突變不是隨機(jī)的
——對高中生物學(xué)教材中突變知識的探討

吳 琨 孫 策 龍紅岸

(中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院/海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所 青島 266003)

一提起基因突變(DNA序列上的變化)，很多人第一反應(yīng)就是這種遺傳學(xué)現(xiàn)象的發(fā)生是隨機(jī)的，這種直覺式的反應(yīng)或許是源于教材。例如，高中生物學(xué)教材中的論述：“基因突變是隨機(jī)發(fā)生的、不定向的”及“基因突變的方向和環(huán)境沒有明確的因果關(guān)系”等[1]。教材中解釋突變是隨機(jī)的，是因為突變可以發(fā)生在個體不同發(fā)育時期以及基因組中的不同位置等；突變是“不定向”的論據(jù)則是基因由于突變，向不同的方向發(fā)生變化。美國分子與行為生物學(xué)家Seymour Benzer在1961年就曾提出過疑問： 可突變的基因位點是隨機(jī)分布的，還是在遺傳圖譜的某些區(qū)域不尋常的集聚或缺失[2]？

拋開“突變是隨機(jī)發(fā)生的”這一論斷先不講，教材中給出的論據(jù)不夠深入，并且把基因?qū)用娴淖兓煜秊榛虮磉_(dá)后的表型變化。“基因突變的方向和環(huán)境沒有明確的因果關(guān)系”，則忽視了學(xué)界近年關(guān)于環(huán)境因子誘導(dǎo)突變形成的研究結(jié)論。

而結(jié)合近年來的突變研究[3-5]，當(dāng)今演化生物學(xué)界普遍認(rèn)同： 突變不是隨機(jī)的，而是存在偏好性的，多種環(huán)境因子可以顯著改變突變率和突變譜(不同類別突變的頻率分布)。筆者以突變中最常見的堿基替換為例，討論教材中相關(guān)的突變知識。

1 突變不是隨機(jī)的，而是有發(fā)生模式并且可預(yù)測的

首先，介紹一下基本概念： 什么是隨機(jī)？統(tǒng)計學(xué)上的隨機(jī)可通俗地定義為： 一個事件的發(fā)生是不可預(yù)測的或者缺乏可歸納的模式。而突變的可預(yù)測性與可歸納的模式則為學(xué)界所熟知。例如，在一條DNA鏈上，由于堿基堆積力以及G∶C堿基對，對堿基錯配的高容忍性，一個堿基的兩側(cè)有無G∶C堿基對可以導(dǎo)致至近80倍的突變頻率變化(兩側(cè)存在G∶C堿基對比不存在的情況下突變率大幅升高)。類似的，甲基化堿基比非甲基化堿基的突變率有數(shù)量級的升高[6-9]，雜合位點比純合位點突變率要高[10]等，這些都是突變過程不隨機(jī)的例子。近年的自發(fā)突變研究還發(fā)現(xiàn)： 在細(xì)菌整個基因組中，突變率的高低呈波形分布，靠近復(fù)制起點處，生物的突變率最低，而在復(fù)制終止區(qū)，有較高的突變率[2， 3， 6](圖1)。造成這種波形分布的因素尚無定論，現(xiàn)在推測是由基因組不同區(qū)域超螺旋結(jié)構(gòu)的差異引起。值得一提的是，以上大部分發(fā)現(xiàn)最初在微生物中報道，隨后也在其他生物的研究中得到驗證。

圖1 大腸桿菌基因組中不同位置的堿基替換(Base-Pair Substitution,簡寫為BPS)突變率[3]注： x軸代表基因組中連續(xù)的不同區(qū)域，每一個單位(bin)代表100 kbp的DNA； 0、 46代表DNA復(fù)制起點附近，22～24之間為復(fù)制終點；曲線1代表實際的突變率，曲線2是小波轉(zhuǎn)換后的突變率(小波轉(zhuǎn)換是波形信號處理的一種方式)

生物體在不同的生長發(fā)育時期都會有突變發(fā)生，然而不同時期的突變率則有很大差異。例如，長期處在平臺期的大腸桿菌，其有害突變率要比正常生長情況下高上百倍[11]。

綜上，突變是有發(fā)生模式并且可預(yù)測的。中學(xué)教材中給出的論據(jù)“突變可以發(fā)生在個體不同發(fā)育時期以及基因組中的不同位置等”與其結(jié)論“突變是隨機(jī)的”并沒有邏輯關(guān)系。換句話說，真正“隨機(jī)”的突變指的是在不同發(fā)育時期和基因組中的不同位置沒有發(fā)生模式規(guī)律或者不可預(yù)測。

2 突變是有方向的并受環(huán)境影響

突變在單個至多個堿基尺度上是有變化方向的，這個變化是DNA水平上的，而非教材中列舉的突變造成的表型水平變化(小鼠毛色變化)。突變造成的表型變化通常不能直接用來描述突變的方向。對于堿基替換突變來說，每種堿基的突變方向?qū)?yīng)三種情況，如： A對應(yīng)A→G、 A→C、 A→T，四種堿基則共有12種堿基替換，這些不同類別的突變在一種生物中的頻率分布即該物種的突變譜。在過去十幾年間，高通量測序大大促進(jìn)了生物基因組自發(fā)突變研究，約37種生物的突變譜被完整解析出來(足夠的突變數(shù)目是解析突變譜的前提)。而在絕大多數(shù)物種中，一個物種總的突變結(jié)果要么傾向于產(chǎn)生G∶C堿基對，要么傾向于產(chǎn)生A∶T堿基對，這種傾向性也被證實與生物基因組的G/C堿基含量有很強的正相關(guān)關(guān)系，是生物基因組結(jié)構(gòu)演化的重要驅(qū)動力量[12](圖2)。

圖2 根據(jù)突變傾向性計算的G/C堿基含量與實際觀察到的基因組G/C含量正相關(guān)[12]注： 在該圖中，橫坐標(biāo)表示假設(shè)突變是影響G/C含量的唯一演化力量，根據(jù)突變傾向性(由突變譜決定的整體突變方向，是傾向于產(chǎn)生A∶T堿基對，還是G∶C堿基對)計算出的G/C堿基含量；縱坐標(biāo)表示在基因組中實際觀測到的G/C堿基含量

至于教材中“基因突變的方向和環(huán)境沒有明確的因果關(guān)系”則更需更新，因為近年環(huán)境因子誘導(dǎo)突變領(lǐng)域的諸多發(fā)現(xiàn)與此論斷不符，例如海水pH降低會減小突變率，并改變珊瑚病原菌羅尼氏弧菌的全基因組突變方向，由傾向于產(chǎn)生A/T堿基變?yōu)閮A向于產(chǎn)生G/C堿基[5]。因此，環(huán)境因素可影響突變的頻率和方向。

正如本文引言中Seymour Benzer提出的問題，早先的科學(xué)工作者并不確定基因突變到底是不是隨機(jī)的，近年來全基因組測序和生物信息工具的發(fā)展，給我們提供了大量的數(shù)據(jù)，支持基因突變并非隨機(jī)的這一論斷。