第十一章 基因突变 学习要点： 1. 基因突变的相关概念 2. 基因突变的分子基础 3. 突变的修复机制 4. 突变的检测 5. 突变的遗传学效应

第十一章 基因突变

突变：遗传物质的可遗传改变

染色体畸变：染色体水平

基因突变： DNA 水平

第一节 基因突变的概说一、基因突变的概念 突变：染色体上一个基因内部化学结构的改变，

一个基因变成它的等位基因。 范围：广泛的生物界 自发：家兔白化、貂的蓝皮毛、丝羽鸡 人工： Muller 、 Sradler 等（ X 射线照射果

蝇、玉米）二、基因突变发生的时期和部位三、突变频率

二、基因突变发生的时期和部位1. 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。

2. 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。

3. ( 等位 ) 基因突变常常独立发生：• 某一基因位点发生并不影响其等位基因，一

对等位基因同时发生的概率非常小 ( 突变率的平方 ) 。

4. 突变时期不同，其表现也不相同：

高等生物基因突变时期与性状表现

突变时期 显性突变 隐性突变( 或下位性突变 )

高等生物

性细胞 突变当代表现突变性状。

突变当代不表现突变性状，其自交后代才可能表现突变性状。

体细胞突变当代表现为嵌合体，镶嵌范围取决于突变发生的早晚。

突变当代不表现突变性状，往往不能被发现、保留。

低等生物

(

单倍体)

有性生殖 表现突变性状 表现突变性状

无性生殖 表现突变性状 表现突变性状

三、突变频率• 突变率 (mutation mate) 指生物在一个世代中

在特定条件下发生某一突变的概率。也就是突变体占该世代个体的比例。

• 有性生殖生物：用突变配子占总配子比例 ( 配子发生突变的概率 ) 表示；

• ( 单细胞 ) 无性繁殖生物：每一世代中细胞发生突变的频率。

自然突变频率

自然条件下基因突变率一般较低，并随生物种类、基因而异：

不同生物种类的基因突变率：• 高等植物： ~1×10-5-1×10-8;

• 低等生物，如细菌： ~1×10-4-1×10-10;

• 人： ~1×10-4-1×10-6.

同一物种的不同基因的天然突变率也明显不同：

第二节 基因突变的分子基础一、自发突变 (spontaneous mutation) 1.DNA 复制错误 (errors of DNA replication) DNA 碱基有互变异构体，造成 DNA 复制过程中的 DNA 错

配。 ⅰ转换： Purine→ Pu; 或者 Pyrimidine→ Py

ⅱ 颠换： Pu →Py; 或者 Py→Pu ⅲ 移码突变：增加或减少几个碱基 , 导致蛋白质翻译

错位。 ⅳ 缺失和重复：大片段碱基的缺失或重复，如 E.coli

乳糖发酵调节基因 lacⅠ中四碱基重复序列。 野生型 : 5‘-GTCTGGCTGGCTGGC-3’ 突变型 FS5: 5‘-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3’ 突变型 FS2: 5‘-GTCTGGCTGGC-3’

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2.DNA 损伤（ lesions ） ⅰ 脱嘌呤 由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键受到

破坏 , 从而引起一个鸟嘌呤或腺嘌呤从 DNA 分子上脱落下来 .

ⅱ 脱氨基 C 脱氨基变成 U;A 脱氨基变成 H, 造成转换

A A T →→ → H-T→→→ H-C→→→ H-C

→↘ A-T →G-C↘

B G C →→ → G-U→→→ A-U→→→A-U

→↘ G-C →A-T ↘

ⅲ 氧化损伤 : O2- OH- H2O2 ， 对 DNA 造成损

伤

二、诱发突变（ induced mutaion ）

1. 诱变机制 ⅰ 碱基类似物 eg. 5-BU 和 5-BrdU 是胸

腺嘧啶 (T) 的结构类似物，酮式结构易与 A 配对；烯醇式结构易与 G 配对。另有 2- 氨基嘌呤 (2-AP, A 类似物 ) 、 5- 氟尿嘧啶、 5- 氯尿嘧啶等。

ⅱ 特异性错配 eg. 烷化剂 : 甲磺酸乙酯(EMS) 、亚硝基胍 ( NG) 、芥子气等。通过改变碱基结构使碱基错配。

如： G-C; 当 G 烷基化后可与 T 配对，导致碱基转换。烷化剂使嘌呤脱落，造成转换、颠换、断裂或其他突变

ⅲ 嵌合剂的致突作用 eg. . 吖啶类染料 : 吖啶橙、吖啶黄素、原黄

素等碱基对的类似物，易造成移码突变。ⅳ 辐射诱导效应 (1) 紫外线 UV: 形成嘧啶二聚体，如 T 二聚体，

①同一条单链内，影响复制时与 A 的配对，中止复制；②双链之间，影响双链变性，并影响复制。

(2) 电离辐射：如 X-ray 、可引起碱基的降解或脱落， A 变成 H;C 变成 T ，出现转换。

ⅴ 黄曲霉的作用 ：使鸟嘌呤 G 脱落， SOS 修复引入 A, 造成突变。

2. 碱基替换的遗传效应 ( ) ⅰ 同义突变（ samesense mutation ）不改变氨基

酸的密码子变化，与密码子的兼并性有关 . 如 GAU/GAC—Asp.

( ) ⅱ 错义突变（ missense mutation ） 碱基替换的结果引起氨基酸序列的改变 .

( ) ⅲ 无义突变（ nonsense mutation ）编码区的单碱基突变导致终止密码子 (UAG/UGA/UAA) 的形成 , 使 mRNA 的翻译提前终止 , 形成不完全的肽链 .

如镰刀型贫血症：血红蛋白 B 链 (146Aa) ， 6 号氨基酸的替换 , 导致明显的表型症状。 Glu→Val, 若 Glu →Asp 则影响较小。

3. 移码突变及其产生 在基因的外显子中插入或缺失 1, 2 或 4 个核苷酸 , 使阅

读信息发生错位 , 从而使翻译的蛋白质序列与原来完全不同 . eg. E.coli 中乳糖发酵的调节基因 (lacⅠ ):

野生型 : 5‘-GTCTGGCTGGCTGGC-3’ 移码突变Ⅰ : 5‘-GTCTGGCTGGCTGGCTGGC-3’ 移码突变 Ⅱ : 5‘-GTCTGGCTGGC-3’

4. 突变热点和增变基因 基因中 某些位点比其它位点突变率高，称突变热点。 Eg. 分析 T4-Phage r Ⅱ 基因 1500 个突变体 ： r Ⅱ A

(1800bp) 有 200 个位点； r Ⅱ B (850bp) 有 108 个位点 。

形成原因：1. 5-MeC 的存在， 5- 甲基胞嘧啶 (MeC) 脱氨基后变成 T,

使 G-C部位转变成 A-T部位；2. 短的重复序列的存在，容易配对错位，造成重复或缺

失3. 与诱变剂类型有关，不同诱变剂出现不同的热点。4. 增变基因 (mutator gene) ：该基因的突变会使整个基

因组的突变频率增高， eg.

A. DNA多聚酶基因，突变后使多聚酶的 3’ → 5’校正功能降低或丧失，使基因组突变频率增高；

B. dam 基因，突变后使碱基的错配修复功能降低或丧失，使基因组突变频率增高。

三、诱变与肿瘤 肿瘤的形成与否取决于机体中癌基因和抑癌

基因的平衡，抑癌基因突变会致癌。一些诱变剂可以特异性的诱导抑癌基因突变，导致肿瘤发生。

eg. 黄曲霉素可诱导 P53 基因 G → T 颠换，导致肝癌的发生； UV 可诱导 P53 基因 5’ -TC-3’ 发生 C → T 颠换，形成“ T 二聚体”，导致人类鳞状细胞皮肤癌的发生。

四、定点诱变 定义：利用人工合成的寡核苷酸，在离体的

条件下，制造基因中任何部位的位点特异性突变的技术。

第三节生物体对突变的修复机制一 光复活 (photoreactivation)

1. 概念：在可见光存在的条件下，在光复活酶作用下将UV 引起嘧啶二聚体分解为单体的过程。

2. 条件：可见光 (300~600nm) 、 PR酶、嘧啶二聚体 3. 作用过程：

①光复活酶与 T=T 结合形成复合物 ;

② 复合物吸收可见光切断 T=T 之间的 C-C共价键 , 使二聚体变成单体 ;

③光复酶从 DNA 链解离 .

*光复活是原核生物中的一种主要修复形式。

二 切除修复1. 概念 : （核苷酸外切修复、暗修复）先在损伤的任何一端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡核苷酸；留下的缺口由修复性合成来填补，再由连接酶将其连接起来。酶作用不需要光的激活，但黑暗不是必要条件。

2. 特点：消除由 UV 引起的损伤，也能消除由电离辐射和化学诱变剂引起的其他损伤。切除的片段可由几十到上万 bp ，分别称短补丁修复、长补丁修复。

3. 过程：

① 内切酶的作用在 DNA 损伤的一端 ,切开形成一个切口 ;

② 外切酶的作用将损伤部位切除 ;

③ 聚合酶的作用将切口补齐 ,留下一个切口 ;

④连接酶的作用将 DNA连接形成完整的 DNA 链。

4. 特异性切除修复 E.coli 中明显的损伤，可在 UvrA 、 UvrB 、

UvrC 的作用下得以修复，但不明显的损伤需要特异性修复。

(1) 糖基化酶修复：如果碱基被共价修饰，糖基化酶可作用于 C-N 糖苷键，使碱基释放，产生无碱基 (AP) 位点 , 再由 AP 内切酶修复系统修复。

(2)AP 内切酶修复系统修复：也由内切、外切、聚合和连接四种酶活性来完成，以修复 AP 位点。

**以上两种修复过程都没有涉及到 DNA 的重组 ,属于无误差的修复。

三 重组修复1. 概念 : 通过对 DNA 的复制和同源链的重组，来完成对损

伤部位的修复，又称复制后修复。2. 特点 : ① 修复过程伴随 DNA 的复制和重组； ② 仅修复新合成的不完整的单链，原先的损伤单链仍然保留；

③部分重组蛋白的精确性差，修复的出错率较高。3. 重组修复过程： (1) 复制：以损伤单链为模板复制时，越过损伤部位，对

应位点留下缺口；未损伤单链复制成完整双链。 (2) 重组：缺口单链与完整同源单链重组，缺口转移到完整链，使损伤单链的互补链完整，损伤单链仍然保留。

(3)再合成：转移后的缺口以新互补链为模板聚合补齐。

四 SOS 修复1. 概念：是在 DNA 分子受损伤的范围较大而且复制受到抑制时出现的一种应急修复作用。

2. 过程 ① 当 DNA 损伤较大时 ( 如产生很多的 T=T) ，正常的

DNA多聚酶复制到损伤位点时，其活性受到抑制； ②短暂抑制后产生一种新的 DNA多聚酶，催化损伤部位 DNA 的复制，由于新的 DNA多聚酶的修复校正功能较低，新合成的碱基错配频率较高，易引起突变。

3. 特点： ① 修复系统需要在 DNA 分子受损伤的范围较大而且

复制受到抑制时才能够启动。 ② 修复系统对错配碱基的修复校正功能低下，从而增

加突变的频率。

③在紧急情况下，细胞通过一定水平的变异来换取细胞的幸存，有利于细胞逃生。

4.SOS系统的启动： 通过操纵子 ( 结构基因、启动子、操纵基因、调节基

因 ) 来实现： A. SOS 基因： recA 基

因、 UvrA 、 UvrB 、 UmuC 等，也称 din 基因 (damage inducible gene) ，为操纵子的结构基因；

B. lex 基因：阻遏蛋白基因，正常情况下结合在操纵基因上；

C. recA 基因：重组蛋白基因，应急状态下启动蛋白质水解酶活性，水解阻遏蛋白，使 din 基因高效表达，从而启动 SOS 修复系统。

五 电离辐射损伤的修复 ①氢键断裂： DNA 双链之间1. 电离辐射效应 ②共价键断裂： DNA 单链断裂、 双链断裂、碱基和糖基损伤 ③交联作用： DNA 与 DNA 、 DNA

与蛋白质之间发生2. 电离辐射的修复： 1 、超快修复 (0 , 2℃ min)

(E. coli) 无 O2 、单链 (DNA连接酶 )

2 、快修复 ( 几分钟 )

其余 90％断裂单链 ( 聚合酶Ⅰ )

3 、慢修复 (37 ,40-60℃ min)

剩余单链 ( 重组修复酶系统 )

六 修复缺陷与人类疾病

1. 着色性干皮病 (XP, xeroderma pigmentosum)

位于 1p 的隐性基因控制，干性皮肤伴随神经系统疾病，由切除二聚体能力缺损造成。

2. 侏儒、视网膜萎缩。 由缺损紫外线引起的 DNA 损伤修复系统引起。3. 共济失调毛细血管扩张症 4. 早老症

一、细菌培养缺陷型的检出 完全培养基或补充培养基（存活）

基本培养基（死亡）

完全培养基10-8~10-6

合成缺陷型

药物处理

基本培养基

第四节、基因突变的检测

化合物的分组编码

组别 化合物的代号

ABCDEF

123456

77891011

81212131415

91316161718

101417191920

111518202121

A F

EB

C D

二、链孢霉营养缺陷型的检出

三、 果蝇突变的检出1. 性连锁基因隐性突变的检出 (ClB 法、 Muller-

5)

(1) ClB品系： C—交换抑制因子； l—隐性致死突变；B—棒眼步骤： A. 待测♂果蝇与杂合（ ClB/+++ ♀） 果蝇杂交； B. F1 ClB ♀ 与 F1♂ （野生型）单对杂交，目的

是检查某一特定 X 染色体上的突变； C. 观察分析： ① 有 X隐性致死突变， F2 无雄蝇 (♂:ClB 和 l’死亡 );

②隐性非致死突变， F2预期♀ :♂=2:1 ，突变性状只在 F2雄蝇表现， F1ClB 中不表现；

③无 X隐性突变，在 F2 ♂仅表现简单的♀ :♂=2:1 。

(2) Muller-5 法： A. Muller-5品系 :B(棒眼 )-Wa(杏眼 )-sc( 小盾

片少刚毛 )—— 并具重复倒位。 B. 检出步骤 : Ⅰ . 将待测的♂果蝇与纯合Muller♀ 果蝇杂交 .

Ⅱ . 将 F1 ♀ ♂ 自交 , 目的是检查某一特定 X 染色体上的突变 .

Ⅲ. 观察分析 F2 ： ① 如果无 X隐性致死突变预期 F2 ♂: ♀=1:1 表型比为简单的 1:1:1:1;

② 如果有 X隐性致死突变预期 F2 ♂: ♀=2:1 表型比1:1:1;

③ 如果有隐性非致死突变 在 F2 ♂ 中可见突变。

2. 常染色体突变——平衡致死系 (Cy 和 S) ①将待测的♂果蝇与♀平衡致死系 (Cy, S) 果蝇杂交， F1 二种表型；

②F1 中的一种类型与平衡致死系做单对杂交， F2 出现三种表型 (任一性状隐性致死 ) ；

③将 F2 中除平衡致死系以外的一种类型自交得 F3

④观察分析 F3 ： a. 如果有隐性致死突变，则 F3只有一种类型，卷翅

（或星状眼） b. 如无突变，则 F3 中除有卷翅（或星状眼）外，还

有野生型 c. 如有隐性非致死突变，则 F3 中除卷翅（或星状眼）外，还有突变类型。

检出特点：只能检出常染色体，且与平衡致死系同号染色体上的基因突变。

禾谷类突变的检出 种子处理 1 个分蘖的幼芽或穗原始体

只影响 1 穗或其少数籽粒

四 植物突变的检出

大麦诱发隐性突变后代遗传动态示意图

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Step ⅠStep Ⅰ Step ⅡStep Ⅱ

♀♀ ♂♂ ♀♀ ♂♂

类似类似 LL 纯合纯合BB

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