普通遗传学-第48章
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诱变剂可能诱发一定类型的变异，从而为在遗传研究和品种遗传改良中进行定向诱变展现了希望。能够诱发突变的化学因素很多，从简单的无机物到复杂的有机物中都可以找到具有诱变作用的物质。不同的化学物质诱发突变的作用方式不同，有的化学物质可以取代DNA中的碱基，有的能改变碱基的结构使其发生错配，还有的则可以在DNA复制过程中诱导碱基的插入或缺失。
11。2。3。1 碱基类似物
碱基类似物是指与核酸中四种碱基的化学结构相似的一些物质。这类物质能在不影响DNA复制的情况下，作为DNA的成分掺入到DNA分子中，引起碱基配对错误，从而造成碱基对的替换。较常用的碱基类似物是5…溴尿嘧啶（5…Bu）和2…氨基嘌呤（2…AP）。例如，5…溴尿嘧啶（5…Bu），它的分子结构与胸腺嘧啶（T）很相似，仅在第5位碳原子上由溴取代了胸腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）配对。因此，在DNA复制中一旦掺入5…Bu就会引起碱基的转变，从而产生突变。它主要诱导AT转变成GG。
T 5 … Bu（酮式） 5 … Bu（烯醇式） C
5 … Bu 复制 复制
A A G G
2…氨基嘌呤也有两种导构体，当它以与胸腺嘧啶配对形式进入DNA后，它可以再与胞嘧啶配对，从而导致AT转变为GC；而当其以与胞嘧啶配对形式进入DNA后，它可以再与胸腺嘧啶配对，结果使GC碱基对转换为AT碱基对。
11。2。3。2 碱基修饰剂
有的化学诱变剂并不是掺入到DNA中，而是通过对碱基的化学结构进行修饰使其性质发生改变，从而引起特异性错配，如亚硝酸、羟胺、烷化剂等。
亚硝酸（HNO2）是一种有效的诱变剂，它能作用于腺嘌呤（A）使其脱去分子中的氨基而转化为次黄嘌呤（H）。由于次黄嘌呤的分子结构特点，它能暂时与胞嘧啶（C）配对。在以后的复制过程中，次黄嘌呤又被鸟嘌呤（G）所代替，从而形成了CG碱基对，结果使AT改变为CG。
T T C C
HNO2 复制 复制
A H H G
亚硝酸还能使胞嘧啶脱去氨基转化成尿嘧啶，从而把CG碱基对转化为AT碱基对。因此利用亚硝酸诱发的突变还可以利用它诱发回复突变。
羟胺（NH2OH）只特异性地与胞嘧啶反应，它能使胞嘧啶上的氨基氮羟基化，结果使修饰后的胞嘧啶可与胸腺嘧啶配对，从而引起GC碱基对转变为AT咸基对。
烷化剂的种类很多，如甲基黄酸乙酯（EMS）、甲基黄酸甲酯（MMS）、氮芥（NM）、亚硝基胍（NG）等。它们的作用是使碱基烷基化，使被修饰的碱基变为高度不稳定的物质，并导致其发生碱基错配。例如，EMS可使鸟嘌呤的第6位烷化，使胸腺嘧啶的第4位烷化，结果使烷化后的碱基分别与胸腺嘧啶和鸟嘌呤配对，结果导致原来的GC碱基对转变为AT，或使TA转变成CG。
11。2。3。3 插入突变剂
这类化合物主要包括吖啶橙（acridine orange）、原黄素（proflavine）、黄素（acriflavine）等吖啶类染料，它们均含有吖啶环，是一种平面分子，其分子大小与碱基对大小差不多，可以插入到DNA双螺旋双链或单链的两相邻碱基之间。如果它们插在DNA模板链中，合成新链时必须要有一个碱基因插入相应位置以填补空缺，这个碱基并不存在配对问题，是随机选择的。合成的新链上一旦插入了一个咸基，在下一轮复制时必然会增加一个碱基。若这类插入突变剂在插入新合成DNA链时取代了一个碱基，并且在下一轮DNA复制前该插入剂又被丢失，那么就会导致下一轮DNA复制时减少一个碱基。因此，插入突变剂通过在其插入位置上引起碱基对的插入或缺失突变，结果会导致可读框的改变，造成移码突变（图11…8）。
图11…8 插入剂引起的移码突变
11。2。4 物理诱变
11。2。4。1 物理诱变因素及其特点
1927年Muller利用X射线进行诱变异的研究，以后相继发现紫外丝、γ射线、α射线、β射线、中子、超声波和激光等多种物理因素都有诱变作用，从而开辟了物理诱变的研究领域。这些能够诱发基因突变的物理因素称为物理诱变因素。
根据诱变作用的特点可将物理诱变因素分为电离因素和非电离诱变因素两类（图11…9）。
图11…9 物理诱变因素的种类
在上述物理诱变因素中，紫外线由于其能量较低不能引起被照射物质的离子化，是非电离诱变因素。其余诱变因素都能引起被照射物质的离子化，因此是电离诱变因素。在电离诱变因素中，根据射线的性质又可以分为电磁波射线和粒子射线。X射线和γ射线是高能电磁波，而α射线、β射线和质子是带电的粒子射线，中子是不带电的粒子射线。其中X射线是最早应用于诱变研究，但是它引起的电离效应较小。目前应用较多的是γ射线，它的穿透力强、射程远、速度快、效果好，γ射线源主要是60钴和137铯。中子的诱变力强、效果好，在诱变中的应用日益增多，它可以从同位素、加速器和反应堆中获得。但是应用于诱变存成本较高，剂量不容易准确测定，重演性不强等问题。α和β射线穿透力较弱，一般是将其引入生物体内诱变。
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�
