基因突变是指基因组DNA分子发生的突然的可遗传的变异。从分子水平上看,基因突变是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。基因虽然十分稳定,能在细胞分裂时精确地复制自己,但这种隐定性是相对的。在一定的条件下基因也可以从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式,就是在一个位点上,突然出现了一个新基因,代替了原有基因,这个基因叫做突变基因。于是后代的表现中也就突然地出现祖先从未有的新性状。
基因突变基因突变是指基因组DNA分子发生的突然的可遗传的变异。从分子水平上看,基因突变是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。基因虽然十分稳定,能在细胞分裂时精确地复制自己,但这种隐定性是相对的。在一定的条件下基因也可以从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式,就是在一个位点上,突然出现了一个新基因,代替了原有基因,这个基因叫做突变基因。于是后代的表现中也就突然地出现祖先从未有的新性状。
基因突变基因突变 genemutation基因突变的发生和脱氧核糖核酸的复制、DNA损伤修复、癌变和衰老都有关系,基因突变也是生物进化的重要因素之一,所以研究基因突变除了本身的理论意义以外还有广泛的生物学意义。基因突变为遗传学研究提供突变型,为育种工作提供素材,所以它还有科学研究和生产上的实际意义。
基因突变基因突变首先由T.H.摩尔根于1910年在果蝇中发现。H.J.马勒于1927年、L.J.斯塔德勒于1928年分别用X射线等在果蝇、玉米中最先诱发了突变。1947年C.奥尔巴克首次使用了化学诱变剂,用氮芥诱发了果蝇的突变。1943年S.E.卢里亚和M.德尔布吕克最早在大肠杆菌中证明对噬菌体抗性的出现是基因突变的结果。接着在细菌对于链霉素和磺胺药的抗性方面获得同样的结论。于是基因突变这一生物界的普遍现象逐渐被充分认识,基因突变的研究也进入了新的时期。1949年光复活作用发现后,DNA损伤修复的研究也迅速推进。这些研究结果说明基因突变并不是一个单纯的化学变化,而是一个和一系列酶的作用有关的复杂过程。不论是真核生物还是原核生物的突变,也不论是什么类型的突变,都具有随机性、稀有性和可逆性等共同的特性。
随机性 T.H.摩尔根在饲养的许多红色复眼的果蝇中偶然发现了一只白色复眼的果蝇。这一事实说明基因突变的发生在时间上、在发生这一突变的个体上、在发生突变的基因上,都是随机的。以后在高等植物中所发现的无数突变都说明基因突变的随机性。在细菌中则情况远为复杂。在含有某一种药物的培养基中培养细菌时往往可以得到对于这一药物具有抗性的细菌,因此曾经认为细菌的抗药性的产生是药物引起的,是定向的适应而不是随机的突变。S.卢里亚和M.德尔布吕克在1943年首先用波动测验方法证明在大肠杆菌中的抗噬菌体细菌的出现和噬菌体的存在无关。J.莱德伯格等在1952年又用印影接种方法证实了这一论点。方法是把大量对于药物敏感的细菌涂在不含药物的培养基表面,把这上面生长起来的菌落用一块灭菌的丝绒作为接种工具印影接种到含有某种药物的培养基表面,使得两个培养皿上的菌落的位置都一一对应。根据后一培养基表面生长的个别菌落的位置,可以在前一培养皿上找到相对应的菌落。在许多情况下可以看到这些菌落具有抗药性。由于前一培养基是不含药的,因此这一实验结果非常直观地说明抗药性的出现不依赖于药物的存在,而是随机突变的结果,只不过是通过药物将它们检出而已。
稀有性 在第一个突变基因发现时,不是发现若干白色复眼果绳而是只发现一只,说明突变是极为稀有的,也就是说野生型基因以极低的突变率发生突变(一些有代表性的基因突变率见表)。在有性生殖的生物中,突变率用每一配子发生突变的概率,也就是用一定数目配子中的突变型配子数表示。在无性生殖的细菌中,突变率用每一细胞世代中每一细菌发生突变的概率,也就是用一定数目的细菌在分裂一次过程中发生突变的次数表示。
可逆性 野生型基因经过突变成为突变型基因的过程称为正向突变。正向突变的稀有性说明野生型基因是一个比较稳定的结构。突变基因又可以通过突变而成为野生型基因,这一过程称为回复突变。从表中同样可以看到回复突变是难得发生的,说明突变基因也是一个比较稳定的结构。不过,正向突变率总是高于回复突变率,这是因为一个野生型基因内部的许多位置上的结构改变都可以导致基因突变,但是一个突变基因内部只有一个位置上的结构改变才能使它恢复原状。
少利多害性。一般基因突变会产生不利的影响,被淘汰或是死亡,但有极少数会使物种增强适应性。
不定向性。例如控制黑毛A基因可能突变为控制白毛的a+或控制绿毛的a-
除了由于DNA片段的缺失所造成的基因突变以外,一切突变基因都能通过回复突变而成为野生型基因,这就是基因突变的可逆性。
基因突变种类 基因突变可以是自发的也可以是诱发的。自发产生的基因突变型和诱发产生的基因突变型之间没有本质上的不同,基因突变诱变剂的作用也只是提高了基因的突变率。
基因突变诱变育种 通过诱发使生物产生大量而多样的基因突变,从而可以根据需要选育出优良品种,这是基因突变的有用的方面。在化学诱变剂发现以前,植物育种工作主要采用辐射作为诱变剂;化学诱变剂发现以后,诱变手段便大大地增加了。在微生物的诱变育种工作中,由于容易在短时间中处理大量的个体,所以一般只是要求诱变剂作用强,也就是说要求它能产生大量的突变。对于难以在短时间内处理大量个体的高等植物来讲,则要求诱变剂的作用较强,效率较高并较为专一。所谓效率较高便是产生更多的基因突变和较少的染色体畸变。所谓专一便是产生特定类型的突变型。例如在大麦中发现对于诱发抗白粉病突变型来讲,甲基磺酸乙脂的诱变作用高于X射线一倍以上。在番茄中,发现肼诱发的花青素突变型较多,而羟胺则诱发的某些形态突变型较多,这种诱变作用专一的原因还不清楚。碱基置换突变的诱发 可以通过两个途径即碱基结构类似物的参入和诱变剂或射线引起的化学变化来进行。
① 类似物的参入 5-溴尿嘧啶(BU)是胸腺嘧啶的结构类似物。它只是在第5位碳原子上以溴原子代替了胸腺嘧啶的甲基(─GH3),并且因此更易以烯醇式出现(图2)。
基因突变大肠杆菌在含有BU的培养基中培养后,细菌的 DNA中的一部分胸腺嘧啶被BU所取代,并且最后在培养物中可以发现有少数突变型细菌出现,取代BU的量愈大则突变型愈多。突变型细菌在不含有BU的培养基中长久培养时,不改变它的突变型性状,可是把突变型细菌在含有BU的培养基中培养后,又可以发现少数由于发生回复突变而出现的野生型细菌。BU的诱变作用可以图3表示。
基因突变首先在DNA复制过程中酮式的BU代替了胸腺嘧啶T而使A:T碱基对变为A:BU,在下一次DNA复制中烯醇式的BU*和鸟嘌呤G配对而出现G∶BU碱基对,最后在又一次复制中鸟嘌呤G和胞嘧啶C配对而终于出现G:C碱基对,完成了碱基的置换。这里BU所起的作用是促成这一置换,起促成作用的原因是由于嘧啶的 5位上溴原子代替了甲基后便较多地出现烯醇式的嘧啶。
的置换突变或者
突变型的回复突变(图4)
基因突变2-氨基嘌呤等其他碱基结构类似物同样具有诱变作用。
基因突变羟胺只和胞嘧啶发生专一性的反应,所以它几乎只诱发
置换而不诱发
置换。此外,pH值低或高温都可以促使DNA分子失去碱基特别是嘌呤,导致碱基置换。
基因突变定向诱变 利用重组DNA技术使DNA分子在指定位置上发生特定的变化,从而收到定向的诱变效果。例如将DNA分子用某一种限制性核酸内切酶处理,再用分解DNA单链的核酸酶S1处理,以去除两个粘性末端的单链部分,然后用噬菌体T4连接酶将两个平头末端连接起来,这样就可得到缺失了相应于这一限制性内切酶的识别位点的几个核苷酸的突变型。相反地,如果在四种脱氧核苷三磷酸(dNTP)存在的情况下加入 DNA多聚酶Ⅰ,那么进行互补合成的结果就得到多了相应几个核苷酸的两个平头末端。在T4接连酶的处理下,便可以在同一位置上得到几个核苷酸发生重复的突变型。
,经限制酶HindⅢ处理后得到粘性末端
,中间的这一胞嘧啶便暴露了)。经亚硫酸氢钠处理后胞嘧啶(c)变为尿嘧啶(U)。通过DNA复制原来的碱基对C∶G便转变成为 T∶A。这样一个指定位置的碱基置换突变便被诱发。
基因突变影响因素 内在因素 突变是一系列变化的结果。影响这一系列变化的任何一个环节的因素都会对于突变型的出现有一定的影响。
诱变剂接触 DNA以前必须首先进入细胞,才能诱发突变。高等植物对于紫外线的诱变作用较不敏感的原因就是因为紫外线不易穿透它的细胞壁。化学药品的渗透和细胞膜的结构有很大的关系。鼠伤寒沙门氏菌有一个改变细胞膜成分的突变型深度粗糙 (rfa),它使细胞膜对于许多药物的渗透性增大,从而提高了细胞对许多化学诱变剂的敏感性。
细胞中的酶可以破坏进入细胞的诱变剂,从而减弱诱变效果。例如,过氧化氢酶可以减弱过氧化氢的诱变效果。一些没有诱变作用的物质也可以因为细胞中的酶的活化作用而使该物质转变成为诱变剂,这些物质称为前诱变剂。例如陆蒽酮本身没有诱变作用,但可以通过肝脏中的羟化酶的作用而转变为诱变剂海蒽酮(图7)。
基因突变诱变剂接触DNA以后,能使DNA发生局部的损伤,这些损伤如果未经修复,便可阻碍 DNA的复制而造成细胞死亡。修复 DNA损伤的机制有两类:一类称为无误修复,它使 DNA恢复原状但不带来突变;另一类称为易误修复或称错误倾向修复,它使DNA复制继续进行,但也常同时带来基因突变。
细胞中有关 DNA损伤修复的酶活性的改变,可以改变细胞对于诱变剂的杀伤作用或诱变作用的反应。由于基因突变而使不论哪一种有关 DNA损伤修复的酶失活时,都必然导致细胞对于紫外线或其他诱变剂的杀伤作用变得更为敏感。可是就诱变结果来讲,则要看这酶是涉及无误修复,还是易误修复。如果属于前者,那么有关的基因发生突变时将使突变更易发生,如果属于后者,那么有关的基因发生突变时将使突变更不易发生,因此这些突变型分别称为增变基因和抗变基因。在大肠杆菌噬菌体T4中,基因43编码 DNA多聚酶。基因43的突变型有两种。一种是增变基因,它的 DNA多聚酶的核酸外切酶活性和多聚酶活性之比小于野生型的 DNA多聚酶;另一种是抗变基因,它的 DNA多聚酶的这两种活性比大于野生型的 DNA多聚酶。在其他生物如大肠杆菌、酵母菌和一些真核生物中也曾发现增变基因。
外界因素 ① 温度,基因突变包括一系列生物化学变化,所以温度对于基因突变有一定的影响。在大肠杆菌中,组氨酸缺陷型(his-)在15℃到37℃范围内温度每升高 10℃自发回复突变率提高1~1.5倍,在0℃时不发生自发突变。果蝇的致死突变的温度系数也在这范围内。在微生物和果蝇中,较短时间的温度改变,特别是不适宜于生存的较高温度的处理,都可以诱发突变;在果蝇中还有-6℃低温处理诱发突变的报道。②培养基成分,SOS是一种经诱导后才出现的易误修复机制。和诱导酶的合成一样,蛋白质合成是使细菌细胞中出现SOS机制的必要因素,所以培养基中一切影响蛋白质合成的因素都会影响基因突变。③抗变剂和助变剂,能够促进另一诱变剂的作用的物质称为助变剂。例如,色氨酸烧焦后产生两种诱变剂和助变剂。
已经知道亚硝基胍 (NTC)是一种高效诱变剂。在一定条件下,NTG的诱变效果能被氯化钴和活体红细胞中的含硫化合物减低,说明氯化钴和红细胞中存在着的某种物质具有抗变作用。这些能够降低自发或诱发突变率的物质称为抗变剂。此外,某些多肽如白肽素等也都被证明是抗变剂。
科研人员研究报告,当科学家插入一个小遗传突变到癌细胞中,它们的生长减慢到细胞“自杀”的水平。
加州大学旧金山分校的生物化学和生物物理学教授ElizabethBlackburn说:“这就象毒针一样,你只需要加一点点就可以得到显著的效果。”
这种突变的目标是一个在癌细胞中高度活跃的酶——端粒酶,该酶在细胞复制的消耗过程中帮助维持染色体结构。
该突变使用端粒酶来破坏迅速扩增的癌细胞——Blackburn将这个策略比作柔道,双方利用对手的力量来击败对方。
在这项研究中,科学家在该酶的遗传密码中插入了一个由RNA构成的小突变。突变的RNA阻断了端粒酶将RNA反转录为DNA,以重建细胞复制过程中丢失的染色体部分的正常活性。
Blackburn说:“癌细胞是著名的对抗自杀信号的细胞类型,这是之所以癌细胞如此可怕的原因之一。拥有这么少量的端粒酶能够发挥如此有效的作用相当令人吃惊。”
研究中,低水平的突变RNA大大降低了乳腺癌和前列腺癌细胞的生长速度,并且使更多的细胞死亡。
这种突变在导入突变酶的活体小鼠中使得乳腺癌肿瘤减小。
虽然端粒酶突变对癌细胞生长造成的影响的原因还不清楚,Blackburn说进一步的研究可能发现来自人体的癌细胞比研究中使用的实验室培养的细胞对突变酶要更为敏感。
Blackburn和同事们完成的这项研究发表在最新一期的ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences上。
科学家们一直在研究通过破坏端粒酶活性来治疗癌症的几种方法,但是加州大学进行的这项研究提供了新的治疗。国家健康研究所的RichardHodes说:“在被研究的几个供选择方法中,端粒酶突变作为直接影响肿瘤细胞治疗癌症的方法具有清晰的理论优势。”
染色体
碱基
DNA
组蛋白
值悖论
卫星
核小体
多顺反子