1、第第5 5章章 基因突变及其他变异基因突变及其他变异虎不仅是亚洲特有的珍稀动物，而且是起源于我国黄河中游的大型猛兽。虎的体色一般是黄底黑纹的，但也有白底黑纹的白虎。白虎是患了白化病吗？如果是，为什么体表又有黑色条纹呢？我国科学家研究发现，同橘黄色的普通虎相比，白虎的一个色素基因SLC45A2 发生了突变，抑制了背景毛色黑色素的合成，但不影响条纹部分黑色素的另一条合成通路，因此，白虎体表仍有较浅的黑色条纹。什么是基因突变？基因突变是怎样发生的？基因突变对生物的生存是有利的还是有害的？除基因突变外，染色体的数目和结构会不会发生改变呢？人类的遗传病是怎样产生的？又该怎样检测和预防呢？正常红细胞正常红
2、细胞功能正常功能正常镰刀状红细胞镰刀状红细胞易破裂易破裂,使人患溶血性贫血使人患溶血性贫血实例实例1 1：镰状细胞贫血镰状细胞贫血正常正常 缬氨酸缬氨酸-组氨酸组氨酸-亮氨酸亮氨酸-苏氨酸苏氨酸-脯氨酸脯氨酸-谷氨酸谷氨酸-谷氨酸谷氨酸-赖氨酸赖氨酸-异常异常 缬氨酸缬氨酸-组氨酸组氨酸-亮氨酸亮氨酸-苏氨酸苏氨酸-脯氨酸脯氨酸-缬氨酸缬氨酸-谷氨酸谷氨酸-赖氨酸赖氨酸-红细胞红细胞珠蛋白珠蛋白第六位第六位谷氨酸谷氨酸被被缬氨酸缬氨酸替代，形成异常的血红蛋替代，形成异常的血红蛋白白直接原因直接原因2.根本原因：氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质谷氨酸谷氨酸缬氨酸缬氨酸DNAmRNA思考：基因的碱基序列发
3、生改变对氨基酸序列的可能影响？碱基对的替换(1)转录后mRNA中密码子编码的氨基酸未发生改变(2)转录后mRNA中密码子编码的氨基酸发生改变(3)转录后mRNA中终止密码子改变（提前、后移）(4)转录后mRNA中起始密码子改变（提前、消失）碱基对的增添或缺失增添或缺失1或2或3个碱基第一节第一节u DNA分子中发生碱基的替换、增添或缺失，而引起的基因碱基序列的改变，叫做基因突变1.1.基因突变基因突变可能会（也可能不会）导致蛋白质可能会（也可能不会）导致蛋白质结构的改变，可能会（也可能不会）影响生结构的改变，可能会（也可能不会）影响生物体的性状物体的性状2.2.配子中的基因突变配子中的基因突变
4、可随配子遗传给子代，可随配子遗传给子代，体体细胞突变细胞突变一般不能通过有性生殖遗传，可通一般不能通过有性生殖遗传，可通过无性繁殖遗传过无性繁殖遗传基因基因突变突变基因碱基序列一定改变 一定产生新的基因一定一定不一定不一定生物的表现型不一定发生改变原因原因由于密码子具有简并性，基因突变前后，对应的密码子编码同一种氨基酸显性纯合子中发了一个基因的隐性突变（AAAa）碱基的改变发生在非编码序列正常结肠上皮细胞正常结肠上皮细胞抑癌基因抑癌基因突变突变原癌基因突变原癌基因突变抑癌基因抑癌基因突变突变抑癌基因抑癌基因突变突变癌癌癌细胞转移癌细胞转移 结肠癌是一种常见的消化道恶性肿瘤。下图是结肠癌是一种常
5、见的消化道恶性肿瘤。下图是解释结肠癌发生的简化模型，请观察并回答问题。解释结肠癌发生的简化模型，请观察并回答问题。1.1.从基因的角度看结肠癌发生的原因是什么？从基因的角度看结肠癌发生的原因是什么？2.2.健康人的细胞中存在原癌基因和抑癌基因吗？健康人的细胞中存在原癌基因和抑癌基因吗？原癌基因和抑癌基因发生突变原癌基因和抑癌基因发生突变有有结肠癌发生的原因结肠癌发生的原因特别提醒特别提醒：癌症发生常需要：癌症发生常需要多个基因的突变多个基因的突变或或表观遗传修饰表观遗传修饰（也有些（也有些癌症的发生只涉及癌症的发生只涉及一个基因的突变一个基因的突变），因此癌症多发于老年人，且有），因此癌症多发
6、于老年人，且有家族聚集现象。家族中有癌症病例时更需要关注癌症的预防。家族聚集现象。家族中有癌症病例时更需要关注癌症的预防。1.细胞癌变的原因原癌基因原癌基因抑癌基因抑癌基因细胞细胞正常正常生长、增殖生长、增殖正常表达产物正常表达产物过量表达过量表达突变突变表观遗传修饰表观遗传修饰低水平表达低水平表达/不表达不表达正常表达产物正常表达产物抑制抑制细胞生长、增殖细胞生长、增殖/促进促进细胞凋亡细胞凋亡表达产表达产物物活性活性过高过高表达产表达产物的物的量量过高过高表达产表达产物的物的量量过低过低表达产表达产物物活性活性过低过低可能可能致癌因子致癌因子突变突变表观遗传修饰表观遗传修饰可能可能第一节第
7、一节2.癌细胞的特征(1)(1)能够无限增殖能够无限增殖(2)(2)形态结构发生显著改变形态结构发生显著改变(3)(3)细胞膜上糖蛋白减少，细细胞膜上糖蛋白减少，细胞之间的黏着性显著降低，胞之间的黏着性显著降低，容易在体内分散和转移容易在体内分散和转移不死细胞变态细胞扩散细胞在癌症发生的早期，患者往往不表现出任何症状，因而难以及时发现；而对于癌症晚期的患者，目前还缺少有效的治疗手段，因此，要避免癌症的发生。致癌因子是导致癌症的重要因素，在日常生活中应远离致癌因子，选择健康的生活方式。请你上网查一查，或请教防癌专家，生活中怎样做才能远离致癌因子？物理致癌因子病毒致癌因子化学致癌因子无机化合物，如
8、石棉；有机化合物，如黄曲霉素主要指辐射，如紫外线、X射线致癌病毒含有病毒癌基因以及与致癌有关的核酸序列1.诱发突变(1)(1)物理因素：物理因素：X X射线、紫外线以及其他射线、紫外线以及其他辐射（辐射（损伤损伤细胞内的细胞内的DNA）(2)(2)化学因素：化学因素：亚硝酸盐、碱基类似物亚硝酸盐、碱基类似物（改变改变核酸的核酸的碱基）(3)(3)生物因素：生物因素：某些病毒的遗传物质（某些病毒的遗传物质（影影响响宿主细胞的宿主细胞的DNA）2.自发突变DNA复制复制出现差错出现差错等等RNARNADNADNADNA基因突变在生物界是基因突变在生物界是普遍存在普遍存在的。的。普遍性：资料1：常见
9、突变性状 白化病豌豆的皱缩果蝇的白眼玉米白化苗短腿安康羊（中）基因突变可以发生在生物个体发育的基因突变可以发生在生物个体发育的任何时期任何时期、细胞内细胞内不同的不同的DNADNA分子上分子上、同一个、同一个DNADNA分子的分子的不同部位不同部位。随机性：资料资料2 2：基因突变可以发生基因突变可以发生在个体发育的在个体发育的卵裂期、胚胎期、卵裂期、胚胎期、幼年期、成年期任何时期幼年期、成年期任何时期；可；可以发生在细胞内不同的以发生在细胞内不同的DNADNA分分子上、同一子上、同一DNADNA分子的不同部分子的不同部位。位。自然状态下，基因突变的自然状态下，基因突变的频率频率是很是很低低。
10、低频性:生物基因决定的性状突变频率生物基因决定的性状突变频率玉米皱粒种子1.010-6人血友病2.010-5紫色种子1.010-5视网膜色素瘤2.010-5无色种子1.010-5软骨发育不全5.010-5据统计，在高等生物中，105-108个生殖细胞中，才会有一个生殖细胞发生基因突变。基因突变的低频性和普遍性矛盾吗？为什么？2 104 105个体 108种群=2 107 例如：果蝇约有例如：果蝇约有10104 4对基因，假定每个基因对基因，假定每个基因的突变率都是的突变率都是10105 5，若有一个中等数量的果蝇，若有一个中等数量的果蝇种群（约有种群（约有10108 8个个体），那么每一代出现
11、基因个个体），那么每一代出现基因突变数是多少呢？突变数是多少呢？低频性是对个体而言，普遍性则是对整个自然界不定向性：一个基因可以一个基因可以发生不同的突变发生不同的突变，产生一个以上的等位基因。，产生一个以上的等位基因。资料4：金鱼具有多种不同的突变类型 果蝇红眼基因可以往不同方向发生突变 基因突变在生物界是基因突变在生物界是多害少利多害少利的。的。多害少利性：有害还是有利取决于生活的环境有害还是有利取决于生活的环境（1）普遍性：（2）随机性：（3）不定向性：（4）低频性：（5）多害少利性：基因突变在生物界是普遍存在的。基因突变在生物界是普遍存在的。一个基因可以发生不同的突变，一个基因可以发生
12、不同的突变，产生一个以上的等位基因产生一个以上的等位基因；自然状态下，基因突变频率很低。自然状态下，基因突变频率很低。基因是经过长期自然选择适应的结果，突变后往往对基因是经过长期自然选择适应的结果，突变后往往对个体有害。个体有害。发生时间：发生时间：生物个体发育的任何时期均可发生。生物个体发育的任何时期均可发生。发生部位：发生部位：任何细胞的任何任何细胞的任何DNADNA分子的任何部位。分子的任何部位。结果：产生的是它的等位基因，结果：产生的是它的等位基因，即产生了新基因即产生了新基因改变：基因型、遗传信息改变：基因型、遗传信息不变：染色体上的基因数目、遗传规律不变：染色体上的基因数目、遗传规
13、律可能改变：氨基酸序列、蛋白质结构、生物性状可能改变：氨基酸序列、蛋白质结构、生物性状 我国早在1987年就利用返回式卫星进行航天育种研究：将作物种子带入太空，利用太空中的特殊环境诱导基因发生突变，然后在地面选择优良的品种进行培育。2.如何看待基因突变所造成的结果？通过太空高辐射、微重力（或无重力）的特殊环境提高作物基因突变的频率，通过太空高辐射、微重力（或无重力）的特殊环境提高作物基因突变的频率，从而筛选出人们需要的品种。从而筛选出人们需要的品种。基因突变的本质是基因的碱基序列发生改变，这种改变可以直接表现在性状上，基因突变的本质是基因的碱基序列发生改变，这种改变可以直接表现在性状上，改变的
14、性状对生物的生存可能有害，可能有利，也可能既无害也无益。改变的性状对生物的生存可能有害，可能有利，也可能既无害也无益。讨论：1.航天育种的生物学原理是什么？形成新性状形成新性状基因突变基因突变生物变异的根本来源生物变异的根本来源 是是新基因新基因产生的途径，是生物变异的产生的途径，是生物变异的根本来源，根本来源，生物进化的生物进化的原始材原始材料。料。生物进化的原始材料生物进化的原始材料对生物体来说，基因突变有的是有害的，有的是有利的，还有的是中性的。(等位基因的来源）等位基因的来源）第一节第一节细胞不分裂时也可发生基因突变。细胞不分裂时也可发生基因突变。病毒和原核生物病毒和原核生物唯一唯一的
15、可遗传变异只有的可遗传变异只有基因突变。基因突变。(3)基因突变是基因突变是DNA分子水平上分子水平上基因内部碱基对种类和数目的改变，基因的基因内部碱基对种类和数目的改变，基因的数目和位置数目和位置并未改变。并未改变。(4)生殖细胞生殖细胞的突变率一般比体细胞的的突变率一般比体细胞的突变率高突变率高，这是因为生殖细胞在减数，这是因为生殖细胞在减数分裂时对外界环境变化更加敏感。分裂时对外界环境变化更加敏感。(5)基因突变的基因突变的利害性利害性取决于生物生存的环境条件。如昆虫突变产生的残翅取决于生物生存的环境条件。如昆虫突变产生的残翅性状若在陆地上则为不利变异，而在多风的岛屿上则为有利变异。性状
16、若在陆地上则为不利变异，而在多风的岛屿上则为有利变异。(6)基因突变基因突变DNA中碱基对的增添、缺失、替换。中碱基对的增添、缺失、替换。阅读教材阅读教材8383页思考问题：页思考问题：1.1.什么是基因重组？什么是基因重组？2.2.基因重组发生的时间？基因重组发生的时间？3.3.基因重组的类型？基因重组的类型？4.4.基因重组能否产生新基因？基因重组能否产生新基因？5.5.基因重组的意义？基因重组的意义？1、概念：生物体在有性生殖过程中，控制不同性状的基因重新组合。?变异原因一？控制不同性状的基因自由组合 减数分裂？减数分裂？受精作用？受精作用？发生时期：发生时期：减数第一次分裂后期现象：现
17、象：非同源染色体自由组合结果：结果：非等位基因自由组合产生的配子种类及比例：YR:yr:Yr Yr:yR yR=1：1：1：1发生时期：发生时期：减数第一次分裂前期（四分体时期）现象：现象：同源染色体的非姐妹染色单体之间发生交叉互换结果：结果：等位基因之间发生交叉互换，导致非等位基因重新组合发生时期：发生时期：减数第一次分裂前期（四分体时期）现象：现象：同源染色体的非姐妹染色单体之间发生交叉互换结果：结果：等位基因之间发生交叉互换，导致非等位基因重新组合子代不同于亲代的性状，主要来自基因重组，下列图解中可以发生基因重组的过程是A.B.C.D.E.F.G.H。思考：一对夫妻的基因型都为AaBbC
18、cDdEeFfGgHh,这些基因都独立遗传，则这对夫妻：各自能产生多少种配子？各有多少种配子结合方式？子代有多少种基因型？28=256种256x256=65536种38=6561种一对夫妻的基因型都为AAbbCCDDeeFFggHH,这些基因都独立遗传，则这对夫妻：各自能产生多少种配子？子代有多少种基因型？l 基因重组的特点：基因重组的特点：只产生新的基因型，并未产生新的基因未产生新的基因无新蛋白质无新性状产生。发生在有性生殖有性生殖的遗传中。亲本杂合度越高杂合度越高遗传物质相差越大基因重组类型越多l 意义：意义：基因重组是生物变异的来源生物变异的来源之一，是生物多样性生物多样性的原因之一，对
19、生物的进化具有重要意义。l 应用应用：杂交育种杂交育种原理原理：基因重组基因重组优点优点：将不同个体的优良性状集中到一个个体上，操作简便：将不同个体的优良性状集中到一个个体上，操作简便缺点缺点：育种年限长，不能克服远缘杂交不亲和的障碍：育种年限长，不能克服远缘杂交不亲和的障碍杂交水稻之父 袁隆平我国古人对金鱼的培育(1)(1)一个时期：一个时期：发生在发生在有性生殖有性生殖过程中。过程中。基因重组的基因重组的三个三个要点要点(2)(2)两个来源：两个来源：非同源非同源染色体的染色体的自由组合自由组合；同源染色体中同源染色体中非姐妹非姐妹染色单体的染色单体的交叉互换交叉互换。(3)(3)一个意义
20、：一个意义：形成形成生生物多样性物多样性的重要原因。的重要原因。项目项目 基因突变基因突变 基因重组基因重组本质本质原因原因时间时间意义意义特点特点产生新的基因产生新的基因产生新的基因型产生新的基因型碱基对的增添、碱基对的增添、缺失、改变缺失、改变非同源染色体自由组非同源染色体自由组合、同源染色体互换合、同源染色体互换主要间期主要间期DNADNA复制时复制时减减后期、四分体后期、四分体变异的变异的根本根本来源；进来源；进化的化的原原材料材料生物变异生物变异来源之一来源之一，生物多样性生物多样性重要原因重要原因低频、普遍、随机不低频、普遍、随机不定向性等定向性等有性生殖中有性生殖中普遍发生普遍发
21、生产生产生丰富丰富的变异类型的变异类型判断正误判断正误1.碱基互补配对原则能保证DNA复制的准确性,使亲子代间的遗传信息保持一致。()2.基因突变改变了基因的数量和位置。()3.DNA分子中发生碱基的替换、增添或缺失,而引起的DNA碱基序列的改变,叫作基因突变。()4.细胞癌变是因为细胞中含有原癌基因。()5.癌细胞表面糖蛋白减少,使得细胞容易扩散并无限增殖。()6.造成基因突变的因素有外因,也有内因。()7.基因突变都是有害的。()8.一个基因可以向不同的方向发生突变,产生一个以上的等位基因,这体现了基因突变的随机性。（）9.生物有性生殖过程中,不同基因型的雌雄配子随机结合现象属于基因重组。
22、()10.基因重组只能产生新基因型和重组性状,不能产生新基因和新性状。()随着对基因研究的深入,科学家设想,如果能对基因进行定点“修改”,以改变目的基因的序列和功能,让“不好”的基因变成“好”的基因,就可以进行基因治疗和物种改良。这就是基因组编辑(genome editing)的由来。一种来自细菌的核酸酶Cas9与短链RNA结合，然后切割与“向导”RNA结合的DNA,使DNA双链断裂。1.CRISPR/Cas9系统向导RNA它的部分序列通过碱基互补配对原则，与目的基因中希望被编辑的DNA序列相结合核酸酶Cas92.基因组编辑的原理CRISPR/Cas9系统使DNA双链断裂细胞内修复DNA切口的酶向细胞中加入大量可用于修复的模板DNA(大部分序列与被切割位点附近的序列相同，个别位点被人工改变）希望改变的碱基序列被引入基因组中，实现基因组的准确编辑或使某个基因失活3.基因组编辑的应用我国科学家在基因组编辑这个新兴领域创造了多项世界第一。例如，2014年首次对猴进行了基因组编辑并获得成功;2016年首次将基因组编辑用于治疗癌症，等等。特别注意防范风险:一是基因组编辑技术本身存在着识别准确性等方面的问题;二是对人类基因进行“改造”时要严格遵守法律法规，不能违反人类的伦理道德。
