基因突變特征、分子基礎(chǔ)和誘變

1、基因突變特征、分子基礎(chǔ)和誘變掌握基因突變的一般特征和基因突變的分子基礎(chǔ)本章重點(diǎn)：了解基因突變的誘變和檢出第一節(jié) 基因突變概說(shuō)基因突變(gene mutation)：是指染色體上某一基因位點(diǎn)內(nèi)部發(fā)生了化學(xué)物質(zhì)的變化，與原來(lái)的基因形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，即等位關(guān)系基因突變是染色體上一個(gè)座位內(nèi)遺傳物質(zhì)的變化，所以也稱作點(diǎn)突變(point mutation)一、體細(xì)胞突變和生殖細(xì)胞突變Mutation: Somatic or Germinal生殖細(xì)胞的突變(germinal mutation)：生殖細(xì)胞突變發(fā)生在種系中體細(xì)胞突變(somatic mutation)：指在保持分裂的身體組織的一個(gè)細(xì)胞發(fā)生了突變體細(xì)

2、胞和生殖細(xì)胞突變的區(qū)別:1）生殖細(xì)胞的突變頻率比體細(xì)胞高3）生殖細(xì)胞突變可直接傳遞給下一代，體細(xì)胞突變不能2）突變的體細(xì)胞的生活力不如正常細(xì)胞4）保留體細(xì)胞突變需通過(guò)無(wú)性繁殖或讓其產(chǎn)生性細(xì)胞，再有性繁殖5）生殖細(xì)胞發(fā)生顯性突變，可在后代立即表現(xiàn)出來(lái)，隱性突變當(dāng)代不表現(xiàn)，純合后才能表現(xiàn)6）體細(xì)胞隱性基因發(fā)生顯性突變，當(dāng)代形成嵌合體，嵌合體的大小與突變發(fā)生的早晚有關(guān)二、突變體的表型特性形態(tài)突變(morphological mutation)或可見(jiàn)突變(visible mutation): 突變主要影響生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致形狀、大小、色澤等的改變生化突變(biochemical mutation):

3、 突變主要影響生物的代謝過(guò)程，導(dǎo)致一個(gè)特定的生化功能的改變或喪失致死突變(lethal mutation): 突變主要影響生活力，導(dǎo)致個(gè)體死亡。失去功能的突變(loss-of-function mutation): 突變事件破壞了基因的關(guān)鍵性的功能區(qū)，干擾了野生型對(duì)某種表型的活性功能無(wú)效突變(null mutation): 完全喪失基因功能的突變滲漏突變(leaky mutation):野生型的功能的失活不完全+m+m獲得功能的突變(gain-of-function mutation): 有時(shí)突變事件引起遺傳變異有可能使之獲得某種新的功能條件致死突變(condition lethal muta

4、tion):在某些條件下是能成活的，而在另一些條件下是致死的三、突變的一般特性1. 突變的稀有性突變率（mutation rate）：指在一個(gè)世代中或其它規(guī)定的單位時(shí)間中，在特定的條件下，一個(gè)細(xì)胞發(fā)生某一突變事件的概率2. 突變的重演性和可逆性同一突變可以在同種生物的不同個(gè)體間多次發(fā)生，稱為突變的重演性點(diǎn)突變是可逆的有芒基因A無(wú)芒基因a正突變回復(fù)突變his+his-210-6410-8兩種回復(fù)突變的區(qū)分：真的回復(fù)突變和抑制因子突變3. 突變的多方向性和復(fù)等位基因基因A可以突變?yōu)閍，也可以突變?yōu)閍1、a2、a3、等。a、a1、a2、a3、對(duì)A來(lái)說(shuō)都是隱性基因，同時(shí)a、a1、a2、a3、等的生理功

5、能與性狀表現(xiàn)又各不相同4. 突變的有害性和有利性A. 有害突變：多數(shù)基因的突變，不利于生物的生長(zhǎng)和發(fā)育，往往是有害的綠株WW突變綠株Ww1WW ：2Ww ：1ww3綠苗 ：1白苗(死亡)B、中性突變有些基因僅僅控制一些次要性狀，它們的突變不會(huì)影響正常的生理活動(dòng)，如生活力和繁殖力等如小麥粒色的變化、水稻芒的有無(wú)等C、突變的有利性少數(shù)突變對(duì)植物的生命活動(dòng)是有利的，如抗倒伏性，早熟性等四、點(diǎn)突變的類型轉(zhuǎn)換（transition）：同類堿基之間的替換，嘌呤嘌呤，嘧啶嘧啶顛換（transversion）：不同類型堿基之間的替換，嘌呤嘧啶，嘧啶嘌呤插入/缺失（insertion and deletion,

6、 indel）第二節(jié) 基因突變的分子基礎(chǔ)一、自發(fā)突變自發(fā)突變(spontaneous mutations)：是在自然狀況下產(chǎn)生的突變(一)DNA復(fù)制中的錯(cuò)誤堿基互變異構(gòu)體：通常情況下， T和G(酮式) ，A和C(胺式) 穩(wěn)定存在；但是少數(shù)情況下它們可由酮式或胺式轉(zhuǎn)變?yōu)闃O不穩(wěn)定的烯醇式或亞胺式，從而導(dǎo)致A-C和G-T錯(cuò)配，使得A-T被G-C替換或G-C被A-T替換（二）直接突變1.脫嘌呤：由于堿基和脫氧核糖間的糖苷鍵受到破壞，從而引起一個(gè)鳥(niǎo)嘌呤或腺嘌呤從DNA分子上脫落下來(lái)2.脫氨基：胞嘧啶脫氨基后變成尿嘧啶。這種未經(jīng)校正的尿嘧啶在復(fù)制過(guò)程中和腺嘌呤配對(duì)，形成由G-C變?yōu)锳-T的轉(zhuǎn)換3.氧化物損

7、傷堿基：活潑氧化物如超氧基(O2-)、氫氧基(-OH)和過(guò)氧化氫(H2O2)對(duì)DNA造成氧化物的損傷，從而引起突變二、誘發(fā)突變誘發(fā)突變(induced mutations)：有機(jī)體暴露在誘變劑中引起遺傳物質(zhì)改變HERMANN MULLER (1890-1967)Hermann Muller received the 1946 Nobel Prize in Physiology or Medicine for his work on mutations induced by X-rays. 誘發(fā)突變的機(jī)制表現(xiàn)：取代DNA分子中的一個(gè)堿基改變一個(gè)堿基使之發(fā)生錯(cuò)配破壞一個(gè)堿基使其無(wú)法與任何堿基配對(duì)1

8、.堿基類似物：某些化學(xué)物質(zhì)和正常的含氮堿基在結(jié)構(gòu)上非常相似，從而替代正常堿基進(jìn)入DNA分子，導(dǎo)致DNA復(fù)制錯(cuò)配堿基類似物有： 5-溴尿嘧啶(5-BU) 5-溴-脫氧尿核苷(BrdU) 2-氨基嘌呤(2-AP)等2. 特異性錯(cuò)配某些誘變劑并不滲入DNA，而是通過(guò)改變堿基的結(jié)構(gòu)從而引起特異性錯(cuò)配化學(xué)誘變劑，如亞硝酸，烷化劑(alkylating agents)，是改變核酸中的核苷酸化學(xué)組成，與DNA的復(fù)制無(wú)關(guān)(1)亞硝酸(HNO2)致突變作用次黃嘌呤尿嘧啶黃嘌呤(2)烷化劑烷化劑的種類：芥子氣、甲基磺酸乙酯(EMS)、甲基磺酸甲酯(MMS)、硫酸二乙酯、亞硝基胍等烷化劑誘發(fā)突變的機(jī)理：給G添加甲基

9、或乙基，使它的作用象A，所以可跟T配對(duì)，產(chǎn)生配對(duì)誤差使鳥(niǎo)嘌呤烷化，烷化的鳥(niǎo)嘌呤容易發(fā)生缺失，造成脫嘌呤作用(depurination)，引起移碼突變同一DNA分子或不同DNA分子間的兩鏈間形成交鍵(cross-linkage)，使一個(gè)或幾個(gè)核苷酸丟失或切除鳥(niǎo)嘌呤7-乙基-鳥(niǎo)嘌呤胸腺嘧啶(3)羥胺(NH2OH)羥胺使堿基上的氨基羥基化從而引起錯(cuò)配羥胺胞嘧啶胞嘧啶腺嘌呤（4）嵌入劑如溴化乙錠（EB）、吖啶橙、吖啶黃、原黃素等一些核酸染料，是一些扁平分子，可以嵌入DNA的堿基對(duì)之間，造成單個(gè)核苷酸的插入/缺失，移碼突變；EB會(huì)改變質(zhì)粒分子的構(gòu)型，改變其電泳遷移率；結(jié)合了EB的DNA，其轉(zhuǎn)膜、雜交效率

10、均會(huì)降低。4、輻射引起的變異使胞嘧啶變?yōu)樗习奏?，在?fù)制過(guò)程中誤配使胸腺嘧啶產(chǎn)生TT二聚體TT二聚體影響DNA突變表現(xiàn)在干擾DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，防礙DNA復(fù)制TT二聚體有時(shí)不能修復(fù)，從而妨礙細(xì)胞的生長(zhǎng)紫外線引起變異的特點(diǎn)水合胞嘧啶紫外光對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的影響紫外光和可見(jiàn)光對(duì)克隆效率的影響的對(duì)比： 割膠分離DNA時(shí)，分別暴露在紫外光和藍(lán)光下30秒，比較兩種情況下的克隆效率。結(jié)果表明在可見(jiàn)光下分離的DNA的克隆效率高于紫外光下分離的DNA 80倍以上。紫外光下短暫的照射還會(huì)影響后期的PCR、體外轉(zhuǎn)錄甚至雜交實(shí)驗(yàn)。由于轉(zhuǎn)座因子或DNA片斷的插入導(dǎo)致基因失去功能5、DNA插入引起突變同義突變（synonym

11、ous mutation）沉默突變（silent mutation）(二)、堿基替換對(duì)遺傳信息的影響錯(cuò)義突變（missense mutation）無(wú)義突變（nonsense mutation） 終止突變（stop mutation）移碼突變（frameshift mutation）第三節(jié) 生物體的修復(fù)機(jī)制紫外線引起的DNA損傷的修復(fù)，大致上通過(guò)3個(gè)途徑：(1)在損傷部位就地修復(fù)光復(fù)活(photoreactivation)(2)取代損傷部位暗修復(fù)或切除修復(fù)(excision repair)(3)越過(guò)損傷部位而進(jìn)行修復(fù)重組修復(fù)(recombination repair)一、光復(fù)活光復(fù)活在可見(jiàn)光下，

12、可吸收藍(lán)光的能量，使二聚體(C-C鍵)解開(kāi)成為單體，釋放酶，完成修復(fù)過(guò)程。二、暗復(fù)活(又稱切除修復(fù)excision repair) 切除修復(fù)也稱核苷酸外切修復(fù)，是一種取代紫外線等輻射物質(zhì)所造成的損傷部位的暗修復(fù)系統(tǒng)。1. 步驟：(1)切開(kāi)(修復(fù)內(nèi)切酶)：在糖-磷酸骨架上形成切口(5-P和3-OH)(2)合成DNA (DNA Pol I)取代損傷的DNA鏈(3)切除(外切酶切除)：被置換的DNA片段5-3(4)連接(ligase)2UvrA與UvrB結(jié)合識(shí)別受傷DNA2. 切除修復(fù)的酶促過(guò)程：UvrA脫離，與UvrC結(jié)合(切開(kāi))UvrB和UvrC使TT二聚體形成12堿基缺口，并隨UvrC脫離Uv

13、rB脫離，在Pol I合成缺口，DNA ligase連接三、重組修復(fù)(復(fù)制后修復(fù))重組修復(fù)(recombination repair)：必須在DNA進(jìn)行復(fù)制的情況下進(jìn)行，故又稱復(fù)制后修復(fù)(post-replication repair)重組修復(fù)步驟：越過(guò)TT dimer，在合成子鏈上形成gap由母鏈與帶gap子鏈重組填補(bǔ)子鏈缺口母鏈缺口由DNA聚合酶填補(bǔ)四、SOS修復(fù)當(dāng)細(xì)胞中的DNA受到大規(guī)模損傷，嚴(yán)重影響其生存時(shí)，被誘發(fā)出來(lái)的一種高效修復(fù)機(jī)制，由于保真性差，出錯(cuò)幾率大，是一種保命機(jī)制。修復(fù)機(jī)制：通過(guò)式修復(fù)和切除式修復(fù)。(一) 大腸桿菌營(yíng)養(yǎng)缺陷型的檢出基本培養(yǎng)基野生型正常生長(zhǎng)缺陷型不能生長(zhǎng)加入

14、缺陷型細(xì)菌所不能合成的物質(zhì)，如氨基酸、維生素、抗生素能夠生長(zhǎng)(添加的物質(zhì)就是缺陷的基因)1. 基本培養(yǎng)基添加物的篩選第四節(jié) 突變的檢出2. 青霉素法青霉素法的作用是抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成，只能殺死正在生長(zhǎng)繁殖中的細(xì)菌，而不能殺死處于休止?fàn)顟B(tài)的細(xì)菌野生型細(xì)菌基本培養(yǎng) 基(青霉素)突變型細(xì)菌補(bǔ)充培養(yǎng)基篩選出某種營(yíng)養(yǎng)缺陷型殺死野生型(三)果蠅突變的檢出1.果蠅伴X隱性致死(或非致死)突變的檢出果蠅的ClB（Crossover-suppressor lethal Bar technique）測(cè)定法:果蠅的ClB是在X射線處理的果蠅的子代群體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的，屬于X染色體的一種倒位雜合體的雌蠅。C(倒位)，l(致

15、死)，B(棒眼)原理：倒位雜合體的重組率下降，因此可以把倒位染色體的倒位區(qū)段作為抑制交換的顯性基因或標(biāo)志，使得隱性致死基因l與棒眼基因B之間不會(huì)因重組交換而分開(kāi)，即用B基因?qū)基因進(jìn)行標(biāo)記。結(jié)果：2：0(致死突變)2：1(非致死突變)2. Muller對(duì)ClB法的改進(jìn)：Muller-5(5)Muller-5(-5)品系X染色體帶有B(Bar)和wa(杏紅眼)、sc(scute，小盾片少剛毛)，稱Basc，X染色體上具有重疊倒位，可以抑制5與野生型X染色體的重組。2：1Morgan married Lilian Vaughan Sampson, in 1904, who had been a student at Bryn Mawr College, and