基因突变

突变是生物的基本属性，在广义上，突变是指染色体数量、结构及组成等遗传物质发生多种变化，包括基因突变和染色体畸变。一个基因内部遗传结构或 DNA 序列的任何改变，而导致的遗传变化称为基因突变。其发生变化的范围很小，所以又称点突变。染色体的畸变是指由染色体的大段损伤引起的。包括大段染色体的缺失、重复、倒位等。基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源。连同基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。

一、基因突变的类型

1 ．碱基变化与遗传信息的改变

    不同的碱基变化对遗传信息的改变是不同的，可分为四种类型：

    ①同义突变：指某个碱基的变化没有改变产物氨基酸序列的密码子变化。

    ②错义突变：指碱基序列的改变引起了产物氨基酸的改变。有些错义突变严重影响蛋白质活性甚至使之完全无活性，从而影响了表型。如果该基因是必需基因，则该突变为致死突变。

    ③无义突变：指某个碱基的改变，使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子（ UAA ， UAG ， UGA ）。蛋白质的合成提前终止，产生截短的蛋白质。

    ④移码突变：由于 DNA 序列中发生 1-2 个核苷酸的缺失或插入，使翻译的阅读框发生改变，从而导致从改变位置以后的氨基酸序列的完全变化。

2 ．表型变化

(1) 营养缺陷型 某一野生型菌株由于发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子的能力，因而无法在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型，称为营养缺陷型。

(2) 抗性突变型 由于基因突变而使原始菌株产生了对某种化学药物或致死物理因子抗性的变异类型。抗性突变型普遍存在，例如对各种抗生素的抗药性菌株等。

(3) 条件致死突变型 指在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。 Ts 突变株（温度敏感突变株）是一类典型的条件致死突变株。例如，大肠杆菌的某些菌株可在 37 ℃ 下正常生长，却不能在 42 ℃ 下生长等。又如，某些 T4 噬菌体突变株在 25 ℃ 下可感染其宿主，而在 37 ℃ 却不能感染等。

(4) 形态突变型 指造成形态改变的突变型。包括影响细胞个体形态和菌落形态及影响噬菌体的噬菌斑形态的突变型。

    另外还有抗原突变型、产量突变型等。

二、突变率和基因符号

    每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率，称突变率。例如，突变率为 10 -8 的，即指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变。突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株的数目来表示。例如，一个含 10 8 个细胞的群体，当其分裂为 2 × 10 8 个细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是 10 -8 。

    常用的基因突变符号：每个基因座位用其英文单词的头 3 个英文字母的小写来表示，如组氨酸： his ；其座位上的不同基因突变则在 3 个英文小写字母后加一个大写字母表示，如 hisA 、 hisB 代表组氨酸的 A 基因和 B 基因；在 3 个字母的右上方可用不同符号表示微生物的突变型，如 his + 、 his - 分别表示组氨酸原养型和缺陷型，   gal + 、 gal - 分别表示能发酵半乳糖和不能发酵半乳糖， str s 、 str r 分别表示对链霉素敏感和具抗性。

三、突变的特点

    整个生物界，由于它们遗传物质的本质都是相同的，所以显示在遗传变异的特点上也都遵循着同样的规律，这在基因突变的水平上尤为明显。下面以细菌的抗药性为例，来说明基因突变的一般规律。

    细菌产生抗药性可通过三条途径，即基因突变、抗药性质粒 (R 因子 ) 的转移和生理上的适应性。这里要讨论的只是基因突变，它有以下 7 个特点。

(1) 不对应性 指突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。这是突变的一个重要特点，也是容易引起争论的问题。

(2) 自发性 各种性状的突变，可以在没有人为的诱变因素处理下自发地产生。

(3) 稀有性 自发突变虽可随时发生，但其突变率却是极低和稳定的，一般在 10 -6 -10 -9 之间。

(4) 独立性 突变的发生一般是独立的，即在某一群体中，既可发生抗青霉素的突变型，也可发生抗链霉素或任何其他药物的突变型，而且还可发生其他任何性状的突变型。某一基因的突变，既不提高也不降低其他任何基因的突变率。

(5) 诱变性 通过诱变剂的作用，可以提高上述自发突变的几率，一般可提高 10-10 5 倍。不论是通过自发突变或诱发突变 ( 诱变 ) 所获得的突变株，其间并无本质上的差别，这是因为，诱变剂仅起着提高诱变率的作用。

(6) 稳定性 由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化，所以产生的新的变异性状也是稳定的、可遗传的。、

(7) 可逆性 由原始的野生型基因变异为突变型基因的过程，称为正向突变，相反的过程则称为回复突变或回变实验证明，任何性状都可发生正向突变，也都可发生回复突变。

四、基因突变的自发性和不对应性的证明

    在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去很长一段时间中对这种抗性产生的原因争论十分激烈。一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境 ( 指其中所含的抵抗对象 ) 诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是“定向变异”。另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对应的。从 1943 年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，终于解决了这场纷争。

1 ．变量试验 又称波动试验或彷徨试验。 1943 年 Luria 和 Delbruck 根据统计学的原理，设计了如下实验

    实验要点是：取敏感于噬菌体 T1 的大肠杆菌对数期肉汤培养物，用新鲜培养液稀释成浓度为 10 3 ／ m1 的细菌悬液，然后在甲、乙两试管内各装 10m1 。接着把甲管中的菌液先分装在 50 支小试管中 ( 每管装 0.2m1) ，保温 24 — 36 小时后，即把各支小管的菌液分别倒在 50 个预先涂有 T1 的平板上，经培养后分别计算各皿上所产生的抗噬菌体的菌落数；乙管中的 10ml 菌液不经分装先整管保温 24 — 36 小时，然后才分成 50 份加到同样涂有 Tl 的平板上，经适当培养后，同样分别计算各皿上产生的抗性菌落数。

    结果发现，来自甲管的 50 皿中，各皿间抗性菌落数相差极大，而来自乙管的则各皿数目基本相同。这就说明大肠杆菌抗噬菌体性状的突变，不是由所抗的环境因素——噬菌体诱导出来的，而是在它接触到噬菌体前，在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的。这一自发突变发生得越早，则抗性菌落出现得越多，反之则越少。噬菌体这里仅起着淘汰原始的未突变的敏感菌和甄别抗噬菌体突变型的作用。利用这一方法，还可计算出突变率。

2 ．涂布试验 1949 年， Newcombe 设计了一种与变量试验相似，方法更为简便的证实同一观点的实验，这就是涂布试验。与变量试验不同，他用的是固体平板培养法。先在 12 只培养皿平板上各涂以数目相等 (5 × 10⁴ ) 的敏感于噬菌体 Tl 的大肠杆菌细胞，经过 5 小时的培养，它们约繁殖了 12.3 代，于是在平板上长出大量的微菌落 ( 这时每个菌落约含 5100 个细菌 ) 。取其中的 6 皿直接喷上 Tl 噬菌体，另 6 皿则先用灭菌玻棒把平板的微菌落重新均匀涂布一遍，然后同样喷上相应的 T1 。经培养过夜后，计算这两组培养皿板上所形成的抗噬菌体菌落数。结果发现，在涂布过的一组中。共长出抗性菌落 353 个，要比未经涂布过的 ( 仅 28 个菌落 ) 高得多。这也意味着该抗性突变发生在未接触噬菌体之前。噬菌体的加入只起甄别这类自发突变是否发生的作用，而根本不是诱导突变的因素。

3 ．平板影印培养试验 1952 年 Lederberg 夫妇证明了微生物的抗药性是在未接触药物前自发地产生的，这一突变与相应的药物环境毫不相干。所谓平板影印培养法，实质是一种能达到在一系列培养皿的相同位置上出现相同遗传型菌落的接种培养方法。其基本过程是：把长有许多菌落 ( 可多达数百个 ) 的母种培养皿倒置于包有灭菌丝绒布的木质圆柱上，使其上沾满来自培养皿平板上的菌落。然后可把这一“印章”的菌落一一接种到不同的选择性培养基平板上。待这些平板培养后，对各平板相同位置上菌落作对比后，就可选出适当的突变型菌株。

五、基因突变的机制

1 ．诱变机制 自发突变的频率是很低的，一般为 10^-6 --10^-10 ，许多理化学、物理和生物因子能提高其突变的频率。凡能提高突变率的任何理化因子，都可称为诱变剂。所谓诱变剂并非是用诱变剂产生新的突变，而是通过不同的方式提高突变率。

（ 1 ）碱基的置换 即一对碱基被另一对碱基所置换。置换可分为两个亚类：一类叫转换，即 DNA 链中的个嘌呤被另一个嘌呤或一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；另一类叫颠换，即个嘌呤被另一个嘧啶或一个嘧啶被另一个嘌呤所置换。

    对于一个具体诱变剂来说，既可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一种功能。根据化学诱变剂是直接还是间接地引起置换，可把置换的机制分成直接和间接两种。

①直接引起置换的诱变剂：它们是一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在体内或是在离体条件下均有作用。主要有亚硝酸、羟胺和各种烷化剂。在这些诱变剂中除羟胺只引起 G ： C A ： T 外，其余都是可使 G ： C ≒ A ： T 发生互变的。能引起颠换的诱变剂很少，只是部分烷化剂才有。

    现以亚硝酸为例加以说明碱基转换的分子机制。亚硝酸可使碱基发生氧化脱氨作用，故它能使 A 变为 H ，以及 C 变为 U ，从而发生转换。

转换过程的环节：①腺嘌呤经氧化脱氨后变成烯醇式次黄嘌呤 (He) ；②由 He 通过自发产生的互变异构效应而形成酮式次黄嘌呤 (Hk) ；② DNA 双链第一次复制，结果 Hk 因其在 6 位上含有酮基，故只能与 6 位上含有氨基的胞嘧啶 (C) 配对；④ DNA 双链的第二次复制，这时其中的 C 按常规与 G 配对，因而最终实现了转换。

②间接引起置换的诱变剂：引起这类变异的诱变剂都是一些碱基类似物，如（ 5-BU 、（ 5-AU ）等。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到 DNA 分子中后而引起的，故是间接的。

    现以 5-BU 为例加以说明。 5-BU 是 T 的代谢类似物。当把某一微生物培养在含 5-Bu 的培养液中时，细胞中有部分新合成的 DNA 的 T 就被 5-Bu 所取代。 5-Bu 一般以酮式状态存在于 DNA 中，因而仍可正常地与 A 配对，这时并未发生碱基对的转换。有时 5-Bu 会以烯醇式状态出在 DNA 中，于是当 DNA 进行复制时，在其相对位置上出现的就是 G ，而不是原来的 A ，因而引起了碱基对从原来的 A ： T 变至 G ： C 的转换。

（ 2 ）移码突变 指诱变剂使 DNA 分子中的一个或少数几个核苷酸的增添（插入）或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。主要的诱变剂是：吖啶类染料（原黄素、吖啶橙等）以及一系列称 ICR 类的化合物（ Institute for Cancer Research ）。其诱变机制还不清楚，有人认为是由于它们是一种平面型三环分子，结构与一个嘌呤 - 嘧啶对十分相似，故能嵌入两个相邻 DNA 碱基对之间，造成螺旋的部分解开，从而在 DNA 复制过程中，会使链上增添或缺失一个碱基。结果引起了移码突变。

（ 3 ）染色体畸变 某些理化因子，引起 DNA 的大损伤 ---- 染色体畸变，它即包括染色体结构上的缺失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化。

①缺失

    是指染色体丢掉了某一区段。因而会失去某些基因，并直接影响到基因的排列顺序、基因间的相互关系。

②重复

    是指染色体上个别区段的增加。

③倒位

    是指正常染色体的某区段断裂后，断裂的片段倒转 180 度又重新连接愈合。

④易位

    是染色体上一区段断裂后再顺向或逆向地插入到同一条染色体的其他部位上。对于染色体间畸变，则指非同源染色体间的易位。

    40 年代美国遗传学家 Barbara Meclintock 首先在玉米中发现了染色体易位。他于 1983 年度获诺贝尔奖。广泛存在于原核和真核细胞中。研究发现这些 DNA 片断不但可在染色体上移动，而且还可从一个染色体跳到另一个染色体，从一个质粒到另一个质粒或染色体，甚至还可从一个细胞转移到另一个细胞。在这些 DNA 顺序的跳跃过程中，往往导致 DNA 链的断裂或重接，从而产生重组交换或某些基因启动和关闭，结果导致突变。现在把细胞中能改变自身位置的一段 DNA 序列称为转座因子。原核生物中的转座因子有三种类型：插入顺序（ IS ）、转座子（ Tn ）和某些病毒（如 Mu 、 D108 ）。

2 ．自发突变机制 自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变。但决不意味着这种突变是没有原因的，通过对诱变机制的研究，自发突变的可能机制有以下几种：

(1) 背景辐射和环境因素的诱变 不少“自发突变”实质上是由于一些原因不详的低剂量诱变因素的长期综合诱变效应。例如，充满宇宙空间的各种短波辐射或高温诱变效应，以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质的作用等。

(2) 微生物自身有害代谢产物的诱变效应 通过对环境诱变原的研究发现，通常存在细胞内的天然物质中也有表现诱变原性的物质。如微生物细胞内的咖啡碱、硫氰化合物、重氮丝氨酸、过氧化氢等。。

(3) 互变异构效应

（4）环出效应

六、 DNA 损伤的修复

    嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多。嘧啶的光化产物主要是二聚体。其中了解较清楚的是胸腺嘧啶二聚体的形成和消除。

    紫外线的主要作用是使同链 DNA 的相邻嘧啶间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体。二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用，并引起双链结构扭曲变形，阻碍碱基间的正常配对，从而有可能引起突变或死亡。在互补双链间形成嘧啶二聚体的机会较少。但一旦形成，就会妨碍双链的解开，因而影响 DNA 的复制和转录，并使细胞死亡。微生物能以多种方式去修复损伤后的 DNA ，主要有以下两种：

(1) 光复活作用 把经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象，称为光复活作用。光复活由 phr 基因编码的光解酶 PHr 进行。 PHr 在黑暗是专一性地识别嘧啶二聚体，并与之结合，形成酶 -DNA 复合物，当给予光照时，酶利用光能（ PHr 本身无发色基团，与损伤的 DNA 结合后才能吸收光，起光解作用）将二聚体拆开，恢复原状，酶再释放出来。由于在一般的微生物中都存在着光复活作用，所以在进行紫外线诱变育种时，只能在红光下进行照射及处理照射后的菌液。

(2) 暗修复作用 又称切除修复。该修复系统除了碱基错误配对和单核苷酸插入不能修复外，几乎所有其他 DNA 损伤均可修复，是细胞内的主要修复系统，涉及到 UvrA 、 UvrB 、 UvrC 和 UvrD 四种蛋白质的联合作用。修复过程： UvrA 以二聚体形式结合 DNA ，并且吸引 UvrB 结合成为 UvrA 2 B 复合体， UvrA 2 B 凭借其解旋酶活性和 ATP 提供的能量沿 DNA 巡视。在前进过程中遇到 DNA 损伤，解旋不能继续进行，而且 UvrA 2 B 结合损伤 DNA 的能力高于非损伤 DNA 的能力约千倍，所以能把 UvrB 定位在损伤位点。抵达损伤位点后，释放出单体 UvrA 。接着是 UvrC 和 UvrB 结合，由 UvrB 的内切核酸酶活性先在损伤位点 3 ‘端 3-5 个核苷酸处切断，然后由 UvrC 的内切核酸酶活性在损伤位点 5 ' 端 7-8 个核苷酸处切断。 UvrD 则把长约 11-13 个核苷酸、带有损伤位点的单链 DNA 片断和 UvrBC 释放出。最后由 DNA 聚合酶 I 和连接酶修复单链缺口。

    另外还有重组修复、 SOS 修复等方式。