突变体的获得方法

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来源:生物技术通报 2010年第2期 构建微生物突变体的方法综述 张念章 逯忠新
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定义1:
一般指带有已经发生突 变的基因的细胞、病毒或细菌, 有时也指发生突变的基因。
突 变 体
(mutant)
定义2:
携带突变基因的细 胞或个体。
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其它诱变剂及复合诱变
除了烷化剂外,平阳霉素(PYM)、秋水仙素、 除了烷化剂外,平阳霉素(PYM)、秋水仙素、5-溴尿 (PYM) 嘧啶(5-BU)、2-氨基嘌呤(AP)等也常用于诱变工作。 嘧啶(5-BU)、 氨基嘌呤(AP)等也常用于诱变工作。 (5 (AP)等也常用于诱变工作 将两种或多种诱变剂的联合应用于突变育种工作中 就形成了复合诱变。该诱变过程包括: 就形成了复合诱变。该诱变过程包括:两种或多种诱变剂 的先后使用;两种或多种诱变剂的同时使用; 的先后使用;两种或多种诱变剂的同时使用;同一种诱变 剂的交替重复作用等。普遍认为, 剂的交替重复作用等。普遍认为,如果将两种或两种以上 诱变剂合理搭配使用, 诱变剂合理搭配使用,诱变剂间的协同效应会产生较单一 诱变更好的效果。 诱变更好的效果。 以一株绿色木霉F1为出发菌株,经紫外线、亚硝基胍、 F1为出发菌株 以一株绿色木霉F1为出发菌株,经紫外线、亚硝基胍、 硫酸二乙酯三种因素依次处理, 硫酸二乙酯三种因素依次处理,以每一轮诱变处理筛选到 的酶活最高的突变株作为下一轮诱变的出发菌株。 的酶活最高的突变株作为下一轮诱变的出发菌株。
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烷化剂
烷化剂又称生物烷化剂,是一类能形成碳正离子或其它亲 电性基团的化合物。常用的烷化剂包括亚硝基胍(NTG)、甲基磺 酸乙酯(EMS)、硫酸二乙醋(DMS)和硫酸二乙酯(DES)。其中Ems 是目前公认的效果最好和应用最广的一种化学诱变剂。其诱变 作用主要发生在鸟嘌呤N·7位置上,烷基取代H离子后,使之 成为一个带正电的季铵基团,从而发生两种遗传效应:一是烷 化的鸟嘌呤与胸腺嘧啶配对,代替胞嘧啶,发生转换突变(即G: C变为A:T);二是由于鸟嘌呤的N-7烷基活化,糖苷键断裂造 成脱嘌呤,鸟嘌呤的位置成了一个空位,复制时其互补位置上 的碱基就不受严格的配对限制,4种碱基都有机会进入,从而造 成置换现象。此外,EMS还可以造成糖.磷酸骨架断裂,引起 染色体缺失。与其它诱变剂相比,EMS诱变后产生的突变频率 高,且多为显性突变体,易于突变体的筛选。
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离子注入技术
离子注入技术最早用于农作物育种,近几年来因其在 微生物诱变育种中的高效性,得到了越来越广泛的应用。 离子注入生物体内会在动量、能量和 质量的三重作用下产生不同的生物学效应。因此,与 生物体的相互作用存在峰值,在峰值范围内,注入离子与 生物体的相互作用是局部的、双重的和不易修复的。 在离子注入过程中,生物分子将会吸收能量,经历复 杂的物理和化学的变化,产生各类自由基。这些活性自由 基,不但可以引起正常生物分子的Baidu Nhomakorabea伤,致使细胞中的染 色体畸变,DNA链断裂,也可使质粒DNA形成断裂点。产 生染色体重复、易位、倒位,碱基缺失等多种生物学效应。 离子注入技术与目前其它的诱变源相比,具有LET值高,射 程可控,集束性好,能量沉积和质量沉积区域集中等优点, 在不同的作物及菌种的诱变育种中发挥出巨大的作用.
除上述的方法之外,还有利用其它物理因素进行的诱变,如利用激光、 除上述的方法之外,还有利用其它物理因素进行的诱变,如利用激光、 太空条件等,或多种方法联合使用构建生物突变体。 太空条件等,或多种方法联合使用构建生物突变体。 back
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化学 诱变 方式
0.化学诱变 1.烷化剂 2.其它诱变剂及复合诱变
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20世纪80年代后期发展的基因打靶技术,通过在转染细胞 中发生外源打靶基因与核基因组目标基因之间的DNA同源重组, 真正实现了外源基因定点整合到基因组特定位置上的目的,从而 可以有针对性的改变细胞的遗传特性。基因打靶的分子基础是两 条具有相同或类似核苷酸序列的同源DNA分子之间发生的遗传信 息的重组事件。因此,基因打靶需要首先将要整合到受体细胞核 基因组目标座位的外源打靶基因,以及位于打靶基因两侧与内源 目标基因同源的DNA片段,克隆在具有选择性标记基因的载体 (如自杀性质粒载体)上,构成专用的基因打靶载体。之后再将其 转化进感受态的受体细胞。由于外源打靶基因的两侧与内源核基 因组上的目标基因或座位之间存在着同源的DNA序列,两条DNA 链的相同部分便会相继发生单链断裂、链的交换、磷酸二酯键的 形成和缺口重新封闭等一系列变化,并最终完成同源重组,实现 外源基因在核基因组DNA上的定点组合。基因打靶的效率取决于 DNA同源重组的频率,这与两条重组DNA分子之间的同源序列的 长度密切相关。现在,该技术在检测基因功能、治疗遗传疾病等 方面有着研究与应用。 back
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基因工程方法: 基因工程方法:
1.DNA标签法 2.基于载体构建的突变体 3.基因打靶技术 4.RNA干扰技术
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基因标签法
当一段特定的DNA序列插入到基因组目的因的内部或 其附近位点时,便会诱发该基因发生突变,形成突变体。 根据这一作用原理,用已知的插入DNA分子做探针, 发展出来一种分离未知基因的方法。由于插入的DNA序列, 相当于人为的给目的基因加上一段已知的序列标签,因此称 DNA插入突变分离基因的技术为DNA标签法,亦叫基因标 签法。 它包括T—DNA标签法和转位子标签法两大类。其中转 位子标签法又可分为同源转位子标签法和异源转位标签法
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电离辐射
电离辐射是指一切能引起物质产生电离作用的辐射总 称。生物学上常用γ射线进行辐射,此外还有Χ射线、β射 线和快中子等。这些射线可直接将能量传递给生物分子, 使细胞中有序排列的生物大分子处于激发和电离状态。引 起遗传物质的变化主要是碱基的氧化作用,糖苷键及DNA DNA 单链键或双链键断裂。伴随着生物大分子化学键的断裂, 有机体内产生大量的离子和自由基。这些自由基与细胞中 的溶质分子相互作用,诱发酶的释放,导致代谢的方向性 和协调性紊乱,促使开始的生物化学损伤进一步发展,引 起了机体内环境的进一步变化。
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微波辐射
微波辐射属于一种非电离性高频电磁波, 微波辐射属于一种非电离性高频电磁波,在300 MHz GHz范围内有较强的生物效应 范围内有较强的生物效应, 一300 GHz范围内有较强的生物效应,主要对生物体产生 热效应和非热效应。在微波作用下, 热效应和非热效应。在微波作用下,生物体会产生局部温 度上升(热效应)以及非温度关联的各生理生化反应( 度上升(热效应)以及非温度关联的各生理生化反应(非热效 进而产生一系列突变效应。 应),进而产生一系列突变效应。
基因打靶技术
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RNA干扰技术 RNA干扰技术
20世纪90年代发现的RNA干扰(简称RNAi)现象也可以高效而特意的阻断 体内相应基因的活性,发挥基因剔除的作用。 RNAi引起基因沉默的大致过程是外源性的dsRNA在Dicer酶的切割下形 成21—25 bp的siRNA。该siRNA便会同RNA诱导的沉默复合体(RNAinduced silencing complex,RISC)结合,并将其激活。激活状态的RISC催 化ds-siRNA发生解旋和解链。其中的反义链会附着在RISC表面与mRNA配对, 形成新的siRNA,再循环作用于另外靶的向mRNA。另一条链会被释放分解。 这种不断放大的瀑布式作用形成大量新的siRNA,使siRNA在短时间内迅速 有效的抑制mRNA翻译,从而有抑制靶向基因蛋白或多肽的合成。内源性的 mRNA会因存在反向重复序列而形成发卡结构的miRNA,也会产生RNAi。其 过程与siRNA形成RNAi的过程虽有差别但大致相同。现已发现在真菌等绝大 多数真核生物中都有RNAi现象的发生。人类应用RNAi技术,必将带来操控 生物性状改变的新的革命。
物 理 方 法
1.紫外 1.紫外 2.电离辐射 2.电离辐射
3.离子注入 3.离子注入
4.微波 4.微波 5.其它 5.其它
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紫 外
紫外线是诱发微生物突变的一种非常有用的工具。 紫外线是诱发微生物突变的一种非常有用的工具。DNA和 和 RNA的嘌呤和嘧啶有很强的紫外吸收能力,最大的吸收峰在 的嘌呤和嘧啶有很强的紫外吸收能力, 的嘌呤和嘧啶有很强的紫外吸收能力 260 nm 。 的紫外光才有诱变作用。 因此,波长在200-300 nm的紫外光才有诱变作用。紫外 的紫外光才有诱变作用 因此,波长在 线可引起生物体形成嘧啶(主要是胸腺嘧啶 二聚体、 主要是胸腺嘧啶)二聚体 线可引起生物体形成嘧啶 主要是胸腺嘧啶 二聚体、嘧啶水 合物和引起DNA分子交联。 分子交联。 合物和引起 分子交联 其中形成嘧啶二聚体的生物学效应研究的比较清楚。 其中形成嘧啶二聚体的生物学效应研究的比较清楚。由于 二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用, 二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用,引起双链结构扭曲变 形。 同时又会妨碍双链的解开,阻碍碱基正常的互补配对,影响 同时又会妨碍双链的解开,阻碍碱基正常的互补配对, DNA的复制和转录,从而导致突变或死亡。 的复制和转录, 的复制和转录 从而导致突变或死亡。 尽管不断有新型的诱变技术产生, 尽管不断有新型的诱变技术产生,紫外诱变技术因其操作 简单,效果显著,在很多领域仍然发挥重要作用。 简单,效果显著,在很多领域仍然发挥重要作用。
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基于载体构建的突变体
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常用的构建突变体的载体包括质粒载体、噬菌体载体以 及二者部分结构组合成的噬菌粒载体。细菌质粒是存在于细 胞质中的一类独立于染色体的自主复制的遗传成份,可以持 续稳定的处于染色体外的游离状态。人们利用质粒转移技术 打破物种界限,赋予生物新的遗传性状,使外源基因在受体 细胞内按照人们期望的方式进行表达,并进行基因功能分析 等研究。与质粒相似,噬菌体也可作为外源基因表达的载体。 最常用的噬茵体载体是入噬菌体载体。 根据使该载体失活的方法,又可以分为插人型载体和替 换型载体。利用入噬菌体实现基因克隆和表达的有DNA连接 酶、DNA聚合酶I等。由部分质粒载体和部分单链噬菌粒载体 组合而成的具有双功能的新型大肠杆菌克隆载体系列,就形 成了噬菌粒载体。它有两个复制起点,其一来自ColEl,其二 来自单链噬菌体。此载体具有分子量小、克隆能力大、可遗 传稳定等优点。基于载体构建微生物突变株,特别是用质粒 为载体,是目前在基因工程中应用较多的构建突变体的方法。
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化学诱变剂是一类能和DNA起作用, 化学诱变剂是一类能和DNA起作用, DNA起作用 进而改变DNA的空间结构或者结构组成, DNA的空间结构或者结构组成 进而改变DNA的空间结构或者结构组成, 导致DNA产生变异的物质。 DNA产生变异的物质 导致DNA产生变异的物质。按其诱变机 制可分为碱基类似物诱变剂、直接诱变 制可分为碱基类似物诱变剂、 DNA结构的诱变剂和诱发移码突变的诱 DNA结构的诱变剂和诱发移码突变的诱 变剂3 变剂3类。利用化学诱变剂进行的化学诱 变具有使用方便, 变具有使用方便,特异性较强和诱变后 代较易稳定遗传等特点。 代较易稳定遗传等特点。 该方法已培育出许多具有生产 利用价值的微生物新品种, 利用价值的微生物新品种,给生产带来 了巨大的经济效益和社会效益. 了巨大的经济效益和社会效益.
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