长的时间里，人们认为自发突变是由于自然界中存在的辐射因素和环境诱变剂所引起的。然而深入研究表明这种看法不够完全。绝大多数的自发
9、突变起源于细胞内部的一些生命活动过程，如遗传重组的差错和DNA复制的差错，这些差错的产生与酶的活动相关联。自发突变率为10-8左右。,影响基因的自发突变率的因素,DNA复制中的碱基错配、跳格，DNA聚合酶结构变异等均是提高自发突变的原因。在序列相似的DNA片段间的重组过程中，特别容易发生重组差错，从而造成一个或几个碱基的重复和缺失；基因重组是由重组酶来催化的，重组酶结构的变异也会影响基因的自发突变率。总之，各种DNA复制和基因重组过程有关的酶和蛋白，对维持生物基因自发突变率起着重要的，决定性的作用。,诱发突变,是利用物理的或化学的因素处理微生物群体，促使少数个体细胞的DNA分子结构发生改变，基
10、因内部碱基配对发生错误，引起微生物的遗传性状发生突变。凡能显著提高突变率的因素都称诱发因素或诱变剂。,遗传学上常用的几个突变株,营养缺陷型突变株：指由于代谢障碍而成为必须添加某种物质才能生长的突变株。温度敏感突变株：指可在某一温度下生长而在另一温度下不能生长的突变株。抗性突变株：指对某种药物具有一定抵抗能力的突变株。,基因突变的特点（规律）,在生物界中由于遗传变异的物质基础是相同的，因此显示在遗传变异的本质上也具有相同的规律，这在基因突变的水平上尤其显得突出。,自发性 由于自然界环境因素的影响和微生物内在的生理生化特点，在没有人为诱发因素的情况下，各种遗传性状的改变可以自发地产生。 稀有性 自
11、发突变虽然不可避免，并可能随时发生，但是突变的频率极低，一般在10-610-9之间。 诱变性 通过各种物理、化学诱发因素的作用，可以提高突变率，一般可提高10106倍。,突变的结果与原因之间的不对应性 即突变后表现的性状与引起突变的原因之间无直接对应关系。例如抗紫外线突变体不是由紫外线而引起，抗青霉素突变体并也不是由于接触青霉素所引起。 独立性 在一个群体中，各种形状都可能发生突变，但彼此之间独立进行。 稳定性 突变基因和野生型基因一样，是一个相对稳定的结构，由此而产生的新的遗传性状也是相对稳定的，可以一代一代地传下去。,可逆性 原始的野生型基因可以通过变异成为突变型基因，此过程称为正向突变；
12、相反，突变型基因也可以恢复到原来的野生型基因，称回复突变。实验证明任何突变既有可能正向突变，也可发生回复突变，二者发生的频率基本相同。,一些细菌的抗性突变的突变率,第三节回复突变和抑制突变p45,正向突变：改变了野生型性状的突变。 回复突变：突变体发生二次 突变，并恢复了所失去的野生型性状。 抑制突变：绝大多数回复突变不是原位回复突变，而是抑制突变，即原来位点的突变依然存在，而它的 表型效应被基因组中第二位点的突变所抑制。 基因内抑制突变：发生在正向突变的基因之中。如错义突变和移码突变。 基因间抑制突变：发生在其它基因之中，产生所谓抑制基因的突变。 基因间间接抑制突变,增变基因和突变热点p48
13、,突变热点和增变基因 从理论上讲，DNA分子上任何碱基都能发生突变，但实际上DNA分子上不同部分有着不同的突变率。例如SBenzer利用各种诱变剂处理T4噬菌体，选出了大约1500个r基因的突变体。现在已知rA包含1800个核苷酸对，rB有850个核苷酸对。通过遗传学方法分析突变在不同位点上的分布情况，发现，A有200个突变位点，rB有108个。可见已鉴别出来的位点数目大大少于核苷酸对的数目。突变位点在基因内的分布并不是随机的，许多位点上没有突变型或突变型很少，而在某些位点上突变型很多，其突变率大大高于平均数。这些位点就称为突变热点(hot spots of mutations)。,增变基因,
14、是指基因组中某些基因的突变可使整个基因组的突变率明显上升，因此把这些基因称为增变基因(mutator genes)。目前已知的这类基因主要有两类：一是DNA多聚酶的各个基因，如果这类基因突变，则使DNA多聚酶的35校对功能丧失或降低，这样就会使其他基因的突变率升高；另一个是dam；基因，如果该基因突变，则错配修复功能丧失、引起突变率的升高。,突变体的形成与表型延迟P48,突变体的形成 （过程） A：诱变剂与DNA接触之前 B：突变发生过程 C：实变体的形成 表型延迟：突变所产生的新基因型遗传特性不能在当代出现，必须经两代以上的繁殖复制才能出现。原因有三： A：诱变剂性质和细胞结构 B：多核细胞
15、形成杂核细胞 C：原因基因产物的影响,第五节 损伤DNA的修复，突变的修复,微生物能以多种形式去修复被紫外线损伤后的DNA，主要方式有光复活、切除修复、重组修复、紧急呼救修复等。,一. 光复活作用（光修复）,经紫外线照射后的微生物暴露于可见光下时，可明显的降低其死亡率的现象称为光复活作用。 光复活作用首先于1949年在放线菌中发现。引起的原因是可见光所激活的酶在起作用，经紫外线照射后形成胸腺嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗中会与一种光激活酶结合形成复合物，当再暴露在下可见光时，复合物会因获得光能而使酶与DNA分子解离，从而使胸腺嘧啶二聚体重新分散成两个胸腺嘧啶单体，同时光激活酶也从复合物中释放出
16、来。,photo reactivation,-TT- -AA-,由于微生物中一般都存在着光复活作用，因此用紫外线照射菌液时，要在红灯下进行操作处理，然后再于暗室中或用黑布包起来培养。,二.错配修复,甲基化引导的错配修复系统。特异性不强。能修复DNA双链结构的任何轻微损伤。重大损伤靠其他方式修复。,三、切补修复 （复制前修复）,包括3个步骤：损伤部位的识别；损伤部位被切除；完成修复。 修复过程需要的酶不需要光的激活，所以叫暗修复。但是黑暗不是必要条件。能修复紫外线引起的损伤，也能修复电离辐射和化学诱变剂造成的损伤。 包括两个类型：核苷酸切除修复、碱基切除修复。,修复过程,整个修复过程是在四种酶的协同作用下进行的将胸腺嘧啶切除的 DNA损伤修复：核酸内切酶胸腺嘧啶在胸腺嘧啶二聚体的5一侧切开一个3-OH和5-P的单链缺口；核酸外切酶从5-P至3-0H方向切除二聚体；cDNA聚合酶以DNA的另一条互补链作模板，从原有链上暴露的3-0H端起逐渐延长，重新合成一段缺损的DNA链；通过连接酶的作用，把新合成的那段DNA 的3-OH末端与原来的5-P末端相连接，形成一个完整的双链结构。,
