基因突變

突變是生物的基本屬性，在廣義上，突變是指染色體數量、結構及組成等遺傳物質發生多種變化，包括基因突變和染色體畸變。一個基因內部遺傳結構或 DNA 序列的任何改變，而導致的遺傳變化稱為基因突變。其發生變化的範圍很小，所以又稱點突變。染色體的畸變是指由染色體的大段損傷引起的。包括大段染色體的缺失、重複、倒位等。基因突變是重要的生物學現象，它是一切生物變化的根源。連同基因轉移、重組一起提供了推動生物進化的遺傳多變性。

一、基因突變的類型

1 ．堿基變化與遺傳信息的改變

    不同的堿基變化對遺傳信息的改變是不同的，可分為四種類型：

    ①同義突變：指某個堿基的變化沒有改變產物氨基酸序列的密碼子變化。

    ②錯義突變：指堿基序列的改變引起了產物氨基酸的改變。有些錯義突變嚴重影響蛋白質活性甚至使之完全無活性，從而影響了表型。如果該基因是必需基因，則該突變為致死突變。

    ③無義突變：指某個堿基的改變，使代表某種氨基酸的密碼子變為蛋白質合成的終止密碼子（ UAA ， UAG ， UGA ）。蛋白質的合成提前終止，產生截短的蛋白質。

    ④移碼突變：由於 DNA 序列中發生 1-2 個核苷酸的缺失或插入，使翻譯的閱讀框發生改變，從而導致從改變位置以後的氨基酸序列的完全變化。

2 ．表型變化

(1) 營養缺陷型 某一野生型菌株由於發生基因突變而喪失合成一種或幾種生長因子的能力，因而無法在基本培養基上正常生長繁殖的變異類型，稱為營養缺陷型。

(2) 抗性突變型 由於基因突變而使原始菌株產生了對某種化學藥物或致死物理因子抗性的變異類型。抗性突變型普遍存在，例如對各種抗生素的抗藥性菌株等。

(3) 條件致死突變型 指在某一條件下具有致死效應，而在另一條件下沒有致死效應的突變型。 Ts 突變株（溫度敏感突變株）是一類典型的條件致死突變株。例如，大腸杆菌的某些菌株可在 37 ℃ 下正常生長，卻不能在 42 ℃ 下生長等。又如，某些 T4 噬菌體突變株在 25 ℃ 下可感染其宿主，而在 37 ℃ 卻不能感染等。

(4) 形態突變型 指造成形態改變的突變型。包括影響細胞個體形態和菌落形態及影響噬菌體的噬菌斑形態的突變型。

    另外還有抗原突變型、產量突變型等。

二、突變率和基因符號

    每一細胞在每一世代中發生某一性狀突變的幾率，稱突變率。例如，突變率為 10 -8 的，即指該細胞在一億次細胞分裂中，會發生一次突變。突變率也可以用每一單位群體在每一世代中產生突變株的數目來表示。例如，一個含 10 8 個細胞的群體，當其分裂為 2 × 10 8 個細胞時，即可平均發生一次突變的突變率也是 10 -8 。

    常用的基因突變符號：每個基因座位用其英文單詞的頭 3 個英文字母的小寫來表示，如組氨酸： his ；其座位上的不同基因突變則在 3 個英文小寫字母後加一個大寫字母表示，如 hisA 、 hisB 代表組氨酸的 A 基因和 B 基因；在 3 個字母的右上方可用不同符號表示微生物的突變型，如 his + 、 his - 分別表示組氨酸原養型和缺陷型，   gal + 、 gal - 分別表示能發酵半乳糖和不能發酵半乳糖， str s 、 str r 分別表示對鏈黴素敏感和具抗性。

三、突變的特點

    整個生物界，由於它們遺傳物質的本質都是相同的，所以顯示在遺傳變異的特點上也都遵循著同樣的規律，這在基因突變的水平上尤為明顯。下麵以細菌的抗藥性為例，來說明基因突變的一般規律。

    細菌產生抗藥性可通過三條途徑，即基因突變、抗藥性質粒 (R 因子 ) 的轉移和生理上的適應性。這裏要討論的隻是基因突變，它有以下 7 個特點。

(1) 不對應性 指突變的性狀與引起突變的原因間無直接的對應關係。這是突變的一個重要特點，也是容易引起爭論的問題。

(2) 自發性 各種性狀的突變，可以在沒有人為的誘變因素處理下自發地產生。

(3) 稀有性 自發突變雖可隨時發生，但其突變率卻是極低和穩定的，一般在 10 -6 -10 -9 之間。

(4) 獨立性 突變的發生一般是獨立的，即在某一群體中，既可發生抗青黴素的突變型，也可發生抗鏈黴素或任何其他藥物的突變型，而且還可發生其他任何性狀的突變型。某一基因的突變，既不提高也不降低其他任何基因的突變率。

(5) 誘變性 通過誘變劑的作用，可以提高上述自發突變的幾率，一般可提高 10-10 5 倍。不論是通過自發突變或誘發突變 ( 誘變 ) 所獲得的突變株，其間並無本質上的差別，這是因為，誘變劑僅起著提高誘變率的作用。

(6) 穩定性 由於突變的根源是遺傳物質結構上發生了穩定的變化，所以產生的新的變異性狀也是穩定的、可遺傳的。、

(7) 可逆性 由原始的野生型基因變異為突變型基因的過程，稱為正向突變，相反的過程則稱為回複突變或回變實驗證明，任何性狀都可發生正向突變，也都可發生回複突變。

四、基因突變的自發性和不對應性的證明

    在各種基因突變中，抗性突變最為常見。但在過去很長一段時間中對這種抗性產生的原因爭論十分激烈。一種觀點認為，突變是通過適應而發生的，即各種抗性是由其環境 ( 指其中所含的抵抗對象 ) 誘發出來的，突變的原因和突變的性狀間是相對應的，並認為這就是“定向變異”。另一種看法則認為，基因突變是自發的，且與環境是不相對應的。從 1943 年起，經過幾個嚴密而巧妙的實驗設計，終於解決了這場紛爭。

1 ．變量試驗 又稱波動試驗或彷徨試驗。 1943 年 Luria 和 Delbruck 根據統計學的原理，設計了如下實驗

    實驗要點是：取敏感於噬菌體 T1 的大腸杆菌對數期肉湯培養物，用新鮮培養液稀釋成濃度為 10 3 ／ m1 的細菌懸液，然後在甲、乙兩試管內各裝 10m1 。接著把甲管中的菌液先分裝在 50 支小試管中 ( 每管裝 0.2m1) ，保溫 24 — 36 小時後，即把各支小管的菌液分別倒在 50 個預先塗有 T1 的平板上，經培養後分別計算各皿上所產生的抗噬菌體的菌落數；乙管中的 10ml 菌液不經分裝先整管保溫 24 — 36 小時，然後才分成 50 份加到同樣塗有 Tl 的平板上，經適當培養後，同樣分別計算各皿上產生的抗性菌落數。

    結果發現，來自甲管的 50 皿中，各皿間抗性菌落數相差極大，而來自乙管的則各皿數目基本相同。這就說明大腸杆菌抗噬菌體性狀的突變，不是由所抗的環境因素——噬菌體誘導出來的，而是在它接觸到噬菌體前，在某一次細胞分裂過程中隨機地自發產生的。這一自發突變發生得越早，則抗性菌落出現得越多，反之則越少。噬菌體這裏僅起著淘汰原始的未突變的敏感菌和甄別抗噬菌體突變型的作用。利用這一方法，還可計算出突變率。

2 ．塗布試驗 1949 年， Newcombe 設計了一種與變量試驗相似，方法更為簡便的證實同一觀點的實驗，這就是塗布試驗。與變量試驗不同，他用的是固體平板培養法。先在 12 隻培養皿平板上各塗以數目相等 (5 × 10⁴ ) 的敏感於噬菌體 Tl 的大腸杆菌細胞，經過 5 小時的培養，它們約繁殖了 12.3 代，於是在平板上長出大量的微菌落 ( 這時每個菌落約含 5100 個細菌 ) 。取其中的 6 皿直接噴上 Tl 噬菌體，另 6 皿則先用滅菌玻棒把平板的微菌落重新均勻塗布一遍，然後同樣噴上相應的 T1 。經培養過夜後，計算這兩組培養皿板上所形成的抗噬菌體菌落數。結果發現，在塗布過的一組中。共長出抗性菌落 353 個，要比未經塗布過的 ( 僅 28 個菌落 ) 高得多。這也意味著該抗性突變發生在未接觸噬菌體之前。噬菌體的加入隻起甄別這類自發突變是否發生的作用，而根本不是誘導突變的因素。

3 ．平板影印培養試驗 1952 年 Lederberg 夫婦證明了微生物的抗藥性是在未接觸藥物前自發地產生的，這一突變與相應的藥物環境毫不相幹。所謂平板影印培養法，實質是一種能達到在一係列培養皿的相同位置上出現相同遺傳型菌落的接種培養方法。其基本過程是：把長有許多菌落 ( 可多達數百個 ) 的母種培養皿倒置於包有滅菌絲絨布的木質圓柱上，使其上沾滿來自培養皿平板上的菌落。然後可把這一“印章”的菌落一一接種到不同的選擇性培養基平板上。待這些平板培養後，對各平板相同位置上菌落作對比後，就可選出適當的突變型菌株。

五、基因突變的機製

1 ．誘變機製 自發突變的頻率是很低的，一般為 10^-6 --10^-10 ，許多理化學、物理和生物因子能提高其突變的頻率。凡能提高突變率的任何理化因子，都可稱為誘變劑。所謂誘變劑並非是用誘變劑產生新的突變，而是通過不同的方式提高突變率。

（ 1 ）堿基的置換 即一對堿基被另一對堿基所置換。置換可分為兩個亞類：一類叫轉換，即 DNA 鏈中的個嘌呤被另一個嘌呤或一個嘧啶被另一個嘧啶所置換；另一類叫顛換，即個嘌呤被另一個嘧啶或一個嘧啶被另一個嘌呤所置換。

    對於一個具體誘變劑來說，既可同時引起轉換與顛換，也可隻具其中的一種功能。根據化學誘變劑是直接還是間接地引起置換，可把置換的機製分成直接和間接兩種。

①直接引起置換的誘變劑：它們是一類可直接與核酸的堿基發生化學反應的誘變劑，不論在體內或是在離體條件下均有作用。主要有亞硝酸、羥胺和各種烷化劑。在這些誘變劑中除羥胺隻引起 G ： C A ： T 外，其餘都是可使 G ： C ≒ A ： T 發生互變的。能引起顛換的誘變劑很少，隻是部分烷化劑才有。

    現以亞硝酸為例加以說明堿基轉換的分子機製。亞硝酸可使堿基發生氧化脫氨作用，故它能使 A 變為 H ，以及 C 變為 U ，從而發生轉換。

轉換過程的環節：①腺嘌呤經氧化脫氨後變成烯醇式次黃嘌呤 (He) ；②由 He 通過自發產生的互變異構效應而形成酮式次黃嘌呤 (Hk) ；② DNA 雙鏈第一次複製，結果 Hk 因其在 6 位上含有酮基，故隻能與 6 位上含有氨基的胞嘧啶 (C) 配對；④ DNA 雙鏈的第二次複製，這時其中的 C 按常規與 G 配對，因而最終實現了轉換。

②間接引起置換的誘變劑：引起這類變異的誘變劑都是一些堿基類似物，如（ 5-BU 、（ 5-AU ）等。它們的作用是通過活細胞的代謝活動摻入到 DNA 分子中後而引起的，故是間接的。

    現以 5-BU 為例加以說明。 5-BU 是 T 的代謝類似物。當把某一微生物培養在含 5-Bu 的培養液中時，細胞中有部分新合成的 DNA 的 T 就被 5-Bu 所取代。 5-Bu 一般以酮式狀態存在於 DNA 中，因而仍可正常地與 A 配對，這時並未發生堿基對的轉換。有時 5-Bu 會以烯醇式狀態出在 DNA 中，於是當 DNA 進行複製時，在其相對位置上出現的就是 G ，而不是原來的 A ，因而引起了堿基對從原來的 A ： T 變至 G ： C 的轉換。

（ 2 ）移碼突變 指誘變劑使 DNA 分子中的一個或少數幾個核苷酸的增添（插入）或缺失，從而使該部位後麵的全部遺傳密碼發生轉錄和轉譯錯誤的一類突變。主要的誘變劑是：吖啶類染料（原黃素、吖啶橙等）以及一係列稱 ICR 類的化合物（ Institute for Cancer Research ）。其誘變機製還不清楚，有人認為是由於它們是一種平麵型三環分子，結構與一個嘌呤 - 嘧啶對十分相似，故能嵌入兩個相鄰 DNA 堿基對之間，造成螺旋的部分解開，從而在 DNA 複製過程中，會使鏈上增添或缺失一個堿基。結果引起了移碼突變。

（ 3 ）染色體畸變 某些理化因子，引起 DNA 的大損傷 ---- 染色體畸變，它即包括染色體結構上的缺失、重複、插入、易位和倒位，也包括染色體數目的變化。

①缺失

    是指染色體丟掉了某一區段。因而會失去某些基因，並直接影響到基因的排列順序、基因間的相互關係。

②重複

    是指染色體上個別區段的增加。

③倒位

    是指正常染色體的某區段斷裂後，斷裂的片段倒轉 180 度又重新連接愈合。

④易位

    是染色體上一區段斷裂後再順向或逆向地插入到同一條染色體的其他部位上。對於染色體間畸變，則指非同源染色體間的易位。

    40 年代美國遺傳學家 Barbara Meclintock 首先在玉米中發現了染色體易位。他於 1983 年度獲諾貝爾獎。廣泛存在於原核和真核細胞中。研究發現這些 DNA 片斷不但可在染色體上移動，而且還可從一個染色體跳到另一個染色體，從一個質粒到另一個質粒或染色體，甚至還可從一個細胞轉移到另一個細胞。在這些 DNA 順序的跳躍過程中，往往導致 DNA 鏈的斷裂或重接，從而產生重組交換或某些基因啟動和關閉，結果導致突變。現在把細胞中能改變自身位置的一段 DNA 序列稱為轉座因子。原核生物中的轉座因子有三種類型：插入順序（ IS ）、轉座子（ Tn ）和某些病毒（如 Mu 、 D108 ）。

2 ．自發突變機製 自發突變是指在沒有人工參與下生物體自然發生的突變。但決不意味著這種突變是沒有原因的，通過對誘變機製的研究，自發突變的可能機製有以下幾種：

(1) 背景輻射和環境因素的誘變 不少“自發突變”實質上是由於一些原因不詳的低劑量誘變因素的長期綜合誘變效應。例如，充滿宇宙空間的各種短波輻射或高溫誘變效應，以及自然界中普遍存在的一些低濃度的誘變物質的作用等。

(2) 微生物自身有害代謝產物的誘變效應 通過對環境誘變原的研究發現，通常存在細胞內的天然物質中也有表現誘變原性的物質。如微生物細胞內的咖啡堿、硫氰化合物、重氮絲氨酸、過氧化氫等。。

(3) 互變異構效應

（4）環出效應

六、 DNA 損傷的修複

    嘧啶對紫外線的敏感性要比嘌呤強得多。嘧啶的光化產物主要是二聚體。其中了解較清楚的是胸腺嘧啶二聚體的形成和消除。

    紫外線的主要作用是使同鏈 DNA 的相鄰嘧啶間形成共價結合的胸腺嘧啶二聚體。二聚體的出現會減弱雙鏈間氫鍵的作用，並引起雙鏈結構扭曲變形，阻礙堿基間的正常配對，從而有可能引起突變或死亡。在互補雙鏈間形成嘧啶二聚體的機會較少。但一旦形成，就會妨礙雙鏈的解開，因而影響 DNA 的複製和轉錄，並使細胞死亡。微生物能以多種方式去修複損傷後的 DNA ，主要有以下兩種：

(1) 光複活作用 把經紫外線照射後的微生物立即暴露於可見光下時，可明顯降低其死亡率的現象，稱為光複活作用。光複活由 phr 基因編碼的光解酶 PHr 進行。 PHr 在黑暗是專一性地識別嘧啶二聚體，並與之結合，形成酶 -DNA 複合物，當給予光照時，酶利用光能（ PHr 本身無發色基團，與損傷的 DNA 結合後才能吸收光，起光解作用）將二聚體拆開，恢複原狀，酶再釋放出來。由於在一般的微生物中都存在著光複活作用，所以在進行紫外線誘變育種時，隻能在紅光下進行照射及處理照射後的菌液。

(2) 暗修複作用 又稱切除修複。該修複係統除了堿基錯誤配對和單核苷酸插入不能修複外，幾乎所有其他 DNA 損傷均可修複，是細胞內的主要修複係統，涉及到 UvrA 、 UvrB 、 UvrC 和 UvrD 四種蛋白質的聯合作用。修複過程： UvrA 以二聚體形式結合 DNA ，並且吸引 UvrB 結合成為 UvrA 2 B 複合體， UvrA 2 B 憑借其解旋酶活性和 ATP 提供的能量沿 DNA 巡視。在前進過程中遇到 DNA 損傷，解旋不能繼續進行，而且 UvrA 2 B 結合損傷 DNA 的能力高於非損傷 DNA 的能力約千倍，所以能把 UvrB 定位在損傷位點。抵達損傷位點後，釋放出單體 UvrA 。接著是 UvrC 和 UvrB 結合，由 UvrB 的內切核酸酶活性先在損傷位點 3 ‘端 3-5 個核苷酸處切斷，然後由 UvrC 的內切核酸酶活性在損傷位點 5 ' 端 7-8 個核苷酸處切斷。 UvrD 則把長約 11-13 個核苷酸、帶有損傷位點的單鏈 DNA 片斷和 UvrBC 釋放出。最後由 DNA 聚合酶 I 和連接酶修複單鏈缺口。

    另外還有重組修複、 SOS 修複等方式。