基因突变概说

一、基因突变的概念及其类别

最初突变的概念:  De Vries1901~1903.研究月见草的变异,指突然发生的变异(实际上是染色体畸变),现在遗传学上指的突变一般指基因突变。

基因突变:  由于基因内部某一位点的结构发生改变(化学变化),使其由原来的存在状态而变为另一种新的存在状态,即变为它的等位基因。又称为点突变(point mutation)。带有突变基因的细胞或个体叫做突变体(mutant)。基因突变是可以遗传的。

类别:  按其发生的原因可分为

(1)自发突变(spontaneous mutation)。丰自然情况下发生的突变。

(2)诱发突变(induced mutation)。人们有意识地利用物理、化学诱变因素引起的突变 。(射线、温度)。

这两类突变在表现形式上没有原则上的区别。

类别:按其表形特征可分为

(1)形态突变型(mirphological mutation)。泛指外形改变的突变型。因为这类突变可在外观上看到,所以又称可见突变(visible m.)。

(2)致死突变型(lethal mulations):能引起个体死亡或生活力明显下降的突变型。分显隐性、全致死(>90%)、半致死(50~90%)、低活性(50~10%)。隐性致死较为常见。

(3)条件致死突变型:在一定条件下表现致死而在另外条件下能成活的突变型(conditional lethal mutation)。T4的温度敏感型在25℃时能成活,42℃致死。

(4)生化突变型(biochemical mutation)。没有形态效应但导致某种特定生化功能改变的突变型。表现在补充培养基上能生长。

事实上,以上类型相互之间是有交叉的。几乎所有突变都是生化突变。

二、突变的一般特征

1.突变发生的时期和部位

(1)可发生在任何时期(体细胞、性细胞)。

(2)生殖细胞的突变频率高于体细胞,减数分裂晚期,性细胞形成前为多。交配后,隐性基因受到复盖作用。

(3)体细胞:显性或纯合状态才能表现。出现嵌合体(mosaic)。(叶芽→枝条,花芽→花果实)。体细胞突变可通过有性或无性繁殖保留。

2.突变频率(mutation rate)

突变率指在一个世代中或一定时间内,在特定的条件下,一个细胞发生某一基因突变的概率。在有性生殖的生物中,突变率通常用一定数目配子中有多少突变型配子来表示,在无性繁殖的细菌中则用一定数目的细菌在分裂一次过程中发生突变的次数表示。

(1)突变的稀有性  突变率是很低的。高等10-5~10-8;细菌10-4~10-10(繁殖快,易获得突变体)。反应了物种的基因的相对稳定性。

(2)在一定条件下,不同生物及同一生物的不同基因的突变率是不同的,但相对稳定。  图示。

(3)突变率受到生物体内同在生理生化状态以及外界环境条件的影响,其中以年龄和温度的影响较为明显。如种子老化所发生的变化。

3.突变的可逆性

(1)正突变(forward mutation):野生型基因→等位基因突变型。

(2)回复突变(baek mutation):突变型基因→野生型基因。

(3)回复突变率一般低于正突变。

(4)真正的回复突变很少发生。常为被第二个位点的突变所抑制,抑制因子突变(suppressor mutation)。区别方法:前者与野生型杂交不能出现重组型(突变型重新出现)。

(5)回复突变的有无是区别基因突变与染色体缺失或重复的标志。

4.突变的多方向性:同一基因可突变为多个等位基因。突变的基因可以再突变。因此,在一个群体里,同一座位上可以有三个以上的等位基因。这一系列的等位基因就叫做复等位基因。这是由于同一座位内的不同位点上的结构发生变化产生的。如亚洲瓢虫,鞘翅15个色斑突变型。

(1)突变的方向不是无限的,只能在一定范围内变化。

(2)由于同一座位上不同位点的结构发生变化。

(3)不论复等位基因有多少,在一个体细胞中只有2个,配子中只有一个。

5.突变的重演性。同种生物相同的基因突变可以在不同的个体间重复出现。

6.突变的有害性和有利性。

(1)大多数有害或不利。

(2)少数有利。如抗病性、早熟性、抗倒伏、微生物。

(3)有利有害是相对的。雄性不育、落粒性。

三、自发突变的原因

1.辐射。

2.温度的极端变化。  过高或过低。

3.化学物质  主要

4.体内或细胞内某些生理、生化过程所产生的物质的作用。(1)种子贮藏久了,常常增加突变率。(2)用陈种子(烟草)油处理新鲜种子,使突变率增加。(3)番茄在很干燥的条件下,提高细胞的渗透压。

基因突变是指由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而引起的基因结构的变化,亦称点突变。在自然条件下发生的突变叫自发突变,由人工利用物理因素或化学药剂诱发的突变叫诱发突变。基因突变是生物变异的主要原因,是生物进化的主要因素。在生产上人工诱变是产生生物新品种的重要方法。

根据基因结构的改变方式,基因突变可分为碱基置换突变和移码突变两种类型。

碱基置换突变

由一个错误的碱基对替代一个正确的碱基对的突变叫碱基置换突变。例如在DNA分子中的GC碱基对由CG或AT或TA所代替,AT碱基对由TA或GC或CG所代替。碱基替换过程只改变被替换碱基的那个密码子,也就是说每一次碱基替换只改变一个密码子,不会涉及到其他的密码子(图3.4)。引起碱基置换突变的原因和途径有两个。一是碱基类似物的掺入,例如在大肠杆菌培养基中加入5-溴尿嘧院(BU)后,会使DNA的一部分胸腺嘧啶被BU所取代,从而导致AT碱基对变成GC碱基对,或者GC碱基对变成AT碱基对。二是某些化学物质如亚硝酸、亚硝基胍、硫酸二乙酯和氮芥等,以及紫外线照射,也能引起碱基置换突变。

移码突变

基因中插入或者缺失一个或几个碱基对,会使DNA的阅读框架(读码框)发生改变,导致插入或缺失部位之后的所有密码子都跟着发生变化,结果产生一种异常的多肽链(图3.5)。移码突变诱发的原因是一些像吖啶类染料分子能插入DNA分子,使DNA复制时发生差错,导致移码突变。

根据遗传信息的改变方式,基因突变又可以分为同义突变、错义突变和无义突变三种类型。

同义突变

有时DNA的一个碱基对的改变并不会影响它所编码的蛋白质的氨基酸序列,这是因为改变后的密码子和改变前的密码子是简并密码子,它们编码同一种氨基酸,这种基因突变称为同义突变(图3.4a)。

错义突变

由于一对或几对碱基对的改变而使决定某一氨基酸的密码子变为决定另一种氨基酸的密码子的基因突变叫错义突变(图3.4b)。这种基因突变有可能使它所编码的蛋白质部分或完全失活,例如人血红蛋白β链的基因如果将决定第6位氨基酸(谷氨酸)的密码子由CTT变为CAT,就会使它合成出的β链多肽的第6位氨基酸由谷氨酸变为缬氨酸,从而引起镰刀形细胞贫血病。

无义突变

由于一对或几对碱基对的改变而使决定某一氨基酸的密码子变成一个终止密码子的基因突变叫无义突变(图3.5b)。其中密码子改变为UAG的无义突变又叫琥珀突变,密码子改变成UAA的无义突变又叫赭石突变

分子遗传学中,营养缺陷型是指通过诱变而使得一些营养物质(如氨基酸)的合成能力出现缺陷,必须在基本培养基(如由葡萄糖和无机盐组成的培养基)中加入相应的有机成分才能正常生长的突变菌株或突变细胞。例如,野生型大肠杆菌在基本培基中能够正常生长,而组氨酸缺陷型的大肠杆菌(记为His-)只有在基本培养基中加入适量的组氨酸时才能正常生长。突变型基因转变成野生型基因的过程叫回复突变。例如把大量的His-大肠杆菌细胞接种在不含组氨酸的基本培养基中,会有极少量的细胞能够生长,出现这种情况的原因主要是这些细胞的组氨酸缺陷基因已回复为正常基因(记为His+)。

某一突变基因的表型效应由于第二个突变基因的出现而恢复正常时,称后一突变基因为前者的抑制基因。抑制基因并没有改变突变基因的DNA结构,而只是使突变型的表型恢复正常。例如,酪氨酸的密码子是UAC,置换突变使UAC变为无义密码子UAG后翻译便到此停止。如果酪氨酸tR-NA基因发生突变,使它的反密码子由AUG变为AUC时,其tRNA仍然能与酪氨酸结合,而且它的反密码子AUC也能与突变的无义密码子UAG配对。因此这一突变型tRNA,能使无义突变密码子位置上照常出现酪氨酸,而使翻译正常进行。这里酪氨酸tRNA的突变基因便是前一个无义突变的抑制基因。

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基因突变的特点

 

基因突变作为生物变异的一个重要来源,它具有以下主要特点:

第一,基因突变在生物界中是普遍存在的。

无论是低等生物,还是高等的动植物以及人,都可能发生基因突变。基因突变在自然界的物种中广泛存在。例如,棉花的短果枝、水稻的矮杆、糯性,果蝇的白眼、残翅,家鸽羽毛的灰红色,以及人的色肓、糖尿病、白化病等遗传病,都是突变性状。自然条件下发生的基因突变叫做自然突变,人为条件下诱发产生的基因突变叫做诱发突变。

第二,基因突变是随机发生的。

它可以发生在生物个体发育的任何时期和生物体的任何细胞。一般来说,在生物个体发育的过程中,基因突变发生的时期越迟,生物体表现突变的部分就越少。例如,植物的叶芽如果在发育的早期发生基因突变,那么由这个叶芽长成的枝条,上面着生的叶、花和果实都有可能与其他枝条不同。如果基因突变发生在花芽分化时,那么,将来可能只在一朵花或一个花序上表现出变异。

基因突变可以发生在体细胞中,也可以发生在生殖细胞中。发生在生殖细胞中的突变,可以通过受精作用直接传递给后代。发生在体细胞中的突变,一般是不能传递给后代的。

第三,在自然状态下,对一种生物来说,基因突变的频率是很低的。

据估计,在高等生物中,大约十万个到一亿个生殖细胞中,才会有一个生殖细胞发生基因突变,突变率是105~108。不同生物的基因突变率是不同的。例如,细菌和噬菌体等微生物的突变率比高等动值物的要低。同一种生物的不同基因,突变率也不相同。例如,玉米的抑制色素形成的基因的突变率为1.06×10-4,而黄色胚乳基因的突变率为2.2×10-6.

第四,大多数基因突变对生物体是有害的。

由于任何一种生物都是长期进化过程的产物,它们与环境条件已经取得了高度的协调。如果发生基因突变,就有可能破坏这种协调关系。因此,基因突变对于生物的生存往往是有害的。例如,绝大多数的人类遗传病,就是由基因突变造成的,这些病对人类健康构成了严重威胁。又如,植物中常见的白化苗,也是基因突变形成的。这种苗由于缺乏叶绿素,不能进行光合作用制造有机物,最终导致死亡。但是,也有少数基因突变是有利的。例如,植物的抗病性突变、耐旱性突变、微生物的抗药性突变等,都是有利于生物生存的。

第五,基因突变是不定向的。

一个基因可以向不同的方向发生突变,产生一个以上的等位基因。例如,控制小鼠毛色的灰色基因(A+)可以突变成黄色基因(AY)。也可以突变成黑色基因(a).但是每一个基因的突变,都不是没有任何限制的。例如,小鼠毛色基因的突变,只限定在色素的范围内,不会超出这个范围。