在微生物中，突變是經(jīng)常發(fā)生的，學(xué)習(xí)和掌握突變的規(guī)律，不但有助于對(duì)基因定位和基因功能等基本理論問(wèn)題的了解，而且還為微生物選種、育種提供必要的理論基礎(chǔ),同時(shí)對(duì)于致癌物質(zhì)的檢測(cè)也有重要意義。
突變是指遺傳物質(zhì)突然發(fā)生穩(wěn)定的可遺傳的變化，它有兩個(gè)意義：一是指與野生型不同的個(gè)體所攜帶和傳遞的基因組變異結(jié)構(gòu)，這種變異結(jié)構(gòu)可以是基因水平的，也可以是染色體水平的；突變的另一個(gè)意義是指上述變異結(jié)構(gòu)發(fā)生的過(guò)程。對(duì)微生物來(lái)講，基因突變最常見(jiàn)，最重要，而由于重組或附加體等外源遺傳物質(zhì)的整合而引起DNA的改變，則不屬突變的范圍。
在微生物純種群體或混合群體中，都可能偶爾出現(xiàn)個(gè)別微生物在形態(tài)、生理生化或其他方面的性狀發(fā)生改變。改變了的性狀可以遺傳，這時(shí)的微生物發(fā)生變異，成了變種或變株。
2.1. 突變的類型
突變的類型是多種多樣，從突變涉及的范圍，可以把突變分為基因突變和染色體畸變。在粗糙脈孢菌中，染色體畸變的研究已經(jīng)相當(dāng)深入了。在電子顯微鏡下現(xiàn)在已經(jīng)可以觀察病毒的染色體畸變。不過(guò)就遺傳學(xué)研究較為深人的大腸桿菌、沙門氏菌、枯草桿菌等細(xì)菌以及其它多數(shù)微生物來(lái)講，突變的研究主要是在基因突變方面。下面就分類的依據(jù)不同，探討一下突變的類型。
2.1.1. 從突變涉及范圍，可以把突變分為基因突變和染色體畸變。
基因突變，又稱點(diǎn)突變。是發(fā)生于一個(gè)基因座位內(nèi)部的遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)變異。往往只涉及一對(duì)堿基或少數(shù)幾個(gè)堿基對(duì)。點(diǎn)突變可以是堿基對(duì)的替代，也可以是堿基對(duì)的增減。前者可分為轉(zhuǎn)換和顛換（圖5－8）。轉(zhuǎn)換是指一種嘌呤—嘧啶對(duì)變?yōu)榱硪环N嘌呤—嘧啶對(duì)，或一種嘧啶—嘌呤對(duì)變?yōu)榱硪环N嘧啶—嘌呤對(duì)；顛換是指一種嘧啶—嘌呤對(duì)變?yōu)榱硪环N嘌呤—嘧啶對(duì)，或反過(guò)來(lái)一種嘌呤—嘧啶對(duì)變?yōu)榱硪环N嘧啶—嘌呤對(duì)。這兩種堿基的替代突變改變了遺傳密碼的結(jié)構(gòu)和該密碼所編碼的氨基酸。堿基對(duì)的增減則造成增減變異點(diǎn)以后全部密碼及其編碼的氨基酸，所以稱為移碼突變。
圖5－8. 各種類型的轉(zhuǎn)換和顛換 (實(shí)線代表轉(zhuǎn)換，虛線代表顛換)
染色體畸變 染色體畸變是一些不發(fā)生染色體數(shù)目變化而在染色體上有較大范圍結(jié)構(gòu)改變的變異，是由DNA(RNA)的片段缺失、重復(fù)或重排而造成染色體異常的突變。其中包括以下變化：一是易位，指兩條非同源染色體之間部分相連的現(xiàn)象。它包括一個(gè)染色體的一部分連接到某一非同源染色體上的單向易位以及兩個(gè)非同源染色體部分相互交換連接的相互易位。二是倒位，指一個(gè)染色體的某一部分旋轉(zhuǎn)180度后以顛倒的順序出現(xiàn)在原來(lái)位置的現(xiàn)象。三是缺失，指在一條染色體上失去一個(gè)或多個(gè)基因的片段，這是造成畸變的缺失。四是重復(fù)，指在一條染色體上增加了一段染色體片段，使同一染色體上某些基因重復(fù)出現(xiàn)的突變。發(fā)生染色體畸變的微生物往往易致死，所以微生物中突變類型的研究主要是在基因突變方面。
2.1.2. 從突變所帶來(lái)的表型的改變來(lái)講，突變的類型可以分為以下幾 類：
形態(tài)突變型 指細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或引起菌落形態(tài)改變的那些突變類型。包括影響細(xì)胞形態(tài)的突變型以及影響細(xì)菌、霉菌、放線菌等的菌落形態(tài)以及影響噬菌體的噬菌斑的突變型。例如細(xì)菌的鞭毛、芽孢或莢膜的有無(wú)，菌落的大小，外形的光滑或粗糙及顏色的變異；放線菌或真菌產(chǎn)孢子的多少，外形及顏色的變異；噬菌斑的大小和清晰程度的變異等。
致死突變型 指由于基因突變而造成個(gè)體死亡的突變類型，造成個(gè)體生活力下降的突變型稱為半致死突變型。一個(gè)隱性的致死突變基因可以在二倍體生物中以雜合狀態(tài)保存下來(lái)，可是不能在單倍體生物中保存下來(lái)，所以致死突變?cè)谖⑸镏醒芯康貌欢唷?
條件致死突變型 這類突變型的個(gè)體只是在特定條件，即限定條件下表達(dá)突變性狀或致死效應(yīng)，而在許可條件下的表型是正常的。廣泛應(yīng)用的一類是溫度敏感突變型，這些突變型在一個(gè)溫度中并不致死，所以可以在這種溫度中保 存下來(lái)；它們?cè)诹硪粶囟戎惺侵滤赖模ㄟ^(guò)它們的致死作用，可以用來(lái)研究基因的作用等問(wèn)題。
營(yíng)養(yǎng)缺陷突變型 是一類重要的生化突變型。是指某種微生物經(jīng)基因突變而引起微生物代謝過(guò)程中某些酶合成能力喪失的突變型，它們必須在原有培養(yǎng)基中添加相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)成分才能正常生長(zhǎng)繁殖。這種突變型在微生物遺傳學(xué)研究中應(yīng)用非常廣泛，它們?cè)诳蒲泻蜕a(chǎn)中也有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
抗性突變型 是指一類能抵抗有害理化因素的突變型，細(xì)胞或個(gè)體能在某種抑制生長(zhǎng)的因素(如抗生素或代謝活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)類似物)存在時(shí)繼續(xù)生長(zhǎng)與繁殖。根據(jù)其抵抗的對(duì)象分抗藥性、抗紫外線、抗噬菌體等突變類型。這些突變類型在遺傳學(xué)基本理論的研究中非常有用，常以抗性突變?yōu)檫x擇標(biāo)記，特別在融合試驗(yàn)、協(xié)同轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)中用得最多。
抗原突變型 是指細(xì)胞成分，特別是細(xì)胞表面成分如細(xì)胞壁、莢膜、鞭毛的細(xì)致變異而引起抗原性變化的突變型。
其它突變型 如毒力、糖發(fā)酵能力、代謝產(chǎn)物的種類和數(shù)量以及對(duì)某種藥物的依賴性等的突變型。
這幾類突變型并不是彼此排斥的。營(yíng)養(yǎng)缺陷型也可以認(rèn)為是一種條件致死突變型，因?yàn)樵跊](méi)有補(bǔ)充給它們所需要的物質(zhì)的培養(yǎng)基上它們不能生長(zhǎng)。某些營(yíng)養(yǎng)缺陷型也具有明顯的形態(tài)改變。例如粗糙脈胞菌和酵母菌的某些腺嘌呤缺陷型分泌紅色色素。所有的突變型可以認(rèn)為都是生化突變型，最為常見(jiàn)的是營(yíng)養(yǎng)缺陷型。抗藥性突變也是微生物遺傳學(xué)中常用的一類生化突變型。因?yàn)槿魏瓮蛔儯徽撌怯绊懶螒B(tài)的或是致死的，都必然有它的生化基礎(chǔ)。突變型的這一區(qū)分不是本質(zhì)性的。
2.1.3. 按突變的條件和原因劃分，突變可以分為自發(fā)突變和誘發(fā)突變。
自發(fā)突變 是指某種微生物在自然條件下，沒(méi)有人工參與而發(fā)生的基因突變。在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，人們認(rèn)為自發(fā)突變是由于自然界中存在的輻射因素和環(huán)境誘變劑所引起的。然而深入研究表明這種看法不夠完全。絕大多數(shù)的自發(fā)突變起源于細(xì)胞內(nèi)部的一些生命活動(dòng)過(guò)程，如遺傳重組的差錯(cuò)和DNA復(fù)制的差錯(cuò)，這些差錯(cuò)的產(chǎn)生與酶的活動(dòng)相關(guān)聯(lián)。
DNA復(fù)制是非常精確的，細(xì)菌的DNA多聚酶具有聚合3’至5’的外切功能，它可以切除摻入到合成鏈的3’端和樣板鏈不互補(bǔ)的錯(cuò)配堿基。通過(guò)這種復(fù)制中的校正作用，大大減少了堿基的錯(cuò)配，提高了復(fù)制合成的精確度。根據(jù)計(jì)算，這種校正可以把復(fù)制錯(cuò)誤減少到10-10／堿基對(duì)，即每復(fù)制1010堿基對(duì)，只發(fā)生一次錯(cuò)誤的摻入。細(xì)菌堿基組含有3×l06堿基對(duì)，復(fù)制一次發(fā)生錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)是3×10-4，假設(shè)基因的大小為l03堿基對(duì)，則可推算出細(xì)菌在一個(gè)增殖世代中，每個(gè)基因的突變率平均為10-7左右。考慮到自發(fā)突變中的大多數(shù)是檢測(cè)不出來(lái)的沉默突變，所以，對(duì)于多數(shù)可檢突變來(lái)講，自發(fā)突變率為10-8左右。
DNA復(fù)制中的堿基錯(cuò)配、跳格，DNA聚合酶結(jié)構(gòu)變異等均是提高自發(fā)突變的原因。在序列相似的DNA片段間的重組過(guò)程中，特別容易發(fā)生重組差錯(cuò)，從而造成一個(gè)或幾個(gè)堿基的重復(fù)和缺失；基因重組是由重組酶來(lái)催化的，重組酶結(jié)構(gòu)的變異也會(huì)影響基因的自發(fā)突變率。總之，各種DNA復(fù)制和基因重組過(guò)程有關(guān)的酶和蛋白，對(duì)維持生物基因自發(fā)突變率起著重要的，決定性的作用。
誘發(fā)突變 是利用物理的或化學(xué)的因素處理微生物群體，促使少數(shù)個(gè)體細(xì)胞的DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，基因內(nèi)部堿基配對(duì)發(fā)生錯(cuò)誤，引起微生物的遺傳性狀發(fā)生突變。凡能顯著提高突變率的因素都稱誘發(fā)因素或誘變劑。
物理誘變 利用物理因素引起基因突變的稱物理誘變。物理誘變因素有：紫外線、X-射線、γ-射線、快中子、β-射線、激光和等離子等。
化學(xué)誘變 利用化學(xué)物質(zhì)對(duì)微生物進(jìn)行誘變，引起基因突變或真核生物染色體的畸變稱為化學(xué)誘變。化學(xué)誘變的物質(zhì)很多，但只有少數(shù)幾種效果明顯，如烷化劑、吖啶類化合物等。
復(fù)合處理及其協(xié)同效應(yīng) 誘變劑的復(fù)合處理常有一定的協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)誘變效果，其突變率普遍比單獨(dú)處理的高，這對(duì)育種很有意義。復(fù)合處理有幾類：同一種誘變劑的重復(fù)使用，兩種或多種誘變劑先后使用，兩種或多種誘變劑同時(shí)使用。
定向培育和馴化 定向培育是人為用某一特定環(huán)境條件長(zhǎng)期處理某一微生物群體，同時(shí)不斷將他們進(jìn)行移種傳代，以達(dá)到累積和選擇合適的自發(fā)突變體的一種古老的育種方法。由于自發(fā)突變的變異頻率較低，變異程度較輕，故變異過(guò)程均比誘變育種和雜交育種慢得多。
2.2. 基因突變的特點(diǎn)
在生物界中由于遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)是相同的，因此顯示在遺傳變異的本質(zhì)上也具有相同的規(guī)律，這在基因突變的水平上尤其顯得突出。
自發(fā)性 由于自然界環(huán)境因素的影響和微生物內(nèi)在的生理生化特點(diǎn)，在沒(méi)有人為誘發(fā)因素的情況下，各種遺傳性狀的改變可以自發(fā)地產(chǎn)生。
稀有性 自發(fā)突變雖然不可避免，并可能隨時(shí)發(fā)生，但是突變的頻率極低，一般在10-6~10-9之間。
誘變性 通過(guò)各種物理、化學(xué)誘發(fā)因素的作用，可以提高突變率，一般可提高10~106倍。
突變的結(jié)果與原因之間的不對(duì)應(yīng)性 即突變后表現(xiàn)的性狀與引起突變的原因之間無(wú)直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如抗紫外線突變體不是由紫外線而引起，抗青霉素突變體并也不是由于接觸青霉素所引起。
獨(dú)立性 在一個(gè)群體中，各種形狀都可能發(fā)生突變，但彼此之間獨(dú)立進(jìn)行。
穩(wěn)定性 突變基因和野生型基因一樣，是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，由此而產(chǎn)生的新的遺傳性狀也是相對(duì)穩(wěn)定的，可以一代一代地傳下去。
可逆性 原始的野生型基因可以通過(guò)變異成為突變型基因，此過(guò)程稱為正向突變；相反，突變型基因也可以恢復(fù)到原來(lái)的野生型基因，稱回復(fù)突變。實(shí)驗(yàn)證明任何突變既有可能正向突變，也可發(fā)生回復(fù)突變，二者發(fā)生的頻率基本相同。
2.3. 基因突變的機(jī)制
DNA分子中堿基對(duì)的變化可以在自然條件下自發(fā)地發(fā)生，也可以人為的應(yīng)用物理、化學(xué)因素誘導(dǎo)發(fā)生，它們的變化機(jī)制主要有以下幾類：
2.3.1. 自發(fā)突變機(jī)制
雖然自發(fā)突變是指微生物在沒(méi)有人工參與的條件下發(fā)生的突變，但是這決不意味這種突變是沒(méi)有原因的，只是人們到現(xiàn)在對(duì)它還沒(méi)有認(rèn)識(shí)清楚而已。下面討論幾種自發(fā)突變的可能機(jī)制。
多因素低劑量的誘變效應(yīng) 不少自發(fā)突變實(shí)質(zhì)上是由于一些原因不詳?shù)牡蛣┝空T變因素長(zhǎng)期作用的綜合結(jié)果。早在20世紀(jì)30年代中就認(rèn)為任何劑量的X射線都足以誘發(fā)突變，因此有人認(rèn)為宇宙空間擁有的各種短波輻射是自發(fā)突變的原因之一。根據(jù)計(jì)算，它至多只能說(shuō)明自發(fā)突變的1%。自然界中還存在著能誘發(fā)突變的低濃度物質(zhì)，由于偶然接觸它們可能引起自發(fā)突變。除此以外，熱也是誘發(fā)自發(fā)突變的一種影響因素，例如噬菌體T 4在370 C中每天每一GC堿基對(duì)以4×10-8這一頻率發(fā)生變化，因此一些自發(fā)突變來(lái)自熱的誘變作用。
A、 B正常配對(duì)；C、D、E、F嘌呤-嘧啶錯(cuò)配；G、H、I、J嘌呤-嘌呤錯(cuò)配
圖5－9. 各種堿基錯(cuò)配
微生物自身代謝產(chǎn)物的誘變效應(yīng) 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在一些微生物中具有誘變作用的物質(zhì)，例如咖啡堿、硫氰化合物、二硫化二丙烯、重氮絲氨酸等。過(guò)氧化氫是微生物正常代謝的一種產(chǎn)物，它對(duì)脈胞菌具有誘變作用，如果同時(shí)加入過(guò)氧化氫酶抑制劑，則可提高誘變的效率。這說(shuō)明過(guò)氧化氫有可能是引起自發(fā)突變的一種內(nèi)源誘變劑。
互變異構(gòu)效應(yīng) 由于DNA分子中的A、T、G、C四種堿基的第六位碳原子上的酮基(T、G)和氨基(A、C)，胸腺嘧啶（T）和鳥嘌呤（G）不是酮式就是烯醇式，胞嘧啶（C）和腺嘌呤（A）不是氨基式就是亞氨基式。所以有人認(rèn)為T和G會(huì)以酮式和烯醇式兩種互變異構(gòu)的形式出現(xiàn)，而A和C則以氨基式或亞氨基式兩種狀態(tài)出現(xiàn)。由于化學(xué)結(jié)構(gòu)的平衡一般趨向于酮式和亞氨基式，因此，在DNA雙鏈結(jié)構(gòu)中一般總是以AT與GC堿基配對(duì)的形式出現(xiàn)（圖5－9A、B ）。可是在偶然情況下，T也會(huì)以烯醇式形式出現(xiàn)，恰好DNA的合成到達(dá)這位置的一瞬間，通過(guò)DNA多聚酶的作用，在它相對(duì)應(yīng)的位置上出現(xiàn)配對(duì)堿基G，而不出現(xiàn)常規(guī)的A（圖5－9D）。當(dāng)DNA再次復(fù)制時(shí)，通過(guò)G和C配對(duì)，就使原來(lái)的AT轉(zhuǎn)變?yōu)镚C。同樣如果C以亞氨基形式出現(xiàn)，在DNA復(fù)制的合成到達(dá)這位置的一瞬間，DNA對(duì)應(yīng)鏈上將是A，而不是G（圖5－9 C）。以此類推，這些可能是引起自發(fā)突變的重要原因之一。
除了由于酮式—烯醇式互變和氨基式—亞氨基式互變而造成的堿基錯(cuò)配以外，還可能發(fā)生另一種嘌呤-嘌呤錯(cuò)配。這種錯(cuò)配來(lái)源于另一種由于堿基-脫氧核糖鍵旋轉(zhuǎn)而造成的稱為正-反的互變。根據(jù)DNA模型制作結(jié)果，證明腺嘌呤的亞氨基式能和腺嘌呤或鳥嘌呤的正式配對(duì)(圖5－9G、I)，鳥嘌呤的烯醇兼亞氨基式能和鳥嘌呤或腺嘌呤的正式配對(duì)(圖5－9H、J)，這些錯(cuò)配也能通過(guò)DNA復(fù)制而造成轉(zhuǎn)換和顛換(圖5－10)。
從圖5－10可以看到，由酮式—烯醇式互變或氨基式—亞氨基式互變可以引起轉(zhuǎn)換，由正式—反式互變可以引起顛換。正式—亞氨基式配對(duì)或正式—烯醇式兼正式配對(duì)不容易形成，所以顛換應(yīng)少于轉(zhuǎn)換。
圖5－10. 由錯(cuò)配所引起的突變
環(huán)狀突變效應(yīng) 近來(lái)還有人提出另一種造成自發(fā)突變的原因，它可以稱為環(huán)狀突變效應(yīng)或簡(jiǎn)稱環(huán)出效應(yīng)。如圖5－11A所示，當(dāng)DNA復(fù)制到C時(shí)，模板鏈G向外環(huán)出；當(dāng)復(fù)制繼續(xù)進(jìn)行時(shí)模板又恢復(fù)正常。結(jié)果在原來(lái)應(yīng)出現(xiàn)GC 堿基對(duì)的 地方出現(xiàn)了GA堿基對(duì)。再經(jīng)一次DNA復(fù)制時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)TA，因此造成了GC -TA顛換。圖5－11B 中，環(huán)出的是兩個(gè)核苷酸，這樣就會(huì)導(dǎo)致相鄰的兩對(duì)堿基發(fā)生變化。如果這兩對(duì)堿基屬于兩個(gè)密碼，那么一次突變可以使兩個(gè)密碼發(fā)生變化，帶來(lái)兩個(gè)氨基酸的改變。關(guān)于這一突變機(jī)制模型還缺乏實(shí)驗(yàn)根據(jù)，但它同樣指出，DNA結(jié)構(gòu)的另一種瞬時(shí)的可逆性變化，可能導(dǎo)致基因突變。自然突變的偶然性在這里可以得到解釋。
—T—T—C— —T—T—C—A— —T—T—C—A—A—T—
A —A—A—G—G—T—A —A—A—G T—A— —A—A—G—G—T—A—
\ /
G
—G—T— —G—T—A—T— —G—T—A—T—A—T—
B —C—A—A—G—T—A— —C—A T—A— —C—A—A—G—T—A—
A—G
A單個(gè)核苷酸環(huán)出 B兩個(gè)核苷酸環(huán)出
圖5－11. 核苷酸環(huán)出誘變
2.3.2. 誘發(fā)突變的機(jī)制
誘發(fā)突變就是人類對(duì)突變過(guò)程的某種干擾，這種干擾往往是了解、掌握和改變自然變化的起點(diǎn)。誘發(fā)突變?yōu)槲覀冄芯客蛔儥C(jī)理創(chuàng)造了條件。誘發(fā)機(jī)制主要有以下幾類：
堿基對(duì)的置換 在DNA分子上，堿基對(duì)置換屬于一種微小的損傷，它只涉及一對(duì)堿基被另一對(duì)堿基所置換。堿基對(duì)的置換可分成兩類：一類是轉(zhuǎn)換；另一類是顛換。對(duì)某一種具體的誘變劑引起的堿基對(duì)置換。即可同時(shí)有轉(zhuǎn)換和顛換兩類，也可只具有其中的一個(gè)功能。堿基對(duì)的置換絕大多數(shù)是由化學(xué)誘變劑通過(guò)直接或間接的方式引起，因此可以把置換的機(jī)制分為兩類。
直接引起置換的誘變劑是一類可直接與核酸堿基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的誘變劑，不論在生物體內(nèi)或離體條件下均有作用。這類誘變劑的種類很多，常用的主要有各種烷化劑、亞硝酸和羥胺。它們可以與一個(gè)或幾個(gè)核苷酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而引起DNA復(fù)制時(shí)堿基對(duì)的轉(zhuǎn)換，并進(jìn)一步使微生物發(fā)生變異。在這些誘變劑中，除羥胺只引起GC—AT轉(zhuǎn)換外其余都是GC---AT互變的。
烷化劑是誘變育種極其重要的一類誘變劑，它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)都帶有一個(gè)或多個(gè)活性烷基，并能轉(zhuǎn)移到其它分子中電子密度極高的位置上去。這種活性烷基的數(shù)目表示它具有單功能、雙功能或多功能。常見(jiàn)的烷化劑有硫酸二乙酯(DES)、甲基磺酸乙酯(EMS)、N-甲基-N’-硝基-N-亞硝基胍(NG)、N-亞硝基-N-甲基-氨基甲酸乙酯 (NMU)、乙烯亞氨(EI)、環(huán)氧乙酸(EO)、氮芥(NM)等，所有這些物質(zhì)通過(guò)烷化磷酸基、烷化嘌呤和烷化嘧啶與DNA作用，其中烷化鳥嘌呤是最易發(fā)生的作用，且形成7-烷基鳥嘌呤。烷化劑對(duì)于點(diǎn)突變的誘變作用可能主要是由于引起堿基的錯(cuò)誤配對(duì)。另外烷化劑還能誘發(fā)染色體畸變，由于染色體畸變常為輻射所誘發(fā)，所以這些物質(zhì)又稱為擬輻射物質(zhì)。
亞硝酸常用于誘發(fā)真菌突變，是一種對(duì)含有氨基的堿基對(duì)直接作用而誘發(fā)堿基對(duì)轉(zhuǎn)換的誘變劑。它能使堿基中的氨基氧化脫去，從而使胞嘧啶(C)變成尿嘧啶(U)，引起GC-AT的轉(zhuǎn)換；腺嘌呤(A)變成次黃嘌呤(H)，引起AT-GC的轉(zhuǎn)換；鳥嘌呤(G)變成黃嘌呤( (X)，不引起堿基對(duì)的轉(zhuǎn)換。亞硝酸還能引起DNA兩鏈間的交聯(lián)而引起DNA結(jié)構(gòu)上的缺失作用。它很不穩(wěn)定，易分解為水和亞硝酐 。
羥胺幾乎只和胞嘧啶發(fā)生反應(yīng)而不和其它三種堿基發(fā)生，故幾乎只引起GC- AT的轉(zhuǎn)換，而不引起AT -GC的轉(zhuǎn)換。羥胺還能和細(xì)胞中的其他一些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生過(guò)氧化氫等，而過(guò)氧化氫則是一種非專一性的誘變劑。所以羥胺對(duì)于游離噬菌體和轉(zhuǎn)化因子等能引起非常專一性的突變，可是對(duì)于活體來(lái)講則專一性就比較差了。
間接引起置換的誘變劑是一些堿基結(jié)構(gòu)類似物，例如5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-氨基尿嘧啶(5-AU)、8-氮鳥嘌呤(8-NG)、2-氨基嘌呤(2-AP)及6-氮嘌呤(6-NP)等。機(jī)體缺乏天然堿基時(shí)，易通過(guò)活化細(xì)胞的代謝活動(dòng)摻人到DNA分子中去，引起堿基配對(duì)發(fā)生錯(cuò)誤。在這些堿基類似物中，最常被應(yīng)用的是5-溴尿嘧啶(5-BU)和2-氨基嘌呤(2-AP)。5-溴尿嘧啶(5-BU)是胸腺嘧啶(T)的結(jié)構(gòu)類似物。當(dāng)微生物生長(zhǎng)于含有5-BU的培養(yǎng)液中并合成DNA時(shí)，如果5-BU以烯醇式狀態(tài)存在于DNA中，與它配對(duì)的是鳥嘌呤，進(jìn)而經(jīng)DNA復(fù)制，引起AT至CG的轉(zhuǎn)換；如果5-BU 以酮式狀態(tài)存在于DNA中，就不會(huì)引起堿基對(duì)的置換；另外，5-BU也可以通過(guò)烯醇式和酮式結(jié)構(gòu)的變化，引起GC至AT的回復(fù)突變過(guò)程。但是在5-BU的酮式和烯醇]式兩種結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)烯醇式的幾率更多，這樣也就增加了AT轉(zhuǎn)換變?yōu)镚C的突變幾率。2-氨基嘌呤是腺嘌呤的結(jié)構(gòu)類似物，它能代替A進(jìn)入DNA分子中與T配對(duì)有兩個(gè)氫鍵，結(jié)合的程度較牢固；它也能與C形成只有一個(gè)氫鍵的堿基對(duì)，結(jié)合得較弱。隨后經(jīng)DNA復(fù)制，C與G配對(duì)完成AT至CG的轉(zhuǎn)換，且這種轉(zhuǎn)換多是單方向的，因?yàn)?-氨基嘌呤較難代替G而被C吸引。
移碼突變 這是由于DNA分子中一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)核苷酸的增加或缺失而造成的基因突變。由于遺傳信息是以三對(duì)核苷酸為一組的密碼形式表達(dá)的，所以一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)核苷酸的增加或缺失往往造成增加或缺失位置后面的密碼意義全部發(fā)生錯(cuò)誤。與染色體畸變相比，移碼突變也屬于DNA分子中的微小損傷。吖啶類染料及其化合物是有效的移碼突變誘變劑，例如吖啶、吖啶黃、吖啶橙，5-氨基吖啶。吖啶類化合物的誘變機(jī)制目前還不很清楚。現(xiàn)普遍認(rèn)為，由于吖啶類化合物是一種平面型三環(huán)分子，結(jié)構(gòu)與一個(gè)嘌呤-嘧啶堿基對(duì)相似，因此能夠插入DNA分子中兩個(gè)相鄰的堿基之間，使得DNA分子的長(zhǎng)度增加，造成雙螺旋一定程度的延長(zhǎng)和部分解開(kāi)。從而在復(fù)制過(guò)程中，會(huì)使鏈上增加或缺失一個(gè)堿基，結(jié)果引起增加或缺失位置之后全部遺傳密碼轉(zhuǎn)錄翻譯的錯(cuò)誤，造成移碼突變。
染色體畸變 是指引起DNA分子較大損傷的誘變，包括染色體結(jié)構(gòu)上的易位、倒位、缺失、重復(fù)等。紫外線、x射線、γ射線等射線、亞硝酸及烷化劑等均是引起染色體畸變的有效的誘變劑。它們能引起DNA分子多處較大的損傷，如DNA鏈的斷裂，DNA分子內(nèi)兩條單鏈的交聯(lián)，胞嘧啶和尿嘧啶的水合作用以及嘧啶二聚體的形成等。烷化劑根據(jù)其烷化作用分單功能、雙功能、三功能的烷化劑，其中一些單功能烷化劑（如NG、EMS等）常被稱為超誘變劑，它們雖然殺傷力較低但卻有較強(qiáng)的誘變作用。烷化劑分子能烷化DNA分子上的堿基，造成一條單鏈的斷裂或兩條單鏈的交聯(lián)等，引起染色體畸變。紫外線作用的主要機(jī)制是：在同鏈DNA相鄰的嘧啶間或在互補(bǔ)雙鏈間形成以共價(jià)鍵結(jié)合的嘧啶二聚體。胸腺嘧啶二聚體如在互補(bǔ)鏈間形成就會(huì)妨礙雙鏈的解開(kāi)，從而影響DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，并使細(xì)胞死亡；如在同鏈DNA上形成就會(huì)減弱或消除DNA雙鏈間氫鍵的作用，并引起雙鏈結(jié)構(gòu)的扭曲變形，阻礙堿基間正常的配對(duì)，從而引起突變或死亡。微生物能以多種形式去修復(fù)被紫外線損傷后的DNA，主要方式有光復(fù)活、切除修復(fù)、重組修復(fù)、緊急呼救修復(fù)等。
光復(fù)活作用 經(jīng)紫外線照射后的微生物暴露于可見(jiàn)光下時(shí)，可明顯的降低其死亡率的現(xiàn)象稱為光復(fù)活作用。光復(fù)活作用首先于1949年在放線菌中發(fā)現(xiàn)。引起的原因是可見(jiàn)光所激活的酶在起作用，經(jīng)紫外線照射后形成胸腺嘧啶二聚體的DNA分子，在黑暗中會(huì)與一種光激活酶結(jié)合形成復(fù)合物，當(dāng)再暴露在下可見(jiàn)光時(shí)，復(fù)合物會(huì)因獲得光能而使酶與DNA分子解離，從而使胸腺嘧啶二聚體重新分散成兩個(gè)胸腺嘧啶單體，同時(shí)光激活酶也從復(fù)合物中釋放出來(lái)。由于微生物中一般都存在著光復(fù)活作用，因此用紫外線照射菌液時(shí)，要在紅燈下進(jìn)行操作處理，然后再于暗室中或用黑布包起來(lái)培養(yǎng)。
切除修復(fù)作用 也稱暗修復(fù)作用，這種修復(fù)作用與光無(wú)關(guān)，整個(gè)修復(fù)過(guò)程是在四種酶的協(xié)同作用下進(jìn)行的將胸腺嘧啶切除的 DNA損傷修復(fù)：核酸內(nèi)切酶胸腺嘧啶在胸腺嘧啶二聚體的5’一側(cè)切開(kāi)一個(gè)3’-OH和5’-P的單鏈缺口；核酸外切酶從5’-P至3’-0H方向切除二聚體；cDNA聚合酶以DNA的另一條互補(bǔ)鏈作模板，從原有鏈上暴露的3’-0H端起逐漸延長(zhǎng)，重新合成一段缺損的DNA鏈；通過(guò)連接酶的作用，把新合成的那段DNA 的3’-OH末端與原來(lái)的5’-P末端相連接，形成一個(gè)完整的雙鏈結(jié)構(gòu)。
重組修復(fù)作用 又稱為復(fù)制后修復(fù)，必須在DNA進(jìn)行復(fù)制的情況下進(jìn)行。重組修復(fù)可以在不切除胸腺嘧啶二聚體的情況下，以帶有二聚體的這一單鏈為模板而合成互補(bǔ)單鏈，可是在每一個(gè)二聚體附近留下一個(gè)空隙。一般認(rèn)為通過(guò)染色體交換，空隙部位就不再面對(duì)著胸腺嘧啶二聚體而是面對(duì)著正常的單鏈，在這種情況下DNA多聚酶和連接酶便能起作用而把空隙部分進(jìn)行修復(fù)。
緊急呼救(SOS)修復(fù)系統(tǒng) 這是細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的一種修復(fù)系統(tǒng)。它的修復(fù)功能依賴于某些蛋白質(zhì)的誘導(dǎo)合成，而且這些蛋白質(zhì)是不穩(wěn)定的。SOS修復(fù)功能和細(xì)菌的一系列生理活動(dòng)有關(guān)，如細(xì)胞的分裂抑制、λ噬菌體的誘導(dǎo)釋放，以及引起DNA損傷的因素和抑制DNA復(fù)制的許多因素都能引起SOS反應(yīng)。
x射線和γ射線屬于能量很高的電離輻射，能產(chǎn)生電離作用，直接或間接地使DNA結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。直接的效應(yīng)是堿基的化學(xué)鍵、脫氧核糖的化學(xué)鍵和糖酸相連接的化學(xué)鍵斷裂；間接的效應(yīng)是電離輻射使水或有機(jī)分子產(chǎn)生自由基，這些自由基作用于DNA分子，引起缺失和損傷。此外還能引起染色體畸變，導(dǎo)致染色體結(jié)構(gòu)上的缺失、重復(fù)、倒位和易位。
突變是指遺傳物質(zhì)突然發(fā)生穩(wěn)定的可遺傳的變化，它有兩個(gè)意義：一是指與野生型不同的個(gè)體所攜帶和傳遞的基因組變異結(jié)構(gòu)，這種變異結(jié)構(gòu)可以是基因水平的，也可以是染色體水平的；突變的另一個(gè)意義是指上述變異結(jié)構(gòu)發(fā)生的過(guò)程。對(duì)微生物來(lái)講，基因突變最常見(jiàn)，最重要，而由于重組或附加體等外源遺傳物質(zhì)的整合而引起DNA的改變，則不屬突變的范圍。
在微生物純種群體或混合群體中，都可能偶爾出現(xiàn)個(gè)別微生物在形態(tài)、生理生化或其他方面的性狀發(fā)生改變。改變了的性狀可以遺傳，這時(shí)的微生物發(fā)生變異，成了變種或變株。
2.1. 突變的類型
突變的類型是多種多樣，從突變涉及的范圍，可以把突變分為基因突變和染色體畸變。在粗糙脈孢菌中，染色體畸變的研究已經(jīng)相當(dāng)深入了。在電子顯微鏡下現(xiàn)在已經(jīng)可以觀察病毒的染色體畸變。不過(guò)就遺傳學(xué)研究較為深人的大腸桿菌、沙門氏菌、枯草桿菌等細(xì)菌以及其它多數(shù)微生物來(lái)講，突變的研究主要是在基因突變方面。下面就分類的依據(jù)不同，探討一下突變的類型。
2.1.1. 從突變涉及范圍，可以把突變分為基因突變和染色體畸變。
基因突變，又稱點(diǎn)突變。是發(fā)生于一個(gè)基因座位內(nèi)部的遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)變異。往往只涉及一對(duì)堿基或少數(shù)幾個(gè)堿基對(duì)。點(diǎn)突變可以是堿基對(duì)的替代，也可以是堿基對(duì)的增減。前者可分為轉(zhuǎn)換和顛換（圖5－8）。轉(zhuǎn)換是指一種嘌呤—嘧啶對(duì)變?yōu)榱硪环N嘌呤—嘧啶對(duì)，或一種嘧啶—嘌呤對(duì)變?yōu)榱硪环N嘧啶—嘌呤對(duì)；顛換是指一種嘧啶—嘌呤對(duì)變?yōu)榱硪环N嘌呤—嘧啶對(duì)，或反過(guò)來(lái)一種嘌呤—嘧啶對(duì)變?yōu)榱硪环N嘧啶—嘌呤對(duì)。這兩種堿基的替代突變改變了遺傳密碼的結(jié)構(gòu)和該密碼所編碼的氨基酸。堿基對(duì)的增減則造成增減變異點(diǎn)以后全部密碼及其編碼的氨基酸，所以稱為移碼突變。
圖5－8. 各種類型的轉(zhuǎn)換和顛換 (實(shí)線代表轉(zhuǎn)換，虛線代表顛換)
染色體畸變 染色體畸變是一些不發(fā)生染色體數(shù)目變化而在染色體上有較大范圍結(jié)構(gòu)改變的變異，是由DNA(RNA)的片段缺失、重復(fù)或重排而造成染色體異常的突變。其中包括以下變化：一是易位，指兩條非同源染色體之間部分相連的現(xiàn)象。它包括一個(gè)染色體的一部分連接到某一非同源染色體上的單向易位以及兩個(gè)非同源染色體部分相互交換連接的相互易位。二是倒位，指一個(gè)染色體的某一部分旋轉(zhuǎn)180度后以顛倒的順序出現(xiàn)在原來(lái)位置的現(xiàn)象。三是缺失，指在一條染色體上失去一個(gè)或多個(gè)基因的片段，這是造成畸變的缺失。四是重復(fù)，指在一條染色體上增加了一段染色體片段，使同一染色體上某些基因重復(fù)出現(xiàn)的突變。發(fā)生染色體畸變的微生物往往易致死，所以微生物中突變類型的研究主要是在基因突變方面。
2.1.2. 從突變所帶來(lái)的表型的改變來(lái)講，突變的類型可以分為以下幾 類：
形態(tài)突變型 指細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或引起菌落形態(tài)改變的那些突變類型。包括影響細(xì)胞形態(tài)的突變型以及影響細(xì)菌、霉菌、放線菌等的菌落形態(tài)以及影響噬菌體的噬菌斑的突變型。例如細(xì)菌的鞭毛、芽孢或莢膜的有無(wú)，菌落的大小，外形的光滑或粗糙及顏色的變異；放線菌或真菌產(chǎn)孢子的多少，外形及顏色的變異；噬菌斑的大小和清晰程度的變異等。
致死突變型 指由于基因突變而造成個(gè)體死亡的突變類型，造成個(gè)體生活力下降的突變型稱為半致死突變型。一個(gè)隱性的致死突變基因可以在二倍體生物中以雜合狀態(tài)保存下來(lái)，可是不能在單倍體生物中保存下來(lái)，所以致死突變?cè)谖⑸镏醒芯康貌欢唷?
條件致死突變型 這類突變型的個(gè)體只是在特定條件，即限定條件下表達(dá)突變性狀或致死效應(yīng)，而在許可條件下的表型是正常的。廣泛應(yīng)用的一類是溫度敏感突變型，這些突變型在一個(gè)溫度中并不致死，所以可以在這種溫度中保 存下來(lái)；它們?cè)诹硪粶囟戎惺侵滤赖模ㄟ^(guò)它們的致死作用，可以用來(lái)研究基因的作用等問(wèn)題。
營(yíng)養(yǎng)缺陷突變型 是一類重要的生化突變型。是指某種微生物經(jīng)基因突變而引起微生物代謝過(guò)程中某些酶合成能力喪失的突變型，它們必須在原有培養(yǎng)基中添加相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)成分才能正常生長(zhǎng)繁殖。這種突變型在微生物遺傳學(xué)研究中應(yīng)用非常廣泛，它們?cè)诳蒲泻蜕a(chǎn)中也有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
抗性突變型 是指一類能抵抗有害理化因素的突變型，細(xì)胞或個(gè)體能在某種抑制生長(zhǎng)的因素(如抗生素或代謝活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)類似物)存在時(shí)繼續(xù)生長(zhǎng)與繁殖。根據(jù)其抵抗的對(duì)象分抗藥性、抗紫外線、抗噬菌體等突變類型。這些突變類型在遺傳學(xué)基本理論的研究中非常有用，常以抗性突變?yōu)檫x擇標(biāo)記，特別在融合試驗(yàn)、協(xié)同轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)中用得最多。
抗原突變型 是指細(xì)胞成分，特別是細(xì)胞表面成分如細(xì)胞壁、莢膜、鞭毛的細(xì)致變異而引起抗原性變化的突變型。
其它突變型 如毒力、糖發(fā)酵能力、代謝產(chǎn)物的種類和數(shù)量以及對(duì)某種藥物的依賴性等的突變型。
這幾類突變型并不是彼此排斥的。營(yíng)養(yǎng)缺陷型也可以認(rèn)為是一種條件致死突變型，因?yàn)樵跊](méi)有補(bǔ)充給它們所需要的物質(zhì)的培養(yǎng)基上它們不能生長(zhǎng)。某些營(yíng)養(yǎng)缺陷型也具有明顯的形態(tài)改變。例如粗糙脈胞菌和酵母菌的某些腺嘌呤缺陷型分泌紅色色素。所有的突變型可以認(rèn)為都是生化突變型，最為常見(jiàn)的是營(yíng)養(yǎng)缺陷型。抗藥性突變也是微生物遺傳學(xué)中常用的一類生化突變型。因?yàn)槿魏瓮蛔儯徽撌怯绊懶螒B(tài)的或是致死的，都必然有它的生化基礎(chǔ)。突變型的這一區(qū)分不是本質(zhì)性的。
2.1.3. 按突變的條件和原因劃分，突變可以分為自發(fā)突變和誘發(fā)突變。
自發(fā)突變 是指某種微生物在自然條件下，沒(méi)有人工參與而發(fā)生的基因突變。在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，人們認(rèn)為自發(fā)突變是由于自然界中存在的輻射因素和環(huán)境誘變劑所引起的。然而深入研究表明這種看法不夠完全。絕大多數(shù)的自發(fā)突變起源于細(xì)胞內(nèi)部的一些生命活動(dòng)過(guò)程，如遺傳重組的差錯(cuò)和DNA復(fù)制的差錯(cuò)，這些差錯(cuò)的產(chǎn)生與酶的活動(dòng)相關(guān)聯(lián)。
DNA復(fù)制是非常精確的，細(xì)菌的DNA多聚酶具有聚合3’至5’的外切功能，它可以切除摻入到合成鏈的3’端和樣板鏈不互補(bǔ)的錯(cuò)配堿基。通過(guò)這種復(fù)制中的校正作用，大大減少了堿基的錯(cuò)配，提高了復(fù)制合成的精確度。根據(jù)計(jì)算，這種校正可以把復(fù)制錯(cuò)誤減少到10-10／堿基對(duì)，即每復(fù)制1010堿基對(duì)，只發(fā)生一次錯(cuò)誤的摻入。細(xì)菌堿基組含有3×l06堿基對(duì)，復(fù)制一次發(fā)生錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)是3×10-4，假設(shè)基因的大小為l03堿基對(duì)，則可推算出細(xì)菌在一個(gè)增殖世代中，每個(gè)基因的突變率平均為10-7左右。考慮到自發(fā)突變中的大多數(shù)是檢測(cè)不出來(lái)的沉默突變，所以，對(duì)于多數(shù)可檢突變來(lái)講，自發(fā)突變率為10-8左右。
DNA復(fù)制中的堿基錯(cuò)配、跳格，DNA聚合酶結(jié)構(gòu)變異等均是提高自發(fā)突變的原因。在序列相似的DNA片段間的重組過(guò)程中，特別容易發(fā)生重組差錯(cuò)，從而造成一個(gè)或幾個(gè)堿基的重復(fù)和缺失；基因重組是由重組酶來(lái)催化的，重組酶結(jié)構(gòu)的變異也會(huì)影響基因的自發(fā)突變率。總之，各種DNA復(fù)制和基因重組過(guò)程有關(guān)的酶和蛋白，對(duì)維持生物基因自發(fā)突變率起著重要的，決定性的作用。
誘發(fā)突變 是利用物理的或化學(xué)的因素處理微生物群體，促使少數(shù)個(gè)體細(xì)胞的DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，基因內(nèi)部堿基配對(duì)發(fā)生錯(cuò)誤，引起微生物的遺傳性狀發(fā)生突變。凡能顯著提高突變率的因素都稱誘發(fā)因素或誘變劑。
物理誘變 利用物理因素引起基因突變的稱物理誘變。物理誘變因素有：紫外線、X-射線、γ-射線、快中子、β-射線、激光和等離子等。
化學(xué)誘變 利用化學(xué)物質(zhì)對(duì)微生物進(jìn)行誘變，引起基因突變或真核生物染色體的畸變稱為化學(xué)誘變。化學(xué)誘變的物質(zhì)很多，但只有少數(shù)幾種效果明顯，如烷化劑、吖啶類化合物等。
復(fù)合處理及其協(xié)同效應(yīng) 誘變劑的復(fù)合處理常有一定的協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)誘變效果，其突變率普遍比單獨(dú)處理的高，這對(duì)育種很有意義。復(fù)合處理有幾類：同一種誘變劑的重復(fù)使用，兩種或多種誘變劑先后使用，兩種或多種誘變劑同時(shí)使用。
定向培育和馴化 定向培育是人為用某一特定環(huán)境條件長(zhǎng)期處理某一微生物群體，同時(shí)不斷將他們進(jìn)行移種傳代，以達(dá)到累積和選擇合適的自發(fā)突變體的一種古老的育種方法。由于自發(fā)突變的變異頻率較低，變異程度較輕，故變異過(guò)程均比誘變育種和雜交育種慢得多。
2.2. 基因突變的特點(diǎn)
在生物界中由于遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)是相同的，因此顯示在遺傳變異的本質(zhì)上也具有相同的規(guī)律，這在基因突變的水平上尤其顯得突出。
自發(fā)性 由于自然界環(huán)境因素的影響和微生物內(nèi)在的生理生化特點(diǎn)，在沒(méi)有人為誘發(fā)因素的情況下，各種遺傳性狀的改變可以自發(fā)地產(chǎn)生。
稀有性 自發(fā)突變雖然不可避免，并可能隨時(shí)發(fā)生，但是突變的頻率極低，一般在10-6~10-9之間。
誘變性 通過(guò)各種物理、化學(xué)誘發(fā)因素的作用，可以提高突變率，一般可提高10~106倍。
突變的結(jié)果與原因之間的不對(duì)應(yīng)性 即突變后表現(xiàn)的性狀與引起突變的原因之間無(wú)直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如抗紫外線突變體不是由紫外線而引起，抗青霉素突變體并也不是由于接觸青霉素所引起。
獨(dú)立性 在一個(gè)群體中，各種形狀都可能發(fā)生突變，但彼此之間獨(dú)立進(jìn)行。
穩(wěn)定性 突變基因和野生型基因一樣，是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，由此而產(chǎn)生的新的遺傳性狀也是相對(duì)穩(wěn)定的，可以一代一代地傳下去。
可逆性 原始的野生型基因可以通過(guò)變異成為突變型基因，此過(guò)程稱為正向突變；相反，突變型基因也可以恢復(fù)到原來(lái)的野生型基因，稱回復(fù)突變。實(shí)驗(yàn)證明任何突變既有可能正向突變，也可發(fā)生回復(fù)突變，二者發(fā)生的頻率基本相同。
2.3. 基因突變的機(jī)制
DNA分子中堿基對(duì)的變化可以在自然條件下自發(fā)地發(fā)生，也可以人為的應(yīng)用物理、化學(xué)因素誘導(dǎo)發(fā)生，它們的變化機(jī)制主要有以下幾類：
2.3.1. 自發(fā)突變機(jī)制
雖然自發(fā)突變是指微生物在沒(méi)有人工參與的條件下發(fā)生的突變，但是這決不意味這種突變是沒(méi)有原因的，只是人們到現(xiàn)在對(duì)它還沒(méi)有認(rèn)識(shí)清楚而已。下面討論幾種自發(fā)突變的可能機(jī)制。
多因素低劑量的誘變效應(yīng) 不少自發(fā)突變實(shí)質(zhì)上是由于一些原因不詳?shù)牡蛣┝空T變因素長(zhǎng)期作用的綜合結(jié)果。早在20世紀(jì)30年代中就認(rèn)為任何劑量的X射線都足以誘發(fā)突變，因此有人認(rèn)為宇宙空間擁有的各種短波輻射是自發(fā)突變的原因之一。根據(jù)計(jì)算，它至多只能說(shuō)明自發(fā)突變的1%。自然界中還存在著能誘發(fā)突變的低濃度物質(zhì)，由于偶然接觸它們可能引起自發(fā)突變。除此以外，熱也是誘發(fā)自發(fā)突變的一種影響因素，例如噬菌體T 4在370 C中每天每一GC堿基對(duì)以4×10-8這一頻率發(fā)生變化，因此一些自發(fā)突變來(lái)自熱的誘變作用。
A、 B正常配對(duì)；C、D、E、F嘌呤-嘧啶錯(cuò)配；G、H、I、J嘌呤-嘌呤錯(cuò)配
圖5－9. 各種堿基錯(cuò)配
微生物自身代謝產(chǎn)物的誘變效應(yīng) 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在一些微生物中具有誘變作用的物質(zhì)，例如咖啡堿、硫氰化合物、二硫化二丙烯、重氮絲氨酸等。過(guò)氧化氫是微生物正常代謝的一種產(chǎn)物，它對(duì)脈胞菌具有誘變作用，如果同時(shí)加入過(guò)氧化氫酶抑制劑，則可提高誘變的效率。這說(shuō)明過(guò)氧化氫有可能是引起自發(fā)突變的一種內(nèi)源誘變劑。
互變異構(gòu)效應(yīng) 由于DNA分子中的A、T、G、C四種堿基的第六位碳原子上的酮基(T、G)和氨基(A、C)，胸腺嘧啶（T）和鳥嘌呤（G）不是酮式就是烯醇式，胞嘧啶（C）和腺嘌呤（A）不是氨基式就是亞氨基式。所以有人認(rèn)為T和G會(huì)以酮式和烯醇式兩種互變異構(gòu)的形式出現(xiàn)，而A和C則以氨基式或亞氨基式兩種狀態(tài)出現(xiàn)。由于化學(xué)結(jié)構(gòu)的平衡一般趨向于酮式和亞氨基式，因此，在DNA雙鏈結(jié)構(gòu)中一般總是以AT與GC堿基配對(duì)的形式出現(xiàn)（圖5－9A、B ）。可是在偶然情況下，T也會(huì)以烯醇式形式出現(xiàn)，恰好DNA的合成到達(dá)這位置的一瞬間，通過(guò)DNA多聚酶的作用，在它相對(duì)應(yīng)的位置上出現(xiàn)配對(duì)堿基G，而不出現(xiàn)常規(guī)的A（圖5－9D）。當(dāng)DNA再次復(fù)制時(shí)，通過(guò)G和C配對(duì)，就使原來(lái)的AT轉(zhuǎn)變?yōu)镚C。同樣如果C以亞氨基形式出現(xiàn)，在DNA復(fù)制的合成到達(dá)這位置的一瞬間，DNA對(duì)應(yīng)鏈上將是A，而不是G（圖5－9 C）。以此類推，這些可能是引起自發(fā)突變的重要原因之一。
除了由于酮式—烯醇式互變和氨基式—亞氨基式互變而造成的堿基錯(cuò)配以外，還可能發(fā)生另一種嘌呤-嘌呤錯(cuò)配。這種錯(cuò)配來(lái)源于另一種由于堿基-脫氧核糖鍵旋轉(zhuǎn)而造成的稱為正-反的互變。根據(jù)DNA模型制作結(jié)果，證明腺嘌呤的亞氨基式能和腺嘌呤或鳥嘌呤的正式配對(duì)(圖5－9G、I)，鳥嘌呤的烯醇兼亞氨基式能和鳥嘌呤或腺嘌呤的正式配對(duì)(圖5－9H、J)，這些錯(cuò)配也能通過(guò)DNA復(fù)制而造成轉(zhuǎn)換和顛換(圖5－10)。
從圖5－10可以看到，由酮式—烯醇式互變或氨基式—亞氨基式互變可以引起轉(zhuǎn)換，由正式—反式互變可以引起顛換。正式—亞氨基式配對(duì)或正式—烯醇式兼正式配對(duì)不容易形成，所以顛換應(yīng)少于轉(zhuǎn)換。
圖5－10. 由錯(cuò)配所引起的突變
環(huán)狀突變效應(yīng) 近來(lái)還有人提出另一種造成自發(fā)突變的原因，它可以稱為環(huán)狀突變效應(yīng)或簡(jiǎn)稱環(huán)出效應(yīng)。如圖5－11A所示，當(dāng)DNA復(fù)制到C時(shí)，模板鏈G向外環(huán)出；當(dāng)復(fù)制繼續(xù)進(jìn)行時(shí)模板又恢復(fù)正常。結(jié)果在原來(lái)應(yīng)出現(xiàn)GC 堿基對(duì)的 地方出現(xiàn)了GA堿基對(duì)。再經(jīng)一次DNA復(fù)制時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)TA，因此造成了GC -TA顛換。圖5－11B 中，環(huán)出的是兩個(gè)核苷酸，這樣就會(huì)導(dǎo)致相鄰的兩對(duì)堿基發(fā)生變化。如果這兩對(duì)堿基屬于兩個(gè)密碼，那么一次突變可以使兩個(gè)密碼發(fā)生變化，帶來(lái)兩個(gè)氨基酸的改變。關(guān)于這一突變機(jī)制模型還缺乏實(shí)驗(yàn)根據(jù)，但它同樣指出，DNA結(jié)構(gòu)的另一種瞬時(shí)的可逆性變化，可能導(dǎo)致基因突變。自然突變的偶然性在這里可以得到解釋。
—T—T—C— —T—T—C—A— —T—T—C—A—A—T—
A —A—A—G—G—T—A —A—A—G T—A— —A—A—G—G—T—A—
\ /
G
—G—T— —G—T—A—T— —G—T—A—T—A—T—
B —C—A—A—G—T—A— —C—A T—A— —C—A—A—G—T—A—
A—G
A單個(gè)核苷酸環(huán)出 B兩個(gè)核苷酸環(huán)出
圖5－11. 核苷酸環(huán)出誘變
2.3.2. 誘發(fā)突變的機(jī)制
誘發(fā)突變就是人類對(duì)突變過(guò)程的某種干擾，這種干擾往往是了解、掌握和改變自然變化的起點(diǎn)。誘發(fā)突變?yōu)槲覀冄芯客蛔儥C(jī)理創(chuàng)造了條件。誘發(fā)機(jī)制主要有以下幾類：
堿基對(duì)的置換 在DNA分子上，堿基對(duì)置換屬于一種微小的損傷，它只涉及一對(duì)堿基被另一對(duì)堿基所置換。堿基對(duì)的置換可分成兩類：一類是轉(zhuǎn)換；另一類是顛換。對(duì)某一種具體的誘變劑引起的堿基對(duì)置換。即可同時(shí)有轉(zhuǎn)換和顛換兩類，也可只具有其中的一個(gè)功能。堿基對(duì)的置換絕大多數(shù)是由化學(xué)誘變劑通過(guò)直接或間接的方式引起，因此可以把置換的機(jī)制分為兩類。
直接引起置換的誘變劑是一類可直接與核酸堿基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的誘變劑，不論在生物體內(nèi)或離體條件下均有作用。這類誘變劑的種類很多，常用的主要有各種烷化劑、亞硝酸和羥胺。它們可以與一個(gè)或幾個(gè)核苷酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而引起DNA復(fù)制時(shí)堿基對(duì)的轉(zhuǎn)換，并進(jìn)一步使微生物發(fā)生變異。在這些誘變劑中，除羥胺只引起GC—AT轉(zhuǎn)換外其余都是GC---AT互變的。
烷化劑是誘變育種極其重要的一類誘變劑，它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)都帶有一個(gè)或多個(gè)活性烷基，并能轉(zhuǎn)移到其它分子中電子密度極高的位置上去。這種活性烷基的數(shù)目表示它具有單功能、雙功能或多功能。常見(jiàn)的烷化劑有硫酸二乙酯(DES)、甲基磺酸乙酯(EMS)、N-甲基-N’-硝基-N-亞硝基胍(NG)、N-亞硝基-N-甲基-氨基甲酸乙酯 (NMU)、乙烯亞氨(EI)、環(huán)氧乙酸(EO)、氮芥(NM)等，所有這些物質(zhì)通過(guò)烷化磷酸基、烷化嘌呤和烷化嘧啶與DNA作用，其中烷化鳥嘌呤是最易發(fā)生的作用，且形成7-烷基鳥嘌呤。烷化劑對(duì)于點(diǎn)突變的誘變作用可能主要是由于引起堿基的錯(cuò)誤配對(duì)。另外烷化劑還能誘發(fā)染色體畸變，由于染色體畸變常為輻射所誘發(fā)，所以這些物質(zhì)又稱為擬輻射物質(zhì)。
亞硝酸常用于誘發(fā)真菌突變，是一種對(duì)含有氨基的堿基對(duì)直接作用而誘發(fā)堿基對(duì)轉(zhuǎn)換的誘變劑。它能使堿基中的氨基氧化脫去，從而使胞嘧啶(C)變成尿嘧啶(U)，引起GC-AT的轉(zhuǎn)換；腺嘌呤(A)變成次黃嘌呤(H)，引起AT-GC的轉(zhuǎn)換；鳥嘌呤(G)變成黃嘌呤( (X)，不引起堿基對(duì)的轉(zhuǎn)換。亞硝酸還能引起DNA兩鏈間的交聯(lián)而引起DNA結(jié)構(gòu)上的缺失作用。它很不穩(wěn)定，易分解為水和亞硝酐 。
羥胺幾乎只和胞嘧啶發(fā)生反應(yīng)而不和其它三種堿基發(fā)生，故幾乎只引起GC- AT的轉(zhuǎn)換，而不引起AT -GC的轉(zhuǎn)換。羥胺還能和細(xì)胞中的其他一些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生過(guò)氧化氫等，而過(guò)氧化氫則是一種非專一性的誘變劑。所以羥胺對(duì)于游離噬菌體和轉(zhuǎn)化因子等能引起非常專一性的突變，可是對(duì)于活體來(lái)講則專一性就比較差了。
間接引起置換的誘變劑是一些堿基結(jié)構(gòu)類似物，例如5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-氨基尿嘧啶(5-AU)、8-氮鳥嘌呤(8-NG)、2-氨基嘌呤(2-AP)及6-氮嘌呤(6-NP)等。機(jī)體缺乏天然堿基時(shí)，易通過(guò)活化細(xì)胞的代謝活動(dòng)摻人到DNA分子中去，引起堿基配對(duì)發(fā)生錯(cuò)誤。在這些堿基類似物中，最常被應(yīng)用的是5-溴尿嘧啶(5-BU)和2-氨基嘌呤(2-AP)。5-溴尿嘧啶(5-BU)是胸腺嘧啶(T)的結(jié)構(gòu)類似物。當(dāng)微生物生長(zhǎng)于含有5-BU的培養(yǎng)液中并合成DNA時(shí)，如果5-BU以烯醇式狀態(tài)存在于DNA中，與它配對(duì)的是鳥嘌呤，進(jìn)而經(jīng)DNA復(fù)制，引起AT至CG的轉(zhuǎn)換；如果5-BU 以酮式狀態(tài)存在于DNA中，就不會(huì)引起堿基對(duì)的置換；另外，5-BU也可以通過(guò)烯醇式和酮式結(jié)構(gòu)的變化，引起GC至AT的回復(fù)突變過(guò)程。但是在5-BU的酮式和烯醇]式兩種結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)烯醇式的幾率更多，這樣也就增加了AT轉(zhuǎn)換變?yōu)镚C的突變幾率。2-氨基嘌呤是腺嘌呤的結(jié)構(gòu)類似物，它能代替A進(jìn)入DNA分子中與T配對(duì)有兩個(gè)氫鍵，結(jié)合的程度較牢固；它也能與C形成只有一個(gè)氫鍵的堿基對(duì)，結(jié)合得較弱。隨后經(jīng)DNA復(fù)制，C與G配對(duì)完成AT至CG的轉(zhuǎn)換，且這種轉(zhuǎn)換多是單方向的，因?yàn)?-氨基嘌呤較難代替G而被C吸引。
移碼突變 這是由于DNA分子中一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)核苷酸的增加或缺失而造成的基因突變。由于遺傳信息是以三對(duì)核苷酸為一組的密碼形式表達(dá)的，所以一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)核苷酸的增加或缺失往往造成增加或缺失位置后面的密碼意義全部發(fā)生錯(cuò)誤。與染色體畸變相比，移碼突變也屬于DNA分子中的微小損傷。吖啶類染料及其化合物是有效的移碼突變誘變劑，例如吖啶、吖啶黃、吖啶橙，5-氨基吖啶。吖啶類化合物的誘變機(jī)制目前還不很清楚。現(xiàn)普遍認(rèn)為，由于吖啶類化合物是一種平面型三環(huán)分子，結(jié)構(gòu)與一個(gè)嘌呤-嘧啶堿基對(duì)相似，因此能夠插入DNA分子中兩個(gè)相鄰的堿基之間，使得DNA分子的長(zhǎng)度增加，造成雙螺旋一定程度的延長(zhǎng)和部分解開(kāi)。從而在復(fù)制過(guò)程中，會(huì)使鏈上增加或缺失一個(gè)堿基，結(jié)果引起增加或缺失位置之后全部遺傳密碼轉(zhuǎn)錄翻譯的錯(cuò)誤，造成移碼突變。
染色體畸變 是指引起DNA分子較大損傷的誘變，包括染色體結(jié)構(gòu)上的易位、倒位、缺失、重復(fù)等。紫外線、x射線、γ射線等射線、亞硝酸及烷化劑等均是引起染色體畸變的有效的誘變劑。它們能引起DNA分子多處較大的損傷，如DNA鏈的斷裂，DNA分子內(nèi)兩條單鏈的交聯(lián)，胞嘧啶和尿嘧啶的水合作用以及嘧啶二聚體的形成等。烷化劑根據(jù)其烷化作用分單功能、雙功能、三功能的烷化劑，其中一些單功能烷化劑（如NG、EMS等）常被稱為超誘變劑，它們雖然殺傷力較低但卻有較強(qiáng)的誘變作用。烷化劑分子能烷化DNA分子上的堿基，造成一條單鏈的斷裂或兩條單鏈的交聯(lián)等，引起染色體畸變。紫外線作用的主要機(jī)制是：在同鏈DNA相鄰的嘧啶間或在互補(bǔ)雙鏈間形成以共價(jià)鍵結(jié)合的嘧啶二聚體。胸腺嘧啶二聚體如在互補(bǔ)鏈間形成就會(huì)妨礙雙鏈的解開(kāi)，從而影響DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，并使細(xì)胞死亡；如在同鏈DNA上形成就會(huì)減弱或消除DNA雙鏈間氫鍵的作用，并引起雙鏈結(jié)構(gòu)的扭曲變形，阻礙堿基間正常的配對(duì)，從而引起突變或死亡。微生物能以多種形式去修復(fù)被紫外線損傷后的DNA，主要方式有光復(fù)活、切除修復(fù)、重組修復(fù)、緊急呼救修復(fù)等。
光復(fù)活作用 經(jīng)紫外線照射后的微生物暴露于可見(jiàn)光下時(shí)，可明顯的降低其死亡率的現(xiàn)象稱為光復(fù)活作用。光復(fù)活作用首先于1949年在放線菌中發(fā)現(xiàn)。引起的原因是可見(jiàn)光所激活的酶在起作用，經(jīng)紫外線照射后形成胸腺嘧啶二聚體的DNA分子，在黑暗中會(huì)與一種光激活酶結(jié)合形成復(fù)合物，當(dāng)再暴露在下可見(jiàn)光時(shí)，復(fù)合物會(huì)因獲得光能而使酶與DNA分子解離，從而使胸腺嘧啶二聚體重新分散成兩個(gè)胸腺嘧啶單體，同時(shí)光激活酶也從復(fù)合物中釋放出來(lái)。由于微生物中一般都存在著光復(fù)活作用，因此用紫外線照射菌液時(shí)，要在紅燈下進(jìn)行操作處理，然后再于暗室中或用黑布包起來(lái)培養(yǎng)。
切除修復(fù)作用 也稱暗修復(fù)作用，這種修復(fù)作用與光無(wú)關(guān)，整個(gè)修復(fù)過(guò)程是在四種酶的協(xié)同作用下進(jìn)行的將胸腺嘧啶切除的 DNA損傷修復(fù)：核酸內(nèi)切酶胸腺嘧啶在胸腺嘧啶二聚體的5’一側(cè)切開(kāi)一個(gè)3’-OH和5’-P的單鏈缺口；核酸外切酶從5’-P至3’-0H方向切除二聚體；cDNA聚合酶以DNA的另一條互補(bǔ)鏈作模板，從原有鏈上暴露的3’-0H端起逐漸延長(zhǎng)，重新合成一段缺損的DNA鏈；通過(guò)連接酶的作用，把新合成的那段DNA 的3’-OH末端與原來(lái)的5’-P末端相連接，形成一個(gè)完整的雙鏈結(jié)構(gòu)。
重組修復(fù)作用 又稱為復(fù)制后修復(fù)，必須在DNA進(jìn)行復(fù)制的情況下進(jìn)行。重組修復(fù)可以在不切除胸腺嘧啶二聚體的情況下，以帶有二聚體的這一單鏈為模板而合成互補(bǔ)單鏈，可是在每一個(gè)二聚體附近留下一個(gè)空隙。一般認(rèn)為通過(guò)染色體交換，空隙部位就不再面對(duì)著胸腺嘧啶二聚體而是面對(duì)著正常的單鏈，在這種情況下DNA多聚酶和連接酶便能起作用而把空隙部分進(jìn)行修復(fù)。
緊急呼救(SOS)修復(fù)系統(tǒng) 這是細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的一種修復(fù)系統(tǒng)。它的修復(fù)功能依賴于某些蛋白質(zhì)的誘導(dǎo)合成，而且這些蛋白質(zhì)是不穩(wěn)定的。SOS修復(fù)功能和細(xì)菌的一系列生理活動(dòng)有關(guān)，如細(xì)胞的分裂抑制、λ噬菌體的誘導(dǎo)釋放，以及引起DNA損傷的因素和抑制DNA復(fù)制的許多因素都能引起SOS反應(yīng)。
x射線和γ射線屬于能量很高的電離輻射，能產(chǎn)生電離作用，直接或間接地使DNA結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。直接的效應(yīng)是堿基的化學(xué)鍵、脫氧核糖的化學(xué)鍵和糖酸相連接的化學(xué)鍵斷裂；間接的效應(yīng)是電離輻射使水或有機(jī)分子產(chǎn)生自由基，這些自由基作用于DNA分子，引起缺失和損傷。此外還能引起染色體畸變，導(dǎo)致染色體結(jié)構(gòu)上的缺失、重復(fù)、倒位和易位。