5。1基因突变和基因重组

　　第1节 基因突变和基因重组
　　一、 教学目标
　　1.举例说明基因突变的特点和原因。
　　2.举例说出基因重组。
　　3.说出基因突变和基因重组的意义。
　　二、教学重点和难点
　　1.教学重点
　　（1）基因突变的概念及特点。
　　（2）基因突变的原因。
　　2.教学难点
　　基因突变和基因重组的意义。
　　三、教学策略
　　本模块的第1章至第4章，从分子水平阐述了基因的本质、基因在细胞中的存在位置、基因的结构和作用等基本问题，第5章则从生物变异入手，从基因和染色体变化的角度来认识生物发生变异的原因，是第4章《基因的表达》的延续和拓展。
　　本节教学可用1课时，教学重点是基因突变。基因重组的实质，即基因的自由组合定律，已经在孟德尔的豌豆杂交实验中作过详细的介绍，因此在本节教学中不再列为重点内容。本节在教学上可以采取以下策略。
　　1.从科学发现的过程切入，设置问题情境，引导学生探究。
　　为了让学生更好地理解基因突变的概念，教材不是从概念到概念，而是从实例分析入手，再归纳总结概念。在教学过程中，教师也应遵循这种符合学生认知规律的呈现方式，从现象到概念，从宏观到微观来开展教学活动。
　　关于基因突变，教材选用了镰刀型细胞贫血症的实例，从现象开始，追根溯源，让学生理解基因突变的根本原因是dna分子的碱基对发生了变化。这种变化可能会导致生物体的性状发生改变。限于篇幅，教材没有过多地介绍镰刀型细胞贫血症的发现过程（具体过程参见教学案例）。教学中，教师可以给学生适当补充一些相关材料，并结合“思考与讨论”中的问题，让学生讨论和探究。通过讨论，学生能够认识到基因突变的本质是dna分子的碱基对发生了改变，并且能够进一步理解“基因对性状的控制是通过控制蛋白质合成来实现的”这一基本的生物学原理。
　　2.用类比推理的方法引导学生理解基因突变的类型。
　　怎样全面理解dna分子碱基对的改变可能导致的结果呢？是不是dna分子的碱基对发生改变就一定会导致生物性状的变化？为了说明这个问题，教师可以先引导学生阅读 “问题探讨”，讨论英文句子中个别字母发生改变后，对于全句所表达的意思的影响情况。通过分析可以看出，英语句子中一个字母的改变，可能导致句子的意思不变、变化不大和完全改变这三种情况。然后，教师再通过联想和类比的方法，结合不同的密码子可以对应相同的氨基酸的知识，引导学生推测基因突变与生物性状改变之间的关系，从而理解不是所有的基因突变都会导致生物体性状的改变。所以，基因突变对于生物体来说，有的有害，有的有利，有的既无害也无利。
　　3.通过生活中的具体事例引导学生理解抽象的概念。
　　在学习基因突变的原因时，教师可以引用癌症的病例，介绍癌症的形成是体细胞发生基因突变的结果，然后让学生列举生活中的事例，归纳哪些因素会导致基因突变。例如，射线（x射线、紫外线、γ射线等)容易引发癌症，在强烈的日光下暴晒，容易导致皮肤癌；据报道，在医院放射室工作的医生容易患癌症；前苏联的切尔诺贝利核电站发生核泄漏时，核电站周围的居民得癌症的几率大大增加。
　　4.以设问和讨论的形式引导学生思考基因突变和基因重组的意义。
　　基因突变和基因重组的意义是教学中的难点。为了理解基因突变是生物变异的根本来源，是生物进化的原始材料，教师可以引导学生思考下列问题。基因突变能产生新的基因吗？这些新的基因产生的新性状对生物的生存有什么意义（有利还是有害）？自然环境会选择哪些个体生存下来？通过这些设问，使学生理解基因突变最重要的特点是产生了新的基因，原来的基因和新的基因所表达的性状为自然环境提供了选择的材料。基因重组尽管不能产生新的基因，但可以产生不同的生物性状组合，产生新的基因型。所以说，基因重组为生物的进化提供了可供选择的材料。
　　5.以填表的形式引导学生对比和总结。
　　教师在教学结束时，可将基因突变和基因重组进行列表总结，其中的总结内容可由学生讨论回答。
　　基因突变
　　基因重组                                        本质            基因的分子结构发生改变，产生了新基因，出现了新的性状。            不同基因的重新组合，不产生新基因，而是产生新的基因型，使不同性状重新组合。                            发生时间
　　及原因            细胞分裂间期dna分子复制时，由于外界理化因素或自身生理因素引起的碱基对的替换、增添或缺失。            减数第一次分裂后期中，随着同源染色体的分开，位于非同源染色体上的非等位基因进行了自由组合。                            条件            外界环境条件的变化和内部因素的相互作用。            有性生殖过程中进行减数分裂形成生殖细胞。                            意义            生物变异的根本来源，是生物进化的原材料。            生物变异的来源之一，是形成生物多样性的重要原因。                            发生可能            突变频率低，但普遍存在。            有性生殖中非常普遍。
　　四、答案和提示
　　（一）问题探讨
　　提示：dna分子携带的遗传信息发生了改变。但由于密码的简并性，dna编码的氨基酸不一定改变。如果氨基酸发生了改变，生物体的性状可能发生改变。改变的性状对生物体的生存可能有害，可能有利，也有可能既无害也无利。
　　（二）思考与讨论一
　　1.图中谷氨酸发生了改变，变成了缬氨酸。
　　2.提示：可查看教材表4-1，20种氨基酸的密码子表。
　　3.能够遗传。突变后的dna分子复制，通过减数分裂形成带有突变基因的生殖细胞，并将突变基因传递给下一代。
　　（三）思考与讨论二
　　1.223种精子；223种卵细胞。
　　2.需要有246+1个个体；不可能。
　　3.提示：可以从染色体上基因的多样性、减数分裂过程中配子形成的过程以及基因重组等角度思考。
　　生物体的性状是由基因控制的。在减数分裂形成生殖细胞的过程中，随着同源染色体的分离，位于非同源染色体上的非等位基因进行重新组合。人的基因约有3万多个，因此，形成生殖细胞的类型也非常多，由生殖细胞通过受精作用形成的受精卵的类型也就非常多。所以，人群中个体性状是多种多样的。
　　（四）旁栏思考题
　　因为紫外线和x射线易诱发基因突变，使人患癌症。
　　（五）批判性思维
　　这种看法不正确。对于生物个体而言，发生自然突变的频率是很低的。但是，一个物种往往是由许多个体组成的，就整个物种来看，在漫长的进化历程中产生的突变还是很多的，其中有不少突变是有利突变，对生物的进化有重要意义。因此，基因突变能够为生物进化提供原材料。
　　（六）练习
　　基础题
　　1.（1）√；（2）×；（3）×。
　　2.c。
　　3.b。
　　4.a。
　　拓展题
　　1.放疗或化疗的作用是通过一定量的辐射或化学药剂干扰肿瘤细胞和癌细胞进行dna分子的复制，使其产生基因突变，从而抑制其分裂的能力，或者杀死癌细胞。放疗的射线或化疗的药剂，既对癌细胞有作用，也对正常的体细胞有作用，因此，放疗或化疗后病人的身体是非常虚弱的。
　　2.镰刀型细胞贫血症患者对疟疾具有较强的抵抗力，这说明，在易患疟疾的地区，镰刀型细胞的突变具有有利于当地人生存的一方面。虽然这个突变体的纯合体对生存不利，但其杂合体却有利于当地人的生存。
　　五、参考资料
　　1.基因突变的类型
　　突变是指发生在遗传物质上的变异。广义上突变可以分为两类：（1）染色体畸变（chromosome aberration）,即染色体数目和结构的改变；（2）基因突变（gene mutation），即基因的核苷酸顺序或数目发生改变。狭义突变通常特指基因突变，它包括单个碱基改变所引起的点突变（point mutation），或多个碱基的缺失、重复和插入。
　　基因突变可发生在个体发育的任何阶段，以及体细胞或生殖细胞周期的任何时期。如果突变发生在体细胞中，则变异不能直接遗传给下代。如果突变发生在某一配子中，那么，子代中只有某一个个体有可能继承这个突变基因。如果突变发生在配子发生的早期阶段，如发生在卵原细胞或精原细胞中，则多个配子都有可能接受这个突变基因，这样，突变基因传到后代的可能性就会增加。通常，生殖细胞的突变率比体细胞高，这主要是因为生殖细胞在减数分裂时对外界环境变化更加敏感。我们一般把携带突变基因的细胞或个体，称为突变体（mutant），没有发生基因突变的细胞或个体称为野生型（wild type）。
　　引起突变的物理因素（如x射线）和化学因素（如亚硝酸盐）称为诱变剂（mutagen）。通过使用诱变剂而产生的突变称为诱发突变（induced mutation）。由于自然界中诱变剂的作用或dna复制、转录、修复时偶然出现的碱基配对错误所产生的突变称为自发突变（spontaneous mutation）。人类单基因病大都为自发突变的结果。自发突变产生的频率（突变率）一般很低，平均每一核苷酸每一世代为10-10 10-9，即每世代、每10亿至100亿个核苷酸有一次突变发生。
　　如果按照dna碱基顺序改变类型区分，突变还可以分为碱基置换突变、移码突变、整码突变、染色体错误配对和不等交换4种。
　　（1）碱基置换突变
　　一个碱基被另一碱基取代而造成的突变称为碱基置换突变。凡是一个嘌呤被另一个嘌呤所取代，或者一个嘧啶被另一个嘧啶所取代的置换称为转换（transition）；一个嘌呤被另一个嘧啶所取代，或一个嘧啶被另一个嘌呤所替代的置换称为颠换（transversion）。转换可能有4种，而颠换可能有8种。在自然界中，转换通常多于颠换。根据碱基置换对多肽链中氨基酸顺序的影响，可以将突变分为同义突变、错义突变、无义突变和终止密码突变4种类型。
　　同义突变 由于密码子具有简并性，因此，单个碱基置换可能只改变mrna上的特定密码子，但不影响它所编码的氨基酸。例如，dna分子模板链中gcg的第三位g被a取代而成gca，则mrna中相应的密码子cgc就被转录为cgu，由于cgc和cgu都是精氨酸的密码子，因而新形成的多肽链没有氨基酸顺序和数目的变化，这种突变称为同义突变（synonymous mutation）。同义突变不易检出。
　　错义突变 错义突变是指dna分子中的碱基置换不仅改变了mrna上特定的遗传密码，而且导致新合成的多肽链中一个氨基酸被另一氨基酸所取代，这种情况称为错义突变（missense mutation）。此时，在该氨基酸前后的氨基酸不改变。例如，mrna分子正常编码顺序为：uau（酪）gcc（丙）aaa（赖）uug（亮）aaa（赖）cca（脯）,当第三密码子中中间的a颠换为c时，则aaa（赖）→aca（苏），即上述顺序改变为uau（酪）gcc（丙）aca（苏）uug（亮）aaa（赖）cca（脯）。错义突变往往导致产生功能异常的蛋白质。
　　无义突变 当单个碱基置换导致出现终止密码子（uag、uaa、uga）时，多肽链将提前终止合成，所产生的蛋白质大都失去活性或丧失正常功能，此种突变称为无义突变（non?sense mutation）。例如，dna分子模板链中atg的g被t代替时，相应的mrna上的密码子便从uac变成终止信号uaa，因此翻译便到此为止，使肽链缩短。
　　终止密码突变 当dna分子中一个终止密码发生突变成为编码氨基酸的密码子时，多肽链的合成将不能正常终止，肽链将继续延长直至遇到下一个终止密码子，因而形成了延长的异常肽链，这种突变称为终止密码突变（termination codon mutation），属于一类延长突变（elongtion mutation）。
　　此外，还有抑制基因突变。如果基因内部不同位置上的不同碱基分别发生突变，使其中一次突变抑制了另一次突变的遗传效应，这种突变称为抑制基因突变（suppressor gene mutation）。例如，在血红蛋白异常疾病中，hb harlem是β链第6位谷氨酸变成缬氨酸，第73位天冬氨酸变成天冬酰胺，但患者临床表现较轻；而单纯β6谷氨酸→缬氨酸，通常产生严重的临床症状，甚至造成死亡。这说明hb harlem即β73的突变抑制了β6突变的有害效应。
　　（2）移码突变
　　移码突变（frame?shift mutation）是指dna链上插入或缺失1个、2个甚至多个碱基（但非3个碱基或3的整数倍的碱基），导致在插入或缺失碱基部位以后的密码子顺序和组成发生相应改变。由于原来的密码子移位，终止密码子常常推后或提前出现，结果造成新合成肽链延长或缩短。
　　(3)整码突变
　　如果在dna链的密码子之间插入或缺失一个或几个密码子，则合成的肽链将增加或减少一个或几个氨基酸，但插入或缺失部位的前后氨基酸顺序不变。这种突变称为整码突变（codon mutation）。亦称密码子插入或缺失（codon insertion or deletion）。
　　2.缪勒对突变的研究
　　1927年，美国遗传学家缪勒（h.j.muller，1890—1967）首次发现，用x射线照射果蝇精子，后代发生突变的个体数大大增加，同年，又有科学家用x射线和γ射线照射玉米和大麦的种子，也得到了类似的结果。这些观察激起了人们对辐射诱变研究的兴趣。第二次世界大战期间，科学家发现了第一个化学诱变剂 芥子气，开辟了化学诱变的新途径。从此，利用各种物理的和化学的手段进行人工诱变的工作，在世界范围内广泛开展起来。
　　3.诱发基因突变的因素及其作用机理
　　（1）物理诱变因素
　　在多种物理诱变因素中，应用最广泛并且行之有效的是射线。用于诱变的射线包括电离射线和非电离射线。
　　在诱变研究中，x射线、γ射线、α射线、β射线和中子等都是人们常用的电离射线。最早用于诱变的电离射线是x射线，后来人们发现γ射线的诱变效果比较好，于是γ射线成为人工诱变的首选射线。近年来，人们发现中子的诱变效果也很好，用中子进行诱变的研究日趋增多。电离辐射作用于生物体时，首先从细胞中各种物质的原子或分子的外层击出电子，引起这些物质的原子或分子的电离和激发。当细胞内的染色体或dna分子在射线的作用下产生电离和激发时，它们的结构就会改变，这是电离辐射的直接作用。此外，电离辐射的能量可以被细胞内大量的水吸收，使水电离，产生各种游离基团，游离基团作用于dna分子，也会引起dna分子结构的改变。研究表明，电离辐射诱发基因突变的频率，在一定范围内和辐射剂量成正比；电离辐射有累加效应，小剂量长期照射与大剂量短期照射的诱变效果相同。
　　紫外线携带的能量很小，穿透力弱，不足以引起物质的电离，属于非电离射线。物质吸收紫外线后，其组成分子由于电子的激发而变成激发分子，结果极易引起分子结构的改变。在紫外线的照射下，dna分子可能发生多种形式的结构改变，如dna链的断裂、dna分子内或分子间交联、dna和蛋白质交联、胞嘧啶水合作用以及形成嘧啶二聚体等，这些变化都有可能引起基因突变，其中形成嘧啶二聚体（如胸腺嘧啶二聚体）是引起突变的主要原因。例如，dna双链之间胸腺嘧啶二聚体的形成，会阻碍双链的分开和下一步的复制。同一条链上相邻胸腺嘧啶之间二聚体的形成，会阻碍碱基的正常配对和腺嘌呤的正常加入，使复制在这个点上停止或发生错误，于是新形成的链上便出现改变了的碱基顺序，在随后的复制过程中就会产生一个在两条链上碱基顺序都改变了的分子，从而导致基因突变。
　　（2）化学诱变因素
　　一些化学物质和辐射一样能够引起生物体发生基因突变。通过对上千种化学物质的诱变作用进行研究，发现从简单的无机物到复杂的有机物，金属离子、生物碱、生长刺激素、抗生素、农药、灭菌剂、色素、染料等都可以诱发突变，但是诱变效果好的种类并不多。根据化学诱变剂对dna作用方式的不同，可以将它们分为以下三类。
　　一类是能够改变dna化学结构的诱变剂，如亚硝酸和烷化剂等。亚硝酸具有氧化脱氨作用，它能使腺嘌呤（a）脱去氨基变成次黄嘌呤（h），胞嘧啶（c）脱去氨基变成尿嘧啶（u）。在dna分子第一次复制时，h与c配对，u与a配对。第二次复制时，c与g配对，a与t配对。于是，经过两次复制，原来的a—t碱基对就变成了g—c碱基对，而g—c碱基对却变成了a-t碱基对。
　　常见的烷化剂有硫酸二乙酯、乙烯亚胺、甲基磺酸乙二酯、亚硝基甲基脲等。烷化剂有一个或几个不稳定的烷基，能够与dna分子的碱基发生化学反应，置换其中某些基团的氢原子，从而改变碱基的化学结构，使dna分子复制时出现碱基配对的差错，最终导致基因突变。
　　一类是碱基类似物，它们的分子结构与dna分子中的碱基十分相似。在dna分子复制时，这些碱基类似物能够以假乱真，作为dna的组成成分加入到dna分子中，从而引起基因突变。常见的碱基类似物有5-溴尿嘧啶、2-氨基嘌呤等。
　　还有一类是吖啶类化合物，它们可以插入dna分子结构中，使dna分子在复制或转录时出现差错而导致突变。
　　4.镰刀型细胞贫血症
　　镰刀型细胞贫血症是20世纪初被人们发现的一种遗传病。19xx年，一个黑人青年到医院看病，他的症状是发烧和肌肉酸痛。经过检查发现，他患的是当时人们尚未认识的一种特殊的贫血症，他的红细胞不是正常的圆饼状，而是弯曲的镰刀状。后来，人们就把这种病称为镰刀型细胞贫血症。镰刀型细胞贫血症主要发生在黑色人种中，在非洲黑人中的发病率最高，在意大利、希腊等地中海沿岸国家和印度等地，发病人数也不少，在我国的南方地区也发现有这类病例。
　　1928年，人们就已经了解到镰刀型细胞贫血症是一种遗传病。后来证实，它是一种常染色体隐性遗传病。1949年，一位曾经两次获得诺贝尔奖的美国著名化学家鲍林（l.c.pauling），在美国的《科学》杂志上发表了题为《镰刀型细胞贫血症 分子病》的研究报告。他在文章中写道：“在我们的研究开始之时，有证据表明红细胞镰变的过程可能是与红细胞内血红蛋白的状态和性质密切相关的。”鲍林将正常人、镰刀型细胞贫血症患者和镰刀型细胞贫血症基因携带者的血红蛋白，分别放在一定的缓冲溶液中进行电泳，发现正常人和患者的血红蛋白的电泳图谱明显不同，而携带者的血红蛋白的电泳图谱，与由正常人的和患者的血红蛋白以1 1的比例配成的混合物的电泳图谱非常相似。鲍林推测镰刀型细胞贫血症是由于血红蛋白分子的缺陷造成的。
　　正常的血红蛋白是由两条α链和两条β链构成的四聚体，其中每条肽链都以非共价键与一个血红素相连接。α链由141个氨基酸组成，β链由146个氨基酸组成。镰刀型细胞贫血症患者的血红蛋白的分子结构与正常人的血红蛋白的分子结构不同。1956年，英格拉姆（ingram）等人用胰蛋白酶把正常的血红蛋白（hba）和镰刀型细胞的血红蛋白（hbs）在相同条件下切成肽段，通过对比二者的滤纸电泳双向层析谱，发现有一个肽段的位置不同。也就是说，hbs和hba的α链是完全相同的，所不同的只是β链上从n末端开始的第6位的氨基酸残基，在正常的hba分子中是谷氨酸，在病态的hbs分子中却被缬氨酸所代替。
　　在hbs中，由于带负电的极性亲水谷氨酸被不带电的非极性疏水缬氨酸所代替，致使血红蛋白的溶解度下降。在氧张力低的毛细血管区，hbs形成管状凝胶结构（如棒状结构），导致红细胞扭曲成镰刀状（即镰变）。这种僵硬的镰状红细胞不能通过毛细血管，加上hbs的凝胶化使血液的黏滞度增大，阻塞毛细血管，引起局部组织器官缺血缺氧，产生脾肿大、胸腹疼痛（又叫做“镰型细胞痛性危象”）等临床表现。