遗传物质的改变.ppt

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1、第九章 遗传物质的改变(二)基因突变,第一节 基因突变概说,一、基因突变的概念及其类别,由于基因内部某一位点的结构发生改变（化学变化），使其由原来的存在状态而变为另一种新的存在状态，即变为它的等位基因。又称为点突变（point mutation）。染色体上一个座位内的遗传物质的变化。,类别:按其发生的原因可分为,(1)自发突变（spontaneous mutation）。自然情况下发生的突变。(2)诱发突变（induced mutation）。人们有意识地利用物理、化学诱变因素引起的突变。（射线、温度）。,这两类突变在表现形式上没有原则上的区别。,基因突变对碱基发生两类变化：,碱基替代：转换（

2、transition）颠换（transversion）移码突变：,二、基因突变的表型特征,(1)形态突变型（mirphological mutation）。泛指外形改变的突变型。因为这类突变可在外观上看到,所以又称可见突变（visible m.）。,(2)致死突变型（lethal mulations）:能引起个体死亡或生活力明显下降的突变型。,基因突变的表型特征,(3)条件致死突变型:（conditional lethal mutation）在一定条件下表现致死而在另外条件下能成活的突变型（conditional lethal mutation）。,(4)生化突变型（biochemical m

3、utation）。没有形态效应但导致某种特定生化功能改变的突变型。表现在补充培养基上能生长。,三、基因突变的分子效应,1.突变发生在基因编码区（1）同义突变（same sense mutation）：又称沉默突变,（2）无义突变（nonsense mutation）,是指某一碱基的改变使mRNA的密码子变成终止密码,使多肽合成中断,形成不完全的肽链,丧失生物活性。如 DNA ATG ATT mRNA UAC UAA 酪氨酸 终止,（3）错义突变（missense mutation）,指碱基替换的结果引起氨基酸序列的改变。有的影响到蛋白质的活性和功能。甚至丧失全部活性。从而影响表型。也有引起蛋白

4、质活性和功能不同程度的丧失。,（4）移码突变：,会导致其蛋白质产物的功能完全丧失。,2.突变发生在基因的非编码区,通常这些区域突变的后果与它是否被破坏或产生一个结合位点有关。结合位点一旦被破坏很可能改变基因在特定时间、组织或特定环境反应中的表达量；使基因产物完全失活阻断其产生。,四、突变发生的时期和部位,可发生在任何时期（体细胞、性细胞）。性细胞的突变频率比体细胞高，这是因为性细胞在减数分裂末期对外界环境条件具有巨大的敏感性。性细胞(突变)突变配子后代个体；体细胞(突变)突变体细胞组织器官。,高等生物基因突变时期与性状表现,嵌合体：同一器官或组织表现出不同 性状的个体。,五、突变频率（muta

5、tion rate）,突变率指在一个世代中或一定时间内,在特定的条件下,一个细胞发生某一基因突变的概率。,有性生殖生物：用突变配子占总配子比例(配子发生突变的概率)表示；(单细胞)无性繁殖生物：每一世代中细胞发生突变的频率。,自然突变频率,自然条件下基因突变率一般较低，并随生物种类、基因而异：不同生物种类的基因突变率：高等植物：110-5-110-8;低等生物，如细菌：110-4-110-10;人：110-4-110-6.同一物种的不同基因的天然突变率也明显不同：,突变的稀有性,但相对稳定,突变热点：,DNA分子上的每一个部分发生突变的频率并不相同，在某些位点发生突变的频率远远高于平均数，这些

6、位点称为突变热点（hot spots of mutation）。,在计算突变率时，,必须考虑的是群体而不是单一的个体。在人类方面突变率的估算是根据家系中显性性状和X连锁性状的出现，在这些家系中，祖先各代是没有这些性状的。,根据Neel和Falls的调查，在1054984个出生婴儿中，总共有49个儿童患视网膜色素瘤。因为有这种病的儿童是致死的，我们可以假设，每一个儿童被发现有视网膜色素瘤是，就表示形成该儿童的两个配子中，有一个配子发生了显性突变，所以突变率是49/2（1054984）=2.3 10-5,六、基因突变的特性,1.突变的重演性是指同一突变可以在同种生物的不同个体间多次发生。2.突变的

7、可逆性显性基因A可以突变为隐性基因a，反之亦可。通常把Aa称为正突变，aA为反突变。,正突变（forward mutation）:野生型基因等位基因突变型。回复突变（back mutation）:突变型基因野生型基因。在多数情况下，正突变率U总是高于反突变率V。,回复突变与抑制因子的突变,真正的回复突变:突变发生在同一座位，跟正突变一样。抑制因子的突变:另一座位抑制基因突变，从而掩盖了原来的突变型，表现出野生型。,区别方法:前者与野生型杂交还是野生型，后者与野生型杂交出现重组型（突变型重新出现）。,图示说明,3.突变的多方向性,基因突变的方向是不定的，可以多方向发生 Aa1，Aa2，Aa3，A

8、an具有对性关系的基因是位于同一基因位点上的。位于同一基因位点的各个等位基因，在遗传上称为复等位基因。,(1)突变的方向不是无限的,只能在一定范围内变化。(2)由于同一座位上不同位点的结构发生变化。(3)不论复等位基因有多少,在一个体细胞中只有2个,配子中只有一个。,4、突变的有害性和有利性,(1)大多数有害或不利。大量观察表明，绝大多数的基因突变都对生物带来不利的影响，如生活力下降，育性降低，可以说突变的有害性是生物界较普遍的现象。少数有利。如抗病性、早熟性、抗倒伏、微生物。,(2)有利有害是相对的。雄性不育、落粒性。在一定条件下可以转化，如矮杆雄性不育，对人或其他条件却有利，可作为人类利用

9、杂种优势的一种极好的材料，免去了人工去雄的麻烦；如落粒性、对生物有利，但对人不利。,七、自发突变的原因,1.自发损伤 常见的自发损伤。有脱嘌呤和脱氨基。脱嘌呤:在DNA复制中，无法确定一个与原嘌呤配对的碱基。修复：移去无嘌呤位点；或在对面插入一个碱基，引起突变。,自发突变的原因：,2.碱基的氧化损伤3.DNA复制错误配对错误插入或缺失,4.其他可能的机制,1）辐射：2）温度的极端变化：过高或过低。3）化学物质：主要 4）体内或细胞内某些生理、生化过程所产生的物质的作用。,第二节 诱发突变,自然突变的频率很低。1927 年和用X射线射线诱发果蝇、玉米及大麦种子突变。以后相继发现、中子、质子、超生

10、波、紫外线、激光的诱变作用。从N芥子气开始,又进行了化学诱变的研究。,研究目的和作用:1.研究突变的过程和性质 2.育种工作,提供广泛的变异材料 3.环境保护,医学防护 4.原核生物使遗传学开始分子水平的研究,把能诱发生物体变异的理化条件称为诱变因素(mutagen)或诱变剂。,一、物理诱变因素,(一)物理诱变因素的种类在多种物理诱变因素中应用最广而行之有效的是射线。,各种射线 的物理本质都是含有一定能量的波。按其作用性质的不同,可以分为：电离射线：、中子质子、X射线。非电离射线：紫外线。,1.电离射线：,电离射线是一种能量比较高的射线，能引起电离作用。(1)作用方式:a.直接作用:对细胞（D

11、NA）的物理学效应。DNA分子被射线作用产生电离和激发（离子对）。,b.间接作用:对细胞的辐射化学效应。使细胞内发生化学变化,如水（80%）被分解为自由基HOH（自由基:含有不平衡电子的有一定功能的原子或原子团,特别容易起化学反应）。(2)作用结果:染色体畸变,基因突变,射线:,是典型的电离射线,一般波长为10-2-103(1=10-8),波长越短,则能量越高,穿透力越强,或者说越硬。射线由线发射机产生,通常用来照射植物的种子、枝条和微生物,也可照射动物,剂量易控制,防护问题也比较简单。用铅制成的防护物能够有效地防止射线侵入。,r射线:,波长比射线短(10-7-10-1),能量越高,穿透力越强

12、,主要由放射性同位素钴(Co60)和铯(Cs137)产生,用得较多的是Co60,其半衰期为5.3年。钴辐射源可以设置在室外,造成一个所谓“钴场”,对大面积的植物进行全身照射,也可以设计成“钴炮”等装置,进行室内照射。,辐射剂量及表示方法:,单位质量被照射的物质所吸收的能量数值，称为辐射剂量。,射线和r射线：用“伦琴”（r）表示，1R的照射可使1cm3的标准状态的干燥空气产生一静电单位的电离量(或能量)。1r能产生多少突变，因生物种类不同，照射的器官、处理时间不同而不同。,戈瑞（Gy）和西弗（）.,2.非电离射线,射线种类：紫外线（Ultra violet）作用机理：由于能量较低，不足以使原子电

13、离，只能产生激发作用。a.直接作用:引起分子内电子产生激发而变成激发分子或活化分子,使某些化学键断裂,产生化学键断裂和化学变化b.间接作用:激活甲分子乙分子（荧火和能量转移）。如使DNA形成胸腺嘧啶二聚体,紫外线波长比较长，为2000-3900，最有较的波长为2600 左右。实际应用上由紫外灯产生，因价廉而且使用方便在微生物中应用较广，因穿透力很弱，对于一般的植物效果不显著。紫外线的剂量一般采用相对单位，在光源和距离固定的情况下用照射时间来表示。,（二）物理诱变剂的规律,1.在一定剂量范围内，突变率与照射剂量成正比。2.剂量有累加作用。连续照射与间歇分次照射。,作用表现在两个方面：其一是生理作

14、用，即引起当代的直接损伤；其二是遗传效应，使生殖细胞发生突变，贻害后代。,二、化学因素诱变,化学诱变的一般特点是:损伤小，诱变频率较低，处理比较方便，把化学诱变剂添加到培养基中培养。,自发突变和诱发突变有一个共通的特性，就是突变的发生是随机的。,化学诱变因素的主要类别:,(1)烷化剂:(2)碱基类似物:(3)吖啶类染料:,研究化学诱变的意义(1)了解突变的机理,认识基因的结构和本质。(2)分析变异的生理生化过程。(3)育种实践中定向诱变。(4)研究肿瘤的发生机制与防治。,1.碱基类似物,诱变原理：化学药物分子结构与DNA碱基相似，在不妨碍基因复制的情况下能渗入到基因分子中。在DNA复制时引起碱

15、基配对差错，最终导致碱基对的替换，引起突变。,这类诱变物质有5-溴尿嘧啶、5-溴去氧尿核苷、2-氨基嘌呤等。（1）5-溴尿嘧啶:酮式:与A配对 烯醇式:与G配对,(2).2氨基嘌呤（2AP）,作为腺嘌呤的类似物与胸腺嘧啶配对，当发生质子化后它又可以与胞嘧啶发生错配。,ATGCGC AT,2.碱基改变,凡是能和DNA起化学反应并能改变碱基氢键特性的物质，叫做DNA诱变剂。如亚硝酸、烷化剂、羟胺等。,亚硝酸(HNO2)：氧化脱氨作用,.烷化剂：,如：乙基甲磺酸 EMS,CH3SO2(OC2H5)硫酸二乙酯 DES，SO2(OC2H5)2乙烯亚胺 EI，H2CCH2烷化作用：通过烷基置换其它分子氢原

16、子的作用。,嵌入剂,诱变剂：原黄素、吖啶橙等染料。,能嵌入DNA双链中的碱基之间，引起单一核酸的缺失或插入，造成突变.吖啶类诱发的突变的一个重要特征是：吖啶类化合物所诱发的突变能用吖啶类来回复,但不能用碱基替换来回复。,黄曲霉素B1（AFB1）：,导致碱基和糖之间的糖苷键断裂，释放碱基产生无嘌呤位点。研究表明，SOS修复系统可以越过这些无嘌呤位点并在互补链上加上腺嘌呤。导致GC变AT。,第三节 突变的检出,一、果蝇突变的检出1.果蝇X连锁隐性突变的检出ClB品系：,Muller5技术,X染色体上带有B（棒眼）,wa（杏色眼）和一些倒位,抑制Muller5的X染色体与野生型X染色体发生重组。,观

17、察分析F2：,如果无X隐性致死突变预期F2:=1:1 表型比为简单的1:1:1:1;如果有X隐性致死突变预期F2:=2:1 表型比1:1:1;如果有隐性非致死突变，在F2 中可见突变。,并连染色体法：,2.常染色体基因突变的检出,利用平衡致死系统:例如:果蝇第二常染色体上的两条染色体(Cy和S)一条:有显性翻翅基因Cy（Curly）。纯合致死,有一大倒位。另一条:有显性星状眼基因S（slar）。纯合致死。,实验过程:CY+/+S和CY+/+S杂交,后代只有CY+/+S。现在把这系统的雌蝇与要检的雄蝇交配，在子一代中选取翻翅雄蝇，再与这系统的雌蝇单对交配，分别饲养。,在子二代中选取翻翅个体相互交

18、配，在子三代时观察：,（1）如最初第二染色体上不带有致死基因，则有33%左右的野生型。（2）如最初第二染色体上带有致死基因，则只有翻翅果蝇。（3）如最初第二染色体上含有隐性可见突变，则除翻翅果蝇外，还有33%左右的突变型,检出特点：只能检出常染色体，且与平衡致死系同号染色体上的基因突变。,二、链孢霉突变的检出,鉴定是否发生突变,排除野生型 诱变处理完全培养基基本培养基补充培养基,三、人类突变的检出,需依靠家系分析（pedigree analysis）和出生调查。1.人类中突变的检出,最可靠的还是限于显性基因。,2.通过电泳技术,筛选各种蛋白质或酶的微小变异,这些微小差异是可遗传的。这种变异的存

19、在,表明蛋白质中氨基酸排列顺序可以由突变而改变。但不是所有的氨基酸的改变都可由电泳检出。所以某一蛋白质的突变率可能低估。,第四节 DNA分子损伤的修复,在细胞中能进行修复的生物大分子也就只有DNA，反映了DNA对生命的重要性另一方面，在生物进化中突变又是与遗传相对立统一而普遍存在的现象，DNA分子的变化并不是全部都能被修复成原样的，正因为如此生物才会有变异、有进化。,一、DNA损伤的原因,（一）DNA分子的自发性损伤1、DNA复制中的错误2、DNA的自发性化学变化（二）物理因素引起的DNA损伤 射线引起的DNA损伤是最引人注意的。,1、紫外线引起的DNA损伤,当DNA受到最易被其吸收波长（26

20、0nm）的紫外线照射时，主要是使同一条DNA链上相邻的嘧啶以共价键连成二聚体，相邻的两个T、或两个C、或C与T间都可以环丁基环（cyclobutane ring）连成二聚体，其中最容易形成的是TT二聚体.。,2、电离辐射引起的DNA损伤,电离辐射可导致DNA分子的多种变化：碱基变化：主要是由OH-自由基引起，包括DNA链上的碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。脱氧核糖变化：脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与OH-反应，导致脱氧核糖分解，最后会引起DNA链断裂。DNA链断裂 交联：包括DNA链交联和DNA-蛋白质交联。,（三）化学因素引起的DNA损伤,

21、DNA损伤的后果,归纳DNA损伤后分子最终的改变，有以下几种类型点突变point mutation缺失（deletion）插入（insertion）倒位（transposition）双链断裂,突变或诱变对生物可能产生4种后果：致死性；丧失某些功能；改变基因型，而不改变表现型；发生了有利于物种生存的结果，使生物进化。,二、DNA损伤的修复,1光复活photoreaetivation这是最早发现的DNA修复方式。修复是由细菌中的DNA光解酶（photolyase）完成，结合反应不需要光；结合后如受300-600nm波长的光照射，则此酶就被激活,将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，然后酶从DNA链上释

22、放，DNA恢复正常结构。发现类似的修复酶广泛存在于动植物中，人体细胞中也有发现。,2、切除修复(暗复活)（excision repair）,是修复DNA损伤最为普遍的方式，对多种DNA损伤包括碱基脱落形成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链断裂等都能起修复作用。切除修复有两种可能：先补后切 先切后补,这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中，也是人体细胞主要的DNA修复机制。,着色性干皮症：,一种由于DNA修复基因缺陷引起的遗传性皮肤病。表现为皮肤光敏和早发性肉瘤。由核酸内切酶缺陷造成DNA修复功能异常所致。本病的主要生化缺陷是由于皮肤部位细胞缺乏核酸内切酶，而使日光损伤的DNA不能正常修复

23、。初起在暴露部如面、唇、结膜、颈部及小腿等处出现雀斑和皮肤发干，类似日光性皮炎，开始皮肤发红，以后出现持久性网状毛细血管扩张。,3重组修复（recombination repair）,受损伤的DNA链复制时，产生的子代DNA在损伤的对应部位出现缺口。完整的另一条母链DNA与有缺口的子链DNA进行重组交换，将母链DNA上相应的片段填补子链缺口处，而母链DNA出现缺口。以另一条子链DNA为模板，经DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填补母链DNA的缺口，最后由DNA连接酶连接，完成修补。,4错配修复,细菌DNA错配频率10-8，但实际约为10-11-10-10。该系统包括可识别GATC序列和错配碱基

24、的错配矫正酶、DNApol、外切核酸酶和DNA连接酶。,5.SOS修复,（1）SOS修复（SOS repair）是细胞中的DNA受到大规模损伤，严重影响其生存，在其他修复难以见效的情况下，被诱发出的一种高效修复系统，这种修复系统以损失一定的保真性，可以修复其他修复系统难以完成的DNA损伤，但准确性较差，是一种倾向差错性修复系统。,SOS修复,SOS系统在一般情况下是关闭的，在上述的情况下被开启。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（error-prone repair），使细胞有较高的突变率。,(2)SOS反应,机体受到大剂量的诱变产生大规

25、模DNA损伤时，可产生一系列复杂的诱导效应，称为应急反应（SOS response）。包括生长抑制、分裂停止、呼吸受阻、整合在宿主基因组上的原噬菌体释放、细胞正常生长发育的许多基因关闭，同时有一些应激状态下的新基因开放等。,（3）SOS修复机制,两种机制对DNA损伤进行修复：通过式修复 当DNA的损伤无法通过其他修复途径完成时，可诱导产生一种新的DNA聚合酶，该酶不会对损伤部位新合成的碱基配对状态进行严格的检查，就可通过该损伤部位。,切除修复如果DNA双链上均有损伤，而且距离较近，机体可能先对其中一条链采取切除式修复，一个位点修复正常，另一个则产生错误，再对另一条链切除式修复，又会保留这个基因

26、突变。也可能在复制后由外切酶的作用扩大缺口，发生通过式修复产生错误，形成新的突变。,三、DNA修复的意义,第五节 遗传重组分子机理,重组大抵分为三种类型。同源重组（homologous recombination）位点专一性重组（site-specific recombination）异常重组（illegitimate recombination）,一、基因转变（gene conversion）,就是表现出不规则的分离现象。在杂合体中，某一个或某些基因转变为相对的等位基因叫基因转换（非相互交换/非相互重组 nonreciprocal exchange/recombination）,基因转变实例

27、：,Lindegren在面包酵母发现3A：1a，或3a：1A.Mitchell在链孢霉中也发现这种现象。,Pdx+pdxp 585个子囊 4个子囊异常（6：2）,正常孢子分离比 1：1（或4：4）,原因是由于基因转换所引起，不是基因突变：产生频率比一般突变高 方向一定,基因转变的特点：,基因转变往往伴有转换区外基因的重组，但区外基因重组是正常的交互方式，所以虽然pdxp位点出现异常的3：1（或6：2分离），但紧密连锁的pdx位点仍显示正常的2：2分离。,粪生粪壳菌g座位,Olive等，g-：子囊孢子灰色g+：子囊孢子的黑色,g+g-20万子囊,0.06%是53分离0.05%是62分离0.008

28、是3113（或异常44）,染色体转换与半染色单体转换,6：2（或2：6）的子囊表明减数分裂的四个产物中，有一个产物发生了基因转换染色体转换（chromatid conversion）,5：3（或3：5）的子囊表明有一个产物的一半出现基因转换半染色单体转换（half-chromatid conversion）,总结：,（1）基因转变是专一的，即由g+g-,pdx+（2）基因转变与遗传重组有关。,二、基因重组的机理,（一）异源DNA模型杂种DNA模型、Holliday模型。1964年，R.Holliday设想了一个模式，用来解释同源重组。,过程：形成杂种DNA分子交叉点的断裂愈合（酶）,异源DNA

29、模型,这个模型表明，重组是一个酶促过程，DNA聚合酶、内切酶和外切酶、连接酶。,（二）双链断裂（起始）重组模型,该模型认为：一条染色体的两条链都发生了断裂，断裂是由内切酶水解磷酸二脂键的结果。DNA断裂之后由核酸外切酶扩大缺口。接着是断裂链的游离3端插入到具有完整双链的同源染色体中，形成D-环结构。在DNA聚合酶的作用下，断裂两条链分别以完整链为模板开始合成。解离酶交割Holliday交叉点，释放双链留下的缺口由DNA连接酶缝合。,主要步骤：,对于以上非孟德尔比例的产生的解释是由于DNA的错配修复：,1、在减数分裂前期亲本染色体配对2、链的交换产生两个错配部分3、经DNA合成过程切除和修复某条单链的某部分4、产生6：2（3：1）基因转变的m+基因转变是由于重组和修复所产生,修复情况：,(1)两个杂种分子均未校正，出现3:1:1:3的分离。(2)只有一个杂种分子校正为+或校正为g时，出现5：3或3：5的分离。(3)两个杂种分子都被校正到+(或g)时，出现6:2(或2:6)的异常分离。(4)当两个杂种分子都按原来两个亲本的遗传结构进行修复时，子囊孢子呈现正常的4:4分离。,