第十章遗传物质的改变二基因突变.docx

1、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（point mutation）。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-aneous mutation） ；由人们有意识地应用一些物理、化学因素诱发的，则

2、称为诱发突变（induced mutation）。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（morphological mutations）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（Ancon sheep）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（visible muta-tions）。（2）生化突变（biochemical mutations）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

3、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（lethal mutations）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

4、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5090个体死亡）和低活性（subvitals，使5010个体死亡）等。（4）条件致死突变（conditional lethal mutation）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

5、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

6、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（bud sport）。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（citrus reticulata）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

7、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01，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05。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

8、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

9、显性基因引起，患者四肢粗短。根据Mrch（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）=4.210-5Neel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

10、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Aa叫做正突变（forwardmutation），则aA就叫做回复突变（back mutation）。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（histidine requirement，

11、his-）的正突变率是210-6；而由组氨酸缺陷型突变为野生型的回复突变率是410-8，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（suppressor mu-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-tant stock）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

12、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

13、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 102）。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

14、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

15、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

16、藏69年后，突变率就从1增加到1.65.3，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

17、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

18、，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

19、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

20、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104）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

21、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

22、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105）。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

23、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

24、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106）。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（pedigree analysis）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107

25、）。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

26、时间后，观察各组分在电场（electric field）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-phosphate dehydrogenase）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

27、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，如射线、射线、中子、质子及紫外线（ultravio-let，uv）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-energy radiation）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

28、和诱变 生物体接触的辐射线有X射线、射线、射线、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、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

29、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102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110-3左右；但有时可达110-1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

30、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（quanta energy）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2，000 r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

31、，等等（图108）。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（natural populations）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（ultraviolet radiation）也可