第三章+基因突变

c.断链：DNA链的磷酸二酯键上的氧也容易被烷化，结果形成不稳 定的磷酸三酯键，易在糖与磷酸间发生水解，使DNA链断裂。
• d.交联：烷化剂有两类，一类是单功能基烷化剂， 如甲基甲烷碘酸，只能使一个位点烷基化；另一 类是以双功能基烷化剂，化学武器如氮芥、硫芥 等，一些抗癌药物如环磷酰胺、苯丁酸氮芥、丝 裂霉素等，某些致癌物如二乙基亚硝胺等均属此 类，其两个功能基可同时使两处烷基化，结果就 能造成DNA链内、DNA链间，以及DNA与蛋白质 间的交联。
can in addition methylatethe O6 of guanine and the O4 of thymine
•是一种诱变作用特别强的诱变剂。可以使一个群体的任何 一个基因的突变率高达1%。此外可以诱发邻近的位置的基 因同时发生突变，即引起多位点的突变。
烷化剂对DNA的损伤
一类亲电子的化合物，易与生物体中大分子的亲核位点起反应。烷 化剂的作用可使DNA发生各种类型的损伤： a.碱基烷基化 ：烷化剂很容易将烷基加到DNA链中嘌呤或嘧啶的N或O 上，其中鸟嘌呤的N7和腺嘌呤的N3最容易受攻击，烷基化的嘌呤碱基 配对会发生变化，例如鸟嘌呤N7被烷化后就不再与胞嘧啶配对，而改 与胸腺嘧啶配对，结果会使G－C转变成A－T。 b.碱基脱落：烷化鸟嘌呤的糖苷键不稳定，容易脱落形成DNA上无 碱基的位点，复制时可以插入任何核苷酸，造成序列的改变。
第二节 诱变剂与突变机制
• 诱变剂：能使突变率提高到自发突变水平 以上的物理、化学和生物因素。
• 诱变机制：
•碱基置换突变
•移码突变
•插入/缺失突变
碱基置换可以分为两类：转换和颠换前者是嘌呤 到嘌呤，嘧啶到嘧啶的变化，后者是嘌呤到嘧啶 或嘧啶到嘌呤的变化。
•碱基置换的诱变原理
Watson和Crick认为
第三章 工业微生物诱变育种
第一节 基因突变的类型及规律
一、基因突变的分类
按照遗传物质结构的改变：碱基的置换、移码、缺失、插入突变 从突变的效应与野生型的关系：正向、回复突变
分 类 标 准
突变产生的过程：自发、诱发突变 从突变所引起的遗传信息的意义改变：同义、错义、无义突变 从突变所带来的表型改变分为：形态、致死或条件致死、生化突变型 如果发生在调控区的突变有：组成型突变、启动子上升/下降突变、 抗阻遏、抗反馈突变
2-aminopurine (2AP) Bromouracil Hydroxylamine (NH2OH) N-methyl-N'-nitro-Nnitrosoguanidine (MNNG) Ethylmethane sulfonate (EMS) (EMS) Ethylethane sulfonate (DES) Nitrous acid
紫外线引起的DNA损伤
UV：非电离辐射型波长范围：136～390nm
有效诱变范围：200～300nm
•诱变机制：DNA链的断裂
DHale Waihona Puke BaiduA分子的交联
C、U的水合作用
嘧啶二聚体的形成
UV照射形成嘧啶二聚体
电离辐射引起的DNA损伤
直接效应是DNA直接吸收射线能量而遭损伤
间接效应是指DNA周围其他分子(主要是水分子)吸收射线能 量产生具有很高反应活性的自由基进而损伤DNA。
突变热点产生的原因
• 5－甲基胞嘧啶（MeC）的存在，MeC脱氨氧化 后生成T，引起G－MeC→A-T转换；短的连续重 复顺序处容易发生插入或缺失突变；有的与突变 剂种类有关，如DNA顺序中某个碱基对突变剂更 敏感，有的则相反。 • 相邻碱基对的影响： CAA CAG 谷氨酰胺 ↑ ↑ 3倍 赭石 UAA → UAG 琥珀 ↓ ↓ 33倍 乳石UGA UGG
• 2.不同的基因座，其中任何一个突变所产生的表 型变化可能相同，其表示方法是在3 个小写斜体 字母后加上一个斜体大写字母来表示区别。如 Recombination→recA、recB、recC
• 3.突变位点应通过在突变基因符号后加不同数字表 示。如supE44 • 4.某个基因或某个领域缺失时，在其基因型前面加 上“∆ ”表示。例如：lac-proAB 基因缺 失时它 的基因型表示为∆(lac-proAB)。 • 5. Φ
Types of mutations produced
All types of mutations produced
UV irradiation
Pyrimidine dimers induce error prone repair (SOS)
Mainly G-C to A-T transitions, but all other types of mutations including deletions, frameshifts, and rearrangements at somewhat lower frequency
Base analog Base analog Alkylating agent, generates N4hudroxycytosine Alkylating agent, generates O6methylguanine Alkylating agent, generates O6methylguanine Alkylating agent, induces SOS response Oxidative deamination Intercalating agent, alkylacridine
A:T→G:C
Hydroxylamine (NH2OH)
is specific for cytosine, but only works in vitro (cannot enter cells).
G.C G.C HA G.C* C.A* T.A C.A*
Alkylation:
the addition of alkyl groups to the bases of DNA Alkylating agents are excellent donors of alkyl groups.
(如温度敏感突变株：Ts） ●形态突变株 ●抗原突变株 ●产量突变株
●突变株类型划分：
----选择性突变株：营养缺陷型、抗性
突变型、条件致死突变型
----非选择突变株：形态、抗原、产量 突变型
四、基因符号表示
• 命名规则： • 1.根据基因产物或其作用产物的英文名称的第一 个字母缩写成3 个小写斜体字母来表示。
激光诱变
激光：电磁波 机制：辐射活化效应， 使机体形态结构和代谢生理方面发生改变
离子束诱变
• 离子束的产生装置：离子注入机 • 机制： 能量传递、动量交换、离子沉积和电荷积 累。
Mutagen
Spontaneous
Mechanism
DNA replication and repair errors, spontaneous modification of nucleotides
融合 如Φ（ara-lac）表示ara和 lac融合成新基因
（二）突变率及其捡出
●突变率：
某一细胞在每一世代中发生突变的几率。常用单位群 体中每一世代产生的突变株的数目来表示。
• 一个细菌分裂一次产生两个细菌，两个细 菌再经一次分裂产生四个细菌，这时一个 细菌开始总共经历了三个世代。细菌繁殖 过程中的世代总数为细菌数减1.如果细菌总 数和开始时的细菌总数相差很大，可以认 为细菌总数就是世代数。 • 突变率＝（M2-M1）/(N2-N1)，其中M为抗 性菌落数；N为不同时间的细菌数。
表示：
基 因：his+，his - ； 表 型：His + ，His -
●抗性突变型：
野生型菌株由于突变而产了对某些化学药物 或致死物理因子抗性变异类型。 表示：
基 因： strr、strs； tetr、tets；
表 型：Str r ， Str s
●条件致死突变型：
某些菌株或病毒经基因突变后，在某种条件 可生长并实现表型，而在另一条件却无法生 长繁殖的突变类型。
A.T A.T G.C G.BU A.BU
复制错误
Deamination of bases
Nitrous acid (HONO)
G：C→A：T cytosine uracil,
Nitrous acid
guanine
G
xanthine
X（黄嘌呤）
adenine
A
hypoxanthine
H（次黄嘌呤） H与C 配 对
G-C to A-T and A-T to G-C transitions, deletions produced at a lower frequency
第三节 突变体的形成
一、诱变剂与DNA接触之前：与细胞通透性、 细胞壁成分是否反应等有关。 • 二、突变发生过程： ① 与DNA是否处于复制状态有密切关系。如营 养缺陷性菌株在诱变时加入菌株缺乏的氨基酸， 诱变效果增强。 ② 会受到多种酶的影响。 三、突变体的形成 形成的突变需经过突变后的修复，保留下来 的才行。 •
移码突变
• 定义： DNA 分子中一对或少数几对核苷酸的增加 和缺失造成的基因突变。 • 引起移码突变的诱变剂： 如吖啶橙，原黄素，吖黄素，可掺入 DNA 的碱基对之间，引起DNA双链错位 • 移码突变机制：
二、 物理诱变剂
1、 非电离辐射-----紫外线 2、电离辐射：激光 离子束诱变 微波 红外线 热
such as superoxide radicals(· O2-), hydrogen peroxide (H2O2), and hydroxyl radicals (· OH)
电离辐射可导致： a.碱基变化 主要是由OH－自由基引起，包括DNA链 上的碱基氧化修饰、过氧化物的形成、碱基环的破坏和脱落 等。一般嘧啶比嘌呤更敏感。 b.脱氧核糖变化 脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的 氢都能与OH－反应，导致脱氧核糖分解，最后会引起DNA 链断裂。 c.DNA链断裂 这是电离辐射引起的严重损伤事件，断 链数随照射剂量而增加 d.交联 包括DNA链交联和DNA-蛋白质交联。
●突变株的捡出及突变率的计算
捡出方法：
1）选择性突变株 ----营养缺陷型 ----抗药性突变
回复突变:
突变的特点
• 突变不完全是个随机的过程 • 突变热点 (hotspots of mutation） 从理论上讲， DNA分子上每一个碱基都可能发生突变，但实际 上突变部位并非完全随机分布。DNA分子上的各 个部分有着不同的突变频率，即DNA分子某些部 位的突变频率大大高于平均数，这些部位就称为 突变热点无论是自发还是诱发突变中都有热点存 在。
A-T to G-C and G-C to A-T transitions G-C to A-T and A-T to G-C transitions G-C to A-T transitions when used in vitro G-C to A-T transitions, multiple, closely spaced mutations common G-C to A-T transitions G-C to T-A transversions, other base substitution mutations
随机性
基 因 突 变 的 规 律
独立性 稳定性 可逆性 稀有性
二、基因突变
●野生型菌株：从自然界分离获得的菌株， 称之为~。
●基本培养基(MM)：满足野生型菌株生长最
低营养要求的合成培养基。
（一）突变类型
●营养缺陷型：野生型菌株由于突变而丧失
了 某种营养合成能力，而无法在基本培
养基上生长的变异类型。
碱基
酮式与烯醇式的互变 氨基与亚氨基的互变
碱基配对 方式改变
自发突变
10-6－10-10
碱基类似物——5BrU的诱变机理和该假设 的证明
酮式 烯醇式
烯醇式 ： 与G配对
G.C
诱发G.C→A.T
G.C G.C A.T A.BU A.BU
G.BU
参入错误 酮式 与A配对
A.T A.BU
诱发A.T→G.C
(EMS)
(MMS)
(NNG)
•EMS and MMS tend to ethylate (or methylate) N7 of guanine or N3 of adenine,which severely disrupts base pairing:
亚硝基胍（N-methyl-N‘-nitro-N-nitrosoguanidine, NNG)：