早前來自人類基因組計劃的信息表明任何兩個個體的基因組中的DNA,有99.9％是相同的,而只有0.1％發(fā)生變化,主要是大約300萬個分布在整個基因組上的單堿基變異.新的研究結(jié)果揭示出基因組的255個區(qū)域（超過0.1％的比率）中大段DNA在不同個體中以不同的拷貝數(shù)存在.其中超過50％的變化導致基因數(shù)量的變化,并且至少有14個區(qū)域覆蓋已知和人類疾病有關(guān)的位點.
“運用新的基因組掃描技術(shù),我們意外地發(fā)現(xiàn)在不同的健康個體的基因組中,可能存在或者缺失甚至幾十萬個核苷酸長的DNA片斷.這些大范圍的拷貝變異（large-scale copy variations,LCVs）通常覆蓋部分基因,它們也許能夠解釋為什么人之間都有區(qū)別,”Stephen Scherer博士說.
“一開始我們非常震驚并且不敢相信我們的結(jié)果,因為一直以來人們都認為大多數(shù)DNA的變異都限定在很小的范圍下.后來,我們聽說哈佛的一個研究組觀察到類似的現(xiàn)象,最終我們將我們的資料合并起來并得出了相同的結(jié)論,”Scherer博士說.
“由于這些新發(fā)現(xiàn)的變異存在于健康個體的基因組中,因此這種變異的存在可能通過影響特定基因的表達導致細微差別來影響身體或行為特征.但是,它們也可能使人傾向于患某種疾病,”BWH的Charles Lee博士說.“例如,最常見的LCV包括淀粉酶基因.我們的研究表明一些人可能有10個這種基因拷貝,而其它人可能有多達24個這種基因的拷貝.如果我們能證明這些基因增加的拷貝數(shù)與個體對胰臟疾病或癌癥敏感性的增加有關(guān),那將會是真正激動人心的事.這將使我們能夠?qū)⑦@些LCVs作為疾病的標記.” 一 基因突變和基因重組
基因突變
正常人的紅細胞是圓餅狀的,鐮刀型細胞貧血癥患者的紅細胞卻是彎曲的鐮刀狀的(如圖).這樣的紅細胞容易破裂,使人患溶血性貧血,嚴重時還會導致死亡.分子生物學的研究表明,鐮刀型細胞貧血癥是由基因突變引起的一種遺傳病.是常染色體上的隱性遺傳病.
基因突變的概念 人們在對鐮刀型細胞貧血癥患者的血紅蛋白分子進行檢查時發(fā)現(xiàn),患者血紅蛋白分子的多肽鏈上,有一個谷氨酸被一個纈氨酸代替了.為什么會發(fā)生氨基酸分子結(jié)構(gòu)的改變呢?經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),這是由于控制合成血紅蛋白分子的DNA上的堿基序列發(fā)生了改變, 變成了 ,也就是說,DNA上的一個堿基對發(fā)生了改變( 變成了 ),這種改變最終導致了鐮刀型細胞貧血癥的產(chǎn)生(如圖).
除堿基的替換以外,控制合成血紅蛋白分子的DNA的堿基序列發(fā)生堿基的增添或缺失,有時也會導致血紅蛋白病的產(chǎn)生.由于DNA分子中發(fā)生堿基對的增添、缺失或改變,而引起的基因結(jié)構(gòu)的改變,就叫做基因突變.
基因突變是染色體的某一個位點上基因的改變.基因突變使一個基因變成它的等位基因,并且通 常會引起一定的表現(xiàn)型變化.例如,小麥從高稈變成矮稈,普通羊群中出現(xiàn)了短腿的安康羊等,都是基因突變的結(jié)果(如圖).
基因突變在生物進化中具有重要意義.它是生物變異的根本來源,為生物進化提供了最初的原材料.
引起基因突變的因素很多,可以歸納為三類：一類是物理因素,包括輻射、溫度等；另一類是化學因素,是指各種不同的能夠與DNA分子起作用而改變DNA分子性質(zhì)的物質(zhì)；第三類是生物因素,包括病 毒和某些細菌等.
正常的鏈孢霉是能夠在基本培養(yǎng)基上生長的.但是有的鏈孢霉發(fā)生突變后,必須在添加了特定營養(yǎng)物的培養(yǎng)基上才能生長.
基因突變的特點 基因突變作為生物變異的一個重要來源,它具有以下主要特點：第一,基因突變在生物界中是普遍存在的.無論是低等生物,還是高等的動植物以及人,都可能發(fā)生基因突變.基因突變在自然界的物種中廣泛存在.例如,棉花的短果枝,水稻的矮桿、糯性,果蠅的白眼、殘翅,家鴿羽毛的灰紅色,以及人的色盲、糖尿病、白化病等遺傳病,都是突變性狀.自然條件下發(fā)生的基因突變叫做自然突變,人為條件下誘發(fā)產(chǎn)生的基因突變叫做誘發(fā)突變.
第二,基因突變是隨機發(fā)生的.它可以發(fā)生在生物個體發(fā)育的任何時期和生物體的任何細胞.一般來說,在生物個體發(fā)育的過程中,基因突變發(fā)生的時期越遲,生物體表現(xiàn)突變的部分就越少.例如,植物的葉芽如果在發(fā)育的早期發(fā)生基因突變,那么由這個葉芽長成的枝條,上面著生的葉、花和果實都有可能與其他枝條不同.如果基因突變發(fā)生在花芽分化時,那么,將來可能只在一朵花或一個花序上表現(xiàn)出變異.
進行營養(yǎng)繁殖的生物體,能不能將體細胞中發(fā)生的基因突變傳給后代?參考答案
基因突變可以發(fā)生在體細胞中,也可以發(fā)生在生殖細胞中.發(fā)生在生殖細胞中的突變,可以通過受精作用直接傳遞給后代.發(fā)生在體細胞中的突變,一般是不能傳遞給后代的.
果蠅的白眼基因的突變率是4×10-5 ,玉米的皺種子基因的突變率是10-6 ,小鼠的白化基因的突變率是10-5,人類血友病A基因的突變率是3×10-5
第三,在自然狀態(tài)下,對一種生物來說,基因突變的頻率是很低的.據(jù)估計,在高等生物中,大約十萬個到一億個生殖細胞中,才會有一個生殖細胞發(fā)生基因突變,突變率是10-5～10-8.不同生物的基因突變率是不同的.例如,細菌和噬菌體等微生物的突變率比高等動植物的要低.同一種生物的不同基因,突變率也不相同.例如,玉米的抑制色素形成的基因的突變率為1.06×10-4,而黃色胚乳基因的突變率為2.2×10-6.
第四,大多數(shù)基因突變對生物體是有害的.由于任何一種生物都是長期進化過程的產(chǎn)物,它們與環(huán)境條件已經(jīng)取得了高度的協(xié)調(diào).如果發(fā)生基因突變,就有可能破壞這種協(xié)調(diào)關(guān)系.因此,基因突變對于生物的生存往往是有害的.例如,絕大多數(shù)的人類遺傳病,就是由基因突變造成的,這些病對人類健康構(gòu)成了嚴重威脅.又如,植物中常見的白化苗,也是基因突變形成的.這種苗由于缺乏葉綠素,不能進行光合作用制造有機物,最終導致死亡.但是,也有少數(shù)基因突變是有利的.例如,植物的抗病性突變、耐旱性突變、微生物的抗藥性突變等,都是有利于生物生存的.
有人認為,自然條件下基因突變的頻率很低,而且大多數(shù)基因突變對生物體是有害的,因此,它不可能為生物進化提供原材料.你認為這種看法正確嗎?為什么?參考答案
第五,基因突變是不定向的.一個基因可以向不同的方向發(fā)生突變,產(chǎn)生一個以上的等位基因.例如,控制小鼠毛色的灰色基因(A+)可以突變成黃色基因(AY),也可以突變成黑色基因(a).但是每一個基因的突變,都不是沒有任何限制的.例如,小鼠毛色基因的突變,只限定在色素的范圍內(nèi),不會超出這個范圍.
人工誘變在育種上的應用 人工誘變是指利用物理因素(如X射線、γ射線、紫外線、激光等)或化學因素(如亞硝酸、硫酸二乙酯等)來處理生物,使生物發(fā)生基因突變.用這種方法可以提高突變率,創(chuàng)造人類需要的變異類型,從中選擇、培育出優(yōu)良的生物品種.本世紀60年代以來,我國在農(nóng)作物誘變育種方面取得了可喜的成果,培育出了數(shù)百個農(nóng)作物新品種.這些新品種具有抗病力強、產(chǎn)量高、品質(zhì)好等優(yōu)點,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用.例如,黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院用輻射方法處理大豆,培育成了黑農(nóng)五號等大豆品種,含油量比原來的品種提高了2.5％,大豆產(chǎn)量提高了16％.在微生物育種方面,誘變育種也發(fā)揮了重要作用.青霉菌的選育就是一個典型的例子.現(xiàn)在世界各國生產(chǎn)青霉素的菌種,最初是在 1943年從一個發(fā)霉的甜瓜上得來的.這種野生的青霉菌分泌的青霉素很少,產(chǎn)量只有20單位/mL①.后來,人們對青霉菌多次進行X射線、紫外線照射以及綜合處理,培育成了青霉素產(chǎn)量很高的菌株,目前青霉素的產(chǎn)量已經(jīng)可以達到50 000單位/mL～60 000單位/mL.