上海交通大学-环境微生物-微生物的变异

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1、微 生 物 的 遗 传 和 变 异Microbial Genetics and Variation 第 二 节 微 生 物 的 变 异 n 突 变 (mutation)： 遗 传 物 质 核 酸 (DNA或 RNA) 中 的 核苷 酸 顺 序 突 然 发 生 了 稳 定 的 可 遗 传 的 变 化 。n 突 变 包 括 基 因 突 变 (gene mutation， 又 称 点 突 变 ) 和 染色 体 畸 变 (chromosomal aberration) 两 类 。n 基 因 突 变 是 由 于 DNA链 上 的 一 对 或 少 数 几 对 碱 基 发 生改 变 而 引 起 的 。n 染

2、 色 体 畸 变 则 是 DNA的 大 段 变 化 （ 损 伤 ） 现 象 ， 表 现为 染 色 体 的 插 入 (insertion)、 缺 失 (deletion)、 重 复 (duplication)、 易 位 (translocation) 和 倒 位 (inversion)。n 突 变 几 率 一 般 在 10-6 10-9范 围 内 。n 重 组 或 附 加 体 等 外 源 遗 传 物 质 的 整 合 而 引 起 的 DNA改变 ， 不 属 突 变 的 范 围 。一 、 变 异 的 实 质 基 因 突 变 生 化 突 变 型 n 根 据 生 化 突 变 型 分 为 1. 营 养 突

3、 变 型 ： 由 基 因 突 变 而 引 起 代 谢 过 程 中 某 酶 合 成 能 力 丧 失 的 突 变 型 ， 它 们 必 须 在 培 养 基 中 添 加 相 应 的 营 养 成 分 才 能 正 常 生 长 。 2. 抗 性 突 变 型 ： 一 类 能 抵 抗 有 害 理 化 因 素 的 突 变 型 。 根 据 其 抵 抗 对 象 可 分 为 抗 药 性 、 抗 紫 外 线 或 抗 噬 菌 体 等 突 变 类 型 。 3. 抗 原 突 变 型 ： 指 细 胞 成 分 尤 其 是 细 胞 表 面 成 分 （ 细 胞 壁 、 荚 膜 、 鞭 毛 ） 的 细 微 变 异 而 引 起 抗 原 性

4、 变 化 的 突 变 型 。 n 根 据 遗 传 物 质 结 构 的 改 变 分 为碱 基 置 换 ， 移 码 ， DNA片 段 的 缺 失 和 插 入n 根 据 突 变 引 起 的 遗 传 信 息 的 改 变 分 为 同 义 突 变 ， 错 义 突 变 和 无 义 突 变 酪 氨 酸无 义 突 变 同 义 突 变 错 义 突 变 影 响 翻 译 的 一 种 无 义 突 变赖 氨 酸 终 止 因 子 tRNA的 抑 癌 基 因 的 无 义 突 变 错 义 突 变 的 机 制 毒 力 增 强 ： 无 毒 力 的 白 喉 棒 状 杆 菌 常 寄 居 在 咽 喉 部 ，不 致 病 ； 当 感 染 了

5、 -棒 状 噬 菌 体 后 变 成 溶 原 性 细 菌 ，则 获 得 产 生 白 喉 毒 素 的 能 力 ， 引 起 白 喉 。 毒 力 减 弱 ： 有 毒 菌 株 长 期 在 人 工 培 养 基 上 传 代 培 养 ，可 是 细 菌 的 毒 力 减 弱 或 消 失 。 卡 介 苗 (BCG ) 是 有 毒 的牛 分 枝 杆 菌 在 含 有 胆 汁 的 甘 油 、 马 铃 薯 培 养 基 上 ， 经过 13年 ， 连 续 穿 230代 ， 获 得 的 一 株 毒 力 减 弱 但 仍 保 持免 疫 原 性 的 变 异 株 。 v 耐 药 性 变 异 ： 细 菌 对 某 种 抗 菌 药 物 由 敏

6、 感 变 为 耐 药 的变 异 。 有 些 细 菌 还 表 现 为 同 时 耐 受 多 种 抗 菌 药 物 ， 即多 重 耐 药 性 。v 从 抗 生 素 广 泛 应 用 以 来 ， 细 菌 对 抗 生 素 耐 药 的 不 断 增长 是 世 界 范 围 内 的 普 遍 趋 势 ， 给 临 床 治 疗 带 来 很 大 的困 难 ， 并 成 为 当 今 医 学 上 的 重 要 问 题 。 细 菌 的 菌 落 主 要 有 光 滑 (smooth, S) 型 和 粗 糙 (rough, R) 型 两 种 。 S型 菌 落 表 面 光 滑 、 湿 润 、 边 缘 整 齐 。 经 人 工培 养 多 次 传

7、 代 后 菌 落 表 面 边 为 粗 糙 、 干 燥 、 边 缘 不 整齐 ， 称 S-R变 异 。 S-R变 异 常 见 于 肠 道 杆 菌 ， 是 由 于 失 去 LPS (脂 多 糖 ) 的 特 异 性 寡 糖 重 复 单 位 而 引 起 的 。 变 异 时 不 仅 菌 落 的 特 征 发 生 改 变 ， 且 细 菌 的 其 它 性 状也 发 生 了 变 化 。 S型 菌 的 致 病 性 强 ， 但 有 少 数 R型 菌 的 致 病 性 强 ， 如 结核 分 枝 杆 菌 。 n 1. 不 对 应 性 突 变 的 性 状 与 引 起 突 变 的 原 因 间 无 直 接 的 对 应 关 系

8、。例 如 细 菌 在 有 青 霉 素 的 环 境 下 ， 出 现 了 抗 青 霉 素 的 突 变体 ， 经 变 量 试 验 、 涂 布 试 验 和 影 印 试 验 等 典 型 遗 传 学 实验 证 明 ， 这 类 性 状 都 可 通 过 自 发 的 和 其 他 任 何 诱 变 因 子诱 发 而 得 ， 青 霉 素 等 因 素 仅 是 起 了 淘 汰 原 有 非 突 变 型（ 敏 感 性 ） 个 体 的 作 用 。 基 因 突 变 的 自 发 性 和不 对 应 性 的 证 明 实 验 在 各 种 基 因 突 变 中 ， 抗 性 突 变 最 为 常 见 。 但 在 过 去 相当 长 时 间 内 对

9、 这 种 抗 性 产 生 的 原 因 争 论 十 分 激 烈 。n 观 点 一 ： 突 变 是 通 过 适 应 而 发 生 的 ， 即 各 种 抗 性 是 由其 环 境 （ 指 其 中 所 含 的 抵 抗 对 象 ） 诱 发 出 来 的 ， 突 变的 原 因 和 突 变 的 性 状 间 是 相 对 应 的 ， 并 认 为 这 就 是“ 定 向 变 异 ” ， 也 有 人 称 它 为 “ 驯 化 ” 或 “ 驯 养 ” 。 n 观 点 二 ： 突 变 是 自 发 的 ， 且 与 环 境 是 不 相 对 的 。 由 于其 中 有 自 发 突 变 、 诱 发 突 变 、 诱 变 剂 与 选 择 条

10、件 等 多种 因 素 错 综 在 一 起 ， 所 以 难 以 探 究 问 题 的 实 质 。 经 严 密 的 科 学 实 验 证 明 ： 突 变 的 性 状 与 引 起 突 变 的原 因 间 无 直 接 的 对 应 关 系 。 如 ： 在 紫 外 线 诱 变 下 可 以出 现 抗 紫 外 线 菌 株 ， 通 过 自 发 或 其 它 诱 发 因 素 也 可 以获 得 同 样 的 抗 紫 外 线 菌 株 ； 紫 外 线 诱 发 的 突 变 菌 株 也有 不 抗 紫 外 线 的 ， 也 可 以 是 抗 青 霉 素 的 ， 或 是 出 现 其它 任 何 变 异 性 状 的 突 变 。 最 著 名 的

11、实 验 有 ： 变 量 试 验 、 涂 布 试 验 、 影 印 培 养试 验 。 1943年 ， 鲁 里 亚 (S. E. Luria) 和 德 尔 波 留 克 (M. Delbruck) 首 先 设 计 。要 点 ： 先 将 大 肠 杆 菌 液 分 成 等 量 的 两 部 分 。 一 部 分 装 在 大试 管 里 ， 另 一 部 分 装 在 50支 小 试 管 里 ， 将 大 小 试 管 里 的 大肠 杆 菌 放 在 恒 温 箱 里 培 养 ， 经 过 24到 60小 时 后 分 别 接 种 到固 体 培 养 基 上 。 一 只 大 试 管 分 接 50副 培 养 皿 ， 而 50支 小 试

12、管 ， 每 支 接 一 副 培 养 皿 。 每 皿 固 体 培 养 基 里 有 等 量 的 噬 菌体 ， 能 生 长 的 大 肠 杆 菌 是 抗 噬 菌 体 的 突 变 体 。结 果 ： 从 一 支 大 试 管 里 长 出 来 的 菌 落 （ 抗 噬 菌 体 的 ） 数 量比 较 一 致 ， 即 使 有 差 异 ， 也 仅 仅 是 实 验 上 的 误 差 。 而 由 50支 小 试 管 长 出 来 的 抗 噬 菌 体 菌 落 ， 在 数 量 上 的 差 异 较 大 。变 量 实 验 (fluctuation analysis)Salvador Luria and Max Delbruck (1

13、943) 来 自 同 一 个 大 瓶 的 50个 培养 皿 tonr细 胞 数 相 对 平 均 分 别 来 自 50支 小 试 管 的 50个培 养 皿 tonr细 胞 数 波 动 很 大同 时 保 温 2436h培 养 前 先 分 成50支 小 试 管各 培 养 皿 中 等 量 的 T1噬 菌 体同 一 支 大 试管 整 体 培 养 将 对 T1噬 菌 体 敏 感 的 E.coli对 数 期培 养 物 稀 释 至 103/mL， 然 后 分 两 组 ，各 10 mL。 根 据 这 个 变 量 实 验 ，将 会 出 现 两 个 可 能 ： (A) 如 果 突 变 是 被 诱 导 的 ，出 现

14、在 每 个 培 养 皿 上 的突 变 菌 落 数 量 应 大 体 相同 。(B) 如 果 突 变 是 自 发 的 ，产 生 在 细 胞 分 裂 过 程 中 ，每 个 培 养 皿 的 突 变 菌 落数 量 将 出 现 大 的 波 动 。 (A) 被 诱 发 突 变 (B) 自 发 的 突 变 在 不 含 T1噬 菌 体 的 培养 基 中 培 养 大 肠 杆 菌涂 布 在 含 T1噬 菌 体 的 培 养 皿 中tonr菌 落 数 分 布 相 对 均 匀 细 菌 没 发生 自 发 突 变 在 涂 布 T1噬菌 体 之 前 突 变随 机 的 发 生 在 涂 布 T1噬菌 体 之 后 暴 露导 致 突

15、变 tonr菌 落 数 分 布 波 动 大 在 曝 露 T1之 前 的早 期 发 生 大 量 突 变 解 释 ： 这 说 明 大 肠 杆 菌 抗 噬 菌 体 性 状 突 变 ， 不 是 由 于 环 境因 素 噬 菌 体 诱 导 出 来 的 ， 而 是 在 它 们 接 触 噬 菌 体 前 ，在 某 一 次 细 胞 分 裂 过 程 中 随 机 地 自 发 产 生 的 。 这 一 自 发 突变 发 生 得 越 早 ， 则 抗 噬 菌 体 菌 落 出 现 得 越 多 ， 反 之 越 少 。噬 菌 体 在 这 里 仅 起 到 淘 汰 原 始 的 未 突 变 的 敏 感 菌 和 甄 别 抗噬 菌 体 突

16、变 型 的 作 用 。 鲁 里 亚 Salvador Luria 德 尔 波 留 克Max DelbruckThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969 1949年 ， 纽 康 姆 (Newcombe) 设 计 的 试 验 。要 点 ： 在 12个 培 养 皿 上 各 涂 数 目 相 等 (5 104) 的 对 T1噬 菌体 敏 感 的 大 肠 杆 菌 ， 经 5小 时 的 培 养 ， 约 繁 殖 12.3代 ， 在 皿上 长 出 大 量 的 微 菌 落 （ 这 时 每 一 菌 落 约 含 5100个 细 胞 ） 。 取 其 中 6皿 直 接 喷

17、 上 T1噬 菌 体 ， 另 6皿 则 先 用 灭 菌 玻 棒 把 微菌 落 重 新 均 匀 涂 布 一 次 ， 然 后 同 样 喷 上 相 应 的 T1。结 果 ： 在 涂 布 过 的 一 组 中 ， 共 有 抗 性 菌 落 353个 ， 要 比 未经 涂 布 过 的 （ 仅 28个 菌 落 ） 高 得 多 。解 释 ： 这 说 明 大 肠 杆 菌 对 T1噬 菌 体 的 抗 性 突 变 发 生 在 未 接触 噬 菌 体 前 。 噬 菌 体 的 加 入 只 起 甄 别 这 类 突 变 是 否 发 生 的作 用 ， 而 不 是 诱 导 突 变 的 因 素 。涂 布 实 验 (Newcombe

18、experiment)Newcombe (1949) 获 得 免 疫 性 假 说 在 未 喷 T1噬菌 体 前 没 有突 变 细 胞涂 布 后 喷 入 T1噬 菌 体直 接 喷 入T1噬 菌 体 自 发 突 变 假 说小 菌 落 在 生长 时 产 生 抗噬 菌 体 突 变 涂 布 后 喷 入 T1噬 菌 体直 接 喷 入T1噬 菌 体 选 用 对 T1噬 菌 体 敏感 的 E.coli， 以 相 等 数目 涂 布 于 12个 平 板 上 保 温 5小 时 ,约 繁 殖 了12.3代3个 小 菌 落 每 个 小 菌 落 中 的 抗 噬 菌体 细 胞 都 会 形 成 一 个 菌 落 两 组 培 养

19、 皿 菌 数 相同 抗 噬 菌 体 菌 落 相 同约 含 5100个 细 胞 影 印 培 养 法 是 使 在 一 系 列 培 养 皿 的 相 同 位 置 上 能 出 现相 同 菌 落 的 一 种 接 种 培 养 方 法 。 1952年 黎 德 伯 格 (J. Lederberg) 夫 妇 首 先 进 行 的 实 验 。要 点 ： 包 有 灭 菌 丝 绒 布 的 木 质 圆 柱 （ 直 径 略 小 于 培 养 皿底 ） 为 印 章 ， 用 不 具 抗 性 环 境 （ 如 不 加 抗 生 素 等 ） 的 完全 培 养 基 进 行 培 养 ， 以 印 章 轻 轻 粘 取 菌 落 ， 然 后 再 一

20、一接 种 到 不 同 的 选 择 培 养 基 （ 如 含 有 不 同 抗 生 素 等 ） 上 ，培 养 后 ， 对 各 培 养 皿 相 同 位 置 上 的 菌 落 作 比 较 ， 便 可 选出 相 应 的 突 变 型 菌 落 。 影 印 实 验 (replica plating)Joshua Lederberg and Esther Lederberg (1952) 首 先 把 大 量 对 链 霉 素 敏 感 的 大 肠 杆 菌 K12涂 布 在 不 含 链霉 素 的 平 板 (1)的 表 面 ， 待 其 长 出 密 集 的 小 菌 落 后 ， 用 影 印法 接 种 到 不 含 链 霉 素 的

21、 培 养 基 平 板 (2)上 ， 随 即 再 影 印 到 含链 霉 素 的 选 择 性 培 养 基 平 板 (3)上 。 经 培 养 后 ， 在 平 板 (3)上 出 现 了 个 别 抗 链 霉 素 的 菌 落 。 对培 养 皿 (2)和 (3)进 行 比 较 ， 就 可 在 平 板 (2)的 相 应 位 置 上 找 到平 板 (3)上 那 几 个 抗 性 菌 落 的 “ 孪 生 兄 弟 ” 。 然 后 把 平 板 (2)中 最 明 显 的 一 个 部 位 上 的 菌 落 （ 实 际 上 是许 多 菌 落 ） 挑 至 不 含 链 霉 素 的 培 养 液 (4)中 ， 经 培 养 后 ， 再涂

22、 布 在 平 板 (5)上 ， 并 重 复 以 上 各 步 骤 。 上 述 过 程 几 经 重 复 后 ， 只 要 涂 上 越 来 越 少 的 原 菌 液 至 相当 于 平 板 (1)的 培 养 皿 (5)和 (9)中 ， 就 可 出 现 越 来 越 多 的 抗 性菌 落 ， 最 后 甚 至 可 以 得 到 完 全 纯 的 抗 性 菌 群 体 。解 释 ： 原 始 的 链 霉 素 敏 感 菌 株 只 通 过 (1)(2)(4)(5)(6)(8)(9)(10)(12)的 移 种 和 选 择 序 列 ， 就 可 在 根 本 未 接 触 链 霉 素 的 情 况 下 ， 筛 选 出 大 量 的 抗 链

23、 霉 素 的 菌 株 。 微 生物 抗 药 性 是 自 发 产 生 的 ， 并 与 相 应 的 环 境 因 素 毫 不 相 干 。 含 链 霉 素 培 养 皿不 含 链 霉 素 培 养 皿原 始敏 感 株 replica plating影 印 的 作 用 可 保 证 这 3个 平 板 上 所 生 长 的 菌 落 的 亲 缘 和 相 对 位 置 保 持 严 格 的 对 应 性 Screening for phenotypes by replica plating 黎 德 伯 格J. LederbergJ. Lederberg is awarded the Noble Prize in Medic

24、ine and Physiology in 1958 以 上 三 个 实 验 充 分 说 明 了 抗 性 突 变 是 菌 体 接 触 所 抗物 质 以 前 就 已 经 自 发 产 生 了 ， 药 物 并 不 是 诱 变 因 素 ，含 药 物 的 环 境 只 起 筛 选 和 鉴 别 抗 性 菌 株 的 作 用 。 即 使不 存 在 链 霉 素 ， 抗 链 霉 素 的 突 变 株 仍 然 存 在 。 艰 难 梭 菌 (Clostridium difficile)， 属 厌 氧 性 细 菌 ，一 般 寄 生 在 人 的 肠 道 内 。 如 果 过 度 服 用 某 些 抗 生 素 ，艰 难 梭 菌 的

25、 菌 群 生 长 速 度 加 快 ， 影 响 肠 道 中 其 他 细菌 ， 引 发 炎 症 。 n 2. 自 发 性 各 种 性 状 的 改 变 ， 可 以 在 没 有 人 为 诱 变 因 素 处 理 下自 发 的 发 生 。n 3. 稀 有 性 自 发 突 变 的 频 率 是 较 低 和 稳 定 的 ， 一 般 在 10-6 10-9间 。 突 变 率 ： 每 一 细 胞 每 一 世 代 中 发 生 突 变 的 概 率 ， 也有 用 每 单 位 群 体 在 繁 殖 一 代 过 程 中 所 形 成 突 变 体 的 数目 来 表 示 的 。 n 4. 独 立 性 两 个 基 因 发 生 突 变

26、是 各 不 相 关 的 两 个 事 件 。 突 变的 发 生 不 仅 对 于 细 胞 来 讲 是 随 机 的 ， 对 于 基 因 来 讲也 是 随 机 的 。 抗 某 种 药 物 的 突 变 型 往 往 并 不 抗 另 一 种 药 物 ， 某一 基 因 的 突 变 既 不 提 高 也 不 降 低 其 它 基 因 的 突 变 率 。 n 5. 诱 发 性 通 过 诱 变 剂 的 作 用 ， 可 提 高 自 发 突 变 的 频 率 ， 一 般 可提 高 10105倍 。n 6. 稳 定 性 由 于 突 变 的 根 源 是 遗 传 物 质 结 构 上 发 生 了 稳 定 的 变 化 ，所 以 产 生

27、 的 新 性 状 也 是 稳 定 的 ， 可 遗 传 的 。n 7. 可 逆 性 任 何 性 状 既 有 野 生 型 变 为 突 变 型 的 正 向 突 变 ， 也 可 发生 回 复 突 变 ， 即 突 变 型 回 复 到 野 生 型 。 在 一 组 雄 性 大 鼠 进 行 腹 腔 注 射 芳 香 族 化 合 物 如 多 氯联 苯 油 溶 液 等 。 以 诱 导 大 鼠 肝 脏 酶 系 的 活 性 ， 4天 后 杀鼠 取 肝 ， 捣 碎 后 离 心 制 备 成 肝 酶 (S9) 的 悬 液 ， 然 后 将待 测 物 和 S9以 及 沙 门 氏 菌 的 突 变 株 (his-)（ 点 突 变 或

28、 移码 突 变 ） 混 合 后 倒 平 板 ， 若 能 产 生 回 复 突 变 的 待 测 物则 可 判 定 为 诱 变 物 。 在 此 实 验 中 还 有 一 组 对 照 实 验 ，即 只 加 S9和 沙 门 氏 菌 的 突 变 品 系 ， 而 不 加 待 测 物 ， 若也 有 回 复 突 变 产 生 表 明 是 自 发 的 突 变 ， 可 以 作 为 对 照来 进 行 比 较 。 Ames方 法 的 特 点 是 快 速 简 便 ， 也 较 为 准确 。 经 对 几 百 种 物 质 进 行 测 试 表 明 约 90%致 癌 物 具 有诱 变 作 用 。 Ames试 验美 国 加 利 福 尼

29、亚 大 学 Ames教 授 1975 Ames B N, Mccann J, Yamasaki E. Methods for detecting carcinogens and mutagens with the Salmonella/mammalian- microsome mutagenicity testJ. DNA Repair. 1975. 31(6): 347-363. 诱 变 剂 的 共 性 原 则 (1) 化 学 物 质 引 起 的 诱 变 往 往 不 是 直 接 的 ， 它 要 经 过 生 物的 消 化 、 吸 收 、 特 别 是 高 等 生 物 肝 脏 中 的 有 关 酶

30、的 作用 以 后 再 起 作 用 。 也 它 本 来 是 可 以 直 接 起 到 诱 变 作 用的 ， 但 经 肝 脏 中 的 酶 作 用 后 失 去 了 诱 变 能 力 ； 也 许 正好 相 反 ， 本 来 它 并 不 具 有 诱 变 的 能 力 ， 但 经 过 酶 的 作用 后 反 而 获 得 了 诱 变 的 能 力 。 因 此 经 肝 脏 中 酶 的 作 用才 能 较 真 实 地 反 应 在 动 物 活 体 中 某 种 化 学 品 的 实 际 的诱 变 能 力 。(2) 诱 变 剂 仅 改 变 突 变 频 率 ， 而 不 影 响 突 变 方 向 ， 那 么 同样 诱 变 剂 也 能 导

31、致 回 复 突 变 。 如 果 用 正 突 变 的 话 由 于是 多 方 向 的 ， 因 此 必 需 采 用 反 向 选 择 的 方 向 才 行 ， 而用 回 突 变 只 需 用 基 本 培 养 基 进 行 筛 选 即 可 ， 步 骤 就 要简 单 的 多 。 证 明 Ames试 验 重 要 性 的 应 用 实 例 国 外 曾 开 发 了 一 种 降 低 妇 女 妊 娠 反 应 的 药 物 “ 反 应 停” ， 由 于 其 药 效 显 著 ， 在 6070年 代 十 分 流 行 。 但 随 后 人 们 就 发 现 畸 形 儿 的 出 生 率 明 显 增 高 ， 而 且 生产 畸 形 儿 的 妇

32、 女 大 多 曾 服 用 “ 反 应 停 ” ， 后 来 采 用 Ames试 验 发 现 这 种 物 质 的 确 具 有 很 强 的 致 突 变 作 用 ， 因 此 这种 药 物 被 禁 止 使 用 。 如 果 能 在 这 种 药 物 上 市 之 前 就 进 行 Ames试 验 检 测 ， 这种 大 量 出 生 畸 形 儿 的 悲 剧 就 可 以 避 免 。 四 、 突 变 的 机 制1. 诱 变 机 制2. 自 发 突 变 机 制 1. 诱 变 机 制(1) 碱 基 置 换 (substitution)： 也 称 点 突 变 只 涉 及 一 对 碱 基 被 另 一 对 碱 基 所 置 换 。

33、分 为 两 个 亚 类 ： 转 换 (transition)DNA链 中 的 一 个 嘌 呤 被 另一 个 嘌 呤 或 一 个 嘧 啶 被 另 一 个 嘧 啶 所 置 换 。 颠 换 (transversion) 一 个 嘌 呤 被 一 个 嘧 啶 或一 个 嘧 啶 被 一 个 嘌 呤 所 置 换 。 转 换 出 现 的 概 率 大 约 是 颠 换 的 三 倍 。 替 换 CTG A转 换 (transition)甘 氨 酸 丝 氨 酸 TAAU颠 换 (transversion)赖 氨 酸 终 止 信 号 碱 基 替 换 突 变 类 型转 换颠 换转 换 颠 换赖 氨 酸 谷 氨 酸 G l

34、uVal G AGG UG CTCCAC H bAH bS n 可 直 接 与 核 酸 碱 基 发 生 化 学 反 应 的 诱 变 剂 ， 不论 在 机 体 内 或 在 离 体 条 件 下 均 有 作 用 。n 主 要 包 括 ： 亚 硝 酸 ； 羟 胺 ； 各 种 烷 化 剂 （ 硫 酸 二 乙 酯 、 甲 基 磺 酸 乙 脂 、 N-甲 基 -N-硝 基 -N-亚 硝 基 胍 、 N-甲 基 -N-亚 硝 基脲 、 乙 烯 亚 胺 、 环 氧 乙 酸 、 氮 芥 等 ） 。a. 直 接 置 换 诱 变 剂 稀 有 烯 醇 式 (Enol) 与亚 氨 基 (imino) 碱 基 引 起自 发

35、 突 变 亚 氨 基 烯 醇 式互 变 异 构 效 应 亚 硝 酸 诱 变 机 制 羟 胺 与 烷 化 剂 诱 变 机 制 烷 化 剂n 能 使 一 些 碱 基 烷 基 化 ， 比 如 使 鸟 苷 酸 甲 基 化 ， 影 响mRNA的 转 录 ， 从 而 使 蛋 白 质 的 表 达 紊 乱 ， 使 得 蛋 白质 重 组 ， 而 改 变 了 性 状 。 临 床 上 应 用 此 类 物 质 作 为 抗癌 药 物 ， 具 有 强 烈 杀 伤 癌 细 胞 的 作 用 ， 应 用 时 ， 要 注意 强 烈 杀 伤 性 。 n 甲 基 磺 酸 乙 酯 (EMS)， 诱 变 率 很 高 。 常 用 浓 度

36、0.05 0.5mol/L， 作 用 时 间 560min。 该 物 质 具 有 强 烈 致 癌 性和 挥 发 性 ， 可 用 5%硫 代 硫 酸 钠 作 为 终 止 剂 和 解 毒 剂 。 n 硫 酸 二 乙 酯 (DMS)， 由 于 毒 性 太 强 ， 目 前 很 少 使 用 ，属 于 剧 毒 品 ， 受 公 安 局 管 治 。 烷 化 剂n 乙 烯 亚 胺 ， 生 产 的 较 少 ， 很 难 买 到 。 只 要 用 于 大 量诱 变 育 种 用 ， 使 用 浓 度 ： 0.00010.1%， 高 度 致 癌 性 ！使 用 时 需 要 使 用 缓 冲 液 配 置 。 n 盐 酸 氮 芥 ，

37、 用 于 抗 癌 药 物 。 一 般 是 针 剂 ， 稍 加 稀 释即 可 使 用 ， 作 用 时 间 510min， 可 用 甘 氨 酸 作 为 终 止剂 和 解 毒 剂 。 n 间 接 置 换 诱 变 是 通 过 活 细 胞 的 代 谢 活 动 掺 入 到DNA分 子 中 引 起 的 。n 主 要 为 一 些 碱 基 类 似 物 ： 5-溴 尿 嘧 啶 (5-BU)； 5-氨 基 尿 嘧 啶 (5-AU)； 8-氮 鸟 嘌 呤 (8-NG )； 2-氨 基 嘌 呤 (2-AP)； 6-氯 嘌 呤 (6-CP) 等 。b.间 接 置 换 诱 变 剂 Mutagenic efffects of

38、 5-bromouracil In this way, 5-bromouracil can promote a change of an AT base pair into a G C base pair 在 DNA复 制 过 程 中酮 式 的 5-BU代 替 了 T而 使 A:T碱 基 对 变 为A:5-BU 在 下 一 次DNA复 制 中 烯 醇 式 的5-BU和 G 配 对 而 出 现G :5-BU碱 基 对 最 后在 又 一 次 复 制 中 G 和 C配 对 出 现 G :C碱 基 对 完 成 了 碱 基 的 置 换 。 在 DNA复 制 过 程 中烯 醇 式 的 5-BU代 替 了C

39、而 使 G :C碱 基 对 变为 G :5-BU 在 下 一 次DNA复 制 中 酮 式 的 5-BU和 A配 对 而 出 现A:5-BU碱 基 对 最 后在 又 一 次 复 制 中 A和 T配 对 出 现 A:T碱 基 对 完 成 了 碱 基 的 置 换 。 (2) 移 码 突 变 (frame-shift mutation): 指 诱 变 剂 使 DNA分 子 中 的 一 个 或 少 数 几 个 核 苷酸 的 增 添 （ 插 失 ） 或 缺 失 ， 从 而 使 该 部 位 后 面 的全 部 遗 传 密 码 发 生 转 录 和 转 移 错 误 的 一 类 突 变 。由 移 码 突 变 所 产

40、 生 的 突 变 株 ， 称 为 移 码 突 变 株 。 由 A缺 失 引 起移 码 突 变 (frame-shift mutation)苯 丙 氨 酸 亮 氨 酸 缺 失 正 常 5 G CA G UA CAU G UC 丙 缬 组 缬 缺 失 C 5 G AG UAC AUG UC 谷 酪 蛋 丝移 码 插 入 Types of base pair substitutions and mutations.同 义 突 变 有 些 错 义 突 变 不 影 响 蛋 白 质 或 酶 的 生 物 活 性 ， 因 而 不 表 现 出 明 显 的 表 型 效 应 移 码 突 变 错 义 突 变 移 码

41、突 变 的 诱 变 剂 吖 啶 类 染 料 ， 包 括 原 黄 素 、 吖 啶 黄 、 吖啶 橙 和 -氨 基 吖 啶 等 ， 以 及 一 系 列 称 为ICR类 的 化 合 物 由 美 国 的 肿 瘤 研 究 所(Institute for Cancer Research)合 成 ， 它 们是 一 些 由 烷 化 剂 与 吖 啶 类 化 合 物 相 结 合 的化 合 物 ， 都 是 移 码 突 变 的 有 效 诱 变 剂 。 原 黄 素 吖 啶 橙 2-甲 氯 基 -6氯 代 -9-3-(2-氯 乙 基 )氨 基 丙 胺 吖 啶 -2盐 酸 这 些 染 料 分 子 能 够 嵌 入 DNA分

42、子中 使 DNA复 制 发 生 差 错 而 造 成 移码 突 变 。 黄 曲 酶 毒 素 B1 溴 化 乙 锭n 嵌 入 剂 ： 是 分 子 生 物 学 比 较 常 用 的 一 类 ， 诱 导 率 较高 。 原 理 是 这 类 分 子 的 大 小 正 好 可 以 嵌 入 碱 基 分 子中 ， 导 致 错 配 。n 最 常 用 的 ： 溴 化 乙 锭 (EB)， 高 致 癌 性 ！ 价 格 较 贵 ，但 诱 变 率 很 高 ， 是 实 验 室 常 用 试 剂 ， 可 以 到 生 化 实际 商 店 买 到 ， 1500元 /100mg。 插 入 突 变 (3) 染 色 体 畸 变 : 某 些 理

43、化 因 子 ， 如 X射 线 等 的 辐 射 剂 、 烷化 剂 、 亚 硝 酸 等 ， 除 了 能 引 起 点 突 变 外 ， 还会 引 起 DNA的 大 损 伤 染 色 体 畸 变 。 染 色 体 的 数 目 畸 变 纯 合 棒 眼纯 合 超 棒 眼 纯 合 棒 眼 超 棒 眼 果 蝇 X染 色 体 上 16A区 段 重 复正 常 眼 棒 眼 纯 合 棒 眼 超 棒 眼 纯 合 超 棒 眼 779 358 68 45 25 倒 位 2. 自 发 突 变 机 制(1) 背 景 辐 射 和 环 境 因 素 的 诱 变 ： 原 因 不 详 的 低 剂 量 诱 变 因 素 的 长 期 综 合 诱 变

44、 效 应 。例 如 ， 短 波 辐 射 、 高 温 诱 变 效 应 和 普 遍 存 在 的 低 浓度 诱 变 物 质 。(2) 微 生 物 自 身 有 害 代 谢 产 物 的 诱 变 效 应 ： 过 氧 化 氢 (H 2O2) 可 能 是 内 源 性 诱 变 剂 。 (3) 互 变 异 构 效 应 ： 碱 基 发 生 了 酮 式 至 烯 醇 式 的 转 变 。 (4) 环 出 效 应 ： 在 DNA的 复 制 过 程 中 ， 如 果 其 中 某 一 单 链 上 偶 然产 生 一 个 小 环 ， 则 会 因 在 其 上 的 基 因 越 过 复 制 而 发生 遗 传 缺 失 ， 从 而 造 成 自 发 突 变 。 临 时 互 变异 构 体 转 回 到 正常 形 式 Mutation caused by mismatch wobble base pairing. Addition and deletion by DNA looping-out. 环 出 效 应