基因突變的誘發(fā)因素和分子機(jī)制

1、基因突變的誘發(fā)因素及分子機(jī)制摘要：基因突變(gene mutation)是指染色體上的某一位點(diǎn)發(fā)生了化學(xué)變 化，也稱為點(diǎn)突變(point mutation)，它通?？梢鹨欢ǖ谋硇妥兓?。廣義的 突變包括染色體畸變和基因突變，狹義的突變專指點(diǎn)基因突變。實(shí)際上微小的染 色體崎變和點(diǎn)突變界限并不明確?；蛲蛔兊陌l(fā)生和DNA復(fù)制、DNA損傷修復(fù)、 癌變和衰老都有關(guān)系，它也是生物進(jìn)化的重要途徑。基因突變是DNA分子上微小的改變，它是由于堿基的替換、增添、缺失造成 的。基因突變既可在自然界自發(fā)產(chǎn)生，即自發(fā)突變(spontaneous mutation)， 也可人為地施加物理或化學(xué)因素誘發(fā)產(chǎn)生，即誘發(fā)突變(

2、induced mutation)。現(xiàn)已知引起自發(fā)突變原因主要有：外界環(huán)境的影響：自然界中的各種射線(如宇宙中短波幅射、土壤中放射性 元素等)都會(huì)引起基因突變。但由于宇宙射線在到達(dá)地球前被大氣層基本消耗了， 因此作用不大。溫度的劇烈變化是另一種誘變因素。有人曾認(rèn)為溫度驟變是還陽參Crepis 自發(fā)突變的原因。一般情況下，突變率隨溫度的升高而增加。生物自身產(chǎn)生的誘變物質(zhì)的作用：在用H2O2處理生物時(shí)，加入過氧化氫酶可 以降低誘變作用，如果同時(shí)再加入氤化鉀(kCn)則誘變作用大幅度提高，這是 因?yàn)镵CN是過氧化氫酶的抑制劑。而生物體內(nèi)在代謝的過程中，經(jīng)常要產(chǎn)生一些 中間產(chǎn)物，如過氧化物。在長久儲藏

3、的洋蔥和煙草等種子中也曾經(jīng)得到具有誘變作用的抽提物。原因 是長久貯存的種子細(xì)胞內(nèi)發(fā)生了化學(xué)變化，積累了許多有害物質(zhì)，它們都可作為 誘變劑發(fā)揮作用。堿基的異構(gòu)互變效應(yīng)：天然堿基結(jié)構(gòu)類似物(如5-漠尿嘧啶)能錯(cuò)誤地參 入DNA，然后，酮式和烯醇式之間的異構(gòu)互變可導(dǎo)致基因突變。而生物體的其他 物質(zhì)也有此種情況，如氨基和亞氨基之間的異構(gòu)互變同樣能引起自發(fā)突變。誘發(fā)突變(induced mutation)又稱為人工誘變，簡稱為誘變，它是指人為 地對生物體施加物理或化學(xué)因素所引起的突變。根據(jù)誘變因素的不同，可把它分 為物理誘變和化學(xué)誘變。誘變的意義利用誘變可探討基因突變的本質(zhì)，從而推測引起突變的原因。誘變

4、可創(chuàng)造變異類型，提高突變品率，擴(kuò)大變異范圍。從而獲得遺傳研究和 作物育種所需的各種突變體，為選育新品種或新類型奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。在人類遺傳中可有目的地研究癌基因形成的機(jī)理。當(dāng)證明高能幅射和許多化 學(xué)物質(zhì)不僅可誘發(fā)突變，而且可把有害的基因傳給子代。因此有必要對這些誘變 因素進(jìn)行防范，從而可提高人類的遺傳素質(zhì)。誘發(fā)突變(induced mutation)又稱為人工誘變，簡稱為誘變，它是指人為 地對生物體施加物理或化學(xué)因素所引起的突變。根據(jù)誘變因素的不同，可把它分 為物理誘變和化學(xué)誘變。物理誘變(physical induced mutation)又稱為輻射誘變(radiative mutation)，

5、它是指利用各種射線對生物體進(jìn)行誘變的方式。射線的種類適與外照射的射線：所謂外照射是指射線源在要照射的生物體外部，靠其穿 透力，達(dá)到誘變的目的。這些射線主要有：X射線，它的波長很短，穿透力很強(qiáng)， 由X射線機(jī)所發(fā)射，劑量容易控制，防護(hù)問題也易解決；Y射線，波長比X射線 還要短，能量更高，穿透力極強(qiáng)。主要是由60CO和137CS發(fā)出的，其中60CO的半 衰期為5.3年。這些射線幾乎可照射各種生物的各種器官和組織，但常用于照 射萌發(fā)的種子。適應(yīng)于內(nèi)照射的射線：所謂內(nèi)照射是指讓射線源進(jìn)入生物體細(xì)胞內(nèi)才能起誘 變作用。如a射線和6射線，它們的穿透力較弱，射線源主要是放射性同位素， 如32P和35S等。 上

6、述射線都屬于電離射線，即能引起物質(zhì)的電子電離。紫外線(ultraviolet, uv):是一種非電離射線，當(dāng)它照射生物體后，只 能引起細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的電子激發(fā)，使低能鍵變?yōu)楦吣苕I，引起電子云排布發(fā)生改變， 最后導(dǎo)致生物體發(fā)生變異。紫外線的穿透力差，多適于單細(xì)胞的花粉或微生物的 誘變。當(dāng)紫外線照射生物體后，可激活電子，造成DNA分子鏈的離析，最后導(dǎo)致 基因突變或染色體畸變。輻射誘變的遺傳學(xué)效應(yīng)DNA分子斷裂：在重接時(shí)發(fā)生錯(cuò)接，引起各種染色體結(jié)構(gòu)變異，如缺失、重 復(fù)、倒位、易位等。DNA分子內(nèi)各種堿基結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)變化：可能給堿基添加甲基或乙基；或堿 基被氧化脫氨等，使堿基的結(jié)構(gòu)改變，功能也發(fā)生變化。如

7、鳥嘌吟添加甲基后可 變成黃嘌吟(X)，不能與任何堿基配對；腺嘌吟氧化脫氨后，變?yōu)榇吸S嘌吟(H)， 結(jié)構(gòu)類似于鳥嘌吟，可在DNA復(fù)制時(shí)造成堿基對配對錯(cuò)誤。DNA分子內(nèi)單鏈或雙鏈的交聯(lián)，影響DNA的復(fù)制：當(dāng)DNA分子內(nèi)發(fā)生交聯(lián)后， 影響解鏈酶和DNA聚合酶的通過，在交聯(lián)部位DNA可能斷裂，在重接時(shí)發(fā)生各種 錯(cuò)接，最后導(dǎo)致基因突變或個(gè)體死亡。DNA分子與附近的蛋白質(zhì)分子發(fā)生交聯(lián):本來DNA與蛋白質(zhì)僅是附著地結(jié)合， 由于射線的照射，電子激發(fā)，使DNA分子與蛋白質(zhì)緊密地結(jié)合起來，使DNA雙螺 旋結(jié)構(gòu)扭曲，可能導(dǎo)致DNA斷裂或阻礙DNA的復(fù)制。DNA單鏈分子上相臨嘧啶堿基的交聯(lián)，形成嘧啶二聚體：如胸腺嘧啶

8、二聚體 (T-T)、胞嘧啶二聚體(C-C)等。這些嘧啶二聚體使雙螺旋的兩鏈間的鍵減弱， 使DNA結(jié)構(gòu)局部變形，嚴(yán)重影響DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。當(dāng)DNA復(fù)制到該位點(diǎn)時(shí)，DNA 聚合酶不能越過，含有T-T的DNA鏈不能做為DNA復(fù)制的模板，新合成的鏈在二 聚體的對面和兩旁留下了缺口。使生物體內(nèi)部的其他分子(主要是水)產(chǎn)生間接作用：水分子或其他分子發(fā) 生電離后，產(chǎn)生各種氧化分子，再作用到DNA分子上，最終產(chǎn)生各種變異。當(dāng)水 分子被照射后，失去電子成為正離子；這個(gè)電子被另一水分子捕獲，后者成為水 的負(fù)離子；它們都可進(jìn)一步分解，產(chǎn)生各種自由基(是指含有不成對電子的有一 定功能的原子或原子團(tuán))。這些自由基都不

9、穩(wěn)定，可相互結(jié)合，形成水、氫氣和 過氧化氫等。當(dāng)HO與細(xì)胞核中的核酸、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)時(shí)，輻射就具有生 物學(xué)效應(yīng)了。如果H 與 O結(jié)合，發(fā)生反應(yīng)，可生成過氧基。這種過氧基到達(dá) DNA等大分子上，破壞其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)染色體的粘合、松弛、斷裂、缺失等其 他結(jié)構(gòu)變異，并可在分裂后期出現(xiàn)融合橋、斷片和多核細(xì)胞或巨核細(xì)胞等?；瘜W(xué)誘變化學(xué)誘變劑的類型和誘變機(jī)理妨礙DNA某一成分合成的物質(zhì)：這類誘變物質(zhì)有5-氨基尿嘧啶、8-乙氧基咖啡堿、6-巰基嘌吟等。前2種 堿基妨礙嘧啶的合成，6-巰基嘌吟妨礙嘌吟的合成，從而導(dǎo)致被處理生物發(fā)生基 因突變。堿基類似物：它們的結(jié)構(gòu)類似于自然界中正常的堿基，可在DN

10、A復(fù)制時(shí)代替天然堿基插入 DNA分子內(nèi)，引起堿基配對錯(cuò)誤，從而造成堿基對替換（base pair substitution）。所謂堿基對替換是指DNA分子中的某一堿基對被另一堿基對代替的現(xiàn)象可 分為兩大類：在堿基對替換時(shí)，嘌吟由嘌吟代替，嘧啶由嘧啶代替，稱為轉(zhuǎn)換（transition ）；而嘌吟為嘧啶代替、嘧啶為嘌吟代替的現(xiàn)象稱為顛換 （transversion）。如5-漠尿嘧啶（BU）與胸腺嘧啶（T）的結(jié)構(gòu)類似，而且BU 能夠互變異構(gòu)。通常BU在DNA分子中以酮式狀態(tài)存在，當(dāng)DNA復(fù)制時(shí)，它和胸 腺嘧啶一樣，能和腺嘌吟配對。但由于5碳位上的漠的影響，有時(shí)以烯醇式狀態(tài) 存在，當(dāng)DNA分子再復(fù)制

11、時(shí)，到達(dá)該區(qū)域時(shí)，烯醇式的BU就與鳥嘌吟配對。繼 續(xù)復(fù)制后，鳥嘌吟按常規(guī)與胞嘧啶配對，這樣A-T堿基對就變成了 G-C堿基對由于BU的烯醇式可跟鳥嘌吟配對，所以它有時(shí)可摻入到DNA分子中取代胞 嘧啶的位置，也可引起堿基對的替換，由G-C堿基對變?yōu)锳-T堿基對。這過程完 全是上述過程的回復(fù)）?？梢娪葿U誘發(fā)的突變也可由BU回復(fù)。另外還有一類堿基類似物一一 2-氨基喋嶺，它對噬菌體、E.coli也是誘變 劑，其誘變機(jī)理與BU相類似。直接改變DNA上堿基結(jié)構(gòu)的物質(zhì)：如亞硝酸（HNO2），主要的作用是使堿基氧化脫氨，改變其結(jié)構(gòu)，引起堿基 對的替換。亞硝酸作用于腺嘌吟（A）:腺嘌吟脫去氨基成為次黃嘌吟（

12、H），在第一次 DNA復(fù)制時(shí)，H可跟C配對；在第二次DNA復(fù)制時(shí)，A與T配對，但G與C配對， 結(jié)果A-T堿基對變?yōu)镚-C堿基對。亞硝酸作用于胞嘧啶（C）:它可使C變成為尿嘧啶（U），在第一次DNA 復(fù)制時(shí)，U與A配對；在第二次DNA復(fù)制時(shí)，A又與T配對。這樣原來的G-C堿 基對就變?yōu)锳-T堿基對。亞硝酸作用于鳥嘌吟（G）：使鳥嘌吟脫去氨基成為黃嘌吟（X），但黃 嘌吟可能不與任何堿基配對。那么在DNA復(fù)制時(shí)，一條鏈有可能缺失某一片段， 造成DNA斷裂；也有可能與任一堿基相對應(yīng)，也有可能此堿基部位缺少，另一條 鏈的外邊兩個(gè)堿基在連接酶作用下強(qiáng)行連接，少了一個(gè)或兩個(gè)堿基，就可導(dǎo)致其 后的密碼子全部改

13、變。烷化劑：它的種類很多，對多種生物有誘變作用。如最早發(fā)現(xiàn)的芥子氣，現(xiàn)常用的甲 基磺酸乙酯（EMS）、甲基磺酸甲酯（MMS）、亞硝基胍等。其誘變機(jī)理尚不十分 清楚，可能通過下列途徑引起基因突變。在鳥嘌吟堿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 配對，產(chǎn)生配對誤差而引起基因突變（圖9-6）使鳥嘌吟烷化，烷化的鳥嘌吟被酶所識別，最后從DNA分子上脫落下來，造 成脫嘌吟作用。在DNA分子單鏈上留下缺口，或影響DNA的復(fù)制，或減少個(gè)別核 苷酸，或引起其他各種堿基對的替換。同一 DNA分子或不同DNA分子的兩條單鏈形成交聯(lián)，造成個(gè)別堿基的丟失或 切除。羥胺（NHOH）：一 2、 一 羥

14、胺的誘變有一個(gè)顯著的特點(diǎn)：由于羥胺只與胞嘧啶發(fā)生反應(yīng)，而不與其他 堿基進(jìn)行作用，所以它只引起G-CA-T堿基對的替換。另外，羥胺還能與細(xì)胞 內(nèi)的其他一些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，而產(chǎn)生H202等，從而產(chǎn)生誘變效應(yīng)。吖啶類：2 2它主要可引起移碼突變，如2-氨基吖啶、原黃素、吖啶橙、5-氨基吖啶等。 吖啶類是較為扁平的分子，能夠結(jié)合在DNA分子上，很易插入在兩堿基對間，使 它們分開。據(jù)了解，吖啶類的誘變作用與遺傳重組有關(guān)，并且認(rèn)為插入的吖啶分 子可使DNA雙鏈分子歪斜，導(dǎo)致交換時(shí)排列配對不整齊，結(jié)果形成不等交換，產(chǎn) 生的兩個(gè)重組分子：一個(gè)堿基多，另一個(gè)堿基少（圖9-8）。化學(xué)誘變的遺傳學(xué)效應(yīng)在化學(xué)誘變時(shí)，D

15、NA分子內(nèi)可產(chǎn)生堿基對的替換，也可能引起一個(gè)片段結(jié)構(gòu) 的改變。缺失突變：由于DNA分子很長片段的缺失而引起的突變。缺失的范圍如果包 括兩個(gè)基因，那么就好象兩個(gè)基因同時(shí)發(fā)生突變，因此又稱為多位點(diǎn)突變。由缺 失造成的突變不會(huì)發(fā)生回復(fù)突變。所以嚴(yán)格地講，缺失應(yīng)屬于染色體畸變。同義突變（same sense mutation）:它是指當(dāng)堿基對替換后，由于生物存 在著兼并現(xiàn)象，仍在原來的某種氨基酸的位置放置同一種氨基酸的現(xiàn)象。如某一 正常型的mRNA的堿基順序是-GAU-CUA-UGG-UAU-，所編譯的氨基酸是：-天-亮- 色-酪-。如果堿基對替換后，mRNA的堿基順序變?yōu)椋?GAC-CUA-UGG-

16、UAU-，氨基 酸順序仍是：-天-亮-色-酪-。雖然堿基對改變了，但表型卻未改變。錯(cuò)義突變（mis-sense mutation）:它是指當(dāng)堿基對替換后，使一種氨基酸 的密碼子變?yōu)榱硪环N氨基酸的密碼子，在合成多肽時(shí)，譯成了不同的氨基酸，從 而引起基因突變的現(xiàn)象。如密碼子AUA可編碼異亮氨酸，但因一個(gè)堿基對的改變， 成為AUG后，就編碼甲硫氨酸。人類中很多中貧血癥都是由于錯(cuò)義突變造成的， 如人的正常血紅蛋白6鏈的第6位和第63位氨基酸的替換就導(dǎo)致多種貧血病。終止突變（nonsense mutation）:它是指一對堿基替換后，使某一氨基酸 的密碼子變?yōu)榻K止密碼子，多肽鏈合成到此終止。如酪氨酸密碼

17、子UAC由于堿基 對替換后變?yōu)榻K止密碼子UAG，多肽鏈的合成到此終止，形成一條不完整的多肽 鏈，使新合成的蛋白質(zhì)失去活性或出現(xiàn)異常的代謝功能。移碼突變（frame shift mutation）:在正常的DNA分子中，增加或減少一 對或2對鄰接的核苷酸，造成這一位置之后的一系列密碼子全部發(fā)生改變的現(xiàn) 象，稱為移碼突變。如果在同一位置上增減3個(gè)核苷酸，形成的多肽鏈僅插入或缺少一個(gè)氨基 酸，其他密碼子未作改變，效應(yīng)較小。如果只插入或只缺失一個(gè)或兩個(gè)核苷酸， 后面的密碼子全部發(fā)生改變，甚至只合成一段多肽鏈（終止突變）。如果在一條 DNA分子的不同位置上插入或缺失相同的核苷酸數(shù)，二者就可相互抑制（圖 9-9）。如噬菌體T溶菌酶突變體（圖9-10）。延長肽鏈突變：4由于堿基置換使原來某一基因的終止密碼變?yōu)闆Q定氨基酸的 有義密碼，在多肽鏈合成時(shí)，使肽鏈合成繼續(xù)進(jìn)行，這類突變稱之。如人的血紅蛋白a鏈含有141個(gè)氨基酸殘基，在mRNA分子上的第142位的 密碼子應(yīng)是終止密碼（UAA）。如果U被C所置換，密碼子變?yōu)镃AA，它可編碼 谷氨酰胺，這樣在多肽鏈合成時(shí)142位可照常編