四、基因突变的作用机理

基因突变是由于 DNA 分子中核苷酸序列的改变， 随之基因作用改变， 最后导致个体表型的改变。 引起基因突变的理化因素很多， 但每种诱变因 素的诱变机理各有其特异性。

（一）紫外线诱变机理

紫外线的波长范围是136〜390nm ,其中对诱变有效的范围是200〜

300nm ，而 260nm 效果最好，它能使原子中的内层电子提高能量，而成 为活化分子， 由于紫外线带有大约 3〜5ER 的能量（能量很少， 穿透力弱 不足以引起物质的电离， 属非电离射线） ，它足以引起一个分子中某些化 学键发生断裂、交联而产生化学变化， 其主要效应是形成胸腺嘧啶二聚体。

DNA 中嘧啶对紫外线诱变的敏感性要比嘌呤大 10 倍左右，常见 T— T 二

聚体以共价键在相邻的二个碱基间联结而成的嘧啶二聚体， 是发生在 DNA 的同一条链上的两个相邻的胸腺嘧啶残基间形成 TT 聚体，也可形成 TC 或 CC 二聚体。大剂量的紫外线照射，能引起 DNA 双螺旋的局部变 性，可使两条互补链上的两个嘧啶残基互相靠近而形成二聚体， 从而引起 交联。当 DNA 复制时，两链间的交联会阻碍双链的分开与复制，同一条 链上相邻胸腺嘧啶之间二聚体的形成，则会阻碍碱基的正常配对，这样， 不是导致复制的突然停止， 就是导致在新形成的链上诱发一个改变了基因 序列。

（二） X 射线的诱变机理

人体接受的辐射中， X 射线能将原子中的电子激发而形成正离子， 它 属于电离辐射，经 X 射线处理后的 DNA 分子，发现有核酸碱基的化学变 化，氢键的断裂，单链或双链的断裂，双链之间的交联，不同 DNA 分子 之间的交联，以及 DNA 和蛋白质之间的交联而诱发突变，同时电离辐射 的能量被水分子所吸收， 水分子失去电子变成正离子， 电子若被另一个水 分子捕获，这个水分子就变成水的负分子：

NO+e f HO

2

刚形成而不稳定的离子立刻分解，形成 H。和OH。自由基，当这些 自由基和细胞中溶解的氧发生反应后， 生成过氧基 HO° 2 ，这种氧化物质 转移到核苷酸双链中去，能引起 DNA 分子结构形式的改变，形成碱基类 似物，导致碱基置换发生突变。

一般来说， 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。除 X射线外，丫射线也 是能量极高的辐射，能使轨道上的电子完全离开原子，而造成电离。

三）热的作用机理

从分子运动学说来分析，在一般情况下，温度升高 10 C,化学反应 的速率加快1〜2倍，由于温度上升后，碰撞得更加频繁，同时也由于分 子变成活化态，使胞嘧啶（C）脱氨基转变成尿嘧啶（U），从而导致碱 基对配对错误。因此，热能诱发突变为 GC—AT 转换，个别情况下也可 产生 GC—CG 颠换。

四）化学诱变剂的作用机理

有一些化合物，其结构类似碱基，在 DNA 复制中，引起配对错误， 改变了核酸的化学结构而发挥诱变作用，根据化学诱变因素对 DNA 的作 用方式，一般可把化学诱变剂分为以下几类：

1. 烷化剂 烷化剂包括的种类很多，其中有最早发现的化学诱变剂— —芥子

气， 还有在工业上广泛应用的硫酸二乙酯、 亚硝基胍， 还有亚硝酸 乙烯亚胺（E1）、甲基磺酸乙酯（EMS ）、亚硝基甲基腺（NMU ）、羟 胺（NMOH ）等，烷化剂可以直接作用于 DNA的碱基和磷酸，使之发生 烷化，于是鸟嘌呤与糖的结合键发生水肿，并且从 DNA 链上脱落下来， 经过脱嘌呤

（ depurination ）作用的 DNA 链上造成碱基缺失，然后在复 制过程中进一步发生转换或颠换（图 6－ 21 ），最后导致突变形成。

亚硝酸（HNOJ最明显的诱变作用是脱氢基，使鸟嘌呤变成黄嘌呤， 腺嘌呤变成次黄嘌呤， 胞嘧啶变成尿嘧啶。 在真核生物的细胞中， 亚硝酸 能使组蛋白和核酸之间形成交联而诱发突变。

羟胺是一种特殊的点突变诱变剂，只诱发产生 G — C>A—T的转 换，在真核生物的细胞中，羟胺及其衍生物诱发产生染色体断裂。

2. 碱基类似物 有些化合物， 由于它的结构类似于碱基， 使 DNA 复制 中发生配对错误。如5-溴尿嘧啶（Bu ）和2-氨基嘌呤（Ap）就有这样的 作用，以 5-溴尿嘧啶为例： 5-溴尿嘧啶是一种碱基类似物， 它与胸腺嘧啶 有类似的结构，把E.coli培养在含有5-溴尿嘧啶（Bu）的培养液中，菌 体里有一部分 DNA 中的胸腺嘧啶便为 Bu 所取代，一般 DNA 中含有 Bu 愈多，则群体中发生突变的

细菌也愈多， 而且已发生突变的细菌， 以后在 不含溴化物的培养液中多次培养， 仍旧保持突变的性状， 这是因为正常的 DNA 分子中，胸腺嘧啶和腺嘌呤处在相对的位置上， Bu 像所有天然碱基 一样，能从一种结构转变为另一种结构。通常 Bu 在 DNA 分子中以酮式 状态存在， 这时它和胸腺嘧啶一样也能与腺嘌呤配对， 但由于 5 位上的溴 影响， Bu 有时以烯醇式状态存在于 DNA 中，当 DNA 复制到这个碱基时， 在它相对位置上便将出现一个鸟嘌呤，而在下一次 DNA 复制时，鸟嘌呤 又按一般情况与胞嘧啶配对， 这样原来的 A—T 碱基对转变为 G—C 碱基 对，Bu的烯醇式可以与鸟嘌呤配对，所以它有时掺入到 DNA，取代胞嘧 啶的位置，也可引起碱基对的改变。由 G—C 碱基对改变 A—T 碱基对， 这个过程完全是上述过程的回复， 因为 Bu 的烯醇式是比较少见的异构体， 所以由 G —C 变为 A—T 要比 A—T 变为 G—C 少得多。

3. 引起移码突变的诱变剂 这一类化学诱变剂能使 DNA 分子上增减 一二个

碱基， 引起碱基突变点以下全部遗传密码的 “阅读”顺序发生改变， 从而发生

转录和翻译上的错误，导致突变。如吖啶类染料、 TRC 类的化 合物等，其中吖啶类是很重要的诱变剂。

遗传密码以三个核苷酸为一组， 而且是连续的， 如果出现缺失或插入 核苷酸以后的密码，都将成为错误密码，转译出来的氨基酸都是错误的， 甚至提早终止，这种突变型称为移码突变。例如，一个正常的密码编组 是……UUU、AAA、UUU……，当增加一个A时，就使编码顺序改变， 成为……AUU、UAA、U……这样就要引起基因突变，相反，失去一个 核甘酸对，将引起同样的遗传后果。 吖啶类诱发突变的一个重要特征是： 吖啶类化合物所诱发的突变型能 用吖啶类来使之回复， 但不能有碱基类似物使之回复， 这是因为吖啶类引 起移码突变是通过增加（ +）或减少（ -）一个或几个碱基对，所以由增加 一个碱基对的突变型， 可由邻近一个碱基对的缺失而使遗传密码又回复原 来的读法，出现回复突变，这自然不能由碱基对替换完成。

五）基因的自然突变机理

自然突变多指在无人工诱变的情况下， 自发产生的突变。 实际上自然 突变并不是无缘无故发生的， 在细胞内环境中， 要求一种绝对稳定的条件 是不可能的， DNA 的复制需要能量，在提供能量中就可能遇到新情况。 在自然条件下， 总会遇到一些干扰因子 （如代谢过程中的某些产物） 来影 响遗传物质及其复制过程。

如腺嘌呤一般以氨基（一NM）的形式而存在，但是它也可以在自然 情况下转化成亚氨基（一NH）的形式，这是一种可逆的变化，情形大致 如下：

Ai 一旦出现，它由于自己分子的性质，不会与胸腺嘧啶配对，而会 与胞嘧啶配对（Ai — C），于是在复制过程中，遗传密码就会发生改变， 基因突变就可能出现，原来的 A—T经复制变成G—C,如果原来的密码 子是ATT，现在A通过Ai和胞嘧啶配对，终于由胞嘧啶而出现鸟嘌呤， 于是成为新的密码子 GTT 了。

基因自发突变的另一条途径是 C—G转化成T—A，原来胞嘧啶容易 失去一个氨基（NH3）而成为尿嘧啶，分子的变化情况如下（注意分子中 的一NN—=0）:

尿嘧啶代替了胞嘧啶以后，在 DNA 复制中，就会发生有关的碱基置 换，即U会与A配对（U — A），然后在进一步的复制中，会出现 T与A 配对，这样DNA分子中原来的C — G位置就终于变成T—A,于是有关 的密码子就改变了。 碱基置换的再一种可能途径是胞嘧啶甲基化(methylation )以后(C -meC),会发生进一步的变化，即meC如果失去氨基，就成为胸腺嘧啶了。 于是原来的 C—G 经 C 转变成 T—A。