四、基因突變的作用機(jī)理

基因突變的作用機(jī)理基因突變是由于DNA分子中核苷酸序列的改變，隨之基因作用改變，最后導(dǎo)致個體表型的改變。引起基因突變的理化因素很多，但每種誘變因素的誘變機(jī)理各有其特異性。（一） 紫外線誘變機(jī)理紫外線的波長范圍是136?390nm,其中對誘變有效的范圍是200?300nm,而260nm效果最好，它能使原子中的內(nèi)層電子提高能量，而成為活化分子，由于紫外線帶有大約3?5ER的能量（能量很少，穿透力弱不足以引起物質(zhì)的電離，屬非電離射線），它足以引起一個分子中某些化學(xué)鍵發(fā)生斷裂、交聯(lián)而產(chǎn)生化學(xué)變化，其主要效應(yīng)是形成胸腺嘧啶二聚體。DNA中嘧啶對紫外線誘變的敏感性要比嘌吟大10倍左右，常見T-T二聚體以共價鍵在相鄰的二個堿基間聯(lián)結(jié)而成的嘧啶二聚體，是發(fā)生在DNA的同一條鏈上的兩個相鄰的胸腺嘧啶殘基間形成TT聚體，也可形成TC或CC二聚體。大劑量的紫外線照射，能引起DNA雙螺旋的局部變性，可使兩條互補(bǔ)鏈上的兩個嘧啶殘基互相靠近而形成二聚體，從而引起交聯(lián)。當(dāng)DNA復(fù)制時，兩鏈間的交聯(lián)會阻礙雙鏈的分開與復(fù)制，同一條鏈上相鄰胸腺嘧啶之間二聚體的形成，則會阻礙堿基的正常配對，這樣，不是導(dǎo)致復(fù)制的突然停止，就是導(dǎo)致在新形成的鏈上誘發(fā)一個改變了基因序列。（二） X射線的誘變機(jī)理人體接受的輻射中，X射線能將原子中的電子激發(fā)而形成正離子，它屬于電離輻射，經(jīng)X射線處理后的DNA分子，發(fā)現(xiàn)有核酸堿基的化學(xué)變化，氫鍵的斷裂，單鏈或雙鏈的斷裂，雙鏈之間的交聯(lián)，不同DNA分子之間的交聯(lián)，以及DNA和蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)而誘發(fā)突變，同時電離輻射的能量被水分子所吸收，水分子失去電子變成正離子，電子若被另一個水分子捕獲，這個水分子就變成水的負(fù)分子：H2O+efH2O-剛形成而不穩(wěn)定的離子立刻分解，形成H°和OH°自由基，當(dāng)這些自由基和細(xì)胞中溶解的氧發(fā)生反應(yīng)后，生成過氧基HO°，這種氧化物質(zhì)轉(zhuǎn)移到核苷酸雙鏈中去，能引起DNA分子結(jié)構(gòu)形式的改變，形成堿基類似物，導(dǎo)致堿基置換發(fā)生突變。一般來說，輻射所含的能量愈大，可使原子軌道上的電子變化以及分子共振態(tài)的改變也愈強(qiáng)，因而誘變的效率更高。除X射線外，y射線也是能量極高的輻射，能使軌道上的電子完全離開原子，而造成電離。（三）熱的作用機(jī)理從分子運(yùn)動學(xué)說來分析，在一般情況下，溫度升高10°C，化學(xué)反應(yīng)的速率加快1?2倍，由于溫度上升后，碰撞得更加頻繁，同時也由于分子變成活化態(tài)，使胞嘧啶（C）脫氨基轉(zhuǎn)變成尿嘧啶（U），從而導(dǎo)致堿基對配對錯誤。因此，熱能誘發(fā)突變?yōu)镚C-AT轉(zhuǎn)換，個別情況下也可產(chǎn)生GC-CG顛換。（四）化學(xué)誘變劑的作用機(jī)理有一些化合物，其結(jié)構(gòu)類似堿基，在DNA復(fù)制中，引起配對錯誤，改變了核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)而發(fā)揮誘變作用，根據(jù)化學(xué)誘變因素對DNA的作用方式，一般可把化學(xué)誘變劑分為以下幾類：烷化劑烷化劑包括的種類很多，其中有最早發(fā)現(xiàn)的化學(xué)誘變劑一—芥子氣，還有在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的硫酸二乙酯、亞硝基胍，還有亞硝酸乙烯亞胺（E1）、甲基磺酸乙酯（EMS）、亞硝基甲基腺（NMU）、羥胺（NHOH）等，烷化劑可以直接作用于DNA的堿基和磷酸，使之發(fā)生烷化，于是鳥嘌吟與糖的結(jié)合鍵發(fā)生水腫，并且從DNA鏈上脫落下來，經(jīng)過脫嘌吟（depurination）作用的DNA鏈上造成堿基缺失，然后在復(fù)制過程中進(jìn)一步發(fā)生轉(zhuǎn)換或顛換（圖6-21），最后導(dǎo)致突變形成。亞硝酸（HNO）最明顯的誘變作用是脫氫基，使鳥嘌吟變成黃嘌吟，腺嘌吟變成次黃嘌吟，胞嘧啶變成尿嘧啶。在真核生物的細(xì)胞中，亞硝酸能使組蛋白和核酸之間形成交聯(lián)而誘發(fā)突變。羥胺是一種特殊的點突變誘變劑，只誘發(fā)產(chǎn)生G—C—-A—T的轉(zhuǎn)換，在真核生物的細(xì)胞中，羥胺及其衍生物誘發(fā)產(chǎn)生染色體斷裂。堿基類似物有些化合物，由于它的結(jié)構(gòu)類似于堿基，使DNA復(fù)制中發(fā)生配對錯誤。如5-漠尿嘧啶（Bu）和2-氨基嘌吟（Ap）就有這樣的作用，以5-漠尿嘧啶為例：5-漠尿嘧啶是一種堿基類似物，它與胸腺嘧啶有類似的結(jié)構(gòu)，把E.coli培養(yǎng)在含有5-漠尿嘧啶（Bu）的培養(yǎng)液中，菌體里有一部分DNA中的胸腺嘧啶便為Bu所取代，一般DNA中含有Bu愈多，則群體中發(fā)生突變的細(xì)菌也愈多，而且已發(fā)生突變的細(xì)菌，以后在不含漠化物的培養(yǎng)液中多次培養(yǎng)，仍舊保持突變的性狀，這是因為正常的DNA分子中，胸腺嘧啶和腺嘌吟處在相對的位置上，Bu像所有天然堿基一樣，能從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)。通常Bu在DNA分子中以酮式狀態(tài)存在，這時它和胸腺嘧啶一樣也能與腺嘌吟配對，但由于5位上的漠影響，Bu有時以烯醇式狀態(tài)存在于DNA中，當(dāng)DNA復(fù)制到這個堿基時，在它相對位置上便將出現(xiàn)一個鳥嘌吟，而在下一次DNA復(fù)制時，鳥嘌吟又按一般情況與胞嘧啶配對，這樣原來的A—T堿基對轉(zhuǎn)變?yōu)镚—C堿基對，Bu的烯醇式可以與鳥嘌吟配對，所以它有時摻入到DNA，取代胞嘧啶的位置，也可引起堿基對的改變。由G—C堿基對改變A—T堿基對，這個過程完全是上述過程的回復(fù)，因為Bu的烯醇式是比較少見的異構(gòu)體，所以由G-C變?yōu)锳-T要比A-T變?yōu)镚-C少得多。3.引起移碼突變的誘變劑這一類化學(xué)誘變劑能使DNA分子上增減一二個堿基，引起堿基突變點以下全部遺傳密碼的“閱讀”順序發(fā)生改變，從而發(fā)生轉(zhuǎn)錄和翻譯上的錯誤，導(dǎo)致突變。如吖啶類染料、TRC類的化合物等，其中吖啶類是很重要的誘變劑。遺傳密碼以三個核苷酸為一組，而且是連續(xù)的，如果出現(xiàn)缺失或插入核苷酸以后的密碼，都將成為錯誤密碼，轉(zhuǎn)譯出來的氨基酸都是錯誤的，甚至提早終止，這種突變型稱為移碼突變。例如，一個正常的密碼編組是……UUU、AAA、UUU……，當(dāng)增加一個A時，就使編碼順序改變，成為……AUU、UAA、U……這樣就要引起基因突變，相反，失去一個核甘酸對，將引起同樣的遺傳后果。吖啶類誘發(fā)突變的一個重要特征是：吖啶類化合物所誘發(fā)的突變型能用吖啶類來使之回復(fù)，但不能有堿基類似物使之回復(fù)，這是因為吖啶類引起移碼突變是通過增加（+）或減少（-）一個或幾個堿基對，所以由增加一個堿基對的突變型，可由鄰近一個堿基對的缺失而使遺傳密碼又回復(fù)原來的讀法，出現(xiàn)回復(fù)突變，這自然不能由堿基對替換完成。（五）基因的自然突變機(jī)理自然突變多指在無人工誘變的情況下，自發(fā)產(chǎn)生的突變。實際上自然突變并不是無緣無故發(fā)生的，在細(xì)胞內(nèi)環(huán)境中，要求一種絕對穩(wěn)定的條件是不可能的，DNA的復(fù)制需要能量，在提供能量中就可能遇到新情況。在自然條件下，總會遇到一些干擾因子（如代謝過程中的某些產(chǎn)物）來影響遺傳物質(zhì)及其復(fù)制過程。如腺嘌吟一般以氨基（一NH）的形式而存在，但是它也可以在自然情況下轉(zhuǎn)化成亞氨基（一NH）的形式，這是一種可逆的變化，情形大致如下：Ai一旦出現(xiàn)，它由于自己分子的性質(zhì)，不會與胸腺嘧啶配對，而會與胞嘧啶配對（Ai-C），于是在復(fù)制過程中，遺傳密碼就會發(fā)生改變，基因突變就可能出現(xiàn)，原來的A-T經(jīng)復(fù)制變成G-C，如果原來的密碼子是ATT，現(xiàn)在A通過Ai和胞嘧啶配對，終于由胞嘧啶而出現(xiàn)鳥嘌吟，于是成為新的密碼子GTT了?；蜃园l(fā)突變的另一條途徑是C-G轉(zhuǎn)化成T-A，原來胞嘧啶容易失去一個氨基（NH）而成為尿嘧啶，分子的變化情況如下（注意分子中… _…一 、 3的一NHf=0）：2尿嘧啶代替了胞嘧啶以后，在DNA復(fù)制中，就會發(fā)生有關(guān)的堿基置換，即U會與