基因突变与修复

（一）基因突变

1．基因突变的概念及类型　遗传物质是相对稳定的，但又是可变的。机体内外的环境中有许多因素可使基因发生突变。所谓突变（mutation）就是指机体细胞中的遗传物质所发生的可以遗传的变异。广义来说，遗传物质的突变包括基因突变和染色体畸变（aberration）。前者只涉及染色体上较小区域的变化（一般指基因分子水平上的变化）；后者累及染色体较大片段或整个染色体数目的变化，这些变化中有些可以通过显微镜从形态上辨认。由于染色体突变现在常采用“畸变”一词，故狭义的突变即一般所指的基因突变。基因突变（gene mutation）是指基因组DNA分子某些碱基或其顺序发生改变。最小的变化是DNA链中的一个或一对碱基的改变，称点突变（pointmutation）。基因突变可分为如下类型。

（1）碱基置换：DNA分子中某一碱基对被另一不同的碱基对替代所引起的突变称为碱基置换（base substitution），它可分为转换和颠换2种形式。如果一个嘌呤被另一个嘌呤取代或某一嘧啶取代另一嘧啶称为转换（transition）；而嘌呤取代嘧啶或嘧啶替代嘌呤所引起的突变称为颠换（transversion）。碱基置换导致的基因改变可使蛋白质中氨基酸的组成发生变化，进而影响蛋白质或酶的生物功能，使机体的表型出现异常。根据碱基替换对多肽链中氨基酸所造成影响的不同，或转换和颠换引起遗传信息改变的性质，可将这类突变分为下列几种情况：①同义突变（samesense mutation），是指如果碱基的改变，没有改变其编码的氨基酸及其顺序，则称为同义突变，这与密码子的兼并性有关。②错义突变（missense mutation），是指如果碱基的改变引起了产物氨基酸顺序的改变，则称之为错义突变。这种突变可导致机体内某种蛋白质或酶的结构和功能的异常，从而引起遗传性疾病。③无义突变（nonsense mutation），如果碱基的改变使之成为不编码任何氨基酸的终止密码子（UAG、UAA、UGA）中的任何一个时，多肽链合成提前终止，产生没有活性的多肽片段，称为无义突变。④终止密码突变（terminator mutation），如果碱基的改变使DNA中的一个终止密码子变为编码某一氨基酸的密码子时，多肽链的合成将继续进行下去，肽链过度延长，直到下一个基因的终止密码子出现时方终止，因而合成了延长的异常多肽链。这种突变称为终止密码突变，也称延长突变（elongation mutation）。

（2）移码突变：移码突变（frame-shift mutation）是指基因的片段中某一位点插入或丢失一个或几个碱基时，造成插入或丢失位置以后的一系列编码顺序发生错位的一种突变。它可引起该位置以后的遗传信息都出现异常。

2．基因突变的一般特性　多向性、可逆性、稀有性、有害性、随机性和可重复性是基因突变的基本特征。

（1）多向性：基因突变的多向性是指同一基因可以发生多次独立的突变，产生许多等位基因。例如基因A可以突变为等位基因A1、A2、A3等，从而构成复等位基因（mutiplex alleles），即具有3个或3个以上等位基因。但对每一个人来说只能具有其中的任何2个基因。人类的ABO血型就是由I　A、I　B和i　3种基因构成的一组复等位基因所决定的。

（2）可逆性：基因突变的方向是可逆的，就是说基因A可以突变为等位基因a，基因a也可以突变成等位基因A，前者称正向突变（forward mutation），后者称回复突变（back mutation）。一般正向突变频率远远超过回复突变频率。

（3）有害性：基因突变大多是有害的，因为它扰乱了生物原有遗传基础。人类的遗传病绝大多数是由基因突变所引起的。

（4）稀有性：基因突变在自然界是稀有的，各种基因在一定的群体中都有一定的自发突变率（或称突变率）。自发突变率是指在自然状态下某一基因在一定群体中发生突变的频率。各种生物的突变率是极低的，在高等生物中，基因的突变率为每代10-8～10-5／生殖细胞。人类基因的突变率为每代10-6～10-4／生殖细胞。

由于突变率低，故有时也可以用每100万生殖细胞中基因的突变次数来表示。例如人类血友病A是一种基因突变而引起的遗传性疾病，其基因突变率为每代2．0×10-5，即每代100万个生殖细胞中有20次突变产生了血友病A基因。

（5）随机性：突变的发生不论是对于个体、细胞、基因来说或对于所影响的性状来讲都是随机的。

（6）可重复性：是指某一基因位点的突变总是以一定的频率在自然界中反复发生。

3．基因突变的分子机制　基因化学组成的改变是基因突变的本质，由于基因的分子基础是DNA，因此基因突变的分子基础也就是DNA分子的改变。即基因的核苷酸排列顺序发生了变化。根据分子生物学的中心法则，基因核苷酸顺序的改变将导致蛋白质中氨基酸的改变从而引起个体性状的改变。

引起人类基因突变的因素有物理、化学和生物3种因素。

（1）物理因素：①紫外线。在紫外线照射下，细胞内DNA序列中相邻的嘧啶类碱基可结合成嘧啶二聚体，当复制或转录到这一部位时，碱基配对发生错误，从而引起新合成的DNA或RNA链的碱基改变。②电离辐射。射线可直接击中DNA链，能量被DNA分子吸收，引起染色体内部的辐射-化学效应，致使DNA发生断裂、分子间交联，甚至可造成染色体畸变。

（2）化学因素：①羟胺。可作用于胞嘧啶，使其氨基变为醇基，不再与鸟嘌呤（G）配对而与腺嘌呤（A）配对，经两次复制以后，G-C转换为A-T。②亚硝酸（HNO2）或含亚硝基的化合物。这类物质作用于碱基使其脱去氨基（-NH2）而发生结构改变。如使胞嘧啶（C）氧化脱氨基转变成尿嘧啶，在下一次复制时，U不与G配对，而是与A配对，经过复制以后G-C转换成T-A。③甲醛、硫酸二乙酯、氯乙烯和氮芥等烷化剂。是一组具有高度诱变活性的化合物，它们可将其烷基（-CH3，-C2H5……）引入多核苷酸的任何位置，烷基化的核苷酸将产生配对错误而引起突变。如硫酸二乙酯可使鸟嘌呤（G）乙酰化成烷基鸟嘌呤而与T配对，产生G-C到A-T的转换。④5-溴尿嘧啶（5-BU）、2-氨基嘌呤（2-AP）等碱基类似物。碱基类似物在DNA复制时可取代正常的碱基，引起配对错误而导致突变。例如5-溴尿嘧啶（5-BU）的结构与胸腺嘧啶（T）相类似，它的特点是既可以和腺嘌呤（A）配对，也可以与鸟嘌呤（G）配对。如果掺入DNA后，5-BU一直是与A配对，则问题不大；如与A配对后再与G配对，则会导致A-T变成G-C。同样，如果5-BU掺入后先取代C而与G配对，则会使G-C变成A-T。⑤吖啶类和焦宁类等扁平分子构型的芳香族化合物。能插入DNA分子的2个相邻的碱基间，使它们分开导致碱基对增加或缺失，引起移码突变。

（3）生物因素：在生物因素中，病毒如麻疹、风疹、流感和疱疹病毒等，是诱发突变的明显因素，但病毒的诱变作用还不完全清楚。真菌和细菌虽不能直接引起突变，但它们所产生的毒素或代谢物具有诱变作用。如黄曲霉菌所产生的黄曲霉素对若干种实验动物有致突变作用，被认为可能是引起肝癌的一种致癌物质。

4．动态突变　在人类基因组中的短串联重复序列，尤其是基因编码序列或侧翼序列的三核苷酸重复，在一代代传递过程中重复次数发生明显增加，从而导致某些遗传病的发生，称为动态突变（dynamic mutation）。动态突变与以往经典的由于碱基插入、丢失或置换引起的突变不同。由于碱基插入、丢失或置换引起的突变在突变率方面，突变基因与祖先基因相比并无区别。而动态突变是其三核苷酸拷贝数的改变，突变率与其拷贝数有关。即拷贝数越高者其突变率越高，造成突变基因与祖先基因突变率有所不同。这种遗传不稳定序列在不同世代中拷贝数的变化解释了以前无法解释的遗传早现和不完全外显等现象。

（二）基因突变的修复机制

自然界的诱变因素很多，DNA分子或基因片段在各种诱变因子直接或间接的作用下，均可受到损伤而导致基因突变。然而基因是相对稳定的。基因稳定性的实现依靠DNA损伤的修复。细胞具有3种修复系统：即光修复、切除修复和重组修复。其中切除修复为人类DNA损伤的主要修复方式。

切除修复（excision repair）的特点是将损伤部位切除，然后用正确配对的、完好的碱基来代替。这是修复损伤最为普遍的方式。其过程比光修复要复杂得多，有多种酶和基因参加此过程。基本步骤可归纳为：识别、切除、修复、连接4步。①通过特异的核酸内切酶识别损伤部位，并在二聚体的5′端作一切口；②由外切酶从5′端至3′端方向切除损伤的单链片段；③在DNA聚合酶的作用下，以损伤处相对应的互补链为模板合成新的单链片段，以填补切除后留下的空隙；④在DNA连接酶的作用下，将新合成的单链片段与原有的单链以磷酸二酯键相接，完成修复过程。

如果机体细胞中的切除修复系统有缺陷便会导致严重后果，着色性干皮病（XP）患者体内缺乏核酸内切酶等修复过程所必需的酶，使紫外线诱发的胸腺嘧啶二聚体无法修复，故患者对光过敏，皮肤出现红斑、色素沉着、角化等症状，最终导致皮肤癌。