基因突变的诱发因素和分子机制

1、基因突变的诱发因素及分子机制摘要：基因突变(gene mutation)是指染色体上的某一位点发生了化学变 化，也称为点突变(point mutation)，它通常可引起一定的表型变化。广义的 突变包括染色体畸变和基因突变，狭义的突变专指点基因突变。实际上微小的染 色体崎变和点突变界限并不明确。基因突变的发生和DNA复制、DNA损伤修复、 癌变和衰老都有关系，它也是生物进化的重要途径。基因突变是DNA分子上微小的改变，它是由于碱基的替换、增添、缺失造成 的。基因突变既可在自然界自发产生，即自发突变(spontaneous mutation)， 也可人为地施加物理或化学因素诱发产生，即诱发突变(

2、induced mutation)。现已知引起自发突变原因主要有：外界环境的影响：自然界中的各种射线(如宇宙中短波幅射、土壤中放射性 元素等)都会引起基因突变。但由于宇宙射线在到达地球前被大气层基本消耗了， 因此作用不大。温度的剧烈变化是另一种诱变因素。有人曾认为温度骤变是还阳参Crepis 自发突变的原因。一般情况下，突变率随温度的升高而增加。生物自身产生的诱变物质的作用：在用H2O2处理生物时，加入过氧化氢酶可 以降低诱变作用，如果同时再加入氤化钾(kCn)则诱变作用大幅度提高，这是 因为KCN是过氧化氢酶的抑制剂。而生物体内在代谢的过程中，经常要产生一些 中间产物，如过氧化物。在长久储藏

3、的洋葱和烟草等种子中也曾经得到具有诱变作用的抽提物。原因 是长久贮存的种子细胞内发生了化学变化，积累了许多有害物质，它们都可作为 诱变剂发挥作用。碱基的异构互变效应：天然碱基结构类似物(如5-漠尿嘧啶)能错误地参 入DNA，然后，酮式和烯醇式之间的异构互变可导致基因突变。而生物体的其他 物质也有此种情况，如氨基和亚氨基之间的异构互变同样能引起自发突变。诱发突变(induced mutation)又称为人工诱变，简称为诱变，它是指人为 地对生物体施加物理或化学因素所引起的突变。根据诱变因素的不同，可把它分 为物理诱变和化学诱变。诱变的意义利用诱变可探讨基因突变的本质，从而推测引起突变的原因。诱变

4、可创造变异类型，提高突变品率，扩大变异范围。从而获得遗传研究和 作物育种所需的各种突变体，为选育新品种或新类型奠定物质基础。在人类遗传中可有目的地研究癌基因形成的机理。当证明高能幅射和许多化 学物质不仅可诱发突变，而且可把有害的基因传给子代。因此有必要对这些诱变 因素进行防范，从而可提高人类的遗传素质。诱发突变(induced mutation)又称为人工诱变，简称为诱变，它是指人为 地对生物体施加物理或化学因素所引起的突变。根据诱变因素的不同，可把它分 为物理诱变和化学诱变。物理诱变(physical induced mutation)又称为辐射诱变(radiative mutation)，

5、它是指利用各种射线对生物体进行诱变的方式。射线的种类适与外照射的射线：所谓外照射是指射线源在要照射的生物体外部，靠其穿 透力，达到诱变的目的。这些射线主要有：X射线，它的波长很短，穿透力很强， 由X射线机所发射，剂量容易控制，防护问题也易解决；Y射线，波长比X射线 还要短，能量更高，穿透力极强。主要是由60CO和137CS发出的，其中60CO的半 衰期为5.3年。这些射线几乎可照射各种生物的各种器官和组织，但常用于照 射萌发的种子。适应于内照射的射线：所谓内照射是指让射线源进入生物体细胞内才能起诱 变作用。如a射线和6射线，它们的穿透力较弱，射线源主要是放射性同位素， 如32P和35S等。 上

6、述射线都属于电离射线，即能引起物质的电子电离。紫外线(ultraviolet, uv):是一种非电离射线，当它照射生物体后，只 能引起细胞内物质的电子激发，使低能键变为高能键，引起电子云排布发生改变， 最后导致生物体发生变异。紫外线的穿透力差，多适于单细胞的花粉或微生物的 诱变。当紫外线照射生物体后，可激活电子，造成DNA分子链的离析，最后导致 基因突变或染色体畸变。辐射诱变的遗传学效应DNA分子断裂：在重接时发生错接，引起各种染色体结构变异，如缺失、重 复、倒位、易位等。DNA分子内各种碱基结构发生化学变化：可能给碱基添加甲基或乙基；或碱 基被氧化脱氨等，使碱基的结构改变，功能也发生变化。如

7、鸟嘌吟添加甲基后可 变成黄嘌吟(X)，不能与任何碱基配对；腺嘌吟氧化脱氨后，变为次黄嘌吟(H)， 结构类似于鸟嘌吟，可在DNA复制时造成碱基对配对错误。DNA分子内单链或双链的交联，影响DNA的复制：当DNA分子内发生交联后， 影响解链酶和DNA聚合酶的通过，在交联部位DNA可能断裂，在重接时发生各种 错接，最后导致基因突变或个体死亡。DNA分子与附近的蛋白质分子发生交联:本来DNA与蛋白质仅是附着地结合， 由于射线的照射，电子激发，使DNA分子与蛋白质紧密地结合起来，使DNA双螺 旋结构扭曲，可能导致DNA断裂或阻碍DNA的复制。DNA单链分子上相临嘧啶碱基的交联，形成嘧啶二聚体：如胸腺嘧啶

8、二聚体 (T-T)、胞嘧啶二聚体(C-C)等。这些嘧啶二聚体使双螺旋的两链间的键减弱， 使DNA结构局部变形，严重影响DNA的复制和转录。当DNA复制到该位点时，DNA 聚合酶不能越过，含有T-T的DNA链不能做为DNA复制的模板，新合成的链在二 聚体的对面和两旁留下了缺口。使生物体内部的其他分子(主要是水)产生间接作用：水分子或其他分子发 生电离后，产生各种氧化分子，再作用到DNA分子上，最终产生各种变异。当水 分子被照射后，失去电子成为正离子；这个电子被另一水分子捕获，后者成为水 的负离子；它们都可进一步分解，产生各种自由基(是指含有不成对电子的有一 定功能的原子或原子团)。这些自由基都不

9、稳定，可相互结合，形成水、氢气和 过氧化氢等。当HO与细胞核中的核酸、蛋白质等大分子物质发生反应时，辐射就具有生 物学效应了。如果H 与 O结合，发生反应，可生成过氧基。这种过氧基到达 DNA等大分子上，破坏其稳定结构，表现染色体的粘合、松弛、断裂、缺失等其 他结构变异，并可在分裂后期出现融合桥、断片和多核细胞或巨核细胞等。化学诱变化学诱变剂的类型和诱变机理妨碍DNA某一成分合成的物质：这类诱变物质有5-氨基尿嘧啶、8-乙氧基咖啡碱、6-巯基嘌吟等。前2种 碱基妨碍嘧啶的合成，6-巯基嘌吟妨碍嘌吟的合成，从而导致被处理生物发生基 因突变。碱基类似物：它们的结构类似于自然界中正常的碱基，可在DN

10、A复制时代替天然碱基插入 DNA分子内，引起碱基配对错误，从而造成碱基对替换（base pair substitution）。所谓碱基对替换是指DNA分子中的某一碱基对被另一碱基对代替的现象可 分为两大类：在碱基对替换时，嘌吟由嘌吟代替，嘧啶由嘧啶代替，称为转换（transition ）；而嘌吟为嘧啶代替、嘧啶为嘌吟代替的现象称为颠换 （transversion）。如5-漠尿嘧啶（BU）与胸腺嘧啶（T）的结构类似，而且BU 能够互变异构。通常BU在DNA分子中以酮式状态存在，当DNA复制时，它和胸 腺嘧啶一样，能和腺嘌吟配对。但由于5碳位上的漠的影响，有时以烯醇式状态 存在，当DNA分子再复制

11、时，到达该区域时，烯醇式的BU就与鸟嘌吟配对。继 续复制后，鸟嘌吟按常规与胞嘧啶配对，这样A-T碱基对就变成了 G-C碱基对由于BU的烯醇式可跟鸟嘌吟配对，所以它有时可掺入到DNA分子中取代胞 嘧啶的位置，也可引起碱基对的替换，由G-C碱基对变为A-T碱基对。这过程完 全是上述过程的回复）。可见由BU诱发的突变也可由BU回复。另外还有一类碱基类似物一一 2-氨基喋岭，它对噬菌体、E.coli也是诱变 剂，其诱变机理与BU相类似。直接改变DNA上碱基结构的物质：如亚硝酸（HNO2），主要的作用是使碱基氧化脱氨，改变其结构，引起碱基 对的替换。亚硝酸作用于腺嘌吟（A）:腺嘌吟脱去氨基成为次黄嘌吟（

12、H），在第一次 DNA复制时，H可跟C配对；在第二次DNA复制时，A与T配对，但G与C配对， 结果A-T碱基对变为G-C碱基对。亚硝酸作用于胞嘧啶（C）:它可使C变成为尿嘧啶（U），在第一次DNA 复制时，U与A配对；在第二次DNA复制时，A又与T配对。这样原来的G-C碱 基对就变为A-T碱基对。亚硝酸作用于鸟嘌吟（G）：使鸟嘌吟脱去氨基成为黄嘌吟（X），但黄 嘌吟可能不与任何碱基配对。那么在DNA复制时，一条链有可能缺失某一片段， 造成DNA断裂；也有可能与任一碱基相对应，也有可能此碱基部位缺少，另一条 链的外边两个碱基在连接酶作用下强行连接，少了一个或两个碱基，就可导致其 后的密码子全部改

13、变。烷化剂：它的种类很多，对多种生物有诱变作用。如最早发现的芥子气，现常用的甲 基磺酸乙酯（EMS）、甲基磺酸甲酯（MMS）、亚硝基胍等。其诱变机理尚不十分 清楚，可能通过下列途径引起基因突变。在鸟嘌吟碱基上添加甲基或乙基：使它的作用象腺嘌吟，所以可跟胸腺嘧啶 配对，产生配对误差而引起基因突变（图9-6）使鸟嘌吟烷化，烷化的鸟嘌吟被酶所识别，最后从DNA分子上脱落下来，造 成脱嘌吟作用。在DNA分子单链上留下缺口，或影响DNA的复制，或减少个别核 苷酸，或引起其他各种碱基对的替换。同一 DNA分子或不同DNA分子的两条单链形成交联，造成个别碱基的丢失或 切除。羟胺（NHOH）：一 2、 一 羟

14、胺的诱变有一个显著的特点：由于羟胺只与胞嘧啶发生反应，而不与其他 碱基进行作用，所以它只引起G-CA-T碱基对的替换。另外，羟胺还能与细胞 内的其他一些物质发生反应，而产生H202等，从而产生诱变效应。吖啶类：2 2它主要可引起移码突变，如2-氨基吖啶、原黄素、吖啶橙、5-氨基吖啶等。 吖啶类是较为扁平的分子，能够结合在DNA分子上，很易插入在两碱基对间，使 它们分开。据了解，吖啶类的诱变作用与遗传重组有关，并且认为插入的吖啶分 子可使DNA双链分子歪斜，导致交换时排列配对不整齐，结果形成不等交换，产 生的两个重组分子：一个碱基多，另一个碱基少（图9-8）。化学诱变的遗传学效应在化学诱变时，D

15、NA分子内可产生碱基对的替换，也可能引起一个片段结构 的改变。缺失突变：由于DNA分子很长片段的缺失而引起的突变。缺失的范围如果包 括两个基因，那么就好象两个基因同时发生突变，因此又称为多位点突变。由缺 失造成的突变不会发生回复突变。所以严格地讲，缺失应属于染色体畸变。同义突变（same sense mutation）:它是指当碱基对替换后，由于生物存 在着兼并现象，仍在原来的某种氨基酸的位置放置同一种氨基酸的现象。如某一 正常型的mRNA的碱基顺序是-GAU-CUA-UGG-UAU-，所编译的氨基酸是：-天-亮- 色-酪-。如果碱基对替换后，mRNA的碱基顺序变为：-GAC-CUA-UGG-

16、UAU-，氨基 酸顺序仍是：-天-亮-色-酪-。虽然碱基对改变了，但表型却未改变。错义突变（mis-sense mutation）:它是指当碱基对替换后，使一种氨基酸 的密码子变为另一种氨基酸的密码子，在合成多肽时，译成了不同的氨基酸，从 而引起基因突变的现象。如密码子AUA可编码异亮氨酸，但因一个碱基对的改变， 成为AUG后，就编码甲硫氨酸。人类中很多中贫血症都是由于错义突变造成的， 如人的正常血红蛋白6链的第6位和第63位氨基酸的替换就导致多种贫血病。终止突变（nonsense mutation）:它是指一对碱基替换后，使某一氨基酸 的密码子变为终止密码子，多肽链合成到此终止。如酪氨酸密码

17、子UAC由于碱基 对替换后变为终止密码子UAG，多肽链的合成到此终止，形成一条不完整的多肽 链，使新合成的蛋白质失去活性或出现异常的代谢功能。移码突变（frame shift mutation）:在正常的DNA分子中，增加或减少一 对或2对邻接的核苷酸，造成这一位置之后的一系列密码子全部发生改变的现 象，称为移码突变。如果在同一位置上增减3个核苷酸，形成的多肽链仅插入或缺少一个氨基 酸，其他密码子未作改变，效应较小。如果只插入或只缺失一个或两个核苷酸， 后面的密码子全部发生改变，甚至只合成一段多肽链（终止突变）。如果在一条 DNA分子的不同位置上插入或缺失相同的核苷酸数，二者就可相互抑制（图 9-9）。如噬菌体T溶菌酶突变体（图9-10）。延长肽链突变：4由于碱基置换使原来某一基因的终止密码变为决定氨基酸的 有义密码，在多肽链合成时，使肽链合成继续进行，这类突变称之。如人的血红蛋白a链含有141个氨基酸残基，在mRNA分子上的第142位的 密码子应是终止密码（UAA）。如果U被C所置换，密码子变为CAA，它可编码 谷氨酰胺，这样在多肽链合成时142位可照常编