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1、制作: 王洪刚 李斯深,1,基因突变(gene mutation):染色体上某一基因位点内部发生了化学性质(结构)的变化,与原来基因形成对性关系。 例如:植物高秆基因D突变为矮秆基因d。经典遗传学(基因论)认为:基因就是一个“点”,在染色体上具有一定的位置和相互排列关系,而基因突变就是一个点的改变,是以一个整体进行突变。因此从经典遗传学水平看,基因突变又称为“点突变”(point mutation)。 摩尔根等1910年发现果蝇眼色的突变(Ww),并进行鉴定与分析,从而明确证实基因突变的存在。,第10章 基因突变,制作: 王洪刚 李斯深,2,基因突变的发生:在自然条件下广泛、大量存在; 自然发
2、生:自然界的因素; 人工诱发:理化因素,更高突变频率。 基因突变形成的不同等位基因及相对性状差异是人们发现该基因(位点)存在的前提; 是生物进化过程中自然选择的最根本基础; 也是生物遗传育种的重要基础。 矮秆基因的利用; 植物雄性不育基因(细胞质基因突变)的利用。,第10章 基因突变,制作: 王洪刚 李斯深,3,第一节 基因突变的时期和特征 第二节 基因突变与性状表现 第三节 基因突变的鉴定 第四节 基因突变的分子基础 第五节 基因突变的诱发 第六节 转座因子,第10章 基因突变,制作: 王洪刚 李斯深,4,由基因突变而表现突变性状的细胞或个体,称为突变体或突变型(mutant)。 显性突变:
3、 突变产生的新基因对原来的基因表现为显性。 隐性突变: 突变产生的新基因对原来的基因表现为隐性。,第一节 基因突变的时期和特征,制作: 王洪刚 李斯深,5,第一节 基因突变的时期和特征,(一)基因突变的时期,生物个体发育的任何时期均可发生: 性细胞(突变)突变配子后代个体; 体细胞(突变)突变体细胞组织器官。 体细胞突变的保留与芽变选择。 性细胞的突变频率比体细胞高: 性母细胞与性细胞对环境因素更为敏感。 (等位)基因突变常常是独立发生的: 在体细胞中如果隐性基因发生显性突变,当代就会表现出来,同原来性状并存,形成镶嵌现象或称嵌合体(chimaera) 突变时期不同,其表现也不相同 嵌合体,制
4、作: 王洪刚 李斯深,6,三、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、独立性 (五)、 突变的稀有性 (六)、 突变的随机性,制作: 王洪刚 李斯深,7,(一)、突变的重演性和可逆性,突变的重演性: 同一突变可以在生物的不同个体上多次发生。 同一基因突变在不同的个体上均可能发生; 不同群体中发生同一基因突变的频率相近。,制作: 王洪刚 李斯深,8,(一)、突变的重演性和可逆性,突变的可逆性:基因突变的发生方向是可逆的。 正突变(forward mutatio
5、n):显性基因A隐性基因a; 反突变(reverse mutation):隐性基因a显性基因A。 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、发生功能改变,表现为隐性基因。所以反突变又称为回复突变(back mutaiton)。 通常用u表示正突变频率、v表示反突变频率,则: 正突变u 野生型=突变型 反突变v,制作: 王洪刚 李斯深,9,正突变与反突变的频率,正突变与反突变发生的频率一般都不相同。多数情况下:正突变率总是高于反突变率。 原因在于: 正常野生型基因内部存在许多可突变部位,其中之一结构改变均会导致其功能改变; 但是一旦突变发生,要回复正常
6、野生型功能则只能由原来发生突变的部位恢复原状。,制作: 王洪刚 李斯深,10,(二)、突变的多方向性与复等位基因,突变的多方向性:指基因突变可以多方向发生,即基因内部多个突变部位分别改变后会产生多种等位基因形式。 例如:A基因不同部位发生改变产生突变基因a1、a2、a3等对A均表现为隐性的基因。新基因可能均是无功能的,也可能各具不同功能。,复等位基因(multiple allele):位于同一基因位点上的多种各个等位基因。 在二倍体与异源多倍体中,同一位点只能有一对基因,最多存在两种等位基因形式;因此复等位基因的各种形式会存在于生物群体的不同个体中。,制作: 王洪刚 李斯深,11,人类ABO血
7、型的复等位基因,人类红细胞表面抗原的特异性由3个复等位基因IA,IB,i决定。 其中IA,IB对i均为显性; IA,IB间为共显性。 3种基因两两组合可能形成6种基因型、4种红细胞表面抗原反应类型,如下表所示(其中用IO表示i):,制作: 王洪刚 李斯深,12,烟草的自交不亲和性基因,自交不亲和性(self-incompatibility):植物自花授粉不结实,而株间授粉可能结实的现象。 烟草属有两个野生种(Nicotiana forgationa与N. alata)表现自交不亲和性。 这一特性由15个复等位基因(S1, S2, , S15)控制,称为自交不亲和基因。 研究表明:其原因是具有某
8、一基因的花粉粒不能在具有相同基因的柱头上萌发、伸长,因而不能完成受精过程。也即:柱头对具有相同基因的花粉粒具有拮抗作用。 其机理如下图,制作: 王洪刚 李斯深,13,野生烟草交配亲和性遗传机理,制作: 王洪刚 李斯深,14,(三)、突变的有害性和有利性,突变的有害性: 大多数基因的突变,对生物的生长与发育往往是有害的。 生物的野生型基因都是正常有功能的; 生物细胞内现有的基因是通过长期自然选择进化而来,并且基因间达到某种相对平衡与协调状态。 因此,基因突变可能会导致: 基因间及相关代谢过程的协调关系被破坏。 基因突变与表现往往会导致当代生物个体: 性状变异、个体发育异常、生存竞争与生殖能力下降
9、,甚至死亡致死突变。,制作: 王洪刚 李斯深,15,致死突变,致死突变:指发生突变后会导致特定基因型个体死亡的基因突变。 大多数致死突变都为隐性致死(recessive lethal),只有突变后代中的隐性纯合体才表现为致死的效应。少数致死突变表现为显性致死(dominant lethal),带有突变基因的个体都会死亡。如: 人的神经胶症(epiloia)基因。 如果致死突变发生在性染色体上,将产生伴性致死(sex linked lethal)现象。,制作: 王洪刚 李斯深,16,小鼠(Mus musculus)毛色遗传的隐性致死突变,在正常黑色鼠中发现一种黄色突变型,杂合体(黄色)自群交配、
10、杂合体与黑色鼠交配结果如下图所示。 研究表明:黄色基因(AY)在毛色上表现为显性,但是同时具有显性纯合致死效应;AYAY个体胚胎阶段即死亡,所以杂合体自群交配毛色会表现2:1。,制作: 王洪刚 李斯深,17,制作: 王洪刚 李斯深,18,植物隐性白化突变,与叶绿体形成有关的基因多达50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成,产生白化苗。 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。如下图所示:,制作: 王洪刚 李斯深,19,2. 突变的有利性,突变的有害与有利性是相对的: 主要针对突变性状表现当代个体而言; 同时也主要是对生物本身的生长发育、繁殖而言。 在某
11、些情况下,基因突变的有害与有利性可以转化: 对突变性状表现当代及后代群体而言: 例如:抗逆性(抗生物、非生物协迫); 对后代群体在特殊环境中生存而言: 例如:作物矮秆突变型在多风与高肥环境下; 又如:果蝇残翅突变型在多风海鸟环境下。 对人类需求与利用而言: 如:作物矮秆突变型的利用; 又如:作物雄性不育突变型的利用。,制作: 王洪刚 李斯深,20,3. 中性突变,中性突变:指突变型的性状变异对生物个体生活力与繁殖力没有明显的影响,在自然条件下不具有选择差异的基因突变。 生物进化过程中自然环境对生物的选择主要依据生物在竞争条件生活力与繁殖力的差异。在特定环境下生活力与繁殖力相对较高的类型(各种突
12、变型)被保存下来;反之则淘汰。 没有生活力与繁殖力差异的类型则是随机地保留下来,因此某些性状在生物群体内多种突变型与突变基因共同存在。,制作: 王洪刚 李斯深,21,(四)、突变的平行性,指亲缘关系相近的物种因为遗传基础比较接近,往往会发生相似的基因突变。 根据这一学说,如果一个物种或更大的生物分类单位中存在某种类型的变异,与其同类的生物中也可以预期得到这些变异类型。如:禾本科植物籽粒性状变异、矮秆突变。,制作: 王洪刚 李斯深,22,第二节 基因突变与性状表现,一、显性突变和隐性突变的表现,一对等位基因同时突变的概率非常低,所以突变发生当代一般都是杂合体,显性突变与隐性突变的性状表现也有所不
13、同; 显性突变和隐性突变自交后代中检测到突变型的早晚、获得纯合体的快慢也有所不同: 如果用M表示突变世代,M1为突变发生当代,其自交后代分别用M2(M3, )表示,显隐性突变的检出与纯合情况。 天然突变也因生物繁殖方式不同而异: 自花授粉/异花授粉。,制作: 王洪刚 李斯深,23,显性突变与隐性突变的检出与纯合,制作: 王洪刚 李斯深,24,二、大突变与微突变的表现,细胞内基因所控制的性状各有不同,因此不同基因突变引起的表型变异程度也不相同。 大突变:突变基因的效应表现明显,容易识别。 一般是控制质量性状的主效基因的突变。 微突变:突变基因的表型变异微小,较难识别。 主要是控制质量性状的微效应
14、基因发生的突变。 微突变所产生的变异也就是数量性状变异,因此应采用数量遗传的方法进行研究。 已有研究表明:微突变中有利突变率更高,而且可以通过多基因的累加效应产生显著效应,因而在育种中也具有非常高的应用价值。,制作: 王洪刚 李斯深,25,*基因突变的相关研究内容,当基因突变表现出来之后,就要对其进行深入的研究与利用,相关的研究内容可能包括: 突变的产生:如何产生、提高突变率、控制突变方向; 突变的真实性鉴定:是否能稳定遗传; 突变基因的性质:显性/隐性; 突变频率的测定; 其它深入研究: 基因定位(染色体定位与连锁分析); 基因克隆、测序(分子水平); 遗传与表达机制(生理生化); 育种应用
15、(杂交育种、转基因)。,制作: 王洪刚 李斯深,26,第三节 基因突变的鉴定,一、植物基因突变的鉴定,(一)突变真实性的鉴定 原始材料与变异体在一致的环境条件下种植(培育); 对两类个体进行性状考察与比较分析(进行方差分析); 根据试验结果进行判定: 两类个体间没有差异不可遗传变异(环境变异); 差异仍然存在存在真实差异为突变体。 分子水平鉴定方法: 蛋白质产物的差异分析; DNA(RFLP、RAPD等方法)。,(二)突变显隐性的鉴定,制作: 王洪刚 李斯深,27,(三)突变率的测定,1. 基因突变的频率 突变率(mutation mate)指生物在一个世代中在特定条件下发生某一突变的概率。
16、也就是突变体占该世代个体的比例。 有性生殖生物: 用突变配子占总配子比例(配子发生突变的概率)表示; (单细胞)无性繁殖生物: 每一世代中细胞发生突变的频率。,制作: 王洪刚 李斯深,28,2. 自然突变频率,自然条件下基因突变率一般较低,并随生物种类、基因而异: 不同生物种类的基因突变率: 高等植物: 110-5-110-8; 低等生物,如细菌: 110-4-110-10; 人: 110-4-110-6. 同一物种的不同基因的天然突变率也明显不同:,制作: 王洪刚 李斯深,29,3. 花粉直感法测定突变(诱变)率,玉米籽粒胚乳:非甜(Su)甜(su) P: 甜粒亲本(susu)非甜粒亲本(S
17、uSu) G: su Susu F1: Susu(非甜) susu(甜粒) 正常花粉粒后代 突变花粉粒后代,诱变处理,制作: 王洪刚 李斯深,30,4. 体细胞诱变频率测定,对种子(胚)进行诱变处理,突变可能发生于: 叶原基 叶片; 叶腋原基 分蘖(有效分蘖/无效分蘖); 茎尖生长点 主穗及后发生分蘖。 发生显性突变: 突变当代M1相应器官表现突变性状。 发生隐性突变: 突变当代M1并不表现突变性状; 其自交后代M2将有部分个体表现突变性状。 这时往往用M2中突变体比例来表示突变率(例)。,制作: 王洪刚 李斯深,31,制作: 王洪刚 李斯深,32,二 生化突变的鉴定, Beadle, G.
18、W.(1941)通过红色面包霉突变研究发现:基因是通过酶的作用控制性状表现,提出 “一个基因一个酶”假说(如图所示)。,制作: 王洪刚 李斯深,33,生化突变及相关概念,生化突变:由于诱变因素影响导致生物代谢功能的变异。可以对正常个体与变异个体的生化特性研究以分析基因的作用机制。 野生型(wild type)与原养型(prototroph) 野生型是指存在于自然界中没有经过基因突变,具有正常生化代谢功能的遗传类型; 原养型指具有与野生型相同营养需求与表现的遗传类型,有时特指突变型恢复为与野生型相同的个体。 营养缺陷型(auxotroph) 因基因突变丧失了某种生活物质合成能力,在基本培养基上不
19、能正常生长,需加入相应营养成分的突变型。,制作: 王洪刚 李斯深,34,(一) 红色面包霉的生化突变型,野生型红色面包霉能在基本培养基上正常生长。 水、无机盐、糖类、微量生物素(酶促合成)必需的复杂有机物 几种生化突变型: 突变型a:精氨酸 (精氨酸合成缺陷型); 突变型c:精氨酸或瓜氨酸 (瓜氨酸合成缺陷型); 突变型o:精氨酸、瓜氨酸或鸟氨酸 (鸟氨酸合成缺陷型)。 研究表明,精氨酸是蛋白质合成的必需氨基酸,而其合成途径为:,制作: 王洪刚 李斯深,35,(二)红色面包霉生化突变的鉴定方法,突变的诱发:X射线或UV照射分生孢子,再与野生型交配,产生分离的子囊孢子 突变的鉴定: 突变的真实性
20、:在基本培养基上培养 能够生长未发生营养缺陷型突变; 不能生长可能发生营养缺陷型突变。 突变的类型(哪类型营养缺陷型突变?): 氨基酸?(加入各种氨基酸)不能生长。 维生素?(加入各种维生素)能够生长。 进一步鉴定具体类型: 硫胺素(VB1)、吡醇素(VB6)、泛酸、肌醇。,制作: 王洪刚 李斯深,36,红色面包霉生长突变的诱发和鉴定,制作: 王洪刚 李斯深,37,三 人类基因突变的鉴定,制作: 王洪刚 李斯深,38,第四节 基因突变的分子基础,一 基因突变的类型,经典遗传学认为: 基因是染色体上的一个点。 现代基因概念认为: 基因是DNA分子带有遗传信息的碱基序列区段; 基因是由众多碱基对构
21、成,此时将一个碱基对称为基因的一个座位(site); 而将基因在染色体上的位置则称为位点(locus)。,制作: 王洪刚 李斯深,39, 根据突变所引起的表型改变分为: 形态突变型; 生化突变型; 致死突变型; 条件致死突变型。 根据基因结构的改变方式: 分子结构改变(碱基替换;倒位) 移码(插入与缺失)突变,一 基因突变的类型,制作: 王洪刚 李斯深,40,碱基对替换,制作: 王洪刚 李斯深,41,根据突变所引起的遗传信息意义的改变:,一 基因突变的类型,错义突变(missense mutation):是指DNA分子中碱基改变后引起密码子变化,导致所编码的氨基酸发生替代,从而影响蛋白质功能,
22、以至影响到突变体的表型(图a)。 无义突变(nonsense mutation):是指由于DNA的碱基改变导致编码氨基酸的密码子突变成终止密码子。这种突变引起mRNA 翻译提前终止,产生一条短的不完整的多肽链。无义突变通常对所编码的蛋白活性有严重影响,产生突变的表型(图b)。 同义突变(沉默突变 silent mutation):是指DNA分子中的碱基改变后,突变的密码子仍然编码原来的氨基酸,并没有引起多肽链中氨基酸的变化。沉默突变对蛋白质的功能无影响,不会引起表型突变(图c),它们以多态的形式在生物体DNA中积累,引起同种生物不同个体间DNA序列的变化。,制作: 王洪刚 李斯深,42,不同碱
23、基改变造成的突变 (a)错义突变;(b)无义突变;(c)沉默突变,一 基因突变的类型,制作: 王洪刚 李斯深,43,基因突变 血红蛋白链基因突变,制作: 王洪刚 李斯深,44,缺失、扦入和重排引起的突变,一 基因突变的类型,制作: 王洪刚 李斯深,45,一 基因突变的类型,制作: 王洪刚 李斯深,46,一 基因突变的类型,制作: 王洪刚 李斯深,47,二 突变的修复,(一) DNA的防护机制 密码简并性 密码的结构可以使突变的机会减少到最小程度 回复突变 某个座位遗传密码的回复突变可使突变型恢复成原来的野生型,尽管回复突变的频率比正突变频率低得多。 抑制 有基因间抑制和基因内抑制。前者指控制翻
24、译机制的抑制者基因,通常是tRNA基因发生突变,而使原来的无义突变、误义突变或移码突变恢复成野生型。后者指突变基因另一座位上的突变掩盖了原来座位的突变(但未恢复原来的密码顺序),使突变型恢复成野生型。,致死和选择 如果防护机制未起作用,一个突变可能是致死的 二倍体和多倍体 高等生物的多倍体具有几套染色体组,每个基因都有几份,故能比二倍体和低等生物表现强烈的保护作用,制作: 王洪刚 李斯深,48,(二) DNA的修复,1. 光修复 UV是一种有效的杀菌剂。如果使照射后的细菌处于黑暗的条件下,杀死细菌的量与UV的照射剂量成正比。如果照射后让细菌暴露于可见光的条件下,存活细菌较多。 UV照射能引起很
25、多变异,最明显的变异是引起胸腺嘧啶二聚体()。其次是产生水合胞嘧啶(图106)。,制作: 王洪刚 李斯深,49, 结构在DNA螺旋结构上形成一个巨大的凸起或扭曲,这对DNA分子好象是个“赘瘤”。这个“瘤”被一种特殊的巡回酶(patroling enzyme),例如光激活酶(photoreacting enzyme)所辨认,在有蓝色光波的条件下,二聚体被切开,DNA回复正常。这种经过解聚作用使突变回复正常的过程叫做光修复(light repair),光修复过程,制作: 王洪刚 李斯深,50,某些DNA的修复工作可不需光也能进行,例如,大肠杆菌中的UVrA突变体的修复过程由四种酶来完成(图108)
26、:首先由核酸内切酶在 一边切开,然后由核酸外切酶在另一边切开,把和邻近的一些核苷酸切除;第三种酶(DNA聚合酶)把新合成的正常的核苷酸片段补上;最后由连接酶把切口缝好,使DNA的结构恢复正常。这类修复系统称为暗修复(dark repair),或切除修复(excision repair)。,2. 暗修复,制作: 王洪刚 李斯深,51,重组修复(recombination repair)必须在DNA复制后进行,因此又称为复制后修复。这种修复并不切除胸腺嘧啶二聚体。 含 结构的DNA仍可进行复制,但子DNA链在损伤部位出现缺口 完整的母链与有缺口的子链重组,缺口通过DNA聚合酶的作用,以对侧子链为模
27、板由母链合成的DNA片段弥补。 最后在连接酶作用下以磷酸二酸键连接新旧链而完成重组修复。,3. 重组修复,制作: 王洪刚 李斯深,52,制作: 王洪刚 李斯深,53,在切割和修补过程中,特别是新补上的核苷酸片段,有时会造成差错,差错的核苷酸会引起突变(图1010)。实际上由UV照射引起的这类突变,并不是二聚体本身引起,常常是上述修补过程中的差错形成的,(二) DNA的修复,制作: 王洪刚 李斯深,54, SOS修复(SOS repair)属于后复制修复(post-replication repair)体系。SOS反应是DNA受到损伤或脱氧核糖核酸的复制受阻时的一种诱导反应。在E. coli 细
28、胞的DNA合成过程中,这种反应由recA-lexA系统调控。SOS 反应发生时,可造成损伤修复功能的增强。如uvrA、uvrB、uvrC、uvrD、ssb、recA、recN和ruv基因发达从而增强切除修复、复制后修复和链断裂修复。SOS修复允许新生的DNA链越过损害部分而生长,但可在该区段甚至其它区段产生错配碱基,于是很容易产生新的突变,4. SOS修复,制作: 王洪刚 李斯深,55,三 自发突变的机理,自发突变(spontaneous mutation)是指在自然状态下未经诱变剂处理而出现的突变。自发突变可能是由于DNA复制错误、碱基的异构互变效应、自发的化学变化和转座因子等多种原因引起的
29、。 1 DNA复制错误 在DNA复制过程中,可能产生碱基的错配,带有错配碱基的DNA在下一次复制时,则会引起碱基的替代,从而引起DNA分子的错误。 由于DNA分子中的碱基本身存在着交替的化学结构,称为互变异构体(tautomer),当碱基以它稀有的形式出现时就可能与错误的碱基配对,这种碱基化学结构的改变过程称为互变异构移位(tautomeric shift)。,制作: 王洪刚 李斯深,56,三 自发突变的机理,制作: 王洪刚 李斯深,57,碱基的互变异构可以在DNA复制过程中自发发生。它导致的碱基替代如果是发生在同类碱基之间,即一种嘌呤被另一种嘌呤替代,或一种嘧啶被另一种嘧啶替代,这称为转换(
30、transition); 若碱基的替代发生在异类碱基之间,即一种嘌呤被一种嘧啶替代,或反之,则称为颠换(transversion)。,三 自发突变的机理,制作: 王洪刚 李斯深,58,在DNA复制时有时新合成链或模板链会发生错误的环出或跳格(slippage),从而导致移码突变(frameshift mutation)、缺失或重复。 图: DNA复制中的错误环出产生的碱基插入和缺失,三 自发突变的机理,制作: 王洪刚 李斯深,59,2 自发的化学变化 引起自发突变的最常见化学变化是碱基的脱嘌呤(depurination)和脱氨基(deamination)。 脱嘌呤是自发化学变化中最常见的一种,
31、它是由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键断裂,从而引起一个鸟嘌呤或一个腺嘌呤从DNA分子上脱落下来。 研究发现,在37条件下培养一个哺乳动物细胞20小时,会有数以千计的嘌呤通过脱嘌呤作用自发地脱落。如果这种损伤得不到修复,就会引起很大的遗传损伤,因为在DNA复制过程中,无嘌呤位点将没有特异碱基与之互补,而可能随机地选择一个碱基插进去,结果导致突变。,三 自发突变的机理,制作: 王洪刚 李斯深,60,脱氨基作用是指在一个碱基上去掉氨基,常见的是胞嘧啶(C)和5-甲基胞嘧啶(5mC),它们脱氨基后分别变成尿嘧啶(U)和胸腺嘧啶(T),从而使DNA分子受到损伤。 由于在DNA中U不是一个正常碱基,因此如果它
32、不被除去修复,在DNA复制中它将与腺嘌呤(A)配对,导致原来的GC碱基对转变为AT碱基对。,三 自发突变的机理,图: 脱氨基造成的碱基转换,制作: 王洪刚 李斯深,61,在生物基因组内存在的可移动DNA序列转座因子(transposon)或插入序列(insertion sequence),通过在基因组内的移动也经常引起基因功能的失活或改变。 现已知道,在玉米、果蝇等生物中发生的一些典型突变就是由于这类可移动DNA序列的插入所引起的。,三 自发突变的机理,图: 转座子或插入序列引起基因突变的机制,制作: 王洪刚 李斯深,62,一、物理因素诱变 (一)电离辐射诱变, 1. 种类: 粒子辐射:射线、
33、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。,第五节 基因突变的诱发,制作: 王洪刚 李斯深,63,3. 原理:基因的化学物质(DNA)发生电离作用,当电离辐射的射线碰撞基因任何分子时,射线的能量使基因任何分子的某些原子外围的电子脱离轨道,于是这些原子就从中性变为带正电荷的离子,这叫做“原发电离”。在射线经过的通路上,在形成大量离子对的过程中所产生的电子,多数尚有较大的能量,能引起第二次电离。这叫做“次级电离”。由于从一个原子外层脱离轨道的电子必然被另一个原子所捕获,所以离子是成对出现的,称为离
34、子对。次级电离的结果,轻则造成基因分子结构的改组,产生突变了的新基因,重则造成染色体的断裂,引起染色体结构的畸变 间接作用,制作: 王洪刚 李斯深,64,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: 突变率与辐射总剂量成正比; 突变率与剂量率(辐射强度的影响)无关。,4. 电离辐射诱变的作用规律,制作: 王洪刚 李斯深,65,(二)非电离辐射诱变,物理诱变的非特异性: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可言。,主要是紫外线(380-15nm): 紫外线的作用机制: 激发作用 使原子外围的电
35、子活跃起来,造成基因分子链的离新。这些分子链已经离析的基因在重新组合的时候,不免要发生差错,于是出现基因突变。 紫外线(UV)特别作用于嘧啶,使得同链上邻近的嘧啶核苷酸之间形成多价的联合。最通常的结果是促使胸腺嘧啶联合成二聚体;或是将胞嘧啶脱氨成尿嘧啶,或是将水加到嘧啶的C4、C5位置上成为光产物。它可以削弱CG之间的氢键,使DNA链发生局部分离或变性。,制作: 王洪刚 李斯深,66,二、化学因素诱变,诱变剂及其种类: 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
36、合成或破坏DNA分子结构。 (一)妨碍DNA某一成分合成 这类诱变物质有5氨基尿嘧啶、8乙氧基咖啡碱、6疏基嘌呤等。前二种碱基妨碍嘧啶的合成,6疏基膘呤妨碍嘌呤的合成,从而导致被处理生物的突变。,制作: 王洪刚 李斯深,67,(二)碱基类似物替换,碱基类似物,有5溴尿嘧啶(5BU),5溴去氧尿核苷、2氨基嘌呤等。这类与DNA碱基类似的化合物,常常能参入到DNA分子中去,好像是它的正常组成成分。它们对DNA的复制影响不大,而是在DNA复制时引起碱基配对上的差错,最终导致碱基对的替换,引起突变。 转换(transition) :嘌呤被嘌呤、嘧啶被嘧啶替换的现象 颠换(transversion:指嘌
37、呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤的替换,制作: 王洪刚 李斯深,68, 5溴尿嘧啶的分子结构与胸腺嘧啶基本相同,它的氢键原子也和胸腺嘧啶完全一样,常常以酮式状态和腺嘌呤配对(A5BUk)。正常的酮式结构比较经常地转移成互变异构体烯醇式结构(5BUe) 。烯醇式结构具有胞嘧啶的氢键特性,容易和鸟嘌呤(G)配对。 当DNA复制时,醇式的5溴尿嘧啶配对成G5BUe的核苷酸对。下一次复制时,鸟嘌呤按正常情况和胞嘧啶配对,引起ATGC的改变。同样,GC也可以改变成AT,5溴尿嘧啶,制作: 王洪刚 李斯深,69,(三)直接改变DNA某些特定的结构,凡是能和DNA起化学反应并能改变碱基氢键特性的物质,叫做DNA诱变剂。
38、属于这类诱变剂的有亚硝酸、烷化剂和羟胺等。 亚硝酸可以在pH5的缓冲溶液中通过氧化作用,以氧代替腺膘玲和胞嘧啶C6位置上的氨基,使腺嘌呤(A)变成次黄嘌呤(H)、胞嘧啶(C)变成尿嘧啶(U) 改变了的碱基,它的氢键特性也改变了。H的配对特性象G,容易和C配对成HC;U的配对特性象T,和A配对成AU。在下一次DNA复制时完成ATGC,GCAT的转换。,制作: 王洪刚 李斯深,70,烷化剂是目前应用最广泛而有效的诱变剂。最常用的有甲基磺酸乙酯(EMS),甲基磺酸甲酯(MMS)、亚硝酸胍等。 它们都带有一个或多个活泼的烷基,这些烷基能够移到其它电子密度较高的分子中去,从而改变氢键的结合能力。 烷化作
39、用最容易发生在G的N7位置上,形成7烷基鸟嘌呤。7烷基鸟嘌呤可与胸腺嘧啶配对,使GCAT转换 烷化作用使DNA的碱基容易受到水解而从DNA链上裂解下来,造成碱基的缺失 烷化剂的另一个作用是与磷酸结成不稳定的磷酸酯,磷酸酯水解成磷酸和脱氧核糖,使DNA链断裂,从而引起突变,制作: 王洪刚 李斯深,71,(四)引起DNA复制的错误,某些诱变剂,例如,2氨基吖啶、 ICR170(ICR是美国一个癌症研究所的简称,指烷化剂和吖啶类相结合的化合物)等能嵌入DNA双链中心的碱基之间,引起单一核替酸的缺失或插入。,制作: 王洪刚 李斯深,72,第六节 转座因子,转座遗传因子又叫可移动因子,是指一段特定的DN
40、A序列。它可以在染色体组内移动,从一个位点切除,插入到一个新的位点。这种切除和移动,能够引起基因的突变或染色体重组。 它是McClintock(1956)在玉米上首先发现的。这是遗传学发展史上重要的里程碑之一。,一 转座因子的发现和鉴定,制作: 王洪刚 李斯深,73,玉米转座子,解离因子(Ds)染色体的断裂 控制因子(Ac)可以转座,控制Ds因子转座,在一个试验中,Ds从原来的位点转移到C基因座位。Ds插入C座位后引起: 第一染色体在C位点发生断裂;第二Cc的基因突变。 这种突变在Ac因子不存在时是稳定的,种子糊粉层无色,植株也不产生色素;但在Ac存在时,有些细胞可以发生由cC的回复突变,所以
41、种子糊粉层和植株都会出现有色斑点,制作: 王洪刚 李斯深,74,(二)转座因子的结构特性,(一)原核生物的转座因子,1插入因子 插入因子(insertion sequence,IS)是已知具有转座能力最简单的遗传因子,长度大都小于2kb,最少的如IS1只用768bp。 它们的一个共同特征是,在它们的末端都具有一段反向的重复序列(IR)。但其长度并不一定相等。例如IS10左边IR序列是17bp,右边是22bp。,制作: 王洪刚 李斯深,75,是由几个基因组成的特定的DNA片段,而且往往带有抗菌素抗性基因,所以易于鉴定。根据结构特性的不同,分为: 复合转座子:由2个同样的IS因子连接抗菌素抗性片段
42、的两侧构成的。 Tnp3系转座子:长度约为5000bp。末端有一对38bp的IR序列。每个转位子都带有3个基因:一个是编码对氨苄青霉素抗性的内酰胺酶(lactamase)基因,其它二个是编码与转座作用有关的基因,TnpA和TnpR,2转座子(transposons),制作: 王洪刚 李斯深,76,3. Mu噬菌体(Mu),是大肠杆菌的温和噬菌体,溶源化后,能起到转座子的作用。和转座子一样,它也含有与转座有关的基因和反向重复序列。Mu能够整合进寄主染色体,催化一系列染色体重新排列。,制作: 王洪刚 李斯深,77,(二)真核生物的转座因子, Ac因子:4563bp,带有两个与转座有关的基因,这两个
43、酶基因从一个连接它们的共同起点开始,分别向两个方向进行转录。在两个基因未端还有两个不编码的序列,最后是由11个核苷酸组成的反向重复区。它通过由8个核苷酸组成的靶子位点重复DNA与受体基因连接起来。, Ds因子大小差别很大。Ds9很象Ac,只是缺失3194个核苷酸。而一个最小的Ds因子只有Ac长度的1/10,仅仅包括了Ac因子的未端反向重复区(图1017),制作: 王洪刚 李斯深,78,转座机制研究最清楚的是细菌的转座子。转座子的转座一方面依赖于必要的结构两端的IR序列,另一方面依赖于基因的作用。和转座有关的蛋白质一般都由转座子本身的基因所编码。转座过程是一个非同源重组过程,通过这一重组过程转座子出现在一个新的位置上,可是原来位置上的转座子并不消失。虽然已经有一些企图说明转座过程的分子机制模型,但它们的确切机制还有待进一步研究。,制作: 王洪刚 李斯深,79,三 转座因子的应用,作为基因的标记克隆目的基因,
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