第二章 基因突变及其机制

第三章基因变异与重组第一节突变类型和基因符号第二节基因突变的规律第三节自发突变的机制第四节诱变剂及其作用机理第五节突变生成过程第一节突变类型及基因符号定义1：突变是指生物表型突然发生的可遗传的变化。定义2：突变是指生物生长过程中，由于内因或外因的作用导致染色体DNA结构或数量发生的改变。突变体：带有突变基因的细胞或个体突变型：突变体的基因型或表型称为突变型，和其相对的原存在状态称为野生型。诱发突变的频率要远远高于自发突变频率.一、突变类型（一）、按突变发生原因分类自发突变(spontaneousmutagenesis)：未经任何人为的处理而自然地发生的突变，称为自发突变。诱发突变(inducedmutagenesis)：由人们有意识地利用物理或化学手段引起的突变称为诱发突变。突变可以发生在染色体水平或基因水平，发生在染色体水平的突变称为染色体畸变，发生在基因水平的突变称为基因突变。（二）、按变化范围分突变类型1)整倍体(euploidy)：含有完整的染色体组①单倍体：haploid②二倍体：diploid③三倍体：triploid④四倍体：tetraploid1染色体畸变（chromosomeaberration)染色体数目的变化或染色体结构发生较大片段的异常改变。(1)染色体数目的变化①单体（二倍减一，monosomicdiploid):2n-1②缺体（二倍减二，nullisomicdilpoid):2n-2③三体（二倍加一，trisomicdiploid):2n+1④四体（二倍加二，tetrasomicdiploid):2n+2⑤双二倍加一（doubletrisomic）:2n+1+1⑥部分二倍体（merodiploid）：细菌等原核生物中由一整条染色体和外来的一个染色体片段所构成的不完整二倍2)非整倍体aneuploidy：含有不完整状态的染色体组，一般是指二倍体中成对染色体成员的增加或减少。•涉及到DNA分子上较大范围的变化，往往会涉及到多个基因。(2)染色体结构的变化•染色体结构的改变，多数是染色体或染色单体遭到巨大损伤产生断裂，而断裂的数目、位置、断裂端连接方式等造成不同的突变.•包括染色体缺失、重复、倒位和易位等d-相互易位a-缺失b-重复c-倒位①缺失deficiency：是染色体片段的丢失。细胞学效应：缺失环遗传学效应：这种突变往往是不可逆的损伤，其结果会造成遗传平衡的失衡。②重复repetition：是染色体片段的二次出现。细胞学效应：重复环遗传学效应：这种突变有可能获得具有优良遗传性状的突变体。③倒位inversion：是指染色体的片段发生了180°的位置颠倒细胞学效应：倒位环遗传学效应：造成染色体部分节段的位置顺序颠倒，极性相反。④易位translocation：是指一个染色体的一个片段连接到另一个非同源染色体上。相互易位reciprocaltranslocation：两个非同源染色体间相互交换一部分。相互易位的细胞学效应：十字型图象点突变pointmutation：单碱基对的置换突变发生在一个基因范围内。多位点突变：突变超出一个基因范围。(2)基因突变（genemutation）•基因突变是指一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对核苷酸的缺失、插入或置换，分为碱基置换和移码突变。根据染色体局部座位内的变化范围(2)颠换transversion：DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被一个嘧啶（嘌呤）所置换。1、碱基置换basepairsubstitutionDNA链上一个碱基对为另一碱基对所取代叫碱基置换(1)转换transition：DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被另一个嘌呤（嘧啶）所置换。一般只引起一个基因的表达出现错误。2、移码突变frameshiftmutation在DNA序列中由于一对或少数几对核苷酸的插入或缺失，而使其后全部遗传密码的阅读框架发生移动，进而引起转录和转译错误的突变叫移码突变。——同义突变（synonymymutation）和沉默突变（silentmutation）。（三）按突变是否引起遗传编码特性的改变分类•一类是引起遗传性状改变：——错义突变（missensemutation），无义突变（nonsensemutation）和移码突变•一类不改变遗传性状的突变③移码突变frameshiftmutation:在DNA序列中由于一对或少数几对核苷酸的插入或缺失，而使其后全部遗传密码的阅读框架发生移动，进而引起转录和转译错误的突变。①错义突变missensemutation：突变后的密码子代表另一种氨基酸。个别碱基的改变导致多肽链上某个氨基酸为另一种氨基酸所取代。例：GGC突变为AGC，编码的氨基酸由甘氨酸变成色氨酸。②无义突变nonsensemutation：突变后的密码子代表终止密码。例：AAG（亮氨酸）突变为UAG（终止密码子）。⑤沉默突变：表型不发生改变的基因突变。包括同义突变和氨基酸序列发生改变而不影响蛋白质功能的错义突变。④同义突变：突变后的密码子编码的仍是同一种氨基酸。碱基序列发生改变而氨基酸序列未发生改变的隐蔽突变。例：ATT突变为ATC，两者都编码异亮氨酸。•同义突变的发生是由于遗传密码的简并性。•同义突变不会导致编码特性的改变，但往往会引起限制酶切割位点的变化，造成DNA限制片段长度的多态性Tyr酪氨酸UAG:琥珀型(Amber,Am)UAA:赭石型(Ochre,Och)UGA:乳石型(Opal,Opal)•野生型wildtype：表现该物种正常表型的生物。•突变型mutant：由于突变导致其正常的表型发生了改变的生物。（四）、按突变的表型变化效应分类1.形态突变型morphologicalmutant：引起细胞个体形态和菌落形态发生改变的突变型。是一种可见突变。2.生化突变型：引起特定生化功能的丧失而无形态学效应的突变型。包括营养缺陷型、抗性突变型、糖代谢突变型等。①营养缺陷型auxotrophicmutant：由于代谢过程的缺陷而不能合成某种与合成初级代谢物有关的基因产物的缺陷型。②抗性突变型resistantmutant：由于基因突变而产生的对某种化学药物、致死物理因子或噬菌体具有抗性的变异菌株a)抗药物突变型：对原本敏感的药物具有一定的耐性。b)抗噬菌体突变型：对原本敏感的噬菌体产生抗性。3.致死突变型lethalmutant：由于基因突变造成个体死亡的突变型。•杂合状态的显性致死和纯合状态的隐性致死都导致个体的死亡4.条件致死突变型conditionlethalmutant：在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。如：温度敏感突变型temperature-sensitivemutant6.产量突变型metabolitequantitativemutant:所产生的代谢产物的产量明显有别于原始菌株的突变株称产量突变型5.调节突变型regulatorymutant：丧失对某一基因或操纵子表达能力调节的突变型。突变类型按突变发生原因分自发突变诱发突变按变化范围分染色体畸变数目的变化:整倍体/非整倍体结构的变化:缺失、重复、倒位和易位等基因突变碱基置换:转换/颠换移码突变点突变/多位点突变按是否引起表型的改变分引起遗传性状改变:错义突变/无义突变/移码突变不改变遗传性状的突变:同义突变/沉默突变按突变的表型变化效应分形态突变型生化突变型:营养缺陷型/抗性:抗药物/噬菌体致死突变型条件致死突变型调节突变型产量突变型二基因符号基因命名原则1966年M.Demerec等提出《TIG遗传命名指南》提出基因的名称由该基因突变后的表现型效应来命名表现型或基因型表示符号表现型具有合成或利用某种物质的能力缺乏合成或利用某种物质的能力具有对某种抗生素的抗性具有对某种抗生素的敏感性Sub＋Sub－AntrAnts基因型能够合成或利用某种物质的野生型基因影响合成或利用某种物质的突变基因突变的subA基因subA基因的63号突变具有温度敏感表型的subA基因突变sub＋sub－subA－subA63subA（Ts）每一基因座位（locus）用三个斜体小写英文字母表示，它们来自说明这一基因特性的一个或一组英文单词的前三个字母；如lac(lactose),his(histidine)；rps(ribosomalproteinsmallsubunit),rim(ribosomalmodification)产生同一突变型表型的不同基因，在三个小写字母后用不同的一个大写斜体字母来表示；如trpA,trpB同一基因的不同突变位点（mutationsite）在基因符号后用阿拉伯数字表示。如trpA23突变型的基因符号用基因座符号加上加/减号（“+/-”）或其他符号(“r/s”)来表示。如leu+，his-;strr基因表型和产物用相应基因型的正写字母表示，其中第一个字母大写。如lacZ-LacZ-突变的特征第二节基因突变的规律自发性随机性稀有性独立性可诱变性可遗传性可逆性(一)突变的特征说明：E.coli对噬菌体的抗性是在接触噬菌体之前的细胞分裂过程中自发产生的。波动实验1943，Luria&Delbrück设计突变的自发性1952，Lederberge夫妇设计影印培养实验直接证明抗药微生物的产生是自发产生的，与链霉素的使用无关；链霉素只是起到筛选作用。基因突变的发生从时间、个体、位点和所产生的表型变化等方面都带有比较明显的随机性。突变的随机性突变总是以一定的频率在群体中发生5-甲基胞嘧啶（MeC）的存在发生DNA上短的连续重复序列处突变热点也还与诱变剂有关突变热点（hotspotsofmutation）DNA分子上各个部分有着不同的突变频率，某些位点的突变频率大大高于平均值，这些位点称为突变热点形成突变热点的最主要的原因突变的稀有性抗药性突变以一定的突变率发生在个别细胞中。正常情况下，突变发生的频率往往很低。突变率（mutationrate）：指在一个世代或其他规定单位时间，在特定环境条件下，一个细胞产生某一性状突变的概率。也可指某一群体在某一世代（即分裂一次）产生的突变菌株数目。基因自发突变概率在10-9-10-6，转座突变在10-4，无义错义突变概率在10-8细胞分裂非同步性教正：突变率=ln2m=0.69m突变率（m）的计算固体平板法测突变率：m=(M2-M1)/(N2-N1)液体培养法测突变率：m=2(M2/N2-M1/N1)/(g2-g1)液体稀释法测突变率：P0=e-mN细菌数N突变数M分裂次数g突变率m突变试管与总试管数比值P0分裂次数01234细菌总数N2N4N8N16N原有突变型数M=mN2mN4mN8mN16mN新增加突变型数mN2mN4mN8mN突变型/野生型(1/2)mm(3/2)m2m液体培养中细菌数和突变型数的关系分裂g次后的比数是(1/2)gm液体培养法测突变率：m=2(M2/N2-M1/N1)/(g2-g1)例：在20个试管中有11个试管不含任何突变型细菌，每一试管的平均细菌数N测得是5.6×108P0=e-mNP0=11/20=0.55m=-lnP0/N=0.6/(5.6×108)=1.2×10-8两类增变基因：一类是DNA聚合酶的各个基因一类是dam基因和mut基因增变基因（mutatorgene）当生物体内有些基因突变时，整个基因组的突变频率明显上升。这些基因称为增变基因增变基因的突变导致突变频率的大幅提升在大肠杆菌中，到目前为止已发现有5种DNA聚合酶，分别为DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，都与DNA链的延长有关。DNA复制中起主导作用的是DNApolⅢ[1]聚合作用：[2]3'→5'外切酶活性──校对作用：[3]5'→3'外切酶活性──切除修复作用拓展阅读：DNA聚合酶突变的独立性一个基因的突变不受其它基因突变的影响，两个不同基因同时发生突变的频率为两个基因各自的突变率的乘积。交叉抗性产生原因：作用2种或以上结构类似的抗生素或作用机制近似抗生素，从而表现为交叉抗性。拓展阅读：抗生素的抗性机