第七章微生物的遗传变异和育种2课件.ppt

1、第二节第二节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种一、基因突变一、基因突变基因突变基因突变简称突变，是指细胞的遗传物质简称突变，是指细胞的遗传物质DNA在分子结构发在分子结构发生了改变，从而引起细胞表型发生可遗传的改变，可自发或诱生了改变，从而引起细胞表型发生可遗传的改变，可自发或诱导产生。导产生。狭义突变狭义突变专指专指基因突变基因突变（点突变）：（点突变）：DNA分子上少数分子上少数碱基对的缺失、插入或置换，结果仅影响少数基因的碱基对的缺失、插入或置换，结果仅影响少数基因的功能，有重要的生物学意义；功能，有重要的生物学意义；广义的突变广义的突变包括两种类型：包括两种类型：染色体畸变染色体畸

2、变：大段核苷酸序列的缺失、重复、倒：大段核苷酸序列的缺失、重复、倒位，往往造成细胞死亡。位，往往造成细胞死亡。基因突变基因突变(点突变点突变)突变的几率一般在突变的几率一般在106 109范围内。范围内。基因突变的表型效应基因突变的表型效应突变株突变株 相对于野生型菌株，基因突变使细胞不仅在遗传型上发生相对于野生型菌株，基因突变使细胞不仅在遗传型上发生改变，同时在表型上也发生改变，产生突变型菌株；改变，同时在表型上也发生改变，产生突变型菌株；野生型菌株野生型菌株：从自然环境中分离得到的菌株，以及它所：从自然环境中分离得到的菌株，以及它所具有的遗传型；具有的遗传型；突变型菌株突变型菌株：相对于野

3、生型菌株，由于基因突变而导致：相对于野生型菌株，由于基因突变而导致遗传型发生改变，所形成的具有新的表型的菌株；遗传型发生改变，所形成的具有新的表型的菌株；按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：选择性突变株（选择性突变株（selective mutant）：）：具有选择标记（如营养具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、环境条件，如培养基、温度、pH值等，就比较容易检出和分值等，就比较容易检出和分离到。离到。非选择性突变株（非选择

4、性突变株（non-selective mutant）：无选择标记（如：无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。（一）基因突变的类型（一）基因突变的类型1、营养缺陷型、营养缺陷型（auxotroph）n由于基因突变，使某种酶失去了正常的功能，导致该由于基因突变，使某种酶失去了正常的功能，导致该酶催化的生化反应不能进行，影响了某种代谢物的合酶催化的生化反应不能进行，影响了某种代谢物的合成；细胞需从外界摄取这种代谢物才能正常生长；成；细胞需从外界摄

5、取这种代谢物才能正常生长；n营养缺陷型是野生型菌株的变异株，营养缺陷型不能营养缺陷型是野生型菌株的变异株，营养缺陷型不能象野生型一样在基本培养基上生长，需要补加生长因象野生型一样在基本培养基上生长，需要补加生长因子才能正常生长；子才能正常生长；表型判断的标准：表型判断的标准：在基本培养基上能否生长在基本培养基上能否生长特点：特点：在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长负选择标记负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得突变株不能通过选择平板直接获得营养缺陷型的表示方法：营养缺陷型的表示方法：基因型：基因型：所需营养物的所需营养物的前三个前三个英文英文小写

6、斜体小写斜体字母表示：字母表示：hisC、trpA（其中的大写字母（其中的大写字母C和和A表示同一表型中不同基因表示同一表型中不同基因的突变的突变）表型：表型：同上，但同上，但第一个第一个字母字母大写大写，且，且不用斜体不用斜体：HisC在具体使用时多用在具体使用时多用hisC-和和hisC+，分别表示缺陷型和，分别表示缺陷型和野生型野生型。营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段育种的重要手段2、抗药性突变型、抗药性突变型（resistant mutant）n由于基因突变，导致细胞结构或代谢途径发生改变，由于基因突变，导致细胞

7、结构或代谢途径发生改变，对某种药物或抗生素产生抗性或不敏感；对某种药物或抗生素产生抗性或不敏感；n它们可在加有相应药物或用相应物理因子处理的培养它们可在加有相应药物或用相应物理因子处理的培养基平板上选出。基平板上选出。正选择标记正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得（突变株可直接从抗性平板上获得-在加有相应抗生素的在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）所抗药物的所抗药物的前三个小写斜体前三个小写斜体英文字母加上英文字母加上“r”表示表示strr 和和 strs 分别表示对链霉素的分别表示对链霉素的抗性抗性和和敏感

8、性敏感性 3、条件致死突变型（、条件致死突变型（conditional lethal mutant）n某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地某菌株或病毒经基因突变后，在某种条件下可正常地生长、繁殖并实现其表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖并实现其表型，而在另一种条件下却无法生长、繁殖的突变类型，称为条件致死突变型。生长、繁殖的突变类型，称为条件致死突变型。n常见的条件致死突变型是温度敏感突变型，用常见的条件致死突变型是温度敏感突变型，用Ts（temperaturesensitive）表示；）表示；n如：如：E.coli的某些野生型在的某些野生型在37时能够正常生长，时能够正常生长，

9、在在42时死亡；但可以在低温下正常生长；时死亡；但可以在低温下正常生长；n原因是突变使某些重要的蛋白质的结构和功能发生改原因是突变使某些重要的蛋白质的结构和功能发生改变，在某特定温度下具有功能，在另一温度（一般为变，在某特定温度下具有功能，在另一温度（一般为较高温度）下没有功能。较高温度）下没有功能。负选择标记负选择标记4、形态突变型（、形态突变型（morphological mutant）n因基因突变产生相对于野生型的细胞形态改变；突因基因突变产生相对于野生型的细胞形态改变；突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。行区分。n如可影响孢

10、子有无、孢子颜色、鞭毛有无等以及菌如可影响孢子有无、孢子颜色、鞭毛有无等以及菌落表面光滑、粗糙、噬菌斑的大小或清晰度等的突落表面光滑、粗糙、噬菌斑的大小或清晰度等的突变。变。n细胞水平上的形态突变，突变株的检出更加困难。细胞水平上的形态突变，突变株的检出更加困难。5、抗原突变型（、抗原突变型（antigenic mutant)n由于基因突变而引起的细胞抗原结构的变化。由于基因突变而引起的细胞抗原结构的变化。n如细胞壁缺陷型（如细胞壁缺陷型（L型细菌等）、荚膜变异或鞭毛变型细菌等）、荚膜变异或鞭毛变异等。异等。6、产量突变型、产量突变型n由于基因突变细胞积累某种代谢产物的能力发生变化，由于基因突

11、变细胞积累某种代谢产物的能力发生变化，可分为可分为“正变株正变株”和和“负变株负变株”。n正变株是基因突变后获得的有用代谢产物高于原始菌正变株是基因突变后获得的有用代谢产物高于原始菌株的突变株，又称高产突变株。反之称负变株。株的突变株，又称高产突变株。反之称负变株。n这在实际应用中具有重要意义；这在实际应用中具有重要意义；n定义：定义：某一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。某一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。n突变率为突变率为108是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变。突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突突变。突变率也可以用

12、每一单位群体在每一世代中产生突变株（变株（mutant，即突变型）的数目来表示。如一个含，即突变型）的数目来表示。如一个含108个个细胞的群体，当其分裂为细胞的群体，当其分裂为2108个细胞时，即可平均发生一个细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是次突变的突变率也是108。n突变是突变是独立独立。某一基因发生突变。某一基因发生突变不会影响不会影响的突的突变率。在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极变率。在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的，因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积。低的，因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积。n由于突变的几率一般都极低，因此，必须采用

13、检出选择性由于突变的几率一般都极低，因此，必须采用检出选择性突变株的手段，尤其是采用检出营养缺陷型的回复突变株突变株的手段，尤其是采用检出营养缺陷型的回复突变株（back mutant或或reverse mutant）或抗性突变株特别是抗药）或抗性突变株特别是抗药性突变株的方法来加以确定。性突变株的方法来加以确定。（二）突变率（二）突变率若干细菌某一性状的自发突变率若干细菌某一性状的自发突变率菌菌 名名 突变性状突变性状突变率突变率E.coli 抗抗T1噬菌体噬菌体3 108E.coli 抗抗T3噬菌体噬菌体1 107 E.coli 不发酵乳糖不发酵乳糖1 1010E.coli 抗紫外线抗紫外

14、线1 105Staphylococcus aureus抗青霉素抗青霉素1 107S.aureus抗链霉素抗链霉素1 109 Salmonella typhi抗抗25 g/L链霉素链霉素1 106 Bacillus megaterium抗异烟肼抗异烟肼5 105（三）突变的特点（三）突变的特点适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。自发性自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。不对应性不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。稀有性稀有性：突变率低且

15、稳定。微生物的自发突变率为：突变率低且稳定。微生物的自发突变率为10-610-9独立性独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。：各种突变独立发生，不会互相影响。可诱发性可诱发性：诱变剂可提高突变率（：诱变剂可提高突变率（10105倍倍）。）。稳定性稳定性：变异性状稳定可遗传。：变异性状稳定可遗传。可逆性可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变（变（forward mutation），从突变株回到野生型的），从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变（过程则称为回复突变或回变（back mutation或或reverse mutation

16、）。）。（四）基因突变的自发性和不对应性的证明（四）基因突变的自发性和不对应性的证明n在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相当长时间在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相当长时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。q一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是和突变的性状间是相对应的，并认为这就是“定向变异定向变异”，也有人称它为也有人称它为“

17、驯化驯化”或或“驯养驯养”。q另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。多种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。q从从19431943年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题，终于解检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题，终于解决了这场纷争。决了这场纷争。变量试验又称波动试验或彷徨试

18、验。变量试验又称波动试验或彷徨试验。1943年，年，S.E.Luria 和和M.Delbrck 根据统计学原理设计。根据统计学原理设计。1.Luria等的变量试验等的变量试验fluctuation testSalvador LuriaMax Delbruck说明抗噬菌体突变体是在接触噬菌体前在一次细胞分裂过程中随机说明抗噬菌体突变体是在接触噬菌体前在一次细胞分裂过程中随机自发产生的。这一自发突变发生得越早，则抗噬菌体菌落出现得越自发产生的。这一自发突变发生得越早，则抗噬菌体菌落出现得越多，反之越少。抗噬菌体突变体的出现与是否接触噬菌体无关。多，反之越少。抗噬菌体突变体的出现与是否接触噬菌体无关

19、。2.Newcombe的涂布试验（的涂布试验（1949）原理与变量试验相同，方法更为简便，原理与变量试验相同，方法更为简便，且可计算突变率。且可计算突变率。涂布试验中突变率的计算涂布试验中突变率的计算初始接种量：初始接种量：5 104 个个/皿皿培养培养5小时，繁殖了小时，繁殖了12.3代，每个微菌落约含代，每个微菌落约含5100个细菌个细菌这时，每个平皿上的细胞数为：这时，每个平皿上的细胞数为：5100 5 104 2.6 108个个/皿皿在在6个平板上，比接种时增加的细胞数为：个平板上，比接种时增加的细胞数为：6（2.6 108 5 104）=15.6 108在未涂布的平板上共发现在未涂布

20、的平板上共发现28个突变，故个突变，故突变率突变率=28/15.6 108=1.8 10 83.Lederberg等的平板影印培养试验等的平板影印培养试验（replica plating）1952年，年，J.Lederberg夫妇的论文夫妇的论文平板影印培养法和平板影印培养法和细菌突变株的间接选择细菌突变株的间接选择，更好地证明了微生物的抗药，更好地证明了微生物的抗药性是在未接触药物前自发地产生的，这一突变与相应药性是在未接触药物前自发地产生的，这一突变与相应药物环境毫不相干。物环境毫不相干。Joshua Lederberg平板影印培养法平板影印培养法，是一种能达到在，是一种能达到在一系列培一

21、系列培养皿养皿的的相同位置上相同位置上出现出现相同遗传型菌落相同遗传型菌落的接的接种培养方法。种培养方法。把长有许多菌落的母种培养皿倒置于包有灭把长有许多菌落的母种培养皿倒置于包有灭菌丝绒布的木质圆柱上，使其上沾满来自培菌丝绒布的木质圆柱上，使其上沾满来自培养皿平板上的养皿平板上的 菌落，然后可把这一菌落，然后可把这一“印章印章“上的上的 菌落一一接种到不同的选择性培养菌落一一接种到不同的选择性培养基平板上，待这些平板培养后，对平板相同基平板上，待这些平板培养后，对平板相同位置上的菌落对比后，就可选出适当的突变位置上的菌落对比后，就可选出适当的突变型菌株。型菌株。说明在根本未接触过任何一点链霉

22、素的条件下，就可筛选到说明在根本未接触过任何一点链霉素的条件下，就可筛选到大量抗链霉素的突变株。大量抗链霉素的突变株。影印平板培养法在遗传学基础理论研究、育种实践和其他研影印平板培养法在遗传学基础理论研究、育种实践和其他研究中发挥重要作用。究中发挥重要作用。（五）基因突变及其机制（五）基因突变及其机制基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或诱发的q自发突变：由细胞内部环境因素，或自发突变：由细胞内部环境因素，或DNA自身自身结构特点而引起的偶然突变；一般发生频率为结构特点而引起的偶然突变；一般发生频率为10-610-9；q诱发突变：物理、化学或

23、生物因素作用于诱发突变：物理、化学或生物因素作用于DNA，直接改变直接改变DNA的结构，或增加的结构，或增加DNA分子结构的分子结构的不稳定，或增加不稳定，或增加DNA复制时发生错误的几率而复制时发生错误的几率而产生的基因突变；产生的基因突变；具体类型具体类型可归纳如下：可归纳如下：1.诱变机制诱变机制n定义定义：简称诱变，是指通过人为地方法，利用物理、化：简称诱变，是指通过人为地方法，利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变的频率。学或生物因素显著提高基因自发突变的频率。n诱变剂诱变剂（mutagen）：凡能提高突变率的任何理化因子，）：凡能提高突变率的任何理化因子，就称为诱变剂。就称为

24、诱变剂。n种类种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有几种作用方式。种诱变剂，也常有几种作用方式。n按照遗传物质结构变化的特点讨论几种有代表性的诱变按照遗传物质结构变化的特点讨论几种有代表性的诱变剂的作用机制。剂的作用机制。（1）碱基置换）碱基置换（substitution）n定义定义：对：对DNA来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（microlesion），一般也称点突变（），一般也称点突变（point mutation）。它只涉及一）。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。对碱基

25、被另一对碱基所置换。n分类：分类：转换转换（transition），即，即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；颠换（颠换（transversion），即一个嘌呤被一个嘧啶，即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。个嘌呤所置换。碱基的置换引起的突变碱基的置换引起的突变错义突变；某个碱基的置换改变了三联体密码子的含义；错义突变；某个碱基的置换改变了三联体密码子的含义；无义突变：某个碱基的置换产生终止密码子无义突变：某个碱基的置换产生终止密码子UAAUAA、UAGUAG或或UGAUGA；

26、同义突变：某个碱基的置换没有改变三联体密码子的含义；同义突变：某个碱基的置换没有改变三联体密码子的含义；对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与颠换，也可只对某一具体诱变剂来说，即可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一种功能。根据化学诱变剂是具其中的一种功能。根据化学诱变剂是直接直接还是还是间接间接地引起地引起置换，可把置换的机制分成以下两类来讨论。置换，可把置换的机制分成以下两类来讨论。直接引起置换的直接引起置换的诱变剂诱变剂n定义定义：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。或是在离体条件下

27、均有作用。n种类种类：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸：很多。例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，乙酯，N-甲基甲基-N硝基硝基-N-亚硝基胍亚硝基胍，N-甲基甲基-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。氧乙酸，氮芥等）。n作用作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而引起：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而引起DNA复制时复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异。碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异。q羟胺只引起羟胺只引起GCA:T，q其余都是可使其余都是可使GC=A:T发生互变的。发生互变的。q

28、能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有（参见下表）。能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有（参见下表）。若干诱变剂的作用机制及诱变功能若干诱变剂的作用机制及诱变功能亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。HNO2胞嘧啶（胞嘧啶（C）尿嘧啶（尿嘧啶（U）HNO2腺嘌呤（腺嘌呤（A）次黄嘌呤（次黄嘌呤（H）HNO2鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）黄嘌呤（黄嘌呤（X）这些反应及形成物均可在这些反应及形成物均可在DNA复制中产生影响，主要复制中产生影响，主要是使碱基对发生转换。是使碱基对发生转换。碱基转换的分子机制碱基转换的分子机制以亚硝酸为例以亚硝酸为例 腺嘌呤（腺嘌呤（A）

29、变成次黄嘌呤（）变成次黄嘌呤（H）后引起的转换过程：）后引起的转换过程：腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（He）He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（HK）DNA复制时，复制时，HK 与胞嘧啶（与胞嘧啶（C）配对配对 DNA第二次复制时，第二次复制时，C与与G正常配对，实现了转换。正常配对，实现了转换。这类诱变剂主要是一些这类诱变剂主要是一些碱基类似物碱基类似物,如：如：5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)和和5-氨基尿嘧啶（氨基尿嘧啶（5AU）、叠氮胸腺嘧啶（）、叠氮胸腺嘧啶（AIT）等等）等等；作用方式作用方式：通过活细胞

30、的代谢活动参入到：通过活细胞的代谢活动参入到DNA分子中，分子中，主要是在主要是在DNA复制时碱基类似物插入复制时碱基类似物插入DNA中，引起碱中，引起碱基对配对错误，造成碱基置换。基对配对错误，造成碱基置换。以以5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶(5-BU)为例：为例：5-BU是胸腺嘧啶（是胸腺嘧啶（T）的）的的类似物的类似物，酮式的，酮式的5-BU可以和可以和A配对，配对，烯醇式的烯醇式的5-BU可以和可以和G配对，在配对，在DNA分子复制的过程中，由于分子复制的过程中，由于5-BU的插入和互变异构导致碱基置换。的插入和互变异构导致碱基置换。间接引起置换的诱变剂间接引起置换的诱变剂5-BU引起的转换引起

31、的转换n从上图中，还可以看到从上图中，还可以看到5-BU的掺入引起的的掺入引起的GC回复到回复到A?T的的过程。通过这两个图示，就很容易理解为什么同一种诱变剂过程。通过这两个图示，就很容易理解为什么同一种诱变剂既可造成正向突变，又可使它产生回复突变的原因了。既可造成正向突变，又可使它产生回复突变的原因了。n也可以知道，为什么像也可以知道，为什么像5-BU这类代谢类似物只有对正在进行这类代谢类似物只有对正在进行新陈代谢和繁殖着的微生物才起作用，而对休止细胞、游离新陈代谢和繁殖着的微生物才起作用，而对休止细胞、游离的噬菌体粒子或离体的的噬菌体粒子或离体的DNA分子却不起作用。分子却不起作用。（2）

32、移码突变）移码突变nframe-shift mutation 或或 phase-shift mutation，指诱变剂使，指诱变剂使DNA分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，从分子中增加（插入）或缺失一个或少数几个核苷酸，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。突变。n由移码突变所产生的突变株，称为由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株移码突变株（frame-shift mutant）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分分子的微小损伤子的微小损伤,也是一种点突变

33、，结果只涉及有关基因中突变也是一种点突变，结果只涉及有关基因中突变点后面的遗传密码阅读框发生错误，并不影响突变点后其他点后面的遗传密码阅读框发生错误，并不影响突变点后其他基因的正常阅读。基因的正常阅读。n丫啶类染料丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和-氨基丫啶等，氨基丫啶等，以及一系列称为以及一系列称为ICR类的化合物，都是移码突变的有效诱变类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。剂。能诱发移码突变的几种代表性化合物能诱发移码突变的几种代表性化合物丫啶类化合物的诱变机制：丫啶类化合物的诱变机制：n至今还不很清楚。至今还不很清楚。n有人认为，由于它们是一种平面型三

34、环分子，结构与一个有人认为，由于它们是一种平面型三环分子，结构与一个嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶十分相似，故能十分相似，故能嵌入嵌入两个相邻两个相邻DNA碱基对之间，造成双螺旋的部碱基对之间，造成双螺旋的部分解开（两个碱基对原来相距分解开（两个碱基对原来相距0.34nm，当嵌入一个丫啶分子时，就，当嵌入一个丫啶分子时，就变成变成0.68nm），从而在），从而在DNA复制过程中，会使链上增添或缺失一个复制过程中，会使链上增添或缺失一个碱基，结果就引起了移码突变。碱基，结果就引起了移码突变。（3）染色体畸变）染色体畸变（chromosomal aberration）n某些强烈理化因子，如某些强烈理化因子，如X

35、射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起等，除了能引起点突变外，还会引起DNA的大损伤的大损伤（macrolesion）染色体畸变，它包括：染色体畸变，它包括：染色体结构上的变化：染色体结构上的变化：q缺失（缺失（deletion）q重复（重复（duplication）q易位（易位（translocation）q倒位（倒位（inversion）染色体数目的变化染色体数目的变化染色体结构上的变化染色体结构上的变化n分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。n染色体内畸变染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化，：只涉及一

36、条染色体上的变化，q如发生染色体的部分如发生染色体的部分缺失缺失或或重复重复时，其结果可造成基因的时，其结果可造成基因的减少减少或或增加增加；q如发生如发生倒位倒位或或易位易位时，则可造成基因排列顺序的改变，但时，则可造成基因排列顺序的改变，但数目却不改变。数目却不改变。q倒位倒位-是指断裂下来的一段染色体旋转是指断裂下来的一段染色体旋转180 后，重新插后，重新插入到原来染色体的原位置上，从而使其基因顺序与其它的入到原来染色体的原位置上，从而使其基因顺序与其它的基因顺序相反；基因顺序相反；q易位易位-是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入到同一

37、条染色体的其它部位上。入到同一条染色体的其它部位上。n染色体间畸变染色体间畸变：指非同源染色体间的易位。：指非同源染色体间的易位。染色体畸变染色体畸染色体畸变在高等变在高等真核生物真核生物中一般很中一般很容易观察，容易观察，但在微生但在微生物中，尤物中，尤其在原核其在原核生物中，生物中，还是近年还是近年来才证实来才证实的。的。许多理化许多理化诱变剂的诱变剂的诱变作用诱变作用都不是单都不是单一功能的。一功能的。转座因子转座因子（transposible element）n由由40年代年代B.McClintock对玉米粒色素斑点变异的遗传研究而对玉米粒色素斑点变异的遗传研究而发现染色体易位，自发现

38、染色体易位，自1967年以来，已在微生物和其它生物中年以来，已在微生物和其它生物中得到普遍证实，并已成为分子遗传学研究中的一个热点。得到普遍证实，并已成为分子遗传学研究中的一个热点。n旧概念旧概念基因是固定在染色体基因是固定在染色体DNA上的一些不可移动的核苷上的一些不可移动的核苷酸片段。酸片段。n新发现新发现有些有些DNA片段不但可在染色体上移动，还可从一个片段不但可在染色体上移动，还可从一个染色体跳到另一个染色体，从一个质粒跳到另一个质粒或染染色体跳到另一个染色体，从一个质粒跳到另一个质粒或染色体，甚至还从一个细胞转移到另一个细胞。在这些色体，甚至还从一个细胞转移到另一个细胞。在这些DNA

39、顺顺序的跳跃过程中，往往导致序的跳跃过程中，往往导致DNA链的断裂或重接，从而产生链的断裂或重接，从而产生重组交换或使某些基因启动或关闭，结果导致突变的发生。重组交换或使某些基因启动或关闭，结果导致突变的发生。n转座因子（转座因子（transposible element）在染色体组中或染色体组在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段间能改变自身位置的一段DNA顺序。也称作顺序。也称作跳跃基因跳跃基因（jumping gene）或或可移动基因（可移动基因（movable gene）。）。转座因子的种类（转座因子的种类（1）n插入序列（插入序列（IS，insertion sequence）：

40、特点是分子量最小：特点是分子量最小（仅（仅0.71.4kb），只能引起转座（），只能引起转座（transposition）效应而不）效应而不含其它基因。可以在染色体、含其它基因。可以在染色体、F因子等质粒上发现它们。已因子等质粒上发现它们。已知的知的IS有有5种，即种，即 IS1、IS2、IS3、IS4和和IS5。nE.coli的的F因子和核染色体组上有一些相同的因子和核染色体组上有一些相同的IS（如（如IS2，IS3等），通过这些同源序列间的重组，就可使等），通过这些同源序列间的重组，就可使 F因子插入因子插入到到E.coli的核染色体组上，从而使后者成为的核染色体组上，从而使后者成为Hfr

41、菌株。因菌株。因IS在染色体组上插入的位置和方向的不同，其引起的突变效在染色体组上插入的位置和方向的不同，其引起的突变效应也不同。应也不同。IS引起的突变可以回复，其原因可能是引起的突变可以回复，其原因可能是IS被切离，被切离，如果因切离部位有误而带走如果因切离部位有误而带走IS以外的一部分以外的一部分DNA序列，就序列，就会在插入部位造成缺失，从而发生新的突变。会在插入部位造成缺失，从而发生新的突变。转座因子的种类（转座因子的种类（2）n转座子（转座子（Tn，transposon，又称转位子，易位子），又称转位子，易位子）：IS和和Mu噬菌体相比，噬菌体相比，Tn的分子量是居中的（一般为的分

42、子量是居中的（一般为225kb）。它含有几个至十几个基因，其中除了与转座）。它含有几个至十几个基因，其中除了与转座作用有关的基因外，还含有抗药基因或乳糖发酵基因等作用有关的基因外，还含有抗药基因或乳糖发酵基因等其它基因。其它基因。Tn虽能插到受体虽能插到受体DNA分子的许多位点上，分子的许多位点上，但这些位点似乎也不完全是随机的，其中某些区域更易但这些位点似乎也不完全是随机的，其中某些区域更易插入。插入。转座因子的种类（转座因子的种类（3）nMu噬菌体（即噬菌体（即 mutator phage，诱变噬菌体），诱变噬菌体）：它是：它是E.coli的一种温和噬菌体。与必须整合到宿主染色体特定的一种

43、温和噬菌体。与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同，位置上的一般温和噬菌体不同，Mu噬菌体并没有一定噬菌体并没有一定的整合位置。与以上的的整合位置。与以上的IS和和Tn两种转座因子相比，两种转座因子相比，Mu噬菌体的分子量最大（噬菌体的分子量最大（37kb），它含有），它含有20多个基因。多个基因。Mu噬菌体引起的转座可以引起插入突变，其中约有噬菌体引起的转座可以引起插入突变，其中约有2%是营养缺陷型突变。是营养缺陷型突变。2.自发突变机制自发突变机制n自发突变自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。几种自发突变的可能机制几种自

44、发突变的可能机制n微生物自身有害代谢产物的诱变效应微生物自身有害代谢产物的诱变效应：q过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物。过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物。它对它对Neurospora（脉孢菌）有诱变作用，这种作用可（脉孢菌）有诱变作用，这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低，如果在加入该酶的同因同时加入过氧化氢酶而降低，如果在加入该酶的同时又加入酶抑制剂时又加入酶抑制剂KCN，则又可提高突变率。这就说，则又可提高突变率。这就说明，过氧化氢很可能是明，过氧化氢很可能是“自发突变自发突变”中一种内源性诱中一种内源性诱变剂。在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变变剂。在许多微

45、生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，可能也是同样的原因。株，可能也是同样的原因。背景辐射和环境因素的影响：背景辐射和环境因素的影响：由于一些原因不详的低剂量诱由于一些原因不详的低剂量诱变因素的长期总和诱变效应。如各种短波辐射或高温诱变效变因素的长期总和诱变效应。如各种短波辐射或高温诱变效应，以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质（在微应，以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质（在微环境中有时也可能是高浓度）的作用等。环境中有时也可能是高浓度）的作用等。互变异构效应互变异构效应：n碱基碱基T、G的第六位上是酮基，会以酮式或烯醇式两种互的第六位上是酮基，会以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出

46、现变异构的状态出现nC、A的第六位上是氨基，会以氨基式或亚氨基式两种互的第六位上是氨基，会以氨基式或亚氨基式两种互变异构的状态出现变异构的状态出现n平衡一般趋向于酮式或氨基式，在平衡一般趋向于酮式或氨基式，在DNA双链结构中一般双链结构中一般总是以总是以AT和和GC碱基配对的形式出现碱基配对的形式出现n在偶然情况下，在在偶然情况下，在DNA复制到达这一位置的瞬间，在复制到达这一位置的瞬间，在T以稀有的烯醇式出现时，其相对位置上就出现以稀有的烯醇式出现时，其相对位置上就出现Gn同样，如果同样，如果C以稀有的亚氨基形式出现在以稀有的亚氨基形式出现在DNA复制到达复制到达这一位置的瞬间，则在新合成这

47、一位置的瞬间，则在新合成DNA单链中与单链中与C相对应的相对应的位置上就将是位置上就将是A。这可能就是发生相应的自发突变的原。这可能就是发生相应的自发突变的原因。因。n要预言在某一时间、某一基因发生自发突变是不可能的。要预言在某一时间、某一基因发生自发突变是不可能的。在运用数学方法对这些偶然事件做大量统计分析后，可在运用数学方法对这些偶然事件做大量统计分析后，可以发现并掌握其中的规律。例如，据统计，碱基对发生以发现并掌握其中的规律。例如，据统计，碱基对发生自发突变的几率约为自发突变的几率约为10 8 10 9。环出效应：环出效应：n即环状突出效应。有即环状突出效应。有人提出，在人提出，在DNA

48、的复的复制过程中，如果其中制过程中，如果其中某一单链上偶然产生某一单链上偶然产生一个小环，则会因其一个小环，则会因其上的基因越过复制而上的基因越过复制而发生遗传缺失，从而发生遗传缺失，从而造成自发突变。下图造成自发突变。下图就是环出效应的设想就是环出效应的设想机制。在上链中，标机制。在上链中，标记记B处发生处发生“环出环出”，故只有故只有A及及C能获得复能获得复制，制，从而发生自发突从而发生自发突变。而在下链中，复变。而在下链中，复制仍正常进行制仍正常进行（六）紫外线对（六）紫外线对DNA的损伤及其修复的损伤及其修复n已知的已知的DNA损伤类型很多，机体对其修复的方式也损伤类型很多，机体对其修

49、复的方式也各异。发现较早和研究得较深入的是紫外线（各异。发现较早和研究得较深入的是紫外线（U.V.，ultraviolet ray）的作用。）的作用。n嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多。嘧啶的光嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多。嘧啶的光化产物主要是二聚体和水合物。其中了解较清楚的化产物主要是二聚体和水合物。其中了解较清楚的是胸腺嘧啶二聚体的形成和消除。是胸腺嘧啶二聚体的形成和消除。n紫外线的主要作用是使紫外线的主要作用是使DNA的相邻嘧啶的相邻嘧啶形成形成共价结合的共价结合的胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体。二聚体的出现会减弱二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用，并引起双链结构扭曲变形，阻双链间

50、氢键的作用，并引起双链结构扭曲变形，阻碍碱基间的正常配对，从而有可能引起突变或死亡。碍碱基间的正常配对，从而有可能引起突变或死亡。在在互补双链间互补双链间形成嘧啶二聚体的机会较少。但一旦形成嘧啶二聚体的机会较少。但一旦形成，就会妨碍双链的解开，因而影响形成，就会妨碍双链的解开，因而影响DNA的复制的复制和转录，并使细胞死亡。和转录，并使细胞死亡。光复活作用光复活作用（photoreactivation）n定义：经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死定义：经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象，称为光复活作用。亡率的现象，称为光复活作用。q这一现