# 基因突变

> 生物学 · CIE A-Level
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u6-gene-mutations/

本模块讲解基因突变的定义、类型、影响、成因，以及其在遗传变异中的作用。你将学习如何针对CIE A-Level考试预测不同突变如何改变多肽的结构和功能。

**先修:** [DNA结构与遗传密码](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u6-dna-structure-genetic-code/); [转录与翻译](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u6-transcription-translation/)

## 学习目标

- 定义基因突变，并将其与染色体突变区分开
- 根据对DNA的影响对不同类型的基因突变进行分类
- 预测不同突变对多肽结构和功能的影响
- 解释基因突变的原因和进化意义

## 什么是基因突变？

**基因突变** — 发生在DNA复制过程中，对基因的核苷酸碱基序列的永久性改变，会改变该基因携带的遗传信息。

*例:* 人类*CFTR*基因的突变会导致遗传性疾病囊性纤维化。

基因突变是仅影响单个基因的小规模突变，这一点区别于会改变大片段染色体或整条染色体数目的染色体突变。

**例题:** 复制错误在DNA中形成了错配碱基对，这是否总能被归类为基因突变？

1. 记住基因突变的定义要求DNA碱基序列发生永久性改变。
2. 如果DNA校对和修复酶纠正了错配碱基，就不会发生永久性改变。
3. 如果错误未被纠正，错配碱基会在下一轮复制后成为DNA序列中的永久性改变，只有这种情况才属于基因突变。

## 基因突变的类型

所有基因突变都会改变DNA中核苷酸碱基的数量或排列顺序，最常见的三种类型是碱基替换、碱基插入和碱基缺失。

**碱基替换** — 一种点突变，其中一个核苷酸碱基被另一个不同的碱基替换，仅会改变mRNA上的一个密码子。

**例题:** 原始DNA模板序列：3' TAC GTA GCA TGA 5'。一次替换将第6个碱基由T变为A，对氨基酸序列有什么影响？

1. 原始mRNA序列（与模板DNA互补）：5' AUG CAU CGU ACU 3'
2. 根据标准遗传密码，原始氨基酸序列为：Met - His - Arg - Thr
3. 模板的第6个碱基属于第二个密码子，新的模板序列为：3' TAC GTA ACA TGA 5'，因此新的mRNA第二个密码子为UGU。
4. 新氨基酸序列：Met - His - Cys - Thr。正如碱基替换的预期，只有第二个氨基酸发生改变。

碱基插入是向序列中添加一个或多个额外核苷酸，碱基缺失则是移除一个或多个核苷酸。如果添加或移除的碱基数目不是3的倍数，就会发生移码。

**移码突变** — 突变位点后所有密码子的三联体阅读框发生移位，会改变多肽中突变位点后的每一个氨基酸。

## 基因突变对多肽的影响

- **沉默突变**：由于遗传密码的简并性，突变不会改变氨基酸序列。
- **错义突变**：突变将一个氨基酸变为另一个不同的氨基酸。
- **无义突变**：突变将编码氨基酸的密码子变为提前终止密码子。
- **移码突变**：几乎所有移码突变都会产生完全无功能的多肽。

**例题:** 一次碱基替换将DNA模板密码子CAG（编码缬氨酸）变为ATC，这属于什么类型的突变，对多肽有什么影响？

1. mRNA密码子与DNA模板链互补，原始DNA CAG → mRNA GUC，编码缬氨酸。
2. 突变后DNA ATC → 互补mRNA密码子为UAG，这是遗传密码中的三个终止密码子之一。
3. 由于一个编码氨基酸的密码子被变为终止密码子，这是无义突变。
4. 翻译会提前终止，产生截短（缩短）的多肽，几乎总是无功能的。

> **tip**
>
> 即使只有一个氨基酸发生改变，如果改变发生在酶的活性位点或结构蛋白的关键结合区域，也会完全破坏蛋白质功能。

## 突变的成因与意义

突变可在DNA复制过程中自发发生，自然频率很低，也可被称为诱变剂的外部因子诱导产生。

**诱变剂** — 可将突变频率提高到自发基线水平以上的物理、化学或生物因子。

*例:* 电离辐射（X射线、紫外线）、苯、芥子气和部分病毒都是常见的诱变剂。

**例题:** 一名学生认为所有突变都是有害的，请评价这个观点。

1. 大多数随机突变确实会对蛋白质功能产生负面影响，因此很多突变是有害的。
2. 一些突变是沉默的，即不会改变氨基酸序列，因此没有影响（中性）。
3. 罕见的突变可以产生新的等位基因，给生物带来选择优势，例如细菌中产生抗生素抗性的突变，或人类中产生疾病抗性的突变。
4. 突变是进化所需遗传变异的最终来源，因此所有突变都是有害的这个说法是错误的。

## 常见错误

- **错误做法:** 将基因突变与染色体突变混淆
  - 原因: 基因突变是单个基因碱基序列的小规模改变，而染色体突变会改变整条染色体或大片段染色体
  - 正确做法: 记住题目明确要求的是'基因突变'，因此答题时只描述小规模的碱基改变即可
- **错误做法:** 认为所有碱基替换都会改变氨基酸序列
  - 原因: 遗传密码是简并的，多个密码子可编码同一个氨基酸，因此部分替换是沉默的
  - 正确做法: 在描述突变影响前，务必检查新密码子是否编码相同氨基酸
- **错误做法:** 认为所有插入/缺失都会导致移码突变
  - 原因: 如果添加/移除的碱基数目是3的倍数，阅读框会保持完整
  - 正确做法: 只有当插入/缺失的碱基数目不能被3整除时，才会发生移码
- **错误做法:** 认为突变只有接触诱变剂才会发生
  - 原因: 即使没有诱变剂，突变也会在DNA复制过程中以低频率自发发生
  - 正确做法: 诱变剂只会提高自发突变的频率，并非所有突变都由诱变剂引起

## 速查表

| 突变类型 | 描述 | 对多肽的影响 |
| --- | --- | --- |
| 碱基替换 | 一个碱基替换另一个碱基 | 沉默、错义或无义；仅改变一个密码子 |
| 碱基插入 | 向序列中添加1个或多个碱基 | 若数目不是3的倍数则发生移码；改变下游所有密码子 |
| 碱基缺失 | 从序列中移除1个或多个碱基 | 若数目不是3的倍数则发生移码；改变下游所有密码子 |
| 无义突变 | 产生提前终止密码子 | 截短的多肽，通常无功能 |
| 移码突变 | 改变整个阅读框 | 几乎总是产生无功能蛋白质 |

## 下一步

基因突变是CIE A-Level生物学所有遗传学主题的基础概念。它们是新等位基因的来源，驱动遗传变异和进化，还会导致许多遗传性疾病。该考点在选择题和结构化论述题中都频繁考查，常见命题要求你比较突变类型或预测其影响。掌握这个子主题可为你备考遗传、选择和基因工程等高阶主题做好准备，这些内容占考试分值的很大比例。

- [植物体内的物质运输](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u7-overview/)
- [植物输导组织](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u7-plant-transport-tissues/)
- [水分吸收与运输](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u7-water-uptake-and-movement/)

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