第十一章第十一章 基因突变基因突变§学习要点：学习要点： 1.基因突变的相关概念基因突变的相关概念 2.基因突变的分子基础基因突变的分子基础 3.突变的修复机制突变的修复机制 4.突变的检测突变的检测 5.突变的遗传学效应突变的遗传学效应 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：~1×10-5-1×10-8;•低等生物，如细菌：~1×10-4-1×10-10;•人：~1×10-4-1×10-6.§同一物种的不同基因的天然突变率也明显不同： 第二节第二节 基因突变的分子基础基因突变的分子基础一、自发突变一、自发突变(spontaneous mutation) 1.DNA复制错误复制错误(errors of DNA replication) DNA碱基有碱基有互变异构体互变异构体，造成，造成DNA复制过程中的复制过程中的DNA错配。
错配 ⅰⅰ转换：转换：Purine→ Pu;或者或者 Pyrimidine→ Py ⅱⅱ颠换：颠换：Pu →Py; 或者或者Py→Pu ⅲⅲ移码突变：增加或减少几个碱基移码突变：增加或减少几个碱基,导致蛋白质翻译导致蛋白质翻译错位 ⅳⅳ缺失和重复：大片段碱基的缺失或重复，如缺失和重复：大片段碱基的缺失或重复，如E.coli乳糖发酵调节基因乳糖发酵调节基因lacⅠⅠ中四碱基重复序列中四碱基重复序列 野生型野生型: 5‘GTCTGGCTGGCTGGC3’ 突变型突变型FS5: 5‘GTCTGGCTGGCTGGCTGGC3’ 突变型突变型FS2: 5‘GTCTGGCTGGC3’ 返回返回返回返回 2.DNA损伤（损伤（lesions）） ⅰⅰ脱嘌呤脱嘌呤 由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏破坏,从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从DNA分子分子上脱落下来上脱落下来. ⅱⅱ脱氨基脱氨基 C脱氨基变成脱氨基变成U;A脱氨基变成脱氨基变成H,造成造成转换转换A AT →→ → HT→→→ HC→→→ HC ↘ ↘→AT ↘ ↘→GCB GC →→ → GU→→→ AU→→→AU ↘ ↘→GC ↘ ↘→AT ⅲⅲ氧化损伤氧化损伤: O2 OH H2O2，， 对对DNA造成损伤造成损伤 二、诱发突变（二、诱发突变（induced mutaion）） 1.诱变机制诱变机制 ⅰⅰ碱基类似物碱基类似物 eg. 5BU 和和5BrdU是胸是胸腺嘧啶腺嘧啶(T)的结构类似物，酮式结构易与的结构类似物，酮式结构易与A配对；配对；烯醇式结构易与烯醇式结构易与G配对。
另有配对另有2氨基嘌呤氨基嘌呤(2AP, A类似物类似物)、、5 氟尿嘧啶、氟尿嘧啶、5氯尿嘧啶等氯尿嘧啶等 ⅱⅱ 特异性错配特异性错配 eg.烷化剂烷化剂: 甲磺酸乙酯甲磺酸乙酯(EMS)、、亚硝基胍亚硝基胍( NG)、、芥子气等通过改变碱芥子气等通过改变碱基结构使碱基错配基结构使碱基错配 如：如：GC; 当当G烷基化后可与烷基化后可与T配对，导致碱基配对，导致碱基转换烷化剂使嘌呤脱落，造成转换、颠换、断转换烷化剂使嘌呤脱落，造成转换、颠换、断裂或其他突变裂或其他突变 ⅲⅲ 嵌合剂的致突作用嵌合剂的致突作用 eg. .吖啶类染料吖啶类染料: 吖啶橙、吖啶黄素、原黄吖啶橙、吖啶黄素、原黄素等碱基对的类似物，易造成移码突变素等碱基对的类似物，易造成移码突变ⅳⅳ 辐射诱导效应辐射诱导效应 (1)紫外线紫外线UV:形成嘧啶二聚体，如形成嘧啶二聚体，如T二聚体，二聚体，①①同一条单链内，影响复制时与同一条单链内，影响复制时与A的配对，中止复的配对，中止复制；制；②②双链之间，影响双链变性，并影响复制双链之间，影响双链变性，并影响复制。
(2)电离辐射：如电离辐射：如Xray、、可引起碱基的降解或脱可引起碱基的降解或脱落，落，A变成变成H;C变成变成T，，出现转换出现转换ⅴⅴ黄曲霉的作用黄曲霉的作用 ：使鸟嘌呤：使鸟嘌呤G脱落，脱落，SOS修复引修复引入入A, 造成突变造成突变 2.碱基替换的遗传效应碱基替换的遗传效应 (ⅰⅰ) 同义突变（同义突变（samesense mutation））不改变氨基不改变氨基酸的密码子变化，与密码子的兼并性有关酸的密码子变化，与密码子的兼并性有关. 如如GAU/GAC—Asp. (ⅱⅱ) 错义突变（错义突变（missense mutation）） 碱基替换的碱基替换的结果引起氨基酸序列的改变结果引起氨基酸序列的改变. (ⅲⅲ) 无义突变（无义突变（nonsense mutation））编码区的单编码区的单碱基突变导致终止密码子碱基突变导致终止密码子(UAG/UGA/UAA)的形成的形成, 使使 mRNA的翻译提前终止的翻译提前终止, 形成不完全的肽链形成不完全的肽链. 如镰刀型贫血症：血红蛋白如镰刀型贫血症：血红蛋白B链链(146Aa)，，6号氨基号氨基酸的替换酸的替换, 导致明显的表型症状。
导致明显的表型症状Glu→Val, 若若Glu →Asp则影响较小则影响较小 3.移码突变及其产生移码突变及其产生 在基因的外显子中插入或缺失在基因的外显子中插入或缺失1, 2或或4个核苷酸个核苷酸,使阅读使阅读信息发生错位信息发生错位,从而使翻译的蛋白质序列与原来完全不从而使翻译的蛋白质序列与原来完全不同同. eg. E.coli中乳糖发酵的调节基因中乳糖发酵的调节基因(lacⅠⅠ): 野生型野生型: 5‘GTCTGGCTGGCTGGC3’ 移码突变移码突变ⅠⅠ: 5‘GTCTGGCTGGCTGGCTGGC3’ 移码突变移码突变 ⅡⅡ: 5‘GTCTGGCTGGC3’4.突变热点和增变基因突变热点和增变基因 基因中基因中 某些位点比其它位点突变率高，称突变热点某些位点比其它位点突变率高，称突变热点 Eg. 分析分析T4Phage r ⅡⅡ基因基因1500个突变体个突变体：： r ⅡⅡA (1800bp)有有200个位点；个位点； r ⅡⅡB (850bp)有有108个位点个位点 形成原因：形成原因：1. 5MeC的存在，的存在，5甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(MeC)脱氨基后变成脱氨基后变成T, 使使GC部位转变成部位转变成AT部位；部位；2. 短的重复序列短的重复序列的存在，容易配对错位，造成重复或缺失的存在，容易配对错位，造成重复或缺失3. 与与诱变剂类型诱变剂类型有关，不同诱变剂出现不同的热点。
有关，不同诱变剂出现不同的热点4. 增变基因增变基因(mutator gene)：：该基因的突变会使整个基因该基因的突变会使整个基因组的突变频率增高，组的突变频率增高，eg. A. DNA多聚酶基因，突变后使多聚酶的多聚酶基因，突变后使多聚酶的3’ → 5’校正校正功能降低或丧失，使基因组突变频率增高；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失，使基因组突变频率增高 三、诱变与肿瘤三、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基因的平衡，抑癌基因突变会致癌一些诱变剂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. 黄曲霉素可诱导黄曲霉素可诱导P53基因基因G → T颠换，导颠换，导致肝癌的发生；致肝癌的发生；UV可诱导可诱导P53基因基因5’ TC3’发发生生C → T颠换，形成颠换，形成“T二聚体二聚体”，导致人类鳞，导致人类鳞状细胞皮肤癌的发生。
状细胞皮肤癌的发生四、定点诱变四、定点诱变 定义：利用人工合成的寡核苷酸，在离体的定义：利用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第三节生物体对突变的修复机制一一 光复活光复活(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引起嘧啶二聚体分解为单体的过程 2. 条件：可见光条件：可见光(300~600nm)、、PR酶、嘧啶二聚体酶、嘧啶二聚体 3. 作用过程：作用过程： ①①光复活酶与光复活酶与T=T结合形成复合物结合形成复合物; ②②复合物吸收可见光切断复合物吸收可见光切断T=T之间的之间的CC共价键共价键,使二使二聚体变成单体聚体变成单体; ③③光复酶从光复酶从DNA链解离链解离. *光复活是原核生物中的一种主要修复形式光复活是原核生物中的一种主要修复形式 二二 切除修复切除修复1.概念概念:（核苷酸外切修复、暗修复）先在损伤的任何一（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；留下的端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡核苷酸；留下的缺口由修复性合成来填补，再由连接酶将其连接起来。
缺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：消除由特点：消除由UV引起的损伤，也能消除由电离辐射和引起的损伤，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化学诱变剂引起的其他损伤切除的片段可由几十到上万万bp，，分别称短补丁修复、长补丁修复分别称短补丁修复、长补丁修复3.过程：过程： ①①内切酶的作用在内切酶的作用在DNA损伤的一端损伤的一端,切开形成一个切口切开形成一个切口; ②②外切酶的作用将损伤部位切除外切酶的作用将损伤部位切除; ③③聚合酶的作用将切口补齐聚合酶的作用将切口补齐,留下一个切口留下一个切口; ④④连接酶的作用将连接酶的作用将DNA连接形成完整的连接形成完整的DNA链 4.特异性切除修复特异性切除修复 E.coli 中明显的损伤，可在中明显的损伤，可在UvrA、、 UvrB、、 UvrC的的作用下得以修复，但不明显的损伤需要特异性修复作用下得以修复，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，糖基化酶可糖基化酶修复：如果碱基被共价修饰，糖基化酶可作用于作用于CN糖苷键，使碱基释放，产生无碱基糖苷键，使碱基释放，产生无碱基(AP)位点位点, 再由再由AP内切酶修复系统修复。
内切酶修复系统修复 (2)AP内切酶修复系统修复：也由内切酶修复系统修复：也由内切内切、、外切外切、、聚合聚合和和连接连接四种酶活性来完成，以修复四种酶活性来完成，以修复AP位点 **以上两种修复过程都没有涉及到以上两种修复过程都没有涉及到DNA的重组的重组,属于无属于无误差的修复误差的修复 三三 重组修复重组修复1.概念概念: 通过对通过对DNA的复制和同源链的重组，来完成对损的复制和同源链的重组，来完成对损伤部位的修复，又称复制后修复伤部位的修复，又称复制后修复2.特点特点: ①① 修复过程伴随修复过程伴随DNA的复制和重组；的复制和重组； ②② 仅修复新合成的不完整的单链，原先的损伤单链仍仅修复新合成的不完整的单链，原先的损伤单链仍然保留；然保留； ③③部分重组蛋白的精确性差，修复的出错率较高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应位点留下缺口；未损伤单链复制成完整双链。
(2)重组：缺口单链与完整同源单链重组，缺口转移到完重组：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再合成：转移后的缺口以新互补链为模板聚合补齐 四四 SOS修复修复1. 概念：是在概念：是在DNA分子受损伤的范围较大而且复制受到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抑制时出现的一种应急修复作用2. 过程过程 ①①当当DNA损伤较大时损伤较大时(如产生很多的如产生很多的T=T)，，正常的正常的DNA多聚酶复制到损伤位点时，其活性受到抑制；多聚酶复制到损伤位点时，其活性受到抑制； ②②短暂抑制后产生一种新的短暂抑制后产生一种新的DNA多聚酶，催化损伤部多聚酶，催化损伤部位位DNA的复制，由于新的的复制，由于新的DNA多聚酶的修复校正功能多聚酶的修复校正功能较低，新合成的碱基错配频率较高，易引起突变较低，新合成的碱基错配频率较高，易引起突变。
3.特点：特点： ①①修复系统需要在修复系统需要在DNA分子受损伤的范围较大而且复分子受损伤的范围较大而且复制受到抑制时才能够启动制受到抑制时才能够启动 ②②修复系统对错配碱基的修复校正功能低下，从而增修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加突变的频率 ③③在紧急情况下，细胞通过一定水平的变异来换取细胞的在紧急情况下，细胞通过一定水平的变异来换取细胞的幸存，有利于细胞逃生幸存，有利于细胞逃生 4.SOS系统的启动：系统的启动： 通过操纵子通过操纵子(结构基因、启动子、操纵基因、调节基因结构基因、启动子、操纵基因、调节基因)来实现：来实现： A. SOS基因：基因：recA基因、基因、UvrA、、UvrB、、UmuC等，等，也称也称din基因基因 (damage inducible gene)，，为操纵子的结为操纵子的结构基因；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：阻遏蛋白基因，正常情况下结合在操纵基因上；基因上； C. recA基因：重组蛋白基因，应急状态下启动蛋白基因：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，使质水解酶活性，水解阻遏蛋白，使din基因高效表达，基因高效表达，从而启动从而启动SOS修复系统。
修复系统 五五 电离辐射损伤的修复电离辐射损伤的修复 ①①氢键断裂：氢键断裂：DNA双链之间双链之间1.电离辐射效应电离辐射效应 ②②共价键断裂：共价键断裂：DNA单链断裂、单链断裂、 双链断裂、碱基和糖基损伤双链断裂、碱基和糖基损伤 ③③交联作用：交联作用：DNA与与DNA、、DNA 与蛋白质之间发生与蛋白质之间发生2.电离辐射的修复：电离辐射的修复： 1、超快修复、超快修复(0℃℃, 2min) (E. coli) 无无O2、、单链单链 (DNA连接酶连接酶) 2、快修复、快修复(几分钟几分钟) 其余其余90％％断裂单链断裂单链 (聚合酶聚合酶ⅠⅠ) 3、慢修复、慢修复(37 ℃℃,4060min) 剩余单链剩余单链 (重组修复酶系统重组修复酶系统) 六六 修复缺陷与人类疾病修复缺陷与人类疾病1. 着色性干皮病着色性干皮病 (XP, xeroderma pigmentosum) 位于位于1p的隐性基因控制，干性皮肤伴随神经系统的隐性基因控制，干性皮肤伴随神经系统疾病，由切除二聚体能力缺损造成。
疾病，由切除二聚体能力缺损造成2. 侏儒、视网膜萎缩侏儒、视网膜萎缩 由缺损紫外线引起的由缺损紫外线引起的DNA损伤修复系统引起损伤修复系统引起3. 共济失调毛细血管扩张症共济失调毛细血管扩张症 4. 早老症早老症 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10-8~10-6合成缺陷型药物处理基本培养基第四节、基因突变的检测第四节、基因突变的检测 化合物的分组编码组别化合物的代号ABCDEF123456778910118121213141591316161718101417191920111518202121AFEBCD 二、链孢霉营养缺陷型的检出 三、三、 果蝇突变的检出果蝇突变的检出1.性连锁基因隐性突变的检出性连锁基因隐性突变的检出(ClB法法、、 Muller 5) (1) ClB品系：品系：C—交换抑制因子；交换抑制因子；l—隐性致死突变；隐性致死突变；B—棒眼棒眼步骤步骤：：A. 待测待测♂果蝇与杂合（果蝇与杂合（ClB/+++））♀果蝇杂交；果蝇杂交； B. F1 ClB ♀ 与与F1♂ （（野生型）野生型）单对杂交单对杂交，目的是，目的是检查某一特定检查某一特定X染色体上的突变；染色体上的突变； C. 观察分析：观察分析： ①①有有X隐性致死突变，隐性致死突变，F2 无雄蝇无雄蝇(♂:ClB和和l’死亡死亡); ②②隐性非致死突变，隐性非致死突变， F2预期预期♀ :♂=2:1，，突变性状只突变性状只在在F2雄蝇表现，雄蝇表现，F1ClB中不表现；中不表现； ③③无无X隐性突变，在隐性突变，在F2 ♂仅表现简单的仅表现简单的♀ :♂=2:1。
(2) Muller-5法： A. Muller5品系品系:B(棒眼棒眼)Wa(杏眼杏眼)sc(小盾片小盾片少刚毛少刚毛)——并具重复倒位并具重复倒位 B. 检出步骤检出步骤 : ⅠⅠ. 将待测的将待测的♂果蝇与纯合果蝇与纯合Muller♀果蝇杂交果蝇杂交. ⅡⅡ. 将将F1 ♀ ♂ 自交自交, 目的是检查某一特定目的是检查某一特定X染色染色体上的突变体上的突变. ⅢⅢ. 观察分析观察分析F2：： ①① 如果无如果无X隐性致死突变预期隐性致死突变预期F2 ♂: ♀=1:1 表型比为表型比为简单的简单的1:1:1:1; ②② 如果有如果有X隐性致死突变预期隐性致死突变预期F2 ♂: ♀=2:1 表型比表型比1:1:1; ③③ 如果有隐性非致死突变如果有隐性非致死突变 在在F2 ♂中可见突变中可见突变 2. 常染色体突变常染色体突变——平衡致死平衡致死系系(Cy和和S) ①①将待测的将待测的♂果蝇与果蝇与♀平衡致死系平衡致死系(Cy, S)果蝇杂交，果蝇杂交，F1二种表型；二种表型； ②②F1中的一种类型与平衡致死系做单对杂交，中的一种类型与平衡致死系做单对杂交，F2出现出现三种表型三种表型(任一性状隐性致死任一性状隐性致死)；； ③③将将F2中除平衡致死系以外的一种类型自交得中除平衡致死系以外的一种类型自交得F3 ④④观察分析观察分析F3：： a.如果有隐性致死突变，则如果有隐性致死突变，则F3只有一种类型，卷翅只有一种类型，卷翅（或星状眼）（或星状眼） b.如无突变，则如无突变，则F3中除有卷翅（或星状眼）外，还有中除有卷翅（或星状眼）外，还有野生型野生型 c.如有隐性非致死突变，则如有隐性非致死突变，则F3中除卷翅（或星状眼）中除卷翅（或星状眼）外，还有突变类型。
外，还有突变类型 检出特点检出特点：只能检出常染色体，且与平衡致死系同号：只能检出常染色体，且与平衡致死系同号染色体上的基因突变染色体上的基因突变 禾谷类突变的检出 种子处理 1个分蘖的幼芽或穗原始体 只影响1穗或其少数籽粒 四四 植物突变的检出植物突变的检出 大麦诱发隐性突变后代遗传动态示意图 返回返回返回返回 返回返回返回返回 返回返回返回返回 返回返回返回返回 返回返回返回返回 返回返回返回返回 返回返回返回返回 返回返回返回返回Step Step ⅠⅠⅠⅠStep Step ⅡⅡⅡⅡ♀ ♀♂ ♂♀ ♀♂ ♂类似类似类似类似L L纯合纯合纯合纯合B B 返回返回返回返回 返回返回返回返回 返回返回返回返回 。