普通遗传学-第38部分
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11。1。2。3 营养突变
这种突变指没有明显的形态效应，但可影响生物的代谢过程，导致某种特定生化功能的改变或丧失。例如，野生型细菌可在基本培养基中生长，而营养缺陷型则需要在基本培养基中添加某种营养成分才能生长。
11。1。2。4 致死突变
是指能导致生物体死亡的突变。如果是显性致死，一般在杂合时就有致死效应，若是隐性致死，则在纯合或半合子状态时才有致死作用。例如植物的白化苗。但是，由于致死作用可以发生在不同的发育阶段，因此不一定都伴有可见的表型效应，如配子期、合子、胚胎期的致死。此外，有的突变只在一定条件下表现致死效应，但在其他条件下则能存活，这类突变称为条件致死效应。例如，细菌的温度敏感突变型在30℃左右可存活，在42℃左右或低于30℃时是致死的。利用
条件致死突变型可以研究基因作用的敏感时期。
11。1。2。5 定向突变
一般地，基因突变是随机的，DNA分子中任何碱基都能发生突变，从而导致基因突变。但是
深入的研究发现，突变位点在基因内的分布并不是随机的，许多位点上没发生突变或突变很少，而在有的位点上突变频率则很高，显著高于突变平均值，这些位点被称为突变热点。在诱发突变中，突变热点与诱变剂的 性质有关，使用不同的诱变剂其产生的热点也不同。据此，可以通过特定的诱变剂使基因发生定向突变。特别是DNA重组技术的体外定点突变技术的发展为基因的定向突变开拓了新的途径。例如，利用已知序列的环状DNA变性后为模板，人工合成一条包含要改变的靶碱基在内的一段引物，即合成的引物与模板不完全互补，在某个位点定向改变碱基类型。这种合成的引物除替换的靶碱基外，其他部分都与模板链互补，因此仍能通过变性与模板链特异结合，在体外DNA合成系统中，经DNA聚合酶，连接酶的作用，合成双链环状分子。然后将其转化到细菌中，通过半保留复制获得大量代DNA分子，其中50％DNA分子产生了定点突变（图11…1）。
图11…1 体外定点突变原理
11。2 突变的分子基础
基因突变可以是DNA序列中单个碱基或核苷酸的变化，也可能是一段核酸序列的改变，这种在基因分子水平上发生的改变可以通过DNA复制经细胞分裂永远传递给子代细胞。但是，基因突变的位点很重要，只有转录控制区和编码区内发生的突变，才可能影响到蛋白质，在其他非编码区的突变通常不会对有机体产生有害的影响。
11。2。1 错义突变、无义突变和沉默突变
错义突变（missense mutation）是指DNA分子中碱基改变后引起密码子变化，导致所编码的氨基酸发生替代，从而影响蛋白质功能，以至影响到突变体的表型（图11…2a）。
无义突变（nonsense mutation）是指由于DNA的碱基改变导致编码氨基酸的密码子突变成终止密码子。这种突变引起mRNA翻译提前终止，产生一条短的不完整的多肽链。无义突变通常对所编码的蛋白活性有严重影响，产生突变的表型（图11…2b）。
沉默突变（silent mutation）是指DNA分子中的碱基改变后，突变的密码子仍然编码原来的氨基酸，并没有引起多肽链中氨基酸的变化。沉默突变对蛋白质的功能无影响，不会引起表型突
变（图13…2c），它们以多态性形式在生物体DNA中积累，引起同种生物不同个体间DNA序列的变化。
DNA大片段的突变可以通过缺失（deletion）、插入（insertion）和重排（rearrangement）等方式引起基因分子的根本性改变，从而可产生显著的突变表型（图11…3）。
单个碱基的插入或缺失往往造成移码（frame shift），在突变位点下游造成一系列密码的改变，使原来编码某种肽链的基因改变成编码另一种完全不同肽链的序列（见本节后）。
11。2。2 自发突变
自发突变（spontaneous mutation）是指在自然状态下未经诱变剂处理而出现的突变。自发突变可能是由于DNA复制错误、碱基的异构互变效应、自发的化学变化和转座因子等多种原因引起的。
图11…2 不同碱基改变造成的突变
（a）错义突变 （b）无义突变 （c）沉默突变
11。2。2。1 DNA复制错误
在DNA复制过程中，可能 产生碱基的错配，带有错配碱基的DNA在下一次复制时，则会引起碱基的替代，从而引起DNA分子的错误，由于DNA分子中的碱基本身存在着交替的化学结构，称为互变异构体（tautomer），当碱基以它稀有的形式出现时就可能与错误的碱基配对，这种碱基化学结构的改变过程称为互变异构移位（tautomeric shift）。列如，一般的腺嘌呤只与胸腺嘧啶配对，但亚氨基态的腺嘌呤则可以与胞嘧喧对，因此，在DNA复制过程中，就可以将AT碱基对转变成GC碱基对，同样通过互交异构移位，也可以引起GC碱基对转变为AT碱基对（图11…4）。
图11…3 DNA大片段缺失、插入和重排引起的突变
（a）缺失突变 （b）插入突变 （c）重排突变
碱基的互变异构可以在DNA复制过程中自发发生。它导致的碱基替代如果是发生在同类碱基之间，即一种嘌呤被另一种嘌呤替代，或一种嘧啶被另一种嘧啶替代，这称为转换（transi…tion）；若碱基的替代发生异类碱基之间，即一种嘌呤被一种嘧啶替代，或反之，则称为颠换（tranversion）。
在DNA复制时有时新合成链或模板链会发生错误的环出或跳格（slippage），从而导致移码突变、缺失或重复（图11…5）。
11。2。2。2 自发的化学变化
引起自发突变的最常见化学变化是碱基的脱嘌呤（depurination）和脱氨基（deamination）。
图11…5 DNA复制中的错误环出产生的碱基插入和缺失
脱嘌呤是自发化学中最常见的一种，它是由于碱基和脱氧核糖间的糖苷键断裂，从而引起一个鸟嘌呤或一个腺嘌呤从DNA分子上脱落下来，研究发现，在37℃条件下培养一个哺乳动物细胞20小时，会有数以千计的嘌呤通过脱嘌呤作用自发地脱落。如果这种损伤得不到修复，就会引起很大的遗传损伤，因为在DNA复制的过程中，无嘌呤位点将没有特异碱基与之互补，而可能随机地选择一个碱基插进去，结果导致突变。
脱氨基作用是指在一个碱基上去掉氨基，常见的胞嘧啶（C）和5…甲基胞嘧喧（m5C），它们脱氨基后分别变成尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T），从而使DNA分子受到损伤。由于在DNA中U不是一个正常碱基，因此如果它不被除去在DNA复制中它将与腺嘌呤（A）配对，导致原来的GC碱基对转变为AT碱基对（图11…6）。5…甲基胞嘧啶是基因组中常见的一种经甲基化修饰的碱基，由于它脱氨基后变成胸腺嘧啶（T），因此它可将DNA中的m5CG碱基对转变为AT碱基对。并且，由于T是DNA分子中的正常碱基，修复系统不能将其作为非正常碱基识别，结果错误碱基通常不能被修复，从而导致m5C位点常常成为突变热点（mutational hot spot），在该位点发生突变的频率要比其他位点高得多。
图11…6 脱氨基造成的碱基转换 图11…7转座子或插入序列引起基因突变的机制
此外，生物体内产生的活泼氧化剂，如超氧阴离子自由基（O2·）、过氧化氢（H2O2）和羟自由基（·OH）等，它们能对DNA造成氧化损伤，从而引起突变，并能导致多种人类疾病。
在生物基因组内存在的可移动DNA序列转座因子（transposon）或插入序列（inserton sequence），通过在基因组内的移动也经常引起基因功能的失活或改变（图11…7）。现已知道，在玉米、果蝇等生物中发生的一些典型突变就是由于这类可移动DNA序列的插入所引起的。
11。2。3 化学诱变
有些化学物质能够诱发基因突变，能够诱发基因突变的化学因素称为化学诱变因素。研究表时，化学因素诱变的特点是损伤小、诱变率较低，但有利突变较多。并且化学诱变还具有一定的特异性，一定性质的诱变剂可能诱发一定类型的变异，从而为在遗传研究和品种遗传改良中进行定向诱变展现了希望。能够诱发突变的化学因素很多，从简单的无机物到复杂的有机物中都可以找到具有诱变作用的物质。不同的化学物质诱发突变的作用方式不同，有的化学物质可以取代DNA中的碱基，有的能改变碱基的结构使其发生错配，还有的则可以在DNA复制过程中诱导碱基的插入或缺失。
11。2。3。1 碱基类似物
碱基类似物是指与核酸中四种碱基的化学结构相似的一些物质。这类物质能在不影响DNA复制的情况下，作为DNA的成分掺入到DNA分子中，引起碱基配对错误，从而造成碱基对的替换。较常用的碱基类似物是5…溴尿嘧啶（5…Bu）和2…氨基嘌呤（2…AP）。例如，5…溴尿嘧啶（5…Bu），它的分子结构与胸腺嘧啶（T）很相似，仅在第5位碳原子上由溴取代了胸腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）配对。因此，在DNA复制中一旦掺入5…Bu就会引起碱基的转变，从而产生突变。它主要诱导AT转变成GG。
T 5 … Bu（酮式） 5 … Bu（烯醇式） C
5 … Bu 复制 复制
A A G G
2…氨基嘌呤也有两种导构体，当它以与胸腺嘧啶配对形式进入DNA后，它可以再与胞嘧啶配对，从而导致AT转变为GC；而当其以与胞嘧啶配对形式进入DNA后，它可以再与胸腺嘧啶配对，结果使GC碱基对转换为AT碱基对。
11。2。3。2 碱基修饰剂
有的化学诱变剂并不是掺入到DNA中，而是通过对碱基的化学结构进行修饰使其性质发生改变，从而引起特异性错配，如亚硝酸、羟胺、烷化剂等。
亚硝酸（HNO2）是一种有效的诱变剂，它能作用于腺嘌呤（A）使其脱去分子中的氨基而转化为次黄嘌呤（H）。由于次黄嘌呤的分子结构特点，它能暂时与胞嘧啶（C）配对。在以后的复制过程中，次黄嘌呤又被鸟嘌呤（G）所代替，从而形成了CG碱基对，结果使AT改变为CG。
T T C C
HNO2 复制 复制
A H H G
亚硝酸还能使胞嘧啶脱去氨基转化成尿嘧啶，从而把CG碱基对转化为AT碱基对。因此利用亚硝酸诱发的突变还可以利用它诱发回复突变。
羟胺（NH2OH）只特异性地与胞嘧啶反应，它能使胞嘧啶上的氨基氮羟基化，结果使修饰后的胞嘧啶可与胸腺嘧啶配对，从而引起GC碱基对转变为AT咸基对。
烷化剂的种类很多，如甲基黄酸乙酯（EMS）、甲基黄酸甲酯（MMS）、氮芥（NM）、亚硝基胍（NG）等。它们的作用是使碱基烷基化，使被修饰的碱基变为高度不稳定的物质，并导致其发生碱基错配。例如，EMS可使鸟嘌呤的第6位烷化，使胸腺嘧啶的第4位烷化，结果使烷化后的碱基分别与胸腺嘧啶和鸟嘌呤配对，结果导致原来的GC碱基对转变为AT，或使TA转变成CG。
11。2。3。3 插入突变剂
这类化合物主要包括吖啶橙（acridine orange）、原黄素（proflavine）、黄素（acriflavine）等吖啶类染料，它们均含有吖啶环，是一种平面分子，其分子大小与碱基对大小差不多，可以插入到DNA双螺旋双链或单链的两相邻碱基之间。如果它们插在DNA模板链中，合成新链时必须要有一个碱基因插入相应位置以填补空缺，这个碱基并不存在配对问题，是随机选择的。合成的新链上一旦插入了一个咸基，在下一轮复制时必然会增加一个碱基。若这类插入突变剂在插入新合成DNA链时取代了一个碱基，并且在下一轮DNA复制前该插入剂又被丢失，那么就会导致下一轮DNA复制时减少一个碱基。因此，插入突变剂通过在其插入位置上引起碱基对的插入或缺失突变，结果会导致可读框的改变，造成移码突变（图11…8）。
图11…8 插入剂引起的移码突变
11。2。4 物理诱变
11。2。4。1 物理诱变因素及其特点
1927年Muller利用X射线进行诱变异的研究，以后相继发现紫外丝、γ射线、α射线、β射线、中子、超声波和激光等多种物理因素都有诱变作用，从而开辟了物理诱变的研究领域。这些能够诱发基因突变的物理因素称为物理诱变因素。
根据诱变作用的特点可将物理诱变因素分为电离因素和非电离诱变因素两类（图11…9）。
图11…9 物理诱变因素的种类
在上述物理诱变因素中，紫外线由于其能量较低不能引起被照射物质的离子化，是非电离诱变因素。其余诱变因素都能引起被照射物质的离子化，因此是电离诱变因素。在电离诱变因素中，根据射线的性质又可以分为电磁波射线和粒子射线。X射线和γ射线是高能电磁波，而α射线、β射线和质子是带电的粒子射线，中子是不带电的粒子射线。其中X射线是最早应用于诱变研究，但是它引起的电离效应较小。目前应用较多的是γ射线，它的穿透力强、射程远、速度快、效果好，γ射线源主要是60钴和137铯。中子的诱变力强、效果好，在诱变中的应用日益增多，它可以从同位素、加速器和反应堆中获得。但是应用于诱变存成本较高，剂量不容易准确测定，重演性不强等问题。α和β射线穿透力较弱，一般是将其引入生物体内诱变。
11。2。4。2 物理诱变因素的遗传学效应
物理因素诱发突变的作用一般认为有直接作用和间接作用两种。直接作用是指射线与被照射物质直接发生作用而�
