突變頻率的相關問題探討

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致突變。DNA復制偶爾發生的錯誤、遺傳物質的損傷以及轉座子的DNA元件造成的插入是突變產生的三個主要來源。

體細胞中基因突變的頻率如果過高易摧毀個體，生殖細胞中基因突變的頻率如果過高易摧毀物種。要使后代有較好的生存機會，DNA序列必須基本不變地傳遞。但若后代絕對忠實地繼承親代的遺傳物質，將失去進化所需的變異。因此，遺傳物質的持續傳遞依賴于基因突變的頻率維持在較低水平上。細胞如何維持著較低的突變頻率？

1自發突變頻率維持在較低水平的主要機制

由于DNA復制的精確性、DNA損傷的修復以及轉座過程的精確調控，自發突變頻率通常能維持在一個較低的水平。

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復制錯誤而引起的突變。例如，原核細胞的DNA復制主要依賴DNA聚合酶III(pol III)全酶。在體外，pol III核心酶大約每合成10萬個堿基對就會出現一個錯誤。以大腸桿菌(E.coli)為例，其基因組包含約464萬個堿基對，如果復制錯誤概率按10-5計算，其每繁殖一次，每個子代都大約有46個堿基錯配。幸虧，pol III全酶所具有的校正功能極大地提高了DNA復制的精確度。具有校正功能的還有DNA聚合酶I(pol I)。

1.2 細胞的錯配修復系統 DNA復制的精確性還依賴于細胞內的錯配修復系統。以大腸桿菌為例，錯配修復蛋白MutS的二聚體能從DNA骨架的扭曲變形上識別出錯配的堿基(包括“鏈滑動”引起的錯配)，并與之結合形成可招募MutL(錯配修復系統中的第二個蛋白質)的復合體。MutL進一步激活MutH，后者能在錯配位點附近的一條鏈上產生一個切口，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錯配位點，產生的單鏈缺口被pol III填補，并由DNA連接酶結合，從而完成修復。利用MutS和MutL的同源物，真核細胞也能進行錯配修復。相對于原核細胞，人們對真核細胞的錯配修復系統了解還有限。經過錯配修復，DNA合成的精確性能提高2～3個數量級。最終校正后DNA復制的錯誤率僅為10-10[1]。

事實上，同一條DNA分子上不同位點的突變頻率可能存在明顯差異，有些位點是突變的“熱點”。一個典型的例子是二核苷酸序列CA的重復。CA重復片段在人類(包括其他真核生物)的染色體上分布非常廣泛，復制機器很難精確拷貝這種序列，常常發生“打滑”。打滑使得重復序列的拷貝數目或增或減，結果導致人群中染色體特定位置處的CA重復片段的長度常常表現為高度多態性。總的來說，染色體上任意一個給定的位點在每輪DNA復制中自發產生新突變的概率為10-6～10-11[2]。

1.3 DNA損傷的修復 DNA損傷通常指DNA簡單的化學變化，在細胞中廣泛存在。損傷DNA的因素既可能是由于水的作用產生自發性損傷，也可能來源于環境中的輻射或化學誘變劑。自發性損傷包括胞嘧啶的脫氨基，通過N-糖苷鍵的自發水解去嘌呤化等。然而，多數損傷的DNA會因修復恢復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)可能會因受到阻礙而停止前進。因此，只有越過損傷方可繼續復制，否則復制終止。移損合成(TLS)途徑能讓復制機器繞過損傷的部位，避免復制中途停止。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，所以TLS有高易錯性。TLS實質只是避開了損傷(避免因DNA復制中途停止可能導致產生雙鏈斷裂的DNA，以及由此引起的細胞凋亡或癌變等一系列危害)，并沒有將DNA損傷進行真正的修復。這使細胞能存活下來，但是付出了高突變率的代價。

1.3.2 非同源性末端連接 如果一條染色體在未復制前就發生了斷裂，往往缺乏同源重組修復途徑的姐妹染色單體作為模板。在這種情況下，細胞主要依賴非同源性末端連接來修復DNA。非同源性末端連接在細菌中很少發生，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，甚至出現倒位、易位等大規模的DNA變化，但仍然要比不修復斷裂的DNA對細胞的損傷小得多。此外，哺乳動物的基因組中大多數DNA并不編碼蛋白質，缺失發生在編碼區內并產生一個有害突變的機會很少。

1.3.3 同源重組修復系統 在細胞分裂的S和G2時期，同源重組是DNA損傷修復的主要機制。如果只有一個DNA拷貝發生斷裂，另一個拷貝可用于準確地校正斷裂。也就是說同源重組修復依賴于姐妹染色單體(或同源染色體)的DNA序列信息來修復受損的DNA分子。同源重組過程相對復雜，DNA斷裂損傷會誘導一系列重組蛋白產生。在重組蛋白的作用下，母鏈和子鏈發生重組。重組后，原來母鏈中的缺口可以通過DNA聚合酶的作用，以對側子鏈為模板合成單鏈DNA片斷來填補，直至完成修復過程[2]。

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

1.4 轉座過程往往受到精確的調控 轉座是一種特殊的遺傳重組，能將特定的遺傳因子從DNA的一個地方移位到另一個地方。這些可移動的遺傳因子叫做轉座因子或轉座子，一般由幾百個或幾千個核苷酸組成。當轉座子再次定位到基因組的另一區域時會引起插入突變。例如，整合進具有重要功能的區域(基因的編碼區)往往會具有嚴重的后果。當一個轉座子離開它的位置時，可能在它的兩邊產生雙鏈切割。是否產生缺失突變取決于細胞采取什么樣的機制對此斷裂進行修復，如果是非同源末端的連接可能導致缺失突變；而同源末端的連接不會導致缺失突變。

轉座過程通常受到精確的調控。已經發現轉座子對靶位點選擇的控制常有兩類方式：①一些轉座因子傾向于插入到對宿主細胞不造成危害的染色體區域，這些區域被稱為轉座子的避風港；②一些轉座子特異性的避免插入自身序列中，這種現象叫做轉座目標免疫。此外，轉座子還能夠通過調節拷貝數，限制自身給宿主細胞帶來的有害影響[2]。可見，轉座過程的精確調控利于將自發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聚合酶缺乏校對功能；如果具有修復和維護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提高呢？答案是肯定的。例如，人類免疫缺陷病毒(HIV)的逆轉錄酶由于不具備校對功能，因而易發生突變，導致同一患者體內存在大量基因變異的HIV毒株。線粒體中無DNA損傷的修復系統(DNA也缺少組蛋白的保護)，線粒體DNA突變率比核DNA高10～20倍。人類任意一個負責協調DNA錯配修復的基因發生突變，都易導致遺傳性非息肉性結腸癌(HNPCC)的發生；與雙鏈斷裂修復途徑有關的基因突變往往導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；化學因素：亞硝酸、硫酸二乙酯等)進行誘變育種，其實質是提高細胞中DNA的損傷頻率，進而提高突變的頻率。

一個特例是：成熟的B細胞在受抗原刺激后的分化發育階段會發生體細胞高頻突變，平均每次細胞分裂，每對堿基發生突變的概率為10-3，比細胞中其他正常基因的突變頻率高105倍以上。其機制是：當B細胞被激活，誘導產生的胞苷脫氨酶使胞嘧啶脫氨生成尿嘧啶。DNA復制時，尿嘧啶引起堿基錯配并導致突變，或者由尿嘧啶-N-糖苷酶轉移尿嘧啶留下無堿基位點，DNA聚合酶在無堿基位點上易產生錯誤的修復，因而產生很多點突變。突變后有些抗體分子的親和力遠高于原先的分子，有利于免疫系統對抗原的識別和清除[4]。

3突變頻率的差異

1927年，美國遺傳學家繆勒(H.J.Muller)報道，電離輻射用于誘導果蠅并產生數百種突變, 其中大多數突變性狀能穩定遺傳給后代。而在此之前，遺傳學家發現了大約100種果蠅的自發突變[5]。高中生物學教材中提到的“在高等生物中，大約105～108個生殖細胞中，才會有一個生殖細胞發生基因突變”，可能是早期遺傳學家對自發突變頻率的估算。據有關報道：科學家從同一個人體內獲得接近100個精子細胞基因藍圖，這些精子樣本存在著很大的差異性，具有隨意性基因突變，每個精子細胞存在著25～36種新的突變，但這種現象不存在于人體其他細胞。

實際突變的頻率的大小可能因個體的差異，以及同一個體不同的細胞，同一細胞內不同的基因，同一基因不同的位點等差異而有所不同。非正常的高頻突變會對個體帶來危害，特殊情況下的高頻突變有利于生物的生存。自發突變的頻率無論是高還是低，細胞都具有相應的維持機制。