遗传学(朱军,第三版)第二章基因突变复习总结

一、基因突变的概念

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。

二、基因突变的分子机制

基因突变的分子机制（本质）是DNA分子结构的改变，分子结构的改变可以分为以下几类：替换（substitution）/点突变（point mutation）指DNA上单一碱基的变异。嘌呤替代嘌呤（A与G之间的相互替代）、嘧啶替代嘧啶（C与T之间的替代）称为转换（transition）；嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤则称为颠换（transvertion）。

倒位（transposition）指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置。

缺失（deletion）指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。

插入（insertion）指一个或一段（例如：转座子）核苷酸插入到DNA链中。

发生替换、倒位、缺失和插入的结果可能造成

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，以至影响到突变体的表型。

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。

移码突变（frame-shift mutaion）在为蛋白质编码的序列中如缺失及插入的核苷酸数不是3的整倍数，则发生读框移动（reading frame shift），使其后所译读的氨基酸序列全部混乱，产生突变的表型。

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。

三、基因突变的分类

1、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。

2、根据基因结构的改变方式分为：分子结构改变（碱基替换；倒位）、移码突变(插入与缺失)。

3、根据突变所引起的遗传信息意义的改变分为：错意突变、无义突变、移码突变和同义突变

4、根据突变发生的方式：

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（碱基的脱嘌呤和脱氨基）和转座因子等多种原因引起的。

人工诱发基因突变：包括物理诱变和化学诱变

缺少碱基会引起碱基的转替换（转换和颠换）

四、基因突变的诱发

1、物理因素诱变

1）分类

物理因素诱变包括电离辐射诱变和飞电离辐射诱变。

电离辐射: 包括α射线、β射线和中子的粒子辐射，还包括X射线和γ射线的电磁波辐射。非电离辐射：紫外线。

2）原理

A. 电离辐射的原理

a. 直接作用：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

b. 间接作用：引起其它物质电离而发生化学变化，从而对遗传物质发生作用。

B. 非电离辐射诱变原理

a．紫外线的直接作用机制：只能产生激发作用，不能使原子电离。激发作用使原子外围的电子活跃起来，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C—G之间的氢键，使DNA链发生局部分离或变性。

b．紫外线的间接作用：产生H2O2，而起化学诱发作用。

3）方法：

A. 外照射：中子、X射线、γ射线，紫外线；辐射源与物体间保持一定的距离。

B. 内照射：α射线、β射线穿透力弱，常为β射线，如用32P、35S浸种或注射，让植物吸收后而引起的辐射。

2、化学因素诱变

作用机理

A．妨碍DNA某一成分合成

妨碍碱基的合成从而导致被处理生物的突变。

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。

B. 碱基类似物替换

与DNA碱基类似的化合物，常常能在复制时掺入到DNA分子中去，在以后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。

碱基类似物，有5–溴尿嘧啶(5-BU，同时能和A和G配对)，5—溴去氧尿核苷、2—氨基嘌呤等。

C. 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。

亚硝酸：pH=5的缓冲液中，可以氧化掉A和C的C6位置上的氨基变为I （配对C）和U（配对A），在下次复制时导致A-T变G-C，G-C变A-T的转换

烷化剂（甲基磺酸乙酯、甲基磺酸甲酯和亚硝酸胍等）：a. 添加烷基到碱基N7、N1和N3，引起碱基替换。b.烷基化还会造成碱基水解从DNA上裂解下来，造成碱基缺失，引起碱基的替换。c.和磷酸结合成不稳定磷酸酯，磷酸酯水解，使DNA链断裂

羟胺：使C的C6上的氨基羟化，变得像T（与A配对），造成G-C变A-T的转换

D. 引起DNA复制的错误

嵌入DNA双联中心的碱基之间引起单一核酸的缺失和插入

2-氨基吖啶和ICR-170等

五、基因突变的时期和细胞

１．基因突变的来源

１）自然发生：自然界的因素；

２）人工诱发：理化因素，更高突变频率。

２．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。

３．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。

４．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)。

六、基因突变的特性

1、突变的重演性和可逆性

（１）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。

（２）突变的可逆性：基因突变的发生方向是可逆的。

正突变(forward mutation)：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)。（３）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

2、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。

复等位基因(multiple allele)：位于同一基因位点上的多个等位基因。

3、突变的有害性和有利性

（１）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，原因如下：

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。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，甚至死亡——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。

（2）突变的有利性

突变的有害和有利性是相对的，在某些情况下，基因突变的有害与有利性可以转化。

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。

4、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。

七、基因突变的修复

1、DNA的防护机制

（1）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。

（2）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。

（3）抑制：存在基因间抑制和基因内抑制现象。前者指控制翻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。

（4）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。

（5）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。

2、DNA的修复

对于紫外线辐射引起的胸腺嘧啶二聚体（TT）的修复

1、光修复

光激活酶(photoreacting enzyme)辨认出TT，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)。

2、暗修复

某些DNA的修复工作不需光也能进行，例如，大肠杆菌中的UVrA突变体的修复过程由四种酶来完成：首先由核酸内切酶在TT 一边切开，然后由核酸外切酶在另一边切开，把TT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)。

3、重组修复

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。

a.含TT 结构的DNA仍可进行复制，但子DNA链在损伤部位出现缺口

b.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，以对侧子链为模板由母链合成的DNA片段弥补。

c.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。

4、SOS修复

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。