第十章遗传物质的改变二基因突变.docx
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第十章遗传物质的改变二基因突变
第十章遗传物质的改变二基因突变
所谓基因突变，就是一个基因变为它的等位基因。
基因突变是染色体上一个座位内的遗传物质的变化，所以也称作点突变（pointmutation）。
第一节基因突变概说
基因突变在生物界中是很普遍的，而且突变后所出现的性状跟环境条件间看不出对应关系。
例如有角家畜中出现无角品种，禾谷类作物中出现矮秆植株，有芒小麦中出现无芒小麦，大肠杆菌中出现不能合成某些氨基酸的菌株等，都看不出突变性状与环境间的对应关系。
突变在自然情况下产生的，称为自然突变或自发突变（spont-aneousmutation）；由人们有意识地应用一些物理、化学因素诱发的，则称为诱发突变（inducedmutation）。
突变体的表型特性突变后出现的表型改变是多种多样的。
根据突变对表型的最明显效应，可以分为：
（1）形态突变（morphologicalmutations）突变主要影响生物的形态结构，导致形状、大小、色泽等的改变。
例如普通绵羊的四肢有一定的长度，但安康羊（Anconsheep）的四肢很短，因为这类突变可在外观上看到，所以又称可见突变（visiblemuta-tions）。
（2）生化突变（biochemicalmutations）突变主要影响生物的代谢过程，导致一个特定的生化功能的改变或丧失。
例如链孢霉的生长本来不需要在培养基中另添氨基酸，而在突变后，一定要在培养基中添加某种氨基酸才能生长，这就发生了生化突变。
（3）致死突变（lethalmutations）突变主要影响生活力，导致个体死亡。
致死突变可分为显性致死或隐性致死。
显性致死在杂合态即有致死效应，而隐性致死则要在纯合态时才有致死效应。
一般以隐性致死突变较为常见，如上面讲过的镰形细胞贫血症的基因就是隐性致死突变。
又植物中常见的白化基因也是隐性致死的，因为不能形成叶绿素，最后植株死亡。
当然，有时致死突变不一定伴有可见的表型改变。
致死突变的致死作用可以发生在不同的发育阶段，在配子期，胚胎期，幼龄期或成年期都可发生。
如女娄菜的细叶基因b是配子致死，而小鼠的黄鼠基因Ay在纯合时是合子致死。
致死基因的作用也有变化。
基因型上属于致死的个体，有全部死亡的，有一部分或大部份活下来的。
从而根据基因的致死程度，可以分为全致死（使90％以上个体死亡），半致死（semilethals，使50—90％个体死亡）和低活性（subvitals，使50—10％个体死亡）等。
（4）条件致死突变（conditionallethalmutation）在某些条件下是能成活的，而在另一些条件下是致死的。
例如噬菌体T4的温度敏感突变型在25℃时能在E.coli宿主中正常生长，形成噬菌斑，但在42℃时就不能这样。
上面这样的分类，只是为了叙述的方便，事实上相互之间是有交叉的。
因为基因的作用是执行一种特定的生化过程，所以可以说，几乎所有的基因突变都是生化突变。
突变发生的时期突变可在个体发育的任何时期发生。
如某一动物的性腺中某一个配子发生基因突变，则与这个配子结合而产生的个体就是这突变基因的杂合体。
如这突变基因是显性，则子代中这一个体即表现为突变型。
如动物的受精卵在进行第一次核分裂时，一对子染色体中的一条发生一个突变，那末长成的个体中，有一半细胞有这突变基因。
如果这个突变基因是显性，则个体的一半显示不同的性状，就出现所谓嵌合体（mosaic）。
一般地说，在个体发育过程中，突变发生的时期越迟，则生物体表现突变的部分越少。
例如有一种猫，叫做金银眼猫，猫的一只眼睛的虹彩是黄褐色，另一只眼睛的虹彩是蓝色，这大概是在个体发育较后阶段发生突变的结果吧。
在植物里，一个芽在发育的极早时期发生突变，这芽长成枝条，上面着生的叶、花和果实跟其他枝条不同，这叫做枝变或芽变（budsport）。
芽变往往自发地产生，没有明显的外因。
芽变在农业生产上占有重要地位，因为果树和花卉的许多新品种就是由芽变得来的。
例如根据研究，温洲早桔有许多品系来自温洲密桔（citrusreticulata）的芽变。
一般芽变仅限于某一性状，或某一些有关性状，而其他许多性状仍跟原来品种一样，所以应用嫁接、压条等无性繁殖方法，把这些优良性状保存下来，再经过适当选择，可以繁育成为新品种。
讲到微生物等，要区别体细胞和性细胞是不必要的。
因为在这些生物中，整个个体可以从体细胞发育而成。
例如链孢霉可从无性孢子或菌丝片段长成整个个体，所以无性世代发生的突变，以后也可通过有性世代而遗传下去。
突变率在正常的生长条件和环境中，突变率（mutationrate）往往是很低的。
果蝇的X连锁隐性致死基因的突变率约为0．1％，或每一千个测验过的配子中，有一个X染色体有隐性致死突变。
果蝇的第2染色体的自发致死突变率较高，约为0．5％。
果蝇的第3染色体的长短跟第2染色体相似，突变率也差不多。
果蝇的第4染色体是点状染色体，突变率自然也较低。
所以果蝇的总的致死突变率约为1％，或每一百个配子中有一个配子带有新产生的致死基因。
如果我们把产生半致死或低活力效应的为数更多的基因突变率也包括在内，那末果蝇中产生有害效应的基因的总突变率约为5％，或20个配子中有1个。
这5％的数值自然包括很多染色体上座位的突变，所以每一座位上的突变率应该低得多。
果蝇中，测得的单一座位的突变率，数值有变化，但大致上在10-5范围。
其它生物的基因突变率也随基因的不同，而数值各异。
例如在玉米中，蜡质基因WX的突变率测不到，而无色糊粉层基因rr的突变率可高到每十万个配子中有49个突变（表10-1）。
在人类方面，突变率的估计方法之一是根据家系中有显性性状的患儿的出现。
在这些家系中，祖先各代是没有这些性状的；如双亲一方也有同一遗传病，则这名患儿应除去不计。
例如软骨发育不全（achondroplasia）由常染色体显性基因引起，患者四肢粗短。
根据Mφrch（1941）的一个调查，在94，075活产儿中，发现10例为本病患者，其中2例的一方亲体也是本病患者，所以应该除去不计，其余8例的双亲正常，可认为是新突变的结果。
因为这病是显性遗传，而且外显率基本完全，所以每个新生儿被认定患有软骨发育不全时，就表示形成这儿童的两个配子中，有一个配子发生了显性突变，从而每个基因的突变率是
（10-2）／2（94075-2）=4.2×10-5
Neel根据多方面的资料，估计了人的9个不同基因的突变率，发现人类基因的突变率大致上跟果蝇基因的突变率相似，都位于10-5的范围（表10-1）。
玉米和小鼠的突变率跟果蝇和人属于同一范围，但微生物的突变率明显地较低。
突变率的降低或许跟生活史的缩短有关。
象细菌这样单细胞生物中，突变率是以细胞分裂为基础来计算的，而在象果蝇和小鼠这样多细胞生物中，每一世代时间（generationtime）包括很多次连续的细胞分裂，而在每一次细胞分裂中都可发生突变，突变率自然就要高些。
突变的可逆性突变是可逆的。
基因A可以突变为基因a，基因a又可突变成原来的状态，A。
如果把A→a叫做正突变（forwardmutation），则a→A就叫做回复突变（backmutation）。
正突变和回复突变的频率一般是不同的。
例如大肠杆菌中，野生型（his+）突变为组氨酸缺陷型（histidinerequirement，his-）的正突变率是2×10-6；而由组氨酸缺陷型突变为野生型的回复突变率是4×10-8，即
在鉴定回复突变时，应该注意区分：
（1）真的回复突变，突变发生在同一座位，跟正突变一样；
（2）抑制因子突变（suppressormu-tation），突变发生在另一座位上，但是掩盖了原来突变型的表型效应。
在微生物中，抑制因子突变，通常可以通过回复品系（rever-tantstock）与野生型杂交，观察子裔中有否突变型重新出现（图10-1）。
如果有突变型出现，这就意味着，抑制因子和原来突变已经相互分开，使突变型重新出现。
如果这种杂交的后代中没有突变型出现，有力地表明，回复突变与抑制作用无关。
根据回复突变的出现，常常可以把点突变跟较大的突变效应，例如缺失等，区分开来。
因为缺失包括遗传物质的丧失，一个回复突变恰好补全了失去的遗传物质几乎是不可能的。
相反的，由微小的化学改变引起的点突变，没有遗传物质的明显获得或缺失，是比较容易回复的，所以回复突变可以排除缺失或重复等。
突变的多方向性与复等位基因一个基因可以向不同的方向发生突变，换句话说，它可以突变为一个以上的等位基因。
例如基因A可以突变为等位基因a1或a2、a3……等。
因而，在这个座位上，一个个体的基因型可以是AA，也可以是Aa1，Aa2，a1a2，……等任何组合。
一个座位上可以有两个以上的基因状态存在，叫做复等位基因，这在前面已介绍过。
例如在小鼠中，影响毛色的复等位基因有A+（鼠色），Ay（黄色），a（黑色），……等多个。
在家蚕中，影响幼虫皮斑的复等位基因有P（白蚕），+p（普通斑），Ps（黑缟）等16个，而且这数目可能会增加。
因为有复等位基因的存在，所以一个基因的突变可以是多方向的。
例如黑腹果蝇的野生型红眼基因（W+）可以突变为曙红眼基因（We），曙红眼基因又可回复突变为野生型基因，或突变为W座位上的其他等位基因，如杏色眼基因（Wa），浅黄眼基因（Wbf）等。
这说明突变的多方向性（图10－2）。
但每一基因的突变方向，也不是漫无限制的。
例如小鼠的毛色基因（A）的突变，一般在色素的范围内，还没有发现越出这个范围的。
因此所谓突变的多方向性也是相对的。
自发突变的原因自发突变是很早就知道了的。
上面已提到过，在家养动物和园艺植物中，时常有突变体出现。
在1910年，摩尔根用白眼果蝇证明有伴性遗传现象。
但最初一只白眼果蝇是在野生型果蝇的培养瓶中自发出现的，以后摩尔根和他的学生们所用的很多突变型也都是自发产生的。
那就是说，这些突变型不是用人工方法诱发的。
事实上，差不多要在20年以后，才知道突变是可以诱发的。
自发突变是怎样产生的，到现在还不十分了解。
自然界中的辐射，如宇宙线、生物体内的放射性碳和钾等，可能是一种原因，但自然界中的电离辐射强度不足以说明自发突变的全部，可能只能说明其中的极小一部分。
温度的极端变化是另一种诱变因素。
例如有人认为极端温度是黄鹌菜（Crepis）自发突变的重要因素。
虽然基因突变率随温度升高而增加，用过高的温度（例如40℃）或过低温度（例如0℃）处理，也可增加突变率，但总的看来，温度在自发突变中的重要性还比不上自然辐射。
自从知道化学药品可以诱发突变后，不久就意识到周围环境中各种化学物质的潜在诱变性。
不过自发突变不能单单归因于外界因素，也应考虑到体内或细胞内某些生理、生化过程所产生的物质的作用。
支持这一论点的证据是：
（1）植物的种子贮藏久了，常常增加突变率。
例如在正常情况下，金鱼草的突变率大约是1％（包括所有的基因，如果每个基因的突变率是100万中10个，那末如果一个配子中共有1，000个座位的话，即可得到1％）。
但种子贮藏6—9年后，突变率就从1％增加到1.6—5.3％，贮藏10年后可达14.3％。
（2）从陈种子中可提取一些诱变物质。
例如从烟草的陈种子中压出油来，用这种油处理同一烟草品种的新鲜种子。
从这样种子长出来的幼苗，突变种类跟自发突变相似，但突变频率增加。
（3）把番茄种在很干燥的条件下，提高番茄细胞的渗透压，以后从它们的F2和F3可以分离出多数突变体。
总之，自发突变的原因还不很清楚，可能外界因素和内部因素都有作用
第二节突变的检出
从孟德尔的实验开始，要知道一个基因的存在，通常要依靠这个座位上的不同等位基因所产生的表型改变。
有了不同等位基因所产生的表型改变，才使我们能够观察性状的遗传方式。
如果某一座位的所有等位基因在表型效应上是相似的，那么这样的基因在作用上缺乏独特的标志，始终作为正常表型的一部分，没有办法把它检查出来。
换句话说，如果基因没有等位上的差异，就不能用孟德尔遗传试验方法检查出来；只有当这种等位上的差异存在时，才使我们可以推论，有某一特定基因存在。
所以察看基因突变，主要就是检出能产生新的表型效应的不同等位基因。
果蝇突变的检出虽然摩尔根等已在果蝇中找到几百种突变型，并用在遗传学研究上；但是定量地测定新突变，还有赖于摩尔根的学生Muller所发展的几种独创性的技术。
我们现在介绍如何用Muller-5技术来检出果蝇X染色体上的隐性突变，特别是致死突变。
Muller-5品系的X染色体上带有B（Bar，棒眼）和wa（apri-cot，杏色眼），此外X染色体还有一些倒位，可以抑制Muller-5的X染色体与野生型X染色体的重组。
实验时，把野外采集的，或经过诱变处理的雄蝇，与Muller-5雌蝇交配，得到子一代后，做单对交配，看子二代的分离情况。
如有致死突变，子二代中没有野生型雄蝇，如有隐性的可见突变，则除Muller-5雄蝇外，出现具有可见突变的雄蝇（图10-3）。
这个技术的缺点：
（1）只能检出完全致死（100％致死）的隐性基因，而且这种致死作用要发生在成蛹期以前。
（2）有时Y染色体上有些正常作用的基因，可降低X的致死作用。
但我们要分析的主要是子二代的雄蝇的致死作用，所以有时结果受到影响，不能正确地估计隐性致死突变率。
这个技术的好处：
（1）子二代中有野生型雄蝇，还是没有野生型雄蝇，可以客观地决定。
进一步研究。
（3）可研究致死基因
（1）在杂合体中的作用。
（4）也可检出可见突变，但同时具有致死作用时，则无法检出。
除了检验X连锁隐性突变以外，也可检出常染色体上的变突基因。
例如要检出果蝇的第二染色体上的突变基因，可利用下面这样的一种平衡致死系统。
一条第2染色体上有一显性基因Cy（curly，翻翅），这是纯合致死的，同时还有一个大倒位。
另一条第2染色体上有另一显性基因S（star，星状眼），也是纯合致死的。
从而这就是平衡致死系统。
这个系统同时又是倒位杂合体。
现在把这系统的雌蝇与要检验的雄蝇交配，在子一代中选取翻翅雄蝇，再与这系统的雌蝇单对交配，分别饲养。
在子二代中选取翻翅个体相互交配，在子三代时：
（1）如最初第2染色体上不带有致死基因，则有33％左右的野生型。
（2）如最初的第2染色体上带有致死基因，则只有翻翅果蝇。
（3）如最初第2染色体上含有隐性可见突变，则除翻翅果蝇外，还有33％左右的突变型。
（4）如最初第2染色体上含有半致死突变，则野生型很少。
上面这些结果，用图（图10－4）表示。
链孢霉突变的检出链孢霉中，营养突变的筛选（screening）方法是Beadle和Tatum（1945年）最初提出来的。
这方法的根据是这样的：
野生型菌株能合成一系列化合物，所以能在含有糖，某些无机酸和盐类，一种氮源和一种维生素——生物素（biotin）的基本培养基上生长，但大多数缺陷型菌株不能合成这种或那种化合物，不能在基本培养基上生长，但能生长在完全培养基上所谓完全培养基是在基本培养基上再添加酵母和麦芽抽提物，以及水解酪蛋白等，这种培养基含有各种氨基酸和维生素等。
要检出营养突变时，可把链孢霉菌株分别长在完全培养基和基本培养基上。
如果在完全培养基上能够生长，而在基本培养基上不能生长，就可在基本培养基上添加单一维生素或氨基酸。
如果在添加某一营养物后可以生长，就知道这个菌株不能合成某一营养物，所以是某一营养物的缺陷型。
具体做法如下：
培养野生型链孢霉，用X线或紫外线等照射分生孢子，或用化学药剂处理，希望能引起突变。
把这些处理过的分生孢子，与相对交配型的野生型链孢霉交配，由此长出子囊孢子。
从子囊中取出子囊孢子，分别培养在完全培养基上。
链孢霉的突变型一般能在这里生长和发育。
从完全培养基生长起来的链孢霉又形成分生孢子。
取出一部分分生孢子培养在基本培养基里，观察它们的生长，如生长正常，表示没有发生突变；如果不能生长，表示已发生了突变（图10－5）。
接着要分析，发生了什么突变，把这突变型的分生孢子从完全培养基里取出来，分别培养在不同的培养基上：
（1）完全培养基，突变型一般能在这里生长；
（2）基本培养基。
突变型不能在这里生长；
（3）基本培养基，加上各种氨基酸，如突变型还是不能在这里生长，表示加了氨基酸也没有用，不是控制氨基酸合成的基因发生突变，它是能合成各种氨基酸的。
（4）基本培养基，加上各种维生素，如突变型能在这里生长，表明突变型是在控制某种维生素合成的基因发生了突变，使它不能合成某种维生素，所以在基本培养基中添加了这种维生素后就能生长。
这样地依次分析下去，就可知道是那一种维生素不能合成。
如果发现它只能在含有泛酸的基本培养基里生长，那就表明这种生化突变型是控制泛酸合成的基因发生了突变，其它基因没有发生突变。
为了进一步确定发生的变异是由一个基因控制的，还要做这样的工作。
把经过上述方法检查出来的突变型，跟不同交配型的野生型交配，看由此产生的子囊孢子的发育，表现出什么样的分离现象，如表现为1：
1的分离，即4个是野生型，4个是突变型，那就表明是一个基因的突变（图10－6）。
用上述的分析方法，发现了几百种生化突变型。
这些生化突变型的研究，不仅阐明了基因和代谢的一些关系，而且丰富了生物化学的内容。
人的突变的检出在人中，上述方法自然不能用，所以突变的检出得依靠家系分析（pedigreeanalysis）和出生调查。
一般地说，常染色体隐性突变难以检出，因为一个隐性性状的出现，很可能是由于两个杂合个体的婚配，而不是由于隐性突变的缘故。
相反的，显性突变的起源就比较容易检出，只要遗传方式规则，一个家系中，如果一个人有一显性突变性状，而他（或她）的父母是正常的，这就表明是一个新的突变（图10－7）。
如果显性性状的遗传方式不规则，例如双亲之一可能带有这个基因，但没有表达出来，这样显性性状的起源又难以确定。
因为男人X染色体只有一个，所以X连锁隐性突变的起源，有时可从家系分析中检出。
如果一个女人对一个新突变的基因是杂合体，她的半数男孩将带有这个性状。
然而X连锁性状的检出，也可发生误差，因为我们难以确定，杂合体女性所带有的突变基因是新产生的呢，还是从她的祖先传递下来的。
所以人类中突变的检出，最可靠的还是限于显性基因。
关于人的显性基因的突变率的计算，我们已在“突变率”一项中说明过。
最近提出的检出人类突变的另一个方法，是筛选各种蛋白质或酶的微小变异。
使蛋白质的各组分带上电荷，在电场中移动，经一定时间后，观察各组分在电场（electricfield）中的相对位置。
通过这种电泳（electrophoresis）技术，可把某一蛋白质的微小差异检查出来，例如人的快速泳动和慢速泳动的葡萄糖6磷酸脱氢酶（glucose-6-phosphatedehydrogenase）等。
这些微小差异都是遗传的，可在家系中一代代追循。
虽然这种变异通常并不产生形态上或生理上的效应，但是这种变异的存在，表明蛋白质中氨基酸排列顺序可以由突变而改变。
这个技术有一个严重的限制，因为并不是所有氨基酸改变都可由电泳检出，所以某一蛋白质的突变率可能低估。
但这种技术如能广泛应用，可能对突变的原因、性质、种类、频率等可有更多的了解。
第三节诱发突变
在1927年，Muller用X射线处理果蝇精子，证明可以诱发突变，显著地提高突变率。
差不多同一时期，Stadler用X射线和γ射线处理大麦和玉米种子，也得到相似的结果。
随着研究的进展，知道其它各种辐射，如α射线、β射线、中子、质子及紫外线（ultravio-let，u．v．）等都有诱变作用。
这些发现是很重要的，因为
（1）提供一些新的有效方法，可以得到很多遗传学分析和育种上有用突变品系；
（2）通过诱发突变可以用来研究突变过程的性质；
（3）证明高能辐射（high-energyradiation）和相当数目的化学品，不仅对直接接触到的人造成伤害，而且对他们的后代也有潜在的危险。
辐射和诱变生物体接触的辐射线有X射线、α射线、β射线、γ射线、以及中子、质子等。
辐射的生物学效应主要取决于它们所含的能量，以及能传递到细胞内原子和分子上的能量。
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。
象X射线、γ射线等，是能量极高的辐射，能使轨道上电子完全离开原子，而造成电离，所以这些辐射叫做电离辐射。
电离辐射的诱变效率高，现在被广泛采用。
辐射剂量的单位用r（roentgen，伦琴）表示。
1r的照射可使1cm3的标准状态的干燥空气产生一静电单位（esu）的电离量。
至于每一r的照射，可以引起多少突变，随生物种类不同，照射器官和处理时间而有多少差异。
现在选择有代表性的几种生物，来看一看每一r的诱变率是多少？
从表10－2看来，每r的诱变率大都在1亿分之1的范围内。
诱发突变的种类跟自发突变很相类似，这不仅在引起基因突变和染色体畸变这两大类上是这样，而且在引起这两大类的细分条目上也是这样。
因此诱发突变并不产生特别的突变型，只不过增加突变的频率而已。
一般地说，辐射剂量低时，诱发突变率是自发突变率的几十倍，辐射剂量高时，诱变率可达自发突变率的几百倍以上，但大多数是在100倍左右，因为自发突变率多在（1-10）×10-6的范围，而诱发突变率在1×10-3左右；但有时可达1×10-1以上，所以辐射诱变在增加突变率上有很大作用。
电离辐射引起遗传损伤的途径，大部分还未了解，但是它们可能以两种方式改变染色体的结构：
（1）直接的，通过能量的量子（quantaenergy）击中染色体，好象子弹击中靶子一样；
（2）间接的，通过电离化（ionization），使细胞内发生化学变化，转而使染色体在复制时产生异常。
一般分裂中细胞比不分裂细胞对辐射敏感。
用γ射线来治疗肿瘤也是同样的理由，迅速分裂中的肿瘤细胞比不分裂的周围细胞敏感得多。
电离辐射的遗传学效应在许多生物中都有研究，并得出两个重要结论：
第一，电离辐射可诱发基因突变和染色体断裂，它们的频率跟辐射剂量成正比。
例如用2，000r的剂量处理果蝇精子，大约产生6％的X连锁隐性致死突变，而剂量为4，000r时，频率大约增至12％，等等（图10－8）。
在相当大的一个剂量范围内，都存在着线性关系。
但是用高剂量辐射诱发X连锁隐性致死突变时，得到的频率比预期低，这可能因为在一个染色体上诱发了一个以上的致死突变。
用Muller-5技术测定的，是带有一个或一个以上的隐性致死突变的X染色体频率，而不是测定隐性致死突变的实际频率。
而且还应当注意到，虽然染色体断裂的频率与照射的剂量成正比，但是象倒位、易位和缺失那样的染色体结构改变就不是线性关系，因为这些畸变需要一个细胞内有两个断裂，然后断片以新的方式连接起来，所以并不预期有线性关系。
第二，辐射效应是累积的。
处理果蝇精子，诱发的突变数跟接受的照射量成正比，而跟照射的方式无关。
低强度长期照射（慢性照射）与高强度短期照射（急性照射），诱发的突变数一样；连续照射与间歇数小时的分次照射，产生的突变数也一样。
在其它生物中，这样确切的关系并不存在。
例如处理小鼠精原细胞时，慢性照射产生的突变率比同剂量的急性照射少。
不过我们可以可靠地说，一个细胞接受的剂量即使只有很小的增加，那个细胞发生突变的概率就增加。
因为在自然群体（naturalpopulations）中出现的大多数突变是有害的，所以对照射源的不必要接触，如果可以避免的话，应该尽量避开它。
紫外线照射紫外线照射（ultravioletradiation）也可
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