四、基因突变的作用机理

基因突变的作用机理

基因突变是由于DNA分子中核苷酸序列的改变，随之基因作用改变，最后导致个体表型的改变。引起基因突变的理化因素很多，但每种诱变因素的诱变机理各有其特异性。

（一）紫外线诱变机理

紫外线的波长范围是136～390nm，其中对诱变有效的范围是200～300nm，而260nm效果最好，它能使原子中的内层电子提高能量，而成为活化分子，由于紫外线带有大约3～5ER的能量（能量很少，穿透力弱不足以引起物质的电离，属非电离射线），它足以引起一个分子中某些化学键发生断裂、交联而产生化学变化，其主要效应是形成胸腺嘧啶二聚体。

DNA中嘧啶对紫外线诱变的敏感性要比嘌呤大10倍左右，常见T—T二聚体以共价键在相邻的二个碱基间联结而成的嘧啶二聚体，是发生在DNA的同一条链上的两个相邻的胸腺嘧啶残基间形成TT聚体，也可形成TC或CC二聚体。大剂量的紫外线照射，能引起DNA双螺旋的局部变性，可使两条互补链上的两个嘧啶残基互相靠近而形成二聚体，从而引起交联。当DNA复制时，两链间的交联会阻碍双链的分开与复制，同一条链上相邻胸腺嘧啶之间二聚体的形成，则会阻碍碱基的正常配对，这样，不是导致复制的突然停止，就是导致在新形成的链上诱发一个改变了基因序列。

（二）X射线的诱变机理

人体接受的辐射中，X射线能将原子中的电子激发而形成正离子，它属于电离辐射，经X射线处理后的DNA分子，发现有核酸碱基的化学变化，氢键的断裂，单链或双链的断裂，双链之间的交联，不同DNA分子之间的交联，以及DNA和蛋白质之间的交联而诱发突变，同时电离辐射的能量被水分子所吸收，水分子失去电子变成正离子，电子若被另一个水分子捕获，这个水分子就变成水的负分子：

H2O+e-→H2O-

刚形成而不稳定的离子立刻分解，形成H°和OH°自由基，当这些自由基和细胞中溶解的氧发生反应后，生成过氧基HO°2，这种氧化物质转移到核苷酸双链中去，能引起DNA分子结构形式的改变，形成碱基类似物，导致碱基置换发生突变。

一般来说，辐射所含的能量愈大，可使原子轨道上的电子变化以及分子共振态的改变也愈强，因而诱变的效率更高。除X射线外，γ射线也是能量极高的辐射，能使轨道上的电子完全离开原子，而造成电离。

（三）热的作用机理

从分子运动学说来分析，在一般情况下，温度升高10℃，化学反应的速率加快1～2倍，由于温度上升后，碰撞得更加频繁，同时也由于分子变成活化态，使胞嘧啶（C）脱氨基转变成尿嘧啶（U），从而导致碱基对配对错误。因此，热能诱发突变为GC—AT转换，个别情况下也可产生GC—CG颠换。

（四）化学诱变剂的作用机理

有一些化合物，其结构类似碱基，在DNA复制中，引起配对错误，改变了核酸的化学结构而发挥诱变作用，根据化学诱变因素对DNA的作用方式，一般可把化学诱变剂分为以下几类：

1.烷化剂烷化剂包括的种类很多，其中有最早发现的化学诱变剂——芥子气，还有在工业上广泛应用的硫酸二乙酯、亚硝基胍，还有亚硝酸乙烯亚胺（E1）、甲基磺酸乙酯（EMS）、亚硝基甲基腺（NMU）、羟胺（NH2OH）等，烷化剂可以直接作用于DNA的碱基和磷酸，使之发生烷化，于是鸟嘌呤与糖的结合键发生水肿，并且从DNA链上脱落下来，经过脱嘌呤（depurination）作用的DNA链上造成碱基缺失，然后在复制过程中进一步发生转换或颠换（图6－21），最后导致突变形成。

亚硝酸（HNO2）最明显的诱变作用是脱氢基，使鸟嘌呤变成黄嘌呤，腺嘌呤变成次黄嘌呤，胞嘧啶变成尿嘧啶。在真核生物的细胞中，亚硝酸能使组蛋白和核酸之间形成交联而诱发突变。

羟胺是一种特殊的点突变诱变剂，只诱发产生G—C—→A—T的转换，在真核生物的细胞中，羟胺及其衍生物诱发产生染色体断裂。

2.碱基类似物有些化合物，由于它的结构类似于碱基，使DNA复制中发生配对错误。如5-溴尿嘧啶（Bu）和2-氨基嘌呤（Ap）就有这样的作用，以5-溴尿嘧啶为例：5-溴尿嘧啶是一种碱基类似物，它与胸腺嘧啶有类似的结构，把E.coli培养在含有5-溴尿嘧啶（Bu）的培养液中，菌体里有一部分DNA中的胸腺嘧啶便为Bu所取代，一般DNA中含有Bu 愈多，则群体中发生突变的细菌也愈多，而且已发生突变的细菌，以后在不含溴化物的培养液中多次培养，仍旧保持突变的性状，这是因为正常的DNA分子中，胸腺嘧啶和腺嘌呤处在相对的位置上，Bu像所有天然碱基一样，能从一种结构转变为另一种结构。通常Bu在DNA分子中以酮式状态存在，这时它和胸腺嘧啶一样也能与腺嘌呤配对，但由于5位上的溴影响，Bu有时以烯醇式状态存在于DNA中，当DNA复制到这个碱基时，在它相对位置上便将出现一个鸟嘌呤，而在下一次DNA复制时，鸟嘌呤又按一般情况与胞嘧啶配对，这样原来的A—T碱基对转变为G—C碱基对，Bu的烯醇式可以与鸟嘌呤配对，所以它有时掺入到DNA，取代胞嘧啶的位置，也可引起碱基对的改变。由G—C碱基对改变A—T碱基对，

这个过程完全是上述过程的回复，因为Bu的烯醇式是比较少见的异构体，所以由G—C变为A—T要比A—T变为G—C少得多。

3.引起移码突变的诱变剂这一类化学诱变剂能使DNA分子上增减

一二个碱基，引起碱基突变点以下全部遗传密码的“阅读”顺序发生改变，从而发生转录和翻译上的错误，导致突变。如吖啶类染料、TRC类的化合物等，其中吖啶类是很重要的诱变剂。

遗传密码以三个核苷酸为一组，而且是连续的，如果出现缺失或插入核苷酸以后的密码，都将成为错误密码，转译出来的氨基酸都是错误的，甚至提早终止，这种突变型称为移码突变。例如，一个正常的密码编组是……UUU、AAA、UUU……，当增加一个A时，就使编码顺序改变，成为……AUU、UAA、U……这样就要引起基因突变，相反，失去一个核甘酸对，将引起同样的遗传后果。

吖啶类诱发突变的一个重要特征是：吖啶类化合物所诱发的突变型能用吖啶类来使之回复，但不能有碱基类似物使之回复，这是因为吖啶类引起移码突变是通过增加（+）或减少（-）一个或几个碱基对，所以由增加一个碱基对的突变型，可由邻近一个碱基对的缺失而使遗传密码又回复原来的读法，出现回复突变，这自然不能由碱基对替换完成。

（五）基因的自然突变机理

自然突变多指在无人工诱变的情况下，自发产生的突变。实际上自然突变并不是无缘无故发生的，在细胞内环境中，要求一种绝对稳定的条件是不可能的，DNA的复制需要能量，在提供能量中就可能遇到新情况。在自然条件下，总会遇到一些干扰因子（如代谢过程中的某些产物）来影响遗传物质及其复制过程。

如腺嘌呤一般以氨基（—NH2）的形式而存在，但是它也可以在自然情况下转化成亚氨基（—NH）的形式，这是一种可逆的变化，情形大致如下：

Ai一旦出现，它由于自己分子的性质，不会与胸腺嘧啶配对，而会与胞嘧啶配对（Ai—C），于是在复制过程中，遗传密码就会发生改变，基因突变就可能出现，原来的A—T经复制变成G—C，如果原来的密码子是ATT，现在A通过Ai和胞嘧啶配对，终于由胞嘧啶而出现鸟嘌呤，于是成为新的密码子GTT了。

基因自发突变的另一条途径是C—G转化成T—A，原来胞嘧啶容易失去一个氨基（NH3）而成为尿嘧啶，分子的变化情况如下（注意分子中的—NH2→=0）：

尿嘧啶代替了胞嘧啶以后，在DNA复制中，就会发生有关的碱基置换，即U会与A配对（U—A），然后在进一步的复制中，会出现T与A