第9章 移码突变

这一切所有的科学知识,都是不可思议。

佛道:“同一理论,还可以用来说明 BU是怎样,诱发的置换突变或者,突变型的回复突变。2-氨基嘌呤等其他碱基结构类似物,同样具有,诱变作用。②药物或射线引起的化学变化亚硝酸能够作用于,腺嘌呤(A)的氨基而使它变为次黄嘌呤(HX);可以作用于,胞嘧啶(c)而使它变为尿嘧啶(U)。这两种氨基到酮基的变化带来碱基配对关系的改变,从而通过 DNA复制而造成A∶T→G∶C或者 G∶C→A∶T置换。羟胺只和胞嘧啶发生专一性的反应,所以它几乎只诱发置换G∶C→A∶T而不诱发A∶T→G∶C置换。此外,pH值低或高温都可以促使DNA分子失去碱基特别是嘌呤,导致碱基置换。紫外线的照射使 DNA分子上邻接的碱基形成二聚体,主要是胸腺嘧啶二聚体T-T。二聚体的形成使DNA双链呈现不正常的构型(见DNA损伤修复),从而带来致死效应或者导致基因突变,其中包括多种类型的碱基置换。”

精灵曰:“移码突变。这些,你们又该,怎么思考?诱发移码突变的诱变剂种类较少,主要是吖啶类染料(图6)。这些染料分子,能够嵌入DNA分子中,从而使DNA复制发生差错,而造成移码突变。”

月净佛道:“定向诱变。利用重组DNA技术使DNA分子在指定位置上发生特定的变化,从而收到定向的诱变效果。例如将DNA分子用某一种限制性核酸内切酶处理,再用分解DNA单链的核酸酶S1处理,以去除两个粘性末端的单链部分,然后用噬菌体T4连接酶将两个平头末端连接起来,这样就可得到缺失了相应于这一限制性内切酶的识别位点的几个核苷酸的突变型。相反地,如果在四种脱氧核苷三磷酸(dNTP)存在的情况下加入 DNA多聚酶Ⅰ,那么进行互补合成的结果就得到多了相应几个核苷酸的两个平头末端。在T4接连酶的处理下,便可以在同一位置上得到几个核苷酸发生重复的突变型。在指定的位置上也可以定向地诱发置换突变。诱变剂亚硫酸氢钠能够使胞嘧啶脱氨基而成为尿嘧啶,但是这种作用只限于 DNA单链上的胞嘧啶而对于双链上的胞嘧啶则无效。用识别位点中包含一个胞嘧啶的限制性内切酶处理DNA分子,使粘性末端中的胞嘧啶得以暴露(例如HindⅢ的识别位点是,经限制酶HindⅢ处理后得到粘性末端,中间的这一胞嘧啶便暴露了)。经亚硫酸氢钠处理后胞嘧啶(c)变为尿嘧啶(U)。通过DNA复制原来的碱基对C∶G便转变成为 T∶A。这样一个指定位置的碱基置换突变便被诱发。还可以把人工合成的低聚核苷酸片段引入基因组中,以一定的方式改变某一基因等。”

精灵曰:“自发突变。所谓自发突变是指未经诱变剂处理而出现的突变。从诱变机制的研究结果来看,自发突变的原因不外乎以下几种。①背景辐射和环境诱变。短波辐射在宇宙中随时都有,实验说明辐射的诱变作用不存在阈效应,即任何微弱剂量的辐射都具有某种程度的诱变作用,因此自发突变中可能有一小部分是短波辐射所诱发的突变,有人估计果蝇的这部分突变约占自发突变的 0.1%。此外,接触环境中的诱变物质也是自发突变的一个原因。②生物自身所产生的诱变物质的作用。过氧化氢是一种诱变剂。在用过氧化氢作诱变处理时加入过氧化氢酶可以降低诱变作用,如果同时再加入氰化钾(KCN)则诱变作用又重新提高。这是因为KCN是过氧化氢酶的抑制剂。另外又发现在未经诱变处理的细胞群体中加入KCN时,可以提高自发突变率,说明细胞自身所产生的过氧化氢是一部分自发突变的原因。在一些高等植物和微生物中曾经发现一些具有诱变作用的物质,在长久储藏的洋葱和烟草等种子中也曾经得到具有诱变作用的抽提物。③碱基的异构互变效应。天然碱基结构类似物5-溴尿嘧啶所以能诱发碱基置换突变,是因为5位(图2)上的溴原子促使BU较多地以烯醇式结构出现。在正常的情况下酮式和烯醇式之间的异构互变也以极低的频率发生着,它必然同样地造成一部分并不起源于环境因素的自发突变。此外,推测氨基和亚氨基之间的异构互变同样是自发突变的一个原因。严格地讲,这才是真正的自发突变。核苷酸还可以有其他形式的异构互变,它们同样可能是自发突变的原因。”

月净佛道:“影响因素。突变是一系列变化的结果。影响这一系列变化的任何一个环节的因素都会对于突变型的出现有一定的影响。”

精灵曰:“内在因素。诱变剂接触 DNA以前必须首先进入细胞,才能诱发突变。高等植物对于紫外线的诱变作用较不敏感的原因就是因为紫外线不易穿透它的细胞壁。化学药品的渗透和细胞膜的结构有很大的关系。鼠伤寒沙门氏菌有一个改变细胞膜成分的突变型深度粗糙(rfa),它使细胞膜对于许多药物的渗透性增大,从而提高了细胞对许多化学诱变剂的敏感性。细胞中的酶可以破坏进入细胞的诱变剂,从而减弱诱变效果。例如,过氧化氢酶可以减弱过氧化氢的诱变效果。一些没有诱变作用的物质也可以因为细胞中的酶的活化作用而使该物质转变成为诱变剂,这些物质称为前诱变剂。例如陆蒽酮本身没有诱变作用,但可以通过肝脏中的羟化酶的作用而转变为诱变剂海蒽酮(图7)。”

月净佛道:“基因突变。诱变剂接触DNA以后,能使DNA发生局部的损伤,这些损伤如果未经修复,便可阻碍 DNA的复制而造成细胞死亡。修复 DNA损伤的机制有两类:一类称为无误修复,它使 DNA恢复原状但不带来突变;另一类称为易误修复或称错误倾向修复,它使DNA复制继续进行,但也常同时带来基因突变。细胞中有关 DNA损伤修复的酶活性的改变,可以改变细胞对于诱变剂的杀伤作用或诱变作用的反应。由于基因突变而使不论哪一种有关 DNA损伤修复的酶失活时,都必然导致细胞对于紫外线或其他诱变剂的杀伤作用变得更为敏感。可是就诱变结果来讲,则要看这酶是涉及无误修复,还是易误修复。如果属于前者,那么有关的基因发生突变时将使突变更易发生,如果属于后者,那么有关的基因发生突变时将使突变更不易发生,因此这些突变型分别称为增变基因和抗变基因。在大肠杆菌噬菌体T4中,基因43编码 DNA多聚酶。基因43的突变型有两种。一种是增变基因,它的 DNA多聚酶的核酸外切酶活性和多聚酶活性之比小于野生型的 DNA多聚酶;另一种是抗变基因,它的 DNA多聚酶的这两种活性比大于野生型的 DNA多聚酶。在其他生物如大肠杆菌、酵母菌和一些真核生物中也曾发现增变基因。”

精灵曰:“基因突变实例。”

月净佛道:“1、镰刀型细胞贫血症。(1)症状红细胞由正常的圆饼状变成镰刀型,导致红细胞不能顺利通过毛细血管聚集在一起,红细胞破裂(溶血),造成贫血。(2)病因基因中的碱基替换。直接原因:血红蛋白分子结构的改变根本原因:控制血红蛋白分子合成的基因结构的改变。”

精灵曰:“2、基因突变。概念:DNA分子中发生碱基对的替换、增添和缺失,而引起的基因结构的改变。”

月净佛道:“外界因素。①温度,基因突变包括一系列生物化学变化,所以温度对于基因突变有一定的影响。在大肠杆菌中,组氨酸缺陷型(his-)在15℃到37℃范围内温度每升高 10℃自发回复突变率提高1~1.5倍,在0℃时不发生自发突变。果蝇的致死突变的温度系数也在这范围内。在微生物和果蝇中,较短时间的温度改变,特别是不适宜于生存的较高温度的处理,都可以诱发突变;在果蝇中还有-6℃低温处理诱发突变的报道。②培养基成分,SOS是一种经诱导后才出现的易误修复机制。和诱导酶的合成一样,蛋白质合成是使细菌细胞中出现SOS机制的必要因素,所以培养基中一切影响蛋白质合成的因素都会影响基因突变。③抗变剂和助变剂,能够促进另一诱变剂的作用的物质称为助变剂。例如,色氨酸烧焦后产生两种诱变剂和助变剂。已经知道亚硝基胍(NTC)是一种高效诱变剂。在一定条件下,NTG的诱变效果能被氯化钴和活体红细胞中的含硫化合物减低,说明氯化钴和红细胞中存在着的某种物质具有抗变作用。这些能够降低自发或诱发突变率的物质称为抗变剂。此外,某些多肽如白肽素等也都被证明是抗变剂。”生物通编译:路透社华盛顿消息-科研人员在报告说,当科学家插入一个小遗传突变到癌细胞中,它们的生长减慢到细胞“自杀”的水平。加州大学旧金山分校的生物化学和生物物理学教授Elizabeth Blackburn(伊丽莎白)说:“这就象毒针一样,你只需要加一点点就可以得到显著的效果。”Blackburn说:“癌细胞是著名的对抗自杀信号的细胞类型,这是之所以癌细胞如此可怕的原因之一。拥有这么少量的端粒酶能够发挥如此有效的作用相当令人吃惊。”Blackburn和同事们完成的这项研究发表在最新一期的Proceedingsof the National Academy of Sciences上。科学家们一直在研究通过破坏端粒酶活性来治疗癌症的几种方法,但是加州大学进行的这项研究提供了新的治疗。国家健康研究所的Richard Hodes说:“在被研究的几个供选择方法中,端粒酶突变作为直接影响肿瘤细胞治疗癌症的方法具有清晰的理论优势。”

精灵曰:“让癌细胞自杀。这种突变的目标是一个在癌细胞中高度活跃的酶——端粒酶,该酶在细胞复制的消耗过程中帮助维持染色体结构。该突变使用端粒酶来破坏迅速扩增的癌细胞——Blackburn将这个策略比作柔道,双方利用对手的力量来击败对方。在这项研究中,科学家在该酶的遗传密码中插入了一个由RNA构成的小突变。突变的RNA阻断了端粒酶将RNA反转录为DNA,以重建细胞复制过程中丢失的染色体部分的正常活性。研究中,低水平的突变RNA大大降低了乳腺癌和前列腺癌细胞的生长速度,并且使更多的细胞死亡。这种突变在导入突变酶的活体小鼠中使得乳腺癌肿瘤减小。虽然端粒酶突变对癌细胞生长造成的影响的原因还不清楚,Blackburn说进一步的研究可能发现来自人体的癌细胞比研究中使用的实验室培养的细胞对突变酶要更为敏感。”