突变频率的相关问题探讨

汪兴泽

(江苏省泰兴市教育局教研室 225400)

DNA序列上的任何改变都可能导致突变。DNA复制偶尔发生的错误、遗传物质的损伤以及转座子的DNA元件造成的插入是突变产生的三个主要来源。

体细胞中基因突变的频率如果过高易摧毁个体，生殖细胞中基因突变的频率如果过高易摧毁物种。要使后代有较好的生存机会，DNA序列必须基本不变地传递。但若后代绝对忠实地继承亲代的遗传物质，将失去进化所需的变异。因此，遗传物质的持续传递依赖于基因突变的频率维持在较低水平上。细胞如何维持着较低的突变频率？

1自发突变频率维持在较低水平的主要机制

由于DNA复制的精确性、DNA损伤的修复以及转座过程的精确调控，自发突变频率通常能维持在一个较低的水平。

1.1 DNA聚合酶的校正功能 DNA聚合酶的校正功能大大降低了DNA复制错误而引起的突变。例如，原核细胞的DNA复制主要依赖DNA聚合酶III(pol III)全酶。在体外，pol III核心酶大约每合成10万个碱基对就会出现一个错误。以大肠杆菌(E.coli)为例，其基因组包含约464万个碱基对，如果复制错误概率按10-5计算，其每繁殖一次，每个子代都大约有46个碱基错配。幸亏，pol III全酶所具有的校正功能极大地提高了DNA复制的精确度。具有校正功能的还有DNA聚合酶I(pol I)。

1.2 细胞的错配修复系统 DNA复制的精确性还依赖于细胞内的错配修复系统。以大肠杆菌为例，错配修复蛋白MutS的二聚体能从DNA骨架的扭曲变形上识别出错配的碱基(包括“链滑动”引起的错配)，并与之结合形成可招募MutL(错配修复系统中的第二个蛋白质)的复合体。MutL进一步激活MutH，后者能在错配位点附近的一条链上产生一个切口，在解旋酶和核酸外切酶作用下，逐步水解解旋的单链直至越过错配位点，产生的单链缺口被pol III填补，并由DNA连接酶结合，从而完成修复。利用MutS和MutL的同源物，真核细胞也能进行错配修复。相对于原核细胞，人们对真核细胞的错配修复系统了解还有限。经过错配修复，DNA合成的精确性能提高2～3个数量级。最终校正后DNA复制的错误率仅为10-10[1]。

事实上，同一条DNA分子上不同位点的突变频率可能存在明显差异，有些位点是突变的“热点”。一个典型的例子是二核苷酸序列CA的重复。CA重复片段在人类(包括其他真核生物)的染色体上分布非常广泛，复制机器很难精确拷贝这种序列，常常发生“打滑”。打滑使得重复序列的拷贝数目或增或减，结果导致人群中染色体特定位置处的CA重复片段的长度常常表现为高度多态性。总的来说，染色体上任意一个给定的位点在每轮DNA复制中自发产生新突变的概率为10-6～10-11[2]。

1.3 DNA损伤的修复 DNA损伤通常指DNA简单的化学变化，在细胞中广泛存在。损伤DNA的因素既可能是由于水的作用产生自发性损伤，也可能来源于环境中的辐射或化学诱变剂。自发性损伤包括胞嘧啶的脱氨基，通过N-糖苷键的自发水解去嘌呤化等。然而，多数损伤的DNA会因修复恢复到原始序列而降低突变的频率。

1.3.1 移损合成途径 DNA聚合酶如果遇到损伤(如脱嘌呤位点)可能会因受到阻碍而停止前进。因此，只有越过损伤方可继续复制，否则复制终止。移损合成(TLS)途径能让复制机器绕过损伤的部位，避免复制中途停止。TLS由DNA聚合酶Y家族的酶所催化。这些聚合酶虽然是模板依赖性的，但是它们掺入核苷酸的方式不依赖于碱基配对，所以TLS有高易错性。TLS实质只是避开了损伤(避免因DNA复制中途停止可能导致产生双链断裂的DNA，以及由此引起的细胞凋亡或癌变等一系列危害)，并没有将DNA损伤进行真正的修复。这使细胞能存活下来，但是付出了高突变率的代价。

1.3.2 非同源性末端连接 如果一条染色体在未复制前就发生了断裂，往往缺乏同源重组修复途径的姐妹染色单体作为模板。在这种情况下，细胞主要依赖非同源性末端连接来修复DNA。非同源性末端连接在细菌中很少发生，在真核生物中普遍存在。尽管非同源性末端连接常常有缺失，甚至出现倒位、易位等大规模的DNA变化，但仍然要比不修复断裂的DNA对细胞的损伤小得多。此外，哺乳动物的基因组中大多数DNA并不编码蛋白质，缺失发生在编码区内并产生一个有害突变的机会很少。

1.3.3 同源重组修复系统 在细胞分裂的S和G2时期，同源重组是DNA损伤修复的主要机制。如果只有一个DNA拷贝发生断裂，另一个拷贝可用于准确地校正断裂。也就是说同源重组修复依赖于姐妹染色单体(或同源染色体)的DNA序列信息来修复受损的DNA分子。同源重组过程相对复杂，DNA断裂损伤会诱导一系列重组蛋白产生。在重组蛋白的作用下，母链和子链发生重组。重组后，原来母链中的缺口可以通过DNA聚合酶的作用，以对侧子链为模板合成单链DNA片断来填补，直至完成修复过程[2]。

细胞具备多种高效的修复机制来降低损伤的危害。除同源重组外，DNA损伤的修复途径尚有：直接逆转、切除修复(包括碱基切除修复和核苷酸切除修复)等，这些机制能把多数损伤的DNA恢复到原始序列，因而能将自发突变的频率维持在较低的水平。

1.4 转座过程往往受到精确的调控 转座是一种特殊的遗传重组，能将特定的遗传因子从DNA的一个地方移位到另一个地方。这些可移动的遗传因子叫做转座因子或转座子，一般由几百个或几千个核苷酸组成。当转座子再次定位到基因组的另一区域时会引起插入突变。例如，整合进具有重要功能的区域(基因的编码区)往往会具有严重的后果。当一个转座子离开它的位置时，可能在它的两边产生双链切割。是否产生缺失突变取决于细胞采取什么样的机制对此断裂进行修复，如果是非同源末端的连接可能导致缺失突变；而同源末端的连接不会导致缺失突变。

转座过程通常受到精确的调控。已经发现转座子对靶位点选择的控制常有两类方式：①一些转座因子倾向于插入到对宿主细胞不造成危害的染色体区域，这些区域被称为转座子的避风港；②一些转座子特异性的避免插入自身序列中，这种现象叫做转座目标免疫。此外，转座子还能够通过调节拷贝数，限制自身给宿主细胞带来的有害影响[2]。可见，转座过程的精确调控利于将自发突变的频率维持在较低水平。

2某些情况下突变的频率较高

如果DNA聚合酶缺乏校对功能；如果具有修复和维护作用的基因缺失或因突变而丧失功能；如果人为施加一些能损伤DNA的因素，这些情况下突变的频率是否会提高呢？答案是肯定的。例如，人类免疫缺陷病毒(HIV)的逆转录酶由于不具备校对功能，因而易发生突变，导致同一患者体内存在大量基因变异的HIV毒株。线粒体中无DNA损伤的修复系统(DNA也缺少组蛋白的保护)，线粒体DNA突变率比核DNA高10～20倍。人类任意一个负责协调DNA错配修复的基因发生突变，都易导致遗传性非息肉性结肠癌(HNPCC)的发生；与双链断裂修复途径有关的基因突变往往导致乳腺癌和卵巢癌的易感性[3]。利用诱变剂(如物理因素：X射线、γ射线、紫外线、激光等；化学因素：亚硝酸、硫酸二乙酯等)进行诱变育种，其实质是提高细胞中DNA的损伤频率，进而提高突变的频率。

一个特例是：成熟的B细胞在受抗原刺激后的分化发育阶段会发生体细胞高频突变，平均每次细胞分裂，每对碱基发生突变的概率为10-3，比细胞中其他正常基因的突变频率高105倍以上。其机制是：当B细胞被激活，诱导产生的胞苷脱氨酶使胞嘧啶脱氨生成尿嘧啶。DNA复制时，尿嘧啶引起碱基错配并导致突变，或者由尿嘧啶-N-糖苷酶转移尿嘧啶留下无碱基位点，DNA聚合酶在无碱基位点上易产生错误的修复，因而产生很多点突变。突变后有些抗体分子的亲和力远高于原先的分子，有利于免疫系统对抗原的识别和清除[4]。

3突变频率的差异

1927年，美国遗传学家缪勒(H.J.Muller)报道，电离辐射用于诱导果蝇并产生数百种突变, 其中大多数突变性状能稳定遗传给后代。而在此之前，遗传学家发现了大约100种果蝇的自发突变[5]。高中生物学教材中提到的“在高等生物中，大约105～108个生殖细胞中，才会有一个生殖细胞发生基因突变”，可能是早期遗传学家对自发突变频率的估算。据有关报道：科学家从同一个人体内获得接近100个精子细胞基因蓝图，这些精子样本存在着很大的差异性，具有随意性基因突变，每个精子细胞存在着25～36种新的突变，但这种现象不存在于人体其他细胞。

实际突变的频率的大小可能因个体的差异，以及同一个体不同的细胞，同一细胞内不同的基因，同一基因不同的位点等差异而有所不同。非正常的高频突变会对个体带来危害，特殊情况下的高频突变有利于生物的生存。自发突变的频率无论是高还是低，细胞都具有相应的维持机制。