第三章+基因突變

1、按照遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變：堿基的置換、移碼、缺失、插入突變：堿基的置換、移碼、缺失、插入突變從突變的效應(yīng)與野生型的關(guān)系：正向、回復(fù)突變正向、回復(fù)突變從突變所引起的遺傳信息的意義改變：同義、錯(cuò)義、無義突變同義、錯(cuò)義、無義突變?nèi)绻l(fā)生在調(diào)控區(qū)的突變有：組成型突變、啟動(dòng)子上升組成型突變、啟動(dòng)子上升/下降突變、下降突變、 抗阻遏、抗反饋突變抗阻遏、抗反饋突變從突變所帶來的表型改變分為：形態(tài)、致死或條件致死、生化突變型形態(tài)、致死或條件致死、生化突變型分分 類類 標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)準(zhǔn)突變產(chǎn)生的過程：自發(fā)、誘發(fā)突變自發(fā)、誘發(fā)突變第一節(jié) 基因突變的類型及規(guī)律基因突變的規(guī)律基因突變的規(guī)律隨機(jī)性獨(dú)立性穩(wěn)定性可逆性稀有性 二、

2、基因突變二、基因突變野生型菌株：從自然界分離獲得的菌株，野生型菌株：從自然界分離獲得的菌株， 稱之為稱之為?；九囵B(yǎng)基基本培養(yǎng)基(MM)(MM)：滿足野生型菌株生長最：滿足野生型菌株生長最 低營養(yǎng)要求的合成培養(yǎng)基。低營養(yǎng)要求的合成培養(yǎng)基。（一）突變類型一）突變類型營養(yǎng)缺陷型：野生型菌株由于突變而喪失營養(yǎng)缺陷型：野生型菌株由于突變而喪失 了了 某種營養(yǎng)合成能力，而無法在基本培某種營養(yǎng)合成能力，而無法在基本培 養(yǎng)基上生長的變異類型。養(yǎng)基上生長的變異類型。 表示：表示：基基 因：因：hishis+ +，his his - - ； 表表 型：型：His His + + ，His His - - 抗性突

3、變型：抗性突變型：野生型菌株由于突變而產(chǎn)了對(duì)某些化學(xué)藥物野生型菌株由于突變而產(chǎn)了對(duì)某些化學(xué)藥物或致死物理因子抗性變異類型?；蛑滤牢锢硪蜃涌剐宰儺愵愋?。表示：表示：基基 因：因： strstrr r、strstrs s； tettetr r、tettets s； 表表 型：型：Str Str r r ， Str Str s s 條件致死突變型：條件致死突變型：某些菌株或病毒經(jīng)基因突變后，在某種條件某些菌株或病毒經(jīng)基因突變后，在某種條件可生長并實(shí)現(xiàn)表型，而在另一條件卻無法生可生長并實(shí)現(xiàn)表型，而在另一條件卻無法生長繁殖的突變類型。長繁殖的突變類型。(如溫度敏感突變株：如溫度敏感突變株：Ts）形態(tài)突變

4、株形態(tài)突變株抗原突變株抗原突變株產(chǎn)量突變株產(chǎn)量突變株突變株類型劃分：突變株類型劃分： -選擇性突變株：營養(yǎng)缺陷型、抗性選擇性突變株：營養(yǎng)缺陷型、抗性 突變型、條件致死突變型突變型、條件致死突變型 -非選擇突變株：形態(tài)、抗原、產(chǎn)量非選擇突變株：形態(tài)、抗原、產(chǎn)量 突變型突變型 命名規(guī)則：命名規(guī)則： 1.1.根據(jù)基因產(chǎn)物或其作用產(chǎn)物的英文名稱的第一根據(jù)基因產(chǎn)物或其作用產(chǎn)物的英文名稱的第一個(gè)字母縮寫成個(gè)字母縮寫成3 3 個(gè)小寫斜體字母來表示。個(gè)小寫斜體字母來表示。 2.2.不同的基因座，其中任何一個(gè)突變所產(chǎn)生的表不同的基因座，其中任何一個(gè)突變所產(chǎn)生的表型變化可能相同，其表示方法是在型變化可能相同，其表

5、示方法是在3 3 個(gè)小寫斜體個(gè)小寫斜體字母后加上一個(gè)斜體大寫字母來表示區(qū)別。如字母后加上一個(gè)斜體大寫字母來表示區(qū)別。如RecombinationrecARecombinationrecA、recBrecB、recCrecC 3.突變位點(diǎn)應(yīng)通過在突變基因符號(hào)后加不同數(shù)字表突變位點(diǎn)應(yīng)通過在突變基因符號(hào)后加不同數(shù)字表示。如示。如supE44 supE44 4.4.某個(gè)基因或某個(gè)領(lǐng)域缺失時(shí)，在其基因型前面加某個(gè)基因或某個(gè)領(lǐng)域缺失時(shí)，在其基因型前面加上上“”表示。例如：表示。例如：lac-proAB lac-proAB 基因缺基因缺 失時(shí)它失時(shí)它的基因型表示為的基因型表示為(lac-proAB)(lac

6、-proAB)。 5. 融合融合 如如（ara-lacara-lac）表示）表示araara和和 laclac融合成新基因融合成新基因 （二）突變率及其撿出（二）突變率及其撿出突變率：突變率：某一細(xì)胞在每一世代中發(fā)生突變的幾率。常用單位群某一細(xì)胞在每一世代中發(fā)生突變的幾率。常用單位群體中每一世代產(chǎn)生的突變株的數(shù)目來表示。體中每一世代產(chǎn)生的突變株的數(shù)目來表示。 一個(gè)細(xì)菌分裂一次產(chǎn)生兩個(gè)細(xì)菌，兩個(gè)細(xì)菌再經(jīng)一次分裂產(chǎn)生四個(gè)細(xì)菌，這時(shí)一個(gè)細(xì)菌開始總共經(jīng)歷了三個(gè)世代。細(xì)菌繁殖過程中的世代總數(shù)為細(xì)菌數(shù)減1.如果細(xì)菌總數(shù)和開始時(shí)的細(xì)菌總數(shù)相差很大，可以認(rèn)為細(xì)菌總數(shù)就是世代數(shù)。 突變率（M2-M1）/(N2-

7、N1)，其中M為抗性菌落數(shù)；N為不同時(shí)間的細(xì)菌數(shù)。突變株的撿出及突變率的計(jì)算突變株的撿出及突變率的計(jì)算 撿出方法：撿出方法：1）選擇性突變株）選擇性突變株-營養(yǎng)缺陷型營養(yǎng)缺陷型 -抗藥性突變抗藥性突變回復(fù)突變回復(fù)突變: 突變不完全是個(gè)隨機(jī)的過程 突變熱點(diǎn) (hotspots of mutation） 從理論上講，DNA分子上每一個(gè)堿基都可能發(fā)生突變，但實(shí)際上突變部位并非完全隨機(jī)分布。DNA分子上的各個(gè)部分有著不同的突變頻率，即DNA分子某些部位的突變頻率大大高于平均數(shù)，這些部位就稱為突變熱點(diǎn)無論是自發(fā)還是誘發(fā)突變中都有熱點(diǎn)存在。 5甲基胞嘧啶（MeC）的存在，MeC脫氨氧化后生成T，引起GMe

8、CA-T轉(zhuǎn)換；短的連續(xù)重復(fù)順序處容易發(fā)生插入或缺失突變；有的與突變劑種類有關(guān)，如DNA順序中某個(gè)堿基對(duì)突變劑更敏感，有的則相反。 相鄰堿基對(duì)的影響： CAA CAG 谷氨酰胺 3倍 赭石 UAA UAG 琥珀 33倍 乳石UGA UGG 誘變劑：能使突變率提高到自發(fā)突變水平以上的物理、化學(xué)和生物因素。 誘變機(jī)制：堿基置換突變移碼突變插入/缺失突變堿基置換的誘變?cè)韷A基置換的誘變?cè)鞼atson和和Crick認(rèn)為認(rèn)為酮式與烯醇式的互變氨基與亞氨基的互變堿基堿基堿基配對(duì)方式改變自發(fā)突變10-610-10酮式酮式烯醇式烯醇式烯醇式 ： 與G配對(duì) 誘發(fā)G.CA.T G.CG.CG.BUG.CA.BUA

9、.TA.BU參入錯(cuò)誤酮式 與A配對(duì) 誘發(fā)A.TG.CA.TA.TA.BUA.TG.BUG.CA.BU復(fù)制錯(cuò)誤Deamination of basesNitrous acid (HONO)Nitrous acidcytosineuracil,guaninexanthineGX（黃嘌呤）adeninehypoxanthineAH（次黃嘌呤）（次黃嘌呤）A:TG:CH與C 配對(duì)G：CA：T is specific for cytosine, but only works in vitro (cannot enter cells).G.CG.C*G.CC.A*C.A*T.AHA Hydroxylami

10、ne (NH2OH) Alkylating agents are excellent donors of alkyl groups.Alkylation:the addition of alkyl groups to the bases of DNA(EMS)(NNG)(MMS)EMS and MMS tend to ethylate (or methylate) N7 of guanine or N3 of adenine,which severely disrupts base pairing:是一種誘變作用特別強(qiáng)的誘變劑?？梢允挂粋€(gè)群體的任何一個(gè)基因的突變率高達(dá)1%。此外可以誘發(fā)鄰近的位

11、置的基因同時(shí)發(fā)生突變，即引起多位點(diǎn)的突變。亞硝基胍（N-methyl-N-nitro-N-nitrosoguanidine, NNG)：can in addition methylatethe O6 of guanine and the O4 of thymine烷化劑對(duì)DNA的損傷一類親電子的化合物，易與生物體中大分子的親核位點(diǎn)起反應(yīng)。烷一類親電子的化合物，易與生物體中大分子的親核位點(diǎn)起反應(yīng)。烷化劑的作用可使化劑的作用可使DNA發(fā)生各種類型的損傷：發(fā)生各種類型的損傷：a.堿基烷基化 ：烷化劑很容易將烷基加到DNA鏈中嘌呤或嘧啶的N或O上，其中鳥嘌呤的N7和腺嘌呤的N3最容易受攻擊，烷基化的嘌

12、呤堿基配對(duì)會(huì)發(fā)生變化，例如鳥嘌呤N7被烷化后就不再與胞嘧啶配對(duì)，而改與胸腺嘧啶配對(duì)，結(jié)果會(huì)使GC轉(zhuǎn)變成AT。b.堿基脫落：烷化鳥嘌呤的糖苷鍵不穩(wěn)定，容易脫落形成DNA上無堿基的位點(diǎn)，復(fù)制時(shí)可以插入任何核苷酸，造成序列的改變。c.斷鏈：DNA鏈的磷酸二酯鍵上的氧也容易被烷化，結(jié)果形成不穩(wěn)定的磷酸三酯鍵，易在糖與磷酸間發(fā)生水解，使DNA鏈斷裂。 d.交聯(lián)：交聯(lián)：烷化劑有兩類，一類是單功能基烷化劑，烷化劑有兩類，一類是單功能基烷化劑，如甲基甲烷碘酸，只能使一個(gè)位點(diǎn)烷基化；另一如甲基甲烷碘酸，只能使一個(gè)位點(diǎn)烷基化；另一類是以雙功能基烷化劑，化學(xué)武器如氮芥、硫芥類是以雙功能基烷化劑，化學(xué)武器如氮芥、硫芥

13、等，一些抗癌藥物如環(huán)磷酰胺、苯丁酸氮芥、絲等，一些抗癌藥物如環(huán)磷酰胺、苯丁酸氮芥、絲裂霉素等，某些致癌物如二乙基亞硝胺等均屬此裂霉素等，某些致癌物如二乙基亞硝胺等均屬此類，其兩個(gè)功能基可同時(shí)使兩處烷基化，結(jié)果就類，其兩個(gè)功能基可同時(shí)使兩處烷基化，結(jié)果就能造成能造成DNA鏈內(nèi)、鏈內(nèi)、DNA鏈間，以及鏈間，以及DNA與蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)間的交聯(lián)。間的交聯(lián)。 定義：定義： DNA分子中一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)核苷酸的增加和缺失造成的基因突變。 引起移碼突變的誘變劑引起移碼突變的誘變劑： 如吖啶橙，原黃素，吖黃素，可摻入DNA的堿基對(duì)之間，引起DNA雙鏈錯(cuò)位 移碼突變機(jī)制移碼突變機(jī)制：二、 物理誘變劑1、 非電離輻

14、射-紫外線 2、電離輻射：激光 離子束誘變 微波 紅外線 熱 有效誘變范圍：200300nm紫外線引起的紫外線引起的DNA損傷損傷lUV：非電離輻射型波長范圍：136390nm誘變機(jī)制：DNA鏈的斷裂DNA分子的交聯(lián)C、U的水合作用嘧啶二聚體的形成電離輻射引起的電離輻射引起的DNA損傷損傷直接效應(yīng)是DNA直接吸收射線能量而遭損傷間接效應(yīng)是指DNA周圍其他分子(主要是水分子)吸收射線能量產(chǎn)生具有很高反應(yīng)活性的自由基進(jìn)而損傷DNA。such as superoxide radicals(O2-), hydrogen peroxide (H2O2), and hydroxyl radicals (O

15、H)電離輻射可導(dǎo)致：a.堿基變化主要是由OH自由基引起，包括DNA鏈上的堿基氧化修飾、過氧化物的形成、堿基環(huán)的破壞和脫落等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。b.脫氧核糖變化脫氧核糖上的每個(gè)碳原子和羥基上的氫都能與OH反應(yīng)，導(dǎo)致脫氧核糖分解，最后會(huì)引起DNA鏈斷裂。c.DNA鏈斷裂這是電離輻射引起的嚴(yán)重?fù)p傷事件，斷鏈數(shù)隨照射劑量而增加 d.交聯(lián)包括DNA鏈交聯(lián)和DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)。 激光：電磁波機(jī)制：輻射活化效應(yīng)， 使機(jī)體形態(tài)結(jié)構(gòu)和代謝生理方面發(fā)生改變 離子束的產(chǎn)生裝置：離子注入機(jī) 機(jī)制： 能量傳遞、動(dòng)量交換、離子沉積和電荷積累。MutagenMechanismTypes of mutations pro

16、ducedSpontaneousDNA replication and repair errors, spontaneous modification of nucleotidesAll types of mutations producedUV irradiationPyrimidine dimers induce error prone repair (SOS) Mainly G-C to A-T transitions, but all other types of mutations including deletions, frameshifts, and rearrangement

17、s at somewhat lower frequency2-aminopurine (2AP)Base analogA-T to G-C and G-C to A-T transitionsBromouracilBase analogG-C to A-T and A-T to G-C transitionsHydroxylamine (NH2OH)Alkylating agent, generates N4-hudroxycytosineG-C to A-T transitions when used in vitroN-methyl-N-nitro-N-nitrosoguanidine (

18、MNNG)Alkylating agent, generates O6-methylguanineG-C to A-T transitions, multiple, closely spaced mutations commonEthylmethane sulfonate (EMS) (EMS)Alkylating agent, generates O6-methylguanineG-C to A-T transitionsEthylethane sulfonate (DES)Alkylating agent, induces SOS responseG-C to T-A transversi

19、ons, other base substitution mutationsNitrous acidOxidative deaminationG-C to A-T and A-T to G-C transitions, deletions produced at a lower frequencyIntercalating agent, alkylacridine derivative that stabilizes looped out bases by stacking between themFrameshifts, mainly additions or deletions in ru

20、ns of G or C一、誘變劑與DNA接觸之前：與細(xì)胞通透性、細(xì)胞壁成分是否反應(yīng)等有關(guān)。二、突變發(fā)生過程： 與DNA是否處于復(fù)制狀態(tài)有密切關(guān)系。如營養(yǎng)缺陷性菌株在誘變時(shí)加入菌株缺乏的氨基酸，誘變效果增強(qiáng)。 會(huì)受到多種酶的影響。 三、突變體的形成 形成的突變需經(jīng)過突變后的修復(fù)，保留下來的才行。l光復(fù)活作用l切除修復(fù)l重組修復(fù)lDNA聚合酶的校讀作用lSOS修復(fù)l適應(yīng)性修復(fù)校正修復(fù)校正修復(fù)已知的修復(fù)系統(tǒng)有以下幾種： 類似的修復(fù)酶廣泛存在于動(dòng)植物中，人體細(xì)胞中也有發(fā)現(xiàn)lUV引起的DNA損傷，由于可見光的照射而得以恢復(fù)的現(xiàn)象。l細(xì)菌DNA光解酶(photolyase)photolyase 修復(fù)DN

21、A損傷最為普遍的方式，對(duì)多種DNA損傷包括堿基脫落形成的無堿基位點(diǎn)、嘧啶二聚體、堿基烷基化、單鏈斷裂等都能起修復(fù)作用。 這種修復(fù)方式普遍存在于各種生物細(xì)胞中，也是人體細(xì)胞主要的DNA修復(fù)機(jī)制。 主要有兩種形式2.切除修復(fù)切除修復(fù)(excision repair)切除修復(fù)切除修復(fù)An endonuclease cleaves DNA a precise number of bases on both sides of the lesions (UvrABC endonulcease removes pyrimidine dimers)Excised lesion-DNA fragment is

22、removedThe gap is filled by DNA polymerase I and sealed by ligase（堿基切除修復(fù)堿基切除修復(fù)DNA glycolasescleaves apurinic or pyrimidine site DNA polymeraseDNA ligaseDNA repaircleaves N-glycosylic bondAP endonuclease35 cleavage and & 53 synthesis 修復(fù)過程需要多種酶的一系列作用，基本步驟為： 首先由核酸酶識(shí)別DNA的損傷位點(diǎn)，在損傷部位的5側(cè)切開磷酸二酯鍵。不同的DNA損

23、傷需要不同的特殊核酸內(nèi)切酶來識(shí)別和切割。 由53核酸外切酶將有損傷的DNA片段切除。 在DNA聚合酶的催化下，以完整的互補(bǔ)鏈為模板，按53方向DNA鏈，填補(bǔ)已切除的空隙。 由DNA連接酶將新合成的DNA片段與原來的DNA斷鏈連接起來。這樣完成的修復(fù)能使DNA恢復(fù)原來的結(jié)構(gòu)。 某些情況下沒有互補(bǔ)鏈可以直接利用，例如在DNA復(fù)制進(jìn)行時(shí)發(fā)生DNA損傷，此時(shí)DNA兩條鏈已經(jīng)分開，其修復(fù)可用重組方式： 受損傷的DNA鏈復(fù)制時(shí)，產(chǎn)生的子代DNA在損傷的對(duì)應(yīng)部位出現(xiàn)缺口。 另一條母鏈DNA與有缺口的子鏈DNA進(jìn)行重組交換，將母鏈DNA上相應(yīng)的片段填補(bǔ)子鏈缺口處，而母鏈DNA出現(xiàn)缺口。以另一條子鏈DNA為模板，經(jīng)DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填補(bǔ)母鏈DNA的缺口，最后由DNA連接酶連接，完成修補(bǔ)。 重組修復(fù)圖示重組修復(fù)圖示 重組修復(fù)重組修復(fù)不能完全去除損傷，損傷的DNA區(qū)段仍然保留在親代DNA鏈上，只是重組修復(fù)后合成的DNA分子是不帶有損傷的，但經(jīng)多次復(fù)制后，損傷就被“沖淡”了，在子代細(xì)胞中只有一個(gè)細(xì)胞是帶有損傷DNA的。 作用：校正DNA復(fù)制過程中出現(xiàn)的差錯(cuò)。 參與反應(yīng)的酶： DNA聚合酶 53聚合酶活性 3