突變頻率的相關(guān)問(wèn)題探討

汪興澤

(江蘇省泰興市教育局教研室 225400)

DNA序列上的任何改變都可能導(dǎo)致突變。DNA復(fù)制偶爾發(fā)生的錯(cuò)誤、遺傳物質(zhì)的損傷以及轉(zhuǎn)座子的DNA元件造成的插入是突變產(chǎn)生的三個(gè)主要來(lái)源。

體細(xì)胞中基因突變的頻率如果過(guò)高易摧毀個(gè)體，生殖細(xì)胞中基因突變的頻率如果過(guò)高易摧毀物種。要使后代有較好的生存機(jī)會(huì)，DNA序列必須基本不變地傳遞。但若后代絕對(duì)忠實(shí)地繼承親代的遺傳物質(zhì)，將失去進(jìn)化所需的變異。因此，遺傳物質(zhì)的持續(xù)傳遞依賴于基因突變的頻率維持在較低水平上。細(xì)胞如何維持著較低的突變頻率？

1自發(fā)突變頻率維持在較低水平的主要機(jī)制

由于DNA復(fù)制的精確性、DNA損傷的修復(fù)以及轉(zhuǎn)座過(guò)程的精確調(diào)控，自發(fā)突變頻率通常能維持在一個(gè)較低的水平。

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復(fù)制錯(cuò)誤而引起的突變。例如，原核細(xì)胞的DNA復(fù)制主要依賴DNA聚合酶III(pol III)全酶。在體外，pol III核心酶大約每合成10萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤。以大腸桿菌(E.coli)為例，其基因組包含約464萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)，如果復(fù)制錯(cuò)誤概率按10-5計(jì)算，其每繁殖一次，每個(gè)子代都大約有46個(gè)堿基錯(cuò)配。幸虧，pol III全酶所具有的校正功能極大地提高了DNA復(fù)制的精確度。具有校正功能的還有DNA聚合酶I(pol I)。

1.2 細(xì)胞的錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng) DNA復(fù)制的精確性還依賴于細(xì)胞內(nèi)的錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)。以大腸桿菌為例，錯(cuò)配修復(fù)蛋白MutS的二聚體能從DNA骨架的扭曲變形上識(shí)別出錯(cuò)配的堿基(包括“鏈滑動(dòng)”引起的錯(cuò)配)，并與之結(jié)合形成可招募MutL(錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)中的第二個(gè)蛋白質(zhì))的復(fù)合體。MutL進(jìn)一步激活MutH，后者能在錯(cuò)配位點(diǎn)附近的一條鏈上產(chǎn)生一個(gè)切口，在解旋酶和核酸外切酶作用下，逐步水解解旋的單鏈直至越過(guò)錯(cuò)配位點(diǎn)，產(chǎn)生的單鏈缺口被pol III填補(bǔ)，并由DNA連接酶結(jié)合，從而完成修復(fù)。利用MutS和MutL的同源物，真核細(xì)胞也能進(jìn)行錯(cuò)配修復(fù)。相對(duì)于原核細(xì)胞，人們對(duì)真核細(xì)胞的錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)了解還有限。經(jīng)過(guò)錯(cuò)配修復(fù)，DNA合成的精確性能提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。最終校正后DNA復(fù)制的錯(cuò)誤率僅為10-10[1]。

事實(shí)上，同一條DNA分子上不同位點(diǎn)的突變頻率可能存在明顯差異，有些位點(diǎn)是突變的“熱點(diǎn)”。一個(gè)典型的例子是二核苷酸序列CA的重復(fù)。CA重復(fù)片段在人類(包括其他真核生物)的染色體上分布非常廣泛，復(fù)制機(jī)器很難精確拷貝這種序列，常常發(fā)生“打滑”。打滑使得重復(fù)序列的拷貝數(shù)目或增或減，結(jié)果導(dǎo)致人群中染色體特定位置處的CA重復(fù)片段的長(zhǎng)度常常表現(xiàn)為高度多態(tài)性?？偟膩?lái)說(shuō)，染色體上任意一個(gè)給定的位點(diǎn)在每輪DNA復(fù)制中自發(fā)產(chǎn)生新突變的概率為10-6～10-11[2]。

1.3 DNA損傷的修復(fù) DNA損傷通常指DNA簡(jiǎn)單的化學(xué)變化，在細(xì)胞中廣泛存在。損傷DNA的因素既可能是由于水的作用產(chǎn)生自發(fā)性損傷，也可能來(lái)源于環(huán)境中的輻射或化學(xué)誘變劑。自發(fā)性損傷包括胞嘧啶的脫氨基，通過(guò)N-糖苷鍵的自發(fā)水解去嘌呤化等。然而，多數(shù)損傷的DNA會(huì)因修復(fù)恢復(fù)到原始序列而降低突變的頻率。

1.3.1 移損合成途徑 DNA聚合酶如果遇到損傷(如脫嘌呤位點(diǎn))可能會(huì)因受到阻礙而停止前進(jìn)。因此，只有越過(guò)損傷方可繼續(xù)復(fù)制，否則復(fù)制終止。移損合成(TLS)途徑能讓復(fù)制機(jī)器繞過(guò)損傷的部位，避免復(fù)制中途停止。TLS由DNA聚合酶Y家族的酶所催化。這些聚合酶雖然是模板依賴性的，但是它們摻入核苷酸的方式不依賴于堿基配對(duì)，所以TLS有高易錯(cuò)性。TLS實(shí)質(zhì)只是避開(kāi)了損傷(避免因DNA復(fù)制中途停止可能導(dǎo)致產(chǎn)生雙鏈斷裂的DNA，以及由此引起的細(xì)胞凋亡或癌變等一系列危害)，并沒(méi)有將DNA損傷進(jìn)行真正的修復(fù)。這使細(xì)胞能存活下來(lái)，但是付出了高突變率的代價(jià)。

1.3.2 非同源性末端連接 如果一條染色體在未復(fù)制前就發(fā)生了斷裂，往往缺乏同源重組修復(fù)途徑的姐妹染色單體作為模板。在這種情況下，細(xì)胞主要依賴非同源性末端連接來(lái)修復(fù)DNA。非同源性末端連接在細(xì)菌中很少發(fā)生，在真核生物中普遍存在。盡管非同源性末端連接常常有缺失，甚至出現(xiàn)倒位、易位等大規(guī)模的DNA變化，但仍然要比不修復(fù)斷裂的DNA對(duì)細(xì)胞的損傷小得多。此外，哺乳動(dòng)物的基因組中大多數(shù)DNA并不編碼蛋白質(zhì)，缺失發(fā)生在編碼區(qū)內(nèi)并產(chǎn)生一個(gè)有害突變的機(jī)會(huì)很少。

1.3.3 同源重組修復(fù)系統(tǒng) 在細(xì)胞分裂的S和G2時(shí)期，同源重組是DNA損傷修復(fù)的主要機(jī)制。如果只有一個(gè)DNA拷貝發(fā)生斷裂，另一個(gè)拷貝可用于準(zhǔn)確地校正斷裂。也就是說(shuō)同源重組修復(fù)依賴于姐妹染色單體(或同源染色體)的DNA序列信息來(lái)修復(fù)受損的DNA分子。同源重組過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，DNA斷裂損傷會(huì)誘導(dǎo)一系列重組蛋白產(chǎn)生。在重組蛋白的作用下，母鏈和子鏈發(fā)生重組。重組后，原來(lái)母鏈中的缺口可以通過(guò)DNA聚合酶的作用，以對(duì)側(cè)子鏈為模板合成單鏈DNA片斷來(lái)填補(bǔ)，直至完成修復(fù)過(guò)程[2]。

細(xì)胞具備多種高效的修復(fù)機(jī)制來(lái)降低損傷的危害。除同源重組外，DNA損傷的修復(fù)途徑尚有：直接逆轉(zhuǎn)、切除修復(fù)(包括堿基切除修復(fù)和核苷酸切除修復(fù))等，這些機(jī)制能把多數(shù)損傷的DNA恢復(fù)到原始序列，因而能將自發(fā)突變的頻率維持在較低的水平。

1.4 轉(zhuǎn)座過(guò)程往往受到精確的調(diào)控 轉(zhuǎn)座是一種特殊的遺傳重組，能將特定的遺傳因子從DNA的一個(gè)地方移位到另一個(gè)地方。這些可移動(dòng)的遺傳因子叫做轉(zhuǎn)座因子或轉(zhuǎn)座子，一般由幾百個(gè)或幾千個(gè)核苷酸組成。當(dāng)轉(zhuǎn)座子再次定位到基因組的另一區(qū)域時(shí)會(huì)引起插入突變。例如，整合進(jìn)具有重要功能的區(qū)域(基因的編碼區(qū))往往會(huì)具有嚴(yán)重的后果。當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)座子離開(kāi)它的位置時(shí)，可能在它的兩邊產(chǎn)生雙鏈切割。是否產(chǎn)生缺失突變?nèi)Q于細(xì)胞采取什么樣的機(jī)制對(duì)此斷裂進(jìn)行修復(fù)，如果是非同源末端的連接可能導(dǎo)致缺失突變；而同源末端的連接不會(huì)導(dǎo)致缺失突變。

轉(zhuǎn)座過(guò)程通常受到精確的調(diào)控。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子對(duì)靶位點(diǎn)選擇的控制常有兩類方式：①一些轉(zhuǎn)座因子傾向于插入到對(duì)宿主細(xì)胞不造成危害的染色體區(qū)域，這些區(qū)域被稱為轉(zhuǎn)座子的避風(fēng)港；②一些轉(zhuǎn)座子特異性的避免插入自身序列中，這種現(xiàn)象叫做轉(zhuǎn)座目標(biāo)免疫。此外，轉(zhuǎn)座子還能夠通過(guò)調(diào)節(jié)拷貝數(shù)，限制自身給宿主細(xì)胞帶來(lái)的有害影響[2]?？梢?jiàn)，轉(zhuǎn)座過(guò)程的精確調(diào)控利于將自發(fā)突變的頻率維持在較低水平。

2某些情況下突變的頻率較高

如果DNA聚合酶缺乏校對(duì)功能；如果具有修復(fù)和維護(hù)作用的基因缺失或因突變而喪失功能；如果人為施加一些能損傷DNA的因素，這些情況下突變的頻率是否會(huì)提高呢？答案是肯定的。例如，人類免疫缺陷病毒(HIV)的逆轉(zhuǎn)錄酶由于不具備校對(duì)功能，因而易發(fā)生突變，導(dǎo)致同一患者體內(nèi)存在大量基因變異的HIV毒株。線粒體中無(wú)DNA損傷的修復(fù)系統(tǒng)(DNA也缺少組蛋白的保護(hù))，線粒體DNA突變率比核DNA高10～20倍。人類任意一個(gè)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)DNA錯(cuò)配修復(fù)的基因發(fā)生突變，都易導(dǎo)致遺傳性非息肉性結(jié)腸癌(HNPCC)的發(fā)生；與雙鏈斷裂修復(fù)途徑有關(guān)的基因突變往往導(dǎo)致乳腺癌和卵巢癌的易感性[3]。利用誘變劑(如物理因素：X射線、γ射線、紫外線、激光等；化學(xué)因素：亞硝酸、硫酸二乙酯等)進(jìn)行誘變育種，其實(shí)質(zhì)是提高細(xì)胞中DNA的損傷頻率，進(jìn)而提高突變的頻率。

一個(gè)特例是：成熟的B細(xì)胞在受抗原刺激后的分化發(fā)育階段會(huì)發(fā)生體細(xì)胞高頻突變，平均每次細(xì)胞分裂，每對(duì)堿基發(fā)生突變的概率為10-3，比細(xì)胞中其他正?；虻耐蛔冾l率高105倍以上。其機(jī)制是：當(dāng)B細(xì)胞被激活，誘導(dǎo)產(chǎn)生的胞苷脫氨酶使胞嘧啶脫氨生成尿嘧啶。DNA復(fù)制時(shí)，尿嘧啶引起堿基錯(cuò)配并導(dǎo)致突變，或者由尿嘧啶-N-糖苷酶轉(zhuǎn)移尿嘧啶留下無(wú)堿基位點(diǎn)，DNA聚合酶在無(wú)堿基位點(diǎn)上易產(chǎn)生錯(cuò)誤的修復(fù)，因而產(chǎn)生很多點(diǎn)突變。突變后有些抗體分子的親和力遠(yuǎn)高于原先的分子，有利于免疫系統(tǒng)對(duì)抗原的識(shí)別和清除[4]。

3突變頻率的差異

1927年，美國(guó)遺傳學(xué)家繆勒(H.J.Muller)報(bào)道，電離輻射用于誘導(dǎo)果蠅并產(chǎn)生數(shù)百種突變, 其中大多數(shù)突變性狀能穩(wěn)定遺傳給后代。而在此之前，遺傳學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大約100種果蠅的自發(fā)突變[5]。高中生物學(xué)教材中提到的“在高等生物中，大約105～108個(gè)生殖細(xì)胞中，才會(huì)有一個(gè)生殖細(xì)胞發(fā)生基因突變”，可能是早期遺傳學(xué)家對(duì)自發(fā)突變頻率的估算。據(jù)有關(guān)報(bào)道：科學(xué)家從同一個(gè)人體內(nèi)獲得接近100個(gè)精子細(xì)胞基因藍(lán)圖，這些精子樣本存在著很大的差異性，具有隨意性基因突變，每個(gè)精子細(xì)胞存在著25～36種新的突變，但這種現(xiàn)象不存在于人體其他細(xì)胞。

實(shí)際突變的頻率的大小可能因個(gè)體的差異，以及同一個(gè)體不同的細(xì)胞，同一細(xì)胞內(nèi)不同的基因，同一基因不同的位點(diǎn)等差異而有所不同。非正常的高頻突變會(huì)對(duì)個(gè)體帶來(lái)危害，特殊情況下的高頻突變有利于生物的生存。自發(fā)突變的頻率無(wú)論是高還是低，細(xì)胞都具有相應(yīng)的維持機(jī)制。