第七章 基因突变 基因突变是生物界的普遍现象，是新基因的唯一来源，是生物进化的原材料。 第一节 点突变和染色体突变 名词 基因突变(gene mutation)：出现在单个基因内部任何可遗传的改变，又称为点突变(point mutation)。 染色体突变(chromosomes mutation)：包含染色体片段、整条染色体甚至整个染色体组的遗传变异，称为染色体突变。 正突变(forward mutation)：背离野生型基因的突变。 回复突变(reverse mutation)：回复到野生型基因的突变。 自发突变(spontaneous mutation)：突变可以在自然情况下自然产生。 诱发突变(induced mutation)：人们有意识地应用物理、化学因素诱发生物产生突变。 第二节 体细胞突变和生殖细胞突变 名词 体细胞突变(somatic mutation)：发生在正在发育的体细胞中的突变。突变的细胞，通过细胞分裂而产生完全相同的一群细胞，称为一个克隆(clone)。体细胞突变不能遗传给后代。 生殖细胞突变(germinal mutation)：发生在性细胞中的突变。突变的性细胞，将产生突变的后代。 第三节 突变的表型 由于基因突变而表现突变性状的细胞或个体，称为突变体（mutant）或突变型。突变体的表型是多种多样的。 一、突变的分类 1、形态学突变(morphological mutation)：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，普通绵羊的四肢较长，而突变体安康羊的四肢就很短。普通水稻的株高一般在1.50 m以上，矮秆突变体的株高要矮许多。因为这一类突变可以在外表上直接看到，又称为可见突变(visible mutations)。 2、致死突变(lethal mutation)：导致个体死亡的突变。一般是重要性状的突变，严重影响生物体本身的生活力，导致个体死亡。可分显性致死和隐性致死。显性致死在杂合态即产生致死效应，而隐性致死要在处于纯合状态时才能表现致死效应。隐性致死突变较为常见。根据致死程度，可以分为全致死（使90%以上的个体死亡），半致死（使50-90%个体死亡）和低活性（subvitals ,使50%以下的个体死亡）。 3、条件突变(conditional mutation)：突变的等位基因，只有在某一条件下，才表达突变的表型，在其它条件下，表现正常。如果蝇的“显性热敏致死”突变，突变杂合子在20℃时（允许条件）是正常的，若温度升到30℃时（限制条件）则死亡。 4、生化突变(biochemical mutation)：使细胞的某些生化功能丧失或改变的突变。突变的典型结果是细胞不能生长和繁殖。如微生物的营养缺陷型突变。 5、抗性突变(resistant mutation)：使细胞或生物体获得了在特殊抑制因子存在的条件下有继续存活能力的突变。 6、中性突变(neutral mutation)：有些基因仅仅控制一些次要性状，即使发生突变，也不会影响生物的正常生理活动，因而仍能保持正常的生活力和繁殖力，这类突变称为中性突变。例如，小麦粒色的变化。 二 突变率和突变频率 名词 突变率(mutation rate)：单位时间内某一突变事件出现的概率。显然突变率是一种产生突变的潜在能力。通常使用生物的世代、细胞世代或细胞分裂数作为时间单位。而不使用实际时间单位。下面是一个虚拟图，解释突变率。 1、该系谱内只出现一个突变事件M。 2、该系谱内有14条线段，即有14个世代（不是世代周期）。有7次细胞分裂。 3、以突变事件数为分子，世代数或细胞分裂数为分母，即可求出突变率。 4、计算突变率的困难在于总的世代数或细胞分裂数很难准确得到。 突变频率(mutation frequency)：在细胞或生物群体内突变个体数除以群体总数。上图中，在最终的8个细胞的群体中，有两个突变，因而突变频率为2/8 = 0.25。 第四节 突变的选择系统 一、选择系统的意义 1、使用选择系统很容易从群体中选出所需要的突变体。 2、选择系统可自动地区分突变体和非突变体。或者说，选择系统是让材料本身而不是实验者去做分辨工作。 3、选择系统大部分应用在微生物中，高等生物同样可以使用，但需要大量实验费用、时间和实验室空间。 二、微生物选择系统 1、营养缺陷型的回复突变： 2、滤过富集(filtration enrichment)：该技术应用于菌丝体真菌种。原养型可以在无生长添加剂的培养基中生长，菌丝体最终长成小的菌丝团，它们可以用玻璃滤器过滤除去。通过滤器的为营养缺陷型。后者再用不同营养添加物进一步区分。 3、青霉素富集(penicillin enrichment)：增殖的细胞对青霉素是高度敏感的，添加青霉素后原养型（增殖的）都被杀死，留下的是营养缺陷型的。再利用不同的营养添加剂进一步区分是哪一种营养缺陷型。 4、抗性(resistance)：在恶劣环境条件下(药物、病毒、特殊环境)能够继续存活的是对这种环境具有抗性的突变体。 三、细菌中计算突变率的方法 例 大肠杆菌(Escherichia coli)可被T1噬菌体所侵染、裂解，能够继续存活的是抗T1的，对噬菌体的抗性是由突变产生的。取20个各含有0.2 ml的液体培养基的试管，每一管按103/ml的密度接种大肠杆菌，培养至密度达108/ml。将每一管接种等量T1噬菌体后，铺在固体培养基平板上。结果发现，在20个平板上形成的菌落有多有少，形成菌落的菌体是对T1产生抗性的细胞。菌落数多的突变发生的时间早，菌落数少的突变发生的时间晚。我们无法确定突变的菌落是发生突变事件的当代，还是突变细胞的后代。但在20个平皿中有11个没有发现抗T1的菌落，这些菌落肯定是没有突变事件发生的细胞。 根据泊松分布的定义，突变的细胞数是服从泊松分布的。另外，产生n个细胞的细胞分裂次数是n减去原始细胞数。若n很大而原始细胞数又很少的话，n即可认为是细胞分裂次数。若每一次细胞分裂的突变率为u，那么每一试管中平均有un次突变事件发生（μ）。从泊松分布概率函数可知，无突变发生的概率f(0)=e-un。实验结果，无突变的平皿数为11个，即f(0)=11/20=0.55。解下式 e-un=0.55 即可求出突变率u。已知n=0.2×108，代入上式，得到u=3×10-8。 四、在高等生物中类似微生物的选择技术 从高等生物的一定组织，如肿瘤组织，得到的细胞，经过培养可以增殖很多。在微生物中所使用的很多技术，都可以使用在这些高等生物细胞中。这是当前的一个活跃领域，称为体细胞遗传学(somatic cell genetics)。 第五节 突变的诱导 一、增加突变率的因素 诱变剂是一种提高突变率的因子。 机理：诱变剂使DNA分子发生化学变化，转而使DNA在复制时发生异常，造成复制错误。其结果，轻则造成分子结构的改组，重则造成染色体的断裂，引起染色体畸变。 物理诱变剂：当Muller用X射线照射雄果蝇后发现，性连锁致死频率急剧增加，这是发现第一个诱变剂的实验。现在已知很多种射线都能增加突变的产生。 1、根据射线穿过组织时是否有离子产生，而分为电离射线如x射线和γ射线和非电离射线如紫外线。 2、在辐射剂量的一定范围内，点突变的产生是线性的。即，基因突变频率与辐射剂量成正比。 3、电离辐射所诱发的点突变种类与自发突变很类似。 4、辐射剂量是积累的，生物群体的突变频率与一段时间内吸收的辐射总量成正比。所以，我们应尽量避免与照射源的不必要接触。 5、短时间照射（急性剂量）与以同样剂量在一段时间内，如一个月内照射（慢性剂量）相比，后者出现较少突变，这是积累效应的一个例外。 化学诱变剂：很多化学物质具有诱变作用。从人们日常饮用的咖啡因、食物中的食品添加剂，到各种环境污染物。 1、化学诱变剂对生物的直接损伤比物理诱变剂要小得多，但所引起的突变要高得多。 2、通过诱变作用的化学反应，可确定突变的分子基础。 二、突变育种