第十一章遗传物质的改变(二)基因突变

《遗传学》教案——第十一章遗传物质的改变（二）基因突变1第十一章遗传物质的改变（二）——基因突变（6h）教学目的：掌握基因突变的概念和类别；明确突变的一般特征；了解突变的检出、诱变因素和突变的分子机理，以及突变在实践中的应用；了解DNA损伤修复的类型。教学重点：基因突变的概、类别及突变的一般特征。教学难点：突变的分子机理及DNA损伤的修复。第一节基因突变的概说一、突变的发现二、体细胞突变与生殖细胞突变三、突变的类型四、突变的性质五、显性突变和隐性突变第二节突变的检出一、果蝇突变的检出二、大肠杆菌营养缺陷型的检出三、真菌营养缺陷型的检出四、高等植物突变的检出第三节生物体的修复机制一、紫外线的辐射损伤作用二、紫外线引起DNA的修复三、电离辐射损伤的修复四、修复缺陷与人类疾病第四节基因突变的分子基础《遗传学》教案——第十一章遗传物质的改变（二）基因突变2一、自发突变二、诱发突变《遗传学》教案——第十一章遗传物质的改变（二）基因突变3第十一章遗传物质的改变（二）——基因突变（6h）第一节基因突变的概说一、突变的发现严格说，突变包括基因突变和染色体畸变。但一般所指的突变是基因突变。基因突变：是指由于基因内部某一位点的结构发生改变，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。所以任何等位基因都是由突变而来的。“突变”这个词的来源：“突变”是由荷兰DeVries（1901－1903）提出。他当时在栽培月见草，发现其中有多种可变遗传的变异，因这些变异是不连续的好象突然发生，故叫“突变”。后研究发现他所说的突变是属于染色体数目的变异。基因突变的发现：首先是由美Morgan（1910）发现的，在果蝇中发现了白眼雄性果蝇，经实验证明了白眼是性连锁基因突变。二、体细胞突变与生殖细胞突变体细胞突变：突变后的体细胞：常竞争不过正常细胞，会受到抑制或最终消失→需及时与母体分离→无性繁殖→经有性繁殖传递给后代体细胞：aa→Aa，当代即能表现，与原性状并存，形成镶嵌现象或嵌合体。突变早，镶嵌范围大，如叶芽发生突变→突变枝。突变迟，镶嵌范围小，突变范围局限于一个花朵或果实，甚至仅限于它们的一部分。生殖细胞突变性细胞在减数分裂末期对外界环境条件的敏感性较大；性细胞发生的突变可以通过受精过程直接传递给后代。性母细胞：aa→Aa、AA→Aa《遗传学》教案——第十一章遗传物质的改变（二）基因突变4五、突变的类型（1）可见突变/形态突变：指造成外形改变突变称形态突变/可见突变，eg果蝇的残翅、白眼均为可见突变。（2）致死突变:造成个体死亡或生活力明显下降的突变，如一个隐性致死基因，可在二倍体生物中以杂合状态存在，在单倍体中则不能保存下来，显性致死基因不能保存。致死突变一般为隐性致死突变，致死突变不一定伴有可见的表型效应。因致死作用可发生于不同的发育阶段。例如，配子期，合子期或胚胎期。这样就见不到成体的表型效应。例如，植物中的白化基因，Aa→aa由于不能形成叶绿素而死。普通果蝇2号染色体上的致死基因l。（3）条件致死突变：在一定条件下表现致死效应，而在另外条件下能成活的类型。例如：T4－phage温度敏感型：25℃在大肠杆菌中正常生活。42℃致死。（4）生化突变：没有形态效应，但导致某种特定生化功能改变的突变型，叫生化突变。例如，最常见的是细菌营养缺陷型，在基本培养基上不能正常生活，只能在补另某种营养物质（例如：AA）的培养基上才生活。微生物中的抗药突变也是生化突变。以上只是从突变所引起的表型效应的不同作大致的分类，但不同类型间无明显限界，有的相互交叉。（5）失去功能的突变无效突变（nullmutation）：完全丧失了基因的功能。渗漏突变（leakymutation）：基因功能的丧失不完全。（6）获得功能的突变四、突变的性质无论哪一类突变，均具有稀有性，可逆性，多方向性，不定向性，重演性和有害性与有利性。1、突变的稀有性是指正常情况下，突变率往往是很低。突变率：是指在一个世代中或其他规定的单位时间中，在特定的条件下，一个细胞发生某一突变的概率。在有性生殖的生物中，常以突变型配子占总数配子的百分比来表示突变率。据估计：高等生物的《遗传学》教案——第十一章遗传物质的改变（二）基因突变5突变率为1×10－5～10－10，即在10万到1亿个配子中有一个突变。细菌的突变率为1×10－4～4×10－10。不同生物，同一生物的不同基因，其突变率都是不一样的。从表中可见：各种生物的突变率都很低，不同生物的突变率不同，同一生物的不同基因的突变率也互不相同，有的容易突变，有的则十分稳定。2、可逆性正向突变：野生型基因突变型基因的过程，称为正向突变。回复突变：突变型基因野生型基因的过程，称为回复突变。但真正的回复突变（即回复到野生型的DNA序列）是很少发生的，多数所谓回复突变是指突变体所失去的野生型性状可以通过第二次突变而得到恢复。即原来的突变点仍存在。但它的表型效应被第二位点的突变所抑制。一般来说，回复突变率＜正向突变率。例如：大肠杆菌。3、多方向性基因突变可以向多方向进行。一个基因可以突变为许多个等位基因。遗传学上，将位于同一座位上的2个以上等位基因称为复等位基因。这些复等位基因可以从野生型基因（A）突变而来。也可以由其中任一突变而来。这些复等位基因之间关系较复杂，有的为完全显性，有的为共显性等。复等位基因的产生，是由于同座位内不同位点上的结构发生变化产生的。故突变的多方向性不是无限制的，因它只能在一定座位范围内发生，故所谓多方向性是相对的。例如，果蝇白眼座位上，复等位基因有12个：W+（红眼）、Wco(珊瑚色眼)、Wb1(血红眼）、Wc（樱红眼）、Wa（杏色眼）、We（伊红眼）、Wb（浅黄色眼）、Wt（微色眼）、Wh（密色眼）、Wp（珍珠眼）、Wi（象牙眼）、W（白眼）。但对某个体来说，体细胞内只有其中的一个或两个，多方向性而产生复等位基因，不仅增加生物性状的多样性，在生物进化和育种实践上都有重要意义。4、突变的不定向性（突变发生的时期和部位）从理论上讲，突变可发生于个体发育的任一时期，可发生于体细胞和性细胞，是随机的。实验表明：发生于性细胞的突变率较高，体细胞发生突变的较少。5、重演性同种生物中相同基因突变可以在不同个体间重复出现，称为突变的重演性。例如：果蝇的白眼突变，曾在不同个体中多次发生，每次出现的频率相似。《遗传学》教案——第十一章遗传物质的改变（二）基因突变66、突变的有害性和有利性。多数基因突变对生物体的生长发育有害，一般表现为生活力和可育性的下降以及寿命的缩短。这是由于任何一种生物的遗传基础（基因型），都是经历了长期自然选择的结果，故从外部形态到内部结构，包括生理生化状态及与环境条件的关系等方面均具有一定的适应性和协调性，而突变则打破了这种协调关系，故大部分突变对生物是不利的。例如：玉米品种自交后代出现少数白化苗，由于不能形成叶绿素而无法制造养料，当耗尽籽粒中的养分后，即行死亡。已知，这是一种隐性突变。也有少数突变能促进或加强某些生命活动，有利于生物的生存。例如：作物的抗病性、早熟性、微生物的抗药性等等。六、显性突变和隐性突变显性突变：突变基因在杂合体中表现出突变性状，为显性突变；由隐性基因→显性基因叫显性突变。隐性突变：突变基因在杂合体中不现型，则叫隐性突变；由显性基因→隐性基因叫隐性突变。同源染色体上的等位基因的突变是独立发生的。第二节突变的检出一、果蝇突变的检出（一）果蝇伴性隐性致死（非致死）突变的检出1、ClB法《遗传学》教案——第十一章遗传物质的改变（二）基因突变72、Muller-5法3、“并连X染色体”法由T.H.Morgan的夫人L.V.Morgan创造的。ClB品系：ClB+C：交换抑制因子l：隐性致死基因B：棒眼基因BBWaWaX染色体：有倒位，抑制交换MMuulllleerr--55品品系系：：杏色棒眼《遗传学》教案——第十一章遗传物质的改变（二）基因突变8（二）果蝇第二染色体上的隐性突变的检出利用平衡致死系：二、大肠杆菌营养缺陷型的检出三、真菌营养缺陷型的检出四、高等植物突变的检出第三节生物体的修复机制无论是化学诱变剂或辐射处理，对DNA的初级效应都是使它受到损伤，而DNA分子中初级损伤不一定都会引起基因突变。因为在生物体内存在着一个修复DNA分子损伤的系统。可以把DNA中的某些缺陷修补好。修复系统可以说是DNA的安全保障体系，如果按原样修复，当然也不会引起突变，但有时也偶然出现一些差错，从而引起突变。因此，突变往往是DNA损伤与损伤修复这两个过程共同作用的结果。紫外线的辐射损伤作用，主要作用于DNA，使DNA同一链或不同链间形成嘧啶二聚体，其中最常见的是胸腺嘧啶二聚体TT，此外还有胞嘧啶二聚体CC，胸腺嘧啶和胞嘧啶二聚体CT，这些嘧啶二聚体使双螺旋的两链间的键减弱，使DNA结构局部变形，严重影响DNA复制和转录。一、紫外线的辐射损伤作用•DNA链的断裂•DNA分子内和分子间的交联•DNA与蛋白质的交联•胞嘧啶的水合作用•嘧啶二聚体的形成：TT、CC、TC二、紫外线引起的DNA损伤的修复大到上通过以下四个途径：《遗传学》教案——第十一章遗传物质的改变（二）基因突变9（一）光修复细菌经紫外线照射后，再放在波长310－440nm的可见光下，存活率大大并且降低了突变频率，怎样解释此现象呢？经研究发现这个效应是由于不光复活酶的作用。（1）在暗处，光复活酶能识别紫外线照射成形成的嘧啶二聚体，如TT并与之结合，形成酶各DNA的复合物，但不能解开二聚体。（2）照以可见光时，光复活酶利用可见光提供的能量，使二聚体解开。（3）酶从复合物中释放出来，DNA回复正常构型，修复过程完成。光复活酶已在许多生物体内发现，包括细菌、酵母菌、原生动物、藻类、真菌、蛙、鸟类、有袋类。但真胎盘类比如牛和人等到现在还没有发现光复活酶的活力。（二）切除修复（又叫暗复活）并不表示修复过程只在黑暗中进行，而是说在此光并不起任何作用。这种修复过程不是简单地由一种酶来拆开二聚体，而是利用双链DNA中一段完整的互补链，去恢复损伤链所丧失的信息，即把含有嘧啶二聚体的DNA片段切除，然后通过新的核苷酸链的再合成进行修补，故叫切除修复。切除修复有2种情况：A先补后切，B先切后补。一般认为A比较合理。①一种特定的核酸内切酶识别胸腺二聚体的位置，在二聚体附近将一条链切断，造成切口。②DNA多聚酶以未受伤的互补DNA链为模板，合成新的DNA片段，弥补DNA的缺口，DNA的合成方向5′－3′（模板是3′－5′）③专一的核酸外切酶切除含有二聚体的一段多核苷酸链。④连接酶把缺口封闭，DNA回复原样。（三）重组修复重组修复必须在DNA进行复制的情况下进行，故又称复制后修复。其步骤如下：①复制：含有嘧啶二聚体或其它结构损伤的DNA仍可进行正常的复制，但当复制到损伤的部位时，子代DNA链中与损伤部位相对应的部位出现缺口，新合成的子链比未损伤的DNA链要短些，就证明了这一点。②重组：完整的母链与有缺口的子链重组，缺口由母链来的核苷酸片段弥补。③再合成：重组后，母链中的缺口通过DNA多聚酶的作用，合成核苷酸片段，然后由连接酶使新片段与旧链联结，重组修复完成。《遗传学》教案——第十一章遗传物质的改变（二）基因突变10从上述过程可看出，重组修复并没有从亲代DNA除去二聚体。当第二次复制时，留在母链中的二聚体仍使复制不能正常进行，复制经过损伤的部位时所产生的缺口，仍重复上述的重组修复过程来弥补，随着复制的继续，若干代以后虽然二聚体始终没有除去，但损伤的DNA链逐渐“稀释”，最后终于无损于正常的生理过程，损伤也就得到修复。（四）SOS修复这是在DNA分子受损伤的范围较大而且复制受到抑制时出现的一种修复作用。结果说明：轻度的UV照射使大肠杆菌细胞内产生一种对于phage－DNA损伤的修复功能，并在修复过程中产生基因突变，这种修复系统显然是细胞受到损伤时诱导产生的。1975年，Rodman·M在大肠杆菌中证实了这种修复作用的存在。并借用国际上通用的呼救信号“SOS”命名，表示这是细胞受到