第三章基因突变 ·19· 二、染色体畸变和染色体组变 染色体畸变(chromosomal aberration)是染色体结构的变化，它与其他突变一样可以引起 遗传信息的改变，也具有遗传效应。 染色体结构改变多数是染色体或染色单体遭到巨大损伤，使它们断裂，断裂点少的一个， 多的几个。断裂点位置是随机的，任何位置都可发生，每个断裂可以产生两个断裂端。根据断 裂的数目、位置、断裂端连接方式等可以造成各种不同的变异，包括染色体的缺失、重复、倒位、 易位等变异。这些变化有的发生在一条染色体上，有的发生在两条非同源染色体之间，但染色 体数目不改变。染色体组突变(genomic mutation)是指染色体数目的变化，它可以分为整倍 体和非整倍体，前者又可分为单倍体、三倍体、同源多倍体和异源多倍体等。后者有超二倍体 和亚二倍体等。 (一)缺失和重复 缺失是在同一条染色体上具有一个或多个基因的DNA节段丢失引起的突变，这种变异 是不可逆的。缺失突变往往是有害的，会造成遗传平衡失调。重复(repetition)是在同一条染 色体的某处增加一节段DNA,使该染色体上的某些基因重复出现而产生突变。缺失和重复主 要在DNA复制和修复系统进行修饰过程中产生错误造成的。当DNA进行复制时，前面链上 的聚合酶掉落下来加到后面尚未复制的DNA上而加以复制，结果对前面链来说缺失了一个 或几个基因的DNA节段，对后面的链子来说，由于多加了一段DNA,相同部分出现两次，结 果造成突变。 重复造成的突变，从微生物育种角度有可能获得具有人们需要的优良性状的新个体。如 果控制某种代谢产物的基因，通过偶然的重复，将有可能大幅度提高产量。这种现象尤其对那 些在同一条染色体上的基因之间相距很近的重复，其基因效应更加显著。 （二)倒位和易位 倒位(inversion)是染色体受到外来因素的破坏，造成染色体部分节段的位置顺序颠倒，极 性相反。当这一倒转的节段在mRNA复制时，则和它两端相连的染色体转录方向恰好相反， 形成一段不正常的染色体。倒位可分臂内倒位和臂间倒位。前者染色体外形不会改变，后者 形状发生变化。由于DNA损伤而隐性突变或死亡，但两者对表型影响不大（图3.4）。 染色体畸变中也有易位现象，这种易位是指非同源染色体之间部分连接或交换。当断裂 后的一节段染色体，加入到另一条非同源染色体的某个位置中。这一现象有两种情况：一种是 两条非同源染色体相互间进行部分交换，叫做相互易位(reciprocal translocation)。这种染色 体交换节段的长短有时差不多，有时长短不一，后者将影响染色体的外形。另一种是一条染色 体的部分节段连接到另一非同源染色体上，称为单向易位。易位会造成DNA的变化，但由于 遗传物质没有交换而难以出现新表型。 染色体组变是由于染色体数目发生变化而引起的变异。一般生物细胞中含有各种形态 大小、遗传功能不同的染色体各一条，称为染色体组。具有这样一整套染色体组，也叫做单倍 体(haploidn)。含有一整套染色体组的生物，称为单倍体生物。各种生物染色体组中的染色
工业微生物育种学 A B C D E F G H I」 正常 人B令DEE月FG,HL1重复 Ans068911 缺失 W内A月EE?99,HL1 臀间人月C D E I H,0P」 广每位 3h99EEg,HL」 十易位 A B C P c f E h ii 图3.4染色体畸变 体数目是不同的。例如，人23条，花生20条，脉胞菌7条，霉菌2条以上，细南1条。有的生 物体细胞中含有两整套染色体组，称为二倍体(diploid,2n),这样的生物称为二倍体生物。有 的含有三整套染色体组，称为多倍体生物。在生物界由于外界条件的变化或人工诱发均可造 成细胞分裂异常而形成多倍体(polyploid)。单倍体、三倍体(triploid)和多倍体细胞内由于染 色体总数是一整套，数目比正常二倍体的染色体多出一至几条或少了一至几条，称为非整倍体 (aneuploid),如超二倍体(2n+1)和亚二倍体(2n一1)都属于此类型。整倍体(euploid)和非整 倍体的染色体数目变化，一般都在细胞减数分裂和有丝分裂过程中由于环境因素异常所造成。 如接触诱变剂、生长条件、代谢条件等物理、化学、生物等因素，使纺锤丝结构受到抑制或破坏， 细胞形成异常，染色体数目发生各种形式的变化而导致突变。 第二节突变引起遗传性状改变及突变型的种类 一、突变引起遗传性状改变 遗传物质的改变是突变的基础，微生物突变中尤以基因突变较常见。碱基置换、移码突变 和易位突变都会引起DNA分子上遗传密码的改变，使构成多肽的氨基酸顺序进行重排，从而 控制表型性状的蛋白质结构发生变化。但是基因突变并不是都能使蛋白质的结构改变。碱基 置换引起遗传性状的变化有以下三种类型
第三章基因突变 (一)同义突变和无义突变 同义突变和无义突变都不能引起氢基酸排列顺序的改变。所谓同义突变(synonymy mu tation)是指DNA分子上的遗传密码由于置换而成为新的密码子，但是这种新密码子构成的 氨基酸与原有密码子所构成的氨基酸相同。因此，尽管该基因中密码子组成改变了，但是构成 相应的蛋白质和原来的蛋白质仍然相同。这是一种无遗传意义的突变。从密码表中可以看 到，有的氨基酸是分别由几个密码子编写出来的。脯氨酸的同义密码子有CCU、CCC,CCA CCG。如果DNA分子上CCU中的碱基被置换而成为CCC,由于CCU和CCC都是编码同一 个脯氨酸，因此，构成多肽链的氨基酸序列没有变化，和未发生突变前完全一样（图3.5）。 DNA ETA GAT ACS ATA mRNA GAU CVA V99 VAy 野生型 天冬氨酸亮氢酸色氨酸警氢酸 OMn FTA ASS ATA 同义突变 采品器0 DNA CTA 9AT A￥eATA mRNA RAU CVA VAG VAy 无义突变 天冬氨酸亮氨酸 件帝码，酷氯酸 DNA CTA CAT AC C A TA mRNA9A业9UAVG0UAg错义突交 酪氨酸 图3.5突变的表型效应 当DNA分子上遗传密码子中的碱基发生置换，结果由于决定某氨基酸的密码子被终止 密码子(UAG)代替，因而mRNA转译多肽链过程中出现句号，使转译工作中途停止，难以完 成一条完整的多肽链的合成，这种肽链是没有活性的，这种突变属于无义突变(nonsense mutation)(图3.5)
·22· 工业微生物育种学 (二)错义突变 当DNA分子上密码子中的碱基被置换，新密码子编写的氨基酸与原来的密码子不相 同，使多肽链的氨基酸排列顺序发生变化。因此，突变后合成的多肽链和突变前的多肽链 分子结不相同，牛物表型也就不-样。如图3.5中，野生型D八NA上的腐码子CUJA编码 亮氨酸，经碱基置换后出现了编码缬氨酸的新密码子GUA。于是由新密码子编写的缬氨酸 替换了野生型多肽链上的亮氨酸，使新合成的多肽链与原来的多肽链在结构上有了差异， 出现了相应遗传性状的表型效应。错义突变(missense mutation)通常在第一或第二个碱基 发生变化时，容易引起氨基酸种类改变。但很多研究表明，这一类突变型中大多数的蛋白 质仅在某一个氨基酸上与野生型蛋白质有区别，其表型基本上和正常的相近，生活能力也 变化不大。 (三)移码突变 移码突变是在DNA分子上的密码子中添加或丢失一个或几个碱基，其结果造成从改变 的碱基开始所有其后的密码子碱基都往后移动，使密码子杂乱而重新编组，显然新组合的密码 子所决定的氨基酸与原先是大不相同的，使多肽链上的氨基酸序列发生很大的改变，将出现明 显的遗传性状变异 值得注意的是基因突变引起多肽链上氨基酸序列改变之后，能否有遗传信息的意义，主要 取决于这个氨基酸对蛋白质功能是否有影响。如果改变了的氨基酸，正好是决定多肽链功能 的主要氨基酸，那么这种突变将使微生物的遗传性状产生明显的变化：反之，如果氨基酸种类 的更改并不改变多肽链的正常功能，则这种突变对遗传性状变化没有影响。 20种氨基酸根据它们和羧酸的关系及侧链中所含的活性基团可以分为六大类：有的是中 性类，如甘氨酸等；有的是碱性类，如赖氨酸等；有的是酸性类，如谷氨酸等。以上基因突变中， 多肽链的氨基酸种类替换是属于类与类之间，即酸性类与碱性类或中性类与碱性类之间的氨 基酸替换，这样造成分子中的正负电荷不平衡，对多肽链的折叠结构和活性有明显影响，从而 改变了它们的正常功能，产生微生物的变异现象。 二、突变型的种类 根据突变的表型效应可将突变型分为以下几类 (一)形态突变型 形态突变是一种可见突变，它包括微生物菌落形态变化，如菌落形状大小、颜色、表面结 构：孢子数量、颜色；噬菌体的噬菌斑形状、大小及清晰度等。细胞形态变化，如鞭毛，荚膜，菌 体形状、大小，孢子形态和大小。细胞结构变化，如细胞膜透性等。 (二)生化突变型 不管是形态突变、营养突变、条件致死突变或致死突变，都是以生物化学为基础，是相应酶 的结构活性政变，引起生化代谢的李化，所以突变型都可以认为是生化突变(biochemical mu-
第三章基因突变 ·23· tatior)。其中最典型的是营养缺陷型，它从野生型基因突变形成。其特点是由于突变而失去 合成某种代谢物质的能力，如氨基酸、维生素等，当环境中缺乏这种物质它就不能生长繁殖。 反之，只有给它补充了这种物质，才能具有正常的生命活动。也有人把营养缺陷型归人条件致 死突变型，培养基中供给必需的物质，为它创造了允许生长条件，如培养基中不提供这种物质 它就不能生长发育，是一种限制生长条件。 归入生化突变型的还有糖类分解发酵突变株，色素形成突变株及有益代谢产物生产能力 突变株。 (三)条件致死突变型 条件致死突变(conditional lethal mutation)是一类遗传学分析最有用的突变型，它们的生 命分界线由某种条件决定。这种突变体在允许条件下存活，在限制条件下致死。其中应用得 最广的是温敏突变型，它们在一定温度下致死，在另一种温度下表现正常的生命活动。例如 噬南体T4突变体在25℃能够感染大肠杆菌并繁殖形成噬菊斑，在42℃温度下不能感染和形 成噬菌斑。温敏性的产生，主要是突变后的基因产物，提高了对高温或低温的敏感性，降低了 稳定性能。高温敏感菌在低温条件下某种酶的活性增高，能够合成维持生命活动的某种物质。 当温度提高到限制状态时，酶的活性丧失，相应物质难以合成，突变体不能正常生存。温敏突 变型可分热敏感和冷敏感两类，通常情况下热敏感突变体较常见，以上噬菌体T4突变型就国 热敏感类。要鉴别出这种温敏突变型，不用选择性培养基，而在合成培养基上测定高于或低于 最适生长温度5~15℃的生长情况，即可确定（见第六章）。脱敏突变，又称抑制敏感突变(s sitivity restricting mutation),也是属于条件突变型。它们在抑制基因存在时能生长繁殖，而 抑制基因消失时就停止生长繁殖，如耐自身产物突变体就属于这一类型。 (四)致死突变型 各种突变都有可能使多肽链完全丧失活性，引起致死，尤其是染色体畸变更易造成这种现 象，即突变使DNA受损的部分，恰好是决定生物致死的主要基因。通常可分为显性致死 (dominant lethal)和隐性致死(recessive lethal)。杂合状态的显性致死和纯合状态的隐性致 死都有致死效应。在单倍体生物中不管何种状态都能引起致死。 (五)抗性突变型 抗性突变(resistance mutation)是最为常见的一种突变，它包括抗药突变，抗噬菌体突变、 抗高温突变及抗辐射突变等。使相当数量的细菌群体生活在含有一定浓度的抗性因子环境 中，其中敏感菌将大量死亡，仅有极少量的细菌能够存活并且继续生长繁殖，这就是抗性突变 体。这种突变体的产生，究竞是因为细菌和抗性因子之间长期接触得到“驯化”，还是因为细菌 本来就具有这种抗性突变基因呢？在1943年之前，这一直是人们争论未决的问题。此后一些 科学家完成了这方面的研究，如抗噬菌体的波动实验和涂布实验，抗链霉素的影印实验等。这 些实验所得出的可靠结论终于解答了这个问题。 1.波动实验 Luria等于1943年设计并进行了如下实验（图3.6）：取对噬菌体敏感的大肠杆菌，制备含 菌浓度为1×103个/ml,从中各取10ml分装人甲，乙两管内。甲管的菌悬液摇匀后又分装到