The capacity to blunder slightly
is the real marvel DNA.Without
this special attribute,we would
still be anaerobic bacteria and
there would be no music.
Lewis Thomas
基因突变
以突变研究基因的结构与功能
基因突变？
? Mutation是什么？
? Mutation是如何发生的？
? Mutation发生的原因是什么？
? Mutation对生物体产生了什么样的影响？
? Mutation使我们了解了基因的什么特性？
一、对突变的认识
1901年 De.vries在他的突变学说中首次使用
了 mutation 一词。
细菌研究中有关,适应”与“突变” 的争
论。
?细菌动力学 ?提出的非遗传学的药物适应理
论。
Luria.S.E和 Delbruck.M ?细菌从病毒抗性到
对病毒敏感性的突变 ?
适应论者的实验：
用少量 DDT放到果蝇培养瓶内，
连续培养十几代，果蝇群体的抗
药性增加几百倍。
适应？突变？
一 雌、一雄成对培养繁育成 100对
100个 家系（每个家系中 200对）
将每个家系分为 2份（ 2× 100家系）
一份接触药物 一份不接触药物
淘汰死亡率高的家系 99个
循环挑选、淘汰
得到抗性家系
选出与接触药物对应的死
亡率低的家系 1个，
一份接触药物 一份不接触药物
繁衍成 100个家系，一分为二
支持突变的实验
Salvador Luria和 Max Delbruckd的突变实验（ 1943年）
老虎机与基因突变
影印培养法
Lederberg,1952年
二、基因突变的概念和特征
概念及其类别
1 概念 point mutation
Mutations:Are heritable changes
in base sequences that modify the
information content of DNA.
2 类别
* 根据基因突变的起源
a 自发突变 spontaneous mutation
b 诱发突变 induced mutation
* 根据突变后不同的表现型改变
a 可见突变
b条件致死突变
c 致死突变
d 生化突变
突变的 DNA变化
? 点突变 碱基替换
转换：嘌呤与嘌呤，嘧啶与嘧啶（多见）
颠换：嘌呤与嘧啶（少见）
? 移码突变
插入、丢失 1－ 2个碱基
? 缺失突变
缺失大片段 DNA
突变的 DNA变化
基因突变的一般特征
突变频率
一个世代或一段时间内发生突变的个体占总体数目的比例。
(1)体细胞的基因突变
(2)性细胞基因突变
基因突变的时期和部位
基因突变的多方向性
A
a1
a2
a3
A a
基因突变的重演性
突变的平行性
亲缘关系相近的物种因遗传基础近似，往往发生相
似的基因突变。
突变的有利性与有害性
突变的重演性和平行性
forward mutation,reverse mutation
基因突变的可逆性
E.coli his+ his-
2 X 10-6
4 X 10-8
正突变和回复突变哪个频率高？
为什么？
显性突变的表现 隐性突变的表现
M1 dd DD
M 2 Dd Dd
DD Dd dd DD Dd dd
DD DD Dd dd dd
基因突变的表现
为什么一些突变是显性的？
显性突变
Dominance,Recessive and Incomplete dominance
为什么一些突变是隐性的？
三、基因突变测定
基因突变测定的一般内容
1 测定变异是否真实遗传
2 测定是隐性还是显性
3 突变频率
突变型的检出
1 链孢酶生化突变的测定
2 果蝇突变型的测定
链孢酶突变的测定与应用
果蝇性连锁突变的测定
测定果蝇性连锁致死突变的 ClB法（常用
于鉴定 X染色体上的突变）, H,J,Muller
果蝇常染色体突变检出
平衡致死系的构建：
翘翅 (cy+/++)× 星眼 (+S/++)
翘翅星眼 (cy+/+S)
果蝇常染色体突变检出
四、基因突变的分子基础
自发突变
? DNA复制错误
? 自发损伤
? 非对等交换
? 转座子
碱基变化
不对等交换和转座
诱发突变－ 物理及化学诱变
? 射线，高能粒子
? 碱基类似物
? 烷化剂
? 嵌合剂
诱变因素及其作用
物理诱变因素
射线的类别
电离射线, α,β射线和不同能量的的中子等粒子辐
射，还包括 γ射线和 X射线等电磁波辐射。
非电离辐射：能量小，不足以引起物质电离，如紫
外线。
辐射对遗传物质的作用
物理学效应,电离和激发的直接作用
电离辐射对遗传物质的作用
化学效应,(间接 )
电离辐射的化学效应
水的射解
H2O 电离辐射 H2O+ e－
H2O + e－ H2O－
H2O+ H2O H+ + OH0
H2O- H2O OH- + H0
H+ + OH- H2O
自由基反应
自由基互起反应：
H0 + OH0 H2O
H0 + H0 H2
OH 0 + OH0 H2O2
过氧化氢酶解和过氧基生成：
2H2O2 过氧化氢酶 2H2O + O2
H0 +O2 HO02
辐射对遗传物质的诱变作用
放
射
生
物
学
的
时
间
效
应
电离辐射效应的两点表现
a, 突变与剂量的关系
b,辐射的累积作用
剂量与剂量率
剂量,受照射物质每一单位质量所吸收的能量数。
D
H= M
剂量单位, R(伦琴 ) 1R=2.58x104 c/kg
rad(拉德 ) 1rad=10－ 2Gy,1Gy=1J/kg
剂量率 （照射强度）：单位时间内所接受的剂量。
R/min 或 R/h
常用射线
1 x射线,γ射线 属于电磁辐射。
X射线 由 X射线机发出，属核外产生的射线，波长
范围 20－ 0.06Ao 穿透力不很强，易防护。
γ射线 由放射性元素 60Co, 127Cs等产生，波长范
围在 1Ao以下, 穿透力强，主要用于外照射。
2 β射线是带负电的电子流，常由 32P,35S等同位素
核衰变产生能量较低，做内照射。
3 中子 从 235U原子反应堆中产生，依能量大小可以
分为快中子,慢中子、热中子等。中子不带电，
所以很容易穿过任何元素的核，在中子的作用下，
可以发射出光量子、质子和 а粒子的核反应。
非电离辐射对遗传物质的作用
紫外线是一种电磁波，能量 (3-5eV)
长波紫外（ UVA,320－ 400nm)
中波紫外（ UVB,280－ 320nm)
短波紫外（ UVC,200－ 280nm)
直接作用、间接作用
紫外线的碱基损害
紫外辐射引起的皮肤损害
? 日晒伤
? 慢性日光性皮肤损伤
? 多形性日光疹
? 外源性光感性皮炎
? Bloom综合症
? Cockayne综合症
? 着色性干皮症
辐射引起 DNA分子
结构的多种变化
环境低水平辐射刺激生命活动
? 辐射兴奋代谢理论
? 低水平辐射刺激生长、繁衍
化学诱变因素
1 化学诱变的意义
拟辐射物质，损伤小、突变谱不广、特异性
2 化学诱变因素的类别及其作用
第一类 烷化剂
如乙烯亚胺 (EI),硫酸二乙酯 (DES), 甲基磺酸
乙酯 (EMS),亚硝基甲脲 (NMU)等。
第二类 碱基类似物
如 5-溴尿嘧啶 (5-BU),2－ 氨基嘌呤 (AP)等。
第三类 能引起 DNA分子中碱基增、减的物质
如丫啶类染料,ICR类化合物 (氮芥类衍生物 )
诱变作用的分子机制
碱基替代
transition
transversion
5－溴尿嘧啶诱发的碱基对转换
C
N
CH
N
C
C
N H 2
N
CH
N H N
CH
N
C
C
N
H C
N
C
H
O
H
HNO2
A H
A
ATT
T
H
H
H
C
C
C
G
亚硝酸的作用
碱基替代的遗传表现
(1)产生终止密码 nonsense mutation
DNA -ATG- -ATT-
mRNA -UAC- -UAA-
protein Tyr stop
(2)产生新密码 missense mutation
人血红蛋白 ?链第 63位氨基酸
镰刀形贫血病的氨基酸变化
简并性减少了氨基酸替代
密码改变但氨基酸不改变
碱基替代突变的抑制突变
无义突变的抑制突变
错义突变的抑制突变
移码突变
突变热点和增变基因
Hot spots of mutations（ 突变热点）
(S.Benzer) T4phage 诱变筛选出 1500个 rII 基因突变体。
rIIA 包含 1800bp,rIIB包含 850bp。 但是 rIIA 有 200个突
变位点,rIIB有 108个突变位点。
突变热点形成的原因可能是 5－甲基胞嘧啶 (MeC)的存在。
C U (氧化脱氨 )
MeC T (氧化脱氨 )
Mutator genes（ 增变 基因）
DNA 多聚酶基因
dam基因
突变告诉我们什么？
? 突变是怎样产生的？
? 突变的特性有什么？
? 突变如何表现？
? 突变的分子基础是什么？
? 诱变如何产生？
? 基因突变与染色体畸变的联系、区别？
基因突变与人类健康
? fragile X syndrome
? 橙剂遗祸
? 血友病
? 肥胖基因
人类中某些遗传病
的突变频率
白化病 28x10-6
苯丙酮尿症 25x10-6
血友病 27x10-6
色盲 28x10-6
鱼鳞病 11x10-6
肌肉退化症 43x10-6
小眼球症 5x10-6
fragile X
syndrome
Amplification of the triplet
repeat CGG correlates with
the fragile X syndrome
FMR-1,Fragile -x-associated
mental retardation
fragile X染色体
越战遗祸
(2000.4.1参考消息 )
橙剂
维多利亚家谱
肥胖症与基因
? ob（ obese） 基因
基因突变及应用
突变修复、突变对基因结构影
响和诱变育种
一、突变形成与 DNA损伤修复
光复活酶修复
Photoreactivation
波长 400nm可见光激活
Excision repair
切除 修复
DNA修复系统
recombination repair
重组 修复
?SOS修复
SOS修复系统是一种旁路修复系统。
?错误修复引起的突变
诱变剂启动复制后修复体系。
SOS修复与错误修复
二、突变技术的应用
定点突变 (site-directed mutagenesis)
PCR技术用于定点突变
M13噬菌体用于定点突变
人工合成靶碱基及其附近序列的核苷酸 (15-20bp)
与 M13噬菌体互补克隆分子杂交
DNA 聚合酶作用下合成互补链
导入 E.coli中
得到突变克隆
基因组替换
通过突变了解基因结构及功能
互补测试绘制遗传图
果蝇眼色的突变互补测试
互补测试绘制遗传图
重组如何产生回复突变？
诱变育种
植物辐射育种
(1)辐射育种的特点
扩大突变谱,缩短育种时间、有效改善品质、
促进远缘杂交
(2)辐射材料的选择：
种子、活体、种胚、不定芽、花粉
(3)辐射的敏感性
种属差异、器官差异、生理状况及发育阶段
(4)辐射剂量
植物诱变育种
辐射处理的方法
外照射 放射源：钴源、中子源,X射线
方法,急性、慢性和重复辐射
内照射：放射源,32P, 35S, 14C等同位素。
方法：浸泡、注入、饲喂法
辐射后代的选育
诱变育种
微生物诱变育种
常用化学诱变剂
如何应用突变？
定点突变的应用
基因结构功能的测定
植物育种
微生物育种
is the real marvel DNA.Without
this special attribute,we would
still be anaerobic bacteria and
there would be no music.
Lewis Thomas
基因突变
以突变研究基因的结构与功能
基因突变？
? Mutation是什么？
? Mutation是如何发生的？
? Mutation发生的原因是什么？
? Mutation对生物体产生了什么样的影响？
? Mutation使我们了解了基因的什么特性？
一、对突变的认识
1901年 De.vries在他的突变学说中首次使用
了 mutation 一词。
细菌研究中有关,适应”与“突变” 的争
论。
?细菌动力学 ?提出的非遗传学的药物适应理
论。
Luria.S.E和 Delbruck.M ?细菌从病毒抗性到
对病毒敏感性的突变 ?
适应论者的实验：
用少量 DDT放到果蝇培养瓶内，
连续培养十几代，果蝇群体的抗
药性增加几百倍。
适应？突变？
一 雌、一雄成对培养繁育成 100对
100个 家系（每个家系中 200对）
将每个家系分为 2份（ 2× 100家系）
一份接触药物 一份不接触药物
淘汰死亡率高的家系 99个
循环挑选、淘汰
得到抗性家系
选出与接触药物对应的死
亡率低的家系 1个，
一份接触药物 一份不接触药物
繁衍成 100个家系，一分为二
支持突变的实验
Salvador Luria和 Max Delbruckd的突变实验（ 1943年）
老虎机与基因突变
影印培养法
Lederberg,1952年
二、基因突变的概念和特征
概念及其类别
1 概念 point mutation
Mutations:Are heritable changes
in base sequences that modify the
information content of DNA.
2 类别
* 根据基因突变的起源
a 自发突变 spontaneous mutation
b 诱发突变 induced mutation
* 根据突变后不同的表现型改变
a 可见突变
b条件致死突变
c 致死突变
d 生化突变
突变的 DNA变化
? 点突变 碱基替换
转换：嘌呤与嘌呤，嘧啶与嘧啶（多见）
颠换：嘌呤与嘧啶（少见）
? 移码突变
插入、丢失 1－ 2个碱基
? 缺失突变
缺失大片段 DNA
突变的 DNA变化
基因突变的一般特征
突变频率
一个世代或一段时间内发生突变的个体占总体数目的比例。
(1)体细胞的基因突变
(2)性细胞基因突变
基因突变的时期和部位
基因突变的多方向性
A
a1
a2
a3
A a
基因突变的重演性
突变的平行性
亲缘关系相近的物种因遗传基础近似，往往发生相
似的基因突变。
突变的有利性与有害性
突变的重演性和平行性
forward mutation,reverse mutation
基因突变的可逆性
E.coli his+ his-
2 X 10-6
4 X 10-8
正突变和回复突变哪个频率高？
为什么？
显性突变的表现 隐性突变的表现
M1 dd DD
M 2 Dd Dd
DD Dd dd DD Dd dd
DD DD Dd dd dd
基因突变的表现
为什么一些突变是显性的？
显性突变
Dominance,Recessive and Incomplete dominance
为什么一些突变是隐性的？
三、基因突变测定
基因突变测定的一般内容
1 测定变异是否真实遗传
2 测定是隐性还是显性
3 突变频率
突变型的检出
1 链孢酶生化突变的测定
2 果蝇突变型的测定
链孢酶突变的测定与应用
果蝇性连锁突变的测定
测定果蝇性连锁致死突变的 ClB法（常用
于鉴定 X染色体上的突变）, H,J,Muller
果蝇常染色体突变检出
平衡致死系的构建：
翘翅 (cy+/++)× 星眼 (+S/++)
翘翅星眼 (cy+/+S)
果蝇常染色体突变检出
四、基因突变的分子基础
自发突变
? DNA复制错误
? 自发损伤
? 非对等交换
? 转座子
碱基变化
不对等交换和转座
诱发突变－ 物理及化学诱变
? 射线，高能粒子
? 碱基类似物
? 烷化剂
? 嵌合剂
诱变因素及其作用
物理诱变因素
射线的类别
电离射线, α,β射线和不同能量的的中子等粒子辐
射，还包括 γ射线和 X射线等电磁波辐射。
非电离辐射：能量小，不足以引起物质电离，如紫
外线。
辐射对遗传物质的作用
物理学效应,电离和激发的直接作用
电离辐射对遗传物质的作用
化学效应,(间接 )
电离辐射的化学效应
水的射解
H2O 电离辐射 H2O+ e－
H2O + e－ H2O－
H2O+ H2O H+ + OH0
H2O- H2O OH- + H0
H+ + OH- H2O
自由基反应
自由基互起反应：
H0 + OH0 H2O
H0 + H0 H2
OH 0 + OH0 H2O2
过氧化氢酶解和过氧基生成：
2H2O2 过氧化氢酶 2H2O + O2
H0 +O2 HO02
辐射对遗传物质的诱变作用
放
射
生
物
学
的
时
间
效
应
电离辐射效应的两点表现
a, 突变与剂量的关系
b,辐射的累积作用
剂量与剂量率
剂量,受照射物质每一单位质量所吸收的能量数。
D
H= M
剂量单位, R(伦琴 ) 1R=2.58x104 c/kg
rad(拉德 ) 1rad=10－ 2Gy,1Gy=1J/kg
剂量率 （照射强度）：单位时间内所接受的剂量。
R/min 或 R/h
常用射线
1 x射线,γ射线 属于电磁辐射。
X射线 由 X射线机发出，属核外产生的射线，波长
范围 20－ 0.06Ao 穿透力不很强，易防护。
γ射线 由放射性元素 60Co, 127Cs等产生，波长范
围在 1Ao以下, 穿透力强，主要用于外照射。
2 β射线是带负电的电子流，常由 32P,35S等同位素
核衰变产生能量较低，做内照射。
3 中子 从 235U原子反应堆中产生，依能量大小可以
分为快中子,慢中子、热中子等。中子不带电，
所以很容易穿过任何元素的核，在中子的作用下，
可以发射出光量子、质子和 а粒子的核反应。
非电离辐射对遗传物质的作用
紫外线是一种电磁波，能量 (3-5eV)
长波紫外（ UVA,320－ 400nm)
中波紫外（ UVB,280－ 320nm)
短波紫外（ UVC,200－ 280nm)
直接作用、间接作用
紫外线的碱基损害
紫外辐射引起的皮肤损害
? 日晒伤
? 慢性日光性皮肤损伤
? 多形性日光疹
? 外源性光感性皮炎
? Bloom综合症
? Cockayne综合症
? 着色性干皮症
辐射引起 DNA分子
结构的多种变化
环境低水平辐射刺激生命活动
? 辐射兴奋代谢理论
? 低水平辐射刺激生长、繁衍
化学诱变因素
1 化学诱变的意义
拟辐射物质，损伤小、突变谱不广、特异性
2 化学诱变因素的类别及其作用
第一类 烷化剂
如乙烯亚胺 (EI),硫酸二乙酯 (DES), 甲基磺酸
乙酯 (EMS),亚硝基甲脲 (NMU)等。
第二类 碱基类似物
如 5-溴尿嘧啶 (5-BU),2－ 氨基嘌呤 (AP)等。
第三类 能引起 DNA分子中碱基增、减的物质
如丫啶类染料,ICR类化合物 (氮芥类衍生物 )
诱变作用的分子机制
碱基替代
transition
transversion
5－溴尿嘧啶诱发的碱基对转换
C
N
CH
N
C
C
N H 2
N
CH
N H N
CH
N
C
C
N
H C
N
C
H
O
H
HNO2
A H
A
ATT
T
H
H
H
C
C
C
G
亚硝酸的作用
碱基替代的遗传表现
(1)产生终止密码 nonsense mutation
DNA -ATG- -ATT-
mRNA -UAC- -UAA-
protein Tyr stop
(2)产生新密码 missense mutation
人血红蛋白 ?链第 63位氨基酸
镰刀形贫血病的氨基酸变化
简并性减少了氨基酸替代
密码改变但氨基酸不改变
碱基替代突变的抑制突变
无义突变的抑制突变
错义突变的抑制突变
移码突变
突变热点和增变基因
Hot spots of mutations（ 突变热点）
(S.Benzer) T4phage 诱变筛选出 1500个 rII 基因突变体。
rIIA 包含 1800bp,rIIB包含 850bp。 但是 rIIA 有 200个突
变位点,rIIB有 108个突变位点。
突变热点形成的原因可能是 5－甲基胞嘧啶 (MeC)的存在。
C U (氧化脱氨 )
MeC T (氧化脱氨 )
Mutator genes（ 增变 基因）
DNA 多聚酶基因
dam基因
突变告诉我们什么？
? 突变是怎样产生的？
? 突变的特性有什么？
? 突变如何表现？
? 突变的分子基础是什么？
? 诱变如何产生？
? 基因突变与染色体畸变的联系、区别？
基因突变与人类健康
? fragile X syndrome
? 橙剂遗祸
? 血友病
? 肥胖基因
人类中某些遗传病
的突变频率
白化病 28x10-6
苯丙酮尿症 25x10-6
血友病 27x10-6
色盲 28x10-6
鱼鳞病 11x10-6
肌肉退化症 43x10-6
小眼球症 5x10-6
fragile X
syndrome
Amplification of the triplet
repeat CGG correlates with
the fragile X syndrome
FMR-1,Fragile -x-associated
mental retardation
fragile X染色体
越战遗祸
(2000.4.1参考消息 )
橙剂
维多利亚家谱
肥胖症与基因
? ob（ obese） 基因
基因突变及应用
突变修复、突变对基因结构影
响和诱变育种
一、突变形成与 DNA损伤修复
光复活酶修复
Photoreactivation
波长 400nm可见光激活
Excision repair
切除 修复
DNA修复系统
recombination repair
重组 修复
?SOS修复
SOS修复系统是一种旁路修复系统。
?错误修复引起的突变
诱变剂启动复制后修复体系。
SOS修复与错误修复
二、突变技术的应用
定点突变 (site-directed mutagenesis)
PCR技术用于定点突变
M13噬菌体用于定点突变
人工合成靶碱基及其附近序列的核苷酸 (15-20bp)
与 M13噬菌体互补克隆分子杂交
DNA 聚合酶作用下合成互补链
导入 E.coli中
得到突变克隆
基因组替换
通过突变了解基因结构及功能
互补测试绘制遗传图
果蝇眼色的突变互补测试
互补测试绘制遗传图
重组如何产生回复突变？
诱变育种
植物辐射育种
(1)辐射育种的特点
扩大突变谱,缩短育种时间、有效改善品质、
促进远缘杂交
(2)辐射材料的选择：
种子、活体、种胚、不定芽、花粉
(3)辐射的敏感性
种属差异、器官差异、生理状况及发育阶段
(4)辐射剂量
植物诱变育种
辐射处理的方法
外照射 放射源：钴源、中子源,X射线
方法,急性、慢性和重复辐射
内照射：放射源,32P, 35S, 14C等同位素。
方法：浸泡、注入、饲喂法
辐射后代的选育
诱变育种
微生物诱变育种
常用化学诱变剂
如何应用突变？
定点突变的应用
基因结构功能的测定
植物育种
微生物育种
