基因突变及其机制ppt课件.ppt

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1、2,第一节突变类型,3,一、突变类型,（一）按突变发生原因分类自发突变(spontaneous mutagenesis) ：未经任何人为的处理而自然地发生的突变，称为自发突变。诱发突变(induced mutagenesis) ：由人们有意识地利用物理或化学手段引起的突变称为诱发突变。诱发突变的频率要远远高于自发突变频率,4,（二）、按变化范围分突变类型,突变可以发生在染色体水平或基因水平，发生在染色体水平的突变称为染色体畸变，发生在基因水平的突变称为基因突变。,5,染色体畸变（chromosome aberration),染色体数目的变化或染色体结构发生较大片段的异常改变。染色体数目的变化整

2、倍体(euploidy)：含有完整的染色体组 单倍体（ n ）：haploid 二倍体（2n）：diploid 三倍体（3n）：triploid 四倍体（4n）：tetraploid,6,非整倍体 aneuploidy：含有不完整状态的染色体组，一般是指二倍体中成对染色体成员的增加或减少。 单体（二倍减一，monosomic diploid): 2n-1 缺体（二倍减二，nullisomic dilpoid): 2n-2 三体（二倍加一，trisomic diploid): 2n+1 四体（二倍加二，tetrasomic diploid): 2n+2 双二倍加一（double trisomic

3、）: 2n+1+ 1 部分二倍体（merodiploid）：细菌等原核生物中由一整条染色体和外来的一个染色体片段所构成的不完整二倍,7,染色体结构的变化,染色体结构的改变，多数是染色体或染色单体遭到巨大损伤产生断裂，而断裂的数目、位置、断裂端连接方式等造成不同的突变包括染色体缺失、重复、倒位和易位等涉及到DNA分子上较大范围的变化，往往会涉及到多个基因。,8,b f,a-缺失,b-重复,c-倒位,d-相互易位,9,染色体结构的变化,缺失 deficiency ：是染色体片段的丢失。 细胞学效应：缺失环遗传学效应：这种突变往往是不可逆的损伤，其结果会造成遗传平衡的失衡。重复 repetition

4、 ：是染色体片段的二次出现。细胞学效应：重复环遗传学效应：这种突变有可能获得具有优良遗传性状的突变体。,10,倒位 inversion：是指染色体的片段发生了180的位置颠倒 细胞学效应：倒位环遗传学效应：造成染色体部分节段的位置顺序颠倒，极性相反。 易位 translocation ：是指一个染色体的一个片段连接到另一个非同源染色体上。相互易位 reciprocal translocation：两个非同源染色体间相互交换一部分。相互易位的细胞学效应：十字型图象相互易位的遗传学效应：相应基因表达出现异常,11,基因突变（gene mutation）,基因突变是指一个基因内部遗传结构或DNA序列

5、的任何改变，包括一对或少数几对核苷酸的缺失、插入或置换，分为碱基置换和移码突变。染色体局部座位内的变化点突变point mutation ：单碱基对的置换突变发生在一个基因范围内。多位点突变：突变超出一个基因范围。,12,碱基置换 base pair substitution,DNA链上一个碱基对为另一碱基对所取代叫碱基置换 转换 transition ：DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被另一个嘌呤（嘧啶）所置换。颠换 transversion：DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被一个嘧啶（嘌呤）所置换。,13,13,Phe Asp Glu Pro Leu Cys Thr5-TTC GAT GAG CCC

6、TTG TGC ACG-3 GA mutation Phe Asp Lys Pro Leu Cys Thr5-TTC GAT AAG CCC TTG TGC ACG-3 CT mutation Phe Asp Lys Pro Leu Cys Thr5-TTC GAT AAG CCT TTG TGC ACG-3 CA mutation Phe Asp Lys Pro Leu Stop Thr5-TTC GAT AAG CCC TTG TGA ACG-3,14,移码突变 frameshift mutation,在DNA序列中由于一对或少数几对核苷酸的插入或缺失，而使其后全部遗传密码的阅读框架发生移

7、动，进而引起转录和转译错误的突变叫移码突变。一般只引起一个基因的表达出现错误。,15,Phe Asp Glu Pro Leu Cys Thr5-TTC GAT GAG CCC TTG TGC ACG-3 Insertion of A Phe Asp Glu Thr Leu Val His5-TTC GAT GAG ACC CTT GTG CAC G-3,16,（三）按突变是否引起遗传编码特性的改变分类,一类是引起遗传性状改变 ：错义突变（missense mutation），无义突变（nonsense mutation）和移码突变 一类是不改变遗传性状的突变 同义突变（synonymy mut

8、ation）和沉默突变（silent mutation）。,17,遗传学效应错义突变 missense mutation：突变后的密码子编码另一种氨基酸。个别碱基的改变导致多肽链上某个氨基酸为另一种氨基酸所取代。例：AAG突变为GAG，编码的氨基酸由亮氨酸变成谷氨酸。无义突变 nonsense mutation：突变后的密码子变为终止密码。例：TGC（亮氨酸）突变为TGA（终止密码子）,18,19,同义/沉默突变 silent mutation：突变后的密码子编码的仍是同一种氨基酸。（碱基序列发生改变而氨基酸序列未发生改变的突变称为同义/沉默突变）。例：ATT突变为ATC，两者都编码异亮氨酸。

9、沉默突变的发生是由于遗传密码的简并性。同义突变和沉默突变不会导致编码特性的改变，但往往会引起限制酶切割位点的变化，造成DNA限制片段长度的多态性。,20,21,（四）、按突变的表型变化效应分类,野生型 wild type：表现该物种正常表型的生物。突变型 mutant：由于突变导致其正常的表型发生了改变的生物。形态突变型morphological mutant ：引起细胞个体形态和菌落形态发生改变的突变型。是一种可见突变。,22,生化突变型：引起特定生化功能的丧失而无形态学效应的突变型。包括营养缺陷型、抗性突变型、糖代谢突变型等。营养缺陷型 auxotrophic mutant：由于代谢过程的

10、缺陷而不能合成某种与合成初级代谢物有关的基因产物的缺陷型。 lack of a gene product involved in the synthesis of an essential metabolite.抗性突变型 resistant mutant：由于基因突变而产生的对某种化学药物、致死物理因子或噬菌体具有抗性的变异菌株 抗药物突变型： 对原本敏感的药物具有一定的耐性。抗噬菌体突变型： 对原本敏感的噬菌体产生抗性。,23,致死突变型 lethal mutant： 由于基因突变造成个体死亡的突变型。杂合状态的显性致死和纯合状态的隐性致死都导致个体的死亡 条件致死突变型 conditio

11、n lethal mutant： 在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。如：温度敏感突变型 temperature-sensitive mutant调节突变型 regulatory mutant： 丧失对某一基因或操纵子表达能力调节的突变型。产量突变型 metabolite quantitative mutant : 所产生的代谢产物的产量明显有别于原始菌株的突变株称产量突变型,24,如何来表示野生型和突变型的表现型和基因型呢？,25,二. 基因符号,基因命名原则 1966年 M. Demerec每一基因座位（locus）用三个小写英文字母表示，它们来自说明这一基因特性

12、的一个、两个或三个英文单词的前三个字母； 例如：his：组氨酸基因 histidine rim：核糖体的装配、成熟有关基因 ribosomal modification rps ：核糖体蛋白小亚基基因 ribosomal protein small,26,产生同一突变型表型的不同基因，在三个小写字母后用不同的一个大写斜体字母来表示 ； 例如：hisA、hisB：不同的组氨酸基因同一基因的不同突变位点（mutation site）在基因符号后用阿拉伯数字表示。如果位点所属的基因还不确定，那么大写字母用一短线表示 例如：trpA46, trpA23：trpA的不同位点的突变,27,突变型的基因符号

13、用基因座符号加“+”或“-”或其它符号。如：hisA-, strr, strs, strd。基因表型或其表达产物用相应基因符号的正写字母，其中第一个字母大写。如：基因lacZ的表达产物是LacZ,28,29,带突变基因的菌株 Salmonella typhimurium 1535(hisG46, rfa,uvrB) Salmonella typhimurium 1537(hisC3076, rfa,uvrB),30,第二节 基因突变的规律,31,一、基因突变的自发性 突变可自发产生，突变的微生物与所处的环境因素没有对应关系。1）波动实验2）涂布实验3）影印培养实验,32,波动实验fluctua

14、tion test,33,E.coli B 抗噬菌体a的波动测验结果,34,涂布实验,35,影印培养replica plating实验,36,二、基因突变的随机性,1、随机性波动试验的结果还说明了突变具有随机性，突变发生的时间是随机的。 基因突变的发生从时间、个体、位点和所产生的表型变化等方面都带有比较明显的随机性。突变总是以一定的频率在群体中发生。,37,一些细菌的抗药性基因的突变率,38,2、突变热点（hot spots of mutation） DNA分子上各个部分有着不同的突变频率，某些位点的突变频率大大高于平均值，这些位点称为突变热点 形成突变热点的最主要的原因 5-甲基胞嘧啶（Me

15、C）的存在 发生DNA上短的连续重复序列处突变热点也还与诱变剂有关,39,三、基因突变的稀有性,1、稀有性突变以一定的突变率发生在个别细胞中。正常情况下，突变发生的频率往往很低。突变率（mutation rate）：某基因或某个性状在每个细胞世代中发生突变的概率。突变率也可以用某一群体在每一世代（即分裂1次）中产生突变株的数目来表示。,40,2、突变率（m）的计算世代总数=N2-N1突变率的测定：固体平板法测突变率： 在2组平板上接种相等数量的敏感菌，培养一定时间后取一组洗下计细菌总数，另一组计抗性突变菌落数，每一菌落代表一次抗性突变。 m=(M2-M1)/(N2-N1) 一般N0N，M00，

16、mM/N,41,液体培养法测突变率： 液体培养时突变株有2个可能来源：一次新的突变产生或原突变株分裂而来。因此M/N只能被成为突变型频度，不是突变率。此时 m=2(M2/N2-M1/N1)/(g2-g1) M/N-g做图，斜率则为m/2,42,液体稀释法测突变率 P0=e-mN细胞分裂非同步性校正： 突变率=ln2m=0.69m,例：在20个试管中有11个试管不含任何突变型细菌，每一试管的平均细菌数N测得是5.6108 P0=e-mN P0=11/20=0.55 m=-ln P0/N=0.6/(5.6 108)=1.2 10-8,44,3、增变基因（mutator gene）当生物体内有些基因

17、突变时，整个基因组的突变频率明显上升。这些基因称为增变基因。两类增变基因：一类是DNA聚合酶的各个基因一类是dam基因和mut基因 增变基因的突变导致突变频率的大幅提升,45,四、基因突变的独立性,1、独立性突变的发生具有独立性一个基因的突变不受其它基因突变的影响，两个不同基因同时发生突变的频率为两个基因各自的突变率的乘积。,46,2、交叉抗性交叉抗性是指细菌对两种抗生素等药物同时由敏感变为抗性。与突变的独立性不矛盾由于细胞内单一基因的突变导致微生物对于结构类似或作用机制类似的抗生素均有抗性。,47,五、基因突变的可诱变性,基因突变的频率可以通过某些理化因素的处理而大为提高。提高幅度大约可为1

18、01105倍 ；基因突变的可诱发性是诱变育种的基础,48,六、基因突变的可遗传性,突变基因和野生型基因一样是一个相对稳定的结构，通过复制传递给子代DNA 突变基因所表现的遗传性状也是一个稳定的性状,49,七、基因突变的可逆性,1. 可逆性 野生型 突变型真正的原位回复突变，可使突变基因回复到野生型基因完全相同的DNA序列,正向突变,回复突变,50,2、第二点的回复突变 ( 抑制突变suppressor mutation)第二点的回复突变并没有改变突变的DNA碱基序列，只是其突变效应被抑制了.大多数回复突变都是第二点突变抑制了第一次突变造成的表现型(表型抑制) 抑制突变包括基因内抑制和基因间抑制

19、。,51,不对应性、自发性、稀有性、独立性、稳定性、可逆性、诱变性,52,第三节 自发突变的机制,53,自发突变的原因,54,一.环境因素的作用,微生物细胞所处的外环境因素是引起自发突变的主要原因之一。 包括自然界的背景辐射（即宇宙射线）、短波辐射、紫外线、热等作用；病毒以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质。,55,二.自身代谢产物的作用,微生物在自身代谢过程中，在细胞内产生的一些代谢产物，如过氧化物、亚硝酸盐、咖啡碱，硫氰化物，二硫化二丙烯，重氮丝氨酸等都是已知的化学诱变剂；,56,三.转座因子的作用,DNA分子所携带的转座因子可以造成插入突变 转座（transposition）：DN

20、A序列通过非同源重组的方式，从染色体的某一部位转移到同一染色体上另一部位或其它染色体上某一部位的现象。转座因子（transposable element，TE） 转座因子包括原核生物中的插入序列、转座子以及转座噬菌体（如E. coli的Mu噬菌体）等,57,DNA分子的运动，造成复制过程中的碱基配对的错误，引起自发突变每个碱基对配对错误的发生频率为10-7 10-11,四. DNA分子的运动,58,1）环出效应（loop out）,滑移错配（slipped mismatching）,（1）缺失,59,2）碱基的互变异构作用,DNA中正常的碱基配对,60,T和G可以酮式或烯醇式两种互变异构状态，

21、而C和A可以以氨基式和亚氨基式两种状态存在碱基的互变异构及其配对的改变,61,五. DNA分子自发的化学变化和复制差错,1）自发脱氨氧化作用胞嘧啶C氧化脱氨基自发地变成尿嘧啶U而形成错配的碱基对 5mC同样易于自发脱氨基转变为胸腺嘧啶T ,子代DNA发生GCAT的突变,62,脱氨基,63,64,2、DNA的复制差错 生物体如何保证DNA复制的精确性 ？复制差错：源于DNA聚合酶产生的错误DNA分子运动而造成碱基配对错误修复系统的各种缺陷所导致的结果,65,第四节 诱变剂及其作用机制,66,诱发突变(induced mutation)的发现 1927年，Muller诱变：通过人为的方法，利用物理

22、、化学因素处理微生物以引起突变，这一过程称为诱发突变。诱变剂mutagen ：凡是能诱发生物基因突变，且突变频率远远超过自发突变率的物理因子或化学物质 。诱变剂种类：化学诱变剂、物理诱变剂和生物诱变剂,67,一、化学诱变剂,定义：一类能对DNA起作用，改变DNA结构，并引起遗传变异的化学物质。 化学诱变剂种类：碱基类似物、碱基修饰剂、移码突变剂。,68,(一) 碱基类似物 base analogue,碱基类似物：是指其分子结构同DNA分子中的碱基非常类似，因此能取代碱基参入到DNA分子中的一类化合物。 主要诱变剂：5-溴尿嘧啶（5-BU） /T 2-氨基嘌呤（2-AP） /A诱发的突变：AT

23、GC的转换。,69,在DNA复制过程中取代正常碱基，整合进DNA分子 它们产生异构体的频率高，出现碱基错配的概率也高,碱基类似物是如何提高突变频率的?,70,5-溴尿嘧啶（5-BU）,5-溴尿嘧啶（5-BU）的结构,71,5-溴尿嘧啶（5-BU）的碱基配对,72,诱发的突变,73,5-BU掺入后的复制错误,G CA=T,5-BU掺入错误,A: T G C,74,2-氨基嘌呤（2-AP）比较容易诱发ATGC这一转换,75,76,（二）化学修饰碱基的诱变剂,改变碱基结构的化学修饰剂：脱氨剂、羟化剂、烷化剂常见的碱基修饰剂,（a）亚硝酸（b）羟胺（c）甲基磺酸乙酯（d）N-甲基-N-硝基-N-亚硝基

24、胍,77,1脱氨剂,亚硝酸（nitrous acid）是典型的脱氨剂 G 黄嘌呤X（xanthine ） C U A 次黄嘌呤H,78,亚硝酸的脱氨基作用及其诱发的突变,79,亚硝酸诱发的突变,A:T GC,80,2. 羟化剂,羟胺（hydroxylamine）是典型的羟化剂,81,羟胺（NH2OH）诱发的突变：GCAT转换,82,3. 烷化剂,是最常用的一类诱变剂具有一个或多个活性烷基单功能烷化剂：亚硝基类、磺酸酯类、硫酸酯类、重氮烷类和乙烯亚胺等双功能烷化剂：硫芥子类与氮芥子类等烷化位点：G-N7；G-O5，T-O4；G-N3，A-N2 ，A-N7，C-N3,83,部分烷化剂 和 烷化碱基

25、,84,Chemical reactivity of bases is responsible for some DNA lesion,碱基中最容易发生烷化作用的是嘌呤类 鸟嘌呤N7是最易起反应的位点,85,烷化剂作用： 通过对鸟嘌呤N7位点的烷化而导致突变有三种可能：烷化嘌呤引起碱基配对错误，脱嘌呤作用，鸟嘌呤的交联作用,86,烷化鸟嘌呤的碱基配对,87,脱嘌呤作用：N7成为季胺基团后，减弱了N9位上的N-糖苷键，引起脱氧核糖-碱基键的发生水解，使鸟嘌呤从DNA分子上脱落,GC就可能变为任何碱基对,88,烷化鸟嘌呤的交联作用鸟嘌呤通过N7位点的共价结合而发生交联,89,甲基磺酸乙脂（EMS）

26、 使G的第6位烷化，使T的第4位上烷化，结果产生的O-6-E-G和 O-4-E-T分别和T、G配对，导致GC对转换成AT对；TA对转换成CG,90,烷化剂的某些性质,91,（三）、移码诱变剂,是一类能够嵌入到DNA分子中的物质 吖啶类染料（acridine dye）、溴化乙锭（ethidium bromide）和一系列ICR类化合物,溴化乙锭（EtBr）,92,移码突变剂的诱变机理,93,使用化学诱变剂注意事项,移码诱变剂作用于生长态的细胞,，须通过DNA的复制才形成突变。碱基类似物引起的只对生长态的微生物细胞起作用 。烷化剂时具有很高的活性，而且能与水起作用，所以溶液必须在使用前配。而且还要

27、注意介质的pH值。,94,二、物理诱变剂,非电离辐射类的紫外线激光和离子束等，电离辐射的X射线、射线和快中子,95,（一）、紫外线 UV,波长范围为136390纳米 有效波长 2650，紫外灯波长 2537 作用机理 嘧啶二聚体、嘧啶水合物、交联作用、DNA链断裂效应： 移码突变，碱基置换,96,紫外线诱发胸苷二聚体,97,98,99,紫外诱变的注意事项,避免光复活作用，应在红光下操作，避光培养。,100,（二）电离辐射（X射线和射线）,X射线波长是0.06136纳米， X射线一般由X光机产生。射线的波长是0.0061.4纳米 ，射线来自放射性元素钴、镭或氡等。,101,电离辐射诱变机理,直接

28、作用：打断化学键间接作用：通过自由基打断化学键，引起缺失和损伤 效应：染色体畸变，碱基置换，移码突变,102,（三）快中子,中子可以从回旋加速器、静电加速器或原子反应堆中产生 快中子具有的能量最高，为0.210MeV快中子的应用：可将放在安瓿管中的菌悬液或长在平皿上的菌落置射线源一定距离处进行处理用1030krad的剂量进行处理，控制致死率为5085%，产生的正突变率可达50%,103,（四）离子注入,一种较为新型的物理诱变手段 离子注入的质量、电荷、能量参数可以按需要进行不同组合，可使诱变具有较高的方向性和可控性 ；产生的生物学效应比单一辐射更为丰富。,104,化学和物理诱变剂主要效应的小结

29、,105,三、生物诱变剂转座因子,一些其它因素：如抗菌素，杀菌剂、脱氧核糖核酸和增变因子等，抗菌素，如链黑霉素、增光霉素、丝裂霉素、放线菌素、正定霉素、光辉霉素和阿霉素等。与化学、物理诱变因素复合使用，可提高其诱变效果。,106,第五节 突变生成过程重点：DNA损伤的修复,107,突变生成过程,108,一、诱变剂接触DNA分子之前,细胞的透性影响诱变剂的诱变效应前诱变剂在细胞质的作用下会转化成诱变剂,109,二、DNA损伤,前突变：诱变剂所造成的DNA分子某一位置的损伤DNA分子的损伤类型不同的诱变剂所造成的损伤不同有的诱变剂对复制叉的作用强，如NTG有的诱变剂对转录状态的DNA作用强，如DE

30、S、EMS,110,（一）非标准碱基和碱基的衍生物举例：胸腺嘧啶二聚体 DNA作为模板进行复制时，Pol III将两个腺嘌呤核苷酸加上去，但由于不能很好地形成氢键，然后又由35校对功能而将之水解。,111,（二）碱基的丢失嘌呤或嘧啶碱基的甲基化作用往往会破坏N-糖苷键，发生脱嘌呤（脱嘧啶）作用 ，产生AP位点 AP位点（apurinic and apyrimidinic site）指DNA分子中产生的无嘧啶、无嘌呤位点统称。（三）烷基化损伤（四）链的断裂和交联,112,三、DNA损伤的修复,DNA分子要求保持高度的精确性和完整性保障DNA安全的修复系统纠正偶然的复制错误：如：DNA多聚酶35的

31、校读功能、糖基酶修复系统 等DNA分子损伤的系统 ：如光复活修复系统、切除修复系统、重组修复系统、SOS修复系统,113,（一）复制错误修复,1DNA多聚酶的校读功能,DNA聚合酶的35 核酸外切酶活性,114,2N-糖基酶修复系统N-糖基酶（N-glycosylases） 作用：专一识别 DNA分子中的非标准碱基和碱基的衍生物。例：尿嘧啶-N-糖基酶系统修复机制 参与的酶 尿嘧啶N-糖基酶、AP限制性内切酶、核酸外切酶、DNA聚合酶Pol I、DNA连接酶。,115,尿嘧啶-N-糖基酶系统的修复过程,3.错配修复（mismatch repair）,识别错配的碱基对；对错配的一对碱基要能准确区

32、别哪一个 是错的，哪一个是对的；切除错误的碱基，并进行修复合成。,MutS,MutL,MutS,MutH,MutS识别错配位点,并易位到GATC位点。MutH在GATC位点剪切非甲基化链，内切酶从GATC到错配位点降解DNA,118,（二）损伤修复 （T=T）,1光复活（photoreactivation）光复活作用：指细菌在紫外线照射后立即用可见光照射，可以显著地增加细菌的存活率，降低突变率。光修复机制只作用于紫外线照射所形成的损伤修复机制：光复活酶（photo-reactivating enzyme，PR酶），催化嘧啶二聚体分解成为单体,119,光复活作用,120,2切除修复(excisi

33、on repair) 暗修复（ Uvr修复系统 ）是细胞的主要修复系统，发生在DNA复制之前，是对模板的修复。一种多步骤的酶反应过程：限制性内切酶、核酸外切酶、DNA聚合酶以及连接酶的协同作用 结果：使损伤的DNA分子恢复正常 修复过程： 切 补 切 封,121,UvrABC限制性内切酶切除修复系统,122,限制性内切酶E. coli的修复内切酶由三种亚基构成：UvrA、UvrB、UvrC；限制性内切酶UvrABC能修复不同类型的损伤；它识别的是DNA某一部位缺少正常的形状如：胸腺嘧啶二聚体引起DNA双螺旋的变形。,Uvr系统负责切除大量的胸腺嘧啶二聚体,123,3重组修复recombination repair（Rec修复系统）,是一种越过损伤而进行的修复不将损伤碱基除去，而是通过复制后，经染色体交换，使子链上的空隙部位不再正对T=T，而是面对正常的单链。留在模板链上的二聚体：切除修复加以除去，或经细胞分裂而稀释,124,复制后重组修复机制 重组修复,4.SOS修复系统,Jeam Weigle 等发现 UV 感染 细菌(用UV照射过) 存活率高噬菌体 细菌(UV未照射过) 存活率低UV-复活（UV-reactivation），也称W-复活SOS反应（SOS response）,