基因突变

  基因会变吗?答案是肯定的。基因突变可以是自然发生,也可以是人工诱导所致。因为自发突变频率很低,人工诱变就显得非常重要。摩尔根的学生缪勒取得了突破性进展,不仅是人工诱变的创始人,也是第一位成功的诱变育种家。

 短腿羊是怎么来的?

 用射线轰击基因
  缪勒生平
  缪勒的贡献

 诱变在应用方面的发展

短腿羊是怎么来的?

  1791年,在美国新英格兰的一户农民赛斯·怀特(Seth Wright)家的羊群里,发现了一只背长腿短且略弯曲的雄绵羊。由于腿短,它跳不过羊圈篱笆,故而易于圈养。经过怀特的精心选育,一个新的绵羊品种--安康羊(Ancon sheep)产生了。达尔文对此很感兴趣,曾将该例收录在他的著作《动物和植物在家养下的变异》一书中。但安康羊在1870年左右绝种了。这种短腿羊,最初是在其亲代的生殖细胞中的基因产生了变化而导致的。基因的变化称为基因突变(gene mutation)。大约在1920年左右,挪威一户农民的羊群里,又突然出现了一只短腿羊,这是因为又新产生了一次基因突变。由此又重新育成了一个短腿绵羊的新品种。
  
  突变(mutation)这个概念和术语最初是由荷兰植物学家、孟德尔定律的重新发现者之一德弗里斯(H·Devries)在1901年提出来的,当时他把在月见草中观察到的偶然出现的、巨大的、可遗传的变化称为突变。后来知道,德弗里斯在月见草中观察到的"突变"是染色体畸变而非基因突变。但由于突变概念的提出,使人们将遗传物质的变异引起的可遗传性变异与生物体对环境条件变化引起的不可遗传的变异(后天获得性)严格区分开来。当然,最早区分可遗传的变异与不遗传变异的,应该追溯到魏斯曼。魏斯曼1885年提出"种质学说"时,就曾明确区分可遗传的种质变异与不遗传的体质变异。

缪勒生平

  当我们说突变是自发产生的时候,并不是说突变是无缘无故发生的,而是指未经人为干预而自然发生的。突变发生肯定有原因,只是原因不明,或者说我们没有去深究。有时是我们不感兴趣,有时甚至是没有必要去深究。然而,自发突变是一种频率很低的突变,仅靠自发突变无异于守株待兔。科学的发展不能等待大自然恩赐,科学研究需要新的突变,必须想办法使之容易得到,使研究工作的效率提高。在这方面取得突破性进展的是缪勒(H·J·Muller)——摩尔根的学生、得力助手和传人。
  
  缪勒祖籍德国,1890年12月21日生于美国纽约市,1967年4月5日卒于美国印第安纳波利斯。1907年缪勒考入哥伦比亚大学,1910年毕业,获学士学位。在大学期间,曾认真阅读洛克(R·H·Lock)的《遗传、变异和进化》,并进修威尔逊讲授的染色体遗传学。大学毕业后在康内尔医学院和哥伦比亚大学生理学系深造,1912年获硕士学位。同年,被摩尔根招为研究生,在摩尔根的实验室里攻读博士,1916年取得博士学位。1916-1918年受生物学家赫胥黎(J·Huxley)的邀请,到休斯敦水稻研究所讲学。1918-1920年缪勒回哥伦比亚大学继续从事遗传突变研究。1921-1932年,在得克萨斯大学任教并成为教授。1932年,缪勒曾去柏林,并遭法西斯当局逮捕,后经营救获释,应苏联遗传学家瓦维洛夫(N·I·Vavilov)之邀请去苏联。1933-1937年在列宁格勒和莫斯科科学院工作,曾卷入到与李森科争论的纠纷中,为此他离开了苏联,并参加了西班牙志愿军。1938年缪勒到了英国,在爱丁堡大学任教,直至1940年。其后便回到美国,先在阿默斯特学院任教,1945年转到印第安纳大学,直至去世。

 

缪勒的贡献

  缪勒一生发表论文372篇,出版专著《单基因改变所致的变异》,并参与由摩尔根主编的《孟德尔遗传机制》的编写。缪勒是辐射遗传学的创始人,并因此而荣获1946年诺贝尔生理学医学奖。由他建立的检测突变的CIB方法至今仍是生物监测的手段之一。
  
  1927年,缪勒在《科学》杂志发表了题为“基因的人工蜕变”的论文,首次证实X射线在诱发突变中的作用,搞清了诱变剂剂量与突变率的关系,为诱变育种奠定了理论基础。具体来说,缪勒解决了如下几个问题:
  
  (1)用较高剂量的X射线处理精子,能诱发生殖细胞发生真正的基因突变。所谓真正的基因突变,是从两个角度表现出来的,一是具有物质性质的基因发生了变化,而不是像德弗里斯在月见草中发现的染色体畸变;二是变化了的基因能真实遗传,经过了4代或4代以上的稳定遗传,并且大多数表现出典型的孟德尔遗传方式。
  
  (2)在用X射线处理果蝇的同时,再以数千个未经处理的果蝇作为对照。在同样的培养条件下,受高剂量X射线处理的果蝇之突变率比未受处理的果蝇之突变率高出约150倍。用X射线处理,在短时间内即得到了几百个突变体,经过几代培育已发现100个以上的突变基因。
  
  (3)突变类型包括致死突变、半致死突变、非致死突变。致死突变又可分为隐性致死突变和显性致死突变。其中显性致死突变是大量的,可通过卵的计数和其对性比率的影响看出(显性致死造成卵期死亡),有不少诱发的可见突变,是在过去从未看到的基因座位上发生的,而其中有些突变的表型效应与以往看到的并不完全相似(如斑翅、无栉性等)。但大多数突变是过去已经发现过的,如白眼、小翅、带叉的刚毛等。这说明X射线诱发的变异大多数与自发突变中出现的基因突变完全相同,只是后者出现的频率要低得多。
  
  (4)除基因突变外,X射线也能造成基因在染色体上的次序重新排列,且这种情况占有很高的比例;还能造成较大片段的染色体畸变,如缺失、断裂、易位、倒位等。
  
  (5)X射线处理并非是使该染色体上存在的全部基因物质都发生永久性的改变,常常只影响到其中一部分。受处理的基因复制产生两个或两个以上的子代基因,往往只有其中一个发生突变,似乎表现出某种滞后效应。
  
  (6)X射线处理并未显著提高回复突变率。这说明诱变的发生也是随机的,诱变剂并不对已发生突变的基因青睐有加。
  
  (7)用不同剂量的X射线,在生命周期的不同时刻和不同条件下处理果蝇,将得到不同的结果。缪勒的工作表明,在使用剂量的范围内,隐性致死因子并不直接随所吸收的X射线的能量而变化,而是更接近于随能量的平方根变化。
  
  1945年,美国在日本长崎和广岛投下了尚处于初级研究阶段的核武器——原子弹。原子弹的巨大爆炸威力和大规模杀伤效应,给人们以非常深刻的印象。然而,原子弹的受害者仅仅是死伤吗?不死不伤的人难道一点也未受到影响吗?在此之前,人们与放射性物质打交道已有40余年,但对其生物学效应、特别是遗传学效应几乎一无所知。缪勒则在他的论文中明确指出:“现代X射线治疗常用的照射处理实践肯定不会造成永久性的不孕,这主要是站在一种纯粹理论性的概念上来防护的,这种理论概念为孕性恢复后产生的卵必定代表‘未受损伤’的组织。……这个假设在这里被证明是错误的……。”缪勒由于1927年的工作而于1946年获诺贝尔生理学医学奖,这标志着人类对诱变的认识已趋成熟。随后,“原子时代的遗传学”、“辐射遗传学”成为热点。其它物理或化学诱变剂逐一被发现及研究。为了维护人类健康,检测致畸、致癌、致突变环境因素的工作日益受到重视。

 

  缪勒一生发表论文372篇,出版专著《单基因改变所致的变异》,并参与由摩尔根主编的《孟德尔遗传机制》的编写。缪勒是辐射遗传学的创始人,并因此而荣获1946年诺贝尔生理学医学奖。由他建立的检测突变的CIB方法至今仍是生物监测的手段之一。
  
  1927年,缪勒在《科学》杂志发表了题为“基因的人工蜕变”的论文,首次证实X射线在诱发突变中的作用,搞清了诱变剂剂量与突变率的关系,为诱变育种奠定了理论基础。具体来说,缪勒解决了如下几个问题:
  
  (1)用较高剂量的X射线处理精子,能诱发生殖细胞发生真正的基因突变。所谓真正的基因突变,是从两个角度表现出来的,一是具有物质性质的基因发生了变化,而不是像德弗里斯在月见草中发现的染色体畸变;二是变化了的基因能真实遗传,经过了4代或4代以上的稳定遗传,并且大多数表现出典型的孟德尔遗传方式。
  
  (2)在用X射线处理果蝇的同时,再以数千个未经处理的果蝇作为对照。在同样的培养条件下,受高剂量X射线处理的果蝇之突变率比未受处理的果蝇之突变率高出约150倍。用X射线处理,在短时间内即得到了几百个突变体,经过几代培育已发现100个以上的突变基因。
  
  (3)突变类型包括致死突变、半致死突变、非致死突变。致死突变又可分为隐性致死突变和显性致死突变。其中显性致死突变是大量的,可通过卵的计数和其对性比率的影响看出(显性致死造成卵期死亡),有不少诱发的可见突变,是在过去从未看到的基因座位上发生的,而其中有些突变的表型效应与以往看到的并不完全相似(如斑翅、无栉性等)。但大多数突变是过去已经发现过的,如白眼、小翅、带叉的刚毛等。这说明X射线诱发的变异大多数与自发突变中出现的基因突变完全相同,只是后者出现的频率要低得多。
  
  (4)除基因突变外,X射线也能造成基因在染色体上的次序重新排列,且这种情况占有很高的比例;还能造成较大片段的染色体畸变,如缺失、断裂、易位、倒位等。
  
  (5)X射线处理并非是使该染色体上存在的全部基因物质都发生永久性的改变,常常只影响到其中一部分。受处理的基因复制产生两个或两个以上的子代基因,往往只有其中一个发生突变,似乎表现出某种滞后效应。
  
  (6)X射线处理并未显著提高回复突变率。这说明诱变的发生也是随机的,诱变剂并不对已发生突变的基因青睐有加。
  
  (7)用不同剂量的X射线,在生命周期的不同时刻和不同条件下处理果蝇,将得到不同的结果。缪勒的工作表明,在使用剂量的范围内,隐性致死因子并不直接随所吸收的X射线的能量而变化,而是更接近于随能量的平方根变化。
  
  1945年,美国在日本长崎和广岛投下了尚处于初级研究阶段的核武器——原子弹。原子弹的巨大爆炸威力和大规模杀伤效应,给人们以非常深刻的印象。然而,原子弹的受害者仅仅是死伤吗?不死不伤的人难道一点也未受到影响吗?在此之前,人们与放射性物质打交道已有40余年,但对其生物学效应、特别是遗传学效应几乎一无所知。缪勒则在他的论文中明确指出:“现代X射线治疗常用的照射处理实践肯定不会造成永久性的不孕,这主要是站在一种纯粹理论性的概念上来防护的,这种理论概念为孕性恢复后产生的卵必定代表‘未受损伤’的组织。……这个假设在这里被证明是错误的……。”缪勒由于1927年的工作而于1946年获诺贝尔生理学医学奖,这标志着人类对诱变的认识已趋成熟。随后,“原子时代的遗传学”、“辐射遗传学”成为热点。其它物理或化学诱变剂逐一被发现及研究。为了维护人类健康,检测致畸、致癌、致突变环境因素的工作日益受到重视。

诱变在应用方面的发展

  诱变操作其实很简单,即用诱变剂直接或间接地处理生殖细胞。对细菌等生物而言,没有体细胞与生殖细胞的区别,处理起来就更容易了。
  
  诱变剂大致可分为两类。像射线、紫外线、激光等物理因素称为物理诱变剂,用于诱变的射线有:X射线、α射线、β射线、γ射线和中子射线等。而亚硝胺、芥子气之类的化学药物则称为化学诱变剂。
  
  诱变的目的是为了得到新的突变。在摩尔根时代,遗传学研究内容的丰富与新突变的发现息息相关。现在,遗传学研究的内容和手段与过去相比早已面目全非了,但获得新突变并从中选出对人类有利的突变型仍然是热点之一。培育新品种的方法现在已有许多新手段,如应用分子生物学技术培育转基因动植物等,但诱变育种仍不失为简便易行的常用手段。
  
  缪勒不仅是人工诱变拇词既耍彩堑谝晃怀晒Φ挠毡溆旨摇F涫担嘤腃IB果蝇品系就是一个非常有用的果蝇新品种。20世纪30年代,瑞典的古斯塔夫松(Gustafsson)、尼布姆(Nybom)和哈格贝里(Hagbery)等就开始致力于诱变育种工作,并取得了较大成就。到50年代,瑞典已成为世界放射诱变育种研究的中心。60-70年代,诱变育种工作已成燎原之势,经诱变而得到的新品种已数不胜数。我国在60年代初开始诱变育种工作,进入80年代后,诱变育种工作与我国其它行业一样进入了鼎盛时期。诱变育种的成果主要体现在作物育种和微生物育种两方面。作物育种,目标致力于早熟、抗病、高产、优质。这些目标并不是一下子就能达到的,特别是与某些品质有一定的相关性,如早熟的难以高产,高产的不早熟,这就须一步步地进行。可以用具有某种优良品质的品种作基础,通过诱变,从中选出保持(甚至超过)该优秀品质并出现新的优良品质的突变体。如浙江培育的早熟水稻“原丰早”,就是以“科字6号”为基础,经诱变选择而育成的。“原丰早”穗大粒多,耐肥抗倒,保留了“科字6号”的丰产品质,但比后者早熟45天,从而产量比成熟期相同的其它品种高一成以上。“原丰早”还有适应性广、早晚季均可种植、二熟制或三熟制都能适应的优点。这类例子举不胜举,如湖北育成的“鄂麦6号”、山东育成的“鲁棉1号”、黑龙江育成的“黑农16号”大豆、广东育成的“狮选64号”花生等,都是应用诱变而培育成功的。微生物育种,目标在于获得高产菌株。许多生化药物如核苷酸、酶制剂、氨基酸、抗生素等,常常用微生物发酵法来进行工业化生产。由于许多生化成分在生物组织中的含量较低、提取较为困难,所以这类药物价格极昂贵。如果某种微生物代谢途径改变,能累积这类成分,那么即可利用这种微生物来大量生产药物。工业化生产的最大优点是能大幅度降低药物的生产成本,而诱变育种可以逐渐提高药物产量,从而进一步降低成本。在我国许多生化制药厂的抗生素生产车间里,都有着一批专门从事菌种培育的技术人员。正是由于他们的辛勤劳动,才使得各地的生产水平逐年提高。通过诱变育种,使药物产量逐渐提高成千上万倍的例子屡见不鲜。