動物遺傳學(xué)遺傳信息的改變

1、第四章 遺傳信息的改變1第一節(jié)、染色體畸變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)的改變?nèi)笔?deletion重復(fù) duplication倒位 inversion易位 translocation染色體數(shù)目的改變整倍體變異非整倍體變異嵌合體本章主要內(nèi)容2第二節(jié)、基因突變類型時期頻率一般特征分子機制原因誘變的應(yīng)用3第三節(jié) 突變的抑制與DNA的修復(fù)突變的抑制DNA的修復(fù)第四節(jié) 重組和轉(zhuǎn)座重組的概念重組的類型同源重組位點專一性重組轉(zhuǎn)座重組4 變異是生物界中存在的一種普遍現(xiàn)象。變異可以使生物具有多樣性，使生物通過自然選擇而不斷進化，改變生物的性狀。遺傳信息的改變可發(fā)生在染色體水平上，也可發(fā)生在染色體水平上，也可發(fā)生在DNA分子水平上

2、。染色體結(jié)構(gòu)和數(shù)目的改變稱染色體畸變（chromosomal aberration )；染色體一定位點的DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)生的化學(xué)變化稱為基因突變（gene mutation)，也叫點突變（point mutation）。現(xiàn)在我們討論生物遺傳信息是怎樣發(fā)生改變的，以及改變的類型和機制。5概 念 遺傳的變異，不遺傳的變異（也叫波變或飾變）定向變異：同一種群的生物處在相似的條件下發(fā)生相似的變異，這里環(huán)境條件決定了變異的方向。如人曬太陽都會變黑。不定變異（不定向變異）：處在相似的條件發(fā)生不同的變異。位置效應(yīng)自發(fā)突變（自然突變）誘發(fā)突變顯性突變（反突變、恢復(fù)突變）隱性突變（正突變）大突變和微突變突變的種

3、類：堿基置換和移碼突變突變的效應(yīng)：同義突變、錯義突變、無義突變（終止密碼突變）6第一節(jié)、染色體畸變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)的改變：可分為4種類型，即：缺失（deletion or deficiency ）；重復(fù)（duplication）；倒位（inversion）；易位（translocation）一、缺失 deficiency : 缺失是指一個正常染色體上某區(qū)段的丟失。主要有兩類：1.頂端缺失(terminal deficiency)：染色體的末端發(fā)生缺失。由于丟失了端粒，故一般很不穩(wěn)定，比較少見。2.中間缺失(intercalary or interstitial deletion) ：染色體中部缺失了

4、某一個片段。這種缺失較為普遍，也較穩(wěn)定。78910 發(fā)生缺失后，攜帶著絲粒的一段染色體仍可繼續(xù)存留在新細胞里，沒有著絲粒的另一段斷片將隨細胞分裂而丟失。缺失的遺傳效應(yīng) ：致死或出現(xiàn)異常：因為染色體缺失使它上面所載的基因也隨之丟失，所以，缺失常常造成生物的死亡或出現(xiàn)異常，但其嚴重程度決定于缺失區(qū)段的大小、所載基因的重要性以及屬缺失純合體還是雜合體而定。假顯性現(xiàn)象：若顯性基因缺失，則相應(yīng)的隱性基因表現(xiàn) 。11二、重復(fù)(duplication) 重復(fù)：染色體上多出了某個相同的區(qū)段。重復(fù)類型：1.順接重復(fù)(tandam duplication)：染色體某區(qū)段按照自己染色體的正常直線順序重復(fù)。ab. c

5、defab.cdcdef 。2.反接重復(fù)（reverse duplication)：染色體某區(qū)段在重復(fù)時顛倒了自己在染色體上的正常直線順序。ab. cdefab.cdeedf 。3. 同臂重復(fù)：重復(fù)的片段在同一條染色體臂上。4. 異臂重復(fù)：重復(fù)的片段在不同的臂上。 如果重復(fù)是著絲點。雙著絲點染色體，難于穩(wěn)定。12 abcdedefabcfaaaabbbbccccddddeeeeffffabcdefaabbccddeeedefdfabcdeedaaaaabbbbbcccccddeeeeffffffd正常染色體順接重復(fù)染色體反接重復(fù)染色體aabbccddeedeff重復(fù)雜合體及其聯(lián)會d13a b

6、d14重復(fù)的遺傳效應(yīng) （l）重復(fù)會破壞正常的連鎖群，影響固有基因的交換率。 （2）位置效應(yīng)（position effect）：一個基因隨著染色體畸變而改變它和相鄰基因的位置關(guān)系，所引起表型改變的現(xiàn)象稱位置效應(yīng)。重復(fù)的發(fā)生改變了原有基因間的位置關(guān)系。 （3）劑量效應(yīng)：由于基因數(shù)目的不同，而表現(xiàn)了不同的表型差異稱為劑量效應(yīng)。重復(fù)雜合體和重復(fù)純合體所含的某些等位基因已不是1對，而是3個或4個，常常會引起基因的劑量效應(yīng)， 15例如，玉米的糊粉層顏色受第9對染色體上一個顯性基因C控制，一個C存在，顏色最淺，如該染色體顯性基因C區(qū)段發(fā)生重復(fù)，則隨著基因C的增多，顏色會相應(yīng)地加深。（4）表型異常：重復(fù)對生物

7、發(fā)育和性細胞生活力也是有影響的，但比缺失的損害輕。如果重復(fù)的基因或產(chǎn)物很重要，就會引起表型異常。（5）重復(fù)圈及其附近的基因的重組率下降。16倒位(inversion)：染色體的某區(qū)段的正常直線順序發(fā)生了180度顛倒。 臂內(nèi)倒位(paracertric inversion)：倒位區(qū)段在染色體的某個臂的范圍內(nèi)。abc.defgabc.dfeg 臂間倒位(pericentric inversion)：倒位區(qū)段內(nèi)有著絲點，即倒位區(qū)段涉及染色體的兩個臂。abc.defgabed.cfg1718 正常染色體abcdefgaaaaaaaabbbbbbbbccccccccddddddddeeeeeeeefff

8、fffffgggggggg壁間倒位染色體臂內(nèi)倒位染色體倒位雜合體及其聯(lián)會bbbbaaaaeeeeffffggggccddddc倒位區(qū)段過長的倒位雜合體之聯(lián)會c19倒位的遺傳和表型效應(yīng) ( 1 )引起基因重排：倒位改變了正常的連鎖群，倒位造成基因間遺傳關(guān)系的變化，引起基因的重排，倒位圈內(nèi)及其附近的基因重組率改變，使遺傳密碼的閱讀結(jié)果改變，因而導(dǎo)致相應(yīng)的表型變化。（2）產(chǎn)生倒位圈：無論是臂內(nèi)倒位還是臂間倒位，在減數(shù)分離聯(lián)會時，倒位的染色體與其同源的正常染色體配對過程中，倒位的區(qū)段會出現(xiàn)環(huán)狀的倒位圈。 20 ( 3) 生活力影響：若倒位區(qū)段較大，倒位雜合體常常表現(xiàn)不育；但倒位純合體一般是完全正常的。

9、（4）對物種進化的影影響：向由于染色體一次一次地發(fā)生倒位，而且倒位雜合體通過自交會出現(xiàn)倒位純合體的后代，因而使他們與原來的物種不能產(chǎn)生正常配子，形成生殖隔離，往往會形成新的物種，促進物種的進化。倒位的應(yīng)用：由于倒位能抑制重組，人們就利用此特點將它應(yīng)用與突變檢測和致死品系的建立與保存上。如兩個不同的致死基因反式排列在一對同源染色體上，無須選擇就能保持真實遺傳，使致死品系得以保存。21四、易位易位是指兩對非同源染色體間某區(qū)段的轉(zhuǎn)移。 (1)相互易位( reciprocal translocation )指非同源染色體間相互置換了一段染色體片段。相互易位的結(jié)果一種是兩條染色體都含有著絲粒，稱對稱型相

10、互易位。另一種是產(chǎn)生雙著絲粒染色體和無著絲粒染色體的片段，后者可形成微核或丟失，這種稱非對稱型相互易位。相互易位與前面講的基因交換有些類似，但二者之間存在本質(zhì)區(qū)別，交換是指發(fā)生在同源染色體之間，而易位則發(fā)生在非同源染色體之間。22相互23ab.cde和wx.yz ab.cz和wx.yde就是相互易位染色體。（2）單向易位(simple translocation )：一個染色體的某區(qū)段結(jié)合至另一非同源染色體上。ab.cde和wx.yz ab.c和wx.ydez 24(3)25易位26易位產(chǎn)生的主要原因：（1）斷裂非重建性愈合；（2）轉(zhuǎn)座因子的作用。27易位的遺傳學(xué)效應(yīng)1 易位改變連鎖關(guān)系：由于

11、非同源染色體之間易位，原來的基因連鎖群也會隨著改變。原來連鎖的基因獨立遺傳；原來不連鎖的基因連鎖遺傳。假連鎖現(xiàn)象。2 易位降低連鎖基因間的重組率：一于基因間的距離有關(guān)，另外同源染色體或其同源段之間聯(lián)會的緊密程度比較松散，靠近易位點的區(qū)段甚至不會聯(lián)會。283 . 易位導(dǎo)致染色體數(shù)變異：羅伯遜易位，由多到少，且位置是近端著絲粒染色體。4. 基因重排導(dǎo)致致癌基因的活化: 產(chǎn)生腫瘤。5. 易位雜合體的半不育（semisterility）:易位雜合體最突出的特點是半不育，如植物花粉有50%不育，胚囊有50%不育，結(jié)實率50% 。29 易位的應(yīng)用基因定位，繪制染色體遺傳圖。利用易位控制害蟲：一定劑量射線照

12、射雌蟲，使染色體易位，易位的雌蟲與自然群體中的雄蟲交配，后代有50左右的卵不孵化。表現(xiàn)了半不育性堅持使用這一方法。若易位個體能達到一定的頻率，那么整個野生群體內(nèi)昆蟲群體的生殖能力從一般水平降到可以容許的程度。30 易位的應(yīng)用家蠶的雌雄性鑒別：家蠶ZW（雌）、ZZ（雄）雄蠶體大，吐絲早而多。以X射線處理蠶蛹，使其第二號染色體上載有斑紋基因的片段易位于決定雌性的W染色體上，成為伴性遺傳，因而該易位品系的雌體與任何白蠶的雄體交配，后代雌蠶都有斑紋，雄蠶為白色。在幼蟲期即可鑒別雌雄，以便分別飼養(yǎng)，提高產(chǎn)量。31第一節(jié)、染色體畸變?nèi)旧w數(shù)目變異 一、整倍體變異 二、非整倍體變異 單倍體 以二倍體作為標(biāo)準

13、 二倍體 單體：2n-1 缺體：2n-2； 三倍體 多一條：三體 四倍體 “超”體 多二條：四體 n倍體 雙三體32在動物體細胞的染色體中，每一種染色體都有2個相應(yīng)的大小、形態(tài)、結(jié)構(gòu)相同的同源染色體，每一種同源染色體之一構(gòu)成的一套染色體，稱為一個染色體組（genome) 。一套染色體上帶有相應(yīng)的一套基因，所以，也稱為一個基因組（genome)。染色體組最基本的特征：同一個染色體組的各個染色體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和連鎖基因群都彼此不同，但它的構(gòu)成一個完整而協(xié)調(diào)的體系；缺少之一造成不育或變異。33一、整倍體變異一倍體（monoploid）:體細胞內(nèi)含有一個染色體組的生物體（n=X）。二倍體的配子內(nèi)部都只有

14、一個染色體組。二倍體（dipoloid）：基數(shù)X的二倍四倍體（tetraploid）：基數(shù)X的四倍多倍體（ polyploid）：三倍和三倍以上的整倍體統(tǒng)稱之。34一倍體（x）和單倍體（n） 含有一個染色體組數(shù)目的生物。 動物中 某些膜翅目昆蟲（蜜蜂、黃蜂、蟻）和同翅目昆蟲（白蟻）的雄性，未受精的卵發(fā)育而成。 植物中 低等：藻菌類的單倍菌絲體 高等：偶然也出現(xiàn)，但高度不育35整倍體的同源性與異源性 定義 1926年木原均和小野第一次提出同源多倍體（autopolypoid）和異源多倍體（allopolyplod)。 同源多倍體：增加的染色體組來自同一物種。二倍體直接加倍，在合子中，二個以上染色

15、體成1組。 異源多倍體：來自不同物種，由種、屬間雜交種加倍而成。36 同源四倍體A 二倍體A （AAAA） （AA） AAA（F1）同源三倍體 （加倍） AAAAAA（同源六倍體）37 AA BB AB（F1） 加倍 AABB（異源四倍體） 加倍 AAAABBBB（同源異源八倍體） AABB CC ABC（異源三倍體） （加倍） AABBCC（異源六倍體）38秋水仙素的特點 淡黃色粉末，針狀結(jié)晶，易溶于涼水，但不易溶于熱水，有劇毒。 來源，從秋水仙中的鱗莖和種子中提取 分子式 C22H25O6N+1（1/2）H2O 只能使分生細胞加倍39 秋水仙素加倍的方法 濃度 0.01%-0.4%, 以0

16、.2%為好 時間應(yīng)試驗 幼嫩組織，時間短，濃度低 較老組織，時間長，濃度高植物多倍體育種40育成作物新類型 同源四倍體：適用于多年生，可以無性繁殖 異源多倍體 舉例：小黑麥（Tritizale）：穗大、粒大、抗病和抗逆性 黑麥（2x=RR=14）小麥（AABBDD）42 F1（4x=ABDR=28） 加倍 異源八倍體（8x=AABBDDRR=56=28） 即小黑麥41 三倍體通常是由同源的四倍體和二倍體自然或人工雜交而產(chǎn)生的。2x配子和lx配子結(jié)合形成三倍體。 三倍體的特點是不育，這與減數(shù)分裂時染色體分離有關(guān)，無論是同源三倍體還是異源三倍體在減數(shù)分離的后期，3個同源染色體總有一個染色體可隨機拉

17、向一極。只有每種同源染色體中的每條染色體都同時進入同一配子，這個配子才具有能育性。這種配子的的概率為（12）（x1）。由于這種概率太小，故認為無論是同源三倍體還是異源三倍體都是不育的。42母 本父 本無籽西瓜生產(chǎn)43四倍體二倍體有籽（三倍體）西瓜父本母本去雄授粉44普通西瓜植株種下去三倍體植株無籽西瓜花粉刺激（提供生長素）45二、非整倍體 非整倍體（aneuploid）體內(nèi)的染色體數(shù)目比該物種的正常合子染色體數(shù)（2n）多或少一個以至若干個染色體。 超倍體（hyperploid）:比正常合子染色體數(shù)（2n）多出若干條的非整倍體。 亞倍體（hypopid）:比正常合子染色體數(shù)（2n）少若干條的非整

18、倍體.46 缺體（nullisomic）：某一對染色體都丟失了2n-2。 （n-1）。 單體（monosomic）:在原有二倍體中，少掉其中的某一條，即2n-1. （n-1）+。如 22IIXO Turners 雙單體（double monosomic），兩對都少1條，2n-1- 1. （n-2）+2。 三體（trisomic）:在原有二倍體的基礎(chǔ)上，多出其中的某一條，即2n+1. (n-1)+。 雙三體（double trsomic）:在二倍體的基礎(chǔ)上，某二對染色體都增加一條. 2n+1+1. (n-2)+2。 47 四體（tetrasomic）:某對染色體多出二條，2n+2。（n-1）+I

19、III。雙體（disomic）：正常的2n個體（二倍體）4821三體Down氏綜合征4913三體貓叫綜合征即 Patau綜合征50 XXYKline-felter氏綜合征5152嵌合體是指含有兩種以上染色體數(shù)目或類型細胞的個體。如，兩性嵌合體（雌雄嵌合體）含有雌雄兩種細胞類型，XXXY嵌合體同時具有睪丸和卵巢，可能是兩個受精卵融合的結(jié)果。 另有XOXY、 XOXYY嵌合體。黃牛中發(fā)現(xiàn)二倍體五倍體（2n/5n）嵌合體等。參考教材p.8653染色體數(shù)目變異的機理：1. 染色體分裂而細胞沒有分裂，造成染色體數(shù)目成套增加，多倍體變異。2個別染色體發(fā)生不正常分裂，造成姊妹染色體沒有分離，從而形成不正常的

20、配子，交配后形成不同的超二倍體和亞二倍體。54染色體數(shù)目變異在育種上的應(yīng)用多倍體育種：因為多倍體抗逆性強，異源多倍體又表現(xiàn)雜種優(yōu)勢，繁殖力強、所以產(chǎn)生多倍體已成為育種的一個方向。目前，在魚、蝦、貝等海洋生物、植物已采用此種方法育種。單倍體育種：因為單倍體不存在等位基因顯隱性問題，故便于淘汰隱性有害基因。單倍體加倍即成純系。55第二節(jié) 基因突變基因突變（gene mutation）：是指染色體上一定位點的化學(xué)變化或位置效應(yīng)，故又稱點突變（point mutation）。它總是從一個基因變?yōu)槠淞硪粋€等位基因。位置效應(yīng)是指染色體上一個基因片段中更微小的片段發(fā)生位置的變化。突變可分為：自發(fā)突變（自然突

21、變）：自然發(fā)生的突變。誘發(fā)突變（誘變）：人工引起的突變。56實驗證明，基因突變既可由放射線（包括、X射線和紫外線等）所引起，也可由一些化學(xué)物質(zhì)所引起?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)許多化學(xué)物質(zhì)可引起基因突變，這些化學(xué)物質(zhì)稱為化學(xué)誘變劑。它們的誘變機制不盡相同，可以是堿基類似物的替代、堿基的化學(xué)修飾以及堿基的插人和缺失等。突變的結(jié)果也可產(chǎn)生DNA斷裂、堿基替代和移碼突變等不同情況。5758一、基因突變的類型（一）自發(fā)突變（spontaneous mutation）和誘發(fā)突變（induced mutation）（二）顯性突變（dominant mutation , a A)和隱性突變（recessive mutatio

22、n，Aa）（三）正向突變(forward mutation ，Aa)和回復(fù)突變(back mutation ，a A)59二、突變產(chǎn)生的時期和頻率由于基因突變而表現(xiàn)突變性狀的細胞或個體，稱為突變體（mutant）。（一）突變發(fā)生的時期 突變可以發(fā)生在生物體生長發(fā)育的任何階段，既可以發(fā)生在性細胞，也可發(fā)生在體細胞。如果突變發(fā)生在性細胞，這種突變就能通過配子的有性結(jié)合傳遞給后代，并且這種突變在后代的體細胞和性細胞中都存在，這種突變稱為種系突變( germ-line mutation )。60如果突變發(fā)生在體細胞，這種突變在有性繁殖的動物群體不能遞到后代，這種類型的突變稱為體細胞突變（somatic

23、 mutation)。然而植物的體細胞突變是可以通過壓條、嫁接等方法繁殖。出現(xiàn)動物克隆技術(shù)后，動物體細胞的突變也可通過克隆技術(shù)得以繁殖與保存。61（二）突變發(fā)生的頻率 突變的頻率（簡稱突變率，mutation rate）：突變率是指在一定時間內(nèi)突變可能發(fā)生的頻率次數(shù)，即突變體占總觀察個體數(shù)的比例?；蛲蛔冊谧匀唤缡瞧毡榇嬖诘?，但在自然條件下，突變發(fā)生的頻率很低，而且隨生物的種類和基因不同而差異很大。62（二）突變發(fā)生的頻率 在人類中，突變率為10-44 X 10-6，在果蠅中自發(fā)突變率大約為10 -4 10-5 ，在高等動植物中，突變率約為10 -5 10 -8，在細菌中為10 -4 10 -

24、10 63三、基因突變的一般特征（一）突變的重演性突變的重演性是指相同的突變在同種生物的不同個體、不同時間、不同地點重復(fù)地發(fā)生。例如果蠅的白眼突變就可多次發(fā)生。（二）突變的可逆性突變也具有可逆性，顯性基因A可以突變?yōu)殡[性基因a，隱性基因a也可以突變?yōu)轱@性基因A。前者稱為正突變，后者稱為回復(fù)突變或反突變。通常以u表示正突變率，v表示回復(fù)突變率。大多數(shù)情況下，uv。除了缺失突變以為，真正的點突變都是可以回復(fù)的。64（三）突變的多向性一個基因可以向不同的方向發(fā)生突變。換句話說，它可以突變?yōu)橐粋€以上的等位基因。例如，基因A可以突變?yōu)榈任换騛1，或a2 , a3等。因而，在這個座位上，一個個體的基因型

25、可以是AA，也可以是Aa1 , Aa2 , a1a2 , a1a3等等。如人類的ABO血型系統(tǒng)。一個基因座位上有兩個以上等位基因存在，在遺傳學(xué)上稱為復(fù)等位基因(multiple alleles)。當(dāng)然，復(fù)等位基因不會同時存在于二倍體物種的同一個體中，而是存在于同一物種的不同個體之中。65復(fù)等位基因的產(chǎn)生，是由突變的多向性造成的。復(fù)等位基因的存在，增加了生物的多樣性，為生物的適應(yīng)性和育種工作提供了豐富的資源，也為人們在分子水平上了解基因的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了方便。66（四）突變的平行性親緣關(guān)系相似的物種因遺傳基礎(chǔ)比較接近，往往發(fā)生相似的基因突變,這種現(xiàn)象稱為突變的平行性。例如哺乳動物、牛、馬、兔、猴、

26、狐都發(fā)現(xiàn)白化基因。矮化基因在馬、牛、豬等動物中都有發(fā)生。如果一個物種有某種變異，可以預(yù)期在近緣的其他物種中也會出現(xiàn)類似的變異，這對于人工誘變有一定的參考意義。67（五）突變的有利性和有害性根據(jù)突變后的性狀表現(xiàn)對生物本身的影響，可以將突變分為：1 有害突變 大多數(shù)基因的突變對生物的生長和發(fā)育往往是有害的。因為現(xiàn)存的生物都是經(jīng)歷了長期自然選擇進化而來的，它們的遺傳物質(zhì)及其控制下的代謝過程，都已達到相對平衡和協(xié)調(diào)狀態(tài)。681 有害突變 某一基因一旦發(fā)生突變，原有的協(xié)調(diào)關(guān)系不可避免地要遭到破壞或削弱，生物賴以正常生活的代謝關(guān)系就會被打亂，從而導(dǎo)致不同的有害后果，一般表現(xiàn)為生育反常，極端的會導(dǎo)致死亡。導(dǎo)

27、致個體死亡的突變，稱為致死突變（lethal mutation）。69致死突變可分顯性致死和隱性致死。顯性致死在雜合態(tài)即產(chǎn)生致死效應(yīng)，而隱性致死要在處于純合狀態(tài)時才能表現(xiàn)致死效應(yīng)。所以一般以隱性致死突變較為常見。70有的致死突變的致死效應(yīng)是有條件的，又稱為條件致死突變（condiditional lethal mutation），突變體在某些條件下是能成活的，而在另一些條件下是致死的。例如噬菌體T4的溫度敏感突變體，在25時能在宿主E.coli中正常生長，形成噬菌斑，但在42時則不能生長。致死突變可以發(fā)生在常染色體上，也可以發(fā)生在性染色體上，形成伴性致死（sex-linked lethal）。

28、712 中性突變有些基因僅僅控制一些次要性狀，即使發(fā)生突變，也不會影響生物的正常生理活動，因而仍能保持正常的生活力和繁殖力，這類突變稱為中性突變（neutral mutation）。3 有利突變有少數(shù)突變不僅對生物的生命活動無害，而且有利。有的突變對生物本身有害，但對人類卻有利。相反地，有些突變對生物本身有利，卻對人類不利。所以，有利和有害是相對的。72四、突變發(fā)生的分子機制基因突變實際上是DNA分子上堿基序列、成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，歸納起來有堿基替代（base - pair substitution ) ,移碼突變( frameshift mutation) 和 DNA鏈的斷裂。 由此引起m

29、RNA、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的變異。（一）堿基替代：是指在DNA分子中一個堿基對被另一個堿基對所代替的現(xiàn)象。在堿基替代中，如果一個嘌呤被另一個嘌呤所代替，或一個嘧啶被另一個嘧啶所替代的現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)換（transition )，如A代替G，或G代替A，及C代替T，或T代替C。73如果一個嘌呤被一個嘧啶所替代，或一個嘧啶被一個嘌呤所替代的現(xiàn)象稱為顛換( transversion )。（二）移碼突變移碼突變是指在基因組中增加或減少堿基對，使其該位點之后的密碼子都發(fā)生改變的現(xiàn)象。74（三）1、堿基替換的遺傳效應(yīng)（1）錯義突變(missense mutation):即堿基替代使DNA序列發(fā)生改變，從而使mRN

30、A上相應(yīng)的密碼子發(fā)生改變，導(dǎo)致蛋白質(zhì)中相應(yīng)氨基酸發(fā)生替代，形成無活性的，或功能低的蛋白質(zhì)或多肽，影響生物的生活力或表現(xiàn)。（2）無義突變(nonsense mutation):即堿基替代后在mRNA上產(chǎn)生了無義密碼子（終止密碼），從而形成不完整的、沒有活性的多肽鏈； （3）同義突變(synonymy mutation):即堿基替代后在mRNA上產(chǎn)生新的密碼子仍然代表原來氨基酸的密碼子，這種突變不會造成蛋白質(zhì)序列和性質(zhì)發(fā)生改變。這是由于密碼子的兼并現(xiàn)象所決定。75（三）2、移碼突變的遺傳效應(yīng)移碼突變的遺傳效應(yīng)比堿基替換所造成的突變要大得多，因為在DNA分子鏈中缺失或插人一個或幾個堿基時，將改組原來

31、的DNA鏈上一段或整條鏈三聯(lián)體密碼子；于是在轉(zhuǎn)錄時也就改組了mRNA的編碼順序，從而翻譯出來的氨基酸順序也發(fā)生相應(yīng)的改變，這種突變通常產(chǎn)生無功能的蛋白質(zhì)。（三）3、 DNA鏈的斷裂：往往造成片段和基因的缺失，由于不能產(chǎn)生與生命相關(guān)的蛋白質(zhì)，對生物的影響是巨大的。76五、突變產(chǎn)生的原因在自然界中引起基因突變的已知因素有輻射、化學(xué)物質(zhì)、溫度和病毒等，此外，生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)座成分作用、DNA聚合酶有時在聚合時發(fā)生錯誤和DNA補償系統(tǒng)在工作中分子篩錯誤，也是造成突變的原因。（一）自發(fā)突變自發(fā)突變是由環(huán)境中固有的誘變劑所引起的，如放射線和化學(xué)物質(zhì)。1 DNA復(fù)制錯誤：堿基錯配，少量堿基的增減。2 自發(fā)的化學(xué)

32、變化：引起自發(fā)突變的兩種最為常見的化學(xué)變化是特殊堿基脫嘌呤(depurination），和脫氨（基）(deamination)作用。773轉(zhuǎn)座成分的致變作用轉(zhuǎn)座成分是指在DNA基因組中能夠進行復(fù)制并將一個拷貝插人新位點的DNA序列單元，生物體內(nèi)含有許多轉(zhuǎn)座成分，一般長度為數(shù)百至數(shù)千個堿基對，可以通過一種復(fù)雜的轉(zhuǎn)座機制將其一個復(fù)制拷貝插入到基因組的另一位點，如果這個位點處于一個基因的內(nèi)部，這個片段的插人常常引起移碼突變或造成基因的失活。784增變基因的致變作用在生物體內(nèi)有些基因與整個基因組的突變率直接相關(guān)，當(dāng)這些基因突變時，整個基因組的突變率明顯上升，把這些基因稱為“增變基因”。例如DNA聚合酶

33、的各基因，它們的突變會影響正?；虻膹?fù)制，從而引起突變。79（二）誘發(fā)突變 自發(fā)突變的頻率是很低的，誘變劑可以增加突變的頻率。常用的兩類誘變劑是放射線和化學(xué)物質(zhì)，兩者具有不同的作用機制。1化學(xué)誘發(fā)突變（1）堿基類似物 的誘發(fā)突變堿基類似物 是一類化學(xué)結(jié)構(gòu)與DNA分子中正常堿基十分相似的化合物。一些堿基類似物能夠在DNA復(fù)制時與正常堿基配對、摻入到DNA分子中。所以經(jīng)過DNA的復(fù)制就會引起堿基的替換。例如，5一溴尿嘧啶（5 -bromouracil ,5-BU），它與T很相似，僅在第五個碳原子上由溴（Br）取代了T的甲基。80（2）使化學(xué)結(jié)構(gòu)改變的化學(xué)誘變劑：一些烷化劑、亞硝酸鹽及羥胺都能改變D

34、NA中核苷酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)，因而導(dǎo)致堿基的替換。（3）結(jié)合到DNA分子上的誘變化合物：有一些誘變化合物，如丫啶類（原黃素、亞黃素和丫啶黃）的分子較扁平，能結(jié)合到DNA分子上，并插入鄰近堿基之間，使堿基之間斷裂。并且使DNA雙鏈歪斜，導(dǎo)致兩個DNA分子排列出現(xiàn)參差不齊，產(chǎn)生不等交換，形成兩個重組分子，一個含堿基對多（）突變型，一個含堿基對少（一）突變型。 丫啶類物質(zhì)還能與DNA分子結(jié)合或打開DNA鏈，使其插入一個新的堿基或丟失一個堿基，引起DNA中的密碼編組的移動，產(chǎn)生移碼突變。81 2高能射線或紫外線引起DNA結(jié)構(gòu)或堿基的變化：放射線包括非離子射線和離子射線，前者為紫外線，后者包括X射線、射線以及

35、宇宙射線。離子射線具有很高的能量，能穿透組織，能啟動很多的化學(xué)反應(yīng)，其中包括突變。電離射線可誘導(dǎo)基因突變和染色體的斷裂。 82紫外線（ultraviolet light ray, UV )：UV是非電離化的，但紫外線是常用的誘變劑，它的高能可殺死細胞。遺傳學(xué)和醫(yī)學(xué)界都廣泛應(yīng)用UV的這一特性，常被用來殺菌。UV還能引起突變，這是因為DNA中的膘吟和嘧啶有很強的吸收光的能力，特別是對波長為254-260nm UV。這種波長的UV，能誘導(dǎo)基因突變。83 高能射線對DNA的誘變作用是多方面的，可引起DNA鏈的斷裂或堿基的改變等。一般認為，高能射線并不作用于DNA的特定結(jié)構(gòu)。而紫外線的作用則不同，它特別

36、作用于嘧啶，使得同一條鏈上鄰近的嘧啶核苷酸之間形成多價的聯(lián)合。84最通常的結(jié)果是促使胸腺嘧啶聯(lián)合成二聚體（TT，這種二聚體的形成，使DNA分子結(jié)構(gòu)局部變形，嚴重影響DNA以后的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄），或是將胞嘧啶脫氨形成尿嘧啶，或是將水加到嘧啶的C4、C5 位置上形成發(fā)光產(chǎn)物。它可以削弱CG之間的氫鍵，使DNA鏈發(fā)生局部分離或變性。實驗證明，紫外線的作用集中在DNA的特定部位，顯示了誘變作用的特異性。85六、誘變在育種上的應(yīng)用誘變可以增加基因突變的頻率，從而增加選種的原始材料。植物、微生物取得了一些成果，高等動物則較難成功。86第三節(jié) 突變的抑制與DNA的修復(fù)生物體實際表現(xiàn)出的突變率遠比理論值發(fā)生的突變

37、率低。這是因為在原核和真核生物細胞中都存在一套比較完整的突變抑制和很多的DNA修復(fù)系統(tǒng)，這些修復(fù)系統(tǒng)在相關(guān)酶的作用下，可以校正DNA復(fù)制出現(xiàn)的錯誤和修復(fù)各種DNA的損傷，使生物表現(xiàn)出來的突變率降到最低，從而保證了生物遺傳的相對穩(wěn)定性。然而，修復(fù)系統(tǒng)的校正是有限的，超出一定范圍就會導(dǎo)致突變。87一、突變的抑制（一）密碼子的兼并性因為有些氨基酸有幾個密碼子，雖然堿基發(fā)生了改變，但蛋白質(zhì)中氨基酸的序列和種類卻未改變，使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和活性沒有發(fā)生改變，所以并不表現(xiàn)突變的性狀。88（二）基因內(nèi)突變的抑制（雙移碼突變）如果突變是由于堿基對的增加或減少，就會從增加或減少堿基對以后的密碼子全部誤讀。若這時在這

38、個突變密碼子附近又發(fā)生缺失（一）或插入（），就會使讀碼恢復(fù)正常，往往就會形成有活性的蛋白質(zhì)。89（三）基因間突變的抑制1，無義突變和錯義突變的抑制結(jié)構(gòu)基因發(fā)生堿基替代會造成無義突變和錯義突變，如果相應(yīng)密碼子的tRNA基因也發(fā)生突變，使得tRNA反密碼子也發(fā)生變異，就會帶有相同氨基酸合成完整的多肽，使突變得到抑制。902移碼突變的抑制移碼突變也可由tRNA分子結(jié)構(gòu)的改變而被抑制，如在正常的DNA序列中插人1個G,使其后的密碼子發(fā)生移碼突變，這時如果反密碼子上增加1個C，攜帶的氨基酸不變，從而校對了由插人1個堿基造成的移碼突變。91二、DNA的修復(fù)（一）DNA的復(fù)制修復(fù)1 DNA的聚合酶的修復(fù)在D

39、NA合成過程中，DNA聚合酶偶爾也能催化不能與模板形成氫鍵的錯誤堿基的參加，這種復(fù)制的錯誤，DNA聚合酶可以通過其3-5 外切酶活性立即切除不配對的堿基，進行糾正，然后才開始下一個核苷酸的聚合，使復(fù)制繼續(xù)進行。922 錯配的修復(fù)系統(tǒng)這一修復(fù)系統(tǒng)對DNA分子中的錯誤進行第二次修復(fù)。參與這種修復(fù)系統(tǒng)的酶有錯配修正酶、DNA聚合酶I (pol I）和連接酶。在這一修復(fù)系統(tǒng)中，腺嘌呤的甲基化是其識別的標(biāo)記，其過程是首先錯配修正酶識別并結(jié)合到腺嘌呤甲基化和錯誤堿基位點，然后該酶切掉一段包含錯配堿基的DNA，再通過Pol I和連接酶補齊和連接，完成修復(fù)過程。這一修復(fù)系統(tǒng)也能對摻入DNA分子中的堿基類似物進

40、行切除修復(fù)。933尿嘧啶糖基酶修復(fù)系統(tǒng) 這個修復(fù)系統(tǒng)主要是除掉DNA分子中的U。在生物體內(nèi)雖有dUTPase，但仍有少數(shù)dUTP摻入到DNA鏈中。由于U能與A發(fā)生氫鍵結(jié)合，DNA聚合酶III的無法識別它，又因為細胞內(nèi)胞嘧啶自發(fā)地脫氨氧化而生成尿嘧啶，所以不管哪一來源的尿嘧啶，都能通過尿嘧啶糖基酶修復(fù)系統(tǒng)得到修復(fù)。 參與這一修復(fù)系統(tǒng)的酶有尿嘧啶N糖基酶、AP核酸內(nèi)切酶、Pol I和連接酶。 首先尿嘧啶N糖基酶將DNA分子中U切除掉，再通過AP內(nèi)切酶打一切口，然后通過Pol I和連接酶補齊和連接，完成修復(fù)過程。94（二）DNA損傷的修復(fù)DNA遭到輻射損傷后，一種情況就是遺傳物質(zhì)發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變，

41、造成基因突變，另一種情況是使損傷的部分重新修復(fù)，保持基因原來的化學(xué)結(jié)構(gòu)。所以，DNA損傷的修復(fù)對于保持生物種性的穩(wěn)定有著重大作用，當(dāng)然不是所有的DNA損傷都能修復(fù)。95 1紫外線損傷的修復(fù)：經(jīng)紫外線照射后，所引起的最主要的變化是產(chǎn)生胸腺嘧啶二聚體（TT），對它的修復(fù)有光修復(fù)、暗修復(fù)、重組修復(fù)、SOS修復(fù)和二聚體糖基酶修復(fù)等途徑。 962光修復(fù)( light repair )，光修復(fù)就是受紫外線照射后，損傷的DNA分子在光復(fù)活酶（photoreacting enzyme）的作用下，利用光能使損傷的DNA重新復(fù)原。在暗處的條件下光復(fù)活酶能辨認胸腺嘧啶二聚體，并與DNA鏈上的TT結(jié)合成復(fù)合體，當(dāng)復(fù)合

42、體受到可見光時，光復(fù)活酶利用光的能量，使二聚體解開成單體，使DNA得以修復(fù)，然后光復(fù)活酶從復(fù)合體中釋放出來。 目前，光復(fù)活酶的活力已在細菌、酵母、藻類、真菌、原生動物、蛙、鳥類、有袋類等許多生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)。97 3.暗修復(fù)( dark repair)也稱切割修復(fù)。暗修復(fù)的真正含義，不是指修復(fù)在暗中進行，而是指在修復(fù)過程中光不起任何作用，其修復(fù)過程是在多種酶的參與下，可能先切后補或先補后切，一般認為先補后切較為合理。 首先在DNA損傷的一段解旋，一種修復(fù)內(nèi)切酶識別胸腺嘧啶二聚體并切一口。然后以DNA未受傷的一段單鏈為模板，按照堿基配對原則，利用細胞中的脫氧核苷酸在DNA聚合酶I的作用下，在3端合成

43、一段新的核苷酸鏈并同時置換20個核苷酸，98隨之由DNA聚合酶I的5-3 外切酶活性和核酸內(nèi)切酶活性切出被置換出的核苷酸片段，最后在連接酶的作用下連接起來，使DNA的結(jié)構(gòu)復(fù)原。 暗修復(fù)不但能切除嘧啶二聚體，而且還可以切除DNA上其他的損害，所以它的修復(fù)作用有著重要的意義，如人的黑色素性干皮癥患者對陽光極度敏感，皮膚癌的發(fā)病率大大增加，究其原因，是皮膚成纖維細胞在DNA受傷后，缺乏修復(fù)能力，皮膚細胞突變而發(fā)生皮膚癌。994重組修復(fù)(recombination repair) 重組修復(fù)是受傷的DNA分子通過DAN分子間的重組來完成的。其修復(fù)的過程首先是復(fù)制，復(fù)制成的兩條鏈一條是正常的，另一條是由以

44、損傷的母鏈為模板復(fù)制出來的子鏈，在母鏈的嘧啶二聚體部位不能正常復(fù)制而形成缺口；第二步由正常的母鏈與有缺口的鏈在內(nèi)切酶的作用下重組，缺口由母鏈來的核苷酸片段彌補；第三步是再合成，即重組后，正常的母鏈本身又出現(xiàn)缺口，這個缺口通過DNA聚合酶的作用，合成核苷酸片段，再由連接酶使新片段與母鏈連接，重組修復(fù)完成。 100重組修復(fù)不能從親代的DNA中排除嘧啶二聚體，只是在反復(fù)連續(xù)進行如上述的重組修復(fù)過程中，使損傷的DNA鏈逐漸“稀釋”，最終無損于正常的生理生化過程，損傷也就得到了修復(fù)。1015二聚體糖基酶修復(fù)系統(tǒng)：這個修復(fù)系統(tǒng)與尿嘧啶糖基酶修復(fù)系統(tǒng)的作用原理相同，采用了“切、補、連”的方法。即首先是二聚體

45、糖基酶將DNA分子中胸腺嘧啶二聚體切除掉，再通過AP-內(nèi)切酶打一切口，然后通過Pol I和連接酶補齊和連接，完成修復(fù)過程。102 6 SOS修復(fù)系統(tǒng)： SOS 修復(fù)是一種急救性的修復(fù)，也叫差錯傾向修復(fù)（error prone repair)。 Jeam Weigle等曾用紫外線照射噬菌體然后再去感染細菌，而細菌又分為兩組，一組是事先也 用UV照射過，另一組是沒有照射過，結(jié)果前一組中噬菌體的存活率反而高于后一組，這種現(xiàn)象稱為UV復(fù)活(UV-reactivation)，也叫做W復(fù)活(Weigle的第一個字母），現(xiàn)在稱為SOS反應(yīng)（SOS response).原來這是一系列相關(guān)蛋白與RecA蛋白及L

46、exA阻遏物相互作用的結(jié)果。SOS反應(yīng)增加了DNA損傷的修復(fù)能力，是通過誘導(dǎo)長補丁修復(fù)系統(tǒng)和Rec重組修復(fù)途徑這兩個系統(tǒng)來完成的。 103SOS反應(yīng)的起始是通過損傷處理、RecA的活化而引起。由于損傷引起變化，RecA被激活，誘導(dǎo)SOS反應(yīng)，這也是與其他修復(fù)途徑的不同之處。其他修復(fù)途徑的酶是已存在于細胞中的，而SOS修復(fù)的酶系統(tǒng)是經(jīng)損傷誘導(dǎo)才產(chǎn)生的。104誘導(dǎo)的信號可能由DNA釋放出的小分子組成的，或者是DNA本身某些結(jié)構(gòu)變化。在體外RecA的激活需要單鏈DNA和ATP的存在。這樣激活信號可能存在于損傷位點的單鏈區(qū)。無論信號是怎樣產(chǎn)生的，它和RecA的相互作用是很快的，SOS反應(yīng)在產(chǎn)生損傷的幾

47、分鐘內(nèi)就可發(fā)生。105（三）其他損傷類型的修復(fù)1其他非標(biāo)準堿基的修復(fù)：如對A自發(fā)脫氨變成次黃嘌呤，3-甲基腺嘌呤，6-氫-5, 6-二羥胸腺嘧啶等的修復(fù)可采用類似于尿嘧啶糖基酶修復(fù)系統(tǒng)的方法。 2堿基的丟失：丟失堿基的位置用無嘌呤內(nèi)切核酸酶（AP-內(nèi)切酶）修復(fù)，修復(fù)過程屬于N-糖基酶修復(fù)系統(tǒng)的一部分。即先用AP-內(nèi)切酶切一個切口，用Pol I在5-3方向合成一段核苷酸片段，然后通過連接酶連接，完成修復(fù)。1063鏈的斷裂：如果DNA分子中的一條鏈斷裂，生物體在一系列酶的參與下，可采用以上所述的“切一補一連”的方式修復(fù)。如果DNA某一處的雙鏈同時斷裂，則很少有修復(fù)的可能。 4 .烷基化損傷 對于烷

48、基化生物體采用一種更為復(fù)雜的修復(fù)系統(tǒng)，即通過一種甲基轉(zhuǎn)移酶除去甲基而得到修復(fù)。107第四節(jié) 重組與轉(zhuǎn)座一、DNA重組的概念 生物體的變異主要有兩方面的原因，一是突變，包括基因和染色體結(jié)構(gòu)的改變、染色體數(shù)目的改變；二是重組，即染色體序列發(fā)生重排。幾乎所有的DNA都是重組體（recombinant），DNA重組( recombi- nation)不僅在減數(shù)分裂(meiosis）中發(fā)現(xiàn)，而且在高等生物的體細胞中也發(fā)生重組。108生物要生存就得適應(yīng)，要適應(yīng)就得有變異（variation )，而變異的來源就是突變（mutation）和重組。但就每個個體而言，發(fā)生突變的概率是很低的，涉及到的基因數(shù)目也非常

49、有限。所以，DNA重組是維持遺傳多樣性（genetic diversity）和生物進化的物質(zhì)基礎(chǔ).109二、重組的類型 根據(jù)對DNA序列和所需蛋白質(zhì)因子的要求可以把重組分為3種類型，即同源重組（homologous recombination）位點專一性重組（site specific recombination）轉(zhuǎn)座重組（transposition recombination） 110同源重組發(fā)生在DNA同源序列之間，真核生物非姊妹染色單體的交換，姊妹染色單體的交換，細菌及某些低等真核生物的轉(zhuǎn)化，細菌的轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合、噬菌體的重組等，都屬于這一類型。轉(zhuǎn)座子是可移動的DNA片段，轉(zhuǎn)座過程中轉(zhuǎn)座單元

50、從染色體的一個區(qū)段轉(zhuǎn)移到另一個區(qū)段，即發(fā)生轉(zhuǎn)座重組，改變了染色體的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)座作用除了單純地移動基因外，還打亂了DNA序列而造成缺失、倒位和重排。111位點專一性重組是專一序列之間配對而發(fā)生的重組，如噬菌體基因組整合到細菌染色體基因組中。112（一）同源重組同源重組也稱交換( crossover），是指減數(shù)分裂（meiosis）過程中染色體間遺傳物質(zhì)的交換，即在兩個雙螺旋DNA分子間的相互作用。其特征是重組酶能以兩個DNA分子中任何一對同源序列作底物進行交換。通過姊妹染色單體（sister chromatid）的觀察，發(fā)現(xiàn)同源重組是DNA分子內(nèi)斷裂-復(fù)合( breakage and reunio

51、n )的結(jié)果，但重組過程仍然不十分清楚。113 1同源重組模型Holliday模型: 1964年英國科學(xué)家Robin Holliday提出了同源重組的模型，稱為Holliday模型。發(fā)展：Aviemore模型（也叫 Meselson-Radding模型）雙鏈斷裂模型詳見教材pp.100103114（二）位點專一性重組 1，重組特點同源重組一般都在染色體內(nèi)按原來的DNA順序排列，位點專一性重組導(dǎo)致DNA序列發(fā)生重排。位點專一性重組不依賴于DNA順序的同源性（雖然有很短的同源序列），而依賴于能與某些酶相結(jié)合的特異DNA序列。一這些特異的酶能催化DNA鏈的斷裂和重接，進而引發(fā)位點專一性重組。115噬

52、菌體在宿主細菌中獨立存在時稱溶菌狀態(tài)；噬菌體通過重組作用整合(integrate)進宿主細菌染色體的特異位點，稱溶源狀態(tài)。溶源狀態(tài)的噬菌體稱為前病毒（provirus）或原噬菌體（prophage）。 噬菌體由溶源狀態(tài)進入溶菌狀態(tài)稱為切除（excise），整合和切除發(fā)生在細菌DNA和噬菌體DNA的專一性附著位點，（attachment site, att)上。 DNA位點專一性重組具有以下兩個特點：（1）交換是可逆的，原先存在的DNA順序全部被保存下來，并無丟失。（2）噬菌體和細菌的DNA之間有一段很短的同源序列，重組交換必須通過特定的核苷酸完成。116（三）轉(zhuǎn)座重組 細菌體內(nèi)編碼抗藥性（例如抗四環(huán)素和青霉素）的基因存在于質(zhì)粒上。質(zhì)粒與細菌染色體之間幾乎沒有同源性。然而細菌的抗藥性基因偶而會出現(xiàn)在細菌染色體中或菌體內(nèi)噬菌體的后代中，顯然這不是同源重組作用的后果?？顾幮曰蚨ň釉谛碌幕蚪M后還能繼續(xù)遷移（如從細菌DNA到另一個質(zhì)粒等）。117產(chǎn)生這種現(xiàn)象的概率是很低（100萬次細胞分裂中還可能不到1次），但由于其帶有抗藥性基因，很容易被檢查出來。近代利用電子顯微鏡技術(shù)（檢測異源雙鏈）和限制酶