遺傳育種學(xué)課件：基因突變與重組

基因突變與重組生物變異的來源基因重組（gene

recombination）：包括通過父母本雜交而產(chǎn)生染色體重新組合以及減數(shù)分裂時(shí)的染色體重組，這種變異服從于一般遺傳規(guī)律；突變（mutation）：由于遺傳物質(zhì)的改變而導(dǎo)致的變異，突變可分為2大類：細(xì)胞學(xué)水平上可看到的變異，包括染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)的改變，稱為染色體變異；細(xì)胞學(xué)水平上看不到的基因突變（gene

mutation）或稱點(diǎn)突變（pointmutation）。Chapter

9 基因突變與重組第一節(jié)

基因突變概述一、基因突變的類型1.

轉(zhuǎn)換（transition）DNA分子中的嘌呤為另一種嘌呤或嘧啶為另一種嘧啶所取代而引起的突變2.

顛換（transversion）DNA分子中的嘌呤被嘧啶取代或嘧啶被嘌呤取代所引起的突變。一、基因突變的類型3.

移碼突變（frameshift

mutation）DNA分子中插入或缺失一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)核苷酸，使整個(gè)閱讀框改變而引起的突變。二、基因突變的分子效應(yīng)1.

錯(cuò)義突變（missense

mutation）由于突變而導(dǎo)致一個(gè)氨基酸的密碼子被另一個(gè)氨基酸的密碼子所取代，大多數(shù)的突變屬于此類；2.同義突變（synonymous

mutation

or

silent

mutation）基因發(fā)生突變，但仍編碼同一種氨基酸，這是因?yàn)槊艽a子有簡并性；3.無義突變（nonsense

mutation）由于突變而使其某一編碼子突變?yōu)榻K止密碼子（UGA，UAG，UGG）;4.

延長突變（elongation

mutation）這是一類剛好與無義突變相反的突變，是由于終止密碼子突變?yōu)榫幋a子，使肽鏈延長。三、基因突變的一般特征1. 突變的稀有性：自發(fā)突變的突變率一般很低。如果在人工誘變條件下，突變率會(huì)大幅升高，有時(shí)可達(dá)幾千倍。自發(fā)突變（spontaneous

mutation）：在沒有人工特設(shè)的誘發(fā)條件下，由于外界環(huán)境的自然作用或生物體內(nèi)生理或生化變化而誘發(fā)的突變；誘發(fā)突變（induced

mutation）：由人工特設(shè)誘發(fā)因素而引起的突變；突變率（mutation

rate）：在一個(gè)世代中或其他規(guī)定的單位時(shí)間內(nèi)，一個(gè)細(xì)胞發(fā)生某一突變事件的概率。三、基因突變的一般特征三、基因突變的一般特征2. 突變的隨機(jī)性：具有時(shí)間、個(gè)體、細(xì)胞和基因上的隨機(jī)性。在生物個(gè)體發(fā)育的任何時(shí)期，在體細(xì)胞或性細(xì)胞中都可發(fā)生，但性細(xì)胞發(fā)生頻率要比體細(xì)胞高些。體細(xì)胞突變（somatic

mutations）配子突變（germinal

mutations）三、基因突變的一般特征突變的多方向性：基因的突變可以向多個(gè)方向進(jìn)行，一個(gè)基因A可以突變?yōu)閍1、a2、a3……an等而構(gòu)成所謂的復(fù)等位基因（multiple

alleles）。這些復(fù)等位基因可以從野生型基因突變產(chǎn)生，也可以從其它任何一個(gè)突變基因突變產(chǎn)生。重演性：同種生物的同一基因突變?yōu)橄嗤谋硇?，可以在不同個(gè)體間重復(fù)出現(xiàn)。例如果蠅的白眼突變就曾發(fā)生過幾次。獨(dú)立性：一個(gè)基因突變不影響其等位基因和其他基因發(fā)生突變。平行性：具有類似遺傳基礎(chǔ)和性狀的不同物種可發(fā)生同類型基因突變型，

如作物抗倒伏性。三、基因突變的一般特征7. 突變的可逆性：由野生型變?yōu)橥蛔冃?，稱為正向突變（forward

mutation）；反之有突變型也可變回成野生型，稱為逆向突變（reverse

mutation）?；貜?fù)突變（back

mutation）：對原來突變的嚴(yán)格逆轉(zhuǎn)；抑制（基因）突變（suppressormutation）：另一次突變可能發(fā)生在基因的其他位置，正好補(bǔ)償了第一次突變的效應(yīng)使其恢復(fù)到野生型的表型。Chapter

9 基因突變與重組第二節(jié)

誘發(fā)突變一、常用誘變劑及其誘變機(jī)理1. 物理誘變因素及其誘變機(jī)理射線（radiation）電離射線（ionizing

radiation）：X射線、γ射線、宇宙射線非電離射線（nonionizing

radiation）：紫外線一、常用誘變劑及其誘變機(jī)理1. 物理誘變因素及其誘變機(jī)理射線通過2個(gè)途徑對遺傳物質(zhì)發(fā)生作用直接作用：射線直接作用于遺傳物質(zhì)，如電離射線和紫外線都可引起DNA骨架斷裂，從而造成染色體畸變。UV可使DNA分子上相鄰的嘧啶成為二聚體，最常見的是胸腺嘧啶二聚體（T＝T）。一、常用誘變劑及其誘變機(jī)理1. 物理誘變因素及其誘變機(jī)理射線通過2個(gè)途徑對遺傳物質(zhì)發(fā)生作用間接作用：輻射首先作用于遺傳物質(zhì)外的其它物質(zhì)，使之發(fā)生變化，這些變化了的物質(zhì)再作用于遺傳物質(zhì)從而引起系列遺傳學(xué)效應(yīng)。例：X射線使細(xì)胞中的H2O產(chǎn)生H2O2和游離基團(tuán)H2O

+O2 OH

+

HO2 H2O2所形成的H2O2

、OH

和HO2以及它們產(chǎn)生的其它連鎖反應(yīng)才是真正的誘變劑，作用于染色體引起突變。一、常用誘變劑及其誘變機(jī)理2. 化學(xué)誘變劑及其作用機(jī)制烷化劑（Alkylating

agents）乙基甲磺酸（ethyl

methane

sulfonate，EMS）、亞硝基胍（nitrosoguanidine，NG）等。作用機(jī)制有一個(gè)或幾個(gè)不穩(wěn)定的烷基，可與核酸中的堿基起化學(xué)反應(yīng)，置換其中某些基團(tuán)的氫原子，從而改變堿基的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使DNA分子復(fù)制時(shí)出現(xiàn)堿基錯(cuò)配，導(dǎo)致基因突變。一、常用誘變劑及其誘變機(jī)理2. 化學(xué)誘變劑及其作用機(jī)制烷化劑作用機(jī)制通常，在EMS的作用下，烷基加到鳥嘌呤G的第6位氧原子上，導(dǎo)致與胸腺嘧啶T錯(cuò)配，下一輪DNA復(fù)制時(shí)，會(huì)產(chǎn)生CG－TA的突變。一、常用誘變劑及其誘變機(jī)理2. 化學(xué)誘變劑及其作用機(jī)制亞硝酸（HNO2）主要作用是氧化脫氨，A變?yōu)榇吸S嘌呤（H）；C經(jīng)氧化脫氨后變?yōu)閁；G變?yōu)辄S嘌呤（X）。一、常用誘變劑及其誘變機(jī)理2. 化學(xué)誘變劑及其作用機(jī)制堿基類似物5-溴尿嘧啶（5-BU）、2-氨基嘌呤作用機(jī)制溴尿嘧啶有不同的構(gòu)型：以酮式存在時(shí)可與A配對，以烯醇式存在時(shí)可與G配對。一、常用誘變劑及其誘變機(jī)理2. 化學(xué)誘變劑及其作用機(jī)制堿基類似物作用機(jī)制與DNA分子中堿基結(jié)構(gòu)十分相似的化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)DNA復(fù)制時(shí)，這些類似物可以以假亂真摻入到DNA分子中而引起誤配，引發(fā)基因突變。一、常用誘變劑及其誘變機(jī)理2. 化學(xué)誘變劑及其作用機(jī)制吖啶類染料可以插入DNA分子結(jié)構(gòu)中，誘發(fā)移碼突變，使DNA分子增加或缺失幾對核苷酸，在復(fù)制或轉(zhuǎn)錄時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)配，導(dǎo)致突變。羥基化劑羥胺（NH2OH），這一誘變劑幾乎只和Ｃ發(fā)生反應(yīng)，而不與其它三種堿基發(fā)生反應(yīng)。所以它只能引起G/C——A/T的轉(zhuǎn)換。二、誘變劑的檢測Ames’試驗(yàn)法（The

Ames

Test）:利用是否能引起鼠傷寒沙門氏菌組氨酸缺陷型（hisˉ）菌株的回復(fù)突變來判斷化學(xué)物質(zhì)是否誘變劑和致癌劑，組氨酸缺陷型在基本培養(yǎng)基不能生長，如發(fā)生回復(fù)突變則能生長。不同的菌株可以檢測不同的突變類型的誘變劑。例如：TA1535(rfa

ΔuvrB

hisG46):

堿基置換TA1536(rfa

Δ

uvrB

hisC207):

移碼突變，GC對缺失TA1537(rfa

ΔuvrB

hisC3076):

移碼，GC對增加二、誘變劑的檢測Ames’試驗(yàn)法（The

Ames

Test）:Chapter

9 基因突變與重組第三節(jié)

DNA損傷的修復(fù)第三節(jié)

DNA損傷的修復(fù)光復(fù)活作用（photo

reactivation）經(jīng)UV照射后的細(xì)菌等細(xì)胞暴露在可見光下時(shí)，存活數(shù)明顯大于黑暗培養(yǎng)。細(xì)胞中含有一種酶（光復(fù)合酶，DNA

photolyase），可與經(jīng)UV照射過的DNA在黑暗中結(jié)合，但需經(jīng)可見光激活，可將嘧啶二聚體分開，同時(shí)酶脫離DNA;光復(fù)活過程已在細(xì)菌、酵母、原生動(dòng)物、哺乳動(dòng)物乃至人類細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)。第三節(jié)

DNA損傷的修復(fù)光復(fù)活作用（photo

reactivation）第三節(jié)

DNA損傷的修復(fù)切除修復(fù)（excision

repair）修復(fù)DNA的損傷并不需要光的激活作用，而是在DNA內(nèi)切酶、DNA聚合酶、DNA外切酶和DNA連接酶等共同作用下，將DNA分子受損傷的部分切除，并以完整的一條鏈為模板，合成切除的部分使DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)的過程。切除修復(fù)存在2種主要的類型：base

excision

repair

systems：去除DNA異?；蚧瘜W(xué)修飾的堿基；nucleotide

excision

repair

pathways：修復(fù)大的缺陷如胸腺嘧啶二聚體。第三節(jié)

DNA損傷的修復(fù)baseexcisionrepair

systems第三節(jié)

DNA損傷的修復(fù)nucleotideexcisionrepair

pathways第三節(jié)

DNA損傷的修復(fù)重組修復(fù)（recombination

repair）在DNA復(fù)制情況下進(jìn)行，又稱復(fù)制后修復(fù)；帶有二聚體的DNA單鏈仍為模板進(jìn)行復(fù)制，但子代DNA鏈中與二聚體對應(yīng)部位出現(xiàn)空隙；有缺口子代DNA鏈與另1完整母鏈進(jìn)行重組，空隙由母鏈片段彌補(bǔ)而將空隙轉(zhuǎn)移給母鏈；重組后，空缺已不再對著二聚體部位，而是面對另一正常單鏈，在DNA多聚酶和連接酶作用下完成修復(fù)過程。第三節(jié)

DNA損傷的修復(fù)重組修復(fù)（recombination

repair）第三節(jié)

DNA損傷的修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)（mismatch

repair）第三節(jié)

DNA損傷的修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)（mismatch

repair）第三節(jié)

DNA損傷的修復(fù)SOS修復(fù)系統(tǒng)（SOS

repair）也稱差錯(cuò)傾向修復(fù)（error

prone

repair）；DNA受到嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)，細(xì)胞處于危急狀態(tài)或DNA2條鏈損傷臨近時(shí)，損傷不能被切除修復(fù)或重組修復(fù)，誘導(dǎo)SOS修復(fù)；隨機(jī)補(bǔ)充核苷酸，保持了DNA雙鏈的完整性，但給細(xì)胞帶來很高的突變率，是一種帶來差錯(cuò)的修復(fù)。第三節(jié)

DNA損傷的修復(fù)DNA損傷修復(fù)的缺陷著色性干皮病

xeroderma

pigmentosumChapter

9 基因突變與重組第四節(jié)

DNA

重組的分子機(jī)制第四節(jié)

DNA

重組的分子機(jī)制同源重組（homologous

recombination）發(fā)生在減數(shù)分裂時(shí)期的同源染色體的非姊妹染色單體之間，染色體或DNA分子之間相互交換同源片段。關(guān)于真核生物同源重組的分子解釋大多衍生于1964年Robin

Holliday提出的模型，我們稱為Holliday模型。，Holliday模型異源雙鏈DNA聯(lián)會(huì)；2染色單體雙鏈DNA中各1單鏈為核酸內(nèi)切酶切斷；單鏈交換，形成重組連接點(diǎn)；連接，形成異源雙鏈；分支遷移；接合分子分開呈十字型結(jié)構(gòu)；兩臂旋轉(zhuǎn)，形成Holliday中間體；上下2單鏈由限制性內(nèi)切酶切斷；DNA連接，中間包含雜合雙鏈的2染色單體兩旁基因(A和B，a和b之間)發(fā)生重組.Holliday模型雙鏈斷裂模型（double

strand

break

model）核酸內(nèi)切酶在一條染色單體的雙鏈DNA分子切開一個(gè)雙鏈切口；切口在核酸外