基因突变与染色体变异

基因突变与染色体变异

基因突变
gene mutation
一个基因内部可以遗传的结构的改变 .又称为点突变,通常可引起一定的表型变化 .广义的突变包括染色体畸变.狭义的突变专指点突变.实际上畸变和点突变的界限并不明确,特别是微细的畸变更是如此.野生型基因通过突变成为突变型基因.突变型一词既指突变基因,也指具有这一突变基因的个体.
基因突变的发生和脱氧核糖核酸的复制、DNA损伤修复、癌变和衰老都有关系,基因突变也是生物进化的重要因素之一,所以研究基因突变除了本身的理论意义以外还有广泛的生物学意义.基因突变为遗传学研究提供突变型,为育种工作提供素材,所以它还有科学研究和生产上的实际意义.
特性
不论是真核生物还是原核生物的突变,也不论是什么类型的突变,都具有随机性、稀有性和可逆性等共同的特性.
①随机性.指基因突变的发生在时间上、在发生这一突变的个体上、在发生突变的基因上,都是随机的.在高等植物中所发现的无数突变都说明基因突变的随机性.在细菌中则情况远为复杂.
②稀有性.突变是极为稀有的,野生型基因以极低的突变率发生突变.
③可逆性.突变基因又可以通过突变而成为野生型基因,这一过程称为回复突变 .正向突变率总是高于回复突变率,一个突变基因内部只有一个位置上的结构改变 才能使它恢复原状.
④少利多害性.一般基因突变会产生不利的影响,被淘汰或是死亡,但有极少数会使物种增强适应性.
种类
基因突变可以是自发的也可以是诱发的.自发产生的基因突变型和诱发产生的基因突变型之间没有本质上的不同,基因突变诱变剂的作用也只是提高了基因的突变率.
按照表型效应,突变型可以区分为形态突变型、生化突变型以及致死突变型等.这样的区分并不涉及突变的本质,而且也不严格.因为形态的突变和致死的突变必然有它们的生物化学基础,所以严格地讲一切突变型都是生物化学突变型.按照基因结构改变的类型,突变可分为碱基置换、移码、缺失和插入4种.按照遗传信息的改变方式,突变又可分为错义、无义两类.
应用
对于人类来讲,基因突变可以是有用的也可以是有害的.
①诱变育种.通过诱发使生物产生大量而多样的基因突变,从而可以根据需要选育出优良品种,这是基因突变的有用的方面.在化学诱变剂发现以前,植物育种工作主要采用辐射作为诱变剂；化学诱变剂发现以后,诱变手段便大大地增加了.在微生物的诱变育种工作中,由于容易在短时间中处理大量的个体,所以一般只是要求诱变剂作用强,也就是说要求它能产生大量的突变.对于难以在短时间内处理大量个体的高等植物来讲,则要求诱变剂的作用较强,效率较高并较为专一.所谓效率较高便是产生更多的基因突变和较少的染色体畸变.所谓专一便是产生特定类型的突变型.
②害虫防治.用诱变剂处理雄性害虫使之发生致死的或条件致死的突变,然后释放这些雄性害虫,便能使它们和野生的雄性昆虫相竞争而产生致死的或不育的子代.
③诱变物质的检测.多数突变对于生物本身来讲是有害的,人类的癌症的发生也和基因突变有密切的关系,因此环境中的诱变物质的检测已成为公共卫生的一项重要任务.
从基因突变的性质来看,检测方法分为显性突变法、隐性突变法和回复突变法3类.
除了用来检测基因突变的许多方法以外,还有许多用来检测染色体畸变和姐妹染色单体互换的测试系统.当然对于药物的致癌活性的最可靠的测定是哺乳动物体内致癌情况的检测.但是利用微生物中诱发回复突变这一指标作为致癌物质的初步筛选,仍具有重要的实际意义.
基因突变让癌细胞自杀
生物通编译：路透社华盛顿消息- 科研人员在报告说,当科学家插入一个小遗传突变到癌细胞中,它们的生长减慢到细胞“自杀”的水平.
加州大学旧金山分校的生物化学和生物物理学教授Elizabeth Blackburn说：“这就象毒针一样,你只需要加一点点就可以得到显著的效果.”
这种突变的目标是一个在癌细胞中高度活跃的酶——端粒酶,该酶在细胞复制的消耗过程中帮助维持染色体结构.
该突变使用端粒酶来破坏迅速扩增的癌细胞——Blackburn将这个策略比作柔道,双方利用对手的力量来击败对方.
在这项研究中,科学家在该酶的遗传密码中插入了一个由RNA构成的小突变.突变的RNA阻断了端粒酶将RNA反转录为DNA,以重建细胞复制过程中丢失的染色体部分的正常活性.
Blackburn说：“癌细胞是著名的对抗自杀信号的细胞类型,这是之所以癌细胞如此可怕的原因之一.拥有这么少量的端粒酶能够发挥如此有效的作用相当令人吃惊.”
研究中,低水平的突变RNA大大降低了乳腺癌和前列腺癌细胞的生长速度,并且使更多的细胞死亡.
这种突变在导入突变酶的活体小鼠中使得乳腺癌肿瘤减小.
虽然端粒酶突变对癌细胞生长造成的影响的原因还不清楚,Blackburn说进一步的研究可能发现来自人体的癌细胞比研究中使用的实验室培养的细胞对突变酶要更为敏感.
Blackburn和同事们完成的这项研究发表在最新一期的Proceedingsof the National Academy of Sciences上.
科学家们一直在研究通过破坏端粒酶活性来治疗癌症的几种方法,但是加州大学进行的这项研究提供了新的治疗.国家健康研究所的Richard Hodes说：“在被研究的几个供选择方法中,端粒酶突变作为直接影响肿瘤细胞治疗癌症的方法具有清晰的理论优势.”
在真核生物的体内,染色体是遗传物质DNA的载体.当染色体的数目发生改变时（缺少,增多）或者染色体的结构发生改变时,遗传信息就随之改变,带来的就是生物体的后代性状的改变,这就是染色体变异.它是可遗传变异的一种.根据产生变异的原因,它可以分为结构变异和数量变异两大类.
一 染色体结构变异
染色体结构变异最早是在果蝇中发现的.遗传学家在1917年发现染色体缺失,1919年发现染色体重复,1923年发现染色体易位,1926年发现染色体倒位.人们在果蝇幼虫唾腺染色体上,对各种染色体结构变异进行了详细的遗传学研究.
染色体结构变异的发生是内因和外因共同作用的结果,外因有各种射线、化学药剂、温度的剧变等,内因有生物体内代谢过程的失调、衰老等.在这些因素的作用下, 染色体可能发生断裂,断裂端具有愈合与重接的能力.当染色体在不同区段发生断裂后,在同一条染色体内或不同的染色体之间以不同的方式重接时,就会导致各种结构变异的出现.下面分别介绍这几种结构变异的情况.
1. 缺失.缺失是指染色体上某一区段及其带有的基因一起丢失,从而引起变异的现象.缺失的断片如系染色体臂的外端区段,则称顶端缺失；如系染色体臂的中间区段,则称中间缺失.缺失的纯合体可能引起致死或表型异常.在杂合体中如携有显性等位基因的染色体区段缺失,则隐性等位基因得以实现其表型效应,出现所谓假显性.在缺失杂合体中,由于缺失的染色体不能和它的正常同源染色体完全相应地配对,所以当同源染色体联会时,可以看到正常的一条染色体多出了一段(顶端缺失),或者形成一个拱形的结构(中间缺失),这条正常染色体上多出的一段或者一个结,正是缺失染色体上相应失去的部分.缺失引起的遗传效应随着缺失片段大小和细胞所处发育时期的不同而不同.在个体发育中,缺失发生得越早,影响越大缺失的片段越大,对个体的影响也越严重,重则引起个体死亡, 轻则影响个体的生活力.在人类遗传中,染色体缺失常会引起较严重的遗传性疾病,如猫叫综合征等.缺失可用以进行基因定位.
2. 重复.染色体上增加了相同的某个区段而引起变异的现象,叫做重复.在重复杂合体中,当同源染色体联会时,发生重复的染色体的重复区段形成一个拱形结构,或者比正常染色体多出一段.重复引起的遗传效应比缺失的小.但是如果重复的部分太大,也会影响个体的生活力,甚至引起个体死亡.例如, 果蝇的棒眼就是X染色体特定区段重复的结果.重复对生物体的不利影响一般小于缺失,因此在自然群体中较易保存.重复对生物的进化有重要作用.这是因为“多余的基因可能向多个方向突变,而不致于损害细胞和个体的正常机能.突变的最终结果,有可能使“多余的基因成为一个能执行新功能的新基因,从而为生物适应新环境提供了机会.因此,在遗传学上往往把重复看做是新基因的一个重要来源.
3. 倒位.指某染色体的内部区段发生180°的倒转,而使该区段的原来基因顺序发生颠倒的现象.倒位区段只涉及染色体的一个臂,称为臂内倒位；涉及包括着丝粒在内的两个臂,称为臂间倒位.倒位的遗传效应首先是改变了倒位区段内外基因的连锁关系,还可使基因的正常表达因位置改变而有所变化.倒位杂合体联会时可形成特征性的倒位环,引起部分不育性,并降低连锁基因的重组率.倒位杂合体形成的配子大多是异常的,从而影响了个体的育性.倒位纯合体通常也不能和原种个体间进行有性生殖,但是这样形成的生殖隔离,为新物种的进化提供了有利条件.例如,普通果蝇的第3号染色体上有三个基因按猩红眼—桃色眼—三角翅脉的顺序排列(St—P—Dl)；同是这三个基因,在另一种果蝇中的顺序是St—Dl—P,仅仅这一倒位的差异便构成了两个物种之间的差别.
4. 易位.易位是指一条染色体的某一片段移接到另一条非同源染色体上,从而引起变异的现象.如果两条非同源染色体之间相互交换片段,叫做相互易位,这种易位比较常见.相互易位的遗传效应主要是产生部分异常的配子,使配子的育性降低或产生有遗传病的后代.易位杂合体在减数分裂偶线期和粗线期,可出现典型的十字形构型,终变期或中期时则发展为环形、链形或∞字形的构型.易位的直接后果是使原有的连锁群改变.易位杂合体所产生的部分配子含有重复或缺失的染色体,从而导致部分不育或半不育.例如,慢性粒细胞白血病,就是由人的第22号染色体和第14号染色体易位造成的.易位在生物进化中具有重要作用.例如,在17个科的29个属的种子植物中,都有易位产生的变异类型,直果曼陀罗的近100个变种,就是不同染色体易位的结果.
二 染色体数量变异
1. 整倍性变异.指以一定染色体数为一套的染色体组呈整倍增减的变异.一倍体只有1个染色体组,一般以X表示.二倍体具有 2个染色体组.具有3个或3个以上染色体组者统称多倍体,如三倍体、四倍体、五倍体、六倍体等.一般奇数多倍体由于减数分裂不正常而导致严重不孕.如果增加的染色体组来自同一物种,则称同源多倍体.如直接使某二倍体物种的染色体数加倍,所产生的四倍体就是同源四倍体.如使不同种、属间杂种的染色体数加倍,则所形成的多倍体称为异源多倍体.异源多倍体系列在植物中相当普遍,据统计约有30～35％的被子植物存在多倍体系列,而禾本科植物中的异源多倍体则高达 75％.栽培植物中有许多是天然的异源多倍体,如普通小麦为异源六倍体、陆地棉和普通烟草为异源四倍体.多倍体亦可人工诱发,秋水仙碱处理就是诱发多倍体的最有效措施.
2. 非整倍性变异.生物体的2n染色体数增或减一个以至几个染色体或染色体臂的现象.出现这种现象的生物体称非整倍体.其中涉及完整染色体的非整倍体称初级非整倍体；涉及染色体臂的非整倍体称次级非整倍体.在初级非整倍体中,丢失1对同源染色体的生物体,称为缺体(2n-2);丢失同源染色体对中1条染色体的生物体称为单体(2n-1);增加同源染色体对中1条染色体的生物体称为三体(2n+1);增加1对同源染色体的生物体称为四体(2n+2).在次级非整倍体中,丢失了1个臂的染色体称为端体.某生物体如果有 1对同源染色体均系端体者称为双端体,如果1对同源染色体中只有1条为端体者称为单端体.某染色体丢失了1个臂,另1个臂复制为2个同源臂的染色体,称为等臂染色体.具有该等臂染色体的生物体,称为等臂体.等臂体亦有单等臂体与双等臂体之分.由于任何物种的体细胞均有n对染色体,因此各物种都可能有n个不同的缺体、单体、三体和四体,以及2n个不同的端体和等臂体.例如普通小麦的n=21,因此它的缺体、单体、三体和四体各有21种,而端体和等臂体则可能有42种.染色体数的非整倍性变异可引起生物体的遗传不平衡和减数分裂异常,从而造成活力与育性的下降.但生物体对染色体增加的忍受能力一般要大于对染色体丢失的忍受能力.因 1条染色体的增减所造成的不良影响一般也小于1条以上染色体的增减.非整倍性系列对进行基因的染色体定位、确定亲缘染色体组各成员间的部分同源关系等,均具有理论意义.此外,利用非整倍体系列向栽培植物导入有益的外源染色体和基因亦有重要的应用价值.如小麦品种小偃 759就是普通小麦增加了 1对长穗偃麦草染色体的异附加系,而兰粒小麦则为普通小麦染色体4D被长穗偃麦草染色体4E所代换的异代换系.
许多癌症如肺癌、肠癌等都是由于其肿瘤细胞中染色体数目变异所造成的,而且科学家们也发现细胞调控因子或者纺锤体蛋白的突变会造成染色体不分离（chromosome nondisjunction,即细胞分裂进入中后期时,某一对同源染色体或者姐妹单体未分别移向两极,造成子细胞中一个染色体数目增多,一个减少的现象）,从而引起染色体数目变化.