高中生物竞赛:基因突变课件84张
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高中生物竞赛:基因突变课件84张

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时间:2021-06-09

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资料简介
第5章 基因突变 本章重点: 1、基因突变的鉴定 2、基因突变的分子机制 本章难点: 1、移动遗传因子 2、突变的分子机制 §1 基因突变概说 v 基因突变 gene mutation v 又称点突变 point mutation v 基因内部发生可遗传的化学性质的变化 v 基因的化学性质发生了变化,可能引起表现型 发生相应的变化 v 是新基因的唯一来源,是生物进化的原始材料。 突变体 Ø 由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体, 称为突变体(mutant)或突变型。 Ø 与突变型相对的概念是野生型(wild type) Ø 形态突变 Ø 生化突变 形态突变(morphological mutations) v突变导致形态结构,如形状、大小、色泽等 的改变。 v 普通绵羊的四肢较长,而突变体安康羊的四肢很短。 v 普通水稻株高一般在1.50m以上,矮秆突变体20~80cm。 v又称为可见突变(visible mutations) 形态突变: 苹果 人类的白化症 生化突变(biochemical mutations) Ø 突变主要影响生物新陈代谢过程,导致 特定的生化功能的改变或丧失。 Ø 如细菌的营养缺陷型 v 事实上大多数基因的作用就是决定特定 的生化过程,而生化过程才能决定形态 结构 v 在这个意义上说,几乎所有的基因突变 都是生化突变。 突变的有利性和有害性 1、有害突变 2、中性突变 3、有利突变 1、有害突变 v 大多数基因的突变对生物的生长和发育是 有害的 v 极端的会导致突变体死亡 v 导致个体死亡的突变,称为致死突变 (lethal mutation)。 3、有利突变 v 有少数突变不仅对生物的生命活动无害, 而且有利 v 如植物的抗倒伏性、早熟性 2、中性突变 v突变不影响生物的正常生理活动,仍能 保持正常的生活力和繁殖力,这类突变 称为中性突变(neutral mutation)。 v 小麦粒色的变化,水稻芒的有无,果树叶片形 状的变化等。 v 中性突变能够为自然选择所保留,因而 是生物进化的重要途径 突变的有害性有利性是相对的 v 在一定的条件下,突变的效应可以转化 高杆作物群体中出现矮杆的突变体 v 有的突变对生物本身有害,却对人类有利 玉米、水稻、高粱等作物的雄性不育性,是人们利用杂种优 势的好材料。 v 有些突变对生物本身有利,却对人类不利。 谷类作物的落粒性 基因突变的重演性 • 同一突变可以在同种作物的不同个体间多次发 生,且发生频率也相似 表 10-1 玉米子粒性状 7 个基因的自发突变率 基因 表现型 测定配子数 突变数 平均突变率 (1/100 万) R 籽粒颜色 554786 273 492.0 I 抑制色素的形成 265391 28 106.0 Pr 紫色 647102 7 11.0 Su 非甜粒 1678736 4 2.4 Y 黄色胚乳 1745280 4 2.2 Sh 饱满胚 2469285 3 1.2 Wx 非糯性 1503744 0 0 突变的可逆性 v 显性基因A→隐性基因a 正突变(forward mutation) v 隐性基因a→显性基因A 回复突变或反突变(back mutation) v 正突变率u 回复突变率v 。 v大多数情况下,u>v。 v野生型基因内部每一个突变子都可能发 生改变而导致基因突变 v突变了的那个位点恢复原状才能使该基 因回复为野生型。 v大肠杆菌中 his+→ his- 2×10-6 his- → his+ 4×10-8。 基因突变的多方向性: 基因突变的方向是不固定的, A→a1;A→a2;A→a3,是随机的 复等位基因就是突变的多方向性造成的 复等位基因 一个基因座位上有两个以上的等位基因。 • 烟草:自花授粉不能结实由一组15个复 等位基因控制(S1、S2、、、S15 ) ♀ ♂ S1S2 S1S3 S2S3 S1S2 × S1S3、S2S3 S1S3、S2S3 S1S3 S1S2、S2S3 × S1S2、S2S3 S2S3 S1S2、S1S3 × 基因突变的平行性: 亲缘关系相近的物种往往发生相 似的基因突变。 §2 基因突变的鉴定 v 禾谷类作物基因突变的鉴定 v 微生物生化突变型的鉴定 禾谷类作物基因突变的鉴定 1、是可遗传的变异还是不可遗传的变异? 和亲本一起种植在相同的条件下 2、是显性突变还是隐性突变? 和原亲本杂交,看F1代的表现 3、是单基因突变还是多个基因突变? 测交 1:1 自交 3:1 显性突变 隐性突变 dd ↓突变 第一代(M1) Dd表现 ↓ 第二代(M2) 1DD 2Dd 1dd 有纯合体,但不能区分 ↓ 第三代(M3) 检出纯合体   DD ↓突变 Dd不表现 ↓ 1DD 2Dd 1dd 表现、纯合    大突变与微突变 v突变效应大,性状差异明显,易于识别, 多为控制质量性状基因的突变。 v 突变效应小,性状差异不大,较难察觉, 多为控制数量性状基因的突变。 突变频率: • 指突变体占观察总个体数的比例。 ①高等生物:1×10-6 ~ 1×10-8 ②低等生物:1×10-4~1×10-8 有性生殖生物的突变率: 通常用每个配子发生突变的概率表示, 即突变配子数占总配子数的比例。       胚乳(花粉)直感:估算配子的突变率   例:玉米 非甜Su  甜粒su      P  susu × SuSu           ↓对父本进行射线处理      F1 大部分为Susu,极少数为susu   如果10万粒种子中有5粒为甜粒,则     突变率= 5/100000 = 1/20000  红色面包霉生化突变的鉴定 v X射线处理分生孢子 v 处理后的分生孢子与野生型交配 v 产生分离的子囊孢子 v 置于完全培养基里生长 v 产生菌丝和分生孢子 基本培 养基 完 全 培 养 基 加 维 生 素 加 氨 基 酸 基 本 培 养 基 完 全 培 养 基 硫 胺 素 吡 醇 素 泛 酸 肌 醇  可以推论精氨酸合成步骤为:      o     c    a   前驱物è鸟氨酸è瓜氨酸è精氨酸è蛋白质   ∴ 从鸟氨酸è精氨酸的合成至少需要A、C、O三个基因 §3 基因突变的分子基础    v 基因在染色体上有固定的位置,称为座位 (1ocus,loci) v 一个座位还可以分成许多基本单位,称为位 点(site) v 突变子、重组子    开放阅读框 open reading frame,ORF 点突变 DNA分子中个别碱基的变化: 碱基对的增减:增加、减少 碱基对的替换:转换、颠换 基因的内部结构发生改变——   DNA碱基对发生增添、缺失或改变。 ┯┯┯┯ ATGC TACG ┷┷┷┷ ┯┯┯┯┯ ATAGC TATCG ┷┷┷┷┷ ┯┯┯┯ ATGC TACG ┷┷┷┷ ┯┯┯ AGC TCG ┷┷┷ ┯┯┯┯ ACGC TGCG ┷┷┷┷ ┯┯┯┯ ATGC TACG ┷┷┷┷ 增 添 缺 失 改 变 点突变的分类: ⑴ 碱基对替换 碱基缺失:ATCGATèATGAT (2)碱基对增减 碱基插入:ATCGATèATCGGAT   转换:嘌呤替换嘌呤 AèG GèA 嘧啶替换嘧啶 TèC CèT 颠换:嘌呤替换嘧啶 CèG TèG TèA CèA 嘧啶替换嘌呤 GèT GèC AèC AèT 遗 传 密 码 表 错义突变 碱基替换的结果改变了密码子,改变了 氨基酸 如:ACG―――――→GCG; thr(苏)――→ ala(丙) 改变该基因编码的蛋白质的结构、化学 性质和生物活性。 无义突变 v 有义密码子变为无义密码子,造成蛋白质合成的提 前终止。 DNA TAC——→TAA mRNA UAC——→UAA (终止密码子) v 这种突变又称为无义突变。 v 无义突变对生物体的影响较大,很可能导致死亡。 v 无义突变若发生在阅读框的开始,后果严重,若发 生在阅读框的后部,影响会小一些。 沉默突变 由于密码子具有简并性,个别碱基的替 换也有可能不改变密码子的意义,这种 突变称为沉默突变。 UUA UUG CUU CUC CUA CUG 这6个密码子都编码亮氨酸(leu) 中性突变 • 个别密码子的改变对蛋白质的结构、化 学性质和生物活性的影响很小,甚至没 有什么影响。 移码突变(shift mutation) 缺失或插入一个或两个碱基,会造成 整个阅读框的改变 自插入或缺失位置向后的所有密码子 都发生了变化。 原模板链 3’CTT CTT CTT CTT CTT CTT5’ mRNA的序列 5’GAA GAA GAA GAA GAA GAA3’ 氨基酸顺序 glu glu glu glu glu glu 开始处插入一个C 3’CCT TCT TCT TCT TCT TCT T5’ mRNA的序列为 5’GGA AGA AGA AGA AGA AGA A3 氨基酸顺序 gly arg arg arg arg arg 改变了蛋白质中所有氨基酸的组成 移码突变也可以造成无义密码子,导致蛋 白质合成的提前终止 如原模板 TTC GAT CGT CCA TCA mRNA AAG CUA GCA GGU AGU 插入一个碱基 TTC GAC TCG TCC ATC A 突变后的mRNA AAG CUG AGC AGG UAG U 非移码插入或缺失 v 如果插入或缺失了3个碱基,或者是3的 倍数,阅读框不变 v 多肽链中增加或减少一个或几个氨基酸 v 最终产物常常是有活性的,或者有部分 活性。 §4 突变的修复 v 生物界自身对诱变因素的作用具有一定 的防护能力 v 也能对已经发生的DNA结构变化进行部 分修复 1、DNA的防护机制 ①密码子的简并性 ②回复突变 某个突变子发生突变以后,又发生回复突 变,恢复原来的结构。 A——→G——→A ③抑制突变 A.基因内抑制突变 v 在一个顺反子内,某个突变子发生了突 变,有可能在该顺反子内的另一个突变 子也发生一次突变 v 这后一次突变的效应抵消了第一次突变 的效应,使突变表现型恢复为野生型 v DNA结构并没有恢复。 基因间抑制 v 主要是tRNA基因发生突变,或者是与 tRNA功能有关的基因发生突变 v 使另一个基因已经发生的无义突变、错 义突变、或移码突变所导致的突变表现 型恢复为野生型 tRNA上的反密码子发生突变 vAAG GAG UCG UUG UGG UAC UAU UAG 成为无义突变 v 如果某个tRNA的反密码子突变为 5’CUA3’,能够与UAG互补 v 部分恢复或全部恢复蛋白质的功能 ④致死选择 突变使生物体死亡,突变的个体或细 胞被淘汰,突变基因在群体中消失。 ⑤多倍体 v 高等植物中,多倍体种占有很大的比例 v 在多倍体中,相同的基因组或相近的基 因组有几份,对突变、尤其是隐性突变 的耐受力要比二倍体和低等生物强得多。 DNA损伤的修复 v DNA损伤是经常发生的 v 细胞具有多重、复杂的DNA损伤修复系统。 v 许多损伤类型具有多种修复途径 v 一个修复途径可以修复多种损伤类型 修复系统 v错配修复(mismatch repair) v直接修复(direct repair) v切除修复(excision repair) v双链断裂修复(double-strand break repair) v重组修复(recombination repair) 错配修复(mismatch repair) v DNA合成过程中常发生碱基配对错误 v识别错配碱基 v切除错误碱基 v补入正确碱基 v封闭DNA链切口 v 错配修复系统由许多酶组成,包括DNA聚合酶 直接修复(direct repair) 不需要DNA聚合酶参与 例:胸腺嘧啶二聚体的修复 胸腺嘧啶二聚体的形成 胸腺嘧啶二聚 体的光修复 在蓝色光条件下,有 一种光激活酶可以将 TT二聚体切开,使 DNA结构恢复正常。 紫外线灭菌必须在黑 暗中进行 光修复就是直接修复 切除修复(excision repair) v DNA经UV照射后发生损伤,在下一轮复制 前,体内的酶将包括二聚体在内的一段单 链切除,重新合成一段单链予以修复。 v 与光修复相比,不依赖于光的存在,在黑 暗中也能进行,所以被称为暗修复(dark repair) 。 v 暗修复又成为切除修复。 切除修复 (暗修复) 原核生物切除 12bases 真核生物切除 28bases 重组修复(recombination repair) (又称复制后修复) v 需要一系列的酶参与 v 修复以后,TT二聚体依然存在,但细胞 却能勉强完成这一轮复制 v 在切割和修补过程中,会发生这样那样 的差错,从而大致突变的产生 v 由UV照射引起的突变,并不是二聚体本 身引起的,而多是修补过程中的差错引 起的 含二聚体的DNA 仍可复制,新链在 二聚体部位留有缺 口; 完整的母链与有 缺口的子链重组 (交换) 缺口通过DNA聚 合酶的作用,以对 侧子链为模板将切 去的母链修补起来; 由DNA连接酶将 缺刻(nick)连接起 来,完成修复。 SOS修复 v DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一 种DNA修复方式 v 修复结果只是能维持基因组的完整性,提高细胞的生 成率,但留下的错误较多 v 故又称为错误倾向修复,使细胞有较高的突变率 §5 移动遗传因子 v 上个世纪50年代初,McClintock发现了可以移动 的遗传因子(transposable genetic elements) v 这是遗传学发展史上一个重要的里程碑, McClintock因此而获得1983年的诺贝尔奖。 概 念 v一些基因可以从染色体的一个基因座位转到另一个 基因座位 v又叫转座子(trsnsposon),跳跃基因(jumping genes) vMcClitock 叫它转座因子(transposable elements). Barbura McClintock • 美国女遗传学家。 • 20世纪40年代开始 • 研究Ac-Ds,花了20 年时间。1983年被授予 生理学及医学诺贝尔奖 • 终生没有结婚。 一、转座因子的发现和鉴定: v Emerson (1914) 在研究玉米果皮色素遗传时, 发现一种特殊的突变类型:花斑果皮,产生宽 窄不同,红白相间的花斑 v 花斑条纹不稳定,可以发生多次回复突变, 但不知道原因。 v 20世纪40年代初,McClintock 开始研究玉米植株和糊粉层色 素产生的遗传基础,她发现, 色素的变化与一系列染色体重 组有关。 v 她观察到,染色体的断裂或解 离(dissociation)有一个特定 的位点,命名为Ds。 v 但Ds不能自行断裂,受一个激 活因子Ac(activator)所控制。 Ac可以象普通基因一样遗传。 但有时可以离开原来的座位, 移动到同一染色体的另一个位 置上,也可以移动到不同染色 体上。 二、转座因子的结构特性: ㈠、原核生物的转座因子:   根据分子结构与遗传特性可以分为三类。  1.插入因子(insertion sequence,IS):  具有转座能力的简单遗传因子。 长度一般小于2kb,最小的插入序列如IS1 仅768bp。  IS因子只含有与转座有关的基因与序列。 共同特征是在其末端都具有一段反向的重复序列 (inverted repeats, IR),其长度不一。   如IS10左边IR序列是17bp、右边是22bp 2.转座子(transposons) IS因子+抗菌素抗性基因+IS因子   IS因子可以是反向重复构型或同向重复 构型。 Tnp3系转座子 v 结构较复杂,长度约5000bp v 末端有一对38bpIR序列,但不含IS因子 序列 v 每个转座子都带有3个基因: 对氨苄青霉素抗性的β–内酰胺酶(β- lactamase)基因, 与转座作用有关的基因(TnpA和TnpR) 3. Mu噬菌体(Mu) v E. coli的温和噬菌体,溶源化后能起到转座 子的作用 v 和转座子一样,Mu噬菌体也含有与转座有 关的基因和反向重复序列 v Mu能够整合进寄主染色体,催化一系列染色 体重排 ㈡、真核生物的转座因子: v 玉米籽粒色斑的产生 v 果蝇复眼颜色的变异 v 啤酒酵母接合的转换等 都与转座因子在染色体上的转座有关 Ac-Ds系统 • Ac: 4563bp 两个编码序列,三个非编码区,1 个TIR (末端倒位重复) ,长11bp 自主性转座子,末端的TIR是转座酶的识别位点 • Ds:600-2000bp, 非自主性转座子,它的转位必 须由Ac驱动,是自主性转座子的内部缺失或重 排引起的变异类型。 • Ds的TIR同Ac一样。 Ds与Ac的关系 转 座 子 导 入 植 物 细 胞 获 得 目 的 性 状 突 变 分 析 转 座 子 两 侧 序 列 并 且 以 此 为 探 针 野 生 型 植 物 D N A 构 建 核 D N A 文 库 完 整 的 目 的 性 状 基 因 转座子的应用

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