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1、第5章 基因突变,本章重点：1、基因突变的鉴定 2、基因突变的分子机制本章难点：1、移动遗传因子 2、突变的分子机制,1 基因突变概说,基因突变 gene mutation又称点突变 point mutation基因内部发生可遗传的分子结构的变化。基因的分子结构发生了变化，可能引起表现型发生相应的变化。,基因突变的意义：,基因突变是新基因的唯一来源，是生物进化的原始材料；基因突变是遗传育种的重要基础；基因突变导致的相对性状差异，是遗传分析的重要前提。,突变体,由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体，称为突变体（mutant）或突变型。与突变型相对的概念是野生型（wild type）。自然群体中
2、最常见的类型称为野生型。形态突变 生化突变,形态突变（morphological mutations）,突变导致形态结构，如形状、大小、色泽等的改变。普通绵羊的四肢较长，而突变体安康羊的四肢很短。普通水稻株高一般在1.50m以上，矮秆突变体2080cm。又称为可见突变（visible mutations）,形态突变：,苹果,人类的白化症,生化突变（biochemical mutations）,突变主要影响生物新陈代谢过程，导致特定的生化功能的改变或丧失。如细菌的营养缺陷型,事实上大多数基因的作用就是决定特定的生化过程，而生化过程才能决定形态结构。在这个意义上说，几乎所有的基因突变都是生化突变。
3、,突变的有利性和有害性,1、有害突变 2、有利突变 3、中性突变,1、有害突变,大多数基因的突变对生物的生长和发育是有害的。极端的会导致突变体死亡。导致个体死亡的突变，称为致死突变（lethal mutation）。,显性致死 隐性致死 配子致死 合子致死 条件致死,2、有利突变,有少数突变不仅对生物的生命活动无害，而且有利。如植物的抗倒伏性、早熟性。,3、中性突变,突变不影响生物的正常生理活动，仍能保持正常的生活力和繁殖力，这类突变称为中性突变（neutral mutation）。小麦粒色的变化，水稻芒的有无，果树叶片形状的变化等。中性突变能够为自然选择所保留，因而是生物进化的重要途径,突变
4、的有害性有利性是相对的,在一定的条件下，突变的效应可以转化。高杆作物群体中出现矮杆的突变体 有的突变对生物本身有害，却对人类有利。玉米、水稻、高粱等作物的雄性不育性，是人们利用杂种优势的好材料。有些突变对生物本身有利，却对人类不利。谷类作物的落粒性,基因突变的重演性,同一突变可以在同种作物的不同个体间多次发生，且发生频率也相似,突变的可逆性,显性基因A隐性基因a正突变（forward mutation）隐性基因a显性基因A回复突变或反突变（back mutation）正突变率u 回复突变率v。,大多数情况下，uv。野生型基因内部每一个突变子都可能发生改变而导致基因突变突变了的那个位点恢复原状才
5、能使该基因回复为野生型。大肠杆菌中 his+his-210-6 his-his+410-8。,基因突变的多方向性:,等位基因就是突变的结果。Aa基因突变的方向是不固定的，Aa1;Aa2;Aa3，是随机的 复等位基因就是突变的多方向性造成的,复等位基因,一个基因座位上有两个以上的等位基因。,烟草：自花授粉不能结实由一组15个复等位基因控制（S1、S2、S15）,基因突变的平行性:,亲缘关系相近的物种往往发生相似的基因突变。,2 基因突变的鉴定,禾谷类作物基因突变的鉴定 微生物生化突变型的鉴定,禾谷类作物基因突变的鉴定,1、是可遗传的变异还是不可遗传的变异？和亲本一起种植在相同的条件下2、是显性突
6、变还是隐性突变？和原亲本杂交，看F1代的表现3、是单基因突变还是多个基因突变？测交 1：1自交 3：1,显、隐性的鉴定 原高秆突变体矮秆 原高秆突变体矮秆 F1 高秆 全矮秆 高秆、矮秆分离 F2 高秆、矮秆 不分离 高矮分离 隐性突变 显性突变,显性突变 隐性突变,dd 突变 第一代（M1）Dd表现 第二代（M2）1DD 2Dd 1dd 有纯合体，但不能区分 第三代（M3）检出纯合体,DD 突变 Dd不表现 1DD 2Dd 1dd 表现、纯合,大突变与微突变,突变效应大，性状差异明显，易于识别，多为控制质量性状基因的突变。突变效应小，性状差异不大，较难察觉，多为控制数量性状基因的突变。,突变
7、频率：,指突变体占观察总个体数的比例。高等生物：110-6 110-8 低等生物：110-4110-8,有性生殖生物的突变频率:,通常用每个配子发生突变的概率表示，即突变配子数占总配子数的比例。,胚乳(花粉)直感：估算配子的突变率 例：玉米甜粒su 非甜SuPsusuSuSu对父本进行射线处理F1胚乳大部分为Sususu，极少数为sususu 如果10万粒种子中有5粒为甜粒，则突变率=5/100000=1/20000,红色面包霉生化突变的鉴定,X射线处理分生孢子 处理后的分生孢子与野生型交配 产生分离的子囊孢子 置于完全培养基里生长 产生菌丝和分生孢子,基本培养基,完全培养基,加维生素,加氨基
8、酸,基本培养基,完全培养基,硫胺素,吡醇素,泛酸,肌醇,一、微生物基因突变的筛选与鉴定 红色面包霉营养缺陷型,1941年Beadle和Tatum用X射线照射红色面包霉分生孢子，获得了许多红色面包霉生化突变型，其中3个突变型表现如下：突变型a:提供精氨酸才能正常生长，否则就不能合成蛋白质。说明它丧失了合成精氨酸的能力。突变型c:在有精氨酸的条件下能够正常生长，但不给精氨酸而只给瓜氨酸也能生长。说明它能利用瓜氨酸合成精氨酸。突变型o:在有精氨酸或瓜氨酸的条件下能够正常生长；但不给这两种物质，而只给鸟氨酸也能生长。说明它能利用鸟氨酸最终合成精氨酸。,可以推论精氨酸合成步骤为：o c a前驱物鸟氨酸瓜
9、氨酸精氨酸蛋白质 从鸟氨酸精氨酸的合成至少需要A、C、O三个基因,O C A 鸟氨酸瓜氨酸精氨酸蛋白质 其中任何一个基因发生突变，精氨酸都不会合成,这一研究揭示了基因作用与性状表现的关系，即基因是通过酶的作用来控制性状的。据此提出了“一个基因一个酶”的假说：一个基因通过控制一个酶的合成来控制某个生化过程，并发展了微生物遗传学与生化遗传学。,“一个基因一个酶”的假说,3 基因突变的分子基础,基因在染色体上有固定的位置，称为座位(1ocus，loci)一个座位还可以分成许多基本单位，称为位点(site)突变子(muton)、重组子(recon),开放阅读框 open reading frame，O
10、RF,点突变,DNA分子中个别碱基的变化：碱基对的增减：增加、减少碱基对的替换：转换、颠换,基因的内部结构发生改变DNA碱基对发生增添、缺失或改变。,增添,缺失,改变,点突变的分类：碱基对替换 碱基缺失：ATCGATATGAT（2）碱基对增减 碱基插入：ATCGATATCGGAT,转换：嘌呤替换嘌呤 AG GA 嘧啶替换嘧啶 TC CT 颠换：嘌呤替换嘧啶 CG TG TA CA 嘧啶替换嘌呤 GT GC AC AT,遗传密码表,错义突变,碱基替换的结果改变了密码子，改变了氨基酸：如：ACG GCG；thr（苏）ala（丙）改变蛋白质的结构、化学性质和生物活性。,无义突变,有义密码子变为无义密
11、码子，造成蛋白质合成的提前终止。DNA TACTAA mRNA UACUAA(终止密码子)这种突变称为无义突变。无义突变对生物体的影响较大，很可能导致死亡。无义突变若发生在阅读框的开始，后果严重，若发生在阅读框的后部，影响会小一些。,沉默突变,由于密码子具有简并性，个别碱基的替换也有可能不改变密码子的意义，这种突变称为沉默突变。UUAUUGCUUCUCCUACUG 这6个密码子都编码亮氨酸（leu）,中性突变,基因突变，蛋白质的结构、化学性质和生物活性随之发生相应变化，并且导致生物体的性状发生变异，但是这种变异不影响生物体的生活力和繁殖力。改变密码子，改变氨基酸，改变蛋白质，改变性状，但是不改
12、变生物体的生活力、繁殖力。,移码突变(shift mutation),缺失或插入一个或两个碱基，会造成整个阅读框的改变。自插入或缺失位置向后的所有密码子都发生了变化。,原模板链 3CTT CTT CTT CTT CTT CTT5mRNA的序列 5GAA GAA GAA GAA GAA GAA3氨基酸顺序 glu glu glu glu glu glu开始处插入一个C 3CCT TCT TCT TCT TCT TCT T5mRNA的序列为 5GGA AGA AGA AGA AGA AGA A3氨基酸顺序 gly arg arg arg arg arg改变了蛋白质中所有氨基酸的组成,移码突变也可以
13、造成无义密码子，导致蛋白质合成的提前终止,如原模板 TTC GAT CGT CCA TCAmRNA AAG CUA GCA GGU AGU插入一个碱基 TTC GAC TCG TCC ATC A突变后的mRNA AAG CUG AGC AGG UAG U,非移码插入或缺失,如果插入或缺失了3个碱基，或者是3的倍数，阅读框不变。多肽链中增加或减少一个或几个氨基酸。最终产物常常是有活性的，或者有部分活性。,4 突变的修复,生物界自身对诱变因素的作用具有一定的防护能力。也能对已经发生的DNA结构变化进行部分修复。,1、DNA的防护机制,密码子的简并性回复突变某个突变子发生突变以后，又发生回复突变，恢
14、复原来的结构。AGA抑制突变,A基因内抑制突变,在一个顺反子内，某个突变子发生了突变，有可能在该顺反子内的另一个突变子也发生一次突变。这后一次突变的效应抵消了第一次突变的效应，使突变表现型恢复为野生型。DNA结构并没有恢复。,基因间抑制,主要是tRNA基因发生突变，或者是与tRNA功能有关的基因发生突变。使另一个基因已经发生的无义突变、错义突变、或移码突变所导致的突变表现型恢复为野生型。,tRNA上的反密码子发生突变,AAG GAG UCG UUG UGG UAC UAU UAG 成为无义突变 如果某个tRNA的反密码子突变为5CUA3，能够与UAG互补 部分恢复或全部恢复蛋白质的功能,致死选
15、择,突变使生物体死亡，突变的个体或细胞被淘汰，突变基因在群体中消失。,多倍体,高等植物中，多倍体种占有很大的比例。在多倍体中，相同的基因组或相近的基因组有几份，对突变、尤其是隐性突变的耐受力要比二倍体和低等生物强得多。,DNA损伤的修复,DNA损伤是经常发生的。细胞具有多重、复杂的DNA损伤修复系统。许多损伤类型具有多种修复途径。一个修复途径可以修复多种损伤类型。,修复系统,错配修复（mismatch repair）直接修复（direct repair）切除修复（excision repair）双链断裂修复（double-strand break repair)重组修复（recombinati
16、on repair),错配修复（mismatch repair）,DNA合成过程中常发生碱基配对错误识别错配碱基切除错误碱基补入正确碱基封闭DNA链切口 错配修复系统由许多酶组成，包括DNA聚合酶,直接修复（direct repair）,不需要DNA聚合酶参与例：胸腺嘧啶二聚体的修复,胸腺嘧啶二聚体的形成,胸腺嘧啶二聚体的光修复在蓝色光条件下，有一种光激活酶可以将TT二聚体切开，使DNA结构恢复正常。紫外线灭菌必须在黑暗中进行光修复就是直接修复,切除修复（excision repair）,DNA经UV照射后发生损伤，在下一轮复制前，体内的酶将包括二聚体在内的一段单链切除，重新合成一段单链予以修
17、复。与光修复相比，不依赖于光的存在，在黑暗中也能进行，所以被称为暗修复(dark repair)。暗修复又成为切除修复。,切除修复（暗修复）原核生物切除12bases真核生物切除28bases,重组修复(recombination repair)（又称复制后修复）,需要一系列的酶参与 修复以后，TT二聚体依然存在，但细胞却能勉强完成这一轮复制 在切割和修补过程中，会发生这样那样的差错，从而大致突变的产生 由UV照射引起的突变，并不是二聚体本身引起的，而多是修补过程中的差错引起的,含二聚体的DNA仍可复制，新链在二聚体部位留有缺口；完整的母链与有缺口的子链重组（交换）缺口通过DNA聚合酶的作用，
18、以对侧子链为模板将切去的母链修补起来；由DNA连接酶将缺刻(nick)连接起来，完成修复。,SOS修复,DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式。修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多。故又称为错误倾向修复，使细胞有较高的突变率。,5 移动遗传因子,上个世纪50年代初，McClintock发现了可以移动的遗传因子(transposable genetic elements)这是遗传学发展史上一个重要的里程碑，McClintock因此而获得1983年的诺贝尔奖。,概 念,一些基因可以从染色体的一个基因座位转到另一个基因座位又叫转座子（trsn
19、sposon)，跳跃基因（jumping genes)McClitock 叫它转座因子（transposable elements）.,一、转座因子的发现和鉴定：,Emerson(1914)在研究玉米果皮色素遗传时，发现一种特殊的突变类型：花斑果皮，产生宽窄不同，红白相间的花斑 花斑条纹不稳定，可以发生多次回复突变，但不知道原因。,20世纪40年代初，McClintock开始研究玉米植株和糊粉层色素产生的遗传基础，她发现，色素的变化与一系列染色体重组有关。她观察到，染色体的断裂或解离(dissociation)有一个特定的位点，命名为Ds。但Ds不能自行断裂，受一个激活因子Ac(activat
20、or)所控制。Ac可以象普通基因一样遗传。但有时可以离开原来的座位，移动到同一染色体的另一个位置上，也可以移动到不同染色体上。,二、转座因子的结构特性:,、原核生物的转座因子：,根据分子结构与遗传特性可以分为三类。1插入因子（insertion sequence，IS）：具有转座能力的简单遗传因子。长度一般小于2kb，最小的插入序列如IS1 仅768bp。IS因子只含有与转座有关的基因与序列。共同特征是在其末端都具有一段反向的重复序列(inverted repeats,IR)，其长度不一。如IS10左边IR序列是17bp、右边是22bp,2转座子（transposons）,IS因子+抗菌素抗性
21、基因+IS因子IS因子可以是反向重复构型或同向重复构型。,Tnp3系转座子,结构较复杂，长度约5000bp 末端有一对38bpIR序列，但不含IS因子序列 每个转座子都带有3个基因：对氨苄青霉素抗性的内酰胺酶(-lactamase)基因，与转座作用有关的基因（TnpA和TnpR）,3.Mu噬菌体(Mu),E.coli的温和噬菌体，溶源化后能起到转座子的作用。和转座子一样，Mu噬菌体也含有与转座有关的基因和反向重复序列。Mu能够整合进寄主染色体，催化一系列染色体重排。,、真核生物的转座因子：,玉米籽粒色斑的产生 果蝇复眼颜色的变异 啤酒酵母接合的转换等 都与转座因子在染色体上的转座有关,AcDs系统,Ac:4563bp 两个编码序列，三个非编码区，1个TIR（末端倒位重复），长11bp 自主性转座子，末端的TIR是转座酶的识别位点Ds：600-2000bp,非自主性转座子，它的转位必须由Ac驱动，是自主性转座子的内部缺失或重排引起的变异类型。Ds的TIR同Ac一样。,Ds与Ac的关系,转座子的应用,
