7基因突变和遗传重组的分子机制

7基因突变和遗传重组的分子机理大千生物世界,物种纷繁复杂,生物多样性的形成是以基因突变与遗传重组为基础,自然选择的进化结果。无论是无性繁殖的低等生物菌株,还是有性繁殖的高等生物个体,从遗传组成的角度看,可以认为他们均是基因的突变体或遗传的重组体。7.1基因突变7.1.1基因突变的种类突变是遗传物质发生了可遗传的改变，而这种改变可以发生在染色体水平和基因水平上。无论那种突变都可由物理因素、化学因素以及生物技术直接诱发产生，也可由细胞在代谢过程自发产生。严格地讲自发突变（spontaneousmutation）也可由某些理、化因素间接诱导发生。突变体是生物在进化过程中自然选择的主要对象，是生物多样性形成的重要基础，同时也是遗传学研究的重要基础，可以说没有突变就没有遗传学，也没有自然界。发生在染色体水平上的突变包括染色体结构变异和数目变异。它属于细胞遗传学研究的领域。发生在DNA水平上的突变也称为基因突变。大体上可将基因突变分为核苷酸替换的点突变（nucleotidesubstitutionmutation）和DNA片段的插入(insertion)与缺失(deletion)突变。依据核苷酸替换的类型，将嘌呤被替换为嘌呤，嘧啶被替换为嘧啶的点突变称为转换突变（transitionmutation）,将嘌呤被替换为嘧啶，或嘧啶被替换为嘌呤的点突变称为颠换突变（transversionmutation）。由于点突变可能引起密码子的改变，又将因突变引起mRNA中密码子改变的类型分别命名为错义突变、无义突变和同义突变。错义突变(missensemutateon)：DNA的突变引起mRNA中密码子改变,编码另一种氨基酸。如DNA中某GAA发生转换突变成AAA后，使原编码的谷氨酸（Glu）改变为赖氨酸（Lys）。有时尽管发生了错义突变，但氨基酸的改变并没有引起蛋白质功能的改变，例如当DNA中AGG发生转换突变成为AAG后,赖氨酸被精氨酸所取代,但由于这两种氨基酸均为碱性氨基酸,性质相似,基因编码的蛋白质功能并没有发生改变，这一错义突变也被称为中性突变(neutralmutation),引起中性突变的该密码子中第二个核苷酸也被称为“广义密码（generalgeneticcodon）”或”密码中的密码”(codonincodon)。无义突变(nonsensemutation)：DNA的突变引起mRNA中密码子改变为一种终止密码。如DNA中某GAA发生颠换突变成TAA后，使原编码的谷氨酸（Glu）改变为UAA终止密码（stopcodon）。同义突变（same-sensemutation）：DNA的突变虽引起mRNA中密码子改变为另一种密码，但由于密码子的简并作用，并未使编码的氨基酸发生改变。如DNA中某GAA发生转换突变成GAG后，原编码的谷氨酸（Glu）仍编码谷氨酸（Glu）。所以也将同义突变称为沉默突变（silentmutation）.由于在DNA中插入或缺失了不等于3的倍数的核苷酸,会引起mRNA的读码框架的改变，因此又将这类突变称为移码突变（frameshiftmutation）。7.1.2基因突变的表达类型突变体是遗传学研究的重要物质基础。虽然突变体可以通过人工诱变和自然筛选等方法获得，但突变性状的表现可以是“条件型”和“非条件型”的。绝大部分突变性状的表现是“非条件型”的，而且这类突变体易于保存。所谓“条件型”突变性状是指在一定的环境条件下或某种遗传背景下,突变性状才得以表现的类型。例如与DNA复制有关的温度敏感型突变基因，在正常37℃温度条件下突变基因不表达，生物个体可以进行正常的DNA复制，并保存突变体材料。只有在42℃条件下,DNA复制有关基因表达。氨基酰tRNA合成酶温度敏感型突变基因,禾谷类作物的光敏感雄性不育基因均属于”条件型”突变基因。另一类”条件型”突变基因的表达需在非抑制基因（su-）存在的遗传背景下才能表达，在具有Su+抑制基因的背景下，突变基因的表达被抑制，突变性状不能表现。7.1.3基因的诱发突变根据诱发基因突变外界因素的种类，可分为物理诱变和化学诱变。随着生物技术的发展，基因的定点诱变技术,转座子和Ti质粒介导的插入突变,DNA片段的“洗牌”(shuffling)技术等已受到广泛地重视，并在分子生物学研究中形成体外分子进化(MolecularEvolution)的新领域。物理诱变的诱变因素可分为电离辐射和非电离辐射两大类。电离辐射的诱变因子主要是由Co60，Cs137发生的χ射线和γ射线，由H3发生的α射线，由P32,S35发生的β射线等，尽管各类射线能量以及对生物组织和细胞的穿透能力各不相同，但离子射线导致基因突变的机理却基本相似，都能引起碱基结构的改变，从而引导致DNA的断裂，错接以及碱基配对关系的改变。利用太空中失重及强电离辐射的条件进行的卫星搭载育种就是物理诱变技术的具体应用。非电离辐射的诱变因子主要有紫外线。虽然紫外线不能通过发生足够的能量达到诱发基因突变的效果，但DNA分子中的碱基对260nm的紫外线具有很强的吸收能力，能引起相邻的两个嘧啶（特别是胸腺嘧啶）发生共价键连接，形成胸腺嘧啶二聚体(TTdimmer)(图7－1)，或使胞嘧啶C发生氧化脱氨后转换成尿嘧啶U,或产生脱嘌呤作用，或使水分子发生光解作用，进而使氨式胞嘧啶(Ca)形成其光产物后转变为亚氨式的胞嘧啶(Ci)，在DNA复制的过程中亚氨式的胞嘧啶与腺嘌呤A配对，从而导致C/G碱基对转换突变成T/A碱基对(图7-2)。用于化学诱变的诱变剂依其作用机理可大体分为四类。（1）抑制碱基合成的诱变剂；这类诱变剂主要有抑制嘧啶合成的5－氨基脲嘧啶（5-AminoUracil）和抑制嘌呤合成的6－巯基嘌呤（6-Mercaltopurine）。（2）碱基类似物（baseanologs）这类诱变剂主要有5－溴尿嘧啶(5-BrU)和2－氨基嘌呤（2－AP）。它们在结构上分别与胸腺嘧啶（T）和嘌呤（A、G）十分相似，但又会以另一稀有异构式分别与嘌呤和嘧啶配对，从而导致转换突变的发生。•5－溴尿嘧啶在化学结构上除第五位碳原子结合有溴原子外，其他均与胸腺嘧啶相同（胸腺嘧啶第五位碳原子为甲基）（图7－3）。正常状态下5－溴尿嘧啶的第四位碳原子结合有酮基（＝O），因此也称其为酮式5－溴尿嘧啶（5-BrUk），由于第五位上的溴原子具有极强的电负性，使第三位氮原子上结合的氢原子转移到第四位的酮基上，从而使酮基转变为羟基（－OH），5－溴尿嘧啶的这种异构式也被称为烯醇式5－溴尿嘧啶（5-BrUe）。5-BrUk是正常酮式胸腺嘧啶（Tk）的类似物，在DNA复制的过程中，可以取代Tk与氨式腺嘌呤共价键共价键氧化-脱氨U.V.CUA(a)U.V.U.V.H2OH++OH-C(a)C(i)A(a)脱嘌呤氧化-脱氨U.V.CUA(a)U.V.U.V.U.V.H2OH++OH-H2OH++OH-C(a)C(i)A(a)脱嘌呤图7-1紫外线引起胸腺嘧啶二聚体图7-2紫外线引起核苷酸的转换突变（Aa）正常配对（5-BrUk＝Aa），当下一轮DNA复制开始时，结合到DNA分子中的5-BrUk转变为5-BrUe后，可与正常的酮式鸟嘌呤（Gk）发生配对，从而导致A/T碱基对发生G/C碱基对的转换突变,由于在这种突变过程中,碱基的错配发生在DNA复制过程中,所以这种突变也被特别命名为“复制错误”(replicationerror)。同样DNA分子在复制过程中，模板上的Gk可因5-BrUe的掺入而发生Gk与5-BrUe的错误配对，当下一轮DNA复制开始时，结合到DNA分子中的5-BrUe因溴原子的电负性发生转移或减弱，5-BrUe会转变为5-BrUk，进而引发G/C碱基对转换为A/T碱基对的突变,在这一突变发生的过程中,碱基的错配发生在DNA复制的起始阶段,所以这种突变也被特别命名为“掺入错误”(incorporationerror)(图7-4)。5-BrUk5-BrUeAa5-BrUkGk5-BrUe5-BrUk5-BrUeAa5-BrUkGk5-BrUe图7-3碱基类似物5-BrU的结构式2－氨基嘌呤是嘌呤类碱基的类似物，具有氨式和亚氨式两种异构式。氨式2－氨基嘌呤（2－APa）可以与酮式胸腺嘧啶(Tk)发生正常配对，而亚氨式2－氨基嘌呤（2－APi）却可以与氨式胞嘧啶（Ca）配对,从而导致A/T碱基对转变为G/C碱基对，或G/C碱基对转变为A/T碱基对的转换突变。（3）修饰碱基结构的诱变剂（Basemodifyingchemicalmutagen）常用的修饰碱基的诱变剂主要有亚硝酸、羟胺和烷化剂。亚硝酸（nitrousacid,NA）：是一种具有极强诱变能力的诱变剂。其主要诱变机理是使具有氨基的碱基发生氧化脱氨反应。亚硝酸可使A脱氨基，转变为黄嘌呤（Inosine）,可与C配对。可使C脱氨基，转变为U(图7-5),可与A配对。可使G脱氨基，转变为黄嘌呤（Xanthine）（图7－6）。5-BrU(k)5-BrU(e)复制BrU(k)BrU(e)ATGC复制错误A/TG/C掺入错误G/CA/T5-BrU(k)5-BrU(e)复制BrU(k)BrU(e)ATGC5-BrU(k)5-BrU(e)5-BrU(k)5-BrU(e)复制BrU(k)BrU(e)ATGC复制错误A/TG/C复制错误A/TG/CA/TG/C掺入错误G/CA/T掺入错误G/CA/TG/CA/T图7-45-BrU诱发的DNA转换突变图7-5亚硝酸使胞嘧啶发生氧化-脱氨转换为尿嘧啶图7-6亚硝酸引起的化学诱变羟胺（Hydroxylamine，HA)：羟胺的化学分子式为NH2OH，它可专一性地与胞嘧啶C结合，使其转变为羟胺胞嘧啶并与腺嘌呤A配对(图7-7)。因此羟胺不能诱发无义突变体（UAG，UGA，UAA）产生回复突变。、烷化剂（Alkylationagentmutagens）是一类能将自身活泼的烷基转移到碱基上，使碱基发生烷基化，进而或导致碱基配对方式的改变，或产生脱嘌呤作用（Apurination），或使DNA分子交联。常用的烷化剂有甲基磺酸乙脂(Ethylmethanesulfanate，EMS)，甲基磺酸甲脂（Methylmethanesulfanate，MMS）和硫芥子气(SulfurMustardsgas，SM)等(图7-8)。嘌呤发生烷化的最敏感位点是3、6、7位，嘧啶发生烷化的最敏感位点是3、4位。（图7－9）EMS(Ethylmethanesulfonate)CH3—S—O--CH2CH3OOMMSCH3—S—O--CH3OOSM(SulfurMustardsgas硫芥子气)HSCH2CH2ClCH2CH2ClEMS(Ethylmethanesulfonate)CH3—S—O--CH2CH3OOMMSCH3—S—O--CH3OOSM(SulfurMustardsgas硫芥子气)HSCH2CH2ClCH2CH2Cl图7-8常用的烷化剂类的诱变剂HNHHOC(a)HAHNHHHOHNHHOC(i)A(a)NHHOHNHHONHHHNHHOC(a)HNHHOHNHHOC(a)HAHNHHHOHNHHOHAHAHNHHHOHNHHOHNHHHOHNHHOC(i)A(a)C(i)A(a)NHHOHNHHONHH图7-7羟胺专化性地诱发C的突变敏感位点H2NOOOCTN3,C4-NN3,C4-OAGN3,C6-N,N7N3,C6-O,N7H2NONHH敏感位点H2NOOOCTN3,C4-NN3,C4-OAGN3,C6-N,N7N3,C6-O,N7H2NONHH图7-9四种核苷酸对烷化剂诱变最为敏感的部位(4)插入诱变剂（intercalatingmutagens）常用的插入诱变剂的种类有丫啶橙（acridineorange）,溴化乙锭（ethidiumbromide，EB），原黄素（proflavin）等。尽管它们的分子组成不同，但都具有一种扁平的分子机构，易于在DNA复制的过程中插入到dNMP分子之间。诱变剂分