第三章 基因突变

有效诱变范围：200～300nm
•诱变机制：DNA链的断裂
DNA分子的交联
C、U的水合作用
嘧啶二聚体的形成
UV照射形成嘧啶二聚体
电离辐射引起的DNA损伤
直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损伤
间接效应是指DNA周围其他分子(主要是水分子)吸收射线能 量产生具有很高反应活性的自由基进而损伤DNA。
二、基因突变和诱变育种 一、基因突变
●野生型菌株：从自然界分离获得的菌株， 称之为~。
●基本培养基(MM)：满足野生型菌株生长最 低营养要求的合成培养基。
（一）突变类型
●营养缺陷型：野生型菌株由于突变而丧失
了 某种营养合成能力，而无法在基本培
养基上生长的变异类型。
表示：
基 因：his+，his - ； 表 型：His + ，His -
such as superoxide radicals(· 2-), hydrogen O peroxide (H2O2), and hydroxyl radicals (· OH)
电离辐射可导致： a.碱基变化 主要是由OH－自由基引起，包括DNA链 上的碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落 等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。 b.脱氧核糖变化 脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的 氢都能与OH－反应，导致脱氧核糖分解，最后会引起DNA 链断裂。 c.DNA链断裂 这是电离辐射引起的严重损伤事件，断 链数随照射剂量而增加 d.交联 包括DNA链交联和DNA-蛋白质交联。
c.断链：DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷化，结果形成不稳 定的磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断裂。
• d.交联：烷化剂有两类，一类是单功能基烷化剂， 如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；另一 类是以双功能基烷化剂，化学武器如氮芥、硫芥 等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝 裂霉素等，某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此 类，其两个功能基可同时使两处烷基化，结果就 能造成DNA链内、DNA链间，以及DNA与蛋白质 间的交联。
基因突变的机制
基因突变的原因是多种多样的，可以是自发的或 诱发的，诱变又可分为点突变和畸变。具体类型可 归纳如下：

正向突变：改变野生型性状的突变。
• 回复突变：突变体所失去的野生型性状可以通过 第二次突变得到回复，这种二次突变就是回复突 变。
随机性
基 因 突 变 的 特 征
独立性 稳定性 可逆性 稀有性
●突变率：
某一细胞在每一世代中发生突变的几率。常用单位群 体中每一世代产生的突变株的数目来表示。
• 一个细菌分裂一次产生两个细菌，两个细 菌再经一次分裂产生四个细菌，这时一个 细菌开始总共经历了三个世代。细菌繁殖 过程中的世代总数为细菌数减1.如果细菌 总数和开始时的细菌总数相差很大，可以 认为细菌总数就是世代数。 • 突变率＝（M2-M1）/(N2-N1)，其中M为抗 性菌落数；N为不同时间的细菌数。
• 3.突变位点应通过在突变基因符号后加不同数字 表示。如supE44 • 4.某个基因或某个领域缺失时，在其基因型前面 加上“∆ ”表示。例如：lac-proAB 基因缺 失 时它的基因型表示为∆(lac-proAB)。
• 5. Φ
融合 如Φ（ara-lac）表示ara和 lac融合成新基因
•
（二）突变率及其捡出
• 考虑到微生物分裂不同步，细菌总数就是 世代数G的计算为： • G= (N2-N1)/ln2= (N2-N1)/0.693
• 如果是液体培养基，需要考虑细菌的分裂 次数。 • 突变率（μ）=2（M2/N2-M1/N1）/(g2-g1) • 由于突变次数的随即分布，平均突变率可 用泊桑公式计算： 则 μ= -lnP0/N • P0=e – μN
(EMS)
(MMS)
(NNG)
•EMS and MMS tend to ethylate (or methylate) N7 of guanine or N3 of adenine,which severely disrupts base pairing:
亚硝基胍（N-methyl-N‘-nitro-N-nitrosoguanidine, NNG)：
碱基配对 方式改变
自发突变
10-6－10-10
碱基类似物——5BrU的诱变机理和该假设 的证明
酮式 烯醇式
烯醇式 ： 与G配对
G.C
诱发G.C→A.T
G.C G.C A.T A.BU A.BU
G.BU
参入错误 酮式 与A配对
A.T A.BU
诱发A.T→G.C
A.T A.T G.C G.BU A.BU
移码突变
• 定义： DNA分子中一对或少数几对核苷酸的增加 和缺失造成的基因突变。 • 引起移码突变的诱变剂： 如吖啶橙，原黄素，吖黄素，可掺入DNA 的碱基对之间，引起DNA双链错位 • 移码突变机制：
辐射诱变
紫外线 UV 电离辐射 激光 离子束诱变
热
紫外线引起的DNA损伤
UV：非电离辐射型波长范围：136～390nm
can in addition methylatethe O6 of guanine and the O4 of thymine
•是一种诱变作用特别强的诱变剂。可以使一个群体的任何 一个基因的突变率高达1%。此外可以诱发邻近的位置的基 因同时发生突变，即引起多位点的突变。
烷化剂对DNA的损伤
一类亲电子的化合物，易与生物体中大分子的亲核位点起反应。烷 化剂的作用可使DNA发生各种类型的损伤： a.碱基烷基化 ：烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的N或O 上，其中鸟嘌呤的N7和腺嘌呤的N3最容易受攻击，烷基化的嘌呤碱基 配对会发生变化，例如鸟嘌呤N7被烷化后就不再与胞嘧啶配对，而改 与胸腺嘧啶配对，结果会使G－C转变成A－T。 b.碱基脱落：烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落形成DNA上无 碱基的位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。
第三章 基因突变
一、基因突变的分类
按照遗传物质结构的改变：碱基的置换、移码、缺失、插入突变 从突变的效应与野生型的关系：正向、回复突变
分 类 标 准
突变产生的过程：自发、诱发突变 从突变所引起的遗传信息的意义改变：同义、错义、无义突变 从突变所带来的表型改变分为：形态、致死或条件致死、生化突变型 如果发生在调控区的突变有：组成型突变、启动子上升/下降突变、 抗阻遏、抗反馈突变
• 诱变剂：能使突变率提高到自发突变水平 以上的物理、化学和生物因素。
• 诱变机制：
•碱基置换突变
•移码突变
•插入/缺失突变
碱基置换可以分为两类：转换和颠换前者是嘌呤 到嘌呤，嘧啶到嘧啶的变化，后者是嘌呤到嘧啶 或嘧啶到嘌呤的变化。
•碱基置换的诱变原理
Watson和Crick认为
碱基
酮式与烯醇式的互变 氨基与亚氨基的互变
Types of mutations produced
All types of mutations produced
UV irradiation
Pyrimidine dimers induce error prone repair (SOS)
Mainly G-C to A-T transitions, but all other types of mutations including deletions, frameshifts, and rearrangements at somewhat lower frequency
2-aminopurine (2AP) Bromouracil Hydroxylamine (NH2OH) N-methyl-N'-nitro-Nnitrosoguanidine (MNNG) Ethylmethane sulfonate (EMS) (EMS) Ethylethane sulfonate (DES) Nitrous acid
G-C to A-T and A-T to G-C transitions, deletions produced at a lower frequency
第一类：体外诱变剂
直接对核酸进行化学修饰，不影响核酸复制。
如
亚硝酸、羟胺和烷基化合物（如亚硝基胍）
第二类：体内诱变剂
需进行代谢活化，它们可掺入到新复制的核酸中， 并在不断的复制过程中诱发突变。
●突变株类型划分：
----选择性突变株：营养缺陷型、抗性
突变型、条件致死突变型
----非选择突变株：形态、抗原、产量 突变型
基因符号表示
• 命名规则： • 1.根据基因产物或其作用产物的英文名称的第一 个字母缩写成3 个小写斜体字母来表示。
• 2.不同的基因座，其中任何一个突变所产生的表 型变化可能相同，其表示方法是在3 个小写斜体 字母后加上一个斜体大写字母来表示区别。如 Recombination→recA、recB、recC
激光诱变
激光：电磁波 机制：辐射活化效应， 使机体形态结构和代谢生理方面发生改变
离子束诱变
• 离子束的产生装置：离子注入机 • 机制： 能量传递、动量交换、离子沉积和电荷积 累。
Mutagen
Spontaneous
Mechanism
DNA replication and repair errors, spontaneous modification of nucleotides
复制错误
Deamination of bases
Nitrous acid (HONO)
G：C→A：T
cytosine
uracil,
Nitrous acid
guanine
G
xanthine
X（黄嘌呤）
adenine
A
hypoxanthine
H（次黄嘌呤） H与C 配 对
A:T→G:C
Hydroxylamine (NH2OH)
A-T to G-C and G-C to A-T transitions G-C to A-T and A-T to G-C transitions G-C to A-T transitions when used in vitro G-C to A-T transitions, multiple, closely spaced mutations common G-C to A-T transitions G-C to T-A transversions, other base substitution mutations
●抗性突变型：
野生型菌株由于突变而产了对某些化学药物 或致死物理因子抗性变异类型。 表示：
基 因： strr、strs； tetr、tets；
表 型：Str r ， Str s
●条件致死突变型：
某些菌株或病毒经基因突变后，在某种条件 可生长并实现表型，而在另一条件却无法生 长繁殖的突变类型。
(如温度敏感突变株：Ts） ●形态突变株 ●抗原突变株 ●产量突变株
Base analog Base analog Alkylating agent, generates N4hudroxycytosine Alkylating agent, generates O6methylguanine Alkylating agent, generates O6methylguanine Alkylating agent, induces SOS response Oxidative deamination Intercalating agent, alkylacridine
is specific for cytosine, but only works in vitro (cannot enter cells).
G.C G.C HA G.C* C.A* T.A C.A*
Alkylation:
the addition of alkyl groups to the bases of DNA Alkylating agents are excellent donors of alkyl groups.
●突变株的捡出及突wenku.baidu.com率的计算
捡出方法：
1）选择性突变株 ----营养缺陷型 ----抗药性突变
回复突变:
（三）基因突变的自发性与不对称性
●突变的自发性：基因可自发产生突变。 （辐射、自身有害物质、碱基配对错误）
●突变的不对应性：突变性状与引起突变 的环境因素无直接对应关系。
第二节 诱变剂与突变机制