1.3　基因突变

基因能在细胞分裂时精确地复制自己，表现出很稳定的特性，但这种稳定性是相对的。在一定的条件下，基因也可以发生改变，从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式，就是在一个位点上，突然出现了一个新基因，代替了原有基因，这个基因叫作突变基因，而发生的这个过程被称为基因突变。基因突变在生物界很普遍，通常发生在DNA复制时期，即有丝分裂间期和减数分裂间期，也可发生在发育的任何时期。

有很多因素可以导致基因突变，按其性质和对遗传物质的作用方式可分为物理因素、化学因素、生物因素等几种类型。（1）物理因素：在多种物理诱变因素中，射线可以有效地诱发基因突变。像X射线、γ射线、α射线、β射线等作用于细胞内的染色体或DNA分子产生电离和激发时，会导致它们的结构发生改变。此外，大量的水吸收电离辐射的能量后发生了电离，产生各种游离基团，游离基团作用于DNA分子，会导致DNA分子结构的改变。其他物理因素，如紫外线，也可以引起基因突变。在紫外线的照射下，DNA分子可能发生多种形式的结构改变，如DNA链的断裂、胞嘧啶水合作用、DNA和蛋白质交联、DNA分子内或分子间交联以及形成嘧啶二聚体等，这些变化都有可能引起基因突变，其中形成嘧啶二聚体（如胸腺嘧啶二聚体）是引起突变的主要原因。（2）化学因素：一些化学物质，像金属离子、生长刺激素、抗生素、农药、生物碱、灭菌剂、色素、染料等，能够引起生物体的基因发生突变。其机理是化学物质能够改变DNA化学结构，使DNA分子复制时出现碱基错配，最终导致基因突变。（3）生物诱变因素：某些病毒如乙肝病毒将其自身的DNA导入到人细胞DNA中，引起基因突变。

基因突变具有多向性、随机性、重复性、可逆性、稀有性、有害性等几种特性。（1）多向性是指任何基因座上的基因，都有可能独立地发生多次不同的突变而形成其新的等位基因。（2）随机性是指基因突变不仅是生物界普遍存在的一种遗传事件，而且对于任何一种生物、任何一个个体、任何一个细胞，乃至任何一个基因来说，突变的发生也都是随机的。只是不同的物种、不同的个体、不同的细胞或者基因，其各自发生基因突变的频率可能并不完全相同而已。（3）重复性是指已经发生突变的基因，在一定的条件下还可能再次独立地发生突变而形成其另外一种新的等位基因形式。亦即，对于任何一个基因位点来说，其突变并非仅囿于某一次或某几次的发生，而是会以一定的频率反复发生。（4）可逆性是指基因的突变是可逆的。任何一种野生型基因都能够通过突变而形成其等位的突变型基因；反过来，突变型基因也可以突变为其相应的野生型基因。（5）稀有性是指尽管基因突变是生物界普遍存在的一种遗传事件，但也是一种非频发的事件，在自然状况下各种生物的突变率都是很低的，一般为10－9—10－6。（6）有害性是指具有决定性意义的基因一旦发生突变，通常都会对生物的生存带来消极或不利的影响，即有害性。生殖细胞或受精卵中基因的突变是绝大多数人类遗传病发生的根本原因；体细胞突变则常常是肿瘤发生的病理遗传学基础。但是，基因突变的有害性往往只是相对的、有条件的，也并非所有的基因突变都会对生物的生存及其种群繁衍带来不利或者有害的影响。事实上，有些突变往往只引起非功能性DNA序列组成的改变，并不造成核酸和蛋白质正常功能的损害。

基因突变具体的突变方式有碱基置换突变、缺失突变、插入突变、移码突变。（1）碱基置换突变也被称为点突变，是指DNA分子中一个碱基被另一个不同的碱基取代所引起的突变。点突变分转换和颠换两种形式。如果一种嘌呤被另一种嘌呤取代或一种嘧啶被另一种嘧啶取代则称为转换。嘌呤取代嘧啶或嘧啶取代嘌呤的突变则称为颠换。（2）缺失突变是指基因也可以因为较长片段的DNA的缺失而发生突变。所以严格地讲，缺失应属于染色体畸变。缺失的范围如果包括两个基因，那么就好像两个基因同时发生突变，因此又称为多位点突变。（3）插入突变指一段外来的DNA插入一个基因片段中，那么后者基因的结构便被破坏而导致突变。（4）移码突变是指DNA片段中某一位点插入或丢失一个或几个（非3或3的倍数）碱基对时，造成插入或丢失位点以后的一系列编码顺序发生错位的一种突变。它可引起该位点以后的遗传信息都出现异常。发生了移码突变的基因在表达时可使组成多肽链的氨基酸序列发生改变，从而严重影响蛋白质或酶的结构与功能。(https://www.daowen.com)

无论是碱基置换突变还是移码突变，都能使多肽链中氨基酸组成或顺序发生改变，进而影响蛋白质或酶的生物功能，使机体的表型出现异常。碱基突变对多肽链中氨基酸序列的影响一般有同义突变、错义突变、无义突变和终止密码突变。（1）同义突变：碱基置换后，虽然某个密码子变成了另一个密码子，但由于密码子的简并性，因而改变前、后密码子所编码的氨基酸不变，故实际上不会发生突变效应。（2）错义突变：碱基对的置换使某一个密码子变成编码另一种氨基酸的密码子的突变被称为错义突变。错义突变可导致机体内某种蛋白质或酶的结构及功能发生异常，从而引起疾病。（3）无义突变：某个编码氨基酸的密码突变为终止密码，多肽链合成提前终止，产生没有生物活性的多肽片段，称为无义突变。这种突变在多数情况下会影响蛋白质或酶的功能。（4）终止密码突变：基因中一个终止密码突变为编码某个氨基酸的密码子的突变称为终止密码突变。由于肽链合成直到下一个终止密码出现才停止，因而合成了过长的多肽链，故也被称为延长突变。

生物体的基因发生突变后，存在一整套修复系统，能对其突变进行全部或部分修复。具体来说，有光复活修复、切除修复、错配修复、重组修复、SOS修复等一系列修复机制。（1）光复活修复：一种光裂解酶可以打开因紫外线造成彼此相邻的嘧啶碱基形成的二聚体，使其恢复到正常碱基状态。（2）切除修复：切除修复是将DNA分子受损伤部分切除的一种修复机制，是在DNA内切酶、DNA外切酶、DNA连接酶等共同作用下完成的，并以完整的一条链为模板，合成切除的部分使DNA恢复到正常结构的过程。（3）错配修复：在含有错配碱基的DNA分子中，恢复正常核苷酸序列的修复方式；主要用来纠正DNA双螺旋上错配的碱基对。错配修复的过程需要区分母链和子链，做到只切除子链上错误的核苷酸，而不会切除母链上本来就正常的核苷酸。参与错配修复的蛋白主要有两种功能：区分两条链和进行修复过程。（4）重组修复系统：为一种复制后修复，没有互补链可以利用，如DNA复制过程时两条链已经分开后发生DNA损伤，采用重组修复。完整的母链与有缺口的子链重组，缺口由母链的核苷酸片段弥补。（5）SOS修复：又称紧急修复或差错倾向性修复，是细胞的DNA受到大规模损伤，严重影响其生存，在其他修复难以见效的情况下，被诱发出的一种高效修复系统，以损失一定的保真性来完成损伤DNA的修复，由于是一种差错倾向性修复，保真性较差，我们可以把其看成生物体为了维持生命延续不得已采取的以牺牲遗传物质忠实性为代价的“保命”措施。