基因突变：从基础概念到科技应用
基因突变：从基础概念到科技应用
基因突变是生物体遗传物质发生改变的重要方式之一，它不仅影响着生物个体的性状表现，也是生物进化的重要驱动力。本文将从基因突变的基本概念出发，探讨其历史发展、分类及其在科学研究和生产实践中的重要意义。
基因突变
基因突变是指由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而引起的基因结构的变化，亦称点突变。这种变化会导致基因型和表型的变异。根据突变的来源，可以将其分为自发突变和诱发突变。自发突变是在自然条件下发生的，而诱发突变则是通过人工手段利用物理因素或化学药剂诱导产生的。虽然两者产生的突变型没有本质区别，但诱变因素可以显著提高基因的突变率。
基因突变通常发生在DNA复制时期，即细胞分裂间期，包括有丝分裂间期和减数分裂间期。它与脱氧核糖核酸的复制、DNA损伤修复、癌变和衰老等过程密切相关，是生物进化的重要因素之一。研究基因突变不仅具有理论意义，还为遗传学研究和育种工作提供了重要素材。
科技发展
基因突变的研究历史可以追溯到20世纪初。1910年，T.H.摩尔根首次在果蝇中发现了基因突变。随后，H.J.马勒于1927年、L.J.斯塔德勒于1928年分别使用X射线等在果蝇和玉米中成功诱发了突变。1947年，C.奥尔巴克首次使用化学诱变剂氮芥诱发了果蝇的突变。1943年，S.E.卢里亚和M.德尔布吕克在大肠杆菌中证明了对噬菌体抗性的出现是基因突变的结果，这一发现进一步证实了基因突变的普遍性。
1949年，光复活作用的发现推动了DNA损伤修复的研究。1958年，S.本泽发现噬菌体T4的rⅡ基因中存在特别容易发生突变的位点——热点。1959年，E.佛里兹提出了基因突变的碱基置换理论，1961年，F.H.C.克里克等人提出了移码突变理论。随着分子遗传学的发展和DNA核苷酸序列分析技术的出现，科学家们能够精确确定基因突变带来的DNA分子结构改变类型，包括某些热点的分子结构，并实现了定向诱变。
突变种类
基因突变可以分为自发突变和诱发突变两大类。自发突变是在自然状态下发生的，而诱发突变则是通过人工手段使用诱变剂处理微生物引起的。虽然两者产生的突变型没有本质区别，但诱变剂的作用提高了基因的突变率。
根据表型效应，突变型可以分为形态突变型、生化突变型和致死突变型等。但从本质上讲，所有突变型都是生物化学突变型。根据碱基变化的情况，基因突变一般可分为碱基置换突变和移码突变两大类。
置换突变
置换突变是指DNA分子中一个碱基对被另一个不同的碱基对取代所引起的突变，也称为点突变。点突变分为转换和颠换两种形式。如果一种嘌呤被另一种嘌呤取代或一种嘧啶被另一种嘧啶取代，则称为转换。嘌呤取代嘧啶或嘧啶取代嘌呤的突变则称为颠换。由于DNA分子中有四种碱基，因此可能出现4种转换和8种颠换。在自然发生的突变中，转换多于颠换。
碱基对的转换可由碱基类似物的掺入造成。例如，5-溴尿嘧啶（5-bromouracil，BU）是一种与胸腺嘧啶类似的化合物，具有酮式和烯醇式两种结构，且两者可以互变，一般酮式较易变为烯醇式。当DNA复制时，酮式BU代替了T，使A-T碱基对变为A-BU；第二次复制时，烯醇式BU能和G配对，故出现G-BU碱基对；第三次复制时，G和C配对，从而出现G-C碱基对，这样，原来的A-T碱基对就变成G-C碱基对。
碱基对的转换也可由一些化学诱变剂诱变所致。例如，亚硝酸类能使胞嘧啶（C）氧化脱氨变成尿嘧啶（U），在下一次复制中，U不与G配对，而与A配对；复制结果C-G变为T-A。又如，烷化剂中的芥子气和硫酸二乙酯可使G发生乙基化，成为烷基化鸟嘌呤（mG），结果，mG不与C配对，而与T配对，经过复制，G-C变为A-T。
移码突变
移码突变是指DNA片段中某一位点插入或丢失一个或几个（非3或3的倍数）碱基对时，造成插入或丢失位点以后的一系列编码顺序发生错位的一种突变。它可引起该位点以后的遗传信息都出现异常。发生了移码突变的基因在表达时可使组成多肽链的氨基酸序列发生改变，从而严重影响蛋白质或酶的结构与功能。吖啶类诱变剂如原黄素、吖黄素、吖啶橙等由于分子比较扁平，能插入到DNA分子的相邻碱基对之间。如在DNA复制前插入，会造成1个碱基对的插入；若在复制过程中插入，则会造成1个碱基对的缺失，两者的结果都引起移码突变。
缺失突变
基因也可以因为较长片段的DNA的缺失而发生突变。缺失的范围如果包括两个基因，那么就好象两个基因同时发生突变，因此又称为多位点突变。由缺失造成的突变不会发生回复突变。所以严格地讲，缺失应属于染色体畸变。
插入突变
一个基因的DNA中如果插入一段外来的DNA，那么它的结构便被破坏而导致突变。大肠杆菌的噬菌体Mu-1和一些插入顺序（IS）以及转座子（见转座因子）都是能够转移位置的遗传因子，当它们转移到某一基因中时，便使这一基因发生突变。许多转座子上带有抗药性基因，当它们转移到某一基因中时，一方面引起突变，另一方面使这一位置上出现一个抗药性基因。插入的DNA分子可以通过切离而失去，准确的切离可以使突变基因回复成为野生型基因。这一事件的出现频率并不由于诱变剂的处理而提高。