·14 工业微生物育种学 表2.1遗传密码表 第一 第二字母 第三 字母 U C A G 字母 JAU 瞀氨酸 半胱氨低 丝氨酸 (Tyr (Cys) U UUA 亮氨酸 UCA (Ser) UAA终止信号 UGA 终止信写 UUG (Leu) UCG UAG终止信号 UGG 色氨酸 (Trp) CUU CCU CAL、 组氨酸 CGU c 亮氨酸 ccc 随氨酸 CAC 精氨酸 CUA (Leu) CCA CGA A CUG. e (Glu) G. AUU 异亮氨酸 ACU AUc ) 天冬酰胺 AGU 丝氨酸 2 《An AGC (S (Ile) ACC 苏氨酸 A AUA ACA (Thr) A 输氨破 精氨酸 ACG (Lys) Ae (Arg) AUG GCU 天冬氨酸 GU 缬氨酸 丙氨酸 (Asp) GGC 甘氨酸 GUA (Val) GCA (Ala) GAA 谷氨酸 GGA (Gly) GUG] GAG (Glu) GCG 无论体内、体外实验，从病毒、原核生物到真核生物，其密码子是通用的。但是后来发现线 粒体基因序列中密码子的通用性有例外。 在蛋白质合成中，密码子阅读方向是沿着mRNA5→3'方向进行的。密码子按三个 框读下去，不重叠也不跑格，中间也没有标点，直到终止。起始密码子绝大部分使用AUG, 个别使用GUG,而终止密码子UAA、UAG和UGA都被使用。某些基因中有时连用两个 终止密码子才能有效地停止肽链合成。在蛋白质基因中，同样的密码子在不同蛋白质内使 用频率会不同，如编码异亮氨酸的密码子有三个 -AUU、AUC、AUA在分析了许多蛋 白质之后，发现大多数蛋白质基因中，编码异亮氨酸的密码子为AUU、AUC两种，AUA使 用频率很低。但是在个别蛋白质基因中，编码异亮氨酸的密码子却主要是AUA。因此对 大多数蛋白质基因来说，AUA为稀有密码子。由于与稀有密码子相对应的tRNA数量较 少，故含有稀有密码子的蛋白质基因将产生较少的蛋白质。稀有密码子在一些翻译调控中 起着重要的作用。 密码子与tRNA分子上的反密码子配对时具有摇摆性，这样使得一种tRNA分子常常能 够识别一种以上的同一种氨基酸的密码子。 在mRNA编码蛋白质时，以哪一个密码子作为起始密码开始“阅读”mRNA,从理论上说有 三种可能（图2.9）。但是在实际中，通常只有其中一种“阅读”方式才能合成蛋白质，其他两种“阅 读”方式通常都会在“阅读”过程中形成终止密码子，从而终止蛋白质合成。始于起始密码子，终 于终止密码子，能够正常“阅读”、编码蛋白质的一套密码子，称为可读框(open reading frame)
第二章遗传物质的基础 ·15· 可读5'-AUG ACU AAG AGA UCC GG-3 Thr Lys 可读根25'-AUGA CUA AGA GAU CCG G-3 终止密码Leu Arg Asp Pro 可读35'-AUGAC UAA GAG AUC CGG-3' Asp终止密码Glu lle Arg 图2.9每一种DNA序列可以有三种可读框 思考题 1.如何通过实验证明核酸是遗传物质基础？试以图示并简要说明。 2.试分析基因、基因组及遗传密码等几个概念
第三章基因突变 第一节突变的分子机制 前面已经叙及，遗传物质的基础是DNA,它是基因的载体。DNA不管是在细胞核或细胞 质中，只要其分子结构发生变化，一般都会使遗传性状改变。基因突变是指DNA特定部位上 核苷酸序列的变化，致使蛋白质的结构改变，最后导致个体表型的不同。基因突变形成新的基 因型在一定条件下表现出来的个体性状，称为表型(phenotype)。突变结果产生新表型的个 体，称为突变体(mutant)或突变型。因此，基因突变包括遗传物质改变过程和突变体的形成。 突变(mutation).的概念，从广义讲，除了转化、转导、接合等遗传物质的传递和重组引起生物变 异以外，任何表型上可遗传的突变都属于突变范围，如染色体整倍性和非整倍性的变化及染色 体结构上的畸变等都包括在内。当然突变更多地是指基因突变，即基因内部结构或基因与基 因之间的变化，如某片段DNA上核苷酸之间的转换和颠换，一定核苷酸序列的重复、缺失、倒 位、易位、插人等造成基因的突变。 基因突变是微生物遗传性状改变的依据，能在生活周期中任何阶段发生。它有遗传性和 非遗传性之分，突变可以发生在有性二倍体生物的生殖细胞或体细胞中。生殖细胞中发生突 变可以遗传给后代，而体细胞中突变是不能遗传给后代的，只能在当代个体的形态或生理上有 所改变。而生殖细胞突变的结果，等位基因是显性的，后代将表现出新的表型。如果突变发生 在单倍体细胞中，其突变的等位基因不管是显性或隐性的，都能呈现出新的表型，一个突变基 因细胞就能形成一个新菌株。从微生物来说，一个个体生命可以从体细胞发育而成，对一些霉 菌来讲，由无性孢子或菌丝节段可以发育成一个菌株。因此，无性世代发生突变，可通过有性 世代遗传下去。 突变分自发突变和人工诱发突变两大类。 自发突变(spontaneous mutation)是微生物未经人为诱变剂处理或杂交等生物工程手段 而自然发生的突变。自发突变引起的原因大致有几个方面：一种是微生物生活的环境中存 在着一些低剂量的物理、化学诱变因素，如宇宙间的紫外线、短波辐射及高温、病毒等，在生 长过程中，由于DNA多聚化作用使复制中碱基配对错误或修复过程中发生错误而造成突 变。另一种是微生物自身代谢討程中产生一些具有诱变作用的物质，知时氧化氨、流氧化 合物、咖啡碱、二硫化二丙烯等。微生物体内经常会产生这些物质并分泌到培养基中，使在 培养过程或培养液存放期间微生物受到诱变作用而产生突变。在发酵工业的生产实践中 常常可以利用自发突变筛选到优良菌株，如进行某发酵产品发酵时，有时偶然出现一罐发 酵水平比平时高，从中有可能筛选到高产菌株。要想筛选一株抗噬菌体的自发突变株，可 从噬菌体污染的发酵液或工厂周围被噬菌体寄生的污水、污泥中去分离筛选，有可能达到 目的 诱发突变(induced mutation)是人为用化学、物理诱变剂（紫外线、亚硝基胍等）去处理微 生物而引起的突变。诱发突变与自发突变在效应上几乎没有差异，突变基因的表现型和遗传
第三章基因突变 ·17· 规律本质上是相同的。只是人工诱发突变速度快、时间短、突变频率高，一般为10一108 而自发突变速度慢、时间长、突变顿率低，一般为10一109，直南为10一108。因此，在工 农业生产上进行微生物的菌种选育常常采用人工诱变有种，并已经取得惊人的效果， 突变的分子机制：突变的分子基础是DNA分子中的减基序列或碱基对数目的改变，或染 色体发生变化。突变可以分为基因突变、染色体畸变和染色体组变。根据DNA分子中序列 的改变又可分为碱基置换、移码突变和易位突变三大类，碱基置换包括碱基转换和碱基颠换。 一、基因突变 基因突变(genetic mutation)也称微小突变，其DNA的正常结构受到损伤，碱基对发生变 化，通常指基因内部分子结构或基因之间的分子结构发生改变，导致点突变。 (一)碱基置换 在DNA链上的碱基序列中一个碱基被另一个碱基代替的现象称为置换(replacement)。 这其中，嘌呤与嘌呤(A与G)之间或嘧啶与嘧啶(T与C)之 间发生互换称为转换(transition)。一个嘌昤替换另一个嘧 啶或 一个嘧啶替换另一个嘌呤的现象称为颠换 (transversion)(3.1). 碱基置换，仅仅被替换的三联密码组成发生改变，邻 G 近的三联密码并不受影响。但就一条多肽来讲，由于其中 个密码子的变化，意味着这条肽链上的一个氢基酸的改 C 变，因而对遗传性状具决定性作用的多肽性质也就与原来 的多肽不相同，从而引起了变异。 转换 镇换 图31碱基置换 (二)移码突变 DNA分子中的每一个碱基都是三联密码中的一个成员， 而且遗传信息被DNA链上排列成特定序列的密码子所控制，在这种碱基序列中有一个或几 个碱基增加或减少而产生的变异称为移码突变((frame-shift mutation)。移码突变分插人和缺 失两种。插入是指微生物细胞复制时一个新碱基插入DNA分子的序列中，由于这个新碱基 加人到某个密码子中，造成在它之后的DNA链上碱基全部往后移动，使密码子中的碱基组成 发生变化，使这些密码子由RNA转录(transcription)的肽链也不相同，导致突变。缺失(defi- ciency)是在碱基序列中丢失一个或一个以上碱基，这种缺失效应同样也引起密码子移动错乱 而产生突变（图3.2）。 (三)易位突变 易位(translocation)是指DNA链上一个密码子中的某个碱基和邻近密码子中的一个碱 基对换，造成两个密码子编写的氨基酸都发生改变，从而引起突变。有时，当基因内某个密码 子中失去一个减基，在另一个密码子中又加人一个碱基，造成碱基序列异常，也同样引起突变 (图3.3)
·18 工业微生物育种学 野生型 AUG GUA AUC CUC GGG UAA mRNA 目-日-—月音-其-营时 YC=G ATG COTA ATC CTC GOG TAA DNA TAC GICAT TAG GAG CCC ATT 突变型（插）入AUG CGUA AUC CUC GG9 LAA mRNA 目日且-8- LA-T ATG GTA CTC GGG TAA DNA TAC CAT CAG GAG CCC ATT 突变型（丢失） AUG GUA OUC CUC GGG UAA mRNA 名一黄一真—其一a 图3.2移码突变 野生型 DNA a b c ab c a b c a b c 易位 DNA a b e 易位 丢失或加入 DNA a b e 图33基因易位、丢失或加人突变