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1、mutation,第五章 基因突变,提 纲,1.突变的分类2.突变的分子机制3.突变的特性4.自发突变5.正向遗传学和诱变6.反向遗传学和体外定向突变,1.突变的分类,1.1 突变的定义DNA水平任何可遗传的变异称为突变（mutation）。Gene mutation(点突变 point mutation):一个特异基因座上的突变。Chromosome mutation（染色体畸变）:染色体片段、整条染色体及整套染色体的变化。,1.2 突变的分类,突变的起因突变的细胞类型 表达的条件功能效应分子水平的变化对翻译的影响,突变的起因,自发突变 Spontaneous mutation 自然条件下发
2、生的突变，如DNA复制的错误、自发的DNA损伤及转座元件引起的突变等。诱发突变 Induced mutation 用物理、化学、生物诱变剂处理发生的突变。,突变发生的细胞类型,体细胞突变 Somatic mutation生殖细胞突变 Germ-line mutation,Figure 体细胞突变不能传递到子代，而生殖细胞突变可能传递到一些或全部的子代。,表达的条件,条件突变 Conditional mutations 只在某些限定的条件下表达（如高温）。非条件型突变 Unconditional mutations,A Siamese Cat,对功能的影响,功能丧失型突变 Loss of fun
3、ction(knockout,null):突变后失去正常功能Hypomorphic(leaky):正常功能减弱Hypermorphic(greater-than-normal):正常功能增强功能获得型 Gain of function(异位表达 ectopic expression):在不正确的时间或不合适的细胞型中表达,(a)突变m完全丧失功能(null mutation).在杂合体中,野生型基因能产生足够正常产物，使之产生野生型表型，m 为隐性。如野生型基因产物还不够,则m为显性突变(b)突变 m 仍能保持部分功能,但在杂合体中不足以形成野生型表型(c)突变 M 获得一种新的细胞功能，（其
4、产物用绿色标记）.在杂合体中M 表达，多数情况下为显性.,白化现象,A mutation in one pigment gene called SLC45A2,2.突变的分子机制,点突变 Point Mutation:单一碱基的变化对翻译的影响错义突变 Missense(非同义nonsynonymous):改变编码的氨基酸沉默突变 Silent(同义synonymous):不改变编码的氨基酸无义突变Nonsense(终止termination):变为终止密码子UAA,UAG,or UGA.移码突变 Frameshift：改变了正确的读码框。,错义突变和无义突变Missense Mutation
5、 and Nonsense Mutation,镰刀型细胞贫血症,沉默突变和移码突变Silent Mutation and frameshift Mutation,分子水平的变化,碱基替换 Base substitution:双链DNA中的一个碱基对被另一个替换。转换Transition:同型碱基之间的替换颠换Transversion:异型碱基之间的替换插入 Insertion:一个或多个额外碱基的出现缺失 Deletion:一个或多个碱基的缺失,Figure 碱基之间正常的配对方式,T,G,A,C,转换 Transition:颠换Transversion:,3.突变的特性突变的频率 Mutat
6、ion Rate,突变频率是指一个特定的突变在一定功能时间内（如每个世代每个核苷酸对、每个世代每个基因）发生的数目。动植物:110-5 110-8 细菌:110-4 110-10,Organism,突变热点 HOT SPOTS OF MUTATION,基因组中突变的分布不是随机的。突变频率高于平均突变频率的位点突变热点，是大量独立点突变汇集的位点。短序列的串联重复 tandem repeats of a short sequence 5-Methylcytosine（5甲基胞嘧啶）,胞嘧啶脱氨基成为尿嘧啶,5mC脱氨基后变为胸腺嘧啶,正向突变 是指表型由野生型向突变型转变。回复突变 是指表型由
7、突变型向野生型或部分野生型转变。,his+,his-,210-6,4 10-8,E.coli,突变的可逆性,突变的多方向性,W W Wbl Wc Wa We Wb Wt Wh Wp Wi(白眼)（珊瑚色眼）（血红眼）（樱红眼）（杏红眼）（伊红眼）（浅黄色眼）（微色眼）（密色眼）（珍珠眼）（象牙眼）,W+(红眼),果蝇的眼色复等位基因,复等位基因(Multiple alleles)来源于某一基因突变的多方向性。,a1,a2,a1a2a3,复等位基因(Multiple alleles)来源于某一基因突变的多方向性。,A a A A,a1,a2,a1a2a3,4.自发突变 Spontaneous m
8、utations,DNA 复制错误 碱基替换,移码突变,插入和缺失自发的化学变化 Depurination（脱嘌呤）,Deamination（脱氨基）氧化损伤,移码突变形成的 Streisinger 模型,自发突变和人类遗传性疾病,脆性X染色体综合症 Fragile X syndrome,脆性位点是染色体上在特殊条件下易断裂的位点，可能为收缩或缝隙。在人类染色体上已发现一系列的脆性位点。其中研究最详尽的位于X染色体上，目前发现其与智障有关。脆性X综合症为X连锁遗传，出现几率在男婴中为1/2500，主要成因可能是因为CGG三核苷片段重复数目的变化。,脆性X染色体综合症的家系图,脆性X染色体综合症
9、中FMR-1 基因中CGG 三联体的扩增,正常个体中CGG 重复拷贝数为654,而易感家庭成员拷贝数增加(前突变，premutation)，正常的男性传递者（normally transmitting males，NTMs)及其女儿表型正常，但拷贝数为50200;而拷贝数扩增为2001300，则为疾病表型。,三联体密码子的重复与疾病,疾 病 密码子 正常拷贝 患者拷贝脊髓肌肉萎缩症 CAG 11-33 40-62亨廷顿症 CAG 11-34 42-100X脆性染色体 CGG 6-54 250-4000强直型肌营养不良 CTG 7-23 49-75小脑共济失调 CAG 4-18 40-200,复
10、制滑动的模型Model of replication slippage,动态突变 Dynamic mutation,研究发现一些遗传病的发生与某些核苷酸串联重复的拷贝数大大增加有密切的关系。由于这种拷贝数的改变随着世代的传递而不断扩大、扩增，因此这种改变被认为是一种动态的突变。,5.正向遗传学和诱变,常用诱变剂碱基类似物 Base-analog mutagensDNA的化学修饰剂 Chemical agents that modify DNA嵌合剂 Intercalating agents紫外线 Ultraviolet light 电离辐射 Ionizing radiation,分子结构与碱基
11、类似只能在复制时掺入到DNA中，并与正常碱基配对经常造成碱基配对方式的改变，在DNA复制时引起突变,碱基类似物,5-BU（5-溴尿嘧啶）的致突变机制,化学修饰剂 EMS-诱导的特异性错配,鸟嘌呤O6-位及胸腺嘧啶O4-上的烷基化修饰后，分别和T、G配对，导致GC对转换成AT对；TA对转换成CG,ethylmethanesulfonate(EMS甲基黄酸乙脂),嵌合剂紫外线,Proflavin(二氨基吖啶)Acridine orange(吖啶橙),嘧啶二聚体,插入和缺失,Hermann Joseph Muller,x-ray induced mutations in Drosophila,电离辐
12、射,利用DNA插入的标签系统，在基因组中标记和鉴定一个基因。DNA标签可利用DNA转化或内源转座子产生。,转座子和 T-DNA 引起的诱变,利用农杆菌（Agrobacterium）介导的T-DNA转化法，在不同植物物种中产生插入突变。,T-DNA,表达萤火虫萤光素酶基因的转基因烟草,转座子 Transposon 转座子通过插入或重组引起突变如转座子插入DNA编码区，则破坏编码区不同位点转座子拷贝之间的重组可引起遗传变异,同一染色体上不同转座子之间的重组,同源转座子之间的不均等交叉,back,6.反向遗传学和体外定点突变,反向遗传学 Reverse genetic,基因敲除/基因破坏 gene knockout/gene disruption 利用基因工程手段导入一个DNA片段，并通过特异性整合使基因失活。Inactivation of a gene by the integration of a specially engineered introduced DNA fragment.,CRISPR-Cas系统作为细菌的获得性免疫系统,
