基因突变的诱发因素和分子机制

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（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H

2O

2

处理生物时，加入过氧化氢酶可

以降低诱变作用，如果同时再加入氰化钾（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-溴尿嘧啶）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），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；γ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α射线和β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。上述射线都属于电离射线，即能引起物质的电子电离。

紫外线（ultra violet, 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。如鸟嘌呤添加甲基后可变成黄嘌呤（X），不能与任何碱基配对；腺嘌呤氧化脱氨后，变为次黄嘌呤（H），结构类似于鸟嘌呤，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）。这些自由基都不稳定，可相互结合，形成水、氢气和过氧化氢等。

当H

2O

2

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

2

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-巯基嘌呤等。前2种