第十章 突变和重组机理
§ 10.1 突变的分子基础
§ 10.1.1 碱基类似物的诱发突变
碱基替换 (base substitution),一个碱基对被另一碱基对
替换。包括转换 (transtion)和颠换 (transversion)。
移码突变 (frameshift mutation),增加或减少一个或几
个碱基对。
Base analogues 可以在 DNA复制中代替某种碱基，引
起配对错误，从而由一种碱基对代替另一种碱基对。
5-溴尿嘧啶 (5-bromouracil,BU)是胸腺嘧啶的结构类似物。
A
T·
A
T·
A
BU·
G
BU·
A
T·
A
BU·
G
C·
G
C· G
BU·
A
BU·
A
BU·
G
C·
G
C·
A
T·
2-氨基嘌呤 (2-aminopurine)可取代腺嘌呤与 T配对
A·
T
AP
·T
A·
T
A·
T
AP
·C G
C·
AP
·T
叠氮胸苷 (AZT,azidothymidine),T的类似物
是用于治疗爱滋病 (acquired immunodeficiency syndrome)
的一种药物。
HIV-1
人的细胞
反转录
RNA cDNA
整合入宿主 DNA 新病毒
AZT在病毒 RNA→DNA 的阶段是反转录酶的底物，但
在细胞中却不是 DNA聚合酶的合适底物。这样 AZT的
作用是一种选择性的毒物，可以抑制病毒 cDNA的产物
，阻断新的病毒的合成。
§ 10.1.2 改变 DNA化学结构的诱变剂
? 亚硝酸 (nitrous acid,HNO2),具有氧化脱氨作用。
A HHNO2
C UHNO2
G HNO2 X
C·
G
NA U
·A A·T
A
·T
NA H
·
C C·
G
发生碱基转换
? 烷化剂
烷化剂是目前应用最广泛而有效的诱变剂。最常用的有
甲基磺酸乙酯 (EMS),甲基磺酸甲酯 (MMS),亚硝酸胍等。
它们都带有一个或多个活泼的烷基，这些烷基能够移到
其他电子密度较高的分子中去，是碱基许多位置上增加
了烷基，从而多方面改变氢键的结合能力。
烷化作用主要发生在碱基的 N1,N3,N7位置上。最容易发生
在 G的 N7位置上，形成 7-烷基鸟嘌呤。 7-烷基鸟嘌呤可与胸
腺嘧啶配对，从而产生 GC→AT 的转换。
烷化作用可使 DNA的碱基容易受到水解而从 DNA上裂解下来，
造成碱基的缺失。从而引起碱基的转换与颠换及移码突变。
? 结合到 DNA分子上的化合物（插入突变剂）
(Intercalating mutagents)
包括原黄素 (proflavin),acridine orange等。
它们通过插入到 DNA双螺旋双链或单链的两个相
邻的碱基之间，起到插入诱变的作用，这种突变
往往是移码突变。
Acridine类诱发突变的一个重要特征是,acridine
化合物所诱发的突变型能用 acridine来使之回复，
但不能有碱基类似物使之回复
TACGA ATCGGGTATT
ATGCT TAGCCCATAA
TACGA ATCGGGTATT
ATGCT TAGCCCATAA
C
G
染料分
子嵌入
复制
插入一个碱基对移码突变
? 辐射的诱变作用
紫外线（ ultraviolet light,UV）,能使 DNA产生两种
光生成物－－环丁烷嘧啶光二聚体和 6-4光生成物。
胸腺嘧啶二聚体通常发生在同一 DNA链上两个相临
的胸腺嘧啶之间，也可发生在不同单链之间，这种
二聚体是很稳定的。
阻碍单链分开，影响复制
复制 在胸腺嘧啶对应处随意渗入碱基，
引起突变。
? 黄曲霉素 B1(aflatoxin B1,AFB1)
在鸟嘌呤 N-7位置上形成一个加成复合物进而产生
无嘌呤位点。它要求 SOS系统参与,SOS越过这些
无嘌呤位点并在其对应处选择性插入腺嘌呤。
A C G T A
T G C A T
AFB1 A C T A
T G C A T
复制
A C G T A
T G C A T ＋
A C T A
T G AA T
复制 A C T T A
T G AA T
? 基因突变与氨基酸顺序
同义突变 (same sense mutation),密码子发生改变，
但所编码的氨基酸不变。
错义突变 (missense mutation),DNA中碱基对替换，
使 mRNA的某一密码子改变，由它所编码的氨基酸
不同。很多错义突变造成蛋白质的部分或完全失活，
从而表现出突变性状。
无义突变 (nonsense mutation),碱基替换改变了
mRNA上的一个密码子，成为 3个密码子 UAG，
UAA和 UGA中的一个时，就出现无义突变。
? 突变热点 (hot spots of mutation)
和增变基因 (mutator genes)
突变位点 在基因内的分布并不是随机的，某些位点
上突变型很多，其突变率大大高于平均数。这些位
点就称为突变位点。
形成突变位点的最主要原因是 5-甲基胞嘧啶 (MeC)的
存在。
MeC 诱变剂氧化脱氨 T
短的重复序列也容易形成突变热点。因为这些地方
容易发生插入或缺失，这是由于 DNA复制时发生模
板链与新生链之间碱基配对的滑动造成的。
增变基因 (mutator genes),基因组中某些基因的
突变可使整个基因组的突变率明显上升，这类基因
称为增变基因。
增变基因主要有两类,DNA多聚酶的 各个 基因 和
Dam基因 。
DNA多聚酶基因 突变 多聚酶的 3′→5′校对功能丧失或降低
dam基因突变 错配修复功能丧失
§ 10.2 重组的分子基础
§ 10.2.1 非相互重组 (non-reciprocal recombination)
特点,1,重组的产物不互补，遗传信息不对称交流。
2,等位基因严重偏离孟德尔比率。
基因转换 (gene conversion)
Neurospora 的＋ × － 杂交子囊类型
⑴ ⑵ ⑶ ⑷ ⑸ ⑹
子
囊
类
型
分裂类型
＋
＋
—
—
—
—
＋
＋
＋
—
＋
—
—
＋
—
＋
＋
—
—
＋
—
＋
＋
—
MI MI MII MII MII MII
非交换型 交换型
Neurospora 中＋ pdxp × pdx ＋ 杂交，其中４个子囊的结果
孢子对
第一对
第二对
第三对
第四对
子囊
１ ２ ３ ４
＋ pdxp pdx ＋ ＋ ＋ pdx ＋
＋ ＋ pdx ＋ ＋ pdxp ＋ pdxp
＋ pdxp ＋ ＋ pdx ＋ ＋ ＋
pdx ＋ ＋ pdxp pdx ＋ pdx ＋
pdx ＋ ＋ pdxp×
pdx ＋
＋ pdxp
pdx ＋ pdx ＋
pdx pdxp
＋ ＋
＋ pdxp
pdx ⊕
＋ ＋
＋ pdxp
基因转变：在减数分裂过程中，一个等位基因转变为
另一等位基因的现象。
特征：⑴ 具高保真性，即转换后的等位基因
与转换者完全相同。
⑵ 转换事件往往与邻位的交换事件相
伴而生。交换频率比转换频率高好
几倍，且涉及到相同的染色单体。
⑶ 转换会提高相邻交换的负干涉系数。
⑷ 极性化分离。
减数后分离 (post-meiotic segregation),其异常分离在重组过
程中形成的杂合双链 DNA分子没有得到及时较正，在随后
有丝分裂中随着 DNA复制和染色单体分裂所致。
Olive等对粪生粪壳菌
(soxdoria fimicola)的研究：
g＋ A × g－ a
＋
＋
－
－
＋
＋
－
－
＋
＋
＋
－
＋
＋
－
－
＋
＋
＋
－
＋
＋
－
＋
＋
＋
－
＋
＋
－
－
－
如果染色体中每一条双
链都是纯合互补，则减
数分裂产生的 4 个子囊
孢子再经一次有丝分裂
产生的 8 个孢子不论是
否发生重组都应当是相
同的基因型成对排列。
因此异常分离一定是有
异源上链的存在。这种
异常分离是有丝分裂的
产物，故称为 减数后
分离 。
遗传重组的机制
5.3.1 交叉型学说 (chiasmatype theory)
1909年由 Janssens 提出
5.3.2 模板选择假说 (copy choice hypothesis)
1955年由 Lederberg提出
特点：不主张交换是断裂、再接过程
交换是断裂、
再接的过程
? 噬菌体 DNA
A品系
+ +
c mi
B品系
复感染
轻培养
13C 和 15N 重标记
12C 和 14N 轻标记
裂解，密度
梯度离心
c +
c mi+个体必定
是通过两个标
记基因之间发
生交换而产生
的。由于 mi+
位于标记轻链
的末端所以重
组后代的染色
体大部分是是
重标记。
Holliday 模型 (hybrid DNA model)
Robin Holliday于 1964年提出了重组的杂合 DNA模型
A B
a b
A B
a b
A B
a b
A B
a b
A B
a b
A B
a
b
A B
a
b
A B
ab
A B
ab
A B
A B
ab
a b
A b
a B
A g+
A g+
a g
a g
4︰ 4
正常分离
未重组，无
异源双链
A g+
a g
a g
a g+
A g+
A g
A g+
a g
a g+
A g+
A g
部分
校正 5︰ 3
异常分离
Half-chromatid
conversion
A g+
a g
a g
a g+
A g+
A g
A g+
a g
a g+
A g+
6︰ 2
异常分离
A g+
a g
a g
a g+
A g+
A g
4︰ 4
异常分离
Chromatid
conversion
基因转变实质上是异源双链 DNA错配的核苷酸
对在修复校正过程中所发生的一个基因转变为
他的等位基因的现象。
§ 10.1 突变的分子基础
§ 10.1.1 碱基类似物的诱发突变
碱基替换 (base substitution),一个碱基对被另一碱基对
替换。包括转换 (transtion)和颠换 (transversion)。
移码突变 (frameshift mutation),增加或减少一个或几
个碱基对。
Base analogues 可以在 DNA复制中代替某种碱基，引
起配对错误，从而由一种碱基对代替另一种碱基对。
5-溴尿嘧啶 (5-bromouracil,BU)是胸腺嘧啶的结构类似物。
A
T·
A
T·
A
BU·
G
BU·
A
T·
A
BU·
G
C·
G
C· G
BU·
A
BU·
A
BU·
G
C·
G
C·
A
T·
2-氨基嘌呤 (2-aminopurine)可取代腺嘌呤与 T配对
A·
T
AP
·T
A·
T
A·
T
AP
·C G
C·
AP
·T
叠氮胸苷 (AZT,azidothymidine),T的类似物
是用于治疗爱滋病 (acquired immunodeficiency syndrome)
的一种药物。
HIV-1
人的细胞
反转录
RNA cDNA
整合入宿主 DNA 新病毒
AZT在病毒 RNA→DNA 的阶段是反转录酶的底物，但
在细胞中却不是 DNA聚合酶的合适底物。这样 AZT的
作用是一种选择性的毒物，可以抑制病毒 cDNA的产物
，阻断新的病毒的合成。
§ 10.1.2 改变 DNA化学结构的诱变剂
? 亚硝酸 (nitrous acid,HNO2),具有氧化脱氨作用。
A HHNO2
C UHNO2
G HNO2 X
C·
G
NA U
·A A·T
A
·T
NA H
·
C C·
G
发生碱基转换
? 烷化剂
烷化剂是目前应用最广泛而有效的诱变剂。最常用的有
甲基磺酸乙酯 (EMS),甲基磺酸甲酯 (MMS),亚硝酸胍等。
它们都带有一个或多个活泼的烷基，这些烷基能够移到
其他电子密度较高的分子中去，是碱基许多位置上增加
了烷基，从而多方面改变氢键的结合能力。
烷化作用主要发生在碱基的 N1,N3,N7位置上。最容易发生
在 G的 N7位置上，形成 7-烷基鸟嘌呤。 7-烷基鸟嘌呤可与胸
腺嘧啶配对，从而产生 GC→AT 的转换。
烷化作用可使 DNA的碱基容易受到水解而从 DNA上裂解下来，
造成碱基的缺失。从而引起碱基的转换与颠换及移码突变。
? 结合到 DNA分子上的化合物（插入突变剂）
(Intercalating mutagents)
包括原黄素 (proflavin),acridine orange等。
它们通过插入到 DNA双螺旋双链或单链的两个相
邻的碱基之间，起到插入诱变的作用，这种突变
往往是移码突变。
Acridine类诱发突变的一个重要特征是,acridine
化合物所诱发的突变型能用 acridine来使之回复，
但不能有碱基类似物使之回复
TACGA ATCGGGTATT
ATGCT TAGCCCATAA
TACGA ATCGGGTATT
ATGCT TAGCCCATAA
C
G
染料分
子嵌入
复制
插入一个碱基对移码突变
? 辐射的诱变作用
紫外线（ ultraviolet light,UV）,能使 DNA产生两种
光生成物－－环丁烷嘧啶光二聚体和 6-4光生成物。
胸腺嘧啶二聚体通常发生在同一 DNA链上两个相临
的胸腺嘧啶之间，也可发生在不同单链之间，这种
二聚体是很稳定的。
阻碍单链分开，影响复制
复制 在胸腺嘧啶对应处随意渗入碱基，
引起突变。
? 黄曲霉素 B1(aflatoxin B1,AFB1)
在鸟嘌呤 N-7位置上形成一个加成复合物进而产生
无嘌呤位点。它要求 SOS系统参与,SOS越过这些
无嘌呤位点并在其对应处选择性插入腺嘌呤。
A C G T A
T G C A T
AFB1 A C T A
T G C A T
复制
A C G T A
T G C A T ＋
A C T A
T G AA T
复制 A C T T A
T G AA T
? 基因突变与氨基酸顺序
同义突变 (same sense mutation),密码子发生改变，
但所编码的氨基酸不变。
错义突变 (missense mutation),DNA中碱基对替换，
使 mRNA的某一密码子改变，由它所编码的氨基酸
不同。很多错义突变造成蛋白质的部分或完全失活，
从而表现出突变性状。
无义突变 (nonsense mutation),碱基替换改变了
mRNA上的一个密码子，成为 3个密码子 UAG，
UAA和 UGA中的一个时，就出现无义突变。
? 突变热点 (hot spots of mutation)
和增变基因 (mutator genes)
突变位点 在基因内的分布并不是随机的，某些位点
上突变型很多，其突变率大大高于平均数。这些位
点就称为突变位点。
形成突变位点的最主要原因是 5-甲基胞嘧啶 (MeC)的
存在。
MeC 诱变剂氧化脱氨 T
短的重复序列也容易形成突变热点。因为这些地方
容易发生插入或缺失，这是由于 DNA复制时发生模
板链与新生链之间碱基配对的滑动造成的。
增变基因 (mutator genes),基因组中某些基因的
突变可使整个基因组的突变率明显上升，这类基因
称为增变基因。
增变基因主要有两类,DNA多聚酶的 各个 基因 和
Dam基因 。
DNA多聚酶基因 突变 多聚酶的 3′→5′校对功能丧失或降低
dam基因突变 错配修复功能丧失
§ 10.2 重组的分子基础
§ 10.2.1 非相互重组 (non-reciprocal recombination)
特点,1,重组的产物不互补，遗传信息不对称交流。
2,等位基因严重偏离孟德尔比率。
基因转换 (gene conversion)
Neurospora 的＋ × － 杂交子囊类型
⑴ ⑵ ⑶ ⑷ ⑸ ⑹
子
囊
类
型
分裂类型
＋
＋
—
—
—
—
＋
＋
＋
—
＋
—
—
＋
—
＋
＋
—
—
＋
—
＋
＋
—
MI MI MII MII MII MII
非交换型 交换型
Neurospora 中＋ pdxp × pdx ＋ 杂交，其中４个子囊的结果
孢子对
第一对
第二对
第三对
第四对
子囊
１ ２ ３ ４
＋ pdxp pdx ＋ ＋ ＋ pdx ＋
＋ ＋ pdx ＋ ＋ pdxp ＋ pdxp
＋ pdxp ＋ ＋ pdx ＋ ＋ ＋
pdx ＋ ＋ pdxp pdx ＋ pdx ＋
pdx ＋ ＋ pdxp×
pdx ＋
＋ pdxp
pdx ＋ pdx ＋
pdx pdxp
＋ ＋
＋ pdxp
pdx ⊕
＋ ＋
＋ pdxp
基因转变：在减数分裂过程中，一个等位基因转变为
另一等位基因的现象。
特征：⑴ 具高保真性，即转换后的等位基因
与转换者完全相同。
⑵ 转换事件往往与邻位的交换事件相
伴而生。交换频率比转换频率高好
几倍，且涉及到相同的染色单体。
⑶ 转换会提高相邻交换的负干涉系数。
⑷ 极性化分离。
减数后分离 (post-meiotic segregation),其异常分离在重组过
程中形成的杂合双链 DNA分子没有得到及时较正，在随后
有丝分裂中随着 DNA复制和染色单体分裂所致。
Olive等对粪生粪壳菌
(soxdoria fimicola)的研究：
g＋ A × g－ a
＋
＋
－
－
＋
＋
－
－
＋
＋
＋
－
＋
＋
－
－
＋
＋
＋
－
＋
＋
－
＋
＋
＋
－
＋
＋
－
－
－
如果染色体中每一条双
链都是纯合互补，则减
数分裂产生的 4 个子囊
孢子再经一次有丝分裂
产生的 8 个孢子不论是
否发生重组都应当是相
同的基因型成对排列。
因此异常分离一定是有
异源上链的存在。这种
异常分离是有丝分裂的
产物，故称为 减数后
分离 。
遗传重组的机制
5.3.1 交叉型学说 (chiasmatype theory)
1909年由 Janssens 提出
5.3.2 模板选择假说 (copy choice hypothesis)
1955年由 Lederberg提出
特点：不主张交换是断裂、再接过程
交换是断裂、
再接的过程
? 噬菌体 DNA
A品系
+ +
c mi
B品系
复感染
轻培养
13C 和 15N 重标记
12C 和 14N 轻标记
裂解，密度
梯度离心
c +
c mi+个体必定
是通过两个标
记基因之间发
生交换而产生
的。由于 mi+
位于标记轻链
的末端所以重
组后代的染色
体大部分是是
重标记。
Holliday 模型 (hybrid DNA model)
Robin Holliday于 1964年提出了重组的杂合 DNA模型
A B
a b
A B
a b
A B
a b
A B
a b
A B
a b
A B
a
b
A B
a
b
A B
ab
A B
ab
A B
A B
ab
a b
A b
a B
A g+
A g+
a g
a g
4︰ 4
正常分离
未重组，无
异源双链
A g+
a g
a g
a g+
A g+
A g
A g+
a g
a g+
A g+
A g
部分
校正 5︰ 3
异常分离
Half-chromatid
conversion
A g+
a g
a g
a g+
A g+
A g
A g+
a g
a g+
A g+
6︰ 2
异常分离
A g+
a g
a g
a g+
A g+
A g
4︰ 4
异常分离
Chromatid
conversion
基因转变实质上是异源双链 DNA错配的核苷酸
对在修复校正过程中所发生的一个基因转变为
他的等位基因的现象。
