普通遗传学-第39部分
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11。2。4。2 物理诱变因素的遗传学效应
物理因素诱发突变的作用一般认为有直接作用和间接作用两种。直接作用是指射线与被照射物质直接发生作用而引起的反应。间接作用是指射线处理后形成的损伤环境而起的反应。
已知构成DNA分子的原子是由数量相等的质子和电子组成的。质子全部在原子核内，其中一半与电子结合成中子，另一半保持独立。而电子除一半与原子核内的质子结合为中子外，另一半分层包围在原子核的外围。因此正常的原子呈中性。当电离射线穿越被照射物体碰撞DNA分子时，会把DNA分子中原子核外围的电子从它们的轨道中撞击出去，使原子成为带正电荷的离子，这称为初级电离。释放出来的电子被另一原子捕捉使其成为带负电荷的离子，因此离子是成对出现的。由初级电离产生的快速高能电子在其经过的路线上又可以使其他原子电离，这称为次级电离。每一高能电子大约能产生230次次级电离。次级电离的结果，轻则造成基因分子结构的改组，产生突变的新基因，重则造成染色体的断裂，引起染色体结构变异。
电离辐射的间接作用是指辐射引起的化学效应。在辐射处理时，射线除直接作用于遗传物质外，更多的可能是作用在介质上。活的生物组织中含有大约25％的水，因此水就成为电离辐射最丰富的靶分子。当射线穿入细胞时，首先由水吸收，产生不稳定的H＋和OH…离子以及自由基H·和·OH，并可进一步产生过氧化氢和过氧化基等。这些过氧化氢、过氧化基和自由基团都是十分活跃的氧化剂，当它们与细胞内核酸等大分子发生化学反应时，就可能改变DNA的分子结构，从而导致基因突变。
当用紫外线诱变处理时，紫外线的照射能使物质的分子因激发而变成活化分子。被照射物质分子的电子吸收了紫外线的能量后从低能轨道跃迁到高能轨道，从而使物质的分子处于活化状态。
图11…10 紫外线照射形成二聚体引起突变
这种活化分子很容易发生化学变化和分子重排。紫外线的生物学效应主要是引起DNA分子的变化造成的。DNA能强烈地吸收紫外线，尤其是DNA分子链中的碱基对，它们对紫外线具有特殊的吸收能力。紫外线引起DNA结构改变的形式很多，例如DNA链的断裂、DNA分子内和分子间的交联、DNA与蛋白质的交联、嘧啶的水合作用和二聚体的形成等，其中主要的是水合物和二聚体的形成。例如，当DNA分子链中形成胸腺嘧啶二聚体时，在DNA分子的复制过程中两链之间的二聚体能阻止双链的分开和复制，同一链上相今的二聚体会阻碍碱基的正常配对。在正常情况下胸腺嘧啶应与腺嘌呤配对，当存在胸腺嘧啶二聚体时腺嘌呤就不能正常地掺入。结果会使复制在一点上突然停止或错误地进行，从而产生突变（图11…10）。由于紫外线的能量较低，穿透力较弱，因此一般适用于生殖细胞和微生物的诱变处理。它的最有效的诱变波长是260nm，这正是DNA分子的吸收波长。
上述物理诱变因素虽然都能有效地诱发基因突变，但是它们的作用是随机的，没有特异性。性质和条件相同的辐射可以诱发不同的变异，性质和条件不同的辐射也可以诱发相同的变异。因此，现在只能期望通过辐射处理得到变异，还不能通过一定的辐射处理获得一定的变异。
11。2。5 突变的回复
基因突变以后，突变基因又可以通过突变而回复为原来的野生型基因，这称为回复突变。研究证明，真正的回复突变发生频率是很低的，这是因为一个野生型基因内部的许多位置上的结构改变都可以导致基因突变，但是一个突变基因只有在原来发生结构改变的位置再改变为原来的状态才能使基因恢复为原状，这需要高度的特异性。实际上，多数所谓回复突变是指突变体所失去的野生型性状可以通过第二次突变而得到恢复，即原来的突变位点仍然存在，但是它的突变表型效应被第二位点的突变所抑制（图11…11）。
图11…11 基因突变的抑制突变
11。3 DNA损伤及其修复
11。3。1 DNA损伤的类型
无论是自发突变还是诱发突变，都主要是通过对DNA造成损伤，结果导致基因分子结构改变，如果DNA损伤不被修复，就会引起很大的遗传损伤，产生突变。
DNA的损伤类型主要包括以下几种：一是脱嘌呤、脱嘧啶、脱氨基、碱基降解和氧化性损伤碱基等，这类损伤在自发突变和诱发突变时均能发生，它主要是引起碱基的替代。二是碱基的缺失和插入，或是较大片段的缺失和重复，这类损伤主要是扰乱遗传信息的密码顺序，导致可读框架位移。三是在相邻碱基之间形成二聚体，最常见的是胸腺嘧啶二聚体，它可以发生在同一DNA链上两个相邻的碱基之间，也可以发生在两个单链之间。如果这种二聚体发生在同一条链上，就会阻碍腺嘌呤的正常掺入，使复制时在此处停止并随机掺入其他碱基；若它发生在两条链之间，就会因它的交联而阻碍双链的分开，从而影响复制。这种情况在紫外线诱变处理时最为常见。四是碱基的单向移位、倒位、DNA片段的重排或断裂等。
11。3。2 DNA损伤的修复
研究结果表明，DNA产生的损伤，不一定都会引起基因突变，但几乎所有突变都是由DNA损伤引起的。因为生物在长期的进化过程中，不仅演化出能纠正偶然的复制错误的系统，而且还形成了对损伤进行修复的机制，这是生物能够保持其物种高度稳定的一种适应性。当DNA分子出现损伤以后，修复过程很快进行。如果损伤被修复，突变就不能发生。只有在损伤未被修复的情况下，经过复制才能形成分子或细胞水平的突变。因此，突变往往是DNA损伤与损伤修复这两个过程共同作用的结果。
11。3。2。1 光修复和暗修复
光修复（light repair）又称光复活（photoreactivation），主要是针对紫外线引起的DNA损伤而形成的嘧啶二聚体在损伤部位进行专一性修复的一种方式。研究发现，如果受紫外线照射的细菌处于黑暗条件下，杀死细菌的量与紫外线照射的剂量成正比；如果照射后使细菌暴露在可见光的条件下，存活的细菌会显著增加，这主要是光诱导系统对辐射损伤进行修复的结果。这种修复作用是在可见光的活化下由光激活酶（photoreacting enzyme）催化嘧啶二聚体分解成为单体的过程。光激活酶被可见光的光子激活，并与嘧啶二聚体结合，利用可见光提供的能量将二聚体切开，使DNA回复正常（图11…12）。光修复已在许多真核和原核生物体内发现，但它主要是低等生物中的一种修复形式。
图11…12 光修复过程 图11…13 暗修复过程
由紫外线诱发的嘧啶二聚体有时在不依赖光存在的情况下也能被修复，这种修复称暗修复（dark repair）。它的修复机制是先切后补，需要有4种酶协同作用共同完成修复。例如大肠杆菌中的uvrA突变体的修复过程需要4个步骤：①先由核酸内切酶识别DNA损伤部位，并在嘧啶二聚体两侧切开。内切酶种类很多，不同的内切酶具有相对特异性；②由核酸外切酶把嘧啶二聚体及邻近的一些核苷酸清除掉；③由DNA聚合酶修补缺口，合成一段新的核苷酸片段补在切除损伤的部位；④在连接酶的作用下，将新合成的DNA片段与原有链之间的缺口连接起来，使DNA恢复正常（图11…13）。
11。3。2。2 切除修复
有些DNA损伤太细微，普通的修复系统难以识别它，需要特异的切除修复途径，如AP核酸内切酶修复途径、DNA糖基化酶修复途径等。
AP核酸内切酶修复途径：当单个碱基自发脱落后形成的无嘌呤（apurinic）或无嘧啶（apyri…midimic）位点称为AP位点，细胞内存在一种核酸内切酶能对AP位点进修复。由于碱基的自发脱落是经常发生的，因此这种AP内切酶（AP endonuclease）是细胞所必需的。这种酶在AP位点切开磷酸二酯键，找断DNA链，启动由外切酶、DNA聚合酶I和DNA连接酶作用的切除修复过程。由于AP内切酶的有效性，它可能是其它修复途径的最后一步，只要损伤的碱基对能被切除留下一个AP位点，AP内切酶就能完成以后的修复过程。
DNA糖基化酶修复途径：DNA糖基化酶（DNA glycosylase）的作用是切开N…糖苷键，释放被饰变的碱基产生一个无嘌呤或无嘧啶AP位点，然后由AP内切酶修复系统修复。DNA糖基化酶有许多种，例如能识别和切除DNA中尿嘧啶的尿嘧啶DNA糖基化酶，识别和切除腺嘌呤脱氨基产物次黄嘌呤的糖基化酶，识别切除烷基化碱基（如3…甲基腺嘌呤、3…甲基鸟嘌呤、7…甲基鸟嘌呤等）的DNA糖基化酶等，目前仍有许多新的DNA糖基化酶正在不断被发现。
11。3。2。3 重组修复
切割修复使用互补链作为为模板，合成一条新的单链片段以替换损坏的DNA片段。但有时这种模板并不能随意得到。例如，当复制叉遇到损坏斑（如嘧啶二聚体）时，或在切割修复之前，双链DNA就已分开成单链时，一条单链中的损坏位点就不能得到修复。另外，如果互补碱基对的两个碱基发生变化，如由癌诱变剂丝裂霉素C引起的交叉连接，则两条链都不能作为对方的模板链。还有，当双螺旋齐头断裂，且双链片段完全丢失时，这种双螺旋就不能直接进行修复。在上述所有情况下，受损坏位点的遗传信息都丢失了，它们都只能从另一条具有相同序列的DNA分子上获得相应的DNA片段，否则就不能恢复到原状。这种修复机制称为重组修复（rebinational）。细胞中几乎始终存在与受损位点相应的DNA。例如当一个复制叉通过某条单链片段的损坏斑时，第二条DNA的子链就含有相同的序列。或者，如果两条单链都在未复制的区域被损坏，由于生长迅速的细菌细胞往往含有一个拷贝以上的染色体，因此这些染色体都可用作修复的模板。高等真核生物通常都是二倍体，在每一对同源染色体上都存相同或近乎相同的DNA序列。但是，重组修复的关键是需要一种酶将损坏斑一侧的序列并列到未损坏的DNA的相应序列上，使丢失了遗传信息的损坏部位与正常DNA的相应区域对应在一起。在大肠杆菌中，RecA蛋白就具有这种功能。
通常认为，交换是创造遗传变异的一种机制，可能交换的最重要的功能是修复损坏的DNA。在修复过程中，RecA蛋白首先与缺口结合，然后再诱导另一条同源双螺旋的一条单链填补到缺口上，使缺口得到修复（图11…14）。虽然DNA聚合酶能修补简单的缺口，但对一些结构复杂的如含有嘧啶二聚体的缺口来说，当复制叉遇到嘧啶二聚体时，由于不能进行碱基配对，复制机器必须越过受损坏的位点，重新启动复制过程，因此使该位点上两条单链上的遗传信息都丢失了。这些丢失的遗传信息只能通过与同源双螺旋进行重组而获得。
图11…15 影印培养法示意图
（a），（b），（c）添加不同营养物质的补充培养基 （d）基本培养基
RecA蛋白还能修复双链断裂的DNA分子。两个断裂末端先由外切核酸酶降解，产生单链末端，然后两个单链末端再分别侵入另一双螺旋的同源序列之中，形成两个连接点。另外，在启始修复合成之前，可能还需要另一种酶即RecBCD酶，这种酶通过与每一个游离的单链末端结合，为修复合成提供起始位点，然后再由DNA聚合酶修被缺口。当两个连接点被切割之后，两条亲本双螺旋分开，最后形成的缺刻再由DNA聚合酶修补和由DNA连接酶缝合。
11。3。2。4 错配修复
错配修复（mismatch repair）系统是通过识别并替换掉错误插入的碱基以改正DNA复制时的错误。该系统中的酶不仅要能识别错配的碱基对，而且在错配的碱基对中应能准确区别哪一个是正确的，哪一个是错误的，并将错误的碱基切除。错配修复系统主要是通过甲基化酶来区分模板链和新合成链，因为甲基化的DNA刚复制后两条链的甲基化状态不一样，只有在原亲本链上带有甲基，而新合成链则尚未甲基化，因此可以根据甲基化识别亲本链。这种修复系统只能识别DNA复制中出现的错配，因此也是一种复制后修复途径。
11。3。2。5 倾向差错修复
倾向差错修复（error…prone repair）是在DNA分子受到大范围损伤的情况下为防止细胞死亡而诱导出的一种应急修复措施，它是使细胞通过一定水平的变异以换取其生存的一种手段。它允许DNA合成进越过损伤部位，但DNA复制的保真度降低，造成错误的潜伏。由于这是一种细胞受到危急状态时的修复方式，有时便借用国际通用的紧急呼救信号（save our souls），称其为SOS修复。
倾向差错修复系统的确切作用机制目前还不很清楚，一般认为当DNA受到较大损伤，如产生许多嘧啶二聚体时，使后来正常的多聚酶催化的DNA复制进行到损伤部位时受到抑制。在短暂的抑制后，便能诱导产生一种新的DNA多聚合酶，它能催化损伤部位DNA修复合成。由于这种酶识别碱基的精确度较低，因此在新链的生长过程中，不仅在二聚体相对位置上可以出现任何碱基，而且在其他位置上也可能出现错配的碱基。虽然错配碱基可以被修复系统校正，但因数量较大，结果很容易产生突变。
11。4 基因突变的检出
基因突变一般可以通过它的表型效应而被察觉，但是当我们发现某一表型性状发生变化时还不能确定它是否由突变引起，还必须进行突变的测定才能确定。测定和检出突变的方法常因不同生物而异。
11。4。1 细菌营养缺陷型突变体的检出
在细菌的突变研究中，应用较多的是大肠杆菌。大肠杆菌正常野生型的合成能力很强，它能够在含有最低营养需要的基本培养基上生长繁殖，利用无机氮、葡萄糖和一些必需的无机盐类合成大�
