第二章基因突变及其机制微生物遗传育种

2第一节突变类型3一、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。诱发突变的频率要远远高于自发突变频率4（二）、按变化范围分突变类型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。5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。染色体数目的变化整倍体(euploidy)：含有完整的染色体组单倍体（n）：haploid二倍体（2n）：diploid三倍体（3n）：triploid四倍体（4n）：tetraploid6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。单体（二倍减一，monosomicdiploid):2n-1缺体（二倍减二，nullisomicdilpoid):2n-2三体（二倍加一，trisomicdiploid):2n+1四体（二倍加二，tetrasomicdiploid):2n+2双二倍加一（doubletrisomic）:2n+1+1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7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涉及到DNA分子上较大范围的变化，往往会涉及到多个基因。8bfa-缺失b-重复c-倒位d-相互易位9染色体结构的变化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。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。10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。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：十字型图象相互易位的遗传学效应：相应基因表达出现异常11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。染色体局部座位内的变化点突变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。12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转换transition：DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被另一个嘌呤（嘧啶）所置换。颠换transversion：DNA链中一个嘌呤（嘧啶）被一个嘧啶（嘌呤）所置换。13AGTC转换颠换图21-1转换与颠换13PheAspGluProLeuCysThr5’-TTCGATGAGCCCTTGTGCACG-3’↓G→AmutationPheAspLysProLeuCysThr5’-TTCGATAAGCCCTTGTGCACG-3’↓C→TmutationPheAspLysProLeuCysThr5’-TTCGATAAGCCTTTGTGCACG-3’↓C→AmutationPheAspLysProLeuStopThr5’-TTCGATAAGCCCTTGTGAACG-3’14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。一般只引起一个基因的表达出现错误。15PheAspGluProLeuCysThr5’-TTCGATGAGCCCTTGTGCACG-3’↓InsertionofAPheAspGluThrLeuValHis5’-TTCGATGAGACCCTTGTGCACG-3’16（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）和移码突变一类是不改变遗传性状的突变——同义突变（synonymymutation）和沉默突变（silentmutation）。17遗传学效应错义突变missensemutation：突变后的密码子编码另一种氨基酸。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：AAG突变为GAG，编码的氨基酸由亮氨酸变成谷氨酸。无义突变nonsensemutation：突变后的密码子变为终止密码。例：TGC（亮氨酸）突变为TGA（终止密码子）1819同义/沉默突变silentmutation：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突变称为同义/沉默突变）。例：ATT突变为ATC，两者都编码异亮氨酸。沉默突变的发生是由于遗传密码的简并性。同义突变和沉默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。20点突变的类型(以Tyr的密码子为例)无义突变同义突变错义突变DNATAC→TAA,TAG↓↓↓↓RNAUACUAAUAG↓↓↓↓aaTyrOchAmbTAC→TAT↓↓UACUAU↓↓TyrTyrTAC→TCC↓↓UACUCC↓↓TyrSer21（四）、按突变的表型变化效应分类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。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。22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。•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。lackofageneproductinvolvedinthesynthesisofanessentialmetabolite.•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。23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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-sensitivemutant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。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24如何来表示野生型和突变型的表现型和基因型呢？25二.基因符号基因命名原则1966年M.Demerec•每一基因座位（locus）用三个小写英文字母表示，它们来自说明这一基因特性的一个、两个或三个英文单词的前三个字母；例如：his：组氨酸基因histidinerim：核糖体的装配、成熟有关基因ribosomalmodificationrps：核糖体蛋白小亚基基因ribosomalproteinsmall26•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；例如：hisA、hisB：不同的组氨酸基因•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。如果位点所属的基因还不确定，那么大写字母用一短线表示例如：trpA46,trpA23：trpA的不同位点的突变27•突变型的基因符号用基因座符号加“+”或“-”或其它符号。如：hisA-,strr,strs,strd。•基因表型或其表达产物用相应基因符号的正写字母，其中第一个字母大写。如：基因lacZ的表达产物是LacZ28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）29带突变基因的菌株Salmonellatyphimurium1535(hisG46,rfa,ΔuvrB)Salmonellatyphimurium1537(hisC3076,rfa,ΔuvrB)30第二节基因突变的规律31一、基因突变的自发性突变可自发产生，突变的微生物与所处的环境因素没有对应关系。1）波动实验2）涂布实验3）影印培养实验32波动实验fluctuationtest33E.coliB抗噬菌体a的波动测验结果培养皿编号培养皿上菌落数样品来自同一培养物样品来自不同培养物11446411021556200031352230042148107051565500861444253031726494000816512501920564030101347764815111071012040130191400151016017170111864019002035平均值16.751.43.311.35303.8方差15273.8694662040.834涂布实验35影印培养replicaplating实验36二、基因突变的随机性1、随机性波动试验的结果还说明了突变具有随机性，突变发生的时间是随机的。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。突变总是以一定的频率在群体中发生。37一些细菌的抗药性基因的突变率382、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39三、基因突变的稀有性1、稀有性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）：某基因或某个性状在每个细胞世代中发生突变的概率。突变率也可以用某一群体在每一世代（即分裂1次）中产生突变株的数目来表示。402、突变率（m）的计算世代总数=N2-N1突变率的测定：固体平板法测突变率：在2组平板上接种相等数量的敏感菌，培养一定时间后取一组洗下计细菌总数，另一组计抗性突变菌落数，每一菌落代表一次抗性突变。m=(M2-M1)/(N2-N1)一般N0＜＜N，M0≈0，m≈M/N41液体培养法测突变率：液体培养时突变株有2个可能来源：一次新的突变产生或原突变株分裂而来。因此M/N只能被成为突变型频度，不是突变率。此时m=2(M2/N2-M1/N1)/(g2-g1)M/N--g做图，斜率则为m/2g1234NN2N4N8N16NMmN2mN+2mN8mN+4mN24mN+8mNM/Nm/2m3m/22m42液体稀释法测突变率P0=e-mN细胞分裂非同步性校正：突变率=ln2m=