第四节 生物的变异
遗传物质的改变，称作突变。突变可以分为两大类：①染色体数目的改变和结构的改变，这些改变一般可在显微镜下看到；②基因突变或点突变，这些突变通常在表型上有所表达。习惯上，突变一般指基因突变，而较明显的染色体改变称为染色体变异或畸变。
一、染色体畸变
（一）染色体数目异常
人类等二倍体生物的每一正常配子的全部染色体，称为一个染色体组。例如，正常人的配子的染色体组含有22条常染色体和1条X（或1条Y）染色体，即22＋X或22＋Y，称为单倍体。精、卵结合后形成的受精卵则含有两个染色体组，称为二倍体。每对染色体中，1条来源于父亲，1条来源于母亲。正常人的体细胞中，97%以上的分裂相是具有正常的46条染色体的二倍体。如果人类体细胞的染色体数目超出或少于二倍体数，例如，某一号染色体有一条或多条发生增减，或染色体组成倍性增加时，即属数目异常。
1．整倍体
染色体数目整组地增加，即形成整倍体。例如，由三个或四个染色体组组成三倍体、四倍体。三倍体以上的细胞称多倍体。
1）三倍体
三倍体指体细胞中有三个染色体组。人类的全身性三倍体是致死性的，所以能活到出生的三倍体患儿极为罕见，存活者都是二倍体/三倍体的嵌合体。但是，在流产胎儿中三倍体是较常见的类型。一般认为三倍体胎儿易于流产的原因，是胎儿在胚胎发育过程的细胞有丝分裂中，会形成三极纺锤体，因而造成染色体在细胞分裂中期、后期时的分布和分配紊乱，最终导致子细胞中染色体数目异常，从而严重干扰了胚胎的正常发育而导致自发流产。
已报道的三倍体病例的核型有69，XXX；69，XXY；69，XYY及三倍体/二倍体嵌合体。其主要症状为智力与身体发育障碍、畸形。在男性合并有尿道下裂、分叉阴囊等性别模糊的外生殖器。
三倍体形成的原因，一般认为有如下两种。①双雄受精，即受精时同时有两个精子入卵受精，可形成69，XXX；69，XXY；69，XYY三种类型的受精卵。②双雌受精，即卵子发生第二次减数分裂时，次级卵母细胞由于某种原因，其第二极体的那一个染色体组未排出卵外，而仍留在卵内，这样的卵与一个正常精子受精后，即可形成核型为69，XXX或69，XXY的受精卵。
2）四倍体
四倍体指患者的体细胞具有四个染色体组。临床上更为罕见。迄今文献上只报道一例伴有多发畸形的四倍体活婴和一例四倍体/二倍体的嵌合体男性病例（46，XY/92，XXYY）。
四倍体的形成原因，是核内复制和核内有丝分裂。
核内复制是指在一次细胞分裂时，染色体不是复制一次，而是复制两次。因此每个染色体形成4条染色体，称双倍染色体。这时，染色体两两平行排列在一起。经过正常的分裂后，形成的两个子细胞均为四倍体细胞。核内复制与四倍体形成是癌瘤细胞较常见的染色体异常特征之一。
核内有丝分裂是在进行细胞分裂时，染色体正常地复制一次，但至分裂中期时，核膜仍未破裂、消失，也无纺锤丝形成和后期、末期的胞质分裂。结果细胞内的染色体不是二倍体，而成为四倍体。
2．非整倍体
如果体细胞中的染色体不是整倍数，而是比二倍体少一条（2n－1）或多一条（2n＋1）甚至多、少几条染色体，这样的细胞或个体即称非整倍体。这是临床上最常见的染色体异常，可引起遗传性状的改变。
（二）染色体结构变异
因为一个染色体上排列着很多基因，所以不仅染色体数目的变异可以引起遗传信息的改变，而且染色体结构的变化也可引起遗传信息的改变。
一般认为，染色体的结构变异起因于染色体或它的亚单位——染色单体的断裂。每一断裂产生两个断裂端，这些断裂端可以：①保持原状，不愈合，没有着丝粒的染色体片段（segment）最后丢失；②同一断裂的两个断裂端重新愈合或重建，回复到原来的染色体结构；③某一断裂的一个或两个断裂端跟另一断裂所产生的断裂端连接，引起染色体重排，产生染色体的结构畸变。染色体结构变异主要包括以下四种情况。
1．缺失
一条染色体断裂形成的片段未与断端相接，结果造成染色体的缺失。
1）末端缺失
一条染色体的臂发生断裂后，未能重接，从而形成一条末端缺失的染色体和一个无着丝粒的断片。由于无着丝粒的断片不能与纺锤丝相连，故分裂后期不能向两极移动而滞留在细胞质中，经一次细胞分裂即丢失。
2）中间缺失
一条染色体同一臂内发生两次断裂后，两个断裂点之间的片段丢失。以后两个断端重接即形成中间缺失。
2．重复
两条同源染色体在不同点断裂后，断片交换位置重接，结果，必将使某一染色体的某一节段重复，这会导致形成部分三体和部分单体。
3．倒位
一条染色体发生两处断裂，断片颠倒位置（180°）后重接，就形成倒位。
1）臂内倒位
某一染色体臂内发生两处断裂后，所形成的中间片段旋转180°后重接，即形成臂内倒位。
2）臂间倒位
一条染色体的长臂和短臂各发生一处断裂后，断片交换位置后重接，即形成臂间倒位。
4．易位
两条非同源染色体同时发生断裂，断片交换重接，结果形成易位。
1）相互易位
两条非同源染色体发生断裂后形成的两个断片，相互交换、连接而形成两条衍生染色体，即称相互易位。
2）罗式易位
这是只发生在近端着丝粒染色体的易位。如果在其着丝粒区发生断裂，两者的长臂在着丝粒区附近彼此相接，形成一条新染色体，短臂随后消失。这种方式称为罗式易位。
5．等臂染色体
等臂染色体一般是着丝粒分裂异常造成的。在正常的细胞分裂中期，连接姐妹染色单体的着丝粒发生纵裂，形成两条各具有长、短臂的染色体。如果着丝粒发生横裂，就将形成两条只具有长臂或只具有短臂的等臂染色体。
二、基因突变
遗传物质是相对稳定的，但又是可变的。染色体上DNA分子结构中碱基的变化，称为基因突变，又称点突变。基因突变的结果是一个基因变为它的等位基因。在自然情况下产生的突变称为自然突变或自发突变。由人们有意识地应用一些物理、化学因素诱发的突变则称为诱发突变。
（一）基因突变概述
1．基因突变的类型
基因突变后出现的表型改变是多种多样的。根据突变对表型的最明显效应，可以分为：
1）形态突变
突变主要影响生物的形态结构，导致形状、大小、色泽等的改变。例如豌豆植株的高矮、果蝇眼睛的颜色等。这类突变在外观上可以看到，所以又称可见突变。
2）生化突变
突变主要影响生物的代谢过程，导致一个特定的生化功能的改变或丧失。例如链霉的生长本来不需要在培养基中另添氨基酸，而在突变后，一定要在培养基中添加某种氨基酸才能生长，这就是发生了生化突变。
3）致死突变
突变主要影响生活力，导致个体死亡。致死突变可分为显性致死和隐性致死。显性致死在杂合态即有致死效应，而隐性致死则要在纯合态时才有致死效应。一般以隐性致死突变较为常见，如镰刀形细胞贫血症的基因就是隐性致死突变。植物中常见的白化基因也是隐性致死的，因为不能形成叶绿素，最后导致植株死亡。
致死突变的致死作用可以发生在不同的发育阶段，在配子期、合子期、胚胎期、幼龄期或成年期都可发生。如小鼠的黄鼠基因AY在纯合时是合子致死。
致死基因的作用也有变化。基因型上属于致死的个体，有全部死亡的，有一部分或大部分活下来的，从而根据基因的致死程度，可以分为全致死（使90%以上个体死亡）、半致死（使50%～90%个体死亡）和低活性（使10%～50%个体死亡）等。
4）条件致死突变
条件致死突变的个体在某些条件下是能成活的，而在另一些条件下是致死的。例如噬菌体T4的温度敏感突变型在25℃时能在E．coli宿主中正常生长，形成噬菌斑，但在42℃时就不能这样。
上面这样分类，只是为了叙述的方便，事实上相互之间是有交叉的。因为基因的作用是执行一种特定的生化过程，所以可以说，几乎所有的基因突变都是生化突变。
2．基因突变的特点
1）突变的可逆性
突变是可逆的。基因A可以突变为基因a，基因a也可以突变成基因A。如果把A→a叫做正突变，则a→A就叫做回复突变。正突变和回复突变的频率一般是不同的。如在大肠杆菌中，野生型（his＋）突变为组氨酸缺陷型（his－）的正突变率是2×10－6，而由组氨酸缺陷型突变为野生型的回复突变率是4×10－6。基因的回复突变表明，突变不是基因物质丧失，而是基因物质在化学上发生了变化。
2）突变的多向性
一个基因可以向不同的方向发生突变，换句话说，它可以突变为一个以上的复等位基因。如基因A可以突变为a1，a2，…。人的ABO血型基因（i、IA、IB）就是由一个基因发生了两次突变形成的。
3）突变的有害性
大部分基因突变是有害的。人类遗传病都是由基因突变造成的，这是可以理解的。因为生物在长期进化过程中，形成了遗传基础的均衡系统，任何基因突变均将打乱原有平衡，从而产生有害的影响。同时应该指出，也有一小部分基因突变是无害的，甚至是有利的。
（二）诱发突变
自发突变是很早就被发现的，1910年摩尔根用以证明伴性遗传的白眼果蝇就是在野生型果蝇培养瓶中自发突变的。以后，摩尔根和他的学生们所用的很多突变型也都是自发产生的。但是，约20年后，人们发现突变是可以诱发的。
1927年，Mullier用X射线处理果蝇精子，证明可以诱发突变，并显著提高突变率。以后，随着研究工作的进展，现已知道其他各种辐射，如α射线、β射线、γ射线、中子、质子及紫外线等，以及许多化学药品都有诱变作用。
1．辐射诱变
生物体接触的辐射线有X射线、α射线、β射线、γ射线等。辐射的生物学效应主要取决于射线所含的能量以及能传递到细胞中原子和分子中的能量。
辐射剂量的单位用r（伦琴）表示。1r的照射引起的突变随生物种类不同、照射器官和处理时间不同而有差异。一般1r的诱变率大致在1×10－8以内。
诱发突变的种类和自发突变很相似，并不产生特别的突变型，只是增加突变的频率。一般来说，辐射剂量低时，诱变率是自发突变率的几十倍；辐射剂量高时，诱变率是自发突变率的几百倍以上。因为自发突变率多在（1～10）×10－6范围内，诱变率多在1×10－3左右，有时甚至可达1×10－1以上。所以，辐射诱变在增加突变率上是有很大作用的。
电离辐射引起突变的机制还不很清楚，它们可能是以两种方式改变染色体的结构。
（1）直接地通过能量的量子击中染色体。
（2）间接地通过电离化，使细胞内发生化学变化，从而使染色体在复制时产生异常。
关于电离辐射的遗传学效应，有两个重要结论。
（1）电离辐射可诱发基因突变和染色体断裂，诱发的频率与辐射剂量成正比。在相当大的一个剂量范围内，都存在着线性关系。
（2）辐射效应是累积的。在一些生物中，诱变率与接受的照射量成正比，而与照射的方式无关。
2．紫外线照射
紫外线照射也可诱发突变，但不及电离辐射有效。紫外线的最有效波长是270nm（1 nm＝10－9m），此波长相当于核酸的吸收峰。紫外线的穿透力很弱，如大约只有8%可以穿透鸡蛋的卵黄膜。这样低的穿透力很难保证实验群体中的每一细胞都接受同样的辐射量，所以紫外线很少用作高等生物的诱变剂，而多用在微生物、生殖细胞以及培养中的细胞等。
3．化学诱变
人们最早知道的化学诱变剂是秋水仙素，它可以诱发多倍体。后来又发现芥子气也可以诱发突变。化学诱变剂的发现开拓了人工诱变的新途径。化学诱变剂既可大大提高突变率，而且处理起来也比较方便。只要把化学诱变剂加入培养基中去培养，或者配制成溶液去浸泡种子、芽等就可以了。
随着科学实验的进展，化学诱变剂的名单不断延长，其中很多是致癌剂（carcinogens）。在这些化合物中，有的广泛用于工业过程中，如亚硝胺；而另一些则普遍被用作杀虫剂、杀菌剂和食品添加剂等。
（三）突变的分子机理
1．物理因素诱发突变的机制
物理因素（如辐射）引起突变的机制至今尚不完全清楚，但其中紫外线（UV）对DNA分子的作用机制则研究得较为清楚。紫外线照射后的DNA，明显的变化是同一链上的两个相邻的嘧啶核苷酸以共价键连接，形成嘧啶二聚体。最常见的是胸腺嘧啶二聚体。
这些嘧啶二聚体使DNA双螺旋的双链间氢键减弱，使DNA结构局部变形，严重影响DNA的复制和转录。含有嘧啶二聚体的部位不能作为复制的模板，使新合成的链在二聚体的对面留下缺口，形成突变。
2．化学因素诱发突变的机制
化学因素引起的突变至少有两种方式：①碱基置换，即DNA分子中，一个碱基对被另一个碱基对代替，导致该密码子的改变；②移码突变，即DNA分子中，增加或减少一个或几个碱基对（通常不是三个），导致以后的遗传密码发生改变。
1）碱基类似物诱发的突变
一些化合物的分子结构和碱基类似，其中有些可以在DNA复制中代替碱基引起配对错误。如5－溴尿嘧啶（BU），它和胸腺嘧啶（T）有类似的结构。
BU能以互变异构体存在，当它以酮式状态存在时，能与腺嘌呤（A）配对。当它以烯醇式状态存在时，却能和鸟嘌呤（G）配对。这样，经过两次DNA复制，原来的A－T对变成了G－C对，使碱基发生了置换，同样，也能诱发G－C→A－T。
碱基置换时，一种嘌呤被另一种嘌呤代替，或一种嘧啶被另一种嘧啶代替，称为转换；嘌呤和嘧啶之间的互换，则称为颠换。
2）改变DNA化学结构的诱变剂
有一些诱变剂能改变DNA中核苷酸的化学结构。
（1）亚硝酸（HNO3） 这是一种很有效的诱变剂，可引起很多生物突变。亚硝酸（NA）有氧化脱氨作用，它能使腺嘌呤（A）脱去氨基变成次黄嘌呤（H），不能和T配对，却能和C配对。这样经过两次复制，就使原来的A－T对转换成G－C对。另外，亚硝酸也能使胞嘧啶（C）脱氨变成尿嘧啶（U），由于U能同A配对，两次复制后，使G－C对变成A－T对。亚硝酸还能使鸟嘌呤（G）脱氨成为黄嘌呤，由于黄嘌呤不能跟其他任何碱基配对，所以这种改变可能对细胞是致死的。
（2）烷化剂 这是一类特别有效的化学诱变剂，其种类很多，包括芥子气，还有在工业上广泛应用的硫酸二乙酯、亚硝基胍等。烷化剂诱发突变的机制目前还不十分清楚，它可能通过几种不同途径引起突变：①给鸟嘌呤添加甲基或乙基，使它的作用像腺嘌呤，所以可跟胸腺嘧啶配对，产生配对误差；②使鸟嘌呤烷化，烷化的鸟嘌呤脱掉，造成脱嘌呤作用，在DNA链上留下一个缺口，影响DNA的复制，或使核苷酸顺序缩短，引起移码突变。
3）结合到DNA分子上的化合物
吖啶类是一类重要的诱变剂，它能插入DNA分子中，造成碱基对的增减，引起移码突变。如吖啶黄是较为扁平的分子，能插入DNA分子邻近的碱基对间，使DNA分子双链歪斜，导致遗传交换时出现不等交换，产生两个重组分子，一个碱基对增多，一个碱基对减少。
一般认为，吖啶分子插入邻近的两碱基对间，使DNA分子歪斜，因而在遗传重组时，排列参差。交换发生在非同源碱基对间，形成的重组分子碱基对太多或者太少，这叫做不等交换。
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