第十一章基因突变与DNA损伤修复 教学目的： 通过本章学习，使学生掌握基因突变的概念和特征；熟悉突变的分子基础： 了解基因突变的诱发因素，以及如何进行突变后的修复。了解细菌营养缺陷型突 变体的鉴定、真菌营养突变体的检出、植物基因突变的鉴定， 思政成效： 以“移码突变”为切入点，引入习主席说的“扣好第一粒扣子”，引导青少 年走好人生第一步，使“走好人生第一步”的观念深入人心，使学生明确现阶段 职责，从而好好学习。 基因突变章节，“太空椒”等，太空种植导致的基因突变作物，调查了解太 空作物相关研究文献（使同学们了解最新相关科研进展，激发学生的研究热情， 培养学生查阅文献解决问题的能力)，并讨论太空作物对人们生活生产的影响（辩 证的角度看问题) 教学目标： (一)能力目标 以“移码突变”为切入点，引入习主席说的“扣好第一粒扣子”，引导学生 走好人生第一步，使学生明确现阶段职责，从而好好学习。 (二)知识目标 1了解基因突变的诱发因素，以及如何进行突变后的修复；了解细菌营养缺 陷型突变体的确定基因突变的鉴定、真菌营养突变体的检出、植物基因突变的鉴 定。 2.掌握遗基因突变的概念和特征；熟悉突变的分子基础。 教学重、难点： 教学重点是基因突变的类型。难点是基因突变后的修复。 授课时数：本章讲授2学时 教学方法：讲授法、探讨法 教学手段：用多煤体教学 第一节基因突变概说
第十一章 基因突变与 DNA 损伤修复 教学目的： 通过本章学习，使学生掌握基因突变的概念和特征；熟悉突变的分子基础； 了解基因突变的诱发因素，以及如何进行突变后的修复。了解细菌营养缺陷型突 变体的鉴定、真菌营养突变体的检出、植物基因突变的鉴定。 思政成效： 以“移码突变”为切入点，引入习主席说的“扣好第一粒扣子”，引导青少 年走好人生第一步，使“走好人生第一步”的观念深入人心，使学生明确现阶段 职责，从而好好学习。 基因突变章节，“太空椒”等，太空种植导致的基因突变作物，调查了解太 空作物相关研究文献（使同学们了解最新相关科研进展，激发学生的研究热情， 培养学生查阅文献解决问题的能力），并讨论太空作物对人们生活生产的影响（辩 证的角度看问题） 教学目标： （一）能力目标 以“移码突变”为切入点，引入习主席说的“扣好第一粒扣子”，引导学生 走好人生第一步，使学生明确现阶段职责，从而好好学习。 （二）知识目标 1.了解基因突变的诱发因素，以及如何进行突变后的修复；了解细菌营养缺 陷型突变体的确定基因突变的鉴定、真菌营养突变体的检出、植物基因突变的鉴 定。 2.掌握遗基因突变的概念和特征；熟悉突变的分子基础。 教学重、难点： 教学重点是基因突变的类型。难点是基因突变后的修复。 授课时数：本章讲授 2 学时 教学方法：讲授法、探讨法 教学手段：用多媒体教学 第一节 基因突变概说
基因突变（点突变上指一个基因变成了它的等位基因。是染色体结构上看 不出来的、一定位点基因内部（染色体上一个座位内）的遗传物质的化学变化所 引起的。 一、基因突变的类型 基因突变是1910年摩尔根首先在果蝇中发现的。1927年穆勒和1928年斯 塔德勒分别用X射线照射果蝇和玉米，最先诱发了突变。 (一）根据突变的起源分 1、自发突变：由外界环境条件自然作用或生物体内的生理生化变化发生的突变。 2、诱发突变：在特设的诱变因素（物理、化学、生物等）诱发下发生的突变。 (二)根据突变体的表型特征分 1、形态突变（可见突变上突变主要影响生物的形态结构，导致形态、大小 色泽等的改变。 2、生化突变：突变主要影响生物的代谢过程，导致一个特定的生化功能的 改变或丧失，如链孢霉的ys-,a等。最常见的是微生物的各种营养缺陷型。 3、致死突变：突变主要导致生活力的改变（影响生活力）导致个体死亡。 致死突变分二类：显性致死和隐性致死. 显性致死：杂合态即有致死效应。 隐性致死：纯合态时才有致死效应，常见。如植物中的白花基因、镰型细胞 贫血症等。 致死突变的致死作用可以发生在不同的发育阶段：配子期、胚胎期、幼龄期 或成年期。女篓莱花粉致死、小鼠黄鼠基因是隐性致死，并且是合子致死。 4、条件致死突变：在某些条件下是成活的，而在另一些条件下是致死的。 例如：T4噬菌体的温度敏感突变型，25℃时能在大肠杆菌宿主中正常生长，形 成噬菌斑，但是在42℃时是致死的. 二、基因突变的特点 (一)突变的随机性 突变可以发生在生物个体发育的任何时期、任何部位。即无论体细胞和性细 胞都能发生突变。正在进行分裂的细胞发生突变的几率更大。且性细胞大于体细 胞。正在进行分裂的细胞>未分裂的细胞，性细胞>体细胞
基因突变（点突变）：指一个基因变成了它的等位基因。是染色体结构上看 不出来的、一定位点基因内部（染色体上一个座位内）的遗传物质的化学变化所 引起的。 一、基因突变的类型 基因突变是 1910 年摩尔根首先在果蝇中发现的。1927 年穆勒和 1928 年斯 塔德勒分别用 X 射线照射果蝇和玉米，最先诱发了突变。 （一）根据突变的起源分 1、自发突变：由外界环境条件自然作用或生物体内的生理生化变化发生的突变。 2、诱发突变：在特设的诱变因素（物理、化学、生物等）诱发下发生的突变。 （二）根据突变体的表型特征分 1、形态突变（可见突变）：突变主要影响生物的形态结构，导致形态、大小、 色泽等的改变。 2、生化突变：突变主要影响生物的代谢过程，导致一个特定的生化功能的 改变或丧失。如链孢霉的 Lys-。aa-等。最常见的是微生物的各种营养缺陷型。 3、致死突变：突变主要导致生活力的改变（影响生活力）导致个体死亡。 致死突变分二类：显性致死和隐性致死。 显性致死：杂合态即有致死效应。 隐性致死：纯合态时才有致死效应，常见。如植物中的白花基因、镰型细胞 贫血症等。 致死突变的致死作用可以发生在不同的发育阶段：配子期、胚胎期、幼龄期 或成年期。女篓菜花粉致死、小鼠黄鼠基因是隐性致死，并且是合子致死。 4、条件致死突变：在某些条件下是成活的，而在另一些条件下是致死的。 例如：T4 噬菌体的温度敏感突变型，25℃时能在大肠杆菌宿主中正常生长，形 成噬菌斑，但是在 42℃时是致死的。 二、基因突变的特点 （一）突变的随机性 突变可以发生在生物个体发育的任何时期、任何部位。即无论体细胞和性细 胞都能发生突变。正在进行分裂的细胞发生突变的几率更大。且性细胞大于体细 胞。正在进行分裂的细胞﹥未分裂的细胞﹥性细胞﹥体细胞
1、性细胞发生突变：性母细胞或成熟的性细胞发生突变。 配子发生突变→受精→合子个体（突变基因杂合体） 如果是显性突变a一Aa,个体表现突变性状，可通过受精过程传递给后代。 如果是隐性突变AA一→Aa,当代不表现，只有等到第二代突变基因处于纯合 状态才能表现出来。但是如果是X染色体上发生的隐性突变，则在男性中表现。 2、体细胞发生突变： 体细胞突变→发育→个体是嵌合体一显性突变当代表现一→突变性状+原有性 状。突变发生越早，个体表现突变性状部分就多，镶嵌范围越大，反之越小。 例如：金银眼猫：一只眼的虹是黄褐色、另一只眼是兰色。还有观赏鸟中的 “半边种”《阿苏儿》：身体的一半羽毛是兰色，另一半是绿色，两侧完全对称， 可能是受精卵第一次卵裂时，其中一个细胞发生羽色突变之故， 在植物中，芽变（枝变）属于体细胞突变，果树上许多“芽变”就是体细胞突 变引起的，一旦发现要及时扦插、嫁接或组培加以繁殖保留。“芽变”在育种上很 重要，有不少新品种是通过芽变选育出来的，如温州早桔就是源于温州密桔的芽 变。水蜜桃、名贵菊花、月季等都是芽变育成的 (二)突变的稀有性 突变率：指生物体（微生物指每一个细胞）在每一世代中，每一基因组或 每一细胞发生突变的概率。 一般有性生殖的生物用每一配子发生的突变概率表示，即突变型配子数占一定 数目配子的百分数。无性繁殖的细菌，用每一世代每一细菌发生突变的概率。即 用一定数目的细菌在分裂一次过程中，发生突变的次数。 不同生物以及同一生物的不同基因的突变率是不同的。一般高等生物自发突变率 10-5-10-8,细菌10-4-10-10. (三)突变的可逆性 正常的野生型显性基因A可以突变为隐性基因a,反之亦可。如果把A→a 称为正突变，一A为回复突变。正突变和复突变的频率一般是不同的，常常是 正突变频率比回复突变的频率高。 例如：E.coli his210i+→ a u>v 4×10-8
1、性细胞发生突变：性母细胞或成熟的性细胞发生突变。 配子发生突变→受精→合子→个体（突变基因杂合体） 如果是显性突变 aa→Aa，个体表现突变性状，可通过受精过程传递给后代。 如果是隐性突变 AA→Aa，当代不表现，只有等到第二代突变基因处于纯合 状态才能表现出来。但是如果是 X 染色体上发生的隐性突变，则在男性中表现。 2、体细胞发生突变： 体细胞突变→发育→个体是嵌合体→显性突变当代表现→突变性状+原有性 状。突变发生越早，个体表现突变性状部分就多，镶嵌范围越大，反之越小。 例如：金银眼猫：一只眼的虹是黄褐色、另一只眼是兰色。还有观赏鸟中的 “半边种”《阿苏儿》：身体的一半羽毛是兰色，另一半是绿色，两侧完全对称。 可能是受精卵第一次卵裂时，其中一个细胞发生羽色突变之故。 在植物中，芽变（枝变）属于体细胞突变。果树上许多“芽变”就是体细胞突 变引起的，一旦发现要及时扦插、嫁接或组培加以繁殖保留。“芽变”在育种上很 重要，有不少新品种是通过芽变选育出来的，如温州早桔就是源于温州密桔的芽 变。水蜜桃、名贵菊花、月季等都是芽变育成的。 （二）突变的稀有性 突变率：指生物体（微生物指每一个细胞）在每一世代中，每一基因组或 每一细胞发生突变的概率。 一般有性生殖的生物用每一配子发生的突变概率表示，即突变型配子数占一定 数目配子的百分数。无性繁殖的细菌，用每一世代每一细菌发生突变的概率。即 用一定数目的细菌在分裂一次过程中，发生突变的次数。 不同生物以及同一生物的不同基因的突变率是不同的。一般高等生物自发突变率 10-5～10-8，细菌 10-4～10-10。 （三）突变的可逆性 正常的野生型显性基因 A 可以突变为隐性基因 a，反之亦可。如果把 A→a 称为正突变，a→A 为回复突变。正突变和复突变的频率一般是不同的，常常是 正突变频率比回复突变的频率高。 2×10-6 u 例如：E.coli his+ his- A a u >v 4×10-8 v
根据回复突变的出现，常常可以把点突变跟较大的突变效应（缺失、易位等） 区分开。因为缺失包括遗传物质的丧失，一个回复突变恰好补全了丢失的遗传物 质几乎是不可能的。而点突变没有遗传物质的明显获得与丢失，是比较容易回复 的。 (四)突变的多方向性 一个基因可以向不同的方向发生突变，即一个基因可以突变为一个以上的等 位基因。如A一→al,A一→a2,…A→an。向这样一个座位上可以有两个以上的 基因状态存在，这些基因叫复等位基因。 A+a al (五)突变的独立性 一个基因的突变，并不影响其等位基因以及附近的其它基因也发生突变的现 象。 (六)突变的平行性 亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往发生相似的基因突变，称突变 的平行性。 根据以上学说，当了解到一个物种或属内具有那些变异类型，就能预见近缘 的其他物种或属也同样存在相似的变异类型。 (七)突变的重演性（重复性） 相同的基因突变，可以在同种生物不同个体、不同世代中重复出现。 (八)突变的有害和有利性 1、突变的有害性：大多数是有害的、极端的类型是致死突变，多数为隐性 致死，也有少数显性致死。 2、突变的有利性：少数的基因突变不仅对生物体无害，而且对生存有利。 例如：作物的抗病性；微生物的抗药性；人类的抗病性。 3、中性突变：某些突变不影响生物的正常代谢过程，即不好不坏，这类突 变称为中性突变。 例如：水稻、小麦芒的有无，小麦颖壳的颜色、人的单眼皮和双眼皮、六指 等等。 4、有害与有利的相对性：突变有害性是相对的，在一定条件下可以转化
根据回复突变的出现，常常可以把点突变跟较大的突变效应（缺失、易位等） 区分开。因为缺失包括遗传物质的丧失，一个回复突变恰好补全了丢失的遗传物 质几乎是不可能的。而点突变没有遗传物质的明显获得与丢失，是比较容易回复 的。 （四）突变的多方向性 一个基因可以向不同的方向发生突变，即一个基因可以突变为一个以上的等 位基因。如 A→a1， A→a2，…… A→an。向这样一个座位上可以有两个以上的 基因状态存在，这些基因叫复等位基因。 A a a1 A a2 a3 （五）突变的独立性 一个基因的突变，并不影响其等位基因以及附近的其它基因也发生突变的现 象。 （六）突变的平行性 亲缘关系相近的物种因遗传基础比较近似，往发生相似的基因突变，称突变 的平行性。 根据以上学说，当了解到一个物种或属内具有那些变异类型，就能预见近缘 的其他物种或属也同样存在相似的变异类型。 （七）突变的重演性（重复性） 相同的基因突变，可以在同种生物不同个体、不同世代中重复出现。 （八）突变的有害和有利性 1、突变的有害性：大多数是有害的、极端的类型是致死突变，多数为隐性 致死，也有少数显性致死。 2、突变的有利性：少数的基因突变不仅对生物体无害，而且对生存有利。 例如：作物的抗病性；微生物的抗药性；人类的抗病性。 3、中性突变：某些突变不影响生物的正常代谢过程，即不好不坏，这类突 变称为中性突变。 例如：水稻、小麦芒的有无，小麦颖壳的颜色、人的单眼皮和双眼皮、六指 等等。 4、有害与有利的相对性：突变有害性是相对的，在一定条件下可以转化
例如：果蝇的长翅→残翅。正常情况下，影响飞翔，寻找食物，表现为有害。 但是在多风的岛上，长翅果蝇易被刮入海中，残翅反而有利。高杆一→矮杆，高风 多肥地区抗倒伏。作物的落粒性、对生物有利，但对人不利。 三、基因突变的检出 基因突变的测定方法，主要是根据突变杂合体在有性繁殖过程中的性状表现 规律进行设计的。因此，不同的生物，基因突变的检测方法也不同， (一)果蝇突变的检出 1、果蝇的X连锁基因突变的测定：Muller--5技术可以检测出X染色体上的 隐性突变，特别是致死突变。 MulIer--5品系的果蝇X染色体上有棒眼基因B和杏色眼基因Wa,此外，X 染色体上还有一些倒位，可以抑制MulIer--5的X染色体与野生型X染色体的重 组。 实验时，将野外采集的或经诱变处理的雄果蝇与MulIer--5雌蝇交配，得F1 代，使F1代做单对交配，看F2代分离情况。如有致死基因，则F2代无野生型 雄果蝇，如有隐性的可见突变，则除Muller-5雄果蝇外，出现具有可见突变的雄 蝇。 P♀XBWaXBWa×dXY(待测果蝇) F1 XXBwa×XBWaY(MulIer-5雄果绳)单对交配 F2 XBWaXBwa XXBwa XBWaY XY 66 如果无致死突变，F21:1:1:1。可见突变体XY, 如果有致死突变，F29:d-2:1,雄体只有XBWaY. 2、果蝇常染色体上基因突变检测：选用相应的带有倒位的平衡致死品系与 突变的雄果蝇杂交，是果蝇常染色体上基因突变检测常用的方法。 例如，测定果蝇第二染色体上的突变基因，则亲本可选用其第二染色体上带 有翻翅Cy和星状眼S的显性基因，且都是纯合致死、有一个大倒位的平衡致死 系的果蝇做母本，与突变的雄果蝇杂交。 如果待测染色体上无致死基因，则3代有33%左右的野生型。 如果待测染色体上有致死基因，则F3代只有翻翅。 如果待测染色体上有隐性可见突变，则F3代除翻翅外，还有33%突变型
例如：果蝇的长翅→残翅。正常情况下，影响飞翔，寻找食物，表现为有害。 但是在多风的岛上，长翅果蝇易被刮入海中，残翅反而有利。高杆→矮杆，高风 多肥地区抗倒伏。作物的落粒性、对生物有利，但对人不利。 三、基因突变的检出 基因突变的测定方法，主要是根据突变杂合体在有性繁殖过程中的性状表现 规律进行设计的。因此，不同的生物，基因突变的检测方法也不同。 （一）果蝇突变的检出 1、果蝇的 X-连锁基因突变的测定：Muller-5 技术可以检测出 X 染色体上的 隐性突变，特别是致死突变。 Muller-5 品系的果蝇 X 染色体上有棒眼基因 B 和杏色眼基因 Wa，此外，X 染色体上还有一些倒位，可以抑制 Muller-5 的 X 染色体与野生型 X 染色体的重 组。 实验时，将野外采集的或经诱变处理的雄果蝇与 Muller-5 雌蝇交配，得 F1 代，使 F1 代做单对交配，看 F2 代分离情况。如有致死基因，则 F2 代无野生型 雄果蝇，如有隐性的可见突变，则除 Muller-5 雄果蝇外，出现具有可见突变的雄 蝇。 P ♀XBWaXBWa×♂XY（待测果蝇） ↓ F1 XXBwa × XBWaY（Muller-5 雄果蝇）单对交配 ↓ F2 XBWaXBwa XXBwa XBWaY XY ♀ ♀ ♂ ♂ 如果无致死突变，F21：1：1：1。可见突变体 XY。 如果有致死突变，，F2♀：♂=2：1，雄体只有 XBWaY。 2、果蝇常染色体上基因突变检测：选用相应的带有倒位的平衡致死品系与 突变的雄果蝇杂交，是果蝇常染色体上基因突变检测常用的方法。 例如，测定果蝇第二染色体上的突变基因，则亲本可选用其第二染色体上带 有翻翅 Cy 和星状眼 S 的显性基因，且都是纯合致死、有一个大倒位的平衡致死 系的果蝇做母本，与突变的雄果蝇杂交。 如果待测染色体上无致死基因，则 F3 代有 33%左右的野生型。 如果待测染色体上有致死基因，则 F3 代只有翻翅。 如果待测染色体上有隐性可见突变，则 F3 代除翻翅外，还有 33%突变型
(二)链孢霉突变 在链孢霉中，营养突变（生物在特定的营养下才能生长）的筛选方法是比德 尔和泰特姆最初提出来的。方法如图2：野生型分生孢子→紫外线照射→与野生 型交配→子囊果一→子囊孢子单个培养（完全培养基）一→分生孢子一基本培养基 分生孢子→基本培养基+X(不同营养物质)→检出突变型→→进一步确定突变 基因的对数（一对基因控制还是两对基因控制） 确定突变链孢霉突变基因的对数，用检出的突变型与不同交配型的野生型交 配，观察由此产生的子囊孢子的发育情况，表现怎样的分离想象。如果是1：1 的分离比，即4个野生型4个突变型，就说明是一个基因的突变。 P野生型×突变型（泛酸）》 子囊果一→子囊（单个培养） 2 3 4 5 6 7 8(均含泛酸) 基本培养 ↓ 基本培养基 生长 术生长 1:1分离比 (三)人类突变的检出 在人类中，突变的检出依靠家系分析和出生调查。 一般情况下，常染色体隐性突变难以检出。而显性突变比较容易检出，如果 具有显性性状的个体，其父母正常，则可表明是基因突变造成的。但男人X连 锁隐性突变的起源，有时可从家系中分析检出，因男人只有X染色体。 近来提出检出人类突变的另一个方法是筛选各种蛋白质或酶的微笑变异，通 过电泳技术区别。 第二节基因突变的机理 基因自发突变的频率很低，后来发现有许多因素对活细胞的遗传物质有高于 自发突变频率的诱变作用，我们把能诱发生物体变异的理化及生物等因素称为诱 变因素。 引起基因诱变的因素很多，可以归纳为三大类：物理诱变因素、化学诱变因 素和生物诱变因素
（二）链孢霉突变 在链孢霉中，营养突变（生物在特定的营养下才能生长）的筛选方法是比德 尔和泰特姆最初提出来的。方法如图 2：野生型分生孢子→紫外线照射→与野生 型交配→子囊果→子囊孢子单个培养（完全培养基）→分生孢子→基本培养基 ↓ 分生孢子→基本培养基+X（不同营养物质）→检出突变型→→进一步确定突变 基因的对数（一对基因控制还是两对基因控制） ↓ 确定突变链孢霉突变基因的对数，用检出的突变型与不同交配型的野生型交 配，观察由此产生的子囊孢子的发育情况，表现怎样的分离想象。如果是 1：1 的分离比，即 4 个野生型 4 个突变型，就说明是一个基因的突变。 P 野生型 × 突变型（泛酸） ↓ F1 子囊果→子囊（单个培养） ↓ 1 2 3 4 5 6 7 8（均含泛酸） ↓ ↓ ↓ ↓ 基本培养基 基本培养基 ↓ ↓ 生长 不生长 1：1 分离比 （三）人类突变的检出 在人类中，突变的检出依靠家系分析和出生调查。 一般情况下，常染色体隐性突变难以检出。而显性突变比较容易检出，如果 具有显性性状的个体，其父母正常，则可表明是基因突变造成的。但男人 X 连 锁隐性突变的起源，有时可从家系中分析检出，因男人只有 X 染色体。 近来提出检出人类突变的另一个方法是筛选各种蛋白质或酶的微笑变异，通 过电泳技术区别。 第二节 基因突变的机理 基因自发突变的频率很低，后来发现有许多因素对活细胞的遗传物质有高于 自发突变频率的诱变作用。我们把能诱发生物体变异的理化及生物等因素称为诱 变因素。 引起基因诱变的因素很多，可以归纳为三大类：物理诱变因素、化学诱变因 素和生物诱变因素
一、物理诱变因素及其机理 物理诱变因素很多，电磁辐射中的α射线、B射线、Y射线和X射线等；超 声波、激光；中子、质子等粒子和温度等。这些物理诱变因素的诱变效果十分明 显，但机理非常复杂，目前尚不完全清楚 (一)射线的辐射性能 射线波长越长，能量越小，诱变强度越弱，穿透的深度越浅。紫外线穿透力 弱，而X射线、Y射线穿透力强，很容易透过性腺细胞，对性细胞DNA分子产 生直接作用。射线照射的剂量和突变的频率在一定范围内是成正比例的增长关 系。 照射的生物学效应主要取决与射线所含的能量以及能传递到细胞内原子和 分子上的能量。能量越大，诱变效率越高。 辐射剂量的单位用伦琴(r)表示，根据辐射（照射）的方法，可分为“内' 和“外”照射。 外照射即辐射源与接受照射的物体之间要保持一定的距离，让射线从物体之 外透入物体之内，在体内诱发基因突变X射线Y射线和中子都适用于“外照射” 内照射即用浸泡或注射的方法，使其渗入生物体内，在体内放出B射线进行诱变。 α和阝射线的穿透力很弱，故只能用“内照射”。实际应用时，一般不用α射线， 只用B射线。阝射线常用辐射源是P32和S35,尤以P32使用较多。 (二)紫外线照射诱发突变 作用机理：由于紫外线能量较低，不足以使原子电离，只能产生激发作用。 紫外线最有效的波长为26OOA0左右，DNA吸收紫外线后，引起DNA结构改变 的形式很多：DNA链的断裂、DNA分子内和分子间的交联、DNA与蛋白质的 交联、密啶的水合作用和二聚体的形成等，其中主要的是水合物和二聚体的形成。 形成链内或链间的嘧啶二聚体(TT、CC或CT之间的二聚体)，影响复制和转录。 形成水合胞密啶等，使DNA复制时碱基错配，G=A;GT,紫外线还有问接诱 变作用，如用紫外线照射过的培养基培养微生物，可引起微生物突变。 紫外线的适用范围：由于紫外线穿透力很弱，所以一般只用于微生物或高等 生物配子以及培养中的细胞的诱变作用，高等生物的诱变很少用。 (三)电离辐射
一、物理诱变因素及其机理 物理诱变因素很多，电磁辐射中的 射线、 射线、γ 射线和 X 射线等；超 声波、激光；中子、质子等粒子和温度等。这些物理诱变因素的诱变效果十分明 显，但机理非常复杂，目前尚不完全清楚。 （一）射线的辐射性能 射线波长越长，能量越小，诱变强度越弱，穿透的深度越浅。紫外线穿透力 弱，而 X 射线、γ 射线穿透力强，很容易透过性腺细胞，对性细胞 DNA 分子产 生直接作用。射线照射的剂量和突变的频率在一定范围内是成正比例的增长关 系。 照射的生物学效应主要取决与射线所含的能量以及能传递到细胞内原子和 分子上的能量。能量越大，诱变效率越高。 辐射剂量的单位用伦琴（r）表示。根据辐射（照射）的方法，可分为“内” 和“外”照射。 外照射即辐射源与接受照射的物体之间要保持一定的距离，让射线从物体之 外透入物体之内，在体内诱发基因突变。X 射线、γ 射线和中子都适用于“外照射”。 内照射即用浸泡或注射的方法，使其渗入生物体内，在体内放出 射线进行诱变。 和 射线的穿透力很弱，故只能用“内照射”。实际应用时，一般不用 射线， 只用 射线。 射线常用辐射源是 P32 和 S35，尤以 P32 使用较多。 （二）紫外线照射诱发突变 作用机理：由于紫外线能量较低，不足以使原子电离，只能产生激发作用。 紫外线最有效的波长为 2600A0 左右，DNA 吸收紫外线后，引起 DNA 结构改变 的形式很多：DNA 链的断裂、DNA 分子内和分子间的交联、DNA 与蛋白质的 交联、嘧啶的水合作用和二聚体的形成等，其中主要的是水合物和二聚体的形成。 形成链内或链间的嘧啶二聚体（TT、CC 或 CT 之间的二聚体），影响复制和转录。 形成水合胞嘧啶等，使 DNA 复制时碱基错配，G≡A；G≡T。紫外线还有间接诱 变作用，如用紫外线照射过的培养基培养微生物，可引起微生物突变。 紫外线的适用范围：由于紫外线穿透力很弱，所以一般只用于微生物或高等 生物配子以及培养中的细胞的诱变作用，高等生物的诱变很少用。 （三）电离辐射
能量极高的辐射，能使轨道上的电子完全离开原子，而造成电离，这样的辐 射叫电离辐射。 1、电离辐射的作用：直接作用和间接作用。 (1)直接作用：射线与被照射物质直接发生作用而引起的反应。即通过能 量的量子击中染色体，诱发基因突变和染色体断裂。 (2)间接作用：经由射线处理后形成的环境损伤而起的反应。例如：使细 胞中的水电离，产生各种游离基团(H:OH.等)，游离基团在作用于DNA分子 而改变DNA分子的结构. 2、电离辐射的作用的特点： (1)诱发突变的频率与辐射剂量成正比，剂量与诱变剂之间在很大范围内 呈线性关系。即剂量增加一倍，突变频率增加一倍，但突变率不受辐射强度的影 响。 例如：2000r→果蝇精子→6%X隐性致死 4000r→果蝇精子→12%X隐性致死 (2)具有积累效应：辐射强度是指单位时间内照射的剂量数。倘若照射剂 量不变，不管单位时间内所照射是多还是少，基因突变率总是保持一致。对果蝇 来讲（处理精子），与照射剂量有关，与照射方式无关。低强度长时间与高强度 短期照射诱发突变数一样。其他生物这种关系不太明显 二、化学诱变因素及其机理 诱变剂：凡能增加突变率的物质都叫诱变剂. 最早知道秋水仙素能够诱发多倍体。 1930年Rappapart发现亚硝酸可以使某些霉菌的突变增加。 1942年Auerbach和Robson第一次发现芥子气（烷化剂）可以诱发基因突 变。 随着科学研究的不断深入，发现了大量的化学诱变剂。一些农药、色素、染 料、洗涤剂、甚至食品等日常生活用品中的某些物质，都具有不同的诱变作用。 各种诱变剂的共同特征，就是都可造成DNA的损害，但不同的诱变剂可能 有各自的危害专一性。它们诱发受害基因位点突变是随机的. 根据化学诱变剂对DNA作用的特点，一般将其分成四类：
能量极高的辐射，能使轨道上的电子完全离开原子，而造成电离，这样的辐 射叫电离辐射。 1、电离辐射的作用：直接作用和间接作用。 （1）直接作用：射线与被照射物质直接发生作用而引起的反应。即通过能 量的量子击中染色体，诱发基因突变和染色体断裂。 （2）间接作用：经由射线处理后形成的环境损伤而起的反应。例如：使细 胞中的水电离，产生各种游离基团（H.;OH.等）, 游离基团在作用于 DNA 分子 而改变 DNA 分子的结构. 2、电离辐射的作用的特点： （1）诱发突变的频率与辐射剂量成正比，剂量与诱变剂之间在很大范围内 呈线性关系。即剂量增加一倍，突变频率增加一倍，但突变率不受辐射强度的影 响。 例如：2000 r→果蝇精子→6%X 隐性致死 4000 r→果蝇精子→12%X 隐性致死 （2）具有积累效应：辐射强度是指单位时间内照射的剂量数。倘若照射剂 量不变，不管单位时间内所照射是多还是少，基因突变率总是保持一致。对果蝇 来讲（处理精子），与照射剂量有关，与照射方式无关。低强度长时间与高强度 短期照射诱发突变数一样。其他生物这种关系不太明显。 二、化学诱变因素及其机理 诱变剂：凡能增加突变率的物质都叫诱变剂。 最早知道秋水仙素能够诱发多倍体。 1930 年 Rappapart 发现亚硝酸可以使某些霉菌的突变增加。 1942 年 Auerbach 和 Robson 第一次发现芥子气（烷化剂）可以诱发基因突 变。 随着科学研究的不断深入，发现了大量的化学诱变剂。一些农药、色素、染 料、洗涤剂、甚至食品等日常生活用品中的某些物质，都具有不同的诱变作用。 各种诱变剂的共同特征，就是都可造成 DNA 的损害，但不同的诱变剂可能 有各自的危害专一性。它们诱发受害基因位点突变是随机的。 根据化学诱变剂对 DNA 作用的特点，一般将其分成四类：
(一)碱基类似物诱发突变 碱基类似物：分子结构与天然4种碱基结构类似的物质。常见的碱基类似物 有5-澳尿嘧啶(BU)和2-氨基嘌呤(AP),可引起碱基替换。 碱基替换：一个碱基对被另一个碱基对代替。又分2种：转换和颠换 转换：DNA分子中的嘌玲被嘌呤或嘧啶被嘧啶替换。 颠换：DNA分子中的骠吟被密啶或密啶被嘌吟替换。 例如BU引起的碱基替换：正常情况下，DNA复制时，A=T配对.而BU 与T有类似的结构，并且能从一种结构（酮式BU=A)转变为另一种结构（烯醇 式BU=G少见)，当BU参与DNA复制时，如果先以酮式存在，与A配对BU=A, 再以烯醇式存在，与G配对BU=G。这样的结果，就会使原来的，A=T对转换 G=C对。当BU以烯醇式状态掺入到DNA分子合成时，其与G配对BU=G,而 在复制时，G=C配对，BU又转变为酮式与A配对BU=A,结果原来的GC对 转换成A=T对. ↑A A A BU G (二)DNA修饰物（碱基作用物）诱发突变 DNA修饰物：通过化学变化改造DNA分子结构的物质。其作用与DNA复 制无关。可分三类： 1、亚硝酸(HNO2上是一种很有效的诱变剂。它可以使很多生物（烟草花 叶病毒、T2T4噬菌体，大肠杆菌等)产生突变， 亚硝酸(NA)的作用是具有氧化脱氨基作用，使A脱去氨基，成为次黄票 岭(H),即A→H、使CU、GX(黄骠岭。NO也有类似的作用。 此外，亚硝酸也有引起移码突变的作用。 2、烷化剂：一类具有一个或多个活性烷基的化合物。包括的种类很多，其 中有芥子气、疏酸二乙酯(DES).甲基磺酸乙酯(EMS、乙烯亚胺(EI)、亚 硝基胍等。可能通过几种不同的途径引起突变： (1)给乌嘌呤(G)添加甲基或乙基，使G与T配对
（一）碱基类似物诱发突变 碱基类似物：分子结构与天然 4 种碱基结构类似的物质。常见的碱基类似物 有 5-溴尿嘧啶（BU）和 2-氨基嘌呤（AP），可引起碱基替换。 碱基替换：一个碱基对被另一个碱基对代替。又分 2 种：转换和颠换。 转换：DNA 分子中的嘌呤被嘌呤或嘧啶被嘧啶替换。 颠换：DNA 分子中的嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤替换。 例如 BU 引起的碱基替换：正常情况下，DNA 复制时，A=T 配对。而 BU 与 T 有类似的结构，并且能从一种结构（酮式 BU=A）转变为另一种结构（烯醇 式 BU≡G 少见），当 BU 参与 DNA 复制时，如果先以酮式存在，与 A 配对 BU=A， 再以烯醇式存在，与 G 配对 BU≡G。这样的结果，就会使原来的，A=T 对转换 G≡C 对。当 BU 以烯醇式状态掺入到 DNA 分子合成时，其与 G 配对 BU≡G，而 在复制时，G≡C 配对，BU 又转变为酮式与 A 配对 BU=A，结果原来的 G≡C 对 转换成 A=T 对。 A A T T T A A A BU B U BU G G C （二）DNA 修饰物（碱基作用物）诱发突变 DNA 修饰物：通过化学变化改造 DNA 分子结构的物质。其作用与 DNA 复 制无关。可分三类： 1、亚硝酸（HNO2）：是一种很有效的诱变剂。它可以使很多生物（烟草花 叶病毒、T2T4 噬菌体，大肠杆菌等）产生突变。 亚硝酸（NA）的作用是具有氧化脱氨基作用，使 A 脱去氨基，成为次黄嘌 呤（H），即 A→H、使 C→U、G→X（黄嘌呤）。NO 也有类似的作用。 此外，亚硝酸也有引起移码突变的作用。 2、烷化剂：一类具有一个或多个活性烷基的化合物。包括的种类很多，其 中有芥子气、硫酸二乙酯（DES）、甲基磺酸乙酯（EMS）、乙烯亚胺（EI）、亚 硝基胍等。可能通过几种不同的途径引起突变： （1）给鸟嘌呤（G）添加甲基或乙基，使 G 与 T 配对
(2)使G烷化，烷化后从DNA上脱掉一脱嘌玲作用，在DNA上留下缺口， 影响DNA的复制或核苷酸顺序缩短，引起移码突变或转换、颠换。 3、羟胺(HA上是一种还原剂，可将胞嘧啶(C)上的氨基变为醇基，使C 与A配对，从而是GC对转换为AT对。 (三)结合到DNA分子中的化合物诱发突变 这类诱变剂能够结合到DNA分子中，引起DNA分子中遗传密码的阅读顺 序发生改变，从而导致突变。主要有吖啶类化合物和氨芥类(IC)化合物。主 要作用是通过增加(+)或减少()一个或几个碱基对，导致移码突变. 吖啶类（如原黄素、吖黄素、吖啶黄）分子扁平、能插入DNA相邻碱基对 间，是碱基分开。从而使DNA分子双链歪斜，导致交换时出现不等交换，产生 地个重组分子一个碱基多，一个碱基少。 (四)基因突变与氨基酸顺序 移码突变：在正常地DNA分子中，碱基缺失或增加非3地倍数，造成这 位置之后的一系列编码发生移位错误的改变。 点突变：也称作单碱基替换(single base substitution),指由单个碱基改变发 生的突变。可以分为转换(transitions)和频换(transversions)两类。 转换：票岭和嘌岭之间的替换，或密啶和嘧啶之间的替换。 颠换：嘌吟和密啶之间的替换。 缺失突变：缺失大片段的DNA,十几到几千个碱基。 无论是点突变还是移码突变，都有可能使由它编码的多肽的氨基酸顺序发生 改变。根据改变后对多肽中氨基酸顺序的影响不同，可以分为三类： 1、同义突变：一般不易认出。虽然DNA组成改变了，某一密码子不同了， 但是由于密码子具有简并性，实际上并不产生突变效应。 DNA: CTA→CTG mRNA: GAU→GAC Pr ASP→ASP 2、错义突变：DNA分子中碱基发生了改变，导致mRNA中某一密码子发 生改变，进而转译成另一种氨基酸
（2）使 G 烷化，烷化后从 DNA 上脱掉—脱嘌呤作用，在 DNA 上留下缺口， 影响 DNA 的复制或核苷酸顺序缩短，引起移码突变或转换、颠换。 3、羟胺（HA）：是一种还原剂，可将胞嘧啶（C）上的氨基变为醇基，使 C 与 A 配对，从而是 GC 对转换为 AT 对。 （三）结合到 DNA 分子中的化合物诱发突变 这类诱变剂能够结合到 DNA 分子中，引起 DNA 分子中遗传密码的阅读顺 序发生改变，从而导致突变。主要有吖啶类化合物和氮芥类（ICR）化合物。主 要作用是通过增加（+）或减少（-）一个或几个碱基对，导致移码突变。 吖啶类（如原黄素、吖黄素、吖啶黄）分子扁平、能插入 DNA 相邻碱基对 间，是碱基分开。从而使 DNA 分子双链歪斜，导致交换时出现不等交换，产生 地个重组分子一个碱基多，一个碱基少。 （四）基因突变与氨基酸顺序 移码突变：在正常地 DNA 分子中，碱基缺失或增加非 3 地倍数，造成这 位置之后的一系列编码发生移位错误的改变。 点突变：也称作单碱基替换（single base substitution），指由单个碱基改变发 生的突变。可以分为转换（transitions）和颠换（transversions）两类。 转换：嘌呤和嘌呤之间的替换，或嘧啶和嘧啶之间的替换。 颠换：嘌呤和嘧啶之间的替换。 缺失突变：缺失大片段的 DNA，十几到几千个碱基。 无论是点突变还是移码突变，都有可能使由它编码的多肽的氨基酸顺序发生 改变。根据改变后对多肽中氨基酸顺序的影响不同，可以分为三类： 1、同义突变：一般不易认出。虽然 DNA 组成改变了，某一密码子不同了， 但是由于密码子具有简并性，实际上并不产生突变效应。 DNA： CTA→CTG mRNA： GAU→GAC Pr ： ASP→ASP 2、错义突变：DNA 分子中碱基发生了改变，导致 mRNA 中某一密码子发 生改变，进而转译成另一种氨基酸