基因突变如何自发产生

秦四哥

DNA序列上的任何改变都可能导致基因突变。最简单的突变是一种碱基变成另一种碱基，包括两种类型：转换，即嘧啶到嘧啶或嘌呤到嘌呤的替换；颠换，即嘧啶到嘌呤或嘌呤到嘧啶的替换。一个或少量核苷酸插入或缺失也会导致突变。

此外，大范围插入或缺失、染色体结构的整体重排将引起DNA更大的改变。

1 DNA复制错误是突变自发产生的一个重要来源

以大肠杆菌（E.coli）为例，大肠杆菌DNA的复制主要依赖DNA聚合酶Ⅲ （pol Ⅲ全酶）。在体外，pol Ⅲ核心酶大约每合成10万个碱基对就会出现一个错误。大肠杆菌的基因组包含约464万个碱基对，按错误概率10-5计算，每繁殖一代就会导致基因产生较大比例的错误。

幸运的是，pol Ⅲ全酶所具有的校正功能极大地提高了DNA复制的精确度。具有校正功能的还有DNA聚合酶Ⅰ（polⅠ）。经过校正后DNA复制的错误率仅为10-10，接近于pol Ⅲ全酶在体内进行DNA复制时10-10~10-11的出错率（复制的精确性还部分得益于错配修复）。

事实上，生物体内同一条DNA分子上不同位点的突变频率存在着差异。有些位点是突变的“热点”，其突变的频率明显高于其他位点。一个典型的例子是二核苷酸序列CA的重复。CA重复片段在人类和其他真核细胞染色体中分布非常广泛，复制时很难精确拷贝这种序列，由此使得重复序列的拷贝数目增加或减少，结果导致人群中染色体特定位置处的CA重复片段的长度常常为高度多态性。当然，错配的碱基和链滑动可由错配修复这一机制来校正，该机制降低了突变的发生率。

DNA复制的精确度极高，但仍然有些复制错误能逃脱校正读码。以错配为例，如果错配的核苷酸没有被及时检测并被替换的话，在第二轮复制的时候，错配的核苷酸已经是模板链的一部分，将指导其互补核苷酸插入新合成的链中。此时错配不再存在，取而代之的是DNA序列中产生的一个永久性改变。总的来说，每轮DNA复制，染色体上任意一个给定的位点自发产生新突变的概率为10-6~10-11。

2 DNA的自发性损伤是突变自发产生的第二个重要来源

2.1 DNA自发损伤的原因

DNA损伤通常是指DNA简单的化学变化。损伤DNA的因素既可能是由于水的作用产生自发性损伤，也可能来源于环境中的辐射或化学诱变剂。自发性损伤包括胞嘧啶的脱氨基、通过N-糖苷键的自发水解去嘌呤化等。

2.1.1胞嘧啶的脱氨基

最常见的DNA水解损伤是胞嘧啶的脱氨基。在正常的生理条件下，胞嘧啶（C）可发生脱氨基作用转变为尿嘧啶（U）。由于U优先与腺嘌呤（A）配对，因此，复制时在互补链上将导入A。而腺嘌呤脱氨基会转变为优先与C配对的碱基——次黄嘌呤。脊椎动物DNA中甲基化的胞嘧啶是自发突变的热点，由于甲基转移酶的作用，胞嘧啶常常被修饰为5'-甲基胞嘧啶。甲基胞嘧啶脱氨基作用的产物是胸腺嘧啶（T），由于T属于正常的碱基，因此不能被识别为异常碱基。

2.1.2 N-糖苷键容易自发水解而导致脱嘌呤

嘌呤碱基和脱氧核糖之间的N-糖苷键容易自发水解而导致脱嘌呤，并在DNA中形成脱碱基位点。人类的一个细胞基因组中每天大约有5000~10000个核苷酸失去它们的碱基。

如果DNA聚合酶到达了一个没有碱基的核苷酸位置，由于模板链缺乏相应的信息，它很可能会将一个错误的碱基加到合成的链上。另一种可能是：复制随即停止并可能造成DNA双链断裂或等待采取旁路机制（如移损合成），而这也可能引起突变。

2.1.3活性氧簇常攻击并损伤DNA

细胞代谢产生的活性氧簇（〇2-、H2O2等）常常攻击并损伤DNA。例如，鸟嘌呤氧化后产生7，8-二羟基-8-氧代鸟嘌呤（简称氧代鸟嘌呤）。氧代鸟嘌呤具有强烈的致变性，它既能与C又能与A配对。如果复制时与A配对，则产生G:C到T:A的颠换，这是人类癌变中最普通的突变之一。

2.1.4碱基的互变异构化

碱基的互变异构化也常归类于DNA损伤范围，是自发突变的又一个来源。互变异构体是能够在两种或更多种不同结构形式之间转换的分子。DNA中4种碱基各自的异构体间都可以自发地相互变化，例如酮式鸟嘌呤（或酮式胸腺嘧啶）与烯醇式鸟嘌呤（或烯醇式胸腺嘧啶）的互变，氨基式腺嘌呤（或氨基式胞嘧啶）与亚胺基式腺嘌呤（或亚胺基式胞嘧啶）的互变。

这种变化会使碱基配对间的氢键改变。以字母A代表正常（稳定）的氨基式腺嘌呤，以A*代表异常亚胺基式腺嘌呤，并以此类推。A*能配上C、T*能配上G、G*能配上T、C*能配上A。虽然碱基的这类配对形式出现概率大约仅占正常形式的1/10000,但如果发生在DNA复制时，就会造成错配。

2.2 DNA损伤的危害及修复

DNA损伤事件在细胞中广泛存在。在所有的损伤中，DNA双链断裂对细胞最为有害。如果不修复，将引起多种有害的结果，例如阻断复制和引起染色体缺失，进而引起细胞死亡或癌变。如果细胞不具备高效率的修复系统，生物的突变率将相当高。生殖细胞系中高突变率将会摧毁物种，体细胞中高突变率将会摧毁个体。因此，遗传物质保持代代相传必须将突变概率维持在较低水平上。

令人惊奇的是，细胞已进化出完美的机制能降低损伤的危害。已发现的DNA损伤的修复途径有直接逆转、切除修复（包括碱基切除修复和核苷酸切除修复）、双链断裂修复（包括同源重组修复和非同源性末端连接）等。在直接逆转、切除修复及同源重组修复系统的作用下，多数损伤可能通过修复恢复到原始的DNA序列。

细胞还有一种防故障机制，叫做移损合成（translesionsynthesis）。移损合成由一类被称为DNA聚合酶Y家族的酶所催化。这些聚合酶虽然是模板依赖性的，但是它们掺入核苷酸的方式不依赖于碱基配对，所以移损合成常有高易错性。移损合成类似于非同源性末端连接，被认为是最后可选择的求助系统。它能使细胞存活下来，但是付出的代价是高突变发生率。

因此，细胞尽管具有多个修复损伤DNA的系统，但不可能及时有效地修复所有的DNA损伤。如果修复系统没有十分有效地运行，正在复制的DNA聚合酶就可能遇到没有修复的损伤（如脱嘌呤位点），这些损伤会阻碍DNA聚合酶前进。只有越过损伤方可进行复制，否则被迫终止复制。

3转座子的DNA元件的插入是突变自发产生的又一个重要来源

插入和缺失也可能由叫做转座子的DNA元件引起。转座子是由几百个或几千个核苷酸组成的、有时会从基因组的一个位置移动到另一个位置的DNA元件。当转座子再次定位到基因组的另一区域时，它就会引起插入突变。转座子通常对它们将要重新整合进去的位置不加选择，因此很可能就将它们自己整合进了具有重要功能的区域，例如基因的编码区。在这种情形下，插入突变可能会具有严重的后果。当一个转座子离开它的位置时，可能在它的两边产生双链切割。是否产生缺失突变取决于细胞采取什么样的机制对此断裂进行修复。具体来说，非同源末端的连接可能导致缺失突变，而同源末端的连接不会导致缺失突变。

4诱变育种的原理是人为损伤细胞中的DNA提高突变频率

当然，基因突变并非都是有害的，例如诱变育种，“就是利用物理因素（如X射线、γ射线、紫外线、激光等）或化学因素（如亚硝酸、硫酸二乙酯等）来处理生物，使生物发生基因突变”。其中紫外线会使同一条DNA链上相邻位置上的两个嘧啶之间发生光化学聚合，形成嘧啶二聚体等；电离辐射（如γ射线和X射线）能攻击DNA，使双链发生断裂；亚硝酸能使胺被酮取代，正常的碱基常被转换成结合特性与原来不同的碱基；DNA易与硫酸二乙酯（属于烷化剂）发生烷化反应而受损。可以认为：诱变育种实质是利用适当的诱变剂人为损伤细胞中的DNA，提高损伤频率，从而提高突变的频率。

——鞠永峰.生物学教学.2014年（第39卷）第5期