突变定义

在生物学中，突变是指对生物体、病毒或染色体外 DNA 的核酸序列进行的修饰。病毒基因组可能包含 DNA 或 RNA。突变可能是由于 DNA 复制、“病毒复制”、有丝分裂、“减数分裂”中的错误，或 DNA 损伤的其他形式（如紫外线照射引起的嘧啶二聚体）引起的。受损的 DNA 随后可能经历易出错的修复，尤其是微同源介导的末端连接，导致其中一种修复类型出错，或在复制过程中引起错误。此外，DNA 插入和删除可能由于可移动遗传元件而导致改变。

突变可能会也可能不会影响生物体的表型或可观察到的特征。进化、癌症和免疫系统的成熟，尤其是连接多样性，只是受突变影响的正常和恶性生物学过程中的一部分。突变是所有遗传多样性的来源，也是自然选择等进化过程发挥作用的机制。

由于突变，序列变化可以采取许多不同的形式。基因突变可能没有影响，改变基因产物，或阻止基因完全或正确地工作。非基因区域同样容易发生突变。2007 年关于黑腹果蝇物种之间遗传变异的一份报告发现，改变基因产生的蛋白质的突变很可能是有灾难性的。估计 70% 的氨基酸多态性被认为具有负面影响，其余 20% 为中性或略微正面。由于突变可能对基因产生负面影响，因此动物拥有 DNA 修复等机制，可以阻止或逆转突变，方法是恢复改变区域的原始状态。

概述

大多数情况下，突变是由基因重组引起的，这可能导致大段 DNA 复制。动物基因组每百万年复制数十到数百个基因，为新基因的产生提供了大量的遗传信息。它们作为具有共同祖先的较大基因家族成员之间的基因具有序列相似性。新基因可以通过多种方式产生，最常见的是通过复制和突变祖先基因，或通过重组其他基因的片段来创建具有新功能的新的组合。

在此背景下，蛋白质域充当模块，每个模块都具有独特且独立的功能，可以组合起来创建编码具有独特特征的新蛋白质的基因。例如，人类眼睛用于创建其感光结构的四个基因？三个用于视锥细胞（负责颜色视觉），一个用于视杆细胞（负责夜视）？都起源于单个祖先基因。通过复制基因甚至整个基因组来增加工程冗余，使得一对基因中的一个基因可以执行新的功能。而另一份副本则继续按设计执行。这是基因重复的另一个好处。有时，新基因由非编码 DNA 的不同突变类型产生。

较大的突变，其中染色体内的 DNA 片段断裂并随后重组，也可能涉及染色体数量的变化。例如，人类 2 号染色体是由人科的两个染色体融合而成的；然而，这种融合并未发生在其他类人猿的谱系中，而这些独立的染色体仍然存在于这些物种中。这类染色体易位可能在进化中起最重要作用，通过降低杂交的可能性并维持种群间的遗传多样性，加速一个世代分化为独特物种。

可转座的 DNA 序列，占动植物基因组的重要部分，可能在基因组发展中发挥了关键作用，因为它们可以在基因组中迁移。Alu 序列在人类基因组中出现超过一百万个拷贝，已被用于执行控制基因表达等任务。这些移动的 DNA 序列在它们在基因组中移动时，也有可能删除或改变现有的基因，从而产生遗传多样性。非致命突变在基因库中累积，导致遗传变异增加。自然选择可以限制基因库中某些遗传突变的频率，但其他“更有吸引力”的突变可能会累积并导致适应性改变。

突变原因

有四种不同类型的突变

1. 自发突变（分子衰变）
2. 由易出错的转录合成引起的突变，也称为自然发生的 DNA 损伤的复制旁路，
3. DNA 修复中的错误
4. 诱变剂引起的诱变。

此外，科学家可以通过操纵 DNA，有意引入突变序列进行科学研究。根据 2017 年的一项研究（样本分布在 69 个国家），29% 的致癌突变由环境引起，66% 源于随机突变，5% 通过家族遗传。人类平均将 60 个新突变遗传给后代，而父亲根据年龄传递的突变更多，每年会为孩子增加 2 个突变。

自发突变

即使在健康、未受污染的细胞中，自发突变也有发生的几率。据信，在小鼠和人类中，每天每个细胞分别发生 100,000 次和 10,000 次自然产生的氧化性 DNA 损伤。可以用下面给出的特定改变来识别自发突变：

• 互变异构：当氢原子移动时，碱基的氢键排列会发生改变，导致复制过程中出现不正确的碱基配对。根据理论发现，质子隧穿在 GC 互变异构体的自发形成中起重要作用。
• 脱嘌呤：脱嘌呤是丢失一个 A 或 G 嘌呤碱基，生成一个无嘌呤位点（AP 位点）。
• 脱氨：在水解过程中，一个正常的碱基转变为一个异常碱基，该碱基具有一个羰基而不是原来的氨基。例如 5MeC（5-甲基胞嘧啶）T，由于胸腺嘧啶是正常的 DNA 碱基，因此不太可能被发现为突变；而 C U 和 A HX（次黄嘌呤）是 DNA 修复过程可以处理的。
• 链滑移错配：在复制过程中，新链从模板解链后在不同位置重新退火（“滑移”）。这可能导致插入或删除。

绕过复制错误

越来越多的证据表明，大多数自然发生的突变来自复制过程中发生的易出错的模板 DNA 链损伤（转录合成）。小鼠中大多数突变是由转录合成引起的。酵母中也获得了类似的结果，Kunz 等人发现，超过 60% 的自发单碱基对改变和缺失是由转录合成引起的。

DNA 修复过程中的错误

尽管 DNA 自然发生双链断裂的情况很少，但当它们发生时，修复过程通常会导致突变。非同源末端连接是修复双链断裂的关键技术。NHEJ 的过程涉及去除几个核苷酸，以便对面边缘能够错误地对齐以便重新连接，然后添加核苷酸来填充任何空隙。因此，NHEJ 经常导致突变。

诱发突变

由环境因素和诱变剂引起的基因改变称为诱发突变。在分子水平上，诱发突变可能由于以下原因发生

• 化学物质
• 羟胺
• 碱基类似物，如溴脱氧尿苷（BrdU）
• 烷基化剂，如 N-乙基-N-亚硝基脲（ENU）。这些物质可以改变正在复制和未复制的 DNA。另一方面，碱基类似物只有在参与 DNA 复制时才能引起 DNA 突变。这些化学诱变剂分为不同的类别，每种类别都有特定的效应，导致缺失、颠换或颠倒。
• 形成 DNA 加合物的物质（例如，赭曲霉毒素 A）
• 嵌入 DNA 的剂（例如，溴化乙锭）
• DNA 交联剂
• 氧化损伤
• 亚硝酸通过将 A 和 C 上的氨基转化为重氮基团，改变了它们的氢键模式，并导致复制过程中发生不正确的碱基配对。

辐射

• 紫外线（UV）辐射（包括非电离辐射）：胞嘧啶和胸腺嘧啶是 DNA 中最容易受到辐射影响的两个核苷酸碱基，它们会改变其特性。暴露于紫外线会导致 DNA 链的相邻嘧啶碱基形成嘧啶二聚体。DNA 也会被紫外线辐射氧化损伤，尤其是长波 UVA。
• 电离辐射：暴露于电离辐射，如“伽马射线”，可能导致癌症甚至死亡的突变。

在细菌和生命之树中确实发现了突变的分子途径。相比之下，以前人们认为突变是偶然发生的，或者是由诱变剂驱动的。根据 S. Rosenberg 的说法，“这些过程呈现出高度受控的诱变图景，通过应激反应在时间上上调，并在细胞/生物体处于压力下时被激活——可能加速适应。” 细菌中的 SOS 反应、异位染色体间交叉以及其他染色体过程（如重复）是偶尔被称为“适应性诱变”的过程的例子。这些是自我诱发的诱变机制，可以加速生物体的适应性。