微生物基因突变的探究与分析

突变就是生物体内遗传物质中的核苷酸顺序突然发生了稳定的可遗传的变化，它包括基因突变（又称点突变）和染色体畸变两类。

在微生物中，突变是经常发生的。研究突变的规律，不但有助于对基因定位和基因功能等基本理论问题的了解，而且还为微生物的选种和育种提供了必要的理论基础。

一个基因内部遗传架构或DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换，而导致的遗传变化称为基因突变，其发生变化的范围很小，所以又称点突变或狭义的突变。染色体畸变是指大段染色体的缺失、重复、倒位、易位。广义的突变包括染色体畸变和点突变。从自然界分离得到的菌株一般称野生型菌株，简称野生型。野生型经突变后形成的带有新性状的菌株，称突变株。基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性，也是我们用来获得优良菌株的重要途径之一。

一、基因突变的类型

基因突变的类型极为多样。人们可从不同的角度对基因突变进行分类，并给以不同的名称。根据突变体表型不同，可把突变分成以下几种类型。

1.营养缺陷型

这是一类重要的生化突变型。指某种微生物因发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子、碱基或氨基酸的能力，因而无法在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型，称为营养缺陷型，它们必须在加有相应营养物质的基本培养基平板上才能正常生长繁殖。这种突变型在科研和生产中十分有用。

2.抗性突变型

这是一类能抵抗有害理化因素的突变型。指野生型菌株因发生基因突变，而产生的对某化学药物或致死物理、生物因子的抗性变异类型，根据其抵抗的对象可分抗药性、抗紫外线或抗噬菌体等突变类型。它们可在加有相应药物或用相应物理、生物因子处理的培养基平板上选出。抗性突变型普遍存在，例如对一些抗生素具抗药性的菌株等。抗性突变型在遗传学基本理论的研究中十分有用，它常作为选择性标记菌种。

3.条件致死突变型

指在某一条件下呈现致死效应，而在另一条件下却不表现致死效应的突变类型。温度敏感突变型就是最典型的条件致死突变型。例如，有些大肠杆菌菌株可生长在37℃下，但不能在12℃下生长；T4噬菌体的几个突变株在25℃下有感染力，而在37℃下则失去感染力等。产生温度敏感突变的原因是突变引起了某些重要蛋白质的结构和功能改变，以致在某特定的温度下能发挥其功能，而在另一温度（一般为较高温度）下则该功能丧失。

4.形态突变型

指由突变引起的细胞形态变化或菌落形态改变的突变型。例如，细菌的鞭毛或荚膜的有无，霉菌或放线菌的孢子有无或颜色变化，菌落的大小、表面的光滑、粗糙以及噬菌斑的大小、清晰度等的突变。

5.抗原突变型

指细胞成分尤其是细胞表面成分（细胞壁、荚膜、鞭毛）的细微改变而引起抗原性变化的突变型。

6.其他突变型

如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种类和产量以及对某种药物的依赖性等的突变型。

二、基因突变的特点

整个生物界，由于它们的遗传物质是相同的，所以显示在遗传变异特性上都遵循着共同的规律，这在基因突变的水平上尤为明显。基因突变一般有以下七个共同特点。

1.不对应性

即突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。例如，细菌在有青霉素的环境下，出现了抗青霉素的突变体；在紫外线的作用下，出现了抗紫外线的突变体；在较高的培养温度下，出现了耐高温的突变体等。从表面上看，会认为正是由于青霉素、紫外线或高温的“诱变”，才产生了相对应的突变性状。事实恰恰相反，这类性状都可透过自发的或其他任何诱变因子诱发得到。这里的青霉素、紫外线或高温仅是起着淘汰原有非突变型（敏感型）个体的作用。

2.自发性

指各种遗传性状的突变可以在没有任何人为诱发因素的情况下自发地产生。

3.稀有性

指自发突变虽然可以随时发生，但突变的频率是较低和稳定的，一般在10^-6～10^-9间。

4.独立性

指突变的发生一般是独立的，即在某一群体中，既可发生抗青霉素的突变型，也可发生抗链霉素或任何其他药物的抗药性。某一基因的突变，既不提升也不降低其他任何基因的突变率。突变不仅对某一细胞是随机的，且对某一基因也是随机的。

5.诱变性

指透过各种诱发因素的作用，可提高突变率，一般可提高10～10⁶倍。(www.xing528.com)

6.稳定性

指由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化，所以产生的新性状也是稳定的和可遗传的。

7.可逆性

由原始的野生型基因变异为突变型基因的过程称为正向突变；相反，突变型基因也可以同样的频率回复到原来的野生型基因，称为回复突变。实验证明，任何性状既有可能正向突变，也有可能发生回复突变，两者发生的频率基本相同。

三、基因突变的机制

基因突变的原因是多种多样的，它可以是自发的或诱发的。

（一）诱发突变的机制

诱发突变简称诱变，是指通过人为的方法，利用物理、化学或生物的因素处理微生物使其发生突变。凡能显著提高突变频率的任何因素都可称为诱变剂。诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有几种作用方式。它们的诱发机制主要有以下几类。

1.碱基对的置换

对DNA来说，碱基对的置换属于一种微小的损伤，它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。碱基对置换可分为两类：一类称转换，即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；另一类称颠换，即一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换（见图8-5）。

图8-5 碱基置换的两种类型

实线代表转换，虚线代表颠换

对某一种具体诱变剂来说，既可同时引起转换与颠换，也可只具其中的一个功能。根据化学诱变剂是直接还是间接地引起置换，可以把置换的机制分成以下两类。

（1）直接引起置换的诱变剂 这是一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，在体内或离体条件下均有作用。种类很多，例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂等，后者包括硫酸二乙酯（DES）、甲基磺酸乙酯（EMS）、N—甲基—N—硝基—N—亚硝基胍（NTG）、乙烯亚胺、环氧乙酸、氮芥等。它们可与一个或几个碱基发生生化反应，引起DNA复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异。在这些诱变剂中，除羟胺只引起G∶C→A∶T外，其余都是G∶C、A∶T可以互变的。能引起颠换的诱变剂很少。

（2）间接引起置换的诱变剂 它们都是一些碱基类似物，如5—溴尿嘧啶（5—BU）、5—氨基尿嘧啶（5—AU）、8—氮鸟嘌呤（8—NG）、2—氨基嘌呤（2—AP）和6—氯嘌呤（6—CP）等，其作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子中引起碱基对的置换，因此是间接的。

2.移码突变

这是指由一种诱变剂引起DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添（插入）或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和翻译错误的一类突变。由移码突变所产生的突变体，称为移码突变体。与染色体畸变相比，移码突变也属于是DNA分子的微小损伤。

吖啶类染料及其化合物是移码突变的有效诱变剂。目前认为吖啶类化合物引起移码突变的机制是因为它们都是一种平面形三环分子（见图8-6），结构与一个嘌呤—嘧啶对十分相似，故能嵌入两个相邻DNA碱基对之间，造成双螺旋的部分解开，从而在DNA复制过程中，使链上增添或缺失一个碱基，并引起了移码突变。

图8-6 能引起移码突变的集中代表性化合物

3.染色体畸变

某些强烈理化因子，如X射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起点突变外，还会引起DNA的大损伤——染色体畸变，既包括染色体结构上的缺失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化。

染色体畸变在高等生物中很容易观察。在微生物中，尤其在原核生物中，近年来才证实了它的存在。许多理化诱变剂的诱变作用都不是单一功能的。例如，亚硝酸既能引起碱基的转换作用，又能诱发染色体畸变；一些电离辐射也可同时引起基因突变和染色体畸变作用。

（二）自发突变

虽然自发突变是微生物在没有人工参与的自然条件下发生的，但并不意味着这种突变是没有原因的，而只是说明人们对它们还没有很好认识而已。随着对诱变机制的研究，对自发突变的原因已有所认识。下面讨论几种自发突变的可能机制。

（1）背景辐射和环境因素的诱变 不少“自发突变”实质上是由一些原因不详的低剂量诱变因素长期的综合效应导致。例如充满宇宙空间的各种短波辐射、高温的诱变效应以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质的作用等。

（2）微生物自身代谢产物的诱变 过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物，它对脉孢菌具有诱变作用。这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低，如果同时再加入过氧化氢酶抑制剂（KC N），则又可提高突变率。这就说明，过氧化氢可能是自发突变中的一种内源诱变剂。在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，可能也是同样的原因。

（3）互变异构效应因为DNA分子的A、T、G、C四种碱基的第六位碳原子上不是酮基（T、G）就是氨基（C、A），所以有人认为，T和G会以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现，而C和A则可以氨基式或亚氨基式两种状态出现。由于化学结构的平衡一般倾向于酮式或氨基式，因此在DNA双链结构中一般总是以A∶T和G∶C碱基配对的形式出现。可是，在偶然情况下T也会以稀有的烯醇式形式出现，因此在DNA复制到达这一位点时，在它的相对应的位置上出现配对碱基G，而不是常规的A。当DNA再次复制时，通过G和C配对，就使原来的A∶T转变为G∶C。同样，如果C以稀有的亚氨基形式出现，在DNA复制到达这一位点时，在新合成DNA单链的与C相应的位置上就将是A，而不是G。这或许是引发自发突变的原因之一。

（4）环出效应 即环状突出效应。在DNA复制过程中，如果其中一单链上偶尔突出产生一小环，则会因其上的基因越过复制而发生遗传缺失，从而造成自发突变。