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1、基因突变的诱发因子及分子机制摘要 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 从未有的新性状正文引起基因突变的诱因很多，凡能诱发生物体变异的理化条件统称为诱 变因素。（-）自发突变的诱因自发突变是指自然存在的而非人工诱发的一类突变，人类基因的自发突变频
2、率在1.0X105-1.0X108之间，人体单基因病大多为自发突变的结果。例如， 英国维多利亚王族的血友病，就是一种基因的自发突变。关于自发突变的原因，目前还不太清楚，可能与外界因素和内部因素有关， 自发突变很早就为人类所发现，在家养动物和栽培植物中，时常有突变体出现。 1910年，Morgan用白眼果蝇证明了伴性遗传现象。这最初一只白眼果蝇就是在 野生型果蝇的培养瓶中自发产生的，以后血ogan和他的学生们所用的很多突变 型果蝇都是自发产生的。那就是说，这些突变型不是人工创造的。事实上直到上 世纪20年代末、30年代初人类才知道突变是可以人工诱发的。自发突变产生的原因，至今还不十分了解。自然界
3、中的辐射，如宇宙射线、 生物体内的放射性碳、放射性钾等，可能是部分原因，但不足以说明全部自发突 变，只能说明其中的一小部分。温度的极端变化是另一种诱变因素。在黄鹤菜中，用40C和低于0C的温 度处理，都能增加其突变率。但总的看来，温度的作用比不上自然辐射。周围环境中许多化学物质也是诱变因素。生物体内某些生理过程中产生的有关化学物质对自发突变也有相当重要的 影响。支持这一论点的证据有：1、植物的种子贮藏久了，常增加突变率。例如，金鱼草的自发突变率大约 是1%（包括所有的座位，若每个基因的突变率为1X10-5,则一个配子中有10000 个座位的话，即为1%）,但种子贮藏6-9年以后，突变率为1.6
4、-5.3%,贮藏10 年以后，可达14. 3%。2、从陈种子中提取的物质具有诱变作用。从烟草的陈种子中提出油来，用 这种油处理同一品种的新鲜种子，从这样的种子长出来的幼苗，突变种类与自发 突变相似，但突变率大大提高了。3、把番茄种在很干燥的条件下，提高细胞的渗透压，以后从它们的F2和 F3中可以分离出许多突变体来。总之，自发突变的原因还不清楚，但可以肯定的是内外因素都有作用。在自然条件下，生物发生基因突变的频率总是比较低的，基因的这种相对稳 定性对生物本身的稳定无疑是十分重要的，但是对动植物的育种工作来说却是获 得大量变异类型的一个障碍。人工诱发基因突变可以大大提高突变率。1927年, Mul
5、ler用X-ray处理果蝇精子，首开人工诱变的先河。以后，陆续发现了很多 种人工诱变方法。这些诱变因素大致上可以分为两大类：物理的、化学的。（二）诱发突变的因素L物理诱变因素辐射诱变是主要的诱变因素，它包括X一射线、a一射线、Y一射线以及中子、质子。辐射线所含的能量愈大，诱变效率愈高，其中X一射 线、y一射线等是能量极高的辐射，能使轨道上的电子脱离原子，造成电离，所 以这些辐射，又称为电离辐射。（1）.电离辐射诱变包括a射线、p射线和中子等粒子辐射，还包括r射线和x射线等电磁波 辐射。中子的诱变效果最好。根据辐射（照射）的方法，可分为“内”和“外” 照射。1）外照射即辐射源与接受照射的物体之间
6、要保持一定的距离，让射线从物体之外透入 物体之内，在体内诱发基因突变。射线、r射线和中子都适用于“外照射气2）内照射即用浸泡或注射的方法，使其渗入生物体内，在体内放出B射线进行诱变。 a和&射线的穿透力很弱，故只能用“内照射”。实际应用时，一般不用a射线, 只用P射线。P射线常用辐射源是凹和S35,尤以N使用较多。电离辐射致变的机理这主要是因为它们能使构成基因的化学物质直接发生电离作用。这些物质的 分子都是由原子构成的，原子又由数量相等的质子和电子构成。当电离辐射的射 线碰控制基因任何分子时，照射的能量使原子外围的电子脱离轨道，原子从中性 变为带正电荷的离子，产生“D的发电离”。射线进一步照射
7、，在形成大量离子 对的过程中所产生的电子，多数尚有较大的能量，能引起第二次电离，即“次维 电离”，“次级电离”轻则造成基因分子结构改组，产生新基因，重则使染色体结 构变异（断裂等）。辐射剂量越大，原发电离数就越多，一次级电离就越重一基 因突变率就越高。辐射剂量及表示方法定义：单位质量被照射的物质所吸收的能量数值，称为辐射剂量。%射线和r射线：用“伦琴”（r）表示，即在1克空气中吸收83尔格（erg） 辐射的能量。中子：单位是“积分流量”。即每平方厘米的截面上通过的中子数（n/cm2）oP射线：用“微居里”表示。具体是每克物质吸收多少“微居里”（|icu） 的放射性同位素。微居里是放射强度单位，
8、表示每秒钟有3-7X104个原子核发生蜕度。基因突变的频率与辐射剂量成正比，即剂量增加一倍，突变频率增加一倍, 但突变率不受辐射强度的影响。辐射强度是指单位时间内照射的剂量数，即剂量率，倘若照射剂量不变，不 管单位时间内所照射是多还是少，基因突变率总是保持一致。（2）.非电离辐射诱变射线种类：紫外线作用机理：由于能量较低，不足的使原子电离，只能产生激发作用，造成基 因分子链的离折，结果这些离折的基因在重新组合时，不免发生差错，出现突变。 Ultra violet最有较的波长为26OOA0左右。即DNA吸收波长，一旦DNA吸收， 促使离折一突变。Ultra violet还有间接诱变作用。如用Ul
9、tra violet照射过 的培养基培养微生物，可引起微生物突变，其作用机理是使培养基内产生的，而 氨基酸经H202处理就有使微生物突变的作用。Ultra violet的适用范围UV线的穿透力很弱。只有30%的UV可以穿透玉米花粉壁，8%可穿过鸡蛋的 卵黄膜。这样低的穿透力很难保证试验群体中每一个细胞都接受同样的辐射量。 所以，UV很少用于高等生物的诱变，而多用于微生物、生殖细胞、花粉粒及培 养的细胞。2. 化学因素诱变 简史1941年Auerbach和Robson第一次发现芥子气可以诱发 基因突变。1943年Oehlkers第一次发现氛基甲酸乙酯（NH2COO2H5）可以诱发染色体结构 的变
10、异。化诱的特点：某些化学药物的诱变作用是有特异性的，即一定性质的药物能够诱发一定类 型的变异。化诱物质的种类与作用机理（1）烷化剂甲基磺酸乙酯EMS, CH3SO4 （0CM）、硫酸二乙酯DES, S02（0C2H5）2.乙烯 亚胺（EI）等。它们都有含有一个或多个不稳定的烷基（C2H5）,这些烷基能移到 电子密度较高的其他分子中去，这种通过烷基置换其它分子的氢原子的作用，叫 做烷化作用。烷化剂就是通过这种烷化作用而改变基因的分子结构，从而造成基 因突变。（2）碱基类似5T臭尿噌噬（Bu）、5T臭脱氧尿核昔（BudR）、2-氨基喋吟（Ap）等。前二者 是胸腺嚓喘（T）的类似物，后一种是腺喋吟（
11、A）的类似物。其作用机理是它们的分子结构与基因分子的碱基相似，它们在不妨碍基因复 制的情况下作为组成基因的成分参入到基因分子中去。由于它们与碱基不同，它 们会在复制时发生偶然配对上的差错，从而导致基因突变。（3）抗生素重氨丝氨酸、丝裂霉素C,它们具有破坏基因分子结构的能力，因而造成染 色体的断裂。目前少用。3. 生物诱变因素 生物诱变因素主要指病毒。如麻疹病毒、风疹病毒、疱疹 病毒等，它们产生的毒素和代谢产物，如黄曲素等都有诱变作用。在病毒诱发的染色体畸变中，单体断裂是主要的，见于水痘、风疹、麻疹、 肝炎、流行性腮腺炎、浆液性脑膜炎和无菌性脑膜炎、流行性感冒等病毒感染的 患者，除了断裂等局部性
12、损伤外，病毒还可引起染色体膨大、疏松、皱缩、粘连、 解螺旋化和粉碎化等一系列变化，其中染色体粉碎化较常见。如仙台病毒、新城 疫病毒、流行性腮腺炎、疱疹和麻疹等均能引起这类染色体损伤。（三）诱变机制1物理诱变机制（1）.电离辐射：高能射线如X射线、a、0、丫射线、中子流等可导致原子电离，引起化学键 断裂，进而产生突变。两个作用途径：1）直接使DNA链断裂，修复中连接错误，造成突变。2）使环境中物质如水等电离，形成自由基，导致核昔酸被修饰，引起突变一般规律：1）引起染色体断裂和基因突变。2）辐射剂量越大、越久，变异频率越高。（2）.紫外线特点：是电磁波、能量小，是其中2700A是核酸吸收的高峰波长
13、。作用：不能引起原子电离，但可引起T T聚合成二聚体TT,使DNA结构局 部变形，引起复制错误，或在修复中出现错误，引起突变1化学诱变机制(1) 碱基类似物诱导替换突变最常见：5漠尿嗟咤(5BU),类似于T。异构体：酮式烯醇式配对形式：BU=ABU=G2氨基n票吟(AP),类似于A异构体：酮式烯醇式配对形式：AP=TAP=C机制：可在DNA复制中，代替天然碱基，然后由于其配对的不稳定性，在 下一次的DNA复制中导致碱基替换突变。(2) .化学修饰及其诱变机制1) 亚硝酸的脱氨作用：A一次黄喋吟(H), CU, G一黄喋吟(X)2) 烷化剂如氮芥子气(NM)、乙烯亚氨(EI)、硫酸二乙酯(DES
14、)等的烷基化作 用：GmG,类似于A; mG脱喋吟作用引起缺失;烷化剂与磷酸结合引起DNA 断裂;在DNA链间形成交联，引起核昔酸被切除或丢失。3) 舞氨的舞基化作用：C羟化后类似于T,导致G三C-A=T(3) .渗入与干扰丫嚏橙等丫嚏类物质渗入碱基间，导致碱基间距增加1倍，造成密码框错 误，引起移码突变(%1) 突变类型1.大损伤 染色体畸变中，染色体结构的改变。如DNA中大段缺失或增加所造成的变化。2点突变一个基因内部的一个或少数几个核昔酸的增加、缺失或取代。3.碱基置换 碱基置换是指DNA分子结构中一种碱基被另一种碱基所代 替，使遗传密码子的组成发生的变化，其结果会影响该基因所决定的蛋白
15、质的组 成，有的则不起作用。如果DNA分子中一种噂吟被另一种噂吟取代或一种嗟I味被另一种嗟嚏取 代，称转换突变。一种嗟嚏被任何一种噂吟取代，或一种噂吟被任何一种嗟I定取 代，则称颠换突变。碱基置换有以下凡种类型。(1) 同义突变(cosense mutation)：由于一个氨基酸可有二种以上的三联 体密码编码。因此，DNA分子中碱基对的取代，虽然可导致某一密码子codon的 改变，但它所编码的氨基酸仍然不变，这种突变称同义突变。同义突变在表型上 无法识别，因为核苜酸序列的变化，并未引起其基因的产物一一蛋白质的一级结 构发生变化。(2) 错义突变：DNA分子中碱基对的取代，导致了某一密码子的改变，从 而编码另一种氨基酸的突变称错义突变，这种突变可使蛋白质结构改变，最终可 能使蛋白质分子完全失活或部分失活，并在突变体的表型上表现出来。(3) 无义突变：DNA分子中碱基对的取代，导致某一密码子变为终止密码 子UAG、UGA、UAA之一的突变，它使翻译过程在此突变位点停止，并只能产生一 个失活的多肽片段。(4) 移码突变：DNA分子中增加或减少一个或几个不等于3的倍数的碱基 对所造成遗传密码移位的突变。这种突变的效应是改变了密码子的阅读框架，使 从突变位点之后的全部密码子的阅读框架都发生了位移，其结果可能是从突变了 的密码子开始到信息末端的氨基酸序列完全错误；
