DNA突變是指個別dNMP（脫氧單磷酸核苷）殘基以至片段DNA在結(jié)構(gòu)、復(fù)制或表型功能的異常變化，也稱為DNA損傷。

病例簡介

DNA突變即基因突變 - Gene?mutation，指一個基因內(nèi)部可以遺傳的結(jié)構(gòu)的改變，又稱為點突變，通?？梢鹨欢ǖ谋硇妥兓?。廣義的突變包括染色體畸變。狹義的突變專指點突變。實際上畸變和點突變的界限并不明確，特別是微細(xì)的畸變更是如此。野生型基因通過突變成為突變型基因。突變型一詞既指突變基因，也指具有這一突變基因的個體?；蛲蛔兊陌l(fā)生和脫氧核糖核酸的復(fù)制、DNA損傷修復(fù)、癌變和衰老都有關(guān)系，基因突變也是生物進(jìn)化的重要因素之一。

突變技術(shù)

PCR法擴(kuò)增啟動子5’端系列缺失突變體

采用PCR方法從基因組中擴(kuò)增目的基因的全長啟動子，在所擴(kuò)增的片段兩端分別引入限制性內(nèi)切酶位點，以用于構(gòu)建pGL3basic報告基因表達(dá)質(zhì)粒載體。同樣采用PCR方法，以目的基因全長啟動子報告基因表達(dá)質(zhì)粒為模板分別擴(kuò)增目的基因啟動子5’端系列缺失突變體，這樣就可以構(gòu)建5’端系列缺失目的基因的缺失突變體。

通過連續(xù)PCR引入點突變

所設(shè)計的寡核苷酸引物在所擴(kuò)增的目的片段一端引入點突變，PCR擴(kuò)增后獲得兩條PCR產(chǎn)物，先將兩條均含有突變的片段退火形成新的模板，然后由互補的引物引導(dǎo)延伸合成含有突變位點的全長片段。

對于單點突變，Stratagene公司的QuikChangeSite—DirectedMutagenesisKit是不錯的選擇。通過巧妙設(shè)計，將質(zhì)粒定點突變技術(shù)變得簡單有效。準(zhǔn)備突變的質(zhì)粒必須是從常規(guī)大腸桿菌中經(jīng)純化試劑盒 - Miniprep或者氯化銫純化抽提的質(zhì)粒。設(shè)計一對包含突變位點的引物 - 正、反向和模版質(zhì)粒退火后用PfuTurbo聚合酶“循環(huán)延伸” - 所謂的循環(huán)延伸是指聚合酶按照模版延伸引物，一圈后回到引物5’端終止，再經(jīng)過反復(fù)加熱退火延伸的循環(huán)，這個反應(yīng)區(qū)別于滾環(huán)擴(kuò)增，不會形成多個串聯(lián)拷貝。

正、反向引物的延伸產(chǎn)物退火后配對成為帶缺刻的開環(huán)質(zhì)粒。DpnI酶切延伸產(chǎn)物，由于原來的模板質(zhì)粒來源于常規(guī)大腸桿菌，是經(jīng)dam甲基化修飾的，對DpnI敏感而被切碎 - DpnI識別序列為甲基化的GATC，GATC在/L乎各種質(zhì)粒中都會出現(xiàn)，而且不止一次，而體外合成的帶突變序列的質(zhì)粒由于沒有甲基化而不被切開，因此在隨后的轉(zhuǎn)化中得以成功轉(zhuǎn)化，即可得到突變質(zhì)粒的克隆。這個試劑盒非常巧妙地利用甲基化的模板質(zhì)粒對DpnI敏感，而合成的突變質(zhì)粒對DpnI酶切不敏感，利用酶切除去模版質(zhì)粒，得到突變質(zhì)粒，使得操作簡單有效。

另外，由于Pfu聚合酶是公認(rèn)的最好的高保真聚合酶之一，堪稱高保真聚合酶的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，是Stratagene公司的看家之寶，能夠有效避免延伸過程中不需要的錯配。試劑盒采用的是低次數(shù)的循環(huán)延伸而非PCR，有助于減少無意錯配。只需要一次酶切和轉(zhuǎn)化，實驗可以在一天完成。這個試劑盒適用于質(zhì)粒大小不超過8kb的質(zhì)粒。后來推出的QuikChangeXLSite—DireetedMutagenesisKit則是針對大于8kL的質(zhì)粒的定點突變的，通過優(yōu)化試劑特別是其感受態(tài)細(xì)胞 - XLl0—Gold，使得較大的質(zhì)粒的定點突變也一樣簡單。

特性

不論是真核生物還是原核生物的突變，也不論是什么類型的突變，都具有隨機性、稀有性和可逆性等共同的特性。

①隨機性。指基因突變的發(fā)生在時間上、在發(fā)生這一突變的個體上、在發(fā)生突變的基因上，都是隨機的。在高等植物中所發(fā)現(xiàn)的無數(shù)突變都說明基因突變的隨機性。在細(xì)菌中則情況遠(yuǎn)為復(fù)雜。

②稀有性。突變是極為稀有的，野生型基因以極低的突變率發(fā)生突變。

③可逆性。突變基因又可以通過突變而成為野生型基因，這一過程稱為回復(fù)突變。正向突變率總是高于回復(fù)突變率，一個突變基因內(nèi)部只有一個位置上的結(jié)構(gòu)改變才能使它恢復(fù)原狀。

④少利多害性。一般基因突變會產(chǎn)生不利的影響，被淘汰或是死亡，但有極少數(shù)會使物種增強適應(yīng)性。

種類

基因突變可以是自發(fā)的也可以是誘發(fā)的。自發(fā)產(chǎn)生的基因突變型和誘發(fā)產(chǎn)生的基因突變型之間沒有本質(zhì)上的不同，基因突變誘變劑的作用也只是提高了基因的突變率。

按照表型效應(yīng)，突變型可以區(qū)分為形態(tài)突變型、生化突變型以及致死突變型等。這樣的區(qū)分并不涉及突變的本質(zhì)，而且也不嚴(yán)格。因為形態(tài)的突變和致死的突變必然有它們的生物化學(xué)基礎(chǔ)，所以嚴(yán)格地講一切突變型都是生物化學(xué)突變型。按照基因結(jié)構(gòu)改變的類型，突變可分為堿基置換、移碼、缺失和插入4種。按照遺傳信息的改變方式，突變又可分為錯義、無義兩類。

線粒體DNA突變

線粒體DNA呈裸露的環(huán)狀雙螺旋結(jié)構(gòu)，缺乏蛋白質(zhì)保護(hù)和損傷修復(fù)系統(tǒng)，易受到氧化磷酸化過程中產(chǎn)生氧自由基的損傷而發(fā)生突變。影響氧化磷酸化的功能，使ATP生成減少而致病。

應(yīng)用

對于人類來講，基因突變可以是有用的也可以是有害的。

誘變育種

通過誘發(fā)使生物產(chǎn)生大量而多樣的基因突變，從而可以根據(jù)需要選育出優(yōu)良品種，這是基因突變的有用的方面。在化學(xué)誘變劑發(fā)現(xiàn)以前，植物育種工作主要采用輻射作為誘變劑；化學(xué)誘變劑發(fā)現(xiàn)以后，誘變手段便大大地增加了。在微生物的誘變育種工作中，由于容易在短時間中處理大量的個體，所以一般只是要求誘變劑作用強，也就是說要求它能產(chǎn)生大量的突變。對于難以在短時間內(nèi)處理大量個體的高等植物來講，則要求誘變劑的作用較強，效率較高并較為專一。所謂效率較高便是產(chǎn)生更多的基因突變和較少的染色體畸變。所謂專一便是產(chǎn)生特定類型的突變型。

害蟲防治

用誘變劑處理雄性害蟲使之發(fā)生致死的或條件致死的突變，然后釋放這些雄性害蟲，便能使它們和野生的雄性昆蟲相競爭而產(chǎn)生致死的或不育的子代。

誘變物質(zhì)的檢測

多數(shù)突變對于生物本身來講是有害的，人類的癌癥的發(fā)生也和基因突變有密切的關(guān)系，因此環(huán)境中的誘變物質(zhì)的檢測已成為公共衛(wèi)生的一項重要任務(wù)。

從基因突變的性質(zhì)來看，檢測方法分為顯性突變法、隱性突變法和回復(fù)突變法3類。

除了用來檢測基因突變的許多方法以外，還有許多用來檢測染色體畸變和姐妹染色單體互換的測試系統(tǒng)。當(dāng)然對于藥物的致癌活性的最可靠的測定是哺乳動物體內(nèi)致癌情況的檢測。但是利用微生物中誘發(fā)回復(fù)突變這一指標(biāo)作為致癌物質(zhì)的初步篩選，仍具有重要的實際意義。

病變可讓癌細(xì)胞自殺

生物通編譯：路透社華盛頓消息-科研人員在報告說，當(dāng)科學(xué)家插入一個小遺傳突變到癌細(xì)胞中，它們的生長減慢到細(xì)胞“自殺”的水平。加州大學(xué)舊金山分校的生物化學(xué)和生物物理學(xué)教授Elizabeth?Blackburn說：“這就象毒針一樣，你只需要加一點點就可以得到顯著的效果。”

這種突變的目標(biāo)是一個在癌細(xì)胞中高度活躍的酶——端粒酶，該酶在細(xì)胞復(fù)制的消耗過程中幫助維持染色體結(jié)構(gòu)。該突變使用端粒酶來破壞迅速擴(kuò)增的癌細(xì)胞——Blackburn將這個策略比作柔道，雙方利用對手的力量來擊敗對方。

在這項研究中，科學(xué)家在該酶的遺傳密碼中插入了一個由RNA構(gòu)成的小突變。突變的RNA阻斷了端粒酶將RNA反轉(zhuǎn)錄為DNA，以重建細(xì)胞復(fù)制過程中丟失的染色體部分的正?；钚?。Blackburn說：“癌細(xì)胞是著名的對抗自殺信號的細(xì)胞類型，這是之所以癌細(xì)胞如此可怕的原因之一。擁有這么少量的端粒酶能夠發(fā)揮如此有效的作用相當(dāng)令人吃驚。

”研究中，低水平的突變RNA大大降低了乳腺癌和前列腺癌細(xì)胞的生長速度，并且使更多的細(xì)胞死亡。這種突變在導(dǎo)入突變酶的活體小鼠中使得乳腺癌腫瘤減小。雖然端粒酶突變對癌細(xì)胞生長造成的影響的原因還不清楚，Blackburn說進(jìn)一步的研究可能發(fā)現(xiàn)來自人體的癌細(xì)胞比研究中使用的實驗室培養(yǎng)的細(xì)胞對突變酶要更為敏感。

Blackburn和同事們完成的這項研究發(fā)表在最新一期的Proceedingsof?the?National?Academy?of?Sciences上?？茖W(xué)家們一直在研究通過破壞端粒酶活性來治療癌癥的幾種方法，但是加州大學(xué)進(jìn)行的這項研究提供了新的治療。國家健康研究所的Richard?Hodes說：“在被研究的幾個供選擇方法中，端粒酶突變作為直接影響腫瘤細(xì)胞治療癌癥的方法具有清晰的理論優(yōu)勢?！?/p>

染色體變異引起的病變

在真核生物的體內(nèi)，染色體是遺傳物質(zhì)DNA的載體。當(dāng)染色體的數(shù)目發(fā)生改變時（缺少，增多）或者染色體的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，遺傳信息就隨之改變，帶來的就是生物體的后代性狀的改變，這就是染色體變異。它是可遺傳變異的一種。根據(jù)產(chǎn)生變異的原因，它可以分為結(jié)構(gòu)變異和數(shù)量變異兩大類。

染色體結(jié)構(gòu)變異

染色體結(jié)構(gòu)變異最早是在果蠅中發(fā)現(xiàn)的。遺傳學(xué)家在1917年發(fā)現(xiàn)染色體缺失,1919年發(fā)現(xiàn)染色體重復(fù),1923年發(fā)現(xiàn)染色體易位,1926年發(fā)現(xiàn)染色體倒位。人們在果蠅幼蟲唾腺染色體上,對各種染色體結(jié)構(gòu)變異進(jìn)行了詳細(xì)的遺傳學(xué)研究。

染色體結(jié)構(gòu)變異的發(fā)生是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果,外因有各種射線、化學(xué)藥劑、溫度的劇變等,內(nèi)因有生物體內(nèi)代謝過程的失調(diào)、衰老等。在這些因素的作用下,染色體可能發(fā)生斷裂,斷裂端具有愈合與重接的能力。當(dāng)染色體在不同區(qū)段發(fā)生斷裂后,在同一條染色體內(nèi)或不同的染色體之間以不同的方式重接時,就會導(dǎo)致各種結(jié)構(gòu)變異的出現(xiàn)。下面分別介紹這幾種結(jié)構(gòu)變異的情況。

1.缺失。

缺失是指染色體上某一區(qū)段及其帶有的基因一起丟失,從而引起變異的現(xiàn)象。缺失的斷片如系染色體臂的外端區(qū)段,則稱頂端缺失；如系染色體臂的中間區(qū)段,則稱中間缺失。缺失的純合體可能引起致死或表型異常。在雜合體中如攜有顯性等位基因的染色體區(qū)段缺失，則隱性等位基因得以實現(xiàn)其表型效應(yīng)，出現(xiàn)所謂假顯性。在缺失雜合體中,由于缺失的染色體不能和它的正常同源染色體完全相應(yīng)地配對,所以當(dāng)同源染色體聯(lián)會時,可以看到正常的一條染色體多出了一段 - 頂端缺失,或者形成一個拱形的結(jié)構(gòu) - 中間缺失,這條正常染色體上多出的一段或者一個結(jié),正是缺失染色體上相應(yīng)失去的部分。缺失引起的遺傳效應(yīng)隨著缺失片段大小和細(xì)胞所處發(fā)育時期的不同而不同。在個體發(fā)育中,缺失發(fā)生得越早,影響越大缺失的片段越大,對個體的影響也越嚴(yán)重,重則引起個體死亡,輕則影響個體的生活力。在人類遺傳中,染色體缺失常會引起較嚴(yán)重的遺傳性疾病,如貓叫綜合征等。缺失可用以進(jìn)行基因定位。

2.重復(fù)。

染色體上增加了相同的某個區(qū)段而引起變異的現(xiàn)象，叫做重復(fù)。在重復(fù)雜合體中，當(dāng)同源染色體聯(lián)會時，發(fā)生重復(fù)的染色體的重復(fù)區(qū)段形成一個拱形結(jié)構(gòu),或者比正常染色體多出一段。重復(fù)引起的遺傳效應(yīng)比缺失的小。但是如果重復(fù)的部分太大，也會影響個體的生活力，甚至引起個體死亡。例如，果蠅的棒眼就是X染色體特定區(qū)段重復(fù)的結(jié)果。重復(fù)對生物體的不利影響一般小于缺失，因此在自然群體中較易保存。重復(fù)對生物的進(jìn)化有重要作用。這是因為“多余的基因可能向多個方向突變，而不致于損害細(xì)胞和個體的正常機能。突變的最終結(jié)果，有可能使“多余的基因成為一個能執(zhí)行新功能的新基因，從而為生物適應(yīng)新環(huán)境提供了機會。因此,在遺傳學(xué)上往往把重復(fù)看做是新基因的一個重要來源。

3.倒位。

指某染色體的內(nèi)部區(qū)段發(fā)生180°的倒轉(zhuǎn),而使該區(qū)段的原來基因順序發(fā)生顛倒的現(xiàn)象。倒位區(qū)段只涉及染色體的一個臂，稱為臂內(nèi)倒位；涉及包括著絲粒在內(nèi)的兩個臂，稱為臂間倒位。倒位的遺傳效應(yīng)首先是改變了倒位區(qū)段內(nèi)外基因的連鎖關(guān)系，還可使基因的正常表達(dá)因位置改變而有所變化。倒位雜合體聯(lián)會時可形成特征性的倒位環(huán)，引起部分不育性，并降低連鎖基因的重組率。倒位雜合體形成的配子大多是異常的,從而影響了個體的育性。倒位純合體通常也不能和原種個體間進(jìn)行有性生殖,但是這樣形成的生殖隔離,為新物種的進(jìn)化提供了有利條件。例如,普通果蠅的第3號染色體上有三個基因按猩紅眼—桃色眼—三角翅脈的順序排列 - St—P—Dl；同是這三個基因,在另一種果蠅中的順序是St—Dl—P,僅僅這一倒位的差異便構(gòu)成了兩個物種之間的差別。

4.易位。

易位是指一條染色體的某一片段移接到另一條非同源染色體上,從而引起變異的現(xiàn)象。如果兩條非同源染色體之間相互交換片段,叫做相互易位,這種易位比較常見。相互易位的遺傳效應(yīng)主要是產(chǎn)生部分異常的配子,使配子的育性降低或產(chǎn)生有遺傳病的后代。易位雜合體在減數(shù)分裂偶線期和粗線期，可出現(xiàn)典型的十字形構(gòu)型，終變期或中期時則發(fā)展為環(huán)形、鏈形或∞字形的構(gòu)型。易位的直接后果是使原有的連鎖群改變。易位雜合體所產(chǎn)生的部分配子含有重復(fù)或缺失的染色體，從而導(dǎo)致部分不育或半不育。例如,慢性粒細(xì)胞白血病,就是由人的第22號染色體和第14號染色體易位造成的。易位在生物進(jìn)化中具有重要作用。例如,在17個科的29個屬的種子植物中,都有易位產(chǎn)生的變異類型,直果曼陀羅的近100個變種,就是不同染色體易位的結(jié)果。

染色體數(shù)量變異

1. 整倍性變異。

指以一定染色體數(shù)為一套的染色體組呈整倍增減的變異。一倍體只有1個染色體組，一般以X表示。二倍體具有2個染色體組。具有3個或3個以上染色體組者統(tǒng)稱多倍體，如三倍體、四倍體、五倍體、六倍體等。一般奇數(shù)多倍體由于減數(shù)分裂不正常而導(dǎo)致嚴(yán)重不孕。如果增加的染色體組來自同一物種，則稱同源多倍體。如直接使某二倍體物種的染色體數(shù)加倍，所產(chǎn)生的四倍體就是同源四倍體。如使不同種、屬間雜種的染色體數(shù)加倍，則所形成的多倍體稱為異源多倍體。異源多倍體系列在植物中相當(dāng)普遍，據(jù)統(tǒng)計約有30～35%的被子植物存在多倍體系列，而禾本科植物中的異源多倍體則高達(dá)75%。栽培植物中有許多是天然的異源多倍體，如普通小麥為異源六倍體、陸地棉和普通煙草為異源四倍體。多倍體亦可人工誘發(fā)，秋水仙堿處理就是誘發(fā)多倍體的最有效措施。

2.非整倍性變異。

生物體的2n染色體數(shù)增或減一個以至幾個染色體或染色體臂的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的生物體稱非整倍體。其中涉及完整染色體的非整倍體稱初級非整倍體；涉及染色體臂的非整倍體稱次級非整倍體。在初級非整倍體中，丟失1對同源染色體的生物體，稱為缺體 - 2n-2;丟失同源染色體對中1條染色體的生物體稱為單體 - 2n-1;增加同源染色體對中1條染色體的生物體稱為三體 - 2n+1;增加1對同源染色體的生物體稱為四體 - 2n+2。在次級非整倍體中,丟失了1個臂的染色體稱為端體。某生物體如果有1對同源染色體均系端體者稱為雙端體，如果1對同源染色體中只有1條為端體者稱為單端體。某染色體丟失了1個臂,另1個臂復(fù)制為2個同源臂的染色體，稱為等臂染色體。具有該等臂染色體的生物體，稱為等臂體。等臂體亦有單等臂體與雙等臂體之分。

由于任何物種的體細(xì)胞均有n對染色體,因此各物種都可能有n個不同的缺體、單體、三體和四體,以及2n個不同的端體和等臂體。例如普通小麥的n=21，因此它的缺體、單體、三體和四體各有21種，而端體和等臂體則可能有42種。染色體數(shù)的非整倍性變異可引起生物體的遺傳不平衡和減數(shù)分裂異常，從而造成活力與育性的下降。

但生物體對染色體增加的忍受能力一般要大于對染色體丟失的忍受能力。因1條染色體的增減所造成的不良影響一般也小于1條以上染色體的增減。非整倍性系列對進(jìn)行基因的染色體定位、確定親緣染色體組各成員間的部分同源關(guān)系等，均具有理論意義。此外，利用非整倍體系列向栽培植物導(dǎo)入有益的外源染色體和基因亦有重要的應(yīng)用價值。如小麥品種小偃759就是普通小麥增加了1對長穗偃麥草染色體的異附加系，而蘭粒小麥則為普通小麥染色體4D被長穗偃麥草染色體4E所代換的異代換系。

許多癌癥如肺癌、腸癌等都是由于其腫瘤細(xì)胞中染色體數(shù)目變異所造成的，而且科學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)細(xì)胞調(diào)控因子或者紡錘體蛋白的突變會造成染色體不分離（chromosomenondisjunction，即細(xì)胞分裂進(jìn)入中后期時，某一對同源染色體或者姐妹單體未分別移向兩極，造成子細(xì)胞中一個染色體數(shù)目增多，一個減少的現(xiàn)象），從而引起染色體數(shù)目變化。

研究意義

研究基因突變除了本身的理論意義以外還有廣泛的生物學(xué)意義。基因突變?yōu)檫z傳學(xué)研究提供突變型，為育種工作提供素材，所以它還有科學(xué)研究和生產(chǎn)上的實際意義。體外定點突變技術(shù)是生物、醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域研究中的一種重要實驗手段，是改造、優(yōu)化基因的便捷方案，是探索啟動子調(diào)節(jié)位點的有效手段，也是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能之間的復(fù)雜關(guān)系的有力工具。