第十章基因突变 ( Gene Mutation)

第十章基因突变(Gene Mutation) (三)DNA损伤修复中产生突变 1. DNA损伤的类型 2. DNA损伤修复的方式 (四)自然突变机制第四节基因突变诱发、检出和应用一、诱发二、检出三、应用※ 复习及导言第一节概念、特性和类别一、基因突变概念二、特性三、类别第二节时期、部位和频率一、突变发生时期和部位二、突变频率第三节机制一、基因突变的方式二、基因突变的机制 (一)化学诱变机制 (二)物理诱变机制 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

复习与回顾 4. 基因的结构特点？ DNA序列，内含子及外显子，基因连续与否，基因位点固定与否，基因完整与否。※ • 1. 遗传学概念？研究生物遗传(heredity)与变异(variation)的科学。 • 2. 遗传的三大规律？分离、自由组合、连锁与交换(含性连锁)三大定律。 • 3. 这些遗传规律的基础是什么？基因在染色体上，在细胞分裂中的染色体行为，配子竞争及繁殖特点。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

导言Proface 2. 遗传变异发生的主要途径： • (1)突变(mutation)：遗传物质的可遗传改变。特点：新基因、新性状。类型：染色体畸变(chromosomal aberration)、基因突变(gene mutation) • (2)重组(recombination)：遗传物质的重新组合。特点：不产生新基因，但是可产生新基因型、新性状。 ※ 1. 性状变异类型Types of character variation： • (1)遗传变异heritable variation：高秆基因突变成矮杆基因，迟熟基因突变成早熟等，高产与抗病基因的组合。 • (2)不遗传的变异unheritable variation：如环境影响发育而形成的性状变异。 • 如何识别？ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

一、概念 概念：基因内部化学结构的改变，是一个基因(gene)变成它的等位基因(allele)的过程。特点：产生新基因和新性状，广泛存在，是生物进化发展的重要源泉，也是育种的重要材料。第一节基因突变的概念、特性、类型Section 1. Concept, properties and classification of gene mutation • 基因突变和染色体结构改变的区别: (1)前者可回复，后者难回复。 (2)前者是少数核苷酸的改变，后者是DNA大片段的改变。 (3)前者难以从细胞学上进行检查，而后者则可能。 • 怎样用细胞学技术鉴定染色体结构变异？杂交，获得杂合体，观察其减数分裂MI时期配对染色体的形态※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

二、基因突变的特性 • 1.随机性(Randomly)：随机发生。基因及其核苷酸。 • 2. 稀有性(Rarely)：一般＜10-4。 • 3.重演性(repeatedly)：在同一种类中可重复发生。 • 4.可逆性(reversibility)：A→ａ,叫正突变(U)；a→A,称回复突变(V)。通常正突变率大于逆突变率。如大肠杆菌野生型(his＋)突变为组氨酸缺陷型(his－)时，U是2×10－6即(1/50万)，而V则为1×10－9，相差约2 000倍。因此，在自然界中出现的突变大多为隐性突变。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

注意：回复突变体和抑制因子突变体的比较 二者表型相似。前者发生在正突变座位上，结果是形成显性基因A，表现显性表型。后者发生在另一个座位上，由于抑制因子突变使基因a(隐性表型)的缺陷得以弥补，相当于抑制了A到a的突变效应，从而a表达产生显性表型。区分的方法：可用回复系与野生型杂交，若F2后代分离出突变型个体，则是抑制因子突变；若没有，就是回复突变(图10-1)。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

回复突变体与抑制因子突变体的区别方法 + su + su + su 野生表型 F1表型？ F1表型？ + su F2 F2 参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

5. 多向性(varible directions): 不同个体的同一基因可向不同的方向突变，形成一系列的复等位基因。例如，人类ABO血型有3个复等位基因。 • 6. 有害性:突变一般是有害的，如叶绿素突变产生白化苗。少数突变有利。作物的早熟性和抗逆性突变，微生物的抗药性突变等则是有利的。当然也有中性突变，无所谓好坏。 • 7. 平行性:亲缘关系相近的物种间，遗传基础比较相似，可发生相似的突变。如小麦有早熟、晚熟，圆粒、长粒，有芒、无芒等突变型。禾本科的其他物种：大麦、黑麦、燕麦、玉米、高粱、水稻、冰草等也有这些突变型。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

三、基因突变的类型classification of gene mutation • 1.发生条件： • 自然突变(自然条件) • 人工诱变：理化诱变。 • 2.突变性质： • 显性突变(产生显性基因的突变)：产物纯合体的表型？ • 隐性突变(产生隐性基因的突变)：产物纯合体的表型？ • 3.突变效应： • 形态突变(产生形态变异, 浙江白茶)，生化突变(产生生化变异)，致死突变，条件致死突变(如温敏、光敏、营养缺陷)，抗性突变(产生抗性突变体)。 • 4.突变好坏：？ • 有害突变(产生有害变异) ，有利突变(产生有利变异)，中性突变(无好坏) 。⊙⊙⊙ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

早春，产茶期仅1个月 色香味极佳，甘甜可口 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

第二节基因突变发生的时期和部位及频率 • 一、突变发生的时期及部位 • 突变时期和部位：可发生在生物个体发育的任何时期，任何性细胞和体细胞。人的血友病:带有X的配子突变；植物“芽变”: 体细胞突变。 • 1. 体细胞突变：可产生突变细胞与正常细胞并存的嵌合体(mosaic)，也可能在生长过程中因竞争不过其周围的正常细胞而受到抑制或最后消失。嵌合体可能产生配子遗传给后代，也可能不产生后代。特点：动植物体细胞突变不仅突变频率较低，影响程度小。利用：将其从母体上分离下来进行无性繁殖，或由它再生成个体遗传给后代。已有不少果树、花卉品种是应用这种方法育成的。对于微生物，其体细胞本身可繁殖和形成配子，容易遗传下去。 • 2. 性细胞突变：可竞争授粉遗传给后代，也可能因不能参与受粉而失去遗传的机会。特点：其遗传给后代的概率比体细胞突变大，而且配子是单倍体，突变容易显示出来。 • 突变的影响程度：突变发生的时期愈早，影响的程度愈大；性细胞突变比体细胞突变对生物的影响大。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

二、突变频率(mutation rate) • 1. 概念：指生物每一世代中，每一基因组或配子发生突变的概率。其突变率的估算方法因不同生物而异。 • (1)有性生殖生物：突变率是每一配子(1个基因组)发生突变的概率，即一定配子中的突变型配子数所占比率。 • 显性基因突变成隐性的突变率：由于测交后代群体能反映被测系突变配子的比率，因此可用隐性纯合亲本(测验系)与显性纯合亲本(被测系)杂交，统计测交F1代隐性表型所占比率，即是突变率。测交群体中隐性突变率计算公式：隐性突变率=隐性突变表型个体数/个体总数例如，用糊粉层淡红色的玉米(pr pr)×紫玉米(Pr Pr)，杂交果穗上所结籽粒应该全是紫色的(Pr pr)(果实直感现象)。但在一百多个杂交果穗上的647102粒籽粒中，出现了7粒红色籽粒。可计算得突变率为7/647102=11×10－6。有人用同样的方法考查了影响玉米籽粒性状的7个基因，其突变率见表10-2※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

表10-2. 玉米7个基因的突变频率 • 基因控制性状配子数突变数突变率(×10-6) • R 籽粒颜色 554 786 273 4920 • I 抑制色素形成265 391 28 1060 • Pr 紫色 647 102 7 110 • Su 非甜粒 1 678 736 4 24 • ｙ黄胚乳 1 745 280 4 22 • Sh 非凹陷粒2 469 285 3 12 • Wx 非蜡质粒1 503 744 0 0 • ※ 参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

隐性基因突变成显性的突变率：可直接调查隐性纯系的后代群体中显性表型个体所占比率，再除以2(因为二倍体个体有两个基因组，显性表型个体中只有1个基因组有显性突变)就是其突变率。即公式为：隐性基因突变成显性的突变率：可直接调查隐性纯系的后代群体中显性表型个体所占比率，再除以2(因为二倍体个体有两个基因组，显性表型个体中只有1个基因组有显性突变)就是其突变率。即公式为：显性突变率=显性突变表型个体数/(2 ×个体总数) 人类基因突变率的估算，往往是通过出生调查和家系分析进行。如无虹膜突变是一个显性突变，杂合子均为全盲或接近全盲。在美国密执安州，1919～1959年间出生的4 664 799人中，约有41人是无虹膜患者。故其突变率为41/(2×4664799)＝4.4×10－6。据估计，在高等动植物中，基因自发突变频率为1×10－5～1×10－8。 • (2)无性生殖的细菌：用每一世代中每一细菌发生突变的概率，即一定数目的细菌在分裂一次过程中发生突变的细菌数所占比率。可以取一定浓度一定数量细菌纯系培养1个世代，其中出现某种突变型细菌数占细菌总数的比率。据估计，细菌基因的突变率一般为１×10－4～1×10－10。 • 不同生物或同种生物不同基因的突变频率不同(表10-1)。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

表10-1. 部分生物的基因突变率 • 生物突变性状突变率 • 噬菌体T2 寄主范围(ｈ) 3×10－9 • 大肠杆菌链霉素抗性(strr) 4×10－10 乳糖发酵(lac-) 2×10－7 • 莱因哈德衣藻链霉素抗性(strr) 1×10－6 • 红色链孢霉腺嘌呤缺陷型回复突变(ade＋) 4×10－6 • 玉米紫色籽粒(purple seeds) 1×10－5 • 黑腹果蝇白眼复眼(white eye, W) 4×10－5 • 小鼠棕色皮毛(brown coat, br) 8×10－6 • 人亨廷顿舞蹈病(Huntington’s chorea) 1×10－6 血友病(hemophilia A) 3×10－5 神经纤维瘤病3×10－4※ 参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

在分子水平上，突变可有以下几种方式： 单核苷酸对：缺失、插入：移码突变替换、倒转：替换包含转换、颠换。可引起错义突变、同义突变、无义突变多核苷酸序列：作为一个整体，可有上述突变方式，此外还可有倒位。在突变中，可以有几种方式，也可只有其中一种。见图10-2※ 第三节基因突变的机制一、基因突变的方式 • 什么是基因？细胞水平：基因是遗传因子，相当于染色体上的一个点(座位)。分子水平：是带有遗传信息的DNA或RNA区段，由若干核苷酸组成。 • 基因突变的最小单位是什么？突变子：一个核苷酸对。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

突变结果？ 图10-2 图10-2 参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

图10-13 1 2 图10-13 3 4 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

(一)化学诱变机制 1、碱基类似物诱导替换突变最常见：5-溴尿嘧啶(5-BU)，类似于T。异构体：酮式烯醇式配对形式： BU=A BU≡G 2-氨基嘌呤(AP)，类似于A 异构体：酮式烯醇式配对形式： AP=T AP≡C 机制：可在DNA复制中，代替天然碱基，然后由于其配对的不稳定性，在下一次的DNA复制中导致碱基替换突变。二、基因突变的分子机制 2.化学修饰及其诱变机制 (1)亚硝酸的脱氨作用：A→次黄嘌呤(H)，C→U，G→黄嘌呤(X) (2)烷化剂如氮芥子气(NM)、乙烯亚氨(EI)、硫酸二乙酯(DES)等的烷基化作用：G→mG，类似于A; mG脱嘌呤作用引起缺失;烷化剂与磷酸结合引起DNA断裂;在DNA链间形成交联，引起核苷酸被切除或丢失。 (3)羟氨的羟基化作用： C羟化后类似于T，导致G≡C→A＝T 3.渗入与干扰：丫啶橙等丫啶类物质渗入碱基间，导致碱基间距增加1倍，造成密码框错误，引起移码突变。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

1.电离辐射： 高能射线如X射线、α、β、γ射线、中子流等可导致原子电离，引起化学键断裂，进而产生突变。两个作用途径: (1)直接使DNA链断裂，修复中连接错误，造成突变。 (2)使环境中物质如水等电离，形成自由基，导致核苷酸被修饰，引起突变一般规律: (1)引起染色体断裂和基因突变。 (2)辐射剂量越大、越久，变异频率越高。 2.紫外线特点：是电磁波、能量小，是其中2700Å是核酸吸收的高峰波长。作用：不能引起原子电离，但可引起T T聚合成二聚体TT，使DNA结构局部变形，引起复制错误，或在修复中出现错误，引起突变。参见图10-12 ※ (二)物理诱变机制 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

图10-12 TT二聚体 参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

(三)DNA损伤修复中产生突变 • DNA损伤的类型：TT二聚体、DNA链断裂、DNA链交联、少数碱基或核苷酸的修饰等。 • DNA损伤修复方式： • 1.光修复(photoenzymatic)：光复活酶能吸收可见光的能量，将TT二聚体直接解开，恢复正常。主要存在于低等生物中。参见图10-23。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

2.暗修复(dark repair) • 暗复活或切除修复。1958年希尔在E.coli中发现的。 • 基本过程: • ①一种特定的核酸内切酶识别二聚体位置，并在其附近将一股链切断，造成一个缺口， • ②DNA聚合酶以未切断的互补链为模板合成新的DNA片段将缺口补上。 • ③专一的核酸外切酶切去含有TT二聚体所在的DNA区段。 • ④DNA连接酶将新的DNA片段与缺口两端连接起来。广泛存在于各种生物中。参见图10-24。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

图10-23,24 DNA修复 图10-23,24 修复方式？参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

3.重组修复(recombination repair) • 概念：在复制中越过损伤部位如TT二聚体，在1新链上留下1缺口，复制后通过DNA分子间重组，使缺口处得到正常模板，以此为模板修补复制中留下的缺口，结果损伤的负效应被消除。 • 主要过程: • (1)复制：复制，其中DNA单链有损伤的部位被越过。在1新链上留下1缺口，1新链正常。 • (2)重组：交叉及交叉移动，在新链缺口处，得到模板。 • (3)补缺：DNA再合成，补上缺口。见图10-26。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

图10-26 重组修复 交叉消除交叉总结特点？ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

T T二聚体的重组修复特点 • 特点：(1)与复制有关，损伤处未被修复，但损伤的负效应被消除。同时，由于损伤的影响，复制中可能出现误差，引起基因突变。 • (2)复制及细胞分裂后产生1正常细胞及1仍有损伤的细胞。 • (3)随着复制及细胞分裂次数的增加，损伤细胞所占比率越来越小，甚至由于其竞争力差，而被淘汰。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

4. SOS修复又称DNA应急修复：DNA大范围损伤、正常复制被抑制时，诱导产生新的DNA聚合酶，可催化损伤部位的DNA修复合成。该DNA聚合酶识别碱基的准确性差，修复合成中容易产生碱基配对错误，产生基因突变，因此被称为易误修复。 • 5. 适应性修复：当细胞培养在能造成碱基损伤的一定浓度的化学物质中一段时间后，可诱发细胞对该诱变剂产生抗性。其原因是细胞产生了一定机制，消除了碱基的修饰损伤效应。 • 6. 链断裂修复：用连接酶重接。但是，重接时可能出现随机错误，产生突变。 • 7. 链交联修复：在糖基酶的催化下解开交联的1条臂，再通过碱基切除方式修复方式修复交联核苷酸。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

修复与突变、健康长寿 • 在上述修复过程中，以SOS修复、断裂修复、重组修复等较能产生基因突变。 • DNA修复与人类健康长寿的关系：损伤不可避免，DNA修复能力越强，越有利于健康、越长寿。修复能力弱或存在缺陷时，可引起肿瘤、短命、免疫缺陷等各种问题。 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

1.什么是自然突变？自然条件 2.引起自然突变的因素： (1)环境中诱变物质、辐射。 (2)自身代谢产物如过氧化氢等诱变 (3)自发突变：是指在没有任何诱变因子而自发产生的基因突变。自发突变机制：碱基异构体互变，引起配对改变，产生突变。异构体：酮式烯醇式 (含氧碱基: G,C,T,U , 见图10-15) 异构体：氨基亚氨基(不氧碱基: A,C, 见图10-16) 特点：稳定不稳定高频率极低频率※ (四)自发突变的机制 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

图10-15 酮式与烯醇式 酮式烯醇式参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

图10-16 氨基与亚氨基 G' T 烯醇式参考姚世鸿等(2001) Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

第四节基因突变的诱发、检出和应用 • 一、基因突变的诱发 • 诱变是育种的重要方法。常用于植物和微生物育种。 • 1. 物理诱变: • (1)射线:γ射线、紫外线、快中子较常用。 • (2)剂量：越大，对生物伤害越大，诱变率越高。常使用半致死剂量。 • (3)材料：微生物细胞。植物种子、枝条、花粉、离体培养的体或性细胞等。 • (4)处理方法： • a. 内照射：放射线物质溶液浸泡材料，进入细胞后，释放射线，在细胞内进行照射。低浓度，效应较温和，照射均匀，照射剂量小、持久，但易造成放射线污染。 • b. 外照射：射线发生器可发射射线，将材料置于其辐射范围内，即可对材料进行照射。效应强烈、损伤大、照射不均匀、照射时间短，但是易管理、一般无污染。※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

2. 化学诱变： • (1)药物：秋水仙素、芥子气、甲基磺酸乙酯(EMS)、硫酸二乙酯(DES)等。常有毒、致癌等效应。 • (2)材料：同上。在植物及微生物中应用较多。 • (3)处理方法：一般采用浸泡法，共培养法。 • 化学诱变与辐射诱变的比较： • 化学诱变：效应小，损伤较小，核基因突变率高。 • 辐射诱变：效应大，损伤大，质基因突变率高。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

二、突变的检出和鉴定 • 检出和鉴定的方法：依赖于生物类型、材料、目标性状及其基因特点。据此才能确定筛选方法和鉴定手段。在检测和鉴定之前，通常可先获得突变系纯系群体，然后再鉴定。 • 1.形态性状：如早熟性、大穗、大粒等。可直接观察、选择鉴定 • 显性突变：诱变当代即可显现出来，由于有些变异不能稳定遗传，因此需要培养或种植2代以上，稳定遗传、稳定表达，才能说明是稳定的遗传变异。 • 隐性突变：当代不表现，需自交1-2代，分离出隐性纯合体，才能表现出突变性状。同样需要培养和种植多代，才能准确鉴定。 • 2. 抗性性状：在特定药物、病菌或毒素等下进行培养，能生长的就是抗药性、抗病性或抗毒性突变系。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

3. 生化突变：由于生化代谢复杂和多样，如果没有目的，几乎难以着手鉴定。 • 其中以营养缺陷型研究较多。 • 营养缺陷型：通过全营养培养基稀释培养，当形成大量不同无性系后，分别于缺乏不同营养素的培养基上进行培养，其中，不能生长的无性系就是缺陷型。 • 其它生化突变：不易鉴定。可通过分子方法如RFLP、AFLP、RAPD等方法判断是否是突变体，但是其功能仍然未知。 • 4. 致死突变：显性者，无法保存。隐性者，其杂合体可存活和繁殖。但不能获得纯系。 • 5. 条件致死突变：先在适宜条件下，繁殖成纯系，然后在不同条件下培养，不能存活，则是该条件下的致死突变。 • 书中以细菌、链霉菌、谷物、果蝇为例，阐明了突变的检出过程。自学。 ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

三、基因突变的应用 • (一)诱变育种突变产生新性状，其中有利者，可被利用，以培育出新品种。 • 动物：如，家蚕性连锁平衡致死系，使生产上可以只饲养雄蚕，以提高产量。辐射处理产生低育雌性害虫，释放于农田，可大大减少虫害发生。 • 植物：应用极广泛，已培育出成千上万个品种应用于生产。如早熟、高蛋白、高赖氨酸、大穗、大粒型、抗病性、抗虫性、抗除草剂、耐盐性等。 • 微生物：抗菌素高产菌系，发酵酿造用菌系，高产优质青霉素菌系等对医药、工业等发挥了重要应用。 • (二)诱变物质检测应用诱变物的敏感生物及其敏感易识别基因，测试自然或特定浓度药物的诱变作用。 ※ ※ ※ ※ ※ ※ Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

注意：书上自发突变(广义)=自然突变 狭义自发突变是其中的1种 • 1. 解释 • 2. • 4. • 5. 自然突变的机制是什么？ • 9. • 14。 • 主要参考文献： • 姚世鸿，王景佑，陈庆富，主编，2001：遗传学。贵州人民出版社 Prof. QF Chen, Guizhou Normal University

第十章基因突变 ( Gene Mutation)