基因突变与人工创造突变体发学生课件

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1、 太空辐射育种太空辐射育种太空佛手茄子太空佛手茄子航茄航茄118F1不同皮色的老鼠不同皮色的老鼠各种白化动物各种白化动物受橙剂后遗症危害的越南民众受橙剂后遗症危害的越南民众图片来自第第336飞行连一架飞行连一架UH-1D直升机向湄公河三角洲茂密的丛直升机向湄公河三角洲茂密的丛林地区喷洒落叶剂。林地区喷洒落叶剂。(美国防部美国防部/Brian K.Grigsby,SPC5)图片来自：图片来自：8.1 基因突变的一般特征基因突变的一般特征8.2 基因突变与性状表现基因突变与性状表现8.3 基因突变的鉴定基因突变的鉴定8.4 基因突变的分子基础基因突变的分子基础8.5 人工创造突变体人工创造突变体第

2、八章第八章 基因突变与人工创造突变体基因突变与人工创造突变体孟德尔遗传以及连锁遗传中论述的可遗传变异均是由于孟德尔遗传以及连锁遗传中论述的可遗传变异均是由于基因重组基因重组的结果，不是的结果，不是基因基因本身发生了本身发生了质的变化质的变化。如：黄子叶、园粒如：黄子叶、园粒 绿子叶、皱粒绿子叶、皱粒 黄、园；黄、皱；绿、园；绿、皱黄、园；黄、皱；绿、园；绿、皱本章讨论染色体上本章讨论染色体上基因发生改变基因发生改变。8.1 基因突变的一般特征基因突变的一般特征 基因突变的概念基因突变的概念 自发突变的随机性和不定向性自发突变的随机性和不定向性 基因突变的可逆性和重演性基因突变的可逆性和重演性

3、基因突变的多方向性和复等位基因基因突变的多方向性和复等位基因 基因突变的有害性和有利性基因突变的有害性和有利性 基因突变的平行性基因突变的平行性基因突变的概念基因突变的概念基因突变：基因突变：（gene mutation）是指基因的核苷酸序列（包）是指基因的核苷酸序列（包括括编码序列编码序列及其及其调控序列调控序列）发生了改变。也称点突变）发生了改变。也称点突变（point mutation）广义的突变包括基因突变和染色体畸变，狭义的突变仅指基因突变。广义的突变包括基因突变和染色体畸变，狭义的突变仅指基因突变。De Vries首先提出首先提出“突变突变”一词一词 1910年年Morgan TH

4、 首先在果蝇中发现基因突变首先在果蝇中发现基因突变 1927年年Muller HJ首次用首次用X X射线诱发了基因突变射线诱发了基因突变几个专业术语几个专业术语（自学弄清其定义，见注释自学弄清其定义，见注释）点突变（点突变（point mutation）同义突变（同义突变（synonymous mutation）错义突变（错义突变（missense mutation）无义突变（无义突变（nonsense mutation）移码突变（移码突变（frameshift mutation）无效突变（无效突变（null mutation）碱基转换（碱基转换（transition）碱基颠换（碱基颠换（tr

5、ansversion）碱基插入碱基插入/缺失（缺失（insertion and deletion,合称合称indel）突变率和突变频率突变率和突变频率突变率（突变率（mutation rate）：）：单位时间内（如一个生物世代单位时间内（如一个生物世代或细胞世代内）某一基因突变发生的概率。或细胞世代内）某一基因突变发生的概率。突变频率（突变频率（mutation frequency）：）：指突变体在一个世代指突变体在一个世代群体中所占的比例。群体中所占的比例。突变体（突变体（mutant）或称突变型）或称突变型:指带有突变（或改变的）指带有突变（或改变的）基因的细胞或个体。基因的细胞或个体。其

6、对应基因未改变的细胞或个体则称为其对应基因未改变的细胞或个体则称为野生型（野生型（wildtype）突变频率的估算因生物的生殖方式而不同突变频率的估算因生物的生殖方式而不同有性生殖生物：有性生殖生物：用配子发生突变的概率，用配子发生突变的概率，即用即用一定数目配子中的突变配子数表示。一定数目配子中的突变配子数表示。细菌和单细胞生物：细菌和单细胞生物：用细胞发生突变的概率，用细胞发生突变的概率，即用一定数目细胞中突变细胞数表示。即用一定数目细胞中突变细胞数表示。突变率难以准确测定，一般用突变频率估算突变率。突变率难以准确测定，一般用突变频率估算突变率。高等生物中的自发突变率一般为高等生物中的自发

7、突变率一般为1010-10-10-10-10-5-5，即在，即在1010万到万到1 1亿亿个配子中可能有一个突变发生。个配子中可能有一个突变发生。玉米、果蝇、人玉米、果蝇、人：自发突变率为：自发突变率为1010-6-6-1010-5-5，即在，即在1010万至万至100100万万个配子中只有一个发生突变，可见自然突变的频率很低。个配子中只有一个发生突变，可见自然突变的频率很低。老鼠老鼠：自发突变率：自发突变率1010-5-5-1010-4-4基因自发突变的稀有性基因自发突变的稀有性大肠杆菌基因自发突变率：大肠杆菌基因自发突变率：链霉素抗性基因链霉素抗性基因strR 为为410-10 乳糖发酵基

8、因乳糖发酵基因lac-为为210-7病毒与细菌基因平均自发突变率为病毒与细菌基因平均自发突变率为10-8基因突变的时期基因突变的时期时期时期在任何时期都可发生，即体细胞和性细胞都能在任何时期都可发生，即体细胞和性细胞都能发生突变。基因突变通常是发生突变。基因突变通常是独立发生独立发生的。的。体细胞和性细胞突变频率体细胞和性细胞突变频率性细胞的突变频率比体细胞高，这是因为性细性细胞的突变频率比体细胞高，这是因为性细胞在减数分裂末期对外界环境条件具有较大的胞在减数分裂末期对外界环境条件具有较大的敏感性。敏感性。性细胞和体细胞突变的传递与表现性细胞和体细胞突变的传递与表现 性细胞性细胞 如果是显性突

9、变如果是显性突变aaAa，可通过受精过程传递，可通过受精过程传递给后代，并立即表现出来。给后代，并立即表现出来。如果是隐性突变如果是隐性突变AAAa，当代不表现，只有等，当代不表现，只有等到第二代突变基因处于纯合状态才能表现出来。到第二代突变基因处于纯合状态才能表现出来。体细胞体细胞 显性突变，当代表现，同原来性状并存，形显性突变，当代表现，同原来性状并存，形成镶合体。突变越早，范围越大，反之越小。成镶合体。突变越早，范围越大，反之越小。果树上许多果树上许多“芽变芽变”就是体细胞突变引起的，就是体细胞突变引起的，一旦发现要及时扦插、嫁接或组培加以繁殖保一旦发现要及时扦插、嫁接或组培加以繁殖保留

10、。留。“芽变芽变”在育种上很重要，有不少新品种在育种上很重要，有不少新品种是通过芽变选育出来的，如温州早桔就是源于是通过芽变选育出来的，如温州早桔就是源于温州密桔的芽变。温州密桔的芽变。一、基因突变具有随机性和不定向性一、基因突变具有随机性和不定向性自发突变自发突变 自发突变自发突变（spontaneous mutation）是在无人工干预条是在无人工干预条件下，自然发生的基因突变。件下，自然发生的基因突变。自发突变具有自发突变具有不定向不定向而且是而且是随机发生随机发生的特征。的特征。突变是突变是不定向的，随机的不定向的，随机的，只有，只有选择才是定向的选择才是定向的，群体中某基因，群体中某

11、基因的定向改变是由特定的选择因素的作用造成的，并非生物的定向改变是由特定的选择因素的作用造成的，并非生物体的定向变异的结果。例如，体的定向变异的结果。例如，细菌的抗性突变与所接触的细菌的抗性突变与所接触的抗生素药物或噬菌体无关，药物或噬菌体只是以一种自发抗生素药物或噬菌体无关，药物或噬菌体只是以一种自发突变体的选择因子在起作用。突变体的选择因子在起作用。二、突变的重演性和可逆性二、突变的重演性和可逆性 重演性重演性 同一突变可以在同一突变可以在同种生物的不同个体间同种生物的不同个体间多次多次发生，称突变的重演性。下表列举玉米子粒的发生，称突变的重演性。下表列举玉米子粒的7 7个个基因的前基因的

12、前6 6个在多次试验中都出现过类似的突变。个在多次试验中都出现过类似的突变。基因基因性状表型性状表型测定的配子数测定的配子数突变数突变数突变频率突变频率(10-6)R籽粒色籽粒色554786273492.0I抑制色素形成抑制色素形成26539128106.0Pr紫色紫色647102711.0Su非甜粒非甜粒42.4Y黄胚乳黄胚乳42.2Sh籽粒饱满籽粒饱满31.2Wx非糯性非糯性00.0玉米籽粒玉米籽粒7个基因的自然突变频率（个基因的自然突变频率（Stadler，1942）重演性重演性野生型野生型wild type 突变型突变型mutant 可逆性可逆性正向突变正向突变 突变率突变率 uFor

13、word mutation回复突变回复突变 突变率突变率 vBack mutation课本课本p107的提法：正突变率总是高于反突变率，即的提法：正突变率总是高于反突变率，即 u v。对吗？对吗？正向突变：野生型正向突变：野生型突变型，概率突变型，概率=u回复突变：野生型回复突变：野生型突变型突变型野生型，概率野生型，概率=u v正确说法：正确说法：野生型自发突变为某个突变型的概率野生型自发突变为某个突变型的概率 该种突变型该种突变型回复为野生型的概率。实际上回复为野生型的概率。实际上 u 和和 v 之间应该差别不大。之间应该差别不大。三、突变的多方向性和复等位基因三、突变的多方向性和复等位基

14、因多方向性多方向性 Aa，Aa1，Aa2，复等位基因复等位基因multiple alleles 定义定义：位于同一基因座位上的：位于同一基因座位上的3个或个或3个以上的个以上的基因称为基因称为复等位基因复等位基因。如上，如上，A、a1、a2、an 彼此组成一对等位基因，彼此组成一对等位基因，它们全体组成复等位基因。它们全体组成复等位基因。复等位基因存在于同一类型的不同个体里复等位基因存在于同一类型的不同个体里 如如AA，Aa1，a2 a3，aman 举例：举例：烟草自交不亲和性有烟草自交不亲和性有15个复等位基因：个复等位基因：S1,S2,S15 复等位基因例子复等位基因例子人类的人类的ABO

15、血型遗传血型遗传 三个等位基因三个等位基因IA、IB、i IA、IB 对对 i 为显性，为显性，IA和和IB为共显性关系，可为共显性关系，可各自发生作用，组成各自发生作用，组成6种基因型和种基因型和4种表现型种表现型 表现型（血型）表现型（血型）基因型基因型 A IAIA，IAi B IB IB，IBi AB IA IB O ii四、突变的有害性和有利性四、突变的有害性和有利性 有害性有害性 大多数是有害的大多数是有害的 致死突变致死突变 lethal mutation 例：例：植物的白化突变植物的白化突变 绿株绿株WW 绿株绿株Ww 1WW:2Ww:1ww 3绿苗绿苗:1白苗白苗(死亡死亡)

16、多数为隐性致死（多数为隐性致死（recessive lethal）少数为显性致死（少数为显性致死（dominant lethal）伴性致死伴性致死（sex-linked lethal）即致死突变发生在性染色体上。即致死突变发生在性染色体上。中性突变中性突变 neutral mutation 控制一些次要性状基因，即使发生突变，也不会控制一些次要性状基因，即使发生突变，也不会影响生物的正常生理活动，因而仍能保持其正常的影响生物的正常生理活动，因而仍能保持其正常的生活力和繁殖力，为自然选择保留下来。称为中性生活力和繁殖力，为自然选择保留下来。称为中性突变，如水稻芒的有无、籽粒颜色等。突变，如水稻芒

17、的有无、籽粒颜色等。突变的有害有利性的相对性突变的有害有利性的相对性 突变的有害性是相对的，在一定条件下可以转化，突变的有害性是相对的，在一定条件下可以转化，如矮杆突变体：刚开始出现时在群体中呈劣势；但育如矮杆突变体：刚开始出现时在群体中呈劣势；但育成品种后在高肥、多风条件下种植则具有竞争优势成品种后在高肥、多风条件下种植则具有竞争优势昆虫残翅突变体：一般条件下有害突变；在多风海昆虫残翅突变体：一般条件下有害突变；在多风海岛却可避免被飓风刮走而利于生存岛却可避免被飓风刮走而利于生存五、突变的平行性五、突变的平行性 定义定义 亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往往发生亲缘关系相近的物种因遗传

18、基础比较近似，往往发生相似的基因突变，相似的基因突变，称突变的平行性称突变的平行性。意义意义 当了解到一个物种或属内具有那些变异类型，就能预当了解到一个物种或属内具有那些变异类型，就能预见近缘的其他物种或属也同样存在相似的变异类型。见近缘的其他物种或属也同样存在相似的变异类型。8.2 基因突变与性状表现基因突变与性状表现一、显性突变和隐性突变的表现一、显性突变和隐性突变的表现显性突变显性突变表现表现早早纯合纯合慢慢，当代（第一代）就能表现，第二代，当代（第一代）就能表现，第二代能纯合，而检出纯合突变体则需到第三代。能纯合，而检出纯合突变体则需到第三代。体细胞显性突变，当代为体细胞显性突变，当代

19、为嵌合体嵌合体，要选出纯合体，要选出纯合体，须通过有性繁殖自交两代。须通过有性繁殖自交两代。显性突变的表现显性突变的表现第第1代（代（M1）第第2代（代（M2）第第3代（代（M3）显性突变发生显性突变发生自交自交自自 交交DD 1DD:2Dd:1dd dd1DD：2Dd:1ddDddd隐性突变隐性突变 表现晚纯合快，第二代表现，第二代纯合并可检出表现晚纯合快，第二代表现，第二代纯合并可检出第第1代（代（M1）第第2代（代（M2）隐性突变发生隐性突变发生自交自交1DD：2Dd:1ddDdDD隐性突变的表现隐性突变的表现 体细胞隐性突变，当代不表现，要使其表体细胞隐性突变，当代不表现，要使其表现只

20、需有性繁殖自交一代。现只需有性繁殖自交一代。突变的表现与植物繁殖方式突变的表现与植物繁殖方式 自花授粉作物，只要自交即可分离出来。自花授粉作物，只要自交即可分离出来。异花授粉作物，要进行人工自交或互交，异花授粉作物，要进行人工自交或互交，否则长期保持异质。否则长期保持异质。二、大突变和微突变的表现二、大突变和微突变的表现 大突变大突变 macromutation 突变效应表现明显，容易识别。突变效应表现明显，容易识别。质量性状突变大都属此质量性状突变大都属此 微突变微突变 micromutation 效应表现微小，较难察觉。效应表现微小，较难察觉。数量性状的突变属之。数量性状的突变属之。微突变

21、可以积累微突变可以积累大的变化大的变化 微突变中出现的有利突变微突变中出现的有利突变大突变。所以在育种工作中要大突变。所以在育种工作中要特别注意微突变的分析和选择，在注意大突变的同时，特别注意微突变的分析和选择，在注意大突变的同时，也应重视微突变。也应重视微突变。8.3 基因突变的鉴定基因突变的鉴定 突变发生的鉴定突变发生的鉴定 是否是否真实的基因突变？真实的基因突变？是显性还是隐性突变？是显性还是隐性突变？突变频率？突变频率？基因发生某种化学变化而引起的变异：基因发生某种化学变化而引起的变异：可遗传可遗传 环境条件导致的变异：环境条件导致的变异：不遗传不遗传一、植物基因突变的鉴定一、植物基因

22、突变的鉴定例：高秆例：高秆矮秆，矮秆，其原因其原因：基因突变而引起；基因突变而引起；因土壤瘠薄或遭受病虫为害而生长不良等。因土壤瘠薄或遭受病虫为害而生长不良等。鉴定方法：鉴定方法：可将变异体与原始亲本在可将变异体与原始亲本在同一栽培条件同一栽培条件下比较。下比较。高秆高秆矮秆矮秆后代为高秆，则不是突变，由环境引起；后代为高秆，则不是突变，由环境引起；自交自交后代仍为矮秆，则是基因突变引起的。后代仍为矮秆，则是基因突变引起的。显隐性的鉴定显隐性的鉴定显性显性突变和突变和隐性隐性突变的区分，可利用杂交试验鉴定突变的区分，可利用杂交试验鉴定如：如：突变体突变体矮秆株矮秆株原始品种原始品种(高高)F1

23、高秆高秆自交自交 F2 高秆、矮秆分离高秆、矮秆分离 说明该突变属于说明该突变属于隐性突变隐性突变 突变率的测定突变率的测定花粉直感花粉直感(胚乳直感）法估算配子的突变率胚乳直感）法估算配子的突变率举例：举例：测定玉米籽粒由测定玉米籽粒由Su su的突变率。的突变率。利用甜粒玉米利用甜粒玉米susu为母本、诱变处理的非甜玉米为母本、诱变处理的非甜玉米SuSu为为父本进行杂交，理论上父本进行杂交，理论上F1果穗上都应为非甜，但果穗上都应为非甜，但2万粒中却出万粒中却出现个别甜粒（现个别甜粒（2粒），这说明父本的粒），这说明父本的2万粒花粉中有万粒花粉中有2粒花粉的粒花粉的基因由基因由Su su，

24、说明基因，说明基因Su的突变率为万分之一。的突变率为万分之一。花粉直感：花粉直感：两个相异的植株杂交，当代所结籽粒即表现父本两个相异的植株杂交，当代所结籽粒即表现父本性状的现象。其原因是参与受精的花粉中带有控制胚乳性状性状的现象。其原因是参与受精的花粉中带有控制胚乳性状的显性基因。的显性基因。植株测定法植株测定法 根据根据M M2 2出现的突变体占观察总个体数的比出现的突变体占观察总个体数的比例来估算。如例来估算。如M M2 2群体中群体中1010万个观察个体数中出万个观察个体数中出现现5 5个突变体，突变率为个突变体，突变率为 0.005%0.005%。二、二、真菌生化突变的鉴定真菌生化突变

25、的鉴定（一）红色面包霉的生化突变型（一）红色面包霉的生化突变型 几个基本概念几个基本概念 生化突变：由于诱变因素的影响导致生物代谢生化突变：由于诱变因素的影响导致生物代谢功能的变异。功能的变异。营养缺陷型（营养缺陷型（auxotroph）:诱变导致生物丧失诱变导致生物丧失了合成某种生活物质的能力，需在特定的营养下了合成某种生活物质的能力，需在特定的营养下才能生长。才能生长。野生型或原养型（野生型或原养型（prototroph）基本培养基：基本培养基：野生型可在这种培养基因生长。野生型可在这种培养基因生长。水水+无机盐无机盐(硫酸盐、硝酸盐等硫酸盐、硝酸盐等)+糖类糖类(葡萄糖或蔗糖葡萄糖或蔗糖

26、)+微量微量生物素生物素(VB的一种的一种)。完全培养基：完全培养基：各种突变型可以在这种培养基生长。各种突变型可以在这种培养基生长。基本培养基基本培养基+多种氨基酸多种氨基酸+多种维生素多种维生素红色面包霉的突变型：红色面包霉的突变型：红色面包霉红色面包霉合成其生活所需物质合成其生活所需物质一系列生化过程一系列生化过程每一每一过程过程由由一定的基因所控制。一定的基因所控制。只要综合分析大量的生化突变资料只要综合分析大量的生化突变资料可阐明有关基因的功能可阐明有关基因的功能及其作用的程序。及其作用的程序。BeadleBeadle红色面包霉的生化突变型红色面包霉的生化突变型 野生型：基本培养基上

27、可生长野生型：基本培养基上可生长 突变型突变型(a)(a)：基本培养基：基本培养基+精氨酸精氨酸 可生长可生长 突变型突变型(c)(c)：基本培养基：基本培养基+瓜氨酸瓜氨酸(精氨酸精氨酸)可生长可生长 突变型突变型(o)(o)：基本培养基：基本培养基+鸟氨酸鸟氨酸(精或精或瓜瓜)可生长可生长图中图中表示不添加某物质，表示不添加某物质，表示不能生长，表示不能生长，表示在添加某物质的培养基上可生长表示在添加某物质的培养基上可生长根据以上实验，可以推论精氨酸的合成步骤为：根据以上实验，可以推论精氨酸的合成步骤为：前体前体鸟氨酸鸟氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨酸精氨酸 蛋白质蛋白质 由此可以看出，从鸟由此

28、可以看出，从鸟 精的合成至少需要精的合成至少需要A、C、O三个基三个基因，其中一个基因发生突变，精氨酸是不会合成的，这个实验因，其中一个基因发生突变，精氨酸是不会合成的，这个实验证明了基因与新陈代谢的关系。证明了基因与新陈代谢的关系。Beadle 1941年根据这个实验研年根据这个实验研究，阐明基因是通过酶的作用来控制性状的，于是提出究，阐明基因是通过酶的作用来控制性状的，于是提出“一个一个基因一个酶基因一个酶”的假说，把基因与性状两者联系起来。的假说，把基因与性状两者联系起来。前体前体基因基因O酶酶I基因基因C酶酶II基因基因A酶酶III精氨酸精氨酸 蛋白质蛋白质瓜氨酸瓜氨酸鸟氨酸鸟氨酸（二

29、）（二）红色红色面包霉生化面包霉生化突变的鉴定突变的鉴定方法方法图片引自图片引自Klug and Cummings，20028.4 基因突变的分子基础基因突变的分子基础自发突变的原因：自发突变的原因：A.复制错误复制错误 B.碱基的异构体互变效应碱基的异构体互变效应 C.转座因子的插入转座因子的插入 D.自发的化学变化：脱嘌呤、脱氨基、生物体内活性自发的化学变化：脱嘌呤、脱氨基、生物体内活性 氧化剂对氧化剂对DNA的氧化损伤的氧化损伤诱变因素：诱变因素：A.化学诱变化学诱变 B.物理诱变物理诱变 C.生物学诱变生物学诱变一、突变的分子机制一、突变的分子机制（一）位点与基因座（一）位点与基因座

30、位点位点（site）：指）：指DNA（基因）上的一个核苷（基因）上的一个核苷酸对。一个基因内不同位点的改变可以形成酸对。一个基因内不同位点的改变可以形成许多等位基因（复等位基因）。许多等位基因（复等位基因）。基因座基因座（locus）：指一个基因，包括数百）：指一个基因，包括数百个数千个核苷酸对。一个基因座上的复等个数千个核苷酸对。一个基因座上的复等位基因是基因内部不同碱基改变的结果。位基因是基因内部不同碱基改变的结果。（二）（二）突变的方式突变的方式（1）分子结构的改变）分子结构的改变 碱基替换：碱基替换：如如AAA（赖）（赖）GAA（谷）。包括：（谷）。包括：转换转换:transition

31、,嘌呤与嘌呤或嘧啶与嘧啶之间的转换嘌呤与嘌呤或嘧啶与嘧啶之间的转换 颠换颠换:transversion,嘌呤转换为嘧啶或嘧啶转换为嘌呤嘌呤转换为嘧啶或嘧啶转换为嘌呤 （2）移码）移码 frameshift 碱基缺失移码：碱基缺失移码：如如AAA（赖）（赖）CAC（组）（组）AAC（天）（天）AC 碱基插入移码：碱基插入移码：如如AAA(赖赖)AAC（天冬酰胺）（天冬酰胺）A镰刀型贫血症与点突变镰刀型贫血症与点突变 正常红细胞正常红细胞基因型基因型HbAHbA镰刀型红细胞镰刀型红细胞基因型基因型HbSHbS人的血红蛋白由2条链和2条链组成。镰刀型贫血症患者的链第6位的Glutamic acid

32、变成了Valine。谷氨酸的密码子为GAA 或GAG，而缬氨酸的密码子为GUU、GUC、GUA、GUG。中间1个碱基的替换导致了1个氨基酸的改变，从而导致了镰刀型贫血症。图片引自图片引自Klug and Cummings，2002移码突变移码突变（三）自发突变的机制（三）自发突变的机制（1）自发损伤自发损伤常见的有常见的有脱嘌呤脱嘌呤和和脱氨基脱氨基作用。一个哺乳动物细胞在作用。一个哺乳动物细胞在37 培养培养20 h的细胞的细胞复制周期中，复制周期中，DNA 自发地脱落大约自发地脱落大约10 000个嘌呤碱基。个嘌呤碱基。（2）碱基的氧化损伤碱基的氧化损伤 活性氧化物活性氧化物，如超氧自由基

33、，如超氧自由基(O2)、过氧化氢、过氧化氢(H2O2)和羟自由基和羟自由基(OH)都被都被认为是正常有氧代谢的副产物，这些副产物对认为是正常有氧代谢的副产物，这些副产物对DNA产生氧化损伤，不仅产生氧化损伤，不仅能对能对DNA的前体造成氧化性损伤，从而引起突变，而且会引发多种人类的前体造成氧化性损伤，从而引起突变，而且会引发多种人类疾病。疾病。（3）DNA复制错误复制错误碱基异构体转换碱基异构体转换会导致会导致DNA复制错误，造成碱基替换；复制错误，造成碱基替换；复制滑动可导致碱基插入、缺失，造成移码突变。复制滑动可导致碱基插入、缺失，造成移码突变。（4）其他可能的机制其他可能的机制自然界存在

34、的自然界存在的辐射辐射；温度急剧变化温度急剧变化导致导致DNA复制酶的保真性降低；重复序复制酶的保真性降低；重复序列引起的列引起的复制滑动复制滑动（replication slippage）碱碱 基基嘧嘧啶啶环环嘌嘌呤呤环环异构体互变会改变碱基配对性质并导致突变异构体互变会改变碱基配对性质并导致突变碱基异构体互变（碱基异构体互变（Tautomeric shifts）酮式酮式标准的碱基配对标准的碱基配对氨基式氨基式烯醇式烯醇式异常碱基配对异常碱基配对亚氨基式亚氨基式二、突变的修复二、突变的修复(自学自学)1、DNA防护机制防护机制 （1）简并密码子简并密码子 （2）回复突变回复突变 （3）抑制抑

35、制 （4）致死和选择致死和选择 （5）多倍性多倍性2、DNA的修复的修复 （1）光修复光修复 （2）暗修复暗修复 （3）重组修复重组修复 （4）SOS修复修复未雨绸缪未雨绸缪 坏了就修！（自学）坏了就修！（自学）想变就变想变就变理化诱变理化诱变想变什么就变什么想变什么就变什么生物学诱变生物学诱变想在哪变就在哪变想在哪变就在哪变CRISPR-Cas9 定点编辑定点编辑8.5 人工创造突变体人工创造突变体一、突变体的用途一、突变体的用途太空辐射育种太空辐射育种 突变体的用途突变体的用途育种育种CoCo6060 辐射育种辐射育种 突变体的用途突变体的用途遗传与发育机理的揭示遗传与发育机理的揭示例如：

36、例如：TH Morgan 通过研究果蝇白眼突变体揭示了性连锁遗通过研究果蝇白眼突变体揭示了性连锁遗传规律传规律C Nsslein-Volhard，E Wieschaus,EB Lweis 等人通过等人通过研究大量果蝇和斑马鱼胚胎突变体，提出了由间隙基研究大量果蝇和斑马鱼胚胎突变体，提出了由间隙基因、成对基因、节段极性基因、同形异位（同源异形）因、成对基因、节段极性基因、同形异位（同源异形）基因控制发育的模式基因控制发育的模式Legs on head?!Four wings?!Oh!Tell me what is right!Wild typemutantHOXD13 mutation果蝇体节分

37、化果蝇体节分化 a:受精后约10h的果蝇胚控制果蝇身体结构建成的基因控制果蝇身体结构建成的基因 Maternal-effect genes(40 genes)Maternal-effect genes(40 genes)Segmentation genesSegmentation genes gap genes pair-rule genes segment polarity genes Selector genesSelector genesZygotic genes(5060 genes)How to realize the body plan?a 母性效应基因母性效应基因控制胚沿着前后轴

38、向形成物质分布梯度物质分布梯度b 合子间隔基因合子间隔基因将胚胎粗分为3个大的区域（大致对应于头、胸、腹三部分）打轮廓打轮廓c 合子对控基因合子对控基因进一步将胚胎划分为大约2节宽的条带；所有成对基因的相互作用决定节段的边界画草图画草图d 合子体节极性基因合子体节极性基因将每个节细分为前后两半描细节描细节e 同源异型选择基因同源异型选择基因决定每个体节的特性或命运例如：例如：GW Beadle 和和EL Tatum以红色面包酶为以红色面包酶为材料，根据对材料，根据对生化突变体生化突变体的研究提出的研究提出“一个基一个基因一个酶因一个酶”假说。认为生物体内发生的每一步假说。认为生物体内发生的每一

39、步代谢反应，都是由一种特殊的酶负责控制的，代谢反应，都是由一种特殊的酶负责控制的，而这种酶又是某一特定基因的合成产物。而这种酶又是某一特定基因的合成产物。突变体的用途突变体的用途生化途径的揭示生化途径的揭示 突变体的用途突变体的用途遗传疾病的研究遗传疾病的研究沙皇尼古拉二世之子：血友病沙皇尼古拉二世之子：血友病 维多利亚女王：血友病突变基因携带者维多利亚女王：血友病突变基因携带者 正向遗传学策略（正向遗传学策略（forward genetics strategy）克隆已知突变表型或功能的基因，再分析其序列，克隆已知突变表型或功能的基因，再分析其序列，即由即由功能功能序列序列。只能分析单个的或少

40、数的基因，。只能分析单个的或少数的基因，所获得的信息是零散而片面的所获得的信息是零散而片面的逆向遗传学策略（逆向遗传学策略（reverse genetics strategy）从大规模的已知从大规模的已知DNA序列出发，对基因组的基因序列出发，对基因组的基因进行功能敲除（进行功能敲除（knock-out）或激活）或激活(knock-on),获获得大量突变体，并系统地分析其功能。即由得大量突变体，并系统地分析其功能。即由大规大规模模序列序列 功能功能。所获得的信息是系统的、完整的。所获得的信息是系统的、完整的 突变体的用途突变体的用途基因功能分析与功能基因组学研究基因功能分析与功能基因组学研究二

41、、人工创造突变体的方法二、人工创造突变体的方法获得突变体的途径最终可归结为：获得突变体的途径最终可归结为：破坏基因结构破坏基因结构 改变基因表达改变基因表达诱变方法：诱变方法：物理诱变物理诱变(physical mutagenesis)化学诱变化学诱变(chemical mutagenesis)生物学诱变生物学诱变(biological mutagenesis)（一）物理诱变（一）物理诱变物理诱变因素物理诱变因素电离诱变因素电离诱变因素非电离诱变因素非电离诱变因素电磁辐射电磁辐射粒子辐射粒子辐射紫外线紫外线X射线射线 射线射线带电粒子带电粒子 不带电粒子不带电粒子射线射线 射线射线 质子质子

42、中子中子电磁波谱的组成及其波长电磁波谱的组成及其波长能量高于可见光的射线对生物体有害能量高于可见光的射线对生物体有害(1)电离辐射诱变电离辐射诱变 包括包括 射线、射线、射线和中子等粒子辐射，还包括射线和中子等粒子辐射，还包括射线和射线和X射线等电磁波辐射。中子的诱变效果最好。射线等电磁波辐射。中子的诱变效果最好。根据辐射（照射）的方法，可分为根据辐射（照射）的方法，可分为“内内”和和“外外”照射。照射。外照射外照射 即辐射源与接受照射的物体之间要保持一定的距即辐射源与接受照射的物体之间要保持一定的距离，让射线从物体之外透入物体之内，在体内诱发基离，让射线从物体之外透入物体之内，在体内诱发基因

43、突变。因突变。X射线、射线、射线和中子都适用于射线和中子都适用于“外照射外照射”。内照射内照射 即用浸泡或注射的方法，使其渗入生物体内，在即用浸泡或注射的方法，使其渗入生物体内，在体内放出体内放出 射线进行诱变。射线进行诱变。和和 射线的穿透力很弱，故只能用射线的穿透力很弱，故只能用“内照射内照射”。实际。实际应用时，一般不用应用时，一般不用 射线，只用射线，只用 射线。射线。射线常用辐射线常用辐射源是射源是P32和和S35，尤以，尤以P32使用较多使用较多 电离辐射诱变的机理电离辐射诱变的机理 照射照射初级电离初级电离次级电离次级电离 基因分子结构改组基因分子结构改组基因突变或染色体结构变异

44、基因突变或染色体结构变异 辐射剂量及表示方法辐射剂量及表示方法定义：定义：单位质量被照射的物质所吸收的能量数值，单位质量被照射的物质所吸收的能量数值，称为辐射剂量称为辐射剂量。X射线和射线和射线：用射线：用“伦琴伦琴”（r）表示，即在）表示，即在1克空气中克空气中 吸收吸收8310-7焦耳（焦耳（J）辐射的能量。）辐射的能量。中子：单位是中子：单位是“积分流量积分流量”。即每平方厘米的截面上通过。即每平方厘米的截面上通过 的中子数（的中子数（n/cm2）。）。射线：用射线：用“微居里微居里”表示。具体是每克物质吸收多少表示。具体是每克物质吸收多少 “微居里微居里”（cu）的放射性同位素。微居里

45、是放射强度）的放射性同位素。微居里是放射强度 单位，表示每秒钟有单位，表示每秒钟有3.7104个原子核发生蜕变。个原子核发生蜕变。基因突变的频率与辐射剂量成正比基因突变的频率与辐射剂量成正比，即剂量增加一倍，即剂量增加一倍，突变频率增加一倍，但突变率不受辐射强度的影响。突变频率增加一倍，但突变率不受辐射强度的影响。辐射强度辐射强度是指单位时间内照射的剂量数，即剂量率，是指单位时间内照射的剂量数，即剂量率，倘若照射剂量不变，不管单位时间内所照射是多还是少，倘若照射剂量不变，不管单位时间内所照射是多还是少，基因突变率总是保持一致。基因突变率总是保持一致。(2)非电离辐射诱变非电离辐射诱变 种类：种

46、类：UV 作用机理作用机理 激发作用激发作用DNA结构改变结构改变配对差错配对差错突变突变 最有效的诱变波长：最有效的诱变波长：260nm 适用适用 UV能量较低、穿透力较弱，适于微生物、生殖细胞能量较低、穿透力较弱，适于微生物、生殖细胞的诱变的诱变UV照射 DNA上的胸腺嘧啶环共价交联形成胸腺嘧啶二聚体DNA构像改变，抑制复制错配“Children of the night”阳光中的阳光中的UV可导致可导致DNA形成形成thymine dimer（胸腺嘧啶二聚体），（胸腺嘧啶二聚体），正常人含有正常人含有NER修复系统，可以切除修复受影响的修复系统，可以切除修复受影响的DNA。但干。但干皮病

47、患者丧失了皮病患者丧失了NER功能，所以暴露于阳光中会导致皮肤受损、功能，所以暴露于阳光中会导致皮肤受损、甚至长肿瘤（如图中男孩的鼻子上就有甚至长肿瘤（如图中男孩的鼻子上就有2个）。如果这种孩子从个）。如果这种孩子从小就不暴露在阳光中，皮肤受损可以减轻（图中女孩）小就不暴露在阳光中，皮肤受损可以减轻（图中女孩）简史简史1941年年Auerbach和和Robson第一次发现芥子气（第一次发现芥子气（mustard gas,一种烷化剂）可以诱发基因突变。一种烷化剂）可以诱发基因突变。1943年年Oehlkers第一次发现氨基甲酸乙酯第一次发现氨基甲酸乙酯(NH2COO2H5）可以诱发染色体结构的变

48、异。可以诱发染色体结构的变异。（二）化学诱变（二）化学诱变化学诱变的特点化学诱变的特点 某些化学药物的诱变作用是有特异性的，即一某些化学药物的诱变作用是有特异性的，即一定性质的药物能够诱发一定类型的变异。定性质的药物能够诱发一定类型的变异。化学诱变剂的种类化学诱变剂的种类碱基类似物碱基类似物具有配对两重性，具有配对两重性，DNA复制时如错误复制时如错误掺入碱基类似物可造成碱基的转换（掺入碱基类似物可造成碱基的转换（base transition）碱基修饰剂碱基修饰剂对碱基某些基团进行化学修饰从而改对碱基某些基团进行化学修饰从而改变碱基的配对性质，造成碱基的转换或颠换变碱基的配对性质，造成碱基的

49、转换或颠换(transversion)DNA嵌入剂嵌入剂可嵌入可嵌入DNA的碱基对之间，造成复的碱基对之间，造成复制错误，形成碱基插入制错误，形成碱基插入/缺失缺失,导致移码突变导致移码突变碱基类似物：碱基类似物：base analogs DNA复制时错误掺入到复制时错误掺入到DNA分子中，引起碱基配对错误，造成分子中，引起碱基配对错误，造成碱基替换碱基替换 5溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-BU,5-bromouracil）2氨基嘌呤（氨基嘌呤（2-AP,2-amino purine）碱基修饰剂：碱基修饰剂：对碱基进行修饰使其性质发生改变，引起对碱基进行修饰使其性质发生改变，引起特异性错配，造成碱基

50、替换特异性错配，造成碱基替换 亚硝酸（亚硝酸（HNO2）：使碱基）：使碱基脱氨脱氨 羟胺（羟胺（HA）：使碱基的氨基氮）：使碱基的氨基氮羟基化羟基化 甲基磺酸乙酯（甲基磺酸乙酯（EMS，烷化剂）：使碱基，烷化剂）：使碱基烷基化烷基化嵌合剂：嵌合剂：吖吖啶类染料。含有啶类染料。含有吖吖啶环，是一种平面分子，分子大小与碱基对大小相啶环，是一种平面分子，分子大小与碱基对大小相似，可以插入到似，可以插入到DNA双螺旋双链或单链的两个相邻碱基之间，造成碱基插入或双螺旋双链或单链的两个相邻碱基之间，造成碱基插入或缺失，引起缺失，引起移码突变移码突变。某些抗菌素、叠氮化合物也有诱变效应某些抗菌素、叠氮化合物

51、也有诱变效应碱基类似物碱基类似物具有配对两重性，具有配对两重性，导致碱基转换突变导致碱基转换突变T=A5BU=A5BU=GC=G5-BU 酮式酮式5-BU烯醇式烯醇式酮式与酮式与A配对配对烯醇式与烯醇式与G配对配对5-BU，5-溴尿嘧啶，溴尿嘧啶，是是T的类似物，的类似物，但可以和但可以和A或或G配对配对T烷化剂烷化剂EMS对碱基的修饰导致其配对性质改变对碱基的修饰导致其配对性质改变DNA修饰修饰烷化剂烷化剂是极强的化学诱变剂。如乙基甲磺酸（是极强的化学诱变剂。如乙基甲磺酸（EMS）和亚硝基胍）和亚硝基胍（NTG），可对碱基进行烷基化，改变其配对性质，造成），可对碱基进行烷基化，改变其配对性质

52、，造成碱基替换碱基替换。DNA嵌入剂，嵌入剂，如原黄素素如原黄素素(proflavin),吖啶橙吖啶橙(acridine)等扁平分子可以嵌等扁平分子可以嵌入入DNA的碱基对之间，导致单核苷酸对的插入的碱基对之间，导致单核苷酸对的插入/缺失，引起缺失，引起移码突变移码突变。（三）生物学诱变（三）生物学诱变生物学诱变生物学诱变T-DNA taggingTransposon taggingRNA interference定点突变定点突变CRISPR-Cas9系统系统T-DNA tagging T-DNA标签法标签法 利用农杆菌利用农杆菌Ti质粒上的质粒上的T-DNA作为诱变因子作为诱变因子,将其插将

53、其插入植物基因组，造成基因的插入突变（入植物基因组，造成基因的插入突变（insertional mutation）突变性状与突变性状与T-DNA的共分离关系的确定的共分离关系的确定 插入点旁侧的基因组序列分析插入点旁侧的基因组序列分析 以旁侧序列为探针筛选基因组文库，获取全长基因。以旁侧序列为探针筛选基因组文库，获取全长基因。或直接将序列与网上公共数据库比对，获取相关信息。或直接将序列与网上公共数据库比对，获取相关信息。Gene A基因组文库或数据库中含基因组文库或数据库中含gene A 的克隆的克隆Ge ne A Ge ne A Ge ne A 转座因子转座因子会跳舞的基因？会跳舞的基因？转

54、座因子定义转座因子定义：指可以在染色体组内移动的特定指可以在染色体组内移动的特定DNA片段。片段。发现发现：Emerson（1914）花斑果皮花斑果皮 McClintock 转座因子的遗传基础转座因子的遗传基础Transposon tagging 转座子标签法转座子标签法巴巴拉巴巴拉麦克林托克麦克林托克Barbara McClintockBarbara McClintock（1902-19921902-1992）是）是2020世纪具有世纪具有传奇般经历的女科学家，她在玉米中发现了传奇般经历的女科学家，她在玉米中发现了“会会跳舞跳舞”的基因。的基因。面对荣获贝尔奖（面对荣获贝尔奖（1983198

55、3年）这一崇高荣誉，麦克林年）这一崇高荣誉，麦克林托克平静地说：托克平静地说：“我觉得自己获得这种意外的奖我觉得自己获得这种意外的奖赏似乎有些过分。多少年来，我在对于玉米遗传赏似乎有些过分。多少年来，我在对于玉米遗传的研究中已获得很多的欢乐。的研究中已获得很多的欢乐。我不过是请求玉米我不过是请求玉米帮助我解决一些特殊的问题，并倾听了她那奇妙帮助我解决一些特殊的问题，并倾听了她那奇妙的回答的回答。”Ac因子：因子：activator，是自主成分，具备自身切除，是自主成分，具备自身切除和转座的能力。带有和转座的能力。带有2个与转座有关的基因个与转座有关的基因Ds因子：因子：dissociation

56、,非自主成分，只有在同一非自主成分，只有在同一自主成分自主成分Ac存在时才能切除或转座。存在时才能切除或转座。Transposon tagging 的步骤的步骤 将转座成分（将转座成分（transposable element）导入植物。转座）导入植物。转座成分的插入可造成基因失活成分的插入可造成基因失活 诱导转座子在转化体内不断转座，以形成一个不断扩诱导转座子在转化体内不断转座，以形成一个不断扩大的插入突变群体大的插入突变群体 确定突变性状与转座子的共分离关系确定突变性状与转座子的共分离关系 插入点旁侧基因组序列的分析插入点旁侧基因组序列的分析 以旁侧序列为探针筛选基因组文库，获取全长基因。

57、以旁侧序列为探针筛选基因组文库，获取全长基因。或直接将序列与网上公共数据库比对，获取相关信息。或直接将序列与网上公共数据库比对，获取相关信息。T-DNA tagging 与与transposon tagging 的区别的区别T-DNA tagging：一旦整合在基因组的某个位置：一旦整合在基因组的某个位置后，后，T-DNA就不能再改变自身的位置，所以要就不能再改变自身的位置，所以要想获得更多的突变体就必须大量转化想获得更多的突变体就必须大量转化transposon tagging：只要将转座子导入了基因组，：只要将转座子导入了基因组，经诱导，转座子就可在转化体内不断发生转座，经诱导，转座子就可

58、在转化体内不断发生转座，突变群体会不断扩大，因而无需做大量的转化突变群体会不断扩大，因而无需做大量的转化工作工作RNA interference(RNAi)RNA干扰干扰 概念：概念：生物体内导入双链生物体内导入双链RNA后，引起体内同后，引起体内同源基因特异性沉默的现象源基因特异性沉默的现象 用途：用途：基因敲除（基因敲除（gene knock-out）RNAi 可能的机制可能的机制5，3，5，3，几个缩写词几个缩写词siRNA：small interfering RNA，小干涉，小干涉RNAmiRNA:microRNA，微，微RNAhpRNA:hairpin RNA，发夹，发夹RNAihp

59、RNA:intron-containing hairpin RNA，带内含子的发夹带内含子的发夹RNA定点突变定点突变 基因的定点突变基因的定点突变（site specific mutagenesis of gene）是指按照人们的意愿对基因的是指按照人们的意愿对基因的编码区编码区和和表达调控区表达调控区（包括启动子区）定向进行缺失、插入或碱基替换（包括启动子区）定向进行缺失、插入或碱基替换等过程。等过程。基因的定点突变基因的定点突变改变了改变了自然状态下诱发突变表现的自然状态下诱发突变表现的随机性随机性，根据所要突变的已知基因序列，对其保守，根据所要突变的已知基因序列，对其保守的功能结构域，

60、调控区进行定点突变，从而改变基的功能结构域，调控区进行定点突变，从而改变基因的结构和表达状况。因的结构和表达状况。2013 最新研究进展介绍最新研究进展介绍利用利用CRISPR-Cas9系统进行基因组定点突变系统进行基因组定点突变成功实现基因组靶向修饰案例：人、鼠、拟南芥、水稻等成功实现基因组靶向修饰案例：人、鼠、拟南芥、水稻等CRISPR：clustered regulatory interspaced short palindromic repeatsCas9：CRISPR-associated proteinsFunctioning of the type II CRISPR syste

61、m in bacteriaMali et al,2013Mali et al,2013Functioning of the type II CRISPR system in becteriaCas9 can be programmed by single chimeric RNA(gRNA)Jinek et al,2012 gRNA-Cas9 nuclease for specific gDNA cleavage本章要求掌握掌握 1.相关的中英文遗传学名词和术语相关的中英文遗传学名词和术语 如：基因突变、突变体、错义突变、无义突变、沉默突变、如：基因突变、突变体、错义突变、无义突变、沉默突变、移码突变、转换、颠换、复等位基因等移码突变、转换、颠换、复等位基因等 2.基因突变有哪些基本特征基因突变有哪些基本特征 3.基因突变如何鉴定基因突变如何鉴定 4.人工创造突变体有哪些方法人工创造突变体有哪些方法了解了解 1.基因突变的分子机制基因突变的分子机制 2.突变体有哪些用途突变体有哪些用途课外思考：课外思考：了解了哪些因素可导致生物遗传物质变异后，你认为应该了解了哪些因素可导致生物遗传物质变异后，你认为应该采取怎样的措施来保护生态环境？采取怎样的措施来保护生态环境？