基因突变与损伤修复课件.ppt

1、第十六章第十六章 基因突变基因突变本章学时数：本章学时数：3学时学时本章重点：本章重点：1、突变及其特征、突变率、突变及其特征、突变率 2、诱变、诱变 3、突变的、突变的 检出检出精选ppt1基因突变 定义：定义：指一个基因变化成它的等位基因，指一个基因变化成它的等位基因，是染色体上一个是染色体上一个 座位内的遗传物质的变座位内的遗传物质的变化。化。也称点突变也称点突变(point mutation)。正向突变正向突变forward mutation 回复突变回复突变back mutation 自发突变：在自然情况下发生自发突变：在自然情况下发生 诱发突变：人为地用物理化学方法诱发诱发突变：人

2、为地用物理化学方法诱发精选ppt2基因突变基因突变 生殖细胞突变：可以遗传生殖细胞突变：可以遗传 Germinal mutation 体细胞突变：不能遗传体细胞突变：不能遗传 Somatic mutation精选ppt3突变的表型类型可见突变（形态突变）可见突变（形态突变）引起形态等外观可见的改变引起形态等外观可见的改变致死突变致死突变 突变影响个体的生活力，导致个体死亡突变影响个体的生活力，导致个体死亡条件突变条件突变 在一定条件下，突变性状表达或死亡在一定条件下，突变性状表达或死亡生化突变生化突变 影响代谢过程，导致特定生化功能的改变或丧失影响代谢过程，导致特定生化功能的改变或丧失抗性突变

3、抗性突变 产生某种抗性产生某种抗性精选ppt4功能突变 失去功能突变失去功能突变 无效突变无效突变 渗漏突变渗漏突变 获得功能突变获得功能突变精选ppt5基因突变的特点基因突变的特点 可逆性可逆性 A a 正向突变正向突变 a A 回复突变，比正向突变率低回复突变，比正向突变率低 有真正的回复突变和抑制回复突变有真正的回复突变和抑制回复突变 多向性：多向性：突变是不定向的，产生复等位基因突变是不定向的，产生复等位基因 有害性有害性 稀少性：稀少性：突变率通常很低，突变率通常很低，10-5 10-10 随机性随机性精选ppt6突变率突变率 定义：一个世代在一定时期内，一个细胞定义：一个世代在一定

4、时期内，一个细胞发生突变的概率。发生突变的概率。显性突变率显性突变率=突变个体数突变个体数/二倍的群体总数二倍的群体总数 隐性突变率隐性突变率=突变个体数突变个体数/群体总数群体总数 自发突变率一般比较低，在自发突变率一般比较低，在10-4以下以下 高等生物比微生物的突变率高，这与世代时高等生物比微生物的突变率高，这与世代时间有关间有关精选ppt7自发突变自发突变Spontaneous mutation在自然状态下发生产生原因产生原因 DNA复制错误和自发损伤 宇宙射线 转座因子 理化因素精选ppt8自发突变自发突变-DNA复制错误 碱基替换碱基替换base subtitution 转换转换t

5、ransitions 颠换颠换transversions 移码突变移码突变frameshift mutation 缺失和重复缺失和重复精选ppt9碱基替换 A G T C 转换 颠换 图 21-1 转换与颠换 精选ppt10互变异构体引起替换互变异构体引起替换精选ppt11自发突变自发突变-自发损伤 脱嘌呤脱嘌呤depurination 脱氨基脱氨基deamination 氧化性损伤碱基氧化性损伤碱基oxidatively damaged bases精选ppt12脱氨基脱氨基 NH2 O H H H N N Deamination H N O H N O Cytosine Uracil Fig

6、.21-Deamination of cytosine to uracil.精选ppt13脱氨基 NH2 O H3C H3C H N N Deamination H N O H N O 5-methyleytosine(5mC)Thymine(T)Fig.21-Deamination of 5-methylcytosine to thymine.精选ppt14氧化损伤 过氧化物原子团（过氧化物原子团（O2-）（H2O2），（），（-OH）等需氧代谢的副产）等需氧代谢的副产物都是有活性的氧化剂，物都是有活性的氧化剂，它们可导致它们可导致DNA的氧化损伤，的氧化损伤，T氧化后产生氧化后产生T乙二醇

7、，乙二醇，G氧化后产生氧化后产生8-氧氧-7,8二氢脱氧鸟嘌呤、二氢脱氧鸟嘌呤、8-氧鸟嘌呤氧鸟嘌呤(8-O-G)或或“GO”，GO可和可和A错配，导致错配，导致GT。精选ppt15人工诱变人工诱变 物理因素：物理因素：高能射线，如紫外线、电离辐射等高能射线，如紫外线、电离辐射等 化学因素：化学因素：诱变剂，如叠氮钠、亚硝酸钠等诱变剂，如叠氮钠、亚硝酸钠等 可以改变碱基对的结构或顺序导致遗传信息的改变可以改变碱基对的结构或顺序导致遗传信息的改变精选ppt16诱变剂的诱变机制诱变剂的诱变机制 取代：取代取代：取代DNA分子中的一个碱基分子中的一个碱基 改变：改变一个碱基使之发生错配改变：改变一个

8、碱基使之发生错配 破坏：破坏一个碱基使之不能与其他碱基破坏：破坏一个碱基使之不能与其他碱基配对配对精选ppt17碱基类似物1.5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU）2.2-氨基嘌呤（氨基嘌呤（2-aminopurine 2-AP）3.迭氮胸苷（迭氮胸苷（AZT,azidothymidine）精选ppt185-溴尿嘧啶 5-溴尿嘧啶和T很相似，仅在第5个碳元子上由Br取代了甲基 5-BU，有酮式酮式，烯醇式烯醇式两种异构体，可分别与A及G配对结合 A A G G T BUK BUE C 酮式 烯醇式精选ppt192-氨基嘌呤氨基嘌呤 2-氨基嘌呤氨基嘌呤(2-AP)也是碱

9、基的类似物，有正也是碱基的类似物，有正常状态和稀有状态两种异构体，可分别与常状态和稀有状态两种异构体，可分别与T和和C配对结合。当配对结合。当2-AP掺入到掺入到 DNA复制中复制中时，由于其异构体的变换而导致时，由于其异构体的变换而导致A T G C精选ppt20 碱基的修饰剂（特异性错配）碱基的修饰剂（特异性错配）亚硝酸（亚硝酸（introus acid,NA）羟胺羟胺 烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化烷化剂，它们的作用是使碱基烷基化 DNA插入剂（嵌合剂）插入剂（嵌合剂）原黄素（原黄素（proflavin）吖啶橙（吖啶橙（acridine orange）溴化溴化3,8-二氨基二氨基-5-

10、乙基乙基-6-苯基菲啶鎓苯基菲啶鎓精选ppt21亚硝酸 亚硝酸亚硝酸（introus acid,NA）有）有氧化脱氨作用，可使氧化脱氨作用，可使G第第2个碳个碳原子上的氨脱去，产生黄嘌呤原子上的氨脱去，产生黄嘌呤（xanthine,x），次黄嘌呤），次黄嘌呤(H)仍和仍和C配对，故不产生转换突变。配对，故不产生转换突变。但但C和和A脱氨后分别产生脱氨后分别产生U和次和次黄嘌呤黄嘌呤H，产生了转换，使，产生了转换，使C G转换成转换成A T，A T转换转换成成G C精选ppt22羟胺羟胺 羟胺羟胺只特异地和胞嘧啶起反应，在第只特异地和胞嘧啶起反应，在第4个个C原子上加原子上加-OH，产生，产生4

11、-OH-C，此，此产物可以和产物可以和A 配对，使配对，使C G转换成转换成T A精选ppt23烷化剂烷化剂 烷化剂烷化剂如如甲基磺酸乙脂甲基磺酸乙脂（EMS）,氮芥氮芥(NM),甲基磺酸甲脂甲基磺酸甲脂（MMS）,亚硝基胍亚硝基胍（NG）等，它们的作用是使碱基烷基化。）等，它们的作用是使碱基烷基化。EMS使使G的第的第6位烷化，使位烷化，使T的第的第4位上烷位上烷化，结果产生的化，结果产生的O-6-E-G和和 O-4-E-T分别分别和和T、G配对，导致配对，导致G C对转换成对转换成A T对；对；T A对转换成对转换成C G精选ppt24烷化剂烷化剂 烷化作用 脱嘌呤作用精选ppt25 (a

12、)增加碱基 插入剂分子 模板链 5 ATCAG TTACT3 新合成链 3TAGTC G AATGA5 068nm 随机选择碱基 嵌入插入剂处 下一轮复制 5 ATCAG C TTACT 3 3TAGTC G AATGA 5(b)缺失碱基 模板链 5 ATCAG T TACT3 新合成链 3TAGTC ATGA5 插入剂失去 后复制 插入剂 5 ATCAGTACT 3 3TAGTCATGA 5 图21-15 插入突变导制碱基的增加(a)和减少(b)嵌合剂 原黄素等吖啶类染料精选ppt26紫外线紫外线 作用机制作用机制紫外线的波长在紫外线的波长在260-270nm时与时与DNA吸收峰相吸收峰相近

13、，使相邻的嘧啶核苷酸形成嘧啶二聚体，影近，使相邻的嘧啶核苷酸形成嘧啶二聚体，影响响DNA的复制和转录。的复制和转录。遗传学效应遗传学效应穿透性不强，不如电离辐射有效穿透性不强，不如电离辐射有效引起各种形式的替换，以及缺失、重复和移码引起各种形式的替换，以及缺失、重复和移码精选ppt27紫外线 O O UV O O H CH3 H CH3 H CH3 CH3 H N N N N O N H O N H O N H H N O Thymine Thymine Thymine dimer O O 4 5 4 5 3 6 6 2 1 Fig.21-Production of thymine dimer

14、 by ultraviolet light irradiation.精选ppt28电离辐射电离辐射 作用机制作用机制 直接作用：能量直接作用于染色体和直接作用：能量直接作用于染色体和DNA 间接作用：电离化引起细胞内化学变化导致异常间接作用：电离化引起细胞内化学变化导致异常 遗传学效应遗传学效应 辐射效应具有累加性辐射效应具有累加性 诱发基因突变和染色体畸变，突变率与剂量成正比诱发基因突变和染色体畸变，突变率与剂量成正比精选ppt29电离辐射电离辐射 过程过程 物理学阶段物理学阶段 物理化学阶段物理化学阶段 生物化学阶段生物化学阶段 遗传损伤遗传损伤精选ppt30化学诱变剂化学诱变剂 种类种类

15、多为致癌剂，如秋水仙素、芥子气、黄曲霉素多为致癌剂，如秋水仙素、芥子气、黄曲霉素B1等等 特点特点 操作方便，可以大大提高诱变率操作方便，可以大大提高诱变率 常集中在染色体上的某一区域，使突变具一定常集中在染色体上的某一区域，使突变具一定的定向作用的定向作用精选ppt31黄曲霉素黄曲霉素B1 在鸟嘌呤的在鸟嘌呤的N-7上形成一个加成复合物，继上形成一个加成复合物，继而产生无嘌呤位点而产生无嘌呤位点 需要需要SOS系统参与系统参与 引起引起G-C颠换为颠换为T-A精选ppt32体外定点突变体外定点突变1985年年加拿大的加拿大的Michael Smith建立，于建立，于1993年获得了诺贝尔化学

16、奖。年获得了诺贝尔化学奖。具体方法有三种：具体方法有三种：（1）寡聚核苷酸介导的用单链模板定点突变；）寡聚核苷酸介导的用单链模板定点突变；（2）双引物法定点突变；）双引物法定点突变；（3）用掺入）用掺入U的单链为模板进行聚核苷酸介导的单链为模板进行聚核苷酸介导的体外定点突变。的体外定点突变。精选ppt33体外定点突变site-directed mutagenesis A A T G G A DNA 的体外定点突变 精选ppt34寡核苷酸定点突变步骤寡核苷酸定点突变步骤 人工合成靶碱基及其附近序列的寡核苷酸人工合成靶碱基及其附近序列的寡核苷酸 与与M13DNA克隆的互补单链杂交，在克隆的互补单链

17、杂交，在Klenow酶作用下合成完整的互补链酶作用下合成完整的互补链 连接酶连接，导入大肠杆菌中，得到稳定连接酶连接，导入大肠杆菌中，得到稳定的突变克隆的突变克隆 将突变基因导入原来的细胞基因组中，在将突变基因导入原来的细胞基因组中，在生理条件下研究和检测突变的效应。生理条件下研究和检测突变的效应。精选ppt35反向遗传学反向遗传学reverse genetics 经典遗传学经典遗传学 突变表型突变表型 突变基因型突变基因型 反向遗传学（反求遗传学）反向遗传学（反求遗传学）DNA突变突变 表型效应改变表型效应改变精选ppt36增变基因增变基因 Mutator genes 基因组中某些基因的突变

18、可以使整个基因基因组中某些基因的突变可以使整个基因组的突变率明显上升，这些基因就是组的突变率明显上升，这些基因就是增变增变基因基因 DNA聚合酶的各个基因。聚合酶的各个基因。dam基因，与错配修复等修复系统有关的基因。基因，与错配修复等修复系统有关的基因。精选ppt37突变热点突变热点hot spots of mutations DNA的不同部分有着不同的突变率的不同部分有着不同的突变率 突变位点在基因内的分布不随机突变位点在基因内的分布不随机 5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶 短重复序列短重复序列 与诱变剂性质有关与诱变剂性质有关精选ppt38生物体的修复机制生物体的修复机制 光复活光复活photo

19、reactivation 切除修复切除修复excision repair 重组修复重组修复recombinational repair SOS修复修复精选ppt39光复活 专一地针对紫外线引起的专一地针对紫外线引起的DNA损伤而形成损伤而形成的嘧啶二聚体在损伤部位就地修复的途径。的嘧啶二聚体在损伤部位就地修复的途径。在在300600纳米的可见光，由光复活酶催纳米的可见光，由光复活酶催化二聚体分解为单体化二聚体分解为单体 普遍存在，但主要是原核生物中的修复方普遍存在，但主要是原核生物中的修复方式。式。精选ppt40切除修复切除修复 也叫暗修复也叫暗修复 在几种酶的协同作用下，将损伤的在几种酶的协

20、同作用下，将损伤的DNA部部分切除，缺口由修复性合成来填补，再由分切除，缺口由修复性合成来填补，再由连接酶连接成完整的链。连接酶连接成完整的链。短补丁修复：占多数，切除约短补丁修复：占多数，切除约20个核苷酸个核苷酸 长补丁修复：约长补丁修复：约1500个核苷酸个核苷酸精选ppt41切除修复 Damage Mutant base is mismatched and/or distorts stractur Incision Endonuclease cleaves on both sides of damaged ba Excision Exonuclease removes DNA Betw

21、een nicks Synthesis Polymerase synthesizes Replacement DNA Ligase seals nickFig.21-Excision repar removes and replaces a stretch of DNA that includes the dameged base(s)精选ppt42特异切除修复途径特异切除修复途径 DNA糖基化酶修复途径（碱基切除修复）糖基化酶修复途径（碱基切除修复）DNA糖基化酶切开糖基化酶切开N-糖苷键，产生无嘌呤无嘧糖苷键，产生无嘌呤无嘧啶位点（啶位点（AP位点），由位点），由AP内切酶修复系统修内切酶

22、修复系统修复复 AP内切酶修复系统内切酶修复系统 对于嘌呤或嘧啶脱落后的对于嘌呤或嘧啶脱落后的AP位点，由内切酶切位点，由内切酶切开磷酸二酯键，启动由外切酶、开磷酸二酯键，启动由外切酶、DNA聚合酶聚合酶I和和DNA连接酶作用的切除修复过程。连接酶作用的切除修复过程。精选ppt43重组修复重组修复 又称复制后修复又称复制后修复 在复制时越过损伤部在复制时越过损伤部位，留下的缺口由重位，留下的缺口由重组进行填补。组进行填补。损伤并没有被真正修损伤并没有被真正修复，只是在复制中被复，只是在复制中被稀释。稀释。容易产生差错，引起容易产生差错，引起突变突变精选ppt44SOSSOS修复系统修复系统 D

23、NA分子损伤较大而复制受到抑制时出现分子损伤较大而复制受到抑制时出现的修复作用，是旁路修复系统。的修复作用，是旁路修复系统。细胞受到危急状态时的修复方式，允许细胞受到危急状态时的修复方式，允许DNA复制越过二聚体而进行，因而引起错复制越过二聚体而进行，因而引起错配，导致突变。配，导致突变。精选ppt45SOSSOS修复系统修复系统精选ppt46SOSSOS修复系统修复系统 复制到损伤部位时，经过短暂的抑制，产复制到损伤部位时，经过短暂的抑制，产生一种新的生一种新的DNA聚合酶，能催化损伤部位聚合酶，能催化损伤部位的的DNA的修复合成，但识别碱基的精确度的修复合成，但识别碱基的精确度低。低。在新

24、链中，二聚体相对的位置上可以出现在新链中，二聚体相对的位置上可以出现任何碱基，其他位置上也可以出现错配。任何碱基，其他位置上也可以出现错配。精选ppt47SOS修复中的修复中的recA基因和基因和lexA基因基因精选ppt48电离辐射损伤的修复电离辐射损伤的修复 超快修复：超快修复：可能由可能由DNA连接酶单独完成连接酶单独完成 快修复：快修复：需要需要DNA多聚酶多聚酶I的参与的参与 慢修复：慢修复：需要重组修复的酶系统参与需要重组修复的酶系统参与精选ppt49DNA损伤修复与基因突变、癌损伤修复与基因突变、癌的发生以及衰老等密切相关的发生以及衰老等密切相关精选ppt50突变与癌突变与癌 黄

25、曲霉素（黄曲霉素（AFB1）引起肝癌；紫外线诱导）引起肝癌；紫外线诱导皮肤癌皮肤癌 抑癌基因（抑癌基因（p53基因）突变会致癌基因）突变会致癌 南非人群中肝癌病人中，南非人群中肝癌病人中，p53基因被基因被AFB1诱导诱导特异性的特异性的GT颠换颠换 人类鳞状细胞皮肤癌也多有人类鳞状细胞皮肤癌也多有p53基因的突变，基因的突变，在嘧啶二聚体出产生在嘧啶二聚体出产生CT转换转换精选ppt51修复缺陷与疾病修复缺陷与疾病 DNA修复系统缺陷而引起的遗传病，还有修复系统缺陷而引起的遗传病，还有较高的致癌率较高的致癌率 着色性干皮病着色性干皮病(xeroderma pigmentosum,XP)常染色

26、体隐性基因，位于常染色体隐性基因，位于1q，光敏感遗传疾病。对光敏，光敏感遗传疾病。对光敏感，暴露皮肤易发生色素沉着、萎缩、角化过度和癌变。感，暴露皮肤易发生色素沉着、萎缩、角化过度和癌变。患者易患皮肤癌，如基底细胞瘤和鳞状上皮细胞癌。患者易患皮肤癌，如基底细胞瘤和鳞状上皮细胞癌。Cockayne综合征综合征(cockayne sundrome,CS)表现为侏儒、视网膜萎缩、耳聋和对日光敏感等表现为侏儒、视网膜萎缩、耳聋和对日光敏感等 共济失调毛细血管扩张症共济失调毛细血管扩张症 早衰症早衰症精选ppt52突变的应用突变的应用 诱变提高突变率，结合选育，可以培育出诱变提高突变率，结合选育，可以

27、培育出优良品种优良品种 在农作物、微生物上广泛应用。在农作物、微生物上广泛应用。精选ppt53突变的检出突变的检出 大肠杆菌突变型的检出大肠杆菌突变型的检出 链孢霉（真菌）突变的检出链孢霉（真菌）突变的检出 果蝇突变的检出果蝇突变的检出 伴性隐性突变伴性隐性突变 常染色体突变常染色体突变 植物突变的检出植物突变的检出精选ppt54大肠杆菌突变型的检出大肠杆菌突变型的检出 野生型和基本培养基野生型和基本培养基 营养缺陷型和完全培养基营养缺陷型和完全培养基 抗性突变和选择培养基抗性突变和选择培养基精选ppt55大肠杆菌营养缺陷型的检出大肠杆菌营养缺陷型的检出 缺陷型的浓缩缺陷型的浓缩 青霉素法青霉

28、素法 缺陷性的检出缺陷性的检出 影印接种法影印接种法 点种法点种法精选ppt56青霉素法青霉素法 原理：青霉素的作用是抑制细菌细胞壁的原理：青霉素的作用是抑制细菌细胞壁的合成，只能杀死正在生长繁殖中的细菌，合成，只能杀死正在生长繁殖中的细菌，而不能杀死休止状态的细菌。而不能杀死休止状态的细菌。在含青霉素的基本培养基中，大部分野生在含青霉素的基本培养基中，大部分野生型细菌死亡；而缺陷型不能生长，不受青型细菌死亡；而缺陷型不能生长，不受青霉素的影响得到浓缩。霉素的影响得到浓缩。精选ppt57影印培养精选ppt58点种法点种法诱变后培养在完全培养基上，缺陷型和野生诱变后培养在完全培养基上，缺陷型和野

29、生型都能生长型都能生长点种于含单一营养物质的基本培养基上点种于含单一营养物质的基本培养基上如果在所有平板上都如果在所有平板上都能生长，是野生型；能生长，是野生型；只在其中一个平板上只在其中一个平板上生长的，就是所加营生长的，就是所加营养物质的缺陷型养物质的缺陷型精选ppt59真菌营养缺陷型的检出 缺陷型的浓缩缺陷型的浓缩 菌丝过滤法菌丝过滤法精选ppt60果蝇突变的检出果蝇突变的检出 伴性隐性致死或非致死突变伴性隐性致死或非致死突变 ClB技术技术 Muller-5技术技术 并连并连X染色体法染色体法 常染色体突变常染色体突变精选ppt61ClB技术精选ppt62Muller-5技术精选ppt63并连X染色体 如有隐性突变，如有隐性突变，F1雄蝇就出现相应性状雄蝇就出现相应性状精选ppt64常染色体突变的检出常染色体突变的检出 平衡致死法平衡致死法精选ppt65植物突变的检出植物突变的检出 玉米玉米 胚乳为三倍体胚乳为三倍体 拟南芥拟南芥 模式植物，实验室易培养模式植物，实验室易培养精选ppt66 精选ppt67