基因突变的分子基础

1、基因突变的分子基础一、 基因突变的分子机制从细胞水平上理解，基因相当于染色体上的一点，称为位点。从分子水平上看，一个位点还可以分成许多基本单位，称为座位(site)。一个座位一般指的是一个核苷酸对。有时其中一个碱基发生改变，就可能产生一个突变。因此，突变就是基因内不同座位的改变。这种由座位的改变而引起的突变称为真正的点突变，这比细胞水平上所指的点突变更为深入。一个基因内不同座位的改变可以形成许多等位基因，从而形成复等位基因，所以说，复等位基因是一个基因内部不同碱基改变的结果。基因突变的方式主要有两种：一是分子结构的改变，如碱基替换（base substitution）和倒位（inversion

2、）；二是移码（frame shift），如碱基的缺失(deletion)和插入（insertion）。例如，原来的mRNA是GAA GAA GAA GAA，按照密码子所合成的肽链是一个谷氨酸多肤。如果开头插入一个G，那么mRNA就成为GGA AGA AGA AGA，按照这些密码子合成的肽链是一个以甘氨酸开头的精氨酸多肽。移码的结果将引起肽链的改变，从而引起蛋白质性质的改变，最终引起性状的变异，严重时会造成个体死亡。现将一些主要诱变剂的诱变机制及其作用的特异性综合如下：（一）妨碍DNA某一成分的合成，引起DNA结构的变化这类诱变物质有5-氨基尿嘧啶、8-乙氧基咖啡碱、6-巯基嘌呤等等。（二）碱基

3、类似物替换DNA分子中的不同碱基，引起碱基对的改变已发现能替代DNA分子中原有碱基的碱基类似物有5-溴尿嘧啶（5-BU）、5-溴去氧尿核苷（5-BUdR）、2-氨基嘌呤（2-AP）等。这类与DNA碱基类似的化合物，常常能渗入到中去，好像是DNA分子的正常组成部分。（三）直接改变DNA某些特定的结构凡是能和DNA起化学反应并能改变碱基氢键性质的物质叫DNA诱变剂。属于这类诱变剂的有亚硝酸、烷化剂和羟胺等等。（四）引起DNA复制的错误某些诱变剂如2-氨基吖啶，ICR170（ICR是美国一个癌症研究所的简称，ICR170是一种烷化剂和吖啶类相结合的化合物）等能嵌入DNA双链中心的碱基之间，引起单一核

4、苷酸的缺失或插入（五）高能射线或紫外线引起DNA结构或碱基的变化高能射线对DNA的诱变作用是多方面的，例如引起DNA链的断裂或碱基的改变。一般认为，属于电离辐射的高能射线并不作用于DNA的特定结构。而属于非电离辐射紫外线（UV）则不同。紫外线诱变的最有效波长是2 60nm左右，这正是DNA所吸收的紫外线波长。紫外线被DNA吸收之后，促使分子结构发生离析，直接产生诱变作用。它特别作用于嘧啶，使得同一DNA链上相邻的嘧啶核苷酸之间形成多价的联合。最通常的结果是促使嘧啶合成胸腺嘧啶二聚体；或将胞嘧啶脱氨成尿嘧啶；或是将水加到嘧啶的C、C位置上而成为光产物。UV的作用集中在DNA的特定部位，显示了诱变

5、作用的特异性。此外，紫外线也有间接诱变作用，比如轻紫外线照射过的培养基生了过氧化氢(H202)，氨基酸经过氧化氢处理就有使微生物突变的作用，结果使微生物的突变率增二、基因突变的修复引起基因突变的因素很多，但是作为遗传物质的DNA通常能保持稳定。从诱变过程观察，可以看到诱发DNA产生的改变常比最终表现出来的相应性状突变多。说明生物对外界诱变因素的作用具有一定的防护能力，能对诱发的DNA的改变进行修复(repair)。（一）DNA的防护机制1.密码简并性 密码的简并性可以使突变的结果不影响性状表现，这种不改变性状表型的突变称为同义突变。.回复突变 某个座位遗传密码的回复突变可使突变型恢复原来的野生

6、型，尽管回复突变的频率比正突变频率低得多，但对突变的修复仍起到一定的作用。3.抑制 有基因间抑制(intergenic suppression)和基因内抑制(intrage-nic suppression)。前者指控制翻译机制的抑制基因，通常是tRNA基因发生突变，而使原来的无义突变、错义突变或移码突变(frameshift mutation)恢复成野生型。后者指突变基因另一个座位上的突变掩盖了原来座位的突变(但未恢复原来的密码顺序)，使突变型恢复成野生型。4.致死和选择 如果防护机制未起作用，一个突变可能是致死的。在这种情况下，含有此突变的细胞将被选择所淘汰，突变就不能保存下来。5.二倍体和

7、多倍体 高等生物的多倍体具有几套染色体组，每个基因都有几份，故能比二倍体和低等生物表现强烈的保护作用。（二）基因突变的修复生物在长期的进化过程中，形成了各种修复系统对损伤的DNA进行修复，主要有以下种形式。1.光修复光修复 (light repair) 又称光复活(photoreactivation) 被UV照射后的细菌在DNA螺旋结构上形成一个巨大的凸起或扭曲，好象是个“赘瘤”。如果被UV照射后的细菌处于黑暗条件下，杀死的细菌量与UV的照射剂量成正比。如果被UV照射后，让细菌暴露于可见光下，这个“瘤”可以被光复活酶(photo reactivating enzyme)所辨认并与DNA链上的T

8、T二聚体结合成复合体，这种复合体以某种方式吸收可见光（波长300600nm）并利用光能切断二聚体之间的两个C-C键，使DNA回复正常。这种经过解聚作用使突变回复正常的过程叫做光修复。2.暗修复暗修复（dark repair）是指工作酶的作用不需要可见光的激活，DNA的损伤在黑暗下也能进行修复。但黑暗不是它的必要条件。修复过程由四种酶通过“切补切封”四个步骤完成。首先由核酸修复内切酶识别DNA损伤部位，在TT二聚体的一边作一切口，然后由DNA聚合酶把新合成的正常的核苷酸片段补上；再由核酸外切酶在另一边切开，把TT二聚体和邻近的一些核苷酸切除；最后由连接酶把切口缝好，使DNA的结构恢复正常。这类修复也称为切除修复（excision repair）。3.重组修复重组修复（recombination repair）必须在DNA复制后进行，因此属于复制后修复。仍以形成的胸腺嘧啶二聚体为例，修复的主要步骤如下：（1）突变形成TT结构；（2）含TT结构的DNA仍可进行复制，但子DNA链在损伤部位出现缺口。（3）完整的母链与有缺口的子链重组，缺口便由这条母链填补。但这条母链又产生一个缺口，这个缺口通过DNA聚合酶的作用，以对侧子链为模板合成单链DNA片段弥补。（4）最后在连接酶作用下以磷酸二酯键连