第二节 基因突变
一、基因突变
基因突变（genemutation）简称突变 是变异的一种，指生物细胞遗传物质DNA分子结构突然发生了稳定的可遗传的变化。它是生物进化的一个重要因素。
细菌与一般生物细胞一样可发生突变，其突变也可按发生改变的范围大小，分为染色体畸变 （chromosomalaber ration）和点突变（point mutation）。染色体畸变是指染色体的一大段发生了变化，它包括染色体结构上的缺失（delection）、重复（duplication）、插入（insertion）、易位 （translocation）和倒置（inversion）。点突变是相应基因上的DNA链中一个或少数几个核苷酸对的改变，包括核苷酸对的置换（replacement），进一步可分为转换（transition）与颠换（transversion）和因缺失或插入而造成的移码（frame shift）。
细菌的突变也可分为自发突变（spontaneous mutation）和人工诱变（induted mutation）。自发突变是在未经人工改变的外界条件下，自然发生的突变，它经常发生，但发生的机率（突变率）很低，通常仅约1/106-1/109。例如，在对于药物敏感的原始细菌群体中，发生耐药性突变的仅是群体中极少数的个别细胞。
人工诱变是在应用诱变因素的影响下而发生的突变，其突变率常高于自然突变。许多物理和化学因素，如X射线、紫外光、亚硝酸、吖啶橙类染料、烷化剂和碱基结构类似物等均可作为细菌的诱变剂，提高细菌的突变率。
二、细菌变异的类型
细菌基因突变而表现的变异类型很多，常见有以下几种。
1．菌落形态变异 属非选择性变异。细菌的菌落可大致分为两种类型，即菌落表面光滑、湿润，边缘整齐的光滑型（smooth type，S型）和菌落表面粗糙、枯干，边缘不整齐的粗糙型 （rough type，R型）。在一定条件下，光滑型菌落可变为粗糙型，称为S→R变异。S→R变异，经常伴随着S型抗原的丧失和病原菌毒力由强变弱等性状的改变。例如某些革兰氏阴性菌的菌落从S型变为R型时，其细胞壁脂多糖侧链丢失，同时也丧失致病力。一些革兰氏阳性菌例如肺炎链球菌，编码多糖荚膜的基因发生突变后，菌落也由S型转变为R型，并丧失荚膜形成能力和毒力。
2．抗原变异 由于细菌基因突变而引起其抗原结构发生改变的变异类型。当编码细菌的抗原结构包括菌体抗原、鞭毛抗原、荚膜抗原等的基因发生突变时，细菌形成相应抗原结构的能力丧失，引起细菌抗原性变异。如常见的细菌细胞壁缺陷变异（细菌L型等）、荚膜变异或鞭毛变异等。
3．抗性变异 是对某种化学药物或致死物理因子抗性的变异。通过自发突变以及抗性遗传因子的传递，而产生大多数抗性。它和化学药物的存在并无关系，细菌获得抗性以后，即使在没有药物的条件下生长繁殖数代，一般也不丧失抗性。但细菌对于青霉素、氯霉素、四环素、红霉素等抗生素可出现由于诱导而产生的耐药性，它并非起源于遗传因子的改变，而类似于诱导酶的产生，系基因所携带的遗传信息在表达过程中发生的诱导现象，例如培养枯草杆菌或蜡样芽胞杆菌于含少量青霉素G的培养基中时，可诱导这些细菌产生青霉素酶以破坏青霉素。
4．营养型变异 主要引起营养缺陷型变异，即细菌丧失合成一种或几种生长因子的能力，无法在基本培养基上正常生长繁殖的变异类型。如变异株丧失对某种糖类、维生素、氨基酸或其他生长因子的合成能力，在补充这些营养物质的培养基上才能生长。这种突变对研究细菌代谢产物的生物合成途径很有用处。此外，营养型变异菌株可作为杂交、转化、转导和原生质体融合等研究中的标记菌种。
三、诱发细菌变异的方法
诱发突变是应用人工方法使细菌增殖和复制DNA时出现“错误”，从而育成人类需要的细菌变异品系。如下介绍常用的诱变方法及其致突变的机制。
物理方法 包括温度及各种射线（紫外线、激光等非电离辐射和X射线、γ射线、β射线、快中子等电离辐射）。
温度诱发基因突变的机制似乎是专一对GC碱基对的作用。包括使C脱氨基转换为尿嘧啶 （U），在复制中造成GC→AT转换；以及引起G-脱氧核糖键的移动，从而在DNA复制过程中出现包括两个G的碱基对，在再一次复制中造成GC→CG颠换。
辐射的诱变作用一般认为有直接作用和间接作用两个方面。前者是指辐射直接作用于染色体，包括引起DNA骨架断裂所造成的染色体畸变，和使DNA分子上相邻的T形成二聚体而引起的复制差错。间接作用是使染色体以外的细胞物质发生变化，再由这些物质作用于染色体引起突变；它包括碱基类似物的形成及其突变诱发作用，和电离辐射引起过氧化氢和游离基的产生以及它们诱发突变。
化学方法 常用的化学诱变剂有5溴脱氧尿苷（UBr）、5氟脱氧尿苷、2氨基嘌呤、8氮鸟嘌呤、亚硝酸、羟胺、烷化剂（β丙酸内酯和芥子气等）、亚硝基胍、吖啶类染料（吖啶黄、吖啶橙、原黄素等）、一系列烷化剂和吖啶类结合的化合物（名为ICRl91，是美国某癌症研究所的制品）、溴化乙锭等。它们的作用机制复杂而各有差异，总的说来主要有以下几方面。
1．取代碱基掺入DNA，从而使 DNA的某些碱基对发生置换。例如UBr是T的结构类似物，它通常以酮式出现，能代替T与A形成氢键而配对。不过在较少的情况下，它也能以烯醇式出现；此烯醇式不能和A形成氢键而能和鸟嘌呤（G）形成氢键。因此，当它代替T与A配对掺入DNA时，在以后的DNA复制中就可能引起AT对被GC对置换的突变发生；当它首先是代替C与G配对掺入DNA时，则在DNA复制中就可能出现GC对被AT对的置换。
2．使碱基发生化学变构，从而引起DNA的某些碱基对发生置换。例如亚硝酸对碱基有氧化脱氨基作用，可以使C成为U与A配对，或A成为次黄嘌呤（H）与C配对，从而引起DNA的某些碱基对发生置换突变。
3．插入DNA相邻的碱基之间，引起移码突变。在邻近的两个嘌呤碱基之间插入吖啶染料分子，可引起DNA复制时碱基增添或缺失的错误，造成密码子的移码，出现基因突变。
4．引起DNA分子断裂而诱发染色体畸变。例如许多烷化剂（氮芥、硫芥、环氧乙烷等）除能诱发点突变以外，还能诱发染色体畸变。由于染色体畸变常为辐射所诱发，所以这些物质又称为拟辐射物质。其作用机制据认为是使DNA分子上的碱基被烷化以后，能够被核酸内切酶所断裂。不属于拟辐射物质的某些化合物也可以诱发染色体畸变，例如亚硝酸就是一种很有效的诱发缺失的诱变剂。
生物学方法 利用各种生物学的方法可诱使微生物发生变异，使细菌发生毒力等性状的改变，获得性能良好的菌株。
1．增强毒力 连续通过易感动物，可使病原菌毒力增强。有的细菌与其他微生物共生，或被温和噬菌体感染，也可增强毒力。例如产气荚膜梭菌与八叠球菌共生时毒力增强；肉毒梭菌当被温和噬菌体感染时，方产生毒素。
2．减弱毒力 病原菌毒力自发减弱的现象，常见于传染病流行末期所分得的病原菌株。人工减弱病原微生物的毒力通常使用病原菌通过非易感动物、鸡胚等方法。如将禽霍乱强毒菌株通过豚鼠190代后，再经鸡胚传40代，育成禽霍乱弱毒菌株。无论自然变异弱毒株或人工培育的变异弱毒株，均由于DNA上核苷酸碱基/顺序的改变的结果。
