遗传学第十二章基因突变课件.ppt

1、第十一章第十一章 基因突变基因突变第一节第一节 基因突变概说基因突变概说第二节第二节 基因突变的分子本质基因突变的分子本质第三节第三节 基因突变的诱发基因突变的诱发第四节第四节 基因突变的检出基因突变的检出.第一节第一节 基因突变概说基因突变概说一、突变的类型一、突变的类型 自发突变和诱发诱变自发突变和诱发诱变 显性突变与隐性突变显性突变与隐性突变 突变体的表型特性类型突变体的表型特性类型二、基因突变的时期二、基因突变的时期三、基因突变的一般特征三、基因突变的一般特征.基因突变的概念基因突变的概念基因突变（基因突变（gene mutation）：）：是指一个基因内部可遗传的是指一个基因内部可遗

2、传的结构改变，是基因分子内部在某种条件作用下所发生的一结构改变，是基因分子内部在某种条件作用下所发生的一个或几个核苷酸的改变个或几个核苷酸的改变。其结果是。其结果是形成等位基因形成等位基因。基因突变一般在染色体结构上是看不到的，所以又称基因突变一般在染色体结构上是看不到的，所以又称点突点突变（变（point mutation）。实际上点突变与染色体畸变的界。实际上点突变与染色体畸变的界限并不明确，特别是微细的染色体畸变更是如此。限并不明确，特别是微细的染色体畸变更是如此。摩尔根摩尔根等等1910年发现果蝇眼色的突变年发现果蝇眼色的突变(Ww)，并进行鉴，并进行鉴定与分析，从而明确证实基因突变的

3、存在。定与分析，从而明确证实基因突变的存在。.基因突变的意义基因突变的意义 1.是生物进化过程中是生物进化过程中自然选择的最根本的基础自然选择的最根本的基础；2.基因突变形成的不同等位基因及相对性状差异基因突变形成的不同等位基因及相对性状差异是是 人们发现该基因人们发现该基因(位点位点)存在的前提；存在的前提；3.是生物遗传育种的重要基础。是生物遗传育种的重要基础。例：矮秆基因的利用；例：矮秆基因的利用；植物雄性不育基因的利用。植物雄性不育基因的利用。.一、基因突变的类型一、基因突变的类型根据诱发的原因根据诱发的原因，基因突变可分为以下两个类型：，基因突变可分为以下两个类型：1.自发突变自发突

4、变（spontaneous mutation）：）：在没有人工特在没有人工特设的诱发条件下，由于外界环境的自然作用或生物设的诱发条件下，由于外界环境的自然作用或生物体内生理生化变化而诱发的突变体内生理生化变化而诱发的突变。根据这个定义，我们知道所谓的自发突变并不是没根据这个定义，我们知道所谓的自发突变并不是没原因的突变，而是指人工特设诱变因素以外的其它原因的突变，而是指人工特设诱变因素以外的其它因素引起的突变。因素引起的突变。2.诱发诱变诱发诱变（induced mutation）：）：由人工特设物理、由人工特设物理、化学诱发因素而引起的突变。化学诱发因素而引起的突变。两者本质一样，频率不同。

5、两者本质一样，频率不同。.根据显隐性关系的不同根据显隐性关系的不同分为分为显性突变显性突变与与隐性突变隐性突变 突变体突变体(突变型突变型,mutant)：由于基因突变而表现突：由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体。变性状的细胞或个体。n显性突变：显性突变：n突变产生的新基因对原来的基因表现为显性。突变产生的新基因对原来的基因表现为显性。当代就可表现当代就可表现。可能是：。可能是：n原来无功能的位点产生了一个功能；原来无功能的位点产生了一个功能；n原来有功能的位点产生了新的功能。原来有功能的位点产生了新的功能。n隐性突变：隐性突变：n突变产生的新基因对原来的基因表现为隐性。突变产生的新基因对

6、原来的基因表现为隐性。当代不表现当代不表现。往往是原来有功能的基因丧失了。往往是原来有功能的基因丧失了功能，或产生了一个新功能。功能，或产生了一个新功能。.根据突变引起的表型特征根据突变引起的表型特征，可将突变分为：，可将突变分为：形态突变形态突变（morphological mutation），基因突变），基因突变主要影响生物的形态结构，导致形状、大小、色泽主要影响生物的形态结构，导致形状、大小、色泽改变。改变。例：普通绵羊的四肢有一定的长度，但安康羊例：普通绵羊的四肢有一定的长度，但安康羊（Ancon sheep）的四肢很短，这类突变可在外观上）的四肢很短，这类突变可在外观上看到，称为看到

7、，称为可见突变可见突变（visible mutation）2.生化突变生化突变（biochemical mutation)：基因突变主要影：基因突变主要影响代谢过程，导致某种特定生化功能改变。响代谢过程，导致某种特定生化功能改变。例：链孢霉的营养缺陷型例：链孢霉的营养缺陷型.3致死突变致死突变（lethal mutation）：基因突变主要影响）：基因突变主要影响生活力，导致个体死亡。生活力，导致个体死亡。致死突变又可分为：致死突变又可分为：全致死突变全致死突变（90以上死亡）、以上死亡）、亚致死突变亚致死突变（50%90%死亡）、死亡）、半致死突变半致死突变（10%50%死亡）和死亡）和弱致

8、死突变弱致死突变（10%以下死亡）。以下死亡）。致死基因在杂合体种的表现：致死基因在杂合体种的表现：显性致死显性致死：杂合态即有致死效应。例如神经胶症。：杂合态即有致死效应。例如神经胶症。隐性致死隐性致死：纯合态的才有致死效应。例如：纯合态的才有致死效应。例如 镰刀形镰刀形贫血症、植物白化基因等贫血症、植物白化基因等。.植物隐性白化突变（致死突变）植物隐性白化突变（致死突变）u与叶绿体形成有关的基因多达与叶绿体形成有关的基因多达50多对，其中不少多对，其中不少基因突变（丧失功能）均可能导致叶绿素不能形基因突变（丧失功能）均可能导致叶绿素不能形成，产生成，产生白化苗白化苗。u白化苗不能进行光合作

9、用，子叶或胚乳中养料耗白化苗不能进行光合作用，子叶或胚乳中养料耗尽时，幼苗就死亡。尽时，幼苗就死亡。.4条件致死突变条件致死突变（conditional lethal mutation)：在：在一定条件下表现致死效应，而在其它条件下可以存一定条件下表现致死效应，而在其它条件下可以存活的突变。活的突变。例如：例如：T4噬菌体的噬菌体的温度敏感突变型温度敏感突变型在在25时能在时能在E.coli 宿主中正常生长，形成噬菌斑，但在宿主中正常生长，形成噬菌斑，但在42时时就不能这样。就不能这样。.水稻分蘖基因的突变水稻分蘖基因的突变（Li et al.,2003,Nature,422:618-621）

10、野生型突变体（moc1）.二、基因突变的时期二、基因突变的时期1.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：n性细胞性细胞(突变突变)突变配子突变配子后代个体；后代个体；n体细胞体细胞(突变突变)突变体细胞突变体细胞组织器官。组织器官。n植物的体细胞突变：植物的体细胞突变：芽变芽变n动物的体细胞突变：动物的体细胞突变：癌变癌变2.性细胞的突变频率比体细胞高：性细胞的突变频率比体细胞高：n性母细胞与性细胞对环境因素更为敏感。性母细胞与性细胞对环境因素更为敏感。3.突变时期不同，其表现也不相同。突变时期不同，其表现也不相同。.突变时期突变时期显性突变显性突变隐性突变隐性突变高

11、等生物高等生物性细胞性细胞突变当代突变当代表现表现突变性突变性状。状。突变当代突变当代不表现不表现突变性突变性状，其自交后代才可能状，其自交后代才可能表现突变性状。表现突变性状。体细胞体细胞突变当代突变当代表现表现为为嵌合嵌合体体，镶嵌范围取决于，镶嵌范围取决于突变发生的早晚。突变发生的早晚。突变当代突变当代不表现不表现突变性突变性状，往往不能被发现、状，往往不能被发现、保留。保留。低等生物低等生物(单倍体单倍体)有性生殖有性生殖 表现表现突变性状突变性状表现表现突变性状突变性状无性生殖无性生殖 表现表现突变性状突变性状表现表现突变性状突变性状.三、突变频率三、突变频率n突变频率突变频率：指生

12、物在一个世代中发生突变的概率。一般指指生物在一个世代中发生突变的概率。一般指每每一世代每一配子每个基因座一世代每一配子每个基因座发生突变的概率发生突变的概率。n有性生殖生物：用突变配子占总配子比例有性生殖生物：用突变配子占总配子比例(配子发生突变配子发生突变的概率的概率)表示。表示。n(单细胞单细胞)无性繁殖生物：每一世代中细胞发生突变的概率。无性繁殖生物：每一世代中细胞发生突变的概率。n突变频率一般是很低的，突变频率一般是很低的，不同的生物，不同的基因其突变率不同的生物，不同的基因其突变率相差较大相差较大。真核生物基因的突变频率（真核生物基因的突变频率（10-5 范围）较原核生范围）较原核生

13、物的（物的（10-710-8 范围）高很多。范围）高很多。如果在人工诱变条件下，突如果在人工诱变条件下，突变频率可以大大提高，有时可达自发突变频率的几千倍。变频率可以大大提高，有时可达自发突变频率的几千倍。.（一）突变的重演性（一）突变的重演性 指同种生物的同一基因突变表现相同的表型，可指同种生物的同一基因突变表现相同的表型，可以在不同个体间重复出现。以在不同个体间重复出现。n同一基因突变在不同的个体上均可能发生；同一基因突变在不同的个体上均可能发生；n不同群体中发生同一基因突变的频率相近。不同群体中发生同一基因突变的频率相近。四、基因突变的一般特征四、基因突变的一般特征.（二）突变的多方向性

14、（二）突变的多方向性基因的突变可以向多个方向进行，形成复等位基因基因的突变可以向多个方向进行，形成复等位基因(multiple(multiple alleles)alleles)。这些复等位基因可以从野生型基因突变产生，也可以这些复等位基因可以从野生型基因突变产生，也可以从其它任何一个突变基因突变产生。从其它任何一个突变基因突变产生。.（三）突变的可逆性（三）突变的可逆性突变的可逆性：突变的基因可以发生回复突变。突变的可逆性：突变的基因可以发生回复突变。n正突变正突变(forward mutation)：显性基因：显性基因A隐性基因隐性基因a；n反突变反突变(reverse mutation)

15、：隐性基因：隐性基因a显性基因显性基因A。n通常认为：野生型基因是正常、有功能基因；而最初基通常认为：野生型基因是正常、有功能基因；而最初基因突变往往是野生型基因突变而丧失功能、发生功能改因突变往往是野生型基因突变而丧失功能、发生功能改变，表现为隐性基因。所以反突变又称为变，表现为隐性基因。所以反突变又称为回复突变回复突变(back mutation)。通常用通常用u表示正突变频率、表示正突变频率、v表示反突变频率，则：表示反突变频率，则：正突变正突变uA=a反突变反突变v.正向突变和回复突变的发生频率是不一样的。正向突变和回复突变的发生频率是不一样的。在在多数情况下，正向突变频率总是高于回复

16、突变频多数情况下，正向突变频率总是高于回复突变频率（高率（高1-2个数量级）。个数量级）。这是因为一个野生型基这是因为一个野生型基因内部的许多位点都可能发生改变而导致基因突因内部的许多位点都可能发生改变而导致基因突变。但是一个基因内部却只有那个被改变了的结变。但是一个基因内部却只有那个被改变了的结构恢复原状，才可发生回复突变。构恢复原状，才可发生回复突变。由于由于缺失而引起的突变缺失而引起的突变不能发生回复突变。当然不能发生回复突变。当然染色体畸变也不能回复。染色体畸变也不能回复。.（四）突变的有害性与有利性（四）突变的有害性与有利性突变大多数是有害的突变大多数是有害的。因为生物经长期的自然选

17、因为生物经长期的自然选择，形成了对外界环境的适应，基因突变后可能择，形成了对外界环境的适应，基因突变后可能改变这种适应性，所以大部分突变对生物体是不改变这种适应性，所以大部分突变对生物体是不利的。利的。少数的突变有利。少数的突变有利。例如作物抗病性，微生物的抗例如作物抗病性，微生物的抗药性等，这些突变为生物进化提供了最有利的条药性等，这些突变为生物进化提供了最有利的条件。件。抗药性突变与药物：微生物产生抗药性突变与药抗药性突变与药物：微生物产生抗药性突变与药物的存在与否没有关系。药物的存在只是起筛选物的存在与否没有关系。药物的存在只是起筛选作用。作用。.（五）突变的平行性（五）突变的平行性突变

18、的平行性：突变的平行性：指亲缘关系相近的物种因遗传基指亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往往发生相似的基因突变础比较近似，往往发生相似的基因突变。根据根据一个物种或属一个物种或属内具有的变异类型，就能预见内具有的变异类型，就能预见到到近缘的其他物种或属近缘的其他物种或属也同样存在相似的变异类也同样存在相似的变异类型型 .第四节第四节 基因突变的分子本质基因突变的分子本质n从分子水平上说，从分子水平上说，基因突变是由于基因突变是由于DNADNA分子的核苷酸序列改变，随而基因的作分子的核苷酸序列改变，随而基因的作用改变，最后导致个体表型改变用改变，最后导致个体表型改变。.一、基因突变导致的核苷

19、酸序列改变（信一、基因突变导致的核苷酸序列改变（信息内容改变）息内容改变）-点突变的类型点突变的类型1.碱基替换（碱基替换（base substitution）：）：一对碱基被另一对碱基一对碱基被另一对碱基取代。取代。分为：分为：n转换转换（transition）是指）是指同类碱基之间的替换。同类碱基之间的替换。n颠换颠换（transversion）是嘌呤与嘧啶之间的替是嘌呤与嘧啶之间的替换。换。.2.移码突变（移码突变（frame shift mutation）一对或多对核苷酸的增减，造成这一位置以后一系一对或多对核苷酸的增减，造成这一位置以后一系列编码发生列编码发生移位错误移位错误。又叫。

20、又叫插入插入/缺失突变缺失突变。例：。例：野生型 TGG ATA AAC GAC DNA ACC UAU UUG CUG mRNA Thr Tyr Leu Leu Protein突变型 TGG AAA ACG AC ACC UUU UGC Thr Phe Cys插入（插入（insertion）和缺失（）和缺失（deletion）突变对遗传信息的影响）突变对遗传信息的影响较大，会严重影响基因的功能，甚至导致基因功能失活。较大，会严重影响基因的功能，甚至导致基因功能失活。.二、基因突变导致的遗传信息意义的改变二、基因突变导致的遗传信息意义的改变突突变的分子效应变的分子效应1.同义突变（同义突变（s

21、ame sense mutation）：碱基改变虽：碱基改变虽然使密码子改变，但不带来氨基酸的改变。这样然使密码子改变，但不带来氨基酸的改变。这样的突变又称的突变又称沉默突变（沉默突变（silent mutation）。DNA CGT CGC CGG GCA GCG GCC mRNA CGU CGC CGG Protein Arg Arg Arg置换置换颠换颠换核苷酸序列的改变（替换）在蛋白质水平上会导致核苷酸序列的改变（替换）在蛋白质水平上会导致基因决定的多肽链的氨基酸序列改变。基因决定的多肽链的氨基酸序列改变。原因是：原因是：密码子的兼并性。密码子的兼并性。.2.错义突变错义突变(mis-

22、sense mutation)碱基改变使某一氨基酸的密码子变为另一氨基碱基改变使某一氨基酸的密码子变为另一氨基酸的密码子。酸的密码子。例：人类镰形细胞贫血症：例：人类镰形细胞贫血症：Hb 链发生颠换。链发生颠换。DNA GAA GTA CTT CATmRNA GAA GUAProtein Glu Val表型表型 HbA HbS颠换颠换.3.无义突变无义突变(non-sense mutation)碱基的改变使某一氨基酸的密码子变成终止密码碱基的改变使某一氨基酸的密码子变成终止密码子（无义密码子）。子（无义密码子）。UAG 琥珀突变（琥珀突变（amber,amb）UAA 赭石突变（赭石突变（och

23、re,och）UGA 乳白突变（乳白突变（opal,op）若无义密码在中间，肽链延长提前终止，产生无若无义密码在中间，肽链延长提前终止，产生无活性的多肽片段。活性的多肽片段。若无义突变发生在靠近基因的开放阅读框的若无义突变发生在靠近基因的开放阅读框的3末末端，则所产生的蛋白质有可能保有一些生物学功端，则所产生的蛋白质有可能保有一些生物学功能。能。插入和缺失突变插入和缺失突变同样会导致多肽链改变，而且同样会导致多肽链改变，而且改变更大。改变更大。.关于基因突变的另外几个概念关于基因突变的另外几个概念n中性突变中性突变（neutral mutation）多肽链中相）多肽链中相应位点发生的氨基酸的取

24、代并不影响蛋白应位点发生的氨基酸的取代并不影响蛋白质的功能。质的功能。n沉默突变沉默突变（silent mutation）蛋白质中相应）蛋白质中相应位点是发生了位点是发生了相同氨基酸的取代相同氨基酸的取代，即，即同义同义突变突变。n抑制突变抑制突变（suppressor mutation）突变的作）突变的作用还可以通过其它位点的突变而得到减少用还可以通过其它位点的突变而得到减少或校正。或校正。.突变也可以发生在基因的非编码区突变也可以发生在基因的非编码区 调节区和非编码区的调节区和非编码区的DNA序列：序列：在在DNA水平上，包括水平上，包括RNA多聚酶及其相关因子多聚酶及其相关因子和和特定转

25、录特定转录因子因子的结合位点。的结合位点。在在RNA水平上，包括水平上，包括核糖体结合位点核糖体结合位点，真核生物，真核生物mRNA 外外显子交接区显子交接区5和和3端拼接位点端拼接位点以及调节以及调节mRNA进入细胞特定进入细胞特定区域和组分的翻译调节和区域和组分的翻译调节和定位信号位点定位信号位点。.结合位点一旦被破坏结合位点一旦被破坏很可能改变基因在特定时间、组织或很可能改变基因在特定时间、组织或特定环境反应中的表达量特定环境反应中的表达量，某些结合位点的突变可能完全阻，某些结合位点的突变可能完全阻遏基因正常表达的必经步骤，如果遏基因正常表达的必经步骤，如果RNA聚合酶或剪接因子的聚合酶

26、或剪接因子的接合位点发生突变则可使基因产物完全失活或阻断其产生接合位点发生突变则可使基因产物完全失活或阻断其产生。调节位点的突变通常只改变产生蛋白质的数量而不是其结构。调节位点的突变通常只改变产生蛋白质的数量而不是其结构。在基因的非编码区发生的许多点突变，往往只引起细小的或在基因的非编码区发生的许多点突变，往往只引起细小的或完全没有表型上的改变，这些点突变通常发生在调节蛋白结完全没有表型上的改变，这些点突变通常发生在调节蛋白结合位点之间的合位点之间的DNA 序列，这些序列可能与基因功能无关或位序列，这些序列可能与基因功能无关或位于基因内的重复区。于基因内的重复区。.回复突变回复突变（rever

27、se mutations）的分子机理：的分子机理：1、精确回复（精确回复（exact reversion）：AAA(Lys)GAA(Glu)AAA(Lys)wild-type mutant wild-type forwardforwardreversereverse2、等价回复突变等价回复突变(Equivalent reversion)UCC(Ser)UGC(Cys)AGC(Ser)wild-type Mutant wild-typeforwardforwardreversereverse.3 3、抑制基因突变（、抑制基因突变（suppressor mutationsuppressor mut

28、ation）一种突变的效应由另一突变来减少或取消一种突变的效应由另一突变来减少或取消 抑制基因突变并不导致一个原来突变的回复，而是遮蔽或抑制基因突变并不导致一个原来突变的回复，而是遮蔽或补偿最初突变的效应。补偿最初突变的效应。原来的突变位点依然存在，而它的原来的突变位点依然存在，而它的表型效应被基因组第二位点的突变所抑制。表型效应被基因组第二位点的突变所抑制。基因内抑制基因突变（基因内抑制基因突变（IntragenicIntragenic Suppressors Suppressors）基因间抑制基因突变（基因间抑制基因突变（intergenicintergenic Suppressors S

29、uppressors）不论是基因内的还是基因间的抑制起作用都产生有功能或不论是基因内的还是基因间的抑制起作用都产生有功能或有部分功能的蛋白质，这样，只有在原来的突变和抑制基有部分功能的蛋白质，这样，只有在原来的突变和抑制基因突变都存在于相同的细胞内时可能恢复蛋白质的功能。因突变都存在于相同的细胞内时可能恢复蛋白质的功能。.基因间抑制基因突变基因间抑制基因突变tRNA反密码子突变反密码子突变.功能缺失型突变与功能获得型突变功能缺失型突变与功能获得型突变 由于突变导致基因功能的丧失或减弱，这种突变称为由于突变导致基因功能的丧失或减弱，这种突变称为功能功能缺失型突变（缺失型突变（loss-of-fu

30、nction mutation loss-of-function mutation）。如果由于如果由于DNADNA序列的插入、丢失或重要的碱基替换造成的序列的插入、丢失或重要的碱基替换造成的蛋白质功能的完全丧失，或导致转录产物的提前终止，使得基蛋白质功能的完全丧失，或导致转录产物的提前终止，使得基因功能完全丧失，则称为因功能完全丧失，则称为零突变或剔除突变零突变或剔除突变（null mutations null mutations or knockout mutationsor knockout mutations）。）。如果基因突变仅造成基因表达水平或基因产物活性的降低，如果基因突变仅造成基

31、因表达水平或基因产物活性的降低，这种突变称为这种突变称为亚效突变（亚效突变（hypomorphic mutationhypomorphic mutation）或渗漏突变）或渗漏突变（leaky mutationleaky mutation）。）。如果这个基因的突变导致表型变异，那么零突变表型变异如果这个基因的突变导致表型变异，那么零突变表型变异应该是完全彻底的，而亚效突变的表型取得于基因表达水平或应该是完全彻底的，而亚效突变的表型取得于基因表达水平或基因产物活性降低的程度，介于零突变与野生型之间。功能缺基因产物活性降低的程度，介于零突变与野生型之间。功能缺失突变一般是隐性突变。失突变一般是隐性

32、突变。.这种突变赋予了蛋白质异常的活性，并可能产生新的表型。很多这这种突变赋予了蛋白质异常的活性，并可能产生新的表型。很多这类突变发生在基因的调节序列而不是编码区，因而其后果有多种情况类突变发生在基因的调节序列而不是编码区，因而其后果有多种情况。如果基因表达的空间方式被改变，即基因表达产物在基因原来不表达如果基因表达的空间方式被改变，即基因表达产物在基因原来不表达的部位积累，这种表达方式叫的部位积累，这种表达方式叫异位表达异位表达（ectopic expressionectopic expression）。基因）。基因的异位表达经常导致超出预期的表型变化，例如在果蝇任何非眼组织的异位表达经常导

33、致超出预期的表型变化，例如在果蝇任何非眼组织（腿、嘴、腹和翅等）异位表达（腿、嘴、腹和翅等）异位表达eyelesseyeless可导致复眼的部分组织以及完整可导致复眼的部分组织以及完整的眼色素的产生。如果一个基因在个体基因组中具有多个拷贝，功能缺的眼色素的产生。如果一个基因在个体基因组中具有多个拷贝，功能缺失型突变一般不造成明显的表型变异，因为突变拷贝的功能会被其它正失型突变一般不造成明显的表型变异，因为突变拷贝的功能会被其它正常的拷贝所弥补。而功能获得型突变则可以使基因原来的功能互相叠加，常的拷贝所弥补。而功能获得型突变则可以使基因原来的功能互相叠加，表型更加明显。表型更加明显。功能获得型突

34、变功能获得型突变（gain-of-function mutation）.第三节第三节 基因突变的诱发基因突变的诱发一、物理因素诱变一、物理因素诱变 (一一)电离辐射诱变电离辐射诱变 (二二)非电离辐射诱变非电离辐射诱变二、化学因素诱变二、化学因素诱变三、诱发突变的应用三、诱发突变的应用.一、物理因素诱变(一一)电离辐射诱变电离辐射诱变n1.种类：种类：n粒子辐射：粒子辐射：射线、射线、射线射线(32P、35S)、中子、中子(60钴、钴、137铯铯)；n电磁波辐射：电磁波辐射：X射线、射线、射线。射线。n2.原理：原理：辐射能量使辐射能量使DNADNA、蛋白质等发生电离和激发、蛋白质等发生电离和

35、激发。n电离和激发使生物大分子受损伤电离和激发使生物大分子受损伤-电离辐射的直接作用电离辐射的直接作用。n发生电离和激发的分子通过一系列的反应产生许多化学性质发生电离和激发的分子通过一系列的反应产生许多化学性质很活跃的很活跃的自由基自由基和和自由原子自由原子。自由基和自由原子相互作用，。自由基和自由原子相互作用，并与周围的物质（特别是核酸和蛋白质）起反应，引起分子并与周围的物质（特别是核酸和蛋白质）起反应，引起分子结构变化，造成大分子损伤。结构变化，造成大分子损伤。-电离辐射的间接作用。电离辐射的间接作用。nDNA的损伤有：的损伤有：碱基间氢键断裂、碱基间氢键断裂、磷酸二酯键断裂、单链磷酸二酯

36、键断裂、单链或双链交联、或双链交联、DNA和蛋白质交联。和蛋白质交联。这些会进一步造成基因这些会进一步造成基因突变和染色体结构变异。突变和染色体结构变异。.4.电离辐射诱变的作用规律电离辐射诱变的作用规律n辐射剂量的表示方法：辐射剂量的表示方法：nX射线、射线、射线：射线：伦琴伦琴(r)；n中子：中子：积分流量积分流量(n/cm2)；n射线：射线：微居里微居里(cu/g)。n突变率与辐射剂量的关系：突变率与辐射剂量的关系：n突变率与辐射总剂量成正比；突变率与辐射总剂量成正比；n辐射效应是累积的。辐射效应是累积的。低强度长期照射（慢性低强度长期照射（慢性照射）与高强度短期照射（急性照射）诱发照射

37、）与高强度短期照射（急性照射）诱发的突变数一样。的突变数一样。.(二二)非电离辐射诱变非电离辐射诱变主要是紫外线主要是紫外线(最有效的波长是最有效的波长是270 nm)。紫外线的穿透能力弱，故多用于微生物、生殖细紫外线的穿透能力弱，故多用于微生物、生殖细胞、花粉粒以及培养中的细胞。胞、花粉粒以及培养中的细胞。紫外线会使紫外线会使DNA发生多种形式的结构变化，发生多种形式的结构变化，主要主要是形成嘧啶二聚体。是形成嘧啶二聚体。u物理诱变的非专一性：物理诱变的非专一性：对对DNA分子及其核苷酸残分子及其核苷酸残基无选择性，所以没有专一性和特异性基无选择性，所以没有专一性和特异性。.二、化学因素诱变

38、二、化学因素诱变 1.诱变剂及其种类与作用机制：诱变剂及其种类与作用机制：n烷化剂烷化剂：使碱基：使碱基烷基化烷基化、改变碱基形成氢键的、改变碱基形成氢键的能力，从而能力，从而改变碱基配对关系改变碱基配对关系；n碱基类似物碱基类似物：在复制过程中取代碱基渗入：在复制过程中取代碱基渗入DNA分子，但形成氢键的类型不同，分子，但形成氢键的类型不同，改变碱基配对改变碱基配对关系。关系。2.作用特点：作用特点：n具有一定的碱基特异性具有一定的碱基特异性。.三、诱发突变的应用三、诱发突变的应用1.提高基因突变频率；提高基因突变频率；2.获得更丰富的突变类型；获得更丰富的突变类型；3.改良生物的个别性状。

39、改良生物的个别性状。.三、自发突变的起因三、自发突变的起因.自发突变自发突变来自：1.DNA复制的差错未被校正。复制的差错未被校正。2.自发的化学变化：自发的化学变化：(1)碱基的互变异构碱基的互变异构 (2)脱嘌呤（脱嘌呤（depurination）(3)脱氨（基）脱氨（基）(deamination)(4)氧化作用损伤碱基（氧化作用损伤碱基（oxidatively damaged bases）.DNA复制的差错未被校正复制的差错未被校正 DNA的精确复制依赖于：的精确复制依赖于：校读系统：由校读系统：由DNA polI的的3 5外切酶活性完成。外切酶活性完成。错配修复系统错配修复系统但偶尔会

40、出现差错未被校正或修复而导致突变发生。但偶尔会出现差错未被校正或修复而导致突变发生。增变基因增变基因(mutation gene):突变后使整个基因组突变频突变后使整个基因组突变频率明显上升。如：率明显上升。如：DNApolI基因基因：突变后：突变后3 5校正功能丧失校正功能丧失 dam 基因基因：dam-错配修复功能丧失错配修复功能丧失.DNA的碱基的互变的碱基的互变异构，从而导致错异构，从而导致错配配:正常情况：正常情况：nA(氨基式氨基式)=T(酮式酮式)n G(酮式酮式)=C(氨基式氨基式)异常情况：异常情况：nAi(亚氨基式亚氨基式)=CnA=C(亚氨基式亚氨基式)nG=T(烯醇式烯

41、醇式)nG(烯醇式烯醇式)=T导致碱基替换导致碱基替换.脱嘌呤：脱嘌呤：由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏，由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到破坏，从而引起从而引起G、A从从DNA分子上脱落下来分子上脱落下来,导致错误掺导致错误掺入碱基，发生碱基替换。入碱基，发生碱基替换。.脱氨基脱氨基导致碱基替换导致碱基替换.氧化损伤氧化损伤 过氧化物原子团（过氧化物原子团（O2-）、（）、（H2O2）、（）、（-OH）等需氧代谢的副产物都是有活性的氧化剂，它等需氧代谢的副产物都是有活性的氧化剂，它们可导致们可导致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，乙二醇，G氧化后产生氧化后产生8

42、-氧氧-7,8二氢脱氧鸟嘌呤、二氢脱氧鸟嘌呤、8-氧氧鸟嘌呤鸟嘌呤(8-O-G)或或“GO”，GO可和可和A错配，导致错配，导致GT。.四、诱发突变的起因四、诱发突变的起因（一）化学物质（一）化学物质 1.碱基类似物碱基类似物 (1)5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶（5-bromouracil,5-BU）(2)氨基嘌呤氨基嘌呤（2-aminopurine 2-AP）这些碱基类似物常能掺入到这些碱基类似物常能掺入到DNA分子中去，分子中去，好像是它的正常组成成分。它们对好像是它的正常组成成分。它们对DNA的复的复制影响不大，而是在制影响不大，而是在DNA复制时引起碱基配复制时引起碱基配对差错对差错，最终导致

43、碱基对替换，引起突变。，最终导致碱基对替换，引起突变。.5BU与与T基本相同基本相同以以酮式酮式状态和状态和A配对：配对：A5BUk酮式结构常转酮式结构常转换成换成烯醇式烯醇式与与G配对配对:G5BUe（1）5-溴尿嘧溴尿嘧啶（啶（5-BU）.n(2)2-氨基嘌呤氨基嘌呤(2-AP)n有有正常状态正常状态和和稀有稀有状态状态两种异构体，两种异构体，可分别与可分别与T和和C配配对结合。当对结合。当2-AP掺掺入到入到 DNA复制中复制中时，由于其异构体时，由于其异构体的变换而导致的变换而导致A T G C.2.碱基的修饰剂碱基的修饰剂 能和能和DNA起化学反应并能改变碱基氢键特性起化学反应并能改

44、变碱基氢键特性的物质：的物质：(1)亚硝酸（亚硝酸（NA）(2)羟胺羟胺 (3)烷化剂：使碱基烷基化。烷化剂：使碱基烷基化。.(1)亚硝酸亚硝酸（introus acid,NA）：有氧化脱氨作用。有氧化脱氨作用。n 使使A脱氨，产生次黄嘌呤脱氨，产生次黄嘌呤(H)；n 使使C脱氨，产生脱氨，产生U。导致碱基转换导致碱基转换.（2）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-OH-C，此产，此产 物可以和物可以和A 配配对，使对，使C G转换成转换成T A。.(3)烷化剂烷化剂如如 甲 基 黄 酸 乙 脂甲 基 黄 酸 乙

45、脂（EMS）,氮芥氮芥(NM),甲甲基黄酸甲脂基黄酸甲脂（MMS）,亚硝基胍亚硝基胍（NG）等。）等。作用：是使碱基烷基化，作用：是使碱基烷基化，（1）导致碱基错配，产生）导致碱基错配，产生碱基置换。碱基置换。（2）脱嘌呤作用，影响复）脱嘌呤作用，影响复制，产生移码突变。制，产生移码突变。特异性错配特异性错配.3.DNA插入剂：引起移码突变插入剂：引起移码突变如原黄素（如原黄素（proflavin）、吖啶橙（）、吖啶橙（acridine orange）等）等.（二）（二）紫外线诱发胸苷二聚体紫外线诱发胸苷二聚体.第四节第四节 DNA损伤修复损伤修复一、光复活一、光复活二、切除修复二、切除修复三

46、、复制后修复三、复制后修复四、四、SOS修复修复.一、光复活（一、光复活（photoreactivation）修复因紫外线照射产生修复因紫外线照射产生的嘧啶二聚体。的嘧啶二聚体。在暗处在暗处，光复合酶光复合酶（PRE,photoreacting enzyme，由，由phr 基因编基因编码）识别嘧啶二聚体并码）识别嘧啶二聚体并与之结合形成复合物与之结合形成复合物,在在可见光下可见光下PR使二聚体解使二聚体解开成为单体开成为单体,PR释放。释放。.二、二、切除修复（切除修复（excision-repair）又称又称暗修复暗修复（dark repair），指不需要光。），指不需要光。不仅仅修复嘧啶二

47、聚体，还可修复化学诱变剂引不仅仅修复嘧啶二聚体，还可修复化学诱变剂引起的损伤。起的损伤。色素性干皮症色素性干皮症（Xeroderma pigmentosum）：对光极）：对光极度敏感，易患皮肤癌，是度敏感，易患皮肤癌，是一种切除修复酶的缺陷一种切除修复酶的缺陷（AR）。）。人类的切除修人类的切除修复参与的蛋白质和酶最少复参与的蛋白质和酶最少有有17种之多。种之多。.Damage Mutant base is mismatched and/or distorts stractur Incision Endonuclease cleaves on both sides of damaged ba

48、Excision Exonuclease removes DNA Between 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)损伤：突变的碱基错配或改变DNA结构剪切：内切内切酶酶在损伤碱基位点两侧剪切切除：外切外切酶酶除去切口间的DNA合成：DNA 聚合酶聚合酶III合成取代DNA连接酶连接酶封闭缺口1、切除修

49、复、切除修复.连接酶封闭缺口E.coli的切除修复系统的切除修复系统:uvr A,B,C,D四个基四个基因的产物完成切除修因的产物完成切除修复。复。UvrAB：识别损伤；：识别损伤；UvrBC：在：在DNA上切上切缺口；缺口；UvrD：使被标记区：使被标记区解旋。解旋。.2、DNA糖苷酶及糖苷酶及AP核酸酶修复途径核酸酶修复途径碱基发生修饰而发生碱基发生修饰而发生结构改变结构改变由由DNA糖苷酶糖苷酶水解产水解产生无嘌呤或无嘧啶位生无嘌呤或无嘧啶位点（点（AP位点）位点）AP核酸内切酶核酸内切酶切除损切除损伤部位的伤部位的DNA单链单链DNA聚合酶聚合酶合成新的合成新的DNA片段，片段，连接酶

50、连接酶补补缺口。缺口。.三、复制后修复三、复制后修复1、错配修复（错配修复（mismatch repair）(1)识别错配的碱基对；识别错配的碱基对；(2)对错配的一对碱基要能准确区别哪一个是对错配的一对碱基要能准确区别哪一个是错的，哪一个是对的；错的，哪一个是对的；(3)切除错误的碱基，并进行修复合成。切除错误的碱基，并进行修复合成。.DNA正常复制正常复制错配酶错配酶识别未甲基识别未甲基化新链和错配碱基化新链和错配碱基错配校正酶错配校正酶切除包切除包含错配碱基的新链含错配碱基的新链DNApol修复空隙修复空隙.受损伤的受损伤的DNADNA链复制时，产生的链复制时，产生的子代子代DNADNA