第四章 基因突变及突变的分子基础

第四章基因突变及突变的分子基础

生物的性状变异包括遗传变异（由于细胞内遗传物质的结构、组成及排列方式改变而产生，可在世代间传递）和不可遗传变异（由环境因素引起，不能在世代间传递）。

根据遗传物质的改变方式，通常将遗传变异分为：基因重组（非等位基因的自由组合和连锁基因交换）、基因突变、染色体结构和数目变异。

第一节基因的概念及其发展

一、经典遗传学的基因概念

19世纪，达尔文在《物种起源》提出了泛生假说，认为遗传物质存在于生物器官的“泛生粒”这是基因概念的萌芽。Mendel通过豌豆杂交实验，提出了生物的性状是由遗传因子（inherited factor）控制的。1909年，丹麦遗传学家Johnsom提出了基因（gene）这个名词，取代了Mendel的遗传因子，一直应用至今。Morgan及其同事们以果蝇、玉米为材料，经过大量研究，建立了以基因和染色体为主体的经典遗传学。

经典遗传学关于基因的概念有如下几个要点：

1、基因是不连续的颗粒状因子，在染色体上有固定的位置，并且呈直线排列，具有相对的稳定性。基因能自我复制，在有机体内通过有丝分裂有规律地传递，在上下代之间能通过减数分裂和受精作用有规律地传递。

2、基因作为一个功能单位控制有机体的性状表达。

3、以整体进行突变，是突变的最小单位。

4、基因在交换中不再被分割，是重组的最小单位。

交换、突变都涉及基因的结构，因此突变单位和重组单位也统称为结构单位。经典遗传学认为基因既是一个结构单位，又是一个功能单位。倒底基因是什么物质构成的，基因的本质是什么，经典遗传学无法回答这个问题。

二、现代遗传学的基因概念

40年代以后，随着分子遗传学的飞速发展，对基因有了越来越深刻的认识。DNA双螺旋模型的建立、遗传密码的破译，使基因的概念获得了更加具体的内容。

要点如下：

1、基因位于DNA分子上，一个基因相当于DNA分子上的一个区段。

2、每一个基因都携带有特殊的遗传信息，这些遗传信息或者被转录为RNA并进而翻译为多肽；或者只被转录为RNA即可行使功能；或者对其他基因的活动起调控作用。

3、基因在结构上并不是不可分割的最小单位，一个基因还可以划分为若干个小单位：

①突变单位（突变子muton）：发生突变的最小单位。最小的突变子是一个核苷酸对。

②重组单位（重组子recon）：可交换的最小单位。最小的重组单位也可以只是一个核苷酸对。

③功能单位（顺反子cistron，又叫作用子）：顺反子是基因中指导一条多肽链的合成DNA 序列，平均大小约为500-1500bp。顺反子是与经典概念的功能单位相当的概念，表示基因是一个在遗传功能上起作用的最小单位。

怎样判断一个基因呢？有两个标准：①可转录一条完整RNA分子，或编码一条多肽链的DNA序列。②功能上被顺反测验（cis-trans test）或互补测验(complementary test)所规定。

经典概念与现代概念的比较

分子遗传学关于基因的概念保留了功能单位的解释，而否定了结构单位的说法。一个基因内实际包含了大量的突变单位和重组单位，而不是如经典概念所描述的，一个基因就是一个突变单位，一个重组单位。无论是经典遗传学还是现代分子遗传学都认为基因是遗传功能的最小单位。

三、基因概念的进一步发展

随着分子遗传学的不断发展，关于基因的认识也在不断地发展，是基因的概念有了新的内容。

结构基因（structural gene）：可以编码一个RNA分子或一条多肽链的一段DNA序列。

调控基因（regulator gene）：其产物参与调控其他结构基因表达的基因。

重叠基因（overlapping gene）：同一个DNA序列可以参与编码两个以上的RNA或多肽链。不连续基因（splitting gene）：在一个基因内，编码序列（exon）与非编码序列（intron）相间排列。

跳跃基因（jumping gene）：可以在染色体上移动位置的基因。

假基因（pseudogene）：已经丧失功能，但是结构还存在的DNA序列

第二节基因突变及其特征

一、基因突变（gene mutation）的概念

（一）基因突变的概念

基因突变就是指染色体上基因内部发生化学性质的变化变成原基因的等位基因（与原来的基因形成对性关系）。经典遗传学(基因论)认为：基因就是一个“点”，例如：由高秆D突变为矮秆基因d。由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体，称为突变体（mutant）或突变型。基因突变是生物界的普遍现象，是新基因的唯一来源，是生物进化的原材料。任何物种都会发生基因突变。例如，有角的动物中会突然出现无角的个体，有些小麦群体中会出现无芒植株，大肠杆菌中会出现不能合成某些氨基酸的菌株等。

基因突变可以自然发生，也可人为诱导。自然环境条件（外界环境因素的自然作用或生物体内在的生理生化过程的改变）下发生的突变，称为自发突变（spontaneous mutation）,人们也可以有意识地应用物理、化学因素诱发生物产生突变，诱发产生的突变称为诱发突变（induced mutation）。

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，Mrogan 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Mrogan和他的学生们所用的很多突变型果蝇都是自发产生的。（二）自发突变的原因

自然界中的辐射，如宇宙射线、生物体内的放射性碳、放射性钾等。

温度的极端变化是另一种诱变因素。在黄鹌菜中，用＞40℃和低于0℃的温度处理，都能增加其突变率。但总的看来，温度的作用还比不上自然辐射。

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1×10-5，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1.6-5.3%，贮藏10年以后，可达14.3%。

2、从陈种子中可以提取到诱变物质。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。

二、基因突变的一般特征

（一）突变的重演性

同一性质的突变可以在同种生物的不同个体间多次发生，称为突变的重演性。例如，果蝇白眼突变多次在摩尔根的实验中出现。正是由于突变具有重演性，计算其突变率才有意义。（二）突变的稀有性

任何基因都以极低的频率发生突变，在有性生殖的个体中，突变率表示单位时间内某一基因突变发生的概率。在实践中，难以准确估计。因此，通常用突变频率来估算突变率。突变频率指突变体在一个世代群体中所占的频率。有性生殖生物突变频率通常指配子发生突变