突 变 染 色 体 变 异 与 基 因 突 变 突 变 (mutation)( 狄 弗 里 斯, 1901) 突 然 发 生 的 可 遗 传 变 异 遗 传 物 质 的 结 构 及 其 功 能 改 变 ( 与 遗 传 重 组 相 对 ) 染 色 体 变 异 (chromosome mutation)

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1 遗 传 物 质 基 础 细 胞 学 基 础 分 子 基 础 三 大 遗 传 规 律 分 离 规 律 独 立 分 配 规 律 连 锁 遗 传 规 律 数 量 性 状 数 量 性 状 遗 传 细 胞 质 基 因 细 胞 质 遗 传 ( 重 组 突 变 ) 变 异 不 可 遗 传 变 异 ( 环 境 ) 遗 传 变 异 重 组 (recombination) 等 位 基 因 分 离 组 合 非 等 位 基 因 自 由 组 合 连 锁 基 因 交 换 重 组 基 因 突 变 (mutation) 核 基 因 突 变 细 胞 质 基 因 突 变 染 色 体 变 异 结 构 变 异 ( 重 排 ) 数 目 变 异 1

2 突 变 染 色 体 变 异 与 基 因 突 变 突 变 (mutation)( 狄 弗 里 斯, 1901) 突 然 发 生 的 可 遗 传 变 异 遗 传 物 质 的 结 构 及 其 功 能 改 变 ( 与 遗 传 重 组 相 对 ) 染 色 体 变 异 (chromosome mutation) 通 常 在 细 胞 学 水 平 ( 光 学 显 微 镜 ) 可 观 察 识 别 范 围 超 出 一 个 基 因 位 点 (locus) 基 因 突 变 (gene mutation) 一 个 基 因 位 点 (locus) 内 部 结 构 改 变 2

3 第 五 章 基 因 突 变 (Gene Mutation) 新 基 因 的 产 生 突 变 表 现 突 变 基 因 鉴 定 突 变 形 成 机 理 人 工 诱 变 应 用 ( 新 基 因 的 发 掘 与 利 用 ) 3

4 第 五 章 基 因 突 变 (p ) 134) Gene Mutation 第 一 节 基 因 突 变 的 概 念 与 意 义 (p ) 第 二 节 基 因 突 变 的 一 般 特 征 第 三 节 基 因 突 变 与 性 状 表 现 第 四 节 基 因 突 变 的 筛 选 与 鉴 定 第 五 节 基 因 突 变 的 分 子 机 制 第 六 节 基 因 突 变 的 诱 发

5 一 基 因 突 变 的 概 念 (p111) 基 因 ( 位 点 ) 内 部 发 生 了 化 学 性 质 的 变 化 不 改 变 基 因 在 染 色 体 上 的 位 置 新 基 因 与 原 基 因 成 等 位 对 性 关 系 如 : 植 物 高 秆 基 因 D 矮 秆 基 因 d 点 突 变 (point mutation) 基 因 论 : 基 因 = 点 (point) 基 因 突 变 就 是 该 点 整 体 改 变 ( 最 小 的 突 变 单 位 ) 5

6 变 异 体 与 突 变 体 (p111) 变 异 体 (variant) 表 现 性 状 变 异 的 生 物 个 体 细 胞 来 源 : 环 境 变 异 遗 传 重 组 基 因 突 变 染 色 体 变 异 观 察 分 析 水 平 : 表 现 型 突 变 体 / 突 变 型 (mutant) ( 广 义 ) 由 于 突 变 而 表 现 性 状 变 异 的 生 物 个 体 细 胞 来 源 : 染 色 体 结 构 变 异 ( 狭 义 ) 基 因 突 变 ( 携 带 突 变 基 因 的 生 物 体 细 胞 ) 观 察 分 析 水 平 : 遗 传 物 质 结 构 与 功 能 野 生 型 (wild type) 6

7 基 因 突 变 的 发 生 基 因 突 变 的 证 实 摩 尔 根 等 (1910): 果 蝇 眼 色 基 因 突 变 (W w) 基 因 突 变 是 生 物 界 中 广 泛 存 在 的 现 象 各 种 生 物 各 种 基 因 均 会 发 生 突 变 不 同 ( 复 ) 等 位 基 因 都 是 由 突 变 产 生 的 7

8 基 因 突 变 实 例 8

9 自 发 突 变 与 诱 发 突 变 自 发 ( 天 然 ) 突 变 (spontaneous mutation): 频 率 低 自 然 因 素 ( 生 物 自 身 及 天 然 环 境 因 素 ) DNA 复 制 错 误 差 错 修 复, 辐 射 化 学 物 质 等 诱 发 突 变 (induced mutation) 人 工 因 素 ( 以 诱 变 为 目 的 使 用 诱 变 剂 ) 物 理 化 学 诱 变 剂 9

10 自 发? 人 工? 人 祸! 丽 素 红 苏 丹 红 人 工 色 素 父 母 化 学 物 暴 露 大 麻 麦 角 酸 二 乙 基 酰 胺 (LSD) 可 卡 因 类 毒 品 等 引 起 ras( 原 癌 基 因 ) 突 变 子 女 患 急 性 成 淋 巴 细 胞 白 血 病 (ALL) 频 率 显 著 增 加 10

11 二 基 因 突 变 的 意 义 (p112) 基 因 突 变 产 生 新 基 因, 形 成 等 位 基 因 遗 传 功 能 基 因 型 与 表 型 差 异 研 究 生 物 基 因 遗 传 功 能 进 行 遗 传 分 析 的 前 提 自 然 选 择 ( 生 物 进 化 ) 最 根 本 的 基 础 遗 传 改 良 的 重 要 基 础 与 途 径 ( 生 理 发 育 模 式 ) 矮 秆 基 因 的 利 用 雄 性 不 育 基 因 ( 细 胞 质 / 核 基 因 突 变 ) 的 利 用 11

12 基 因 突 变 与 生 物 遗 传 改 良 12

13 第 二 节 基 因 突 变 的 一 般 特 征 (p ) 116) 一 突 变 的 重 演 性 二 突 变 的 可 逆 性 三 突 变 的 多 方 向 性 四 突 变 的 有 害 性 与 有 利 性 五 基 因 突 变 的 平 行 性

14 一 突 变 的 重 演 性 (p112) 相 同 的 突 变 可 在 同 种 生 物 的 不 同 个 体 上 重 复 发 生 每 一 个 体 上 均 可 能 发 生 不 同 群 体 表 现 一 定 的 基 因 突 变 发 生 频 率 突 变 率 与 突 变 频 率 14

15 突 变 率 与 突 变 频 率 突 变 率 (mutation rate) 某 一 基 因 在 单 位 时 间 ( 如 一 个 世 代 细 胞 世 代 ) 内 发 生 突 变 的 频 率 突 变 频 率 (mutation frequency) 一 个 生 物 世 代 群 体 中 突 变 体 的 比 例 有 性 生 殖 生 物 : 配 子 发 生 突 变 的 频 率, 即 突 变 配 子 占 总 配 子 的 比 例 单 细 胞 / 无 性 繁 殖 生 物 : 细 胞 发 生 突 变 的 频 率, 突 变 细 胞 在 细 胞 总 数 的 比 例 15

16 自 然 突 变 ( 频 ) 率 自 然 突 变 率 一 般 很 低 ( 稀 有 性 ), 并 因 生 物 基 因 而 异 高 等 动 植 物 : 低 等 生 物, 如 细 菌 : 人 类 : 同 一 物 种 不 同 基 因 天 然 突 变 率 也 明 显 不 同 16

17 双 突 变 发 生 与 突 变 纯 合 体 形 成 非 等 位 基 因 间 等 位 基 因 间 突 变 独 立 发 生 基 因 结 构 的 独 立 性 非 等 位 基 因 双 突 变 str S lac + str R lac = 等 位 基 因 同 时 突 变 RR rr ( ) 2 =

18 二 突 变 的 可 逆 性 (p113) 基 因 突 变 的 发 生 方 向 是 可 逆 的 正 突 变 (forward mutation) 野 生 型 基 因 突 变 型 基 因 反 突 变 (reverse mutation)/ 回 复 突 变 (back mutaiton) 突 变 型 基 因 野 生 型 基 因 用 u 表 示 正 突 变 率 v 表 示 反 突 变 率, 则 : 18

19 正 突 变 与 反 突 变 的 频 率 多 数 情 况 下 正 突 变 率 高 于 反 突 变 率 野 生 型 基 因 碱 基 序 列 中 任 何 一 个 碱 基 ( 突 变 子, 突 变 的 最 小 单 位 ) 改 变 都 可 能 导 致 ( 基 因 功 能 丧 失 改 变 ) 正 突 变 一 旦 突 变 发 生 突 变 型, 要 回 复 野 生 型 正 常 功 能 ( 反 突 变 ) 则 只 能 由 原 来 发 生 突 变 的 部 位 恢 复 原 状 例 : 大 肠 杆 菌 组 氨 酸 合 成 基 因 his + his his his

20 基 因 突 变 与 染 色 体 结 构 变 异 基 因 突 变 与 染 色 体 结 构 变 异 基 因 突 变 可 回 复 染 色 体 结 构 变 异 一 般 不 可 回 复 基 因 突 变 一 般 不 是 由 于 基 因 物 质 的 丧 失, 而 遗 传 物 质 发 生 了 化 学 结 构 性 质 变 化 所 致 20

21 显 性 突 变 与 隐 性 突 变 隐 性 突 变 (recessive mutation) 显 性 基 因 隐 性 基 因 功 能 丧 失 性 突 变 (loss of function mutation) 无 效 突 变 (null mutation): 功 能 完 全 丧 失 渗 漏 突 变 (leaky mutation): 部 分 丧 失 正 突 变 显 性 突 变 (dominant mutation) 隐 性 基 因 显 性 基 因 功 能 获 得 性 突 变 (gain of function mutation) 回 复 突 变 部 分 正 突 变 21

22 三 突 变 的 多 方 向 性 (p ) 115) 基 因 突 变 可 以 多 方 向 发 生 显 性 基 因 A 不 同 碱 基 ( 对 ) 改 变 突 变 基 因 a 1 a 2 a 3 等 突 变 基 因 可 能 无 功 能 ( 之 间 无 表 型 差 异 ), 对 A 为 隐 性 ; 也 可 能 各 具 不 同 功 能 ( 功 能 上 形 成 复 等 位 基 因 ) 分 子 基 础 基 因 内 部 多 个 突 变 部 位 ( 突 变 子 ) 分 别 先 后 改 变 产 生 多 种 突 变 形 式 ( 功 能 ) 22

23 果 蝇 眼 色 突 变 类 型 23

24 果 蝇 眼 色 基 因 多 方 向 突 变 24

25 人 类 ABO 血 型 的 复 等 位 基 因 (p114) 25

26 烟 草 属 自 交 不 亲 和 性 基 因 (p ) 115) 植 物 自 交 不 亲 和 性 (self incompatibility) 自 花 授 粉 不 结 实, 而 株 间 授 粉 可 能 结 实 的 现 象 栽 培 甘 蓝 大 白 菜 等 烟 草 属 的 两 个 野 生 种 (Nicotiana forgationa 与 N. alata) 表 现 自 交 不 亲 和 性 15 个 复 等 位 基 因 (S 1, S 2,, S 15 )( 自 交 不 亲 和 基 因 ) 具 有 某 一 基 因 的 花 粉 不 能 在 具 有 相 同 基 因 的 柱 头 上 萌 发 伸 长 不 能 完 成 受 精 非 随 机 结 合 / 非 随 机 交 配 26

27 烟 草 属 交 配 亲 和 性 遗 传 机 理 (p115) 27

28 四 突 变 的 有 害 性 与 有 利 性 (p ) 116) 大 多 数 基 因 突 变 对 突 变 体 生 长 发 育 是 有 害 的 野 生 型 基 因 通 常 是 正 常 有 功 能 的 细 胞 内 现 有 基 因 是 通 过 长 期 进 化 而 来, 基 因 间 达 到 一 定 的 平 衡 与 协 调 基 因 突 变 可 能 会 导 致 基 因 原 有 功 能 丧 失 ( 或 改 变 ) 基 因 间 及 相 关 功 能 的 协 调 关 系 被 破 坏 基 因 突 变 与 表 现 往 往 会 导 致 突 变 体 性 状 缺 陷 生 活 力 降 低 和 育 性 降 低 (p115 例 ) 极 端 情 况 下 导 致 突 变 体 死 亡 致 死 突 变 28

29 植 物 隐 性 白 化 突 变 (p79) 玉 米 中 与 叶 绿 体 形 成 有 关 的 基 因 多 达 50 多 对 许 多 基 因 突 变 ( 丧 失 功 能 ) 白 化 苗 ( 叶 绿 素 缺 乏 ) 白 化 苗 不 能 进 行 光 合 作 用, 幼 苗 子 叶 / 胚 乳 中 养 料 耗 尽 时 死 亡 29

30 显 性 致 死 与 隐 性 致 死 (p115) 大 多 数 已 知 致 死 突 变 都 为 隐 性 致 死 (recessive lethal), 即 突 变 纯 合 体 致 死 植 物 隐 性 白 化 突 变 小 鼠 黄 毛 皮 色 基 因 纯 合 致 死 突 变 少 数 已 知 致 死 突 变 表 现 为 显 性 致 死 (dominant lethal), 带 有 突 变 基 因 的 杂 合 体 即 致 死 人 的 神 经 胶 症 (epiloia) 基 因 (p79) 显 性 致 死 不 一 定 比 隐 性 致 死 发 生 得 少 配 子 合 子 期 胚 胎 发 育 早 期 伴 性 致 死 (sex linked lethal) 现 象 30

31 突 变 的 有 利 性 (p115) 有 害 性 是 相 对 的 对 突 变 体 本 身 生 长 发 育 繁 殖 在 某 些 情 况 下, 基 因 突 变 可 能 是 有 利 的 少 数 基 因 突 变 对 突 变 体 当 代 及 后 代 群 体 而 言 抗 逆 性 ( 抗 生 物 非 生 物 协 迫 ) 对 后 代 群 体 在 特 定 环 境 中 生 存 而 言 作 物 矮 秆 突 变 型 在 多 风 高 肥 环 境 下 果 蝇 残 翅 突 变 型 在 多 风 海 岛 环 境 下 对 人 类 需 求 与 利 用 而 言 作 物 矮 秆 突 变 型 雄 性 不 育 突 变 型 31

32 水 稻 小 麦 倒 伏 32

33 非 洲 疟 疾 流 行 与 镰 形 贫 血 病 基 因 高 频 地 区 33

34 中 性 性 状 (neutral character)(p115) 突 变 型 野 生 型 没 有 明 显 的 生 存 与 繁 殖 能 力 差 异, 没 有 进 化 选 择 差 异 如 : 水 稻 芒 的 有 无 小 麦 颖 壳 颜 色 等 进 化 过 程 中 不 同 性 状 ( 基 因 ) 随 机 保 留 遗 传 漂 变 (p357) 34

35 五 突 变 的 平 行 性 (p116) 亲 缘 关 系 相 近 的 物 种 往 往 发 生 相 似 基 因 突 变 具 有 相 似 遗 传 基 础 遗 传 背 景 代 谢 类 型 形 成 相 似 的 性 状 表 现 类 型 ; 同 等 ( 或 近 似 ) 程 度 地 在 自 然 群 体 中 保 存 应 用 如 : 禾 本 科 植 物 籽 粒 性 状 变 异 矮 秆 突 变 等 物 种 间 亲 缘 关 系 初 步 分 析 突 变 / 诱 变 型 的 预 测 35

36 36

37 第 五 章 基 因 突 变 (p ) 134) Gene Mutation 第 一 节 基 因 突 变 的 概 念 与 意 义 第 二 节 基 因 突 变 的 一 般 特 征 第 三 节 基 因 突 变 与 性 状 表 现 第 四 节 基 因 突 变 的 筛 选 与 鉴 定 第 五 节 基 因 突 变 的 分 子 机 制 第 六 节 基 因 突 变 的 诱 发

38 一 基 因 突 变 的 性 状 变 异 类 型 (p ) 117) 根 据 突 变 基 因 效 应 ( 性 状 变 异 ) 的 可 辨 识 程 度 形 态 突 变 (morphological mutation) 生 化 突 变 (biochemical mutaiton)( 营 养 缺 陷 型 ) 致 死 突 变 (lethal mutation) 条 件 致 死 突 变 (conditional lethal mutation) 抗 性 突 变 (resistant mutation) 上 述 类 型 并 非 严 格 的 归 类 几 乎 所 有 性 状 变 异 都 可 以 追 溯 到 代 谢 水 平 大 多 数 突 变 都 是 条 件 型 突 变 38

39 二 显 性 突 变 和 隐 性 突 变 的 表 现 (p117) 突 变 的 稀 有 性 与 独 立 性 二 倍 纯 合 体 通 过 一 代 突 变 产 生 突 变 纯 合 体 的 几 率 极 低 一 般 情 况 下, 二 倍 体 生 物 突 变 当 代 为 杂 合 体 显 隐 性 突 变 性 状 表 现 早 晚 检 出 纯 合 突 变 体 快 慢 不 同 显 性 突 变 表 现 早 纯 合 慢 隐 性 突 变 表 现 晚 纯 合 快 39

40 显 性 突 变 与 隐 性 突 变 的 表 现 与 纯 合 (p117) 40

41 三 体 细 胞 与 性 细 胞 突 变 (p117) 生 物 个 体 发 育 任 何 时 期 ( 任 何 细 胞 ) 均 可 发 生 体 细 胞 (somatic cell) 突 变 细 胞 组 织 器 官 生 殖 细 胞 (germ cell) 突 变 配 子 后 代 个 体 体 细 胞 突 变 (somatic mutation) 显 性 突 变 嵌 合 体 (mosaic/chimera) 突 变 体 区 (mutant sector) 及 其 大 小 隐 性 突 变 不 表 现 植 物 芽 变 (bud mutation) 形 成 与 选 择 林 木 果 树 园 艺 植 物 41

42 动 植 物 体 细 胞 突 变 形 成 嵌 合 体 42

43 三 体 细 胞 与 性 细 胞 突 变 (p117) 性 细 胞 突 变 (sexual ~) 种 系 突 变 (germinal ~) 显 性 突 变 : 突 变 后 代 隐 性 突 变 : 自 花 授 粉 纯 合 突 变 后 代 异 花 授 粉 可 能 长 期 杂 合, 不 产 生 突 变 后 代 突 变 时 期 不 同, 其 表 现 也 不 相 同 43

44 基 因 突 变 时 期 与 性 状 表 现 (p ) 118) 突 变 时 期 显 性 突 变 隐 性 突 变 ( 或 下 位 性 突 变 ) 高 等 生 物 ( 二 倍 体 ) 性 细 胞 体 细 胞 M 1 表 现 突 变 性 状 M 1 表 现 为 嵌 合 体, 突 变 体 区 大 小 取 决 于 突 变 早 晚 M 1 不 表 现 突 变 性 状,M 2 才 表 现 突 变 性 状 M 1 不 表 现 突 变 性 状, 往 往 不 能 被 发 现 保 留 低 等 生 物 ( 单 倍 体 ) 有 性 生 殖 无 性 生 殖 表 现 突 变 性 状 44

45 四 大 突 变 与 微 突 变 (p ) 119) 突 变 基 因 产 生 性 状 变 异 程 度 也 存 在 差 异 大 突 变 (macromutation) 性 状 变 异 明 显 易 识 别, 个 体 间 一 般 表 现 为 类 别 差 异 微 突 变 (micromutaton) 性 状 变 异 微 小 较 难 区 别, 个 体 差 异 常 用 数 量 指 标 衡 量 微 突 变 在 育 种 中 越 来 越 受 重 视 微 突 变 中 有 利 突 变 率 更 高 多 基 因 累 积 也 可 产 生 显 著 效 应 分 子 标 记 辅 助 选 择 45

46 第 四 节 基 因 突 变 的 筛 选 与 鉴 定 (p ) 123) 变 异 体 相 关 研 究 可 能 包 括 变 异 来 源 : 遗 传 变 异? 哪 一 类 型 遗 传 变 异? 获 得 ( 检 出 ) 纯 合 突 变 体 突 变 基 因 的 性 质 ( 显 性 / 隐 性 ) 测 定 突 变 率 突 变 机 制 : 如 何 产 生 诱 变 ( 提 高 突 变 率 ) 控 制 突 变 方 向 突 变 基 因 的 深 入 研 究 与 利 用 基 因 定 位 ( 染 色 体 定 位 与 连 锁 分 析 ) 基 因 克 隆 测 序 ( 分 子 水 平 分 子 生 物 学 与 基 因 工 程 ) 遗 传 与 表 达 机 制 ( 生 理 生 化 与 基 因 表 达 调 控 等 ) 育 种 应 用 ( 如 : 杂 交 育 种 基 因 工 程 ) 46

47 一 微 生 物 基 因 突 变 的 筛 选 与 鉴 定 (p ) 121) 微 生 物 的 特 征 与 基 因 突 变 研 究 形 态 结 构 较 简 单, 形 态 变 异 类 型 少 代 谢 基 础 较 简 单 生 化 突 变 ( 营 养 缺 陷 型,p116) 培 养 基 营 养 条 件 ( 条 件 ) 致 死 突 变 培 养 条 件 抗 性 突 变 特 定 抑 制 剂 选 择 培 养 法 (selective culture) 筛 选 突 变 型 ( 重 组 型 ) 鉴 定 基 因 的 遗 传 功 能 47

48 红 色 面 包 霉 及 其 营 养 缺 陷 型 野 生 型 红 色 面 包 霉 基 本 培 养 基 ( 水 无 机 盐 糖 类 及 生 物 素 ) 酶 促 合 成 氨 基 酸 维 生 素 碱 基 等 营 养 缺 陷 型 突 变 补 充 ( 营 养 ) 培 养 基 : 基 本 培 养 基 + 某 种 ( 些 ) 营 养 物 质 完 全 培 养 基 基 本 培 养 基 + 全 部 可 能 需 要 的 营 养 物 质 48

49 突 变 诱 发 筛 选 与 鉴 定 (p ) 121) (1) 突 变 的 诱 发 个 体 分 离 (2) 突 变 体 筛 选 ( 真 实 性 鉴 定 ) 基 本 培 养 基 ( 选 择 培 养 ) 能 够 生 长 未 发 生 营 养 缺 陷 型 突 变 不 能 生 长 发 生 了 营 养 缺 陷 型 突 变 (3) 突 变 的 鉴 定 ( 选 择 培 养 鉴 定 突 变 基 因 功 能 ) 哪 类 营 养 缺 陷 型 突 变? 加 入 各 种 氨 基 酸 ( 不 能 生 长 ) 不 是 氨 基 酸 缺 陷 型 加 入 各 种 维 生 素 ( 能 够 生 长 ) 是 某 种 维 生 素 缺 陷 型 哪 种 维 生 素? 硫 胺 素 (VB 1 ) 吡 醇 素 (VB 6 ) 泛 酸 肌 醇 49

50 红 色 面 包 霉 突 变 的 诱 发 和 鉴 定 (p120) 50

51 * 另 一 个 例 子 另 一 个 例 子 51

52 一 个 基 因 一 个 酶 假 说 (p121) 红 色 面 包 霉 几 种 突 变 型 (Beadle & Tatum, 1941) 突 变 型 a: 精 氨 酸 ( 精 氨 酸 缺 陷 型 ) 突 变 型 c: 精 氨 酸 瓜 氨 酸 ( 瓜 氨 酸 缺 陷 型 ) 突 变 型 o: 精 氨 酸 瓜 氨 酸 鸟 氨 酸 ( 鸟 氨 酸 缺 陷 型 ) 精 氨 酸 合 成 途 径 一 个 基 因 一 个 酶 假 说 一 个 基 因 通 过 控 制 一 个 酶 合 成 来 控 制 特 定 生 化 反 应, 并 进 而 作 用 于 生 物 性 状 52

53 * 细 菌 生 化 突 变 筛 选 与 鉴 定 青 霉 素 (penicillin) 筛 选 法 / 青 霉 素 浓 缩 法 抑 制 细 菌 细 胞 壁 的 生 物 合 成 将 诱 变 处 理 后 的 细 菌 基 本 培 养 基 ( 含 青 霉 素 ) 野 生 型 生 长, 被 青 霉 素 杀 死 营 养 缺 陷 型 不 生 长 ( 休 止 状 态 ), 不 被 杀 死 完 全 培 养 基 ( 不 含 青 霉 素 ) 突 变 体 菌 落 影 印 培 养 法 筛 选 与 鉴 定 细 菌 与 病 毒 遗 传 一 章 介 绍 53

54 二 植 物 基 因 突 变 的 筛 选 与 鉴 定 (p ) 123) 高 等 动 植 物 基 因 突 变 筛 选 鉴 定 更 困 难 ( 原 因 ) 纯 合 原 始 材 料 自 然 ( 诱 发 ) 突 变 变 异 体 (1) 突 变 真 实 性 鉴 定 一 致 环 境 下 种 植 原 始 材 料 与 变 异 体 ( 试 验 设 计 ) 考 察 性 状 分 析 差 异 ( 统 计 分 析 ) 差 异 不 显 著 不 可 遗 传 变 异 差 异 显 著 遗 传 变 异 ( 突 变 体 ) (2) 突 变 性 质 鉴 定 突 变 体 与 原 始 材 料 杂 种 F 1 表 现 54

55 * 高 等 动 植 物 筛 选 鉴 定 困 难 的 原 因 群 体 大 小 动 物 的 突 变 群 体 受 到 空 间 时 间 和 资 金 限 制 植 物 突 变 群 体 逐 个 体 考 察, 发 现 突 变 体 困 难 二 ( 多 ) 倍 体 中 隐 性 突 变 不 表 现 受 显 性 等 位 基 因 掩 盖 遗 传 基 础 更 复 杂 遗 传 物 质 形 态 结 构 和 代 谢 基 础 更 复 杂, 缺 乏 生 化 突 变 筛 选 方 法 ( 如 : 选 择 培 养 法 ) 55

56 (3) 突 变 频 率 测 定 (p122) 体 细 胞 突 变 频 率 性 细 胞 突 变 频 率 测 定 L. J. Stadler: 玉 米 籽 粒 性 状 直 感 现 象 突 变 ( 诱 变 ) 频 率 玉 米 籽 粒 胚 乳 : 非 甜 (Su) 甜 (su) P: 甜 粒 亲 本 (susu) 非 甜 粒 亲 本 (SuSu) 诱 变 处 理 G: su Su su F 1 : Susu( 非 甜 ) susu( 甜 粒 ) 正 常 花 粉 粒 后 代 突 变 花 粉 粒 后 代 56

57 (4) 谷 类 作 物 种 子 诱 发 隐 性 突 变 鉴 定 (p122) 种 子 ( 胚 ) 或 幼 苗 经 诱 变 处 理 叶 原 基 叶 片 叶 腋 原 基 分 蘖 ( 有 效 / 无 效 分 蘖 ) 茎 尖 生 长 点 主 穗 及 后 发 生 分 蘖 显 性 突 变 M 1 当 代 产 生 突 变 体 区 嵌 合 体 隐 性 突 变 M 1 当 代 不 表 现 突 变 性 状 突 变 个 体 M 2 部 分 个 体 表 现 突 变 性 状 ( 检 出 ) 往 往 用 M 2 中 突 变 体 比 例 来 计 算 突 变 频 率 57

58 大 麦 诱 发 隐 性 突 变 后 代 遗 传 动 态 58

59 * 体 细 胞 无 性 系 突 变 筛 选 与 鉴 定 体 细 胞 无 性 系 (somaclone) 通 过 组 织 细 胞 离 体 培 养 所 获 得 的 一 系 列 无 性 繁 殖 后 代 细 胞 组 织 器 官 或 生 物 个 体 体 细 胞 无 性 系 变 异 (somaclonal variation) 与 体 细 胞 诱 变 离 体 培 养 ( 有 丝 分 裂 ) 产 生 变 异, 遗 传 变 异 的 一 个 新 来 源 形 态 突 变 获 得 再 生 植 株 形 态 鉴 定 如 :Phillips 等 曾 分 离 到 玉 米 无 胚 乳 型 矮 生 型 斑 马 条 纹 叶 多 分 枝 和 雄 花 不 育 等 多 种 突 变 型 生 化 突 变 选 择 培 养 法 ; 如 : 抗 除 草 剂 抗 旱 抗 寒 等 抗 性 突 变 59

60 三 动 物 基 因 突 变 的 筛 选 与 鉴 定 性 染 色 体 上 半 合 基 因 突 变 ClB 测 定 法 : 果 蝇 X 染 色 体 隐 性 突 变 检 测 与 突 变 率 测 定 抗 性 突 变 筛 选 与 鉴 定 小 体 型 动 物 : 果 蝇 DDT 抗 性 家 系 筛 选 人 类 基 因 突 变 检 测 鉴 定 人 口 出 生 调 查 和 医 疗 活 动 60

61 维 多 利 亚 女 王 家 族 血 友 病 系 谱 61

62 第 五 节 基 因 突 变 的 分 子 机 制 * 生 物 该 保 留 还 是 放 弃 基 因 突 变? 自 然 选 择 ( 进 化 ) 根 本 基 础 ; 绝 大 多 数 基 因 突 变 是 有 害 的 突 变 防 护 系 统 ( 自 然 选 择 的 结 果 ): 允 许 ( 主 动 ) 突 变 ; 无 所 不 在 的 防 护 机 制 遗 传 物 质 (DNA 基 因 ) 高 度 稳 定 性 结 构 准 确 复 制 稳 定 传 递 DNA 损 伤 (lesion/damage) 泛 指 DNA 分 子 结 构 的 任 何 破 坏 改 变, 包 括 : 复 制 错 误 碱 基 结 构 异 常 单 链 或 双 链 断 裂 与 缺 口 等 前 突 变 损 伤 错 误 ( 未 ) 修 复 稳 定 双 链 突 变 62

63 第 五 节 基 因 突 变 的 分 子 机 制 (p ) 130) 一 基 因 突 变 的 方 式 * 二 DNA 复 制 错 误 * 三 碱 基 自 发 损 伤 与 化 学 修 饰 四 DNA 修 复 与 差 错 * 五 DNA 重 组 错 误 * 六 突 变 热 点 和 增 变 基 因 七 生 物 有 害 突 变 的 防 护 机 制 63

64 一 基 因 突 变 的 方 式 碱 基 序 列 改 变 (p124) 碱 基 替 换 (substitution) 某 个 碱 基 ( 对 ) 被 另 一 种 碱 基 ( 对 ) 代 替 ; 转 换 与 颠 换 单 点 突 变 (simple ~) vs point ~, gross ~ 缺 失 突 变 (deletion ~) 一 个 或 少 数 几 个 数 十 到 数 百 万 个 插 入 突 变 (insertion ~) 一 个 或 少 数 几 个 数 十 到 数 百 万 个 移 码 突 变 (frameshift ~) 整 批 突 变 (gross ~) 缺 失 / 插 入 不 等 于 3 或 3 的 倍 数, 导 致 下 游 阅 读 框 改 变 移 码 (frameshift) 64

65 * 基 因 突 变 对 蛋 白 产 物 的 影 响 ( 补 充 ) 无 义 突 变 (nonsense ~) 基 因 内 部 形 成 终 止 密 码 子, 肽 链 合 成 提 前 终 止 丧 失 活 性 性 状 表 现 无 效 突 变 (null ~) 错 义 突 变 或 误 义 突 变 (missense ~) 氨 基 酸 残 基 改 变 蛋 白 质 功 能 改 变 典 型 的 镰 形 细 胞 贫 血 症 : 第 6 密 码 子 中 一 个 碱 基 替 换 (T A), 使 正 常 的 谷 氨 酸 变 为 缬 氨 酸 还 有 哪 些 性 状 变 异 可 能 是 这 类 突 变? 65

66 * 人 类 几 种 血 红 蛋 白 突 变 型 的 氨 基 酸 差 异 ( 补 充 ) 66

67 * 基 因 突 变 对 蛋 白 产 物 的 影 响 ( 补 充 ) 中 性 突 变 (neutral ~)( 中 性 性 状 ) 密 码 子 改 变 氨 基 酸 残 基 改 变 ( 结 构 和 性 质 相 似, 如 : 赖 氨 酸 与 精 氨 酸 ) 蛋 白 质 结 构 和 功 能 无 明 显 差 异 无 性 状 变 异, 从 蛋 白 质 mrna 和 DNA 水 平 检 测 沉 默 (silent)/ 同 义 突 变 (samesense ~) 密 码 子 改 变 氨 基 酸 残 基 不 变 ( 遗 传 密 码 简 并 性 ) 也 无 性 状 变 异, 只 能 从 mrna DNA 水 平 检 测 67

68 * 二 DNA 复 制 错 误 ( 补 充 ) DNA 聚 合 酶 的 忠 实 性 E. coli 碱 基 掺 入 错 误 率 :10 2 ~10 1 DNA 聚 合 酶 校 对 更 正 (proofreading and correct) 复 制 错 配 (mismatch) 率 :10 6 ~10 5 两 种 复 制 错 误 原 因 碱 基 互 变 异 构 体 (tautomer) 互 变 异 构 移 位 (tautomer shift) 模 板 链 子 链 环 出 跳 格 突 变 (slippage ~) 缺 失 重 复 复 制 错 配 单 链 突 变 错 配 修 复 ( 后 述 ): 错 误 率 降 至 (p125) 未 修 复 再 次 复 制 双 链 突 变 68

69 * 碱 基 互 变 异 构 移 位 ( 补 充 ) 69

70 * 碱 基 互 变 异 构 移 位 ( 补 充 ) T=A C A* C G 70

71 * 跳 格 突 变 (slipage mutation)( 补 充 ) 71

72 * 三 碱 基 自 发 损 伤 (spontaneous lesion)( 补 充 ) 嘌 呤 核 苷 水 解 脱 嘌 呤 (depurination) 糖 苷 键 水 解 哺 乳 动 物 : 580pur/h c AP 位 点 (apurinic apyrimidinic site) 通 常 可 修 复 ; 未 修 复 复 制 随 机 加 入 替 换 跳 过 缺 失 72

73 * 三 碱 基 自 发 损 伤 (spontaneous lesion)( 补 充 ) 碱 基 水 解 脱 氨 基 腺 嘌 呤 次 黄 嘌 呤 (A Hx) 胞 嘧 啶 尿 嘧 啶 (C U) 通 常 可 修 复 后 果 破 坏 改 变 碱 基 配 对 关 系 复 制 错 误 C G U=A T=A 5 甲 基 胞 嘧 啶 脱 氨 基 C G( 甲 基 化 ) 5mC G 5mC ( 脱 氨 基 ) T ( 复 制 )T=A 73

74 四 DNA 修 复 与 差 错 (p ) 129) 前 突 变 损 伤 修 复 产 生 差 错 ( 突 变 ) 结 构 修 复 ( 所 有 修 复 机 制 的 基 本 功 能 ) 序 列 修 复 ( 不 同 机 制 修 复 能 力 不 同 ) 多 重 DNA 修 复 系 统 错 配 修 复 (mismatch repair): 避 免 差 错 直 接 修 复 (direct repair): 避 免 差 错 切 除 修 复 (excision repair): 避 免 差 错 双 链 断 裂 修 复 (double strand break repair): 容 忍 差 错 复 制 后 修 复 (postreplicative repair): 容 忍 差 错 SOS 反 应 (SOS response): 倾 向 差 错 74

75 ( 一 ) 错 配 修 复 (mismatch repair) 补 救 校 正 遗 漏, 修 复 多 数 错 配 位 点 E. coli 错 配 率 10 6 ~10 5 修 复 避 免 差 错 过 程 识 别 错 配 位 点 ( 双 螺 旋 结 构 ) 切 除 错 配 位 点 核 苷 酸 修 复 缺 口 封 闭 DNA 缺 刻 错 误 碱 基 识 别 A=T A* C A C 正 确 修 复 :A=T, 差 错 修 复 :G C E. coli: 甲 基 化 状 态 75

76 ( 二 ) 直 接 修 复 (direct repair) 直 接 恢 复 DNA 分 子 中 损 伤 部 位 ( 结 构 与 序 列 ) 不 切 除 碱 基 不 需 要 DNA 聚 合 酶 避 免 差 错 直 接 修 复 的 类 型 单 链 断 裂 :DNA 连 接 酶 ( 缺 刻 连 接 ) 胸 腺 嘧 啶 二 聚 体 : 光 修 复 (light repair) 碱 基 化 学 修 饰 ( 烷 基 化 ): 去 烷 基 化 (dealkylation) 76

77 光 修 复 (light repair) 胸 腺 嘧 啶 二 聚 体 致 死 损 伤 光 裂 合 酶 (photolyase) 识 别 胸 腺 嘧 啶 二 聚 体 ( 蓝 光 ) 裂 解 二 聚 体 77

78 去 烷 基 化 (dealkylation) 烷 基 化 烷 化 剂 与 烷 基 化 (p133) 修 饰 碱 基 改 变 配 对 方 式 复 制 突 变 去 ( 脱 ) 烷 基 化 烷 基 转 移 酶 (alkyltransferase) 甲 基 转 移 酶 (methyltranferase) *O 6 甲 基 鸟 嘌 呤 甲 基 转 移 酶 酵 母 和 人 类 O 6 甲 基 鸟 嘌 呤 ( 甲 基 转 移 到 酶 的 半 胱 氨 酸 残 基 ) 鸟 嘌 呤 酶 甲 基 化 失 活 在 烷 基 化 程 度 时 酶 会 达 到 饱 和 78

79 ( 三 ) 切 除 修 复 (excision repair) 移 除 DNA 分 子 损 伤 部 位, 然 后 加 以 修 复 不 需 要 光 照 暗 修 复 (dark repair) 避 免 差 错 切 除 修 复 的 类 型 碱 基 切 除 修 复 (base excision repair) 首 先 切 除 异 常 碱 基 ( 糖 苷 键 ) AP 内 切 酶 切 除 AP 位 点 ( 磷 酸 二 脂 键 ) 核 苷 酸 切 除 修 复 (nucleotide excision repair) 直 接 切 除 异 常 核 苷 ( 磷 酸 二 脂 键 ) 错 配 修 复 也 属 于 核 苷 酸 切 除 修 复 79

80 切 除 修 复 的 基 本 过 程 (1) 检 测 识 别 DNA 上 的 损 伤 部 位 (2) 切 除 DNA 糖 基 化 酶 切 除 ( 单 个 ) 碱 基 AP 部 位 AP 内 切 酶 核 酸 内 切 酶 ( 多 酶 复 合 体 ) 切 除 核 苷 酸 片 段 两 者 产 生 单 链 缺 口 (gap) (3) 聚 合 DNA 聚 合 酶 修 补 缺 口 (4) 连 接 DNA 连 接 酶 封 闭 缺 刻 ( 磷 酸 - 核 糖 骨 架 ) 80

81 碱 基 切 除 修 复 与 核 苷 酸 切 除 修 复 81

82 ( 四 ) 双 链 断 裂 修 复 (double strand break repair) * 双 链 断 裂 修 复 (DSB repair) 由 辐 射 等 引 起 致 死 损 伤 (p131) Ku70/80 (Xrcc6/5)-DNA 末 端 结 合 蛋 白 DNA PKcs (Xrcc7) Xrcc4 + Ligase IV 结 果 正 常 修 复, 或 容 忍 差 错 : 末 端 修 整 重 接 缺 失 突 变 错 误 重 接 染 色 体 结 构 变 异 82

83 ( 五 ) 复 制 后 修 复 (postreplicative repair) 复 制 缺 口 修 复 未 修 复 DNA 单 链 复 制 子 链 缺 口 重 组 修 复 (recombination ~) 修 复 过 程 (E. coli) RecA 结 合 单 链 末 端 重 组 DNA 聚 合 酶 (IV) 填 补 缺 口 DNA 连 接 酶 修 复 缺 刻 容 忍 差 错 83

84 ( 六 ) SOS 反 应 与 倾 向 差 错 修 复 过 量 紫 外 线 其 它 诱 变 剂 或 DNA 复 制 抑 制 剂 * 大 量 单 链 缺 口 激 活 RecA 蛋 白 酶 活 性 水 解 LexA( 结 合 SOS 盒, 抑 制 带 SOS 盒 基 因 表 达 ) SOS box:5' CTGX 10 CAG 3'(X 10 任 意 10 个 碱 基 ) reca, umuc, lexa, uvra/b 等 ( 重 组 / 修 复 相 关 基 因 ) sula/b( 抑 制 细 胞 分 裂 ) 基 因 表 达 水 平 上 升 (RecA 约 50 倍 ) 复 制 酶 忠 实 性 降 低 快 速 低 准 确 性 复 制 修 补 单 链 缺 口 84

85 SOS response 85

86 * 五 DNA 重 组 错 误 ( 补 充 ) ( 正 常 ) 同 源 重 组 碱 基 序 列 同 源 性 精 确 交 换 不 等 交 换 (unequal crossing over) 随 机 重 复 序 列 高 同 源 性 相 邻 区 段 错 配 区 (mispaired region) 错 配 区 交 换 86

87 * 六 突 变 热 点 和 增 变 基 因 ( 补 充 ) 突 变 热 点 (hot spot) 虽 然 任 何 碱 基 都 能 发 生 突 变, 但 各 位 点 的 突 变 率 不 同 基 因 (DNA 片 段 ) 内 突 变 位 点 也 非 随 机 分 布 基 因 ( 组 ) 内 突 变 率 远 高 于 平 均 值 形 成 多 种 突 变 的 位 点 5mC 位 点 ( 替 换 ) 与 短 重 复 序 列 部 位 ( 复 制 跳 格 和 重 组 错 误 ) 增 变 基 因 (mutator gene, mutator) 可 导 致 基 因 组 突 变 率 显 著 增 加 的 基 因, 主 要 包 括 各 种 DNA 聚 合 酶 基 因 的 突 变 型 ( 校 对 功 能 缺 失 或 降 低 ) 损 伤 修 复 基 因 的 突 变 型 ( 修 复 功 能 丧 失 ) 可 看 作 抗 突 变 基 因 (antimutator) 的 渗 漏 或 无 效 突 变 87

88 七 生 物 有 害 突 变 的 防 护 机 制 (p ) 130) 1. 密 码 简 并 性 沉 默 突 变 2. 回 复 突 变 3. 抑 制 突 变 基 因 内 抑 制 (intragenic suppression) 基 因 间 抑 制 (intergenic suppression) 4. 二 倍 体 和 多 倍 体 野 生 型 基 因 显 性 掩 盖 隐 性 突 变 基 因 多 份 隐 性 基 因 可 掩 盖 显 性 突 变 基 因 ( 剂 量 效 应, 后 述 ) 5. 选 择 和 致 死 多 细 胞 生 物 的 突 变 细 胞 淘 汰 群 体 内 突 变 体 淘 汰 88

89 第 六 节 基 因 突 变 的 诱 发 (p ) 133) 一 物 理 诱 变 二 化 学 诱 变 三 诱 发 突 变 的 应 用

90 一 物 理 诱 变 (p130) 90

91 ( 一 ) 电 离 辐 射 诱 变 1. 种 类 : 粒 子 辐 射 :α β( 32 P 35 S) 中 子 射 线 电 磁 波 辐 射 :X γ( 60 钴 137 铯 ) 射 线 2. 方 法 : 外 照 射 : 中 子 X 射 线 γ 射 线 内 照 射 :α 射 线 β 射 线 3. 原 理 :DNA 分 子 上 原 子 ( 基 团 ) 电 离 作 用 原 发 电 离 次 级 电 离 ; 间 接 作 用 ( 化 学 诱 变 ) 碱 基 对 碱 基 结 构 破 坏 ( 损 伤 ) ( 错 误 修 复 ) 基 因 突 变 磷 酸 二 酯 键 断 裂 ( 错 误 重 接 ) 染 色 体 结 构 变 异 91

92 物 理 射 线 诱 变 92

93 ( 一 ) 电 离 辐 射 诱 变 4. 电 离 辐 射 诱 变 的 作 用 规 律 辐 射 剂 量 单 位 质 量 被 照 射 物 质 所 接 受 的 能 量 突 变 率 与 辐 射 总 剂 量 成 正 向 关 系 辐 射 强 度 剂 量 率 : 单 位 时 间 内 照 射 剂 量 快 照 射 慢 照 射 基 因 突 变 率 与 剂 量 率 无 关 93

94 ( 二 ) 非 电 离 辐 射 诱 变 (p323) 紫 外 线 (380 15nm) 穿 透 能 力 与 应 用 范 围 作 用 机 制 激 发 作 用 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 ( 补 充 ) 对 DNA 分 子 及 其 核 苷 酸 残 基 / 碱 基 无 选 择 性, 所 以 没 有 专 化 性 和 特 异 性 可 言 94

95 电 磁 波 谱 95

96 * 航 天 诱 变 (space flight mutation)( 补 充 ) 利 用 返 回 式 航 空 器 将 生 物 材 料 带 上 太 空, 利 用 空 间 环 境 因 子 诱 变 特 点 变 异 率 高 变 异 幅 度 大 有 益 变 异 增 多 稳 定 较 快 可 获 得 一 些 罕 见 突 变 型 如 紫 色 米 茶 色 米 等 诱 变 机 理, 多 种 物 理 因 素 的 综 合 效 应 微 重 力 高 真 空 强 辐 射 和 交 变 磁 场 96

97 二 化 学 因 素 诱 变 (p ) 134) 诱 变 剂 种 类 与 作 用 机 制 碱 基 类 似 物 (base analog) 5 BU 2 AP 比 [ 碱 基 互 变 异 构 移 位 ] 频 率 更 高 碱 基 修 饰 物 (base modifier) 烷 化 剂 ( 碱 基 烷 基 化 脱 嘌 呤 单 链 断 裂 ) 亚 硝 酸 ( 脱 氨 基 ) 羟 胺 ( 胞 嘧 啶 C 6 氨 基 氮 羟 化 ) DNA 插 入 剂 (intercalating agent) 吖 啶 类 染 料 ( 插 入 或 缺 失 ) 作 用 特 点 具 有 一 定 程 度 的 碱 基 特 异 性 97

98 5 BU/2 BU/2 AP 异 构 体 配 对 诱 变 机 理 98

99 碱 基 甲 基 化 99

100 亚 硝 酸 氧 化 脱 氨 作 用 100

101 DNA 插 入 剂 101

102 三 诱 发 突 变 的 应 用 ( 补 充 ) 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

103 习 题 (p ) 134) 3, 4 9, 10 13,

104 本 章 要 点 1. 遗 传 变 异 的 类 型 与 实 质 ( 物 质 基 础 ) 2. 基 因 突 变 ( 诱 变 ) 的 概 念 意 义 特 征 3. 突 变 性 质 时 期 对 突 变 表 现 的 影 响 4. 变 异 体 变 异 来 源 分 析 的 一 般 原 则 5. 微 生 物 植 物 基 因 突 变 的 筛 选 鉴 定 ( 对 比 ) 6. DNA 损 伤 修 复 类 型 及 其 与 基 因 突 变 形 成 的 关 系 7. ( 如 何 看 待 ) 生 物 有 害 突 变 的 防 护 机 制 8. 诱 发 突 变 类 型 机 制 及 其 与 自 发 突 变 的 关 系 104