基因突变的自发性和不对应性的证明.ppt

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　　一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变

　　基因突变：

　　基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同 基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。

　　基因突变

　　DNA损伤修复机制

　　突变

　　自发突变

　　诱变

　　环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等 而导致，一般频率较低，通常为10-6-10-9 。

　　某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接 作用，突变以较高的频率产生。

　　前突可以通过DNA复制而成为真正的突变，也可以重新变为原来的结构，这取决于修复作用和其它多种因素。

　　2、基因突变

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　　一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变方式

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　　适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。 不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。 自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。 稀有性：突变率低且稳定。 独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。 可诱发性：诱变剂可提高突变率,一般可以将突变率提高10?105倍。 稳定性：变异性状稳定可遗传。 可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突 变(forward mutation)，从突变株回到野生型的 过程则称为回复突变或回变(back mutation或 reverse mutation)。

　　2.1基因突变的特点

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　　标题： 基因突变的自发性和不对应性的证明

　　其他占位符： 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这种抗性产生的原因争论十分激烈。 一种观点认为，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”。 另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。 从1943年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题，终于解决了这场纷争。

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　　证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系!

　　如何证明基因突变的非对应性?

　　三个经典实验

　　变量实验、涂布实验、影印实验

　　基因突变的性状与引起突变的因素之间无直接的对应关系。任何诱变因素或通过自发突变过程都能获得任何性状的变异。

　　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。

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　　变量实验(fluctuation analysis)Salvador Luria and Max Delbruck(1943)

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　　结果 :

　　来自甲管的50皿中，各皿间抗性菌落数相差悬殊，而来自乙管的则各皿数目基本相等。

　　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。

　　解释:

　　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变型的作用。

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　　Newcombe的涂布实验(1949)固体平板培养法

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　　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。

　　这也意味着该抗性突变株发生在未接触噬菌体前。噬菌体的加入只起到甄别这类突变是否发生的作用，而不是诱导突变的因素。

　　解释:

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　　1952年，莱德伯格(Lederberg)夫妇设计了一种更巧妙的影印培养试验，直接证明了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。

　　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。

　　结论

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　　2.2 突变机制

　　2.2.1、突变现象

　　指突变的菌体发生形态可见的变化。 如细胞大小、形状、鞭毛、纤毛、孢子、芽孢、荚膜，以及群体形态结构(菌落和噬菌斑等)的改变。

　　形态突变型

　　生化突变型

　　菌体原有特定的生化功能发生改变或丧失

　　但在形态上不一定有可见的变化，生化方法可以检测到

　　生化突变对于发酵工业生产具有重大意义。营养缺陷型的突变菌株、结构类似物的抗性菌株等。

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　　致死突变型

　　突变造成菌体死亡或生活能力下降

　　条件致死突变型

　　突变后的菌体在某些条件下，可以生存，但在另一些条件下则发生死亡。 温度敏感突变型是最典型的条件致死突变型。

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　　诱发因素主要可以分为细胞外因素、细胞内因素和DNA分子内部因素三个层次。

　　细胞外的诱发因素

　　自然环境或人工条件下的物理和化学因素

　　物理：自然或人造的紫外线、γ射线、X射线、快中子、激光以及加热等都能成为基因突变的物理因素。 化学：自然人造的化学诱变因素有低剂量的金属离子、高分子化合物、生物碱药物、染料及微生物产生的H2O2、碱基类似物、烷化剂及亚硝酸盐等。

　　2.2.2、诱发因素

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　　细胞内的诱发因素

　　生物体细胞的代谢活动会产生一些诱变物质，如过氧化氢、咖啡碱和重氮丝氨酸等，它们是引起自发突变的内源诱变剂。 在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，可能就是这类原因。

　　DNA分子内部因素

　　DNA分子中的碱基存在着互变异构效应

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　　碱基的互变异构效应

　　四种碱基的第6位是酮基(T，G)或氨基(A，C) 碱基T和G能够以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现 碱基C和A能够以氨基式或亚氨基式两种互变状态出现 一般生理条件下，碱基互变平衡反应倾向于酮式或氨基式，故A:T和C?G碱基配对

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　　互变异构效应引起的不正常的碱基配对

　　碱基T以稀有的烯醇式形式，新合成链中T对应的不再是A，而是G

　　碱基C以稀有的亚氨基形式出现，在DNA复制到达这一位置的瞬间，则它对应的不是G，而是A，

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　　2.2.3 突变的类型

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　　染色体数目的变化

　　染色体结构的变化

　　染色体数目变化都可能引起生物表型的变化。 原核微生物只有一条DNA，若从外源获得一段DNA，且与细胞的部分DNA同源，则称为部分双倍体。 与染色体结构变化同属于染色体畸变

　　这是一种大段DNA变化(损伤)现象，它包括染色体缺失(deletion)、插入(insertion)、重复 (duplication)、倒位(inversion)和易位(translocation)，

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　　缺失

　　重复

　　倒位

　　易位

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　　染色体局部座位内的变化

　　即基因突变(gene mutation)，因为突变只发生在一个基因座位内，所以，又称点突变(point mutation)。 基因突变可分为碱基置换(substitution)、移码突变(frame-shift mutation)、缺失(deletion)和插入(insertion)四种形式。

　　基因突变与染色体畸变的区别在于基因突变仅仅是DNA链中一对或少数几对碱基发生了变化。

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　　碱基置换

　　嘧啶(或嘌呤)碱基的位置上置换成另一嘧啶(或嘌呤)碱基则称为转换(transition)

　　原来链上是嘧啶(或嘌呤)碱基的位置上置换成另一嘌呤(或嘧啶)碱基则称为颠换(transversion)

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　　错义突变： 使所表达的蛋白质中一种氨基酸的位置上，变成另一种氨基酸; 无义突变： 正常翻译为氨基酸的碱基置换后变成UAG(琥珀突变)、UAA(赫石突变)或UGA(乳石突变)等终止密码子，造成多肽链合成的中止; 同义突变：碱基发生了置换，但由于遗传密码子的简并性，而并没有影响原来的氨基酸顺序。如密码子GCU置换成GCC后，它们都是丙氨酸的密码子; 沉默突变：碱基置换造成多肽链中一个氨基酸的改变，但该氨基酸对蛋白质的结构和功能没有多大的影响，并没引起细胞表型变化。

　　2.2.4 突变结果

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　　移码突变

　　一对或少数几对邻接的核苷酸的增加或减少，将造成这一位置以后一系列密码子发生移位错误的现象

　　如果增加或减少的核苷酸数目为3或3的倍数，那么，它只改变某一部位的一个或几个氨基酸，其它氨基酸未变，有可能保持原有的蛋白质性质，这取决于这些氨基酸在蛋白质中的重要性。 如果增加或减少的核苷酸数目不是3或3的倍数，那么，这会改变整个蛋白质的氨基酸顺序，其影响可能很大。

　　缺失或插入

　　与移码突变只是程度不同，基因突变中的缺失或插入涉及到的核苷酸数量比移码突变多，很难用移码突变来回复。 但与染色体畸变中的缺失或插入相比，它们所变化的范围要小得多。

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　　2.3常见的微生物突变类型

　　2.3.1 营养缺陷型(auxotroph)

　　一种缺乏合成其生存所必须的营养物(包括氨基酸、维生素 、碱基等)的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些 营养或其前体物(precursor)才能生长。

　　营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和 育种的重要手段

　　表型判断的标准：

　　在基本培养基上能否生长

　　表型

　　基因型

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　　营养缺陷型(auxotroph)

　　影印平板(Replica plating)法是Lederberg夫妇在1952年建立

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　　在选择培养基(一般为基本培养基)上不生长

　　负选择标记

　　突变株不能通过选择平板直接获得

　　营养缺陷型(auxotroph)特点：

　　营养缺陷型的表示方法：

　　表现型：

　　所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC (组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变)

　　基因型：

　　同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC

　　在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。

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　　2.3.2抗药性突变型(resistant mutant)

　　基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。

　　特点：

　　正选择标记 (突变株可直接从抗性平板上获得-----在加有相应抗生素的 平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。)

　　表示方法：

　　所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示 strr 和 strs 分别表示对链霉素的抗性和敏感性

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　　2.3.2条件致死突变型(conditional lethal mutant)

　　在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死 效应的突变型。

　　常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts(temperaturesensitive) 表示，这类突变在高温下(如42℃)是致死的，但可以在低温(如 25-30℃)下得到这种突变。

　　特点：

　　负选择标记

　　这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因

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　　2.3.4形态突变型(morphological mutant)

　　造成形态改变的突变型

　　特点：

　　非选择性突变 突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。

　　举例：

　　产蛋白酶缺陷突变株的筛选

　　菌落颜色变化

　　β半乳糖苷酶基因的插入失活，使重组子菌落为白色而 与兰色的非重组子分开。

　　形成芽孢缺陷菌株

　　细胞水平上的形态突变，突变株的检出更加困难。

　　2.3.5其它突变类型

　　毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变化等在实际应用 中具有重要意义突变类型一般都不具有很明显或可直接检测 到的表型。其突变株的获得往往需要较大的工作量。

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　　2.3.5其它突变类型

　　毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变化等在实际应用 中具有重要意义突变类型一般都不具有很明显或可直接检测 到的表型。其突变株的获得往往需要较大的工作量。

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　　2.4诱变剂与致癌物质——Ames试验

　　a)利用各种诱变剂获得各类遗传突变，进行诱变育种;

　　c)危害人类自身的健康

　　b)对有害微生物进行控制;

　　很多种化学物质，能以各种机制导致DNA的突变

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　　“生物化学统一性”法则：

　　人和细菌在DNA的结构及特性方面是一 致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然 也会作用于人的DNA，使其发生突变， 最后造成癌变或其他不良的后果。

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　　诱变剂的共性原则： 化学药剂对细菌的诱变率 与其对动物的致癌性成正比

　　超过95%的致癌物质对微生物有诱变作用 90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用

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　　回复突变(reverse mutation或back mutation)： 突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变 得到恢复，这种第二次突变称为回复突变

　　美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于1966年发明， 因此称为Ames试验

　　具体操作：检测 鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium) 组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率

　　用细菌突变来检测环境中存在的致癌物质的一种快速、简便的方法

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　　Ames试验