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1、第十章 遗传物质的改变（二）基因突变,第一节 基因突变概说,基因突变（gene mutation）：是指一个基因内部可以遗传的结构改变，是基因分子内部在某种条件作用下所发生的一个或几个核苷酸的改变，导致结构蛋白或酶的改变，从而影响有机体的大小、品质、颜色、结构和生长率等性状的改变。基因突变一般在染色体结构上是看不到的，所以又称点突变（point mutation）。实际上点突变与染色体畸变的界限并不明确，特别是微细的畸变更是如此。,一、基因突变的类型,根据诱发的原因，基因突变可分为以下两个类型：1.自发突变（spontaneous mutation），所谓的自发突变，是指在没有人工特设的诱发条
2、件下，由于外界环境的自然作用或生物体内生理或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。2.诱发诱变：这是指由人工特设诱发因素而引起的突变。,根据突变引起的表型特征，可将突变分为：,形态突变（morphological mutation），是泛指能造成外形改变的突变。,普通绵羊的四肢较长，而突变体安康羊的四肢很短。普通水稻株高一般在1.50m以上，矮秆突变体2080cm。,形态突变：,苹果,人类的白化症,根据突变引起的表型特征，可将突变分为：,致死突变（lethal mutation）：是指能造成个体死亡的突变，
3、致死突变型又可分为全致死突变型（以上死亡），亚致死突变（50%90%死亡）；半致死突变（10%50%死亡）和弱致死突变（10%以下死亡）。显性致死：杂合态即有致死。隐性致死：纯合态才有致死 镰刀形贫血症、植物白化基因等,根据突变引起的表型特征，可将突变分为：,3条件致死突变（conditional lethal mutation)：指在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。例如：噬菌体T4的温度敏感突变型在25时能在E.coli宿主中正常生长，形成噬菌斑，但在42时就不能这样。4生化突变（biochemical mutation)：指没有形态效应，但导致某种特定生化功能改变的突
4、变。例：链孢霉的氨基酸突变型某种氨基酸才能生长,二、基因突变的一般特征,基因突变表现出以下几个方面的普遍特征：(一)、突变的重演性和可逆性(二)、突变的多方向性与复等位基因(三)、突变的有害性和有利性(四)、突变的平行性,突变频率：,突变频率是指生物体在每一世代中（单细胞生物以每一细胞）发生突变的频率，也就是一定时间内突变可能发生的次数。突变频率一般是很低的，不同的生物，不同的基因其突变率相差较大。如果在人工诱变条件下，突变频率可以大大提高，有时可达几千倍。,指突变体占观察总个体数的比例。高等生物：110-6 110-8 低等生物：110-4110-8,突变发生的时期和部位：,从理论上讲，突变
5、可以发生在生物个体发育的任何时期，在体细胞或性细胞中都可发生，但性细胞发生的频率要比体细胞高些。,突变的多方向性：,基因的突变可以向多个方向进行，一个基因可以突变为a1、a2、a3an等而构成所谓的复等位基因（multiple alleles）。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。,突变的重演性：,指同种生物的同一基因突变为相同的表型，可以在不同个体间重复出现。例如果蝇的白眼突变就曾发生过几次。,突变的可逆性：,即可发生回复突变，显性基因可以突变为隐性基因，而隐性基因也可以突变为显性基因，前者称为正向突变（forward mutation）。后者称为反
6、问突变或回复突变（back mutation）。正向突变和反向突变的发生频率是不一样的。在多数情况下，正向突变率总是高于反向突变率。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。需要指出的是，由于缺失而引起的突变不能发生回复突变。,基因突变是可逆的：正突变 u A a 反突变 v在多数情况下，即uv,突变的有害性与有利性：,多数事例表明，突变大多数是有害的。这是因为生物经长期的自然选择，产生了与外界环境相同协调的关系，这种关系一旦因突变而改变便可能干扰内部的生理生化过程，所以大部分突变对生物体是不利的。少数
7、的突变能促进和加强某些生命活力，所以是有利的突变。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件。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作用。,第二节 突 变 的 检 出 和 应 用,一、果蝇性连锁突变的检出二、链孢霉营养缺陷型突变的检出三、大肠杆菌营养缺陷型的检出四、人的突变的检出,一、果蝇性连锁突变的检出,（1）鉴别果蝇X染色体上基因的隐性突变 ClB方法 ClB品系（一条X染色体上为ClB，另一条正常）C：在X染色体上有一个大的倒位（inversion），代表Crossove suppressor,使它不能和另一同源染
8、色体之间发生交换。L：是一个lethal recessive X-Linked gene B：Bar eye 显性棒眼基因,一、果蝇性连锁突变的检出,ClB方法是让经过不同处理后受检的雄果蝇和ClB雌果蝇交配，F1 2：1，其中的半数雌蝇带ClB染色体，它的另一条X染色体则来自父本，可能带有隐性突变基因而不表现。新的隐性致死基因（l）一般也不会是l的等位基因，故这些雌蝇仍可存活。,一、果蝇性连锁突变的检出,（1）鉴别果蝇X染色体上基因的隐性突变 Muller-5技术：检出果蝇X染色体上的隐性突变特别是致死突变，这与ClB原理一样。Muller-5品系的X染色体上：B（Bar 棒眼）Wa（apr
9、icot 杏色眼）Sc(Scute,小盾片少刚毛）倒位：可抑制Mullers的X染色体,一、果蝇性连锁突变的检出,实验时，把野外采集的，或经诱变处理的雄蝇，与Muller-5雌蝇交配，得到子一代后，做单对交配，看子二代的分离情况。如有致死突变，F2中没有野生型雄蝇，如有隐性的可见突变，则除Muller-5雄蝇外，出现具有可见突变的雄蝇。,图,（2）果蝇常染色体上突变的检出 果蝇常染色体上的致死突变也可以被检出，但要经过三代。例如：要检出果蝇第二染色体上的突变基因 可利用平衡致死系统一条第二染色体上 显性基因Cy（curly,翻翅）纯合致死，还有一个大倒位另一条第二染色体上 显性基因S（star
10、,星状眼）纯合致死 Cy+Cy+S+S Cy+S 该平衡致死系统，同时又是倒位杂合体。检出过程如下：,P1331图,在子三代时：（1）如最初第2染色体上不带致死基因，则有1/3左右的野生型（2）如最初第2染色体含有致死基因，则只有翻翅果蝇（3）如最初第2染色体上会有隐性可见突变，则除翻翅果蝇外，还有1/3左右的突变型。（4）如最初第2染色体上含有半致死突变，则野生型很少。,二、链孢霉营养缺陷型突变的检出,1、菌丝过滤法（可将野生型与突变型分离）链孢霉不受青霉素的影响，但是可以用菌丝过滤法把野生型和突变型分离。野生型的孢子能在基本培养基中萌发并长成菌丝，而缺陷型则一般不萌发或不能长成菌丝。这些萌
11、发的分生孢子就可以用棉花过滤去掉，未萌发的分生孢子继续留在液体培养基中。,二、链孢霉营养缺陷型突变的检出,2、营养缺陷型突变的检出与鉴定1945年，美国遗传学家Beadle和生物化学家Tatium研究出检测链孢霉营养缺陷型突变的方法。基本根据：野生型菌株能合成一系列化合物-基本培养基上生长；缺陷型菌株 不能在基本培养基上生长;能在完全培养基上生长;能在基本培养基它所不能合成的物质-生长。（图）,二、链孢霉营养缺陷型突变的检出,这样依次分析下去，就可知道是哪种AA或哪种维生素不能合成。为了进一步确定发生的变异是由那一个基因控制的，还要将经过上述方法检出的突变型，跟不同交配型的野生型交配。看产生的
12、子囊孢子的发育，表现出来什么样的分离现象，如果表现为1：1的分离，即4个是野生型，4个是突变型，那就表明是一个基因突变。,三、大肠杆菌营养缺陷型的检出,1、影印接种法（影印培养法 Replica-plating technique）E.coli 诱变剂 E.coli稀释 完全培养基Master plate（主平皿）基本培养基上（Replica plate）对照Master plate 和 Replica plate 相应位置所长菌落情况，在Replica plate上相应位置不长，而在Master plate 相应位置所长的菌落即为营养缺陷突变。（图）在复制平板上（基本培养平板上）添加适当的物
13、质，便能鉴别特定类型的营养缺陷型。,三、大肠杆菌营养缺陷型的检出,2、青霉素法这种方法只适用于细菌，当把经诱变处理的大肠杆菌（含突变型和野生型）培养在含有青霉素的基本培养基中时。野生型 E.coli可生长繁殖，蛋白质等物质进行合成，但由于青霉素作用，细胞壁不再增大，导致细胞破裂而死亡。营养缺陷型 E.coli不能生长，而避免了青霉素的致死作用，得以保存（处于休止状态）将青霉素除去，补加其他营养，如氨基酸等，如果有菌落生长，就说明这些菌落是氨基酸缺陷型。,四、人的突变的检出,1、家系分析（pedigree analysis）和出生调查 常染色体隐性突变难以检出。很可能是由于两个杂合个体的婚配，而
14、不是由于隐性突变。显性突变的起源比较容易检出。在人类方面，突变率的估计方法之一是根据家系中有显性性状的患儿的出现。在这些家系中，祖先各代是没有这些性状的；如双亲一方也有同一遗传病，则这名患儿应除去不计。,四、人的突变的检出,例如：软骨发育不全（achondroplasia）由常染色体显性基因引起，患者四肢粗短。Mrch(1941)调查，在94075活产儿中，发现10例为本病患者，其中2例的一方亲本也是本病患者，所以应该除去不计，其余8例的双亲正常，可以认为是新突变的结果。则每个基因的突变率是（102）/2（940722）4.210-5,四、人的突变的检出,下面是一个上眼睑下垂的家系，先证者的父
15、母表型正常，说明是新产生的突变。,四、人的突变的检出,2目前用的较多的检出人类突变的另一方法，是筛选各种蛋白质或酶的微小变异：例如：镰型细胞贫血症患者基因型Hbs Hbs 血红蛋白（S）(SS)正常为 HbA HbA 血红蛋白（A）（AA)杂合体 Hbs HbA 具两种血红蛋白的A和S(AS)A与S两种血红蛋白电泳的迁移率不同，通过电泳可以分辩,四、人的突变的检出,四、人的突变的检出,现已知Hbs是 6Gluval该方法的局限是并不是所有氨基酸的代换都能引起蛋白质分子电荷的变化，因此，不是所有氨基酸的改变都能用电泳检出。分子水平：RFLP、AFLP 等、基因组序列分析等。,第三节 基因突变的诱
16、发,一、物理因素诱变(一)电离辐射诱变(二)非电离辐射诱变二、化学因素诱变三、诱发突变的应用,(一)电离辐射诱变,1.种类：粒子辐射：射线、射线(32P、35S)、中子(60钴、137铯)；电磁波辐射：X射线、射线。2.方法：外照射：中子、X射线、射线；内照射：射线、射线。3.原理：基因的化学物质(DNA)发生电离作用。原发电离与次级电离。碱基对、碱基结构破坏、改变基因突变；磷酸二酯键断裂、染色体断裂重接染色体结构变异。,(一)电离辐射诱变,4.电离辐射诱变的作用规律辐射剂量的表示方法：X射线、射线：伦琴(R)；中子：积分流量(n/cm2)；射线：微居里(cu/g)。突变率与辐射剂量：突变率与
17、辐射总剂量成正比；突变率与剂量率(辐射强度的影响)无关。,(二)非电离辐射诱变,主要是紫外线(380-15nm)：紫外线的作用机制：激发作用穿透能力与处理方法最有效波长260nm(嘌呤、嘧啶的共轭环)间接诱变作用物理诱变的非专性：对DNA分子及其核苷酸残基无选择性，所以没有专化性和特异性。,二、化学因素诱变,1.诱变剂及其种类与作用机制：烷化剂：使碱基烷基化、改变碱基形成氢键的能力，从而改变碱基配对关系；碱基类似物：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，改变碱基配对关系；抗生素：阻碍碱基合成或破坏DNA分子结构。2.作用特点：具有一定的碱基特异性。,三、诱发突变的应用,1.提高基因突变率；2.获得更丰富的突变类型；3.改良生物的个别性状。,
