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第十二章 突变和重组机理
　　这本书里，有一章专门讨论突变，有一章专门讨论重组，此外在好多章节里提到突变和重组，可是我们还很少接触到这些过程的机理，所以在这一章里，我们要从分子水平来加以探讨。
第一节 突变的分子基础
　　Watson和Crick关于DNA的结构和复制的模型牢固地确立后，很清楚，基因突变是由于DNA分子中核苷酸顺序的改变，随而基因作用改变，最后导致个体表型的改变。我们现在认识到，至少有两种突变方式可以改变基因的信息内容。
　　①碱基替换（base substitution）一个碱基对被另一碱基对代替。
　　②移码突变（frameshift mutation）增加或减少一个或几个碱基对。
　　在第十章中已提到过，可以引起基因突变的理化因素很多。不过在诱变机理方面了解比较清楚的，还是化学诱变剂。已知有诱变作用的化学品的种类很多，而且这张单子还不断延长。我们现在就以几类不同的化学物质为例，分别说明碱基替换和移码突变的两种基因突变方式。至于物理因素诱变的机理在本章的第三节“DNA损伤的修复”中，将约略提及。
　　碱基类似物的诱发突变 一种化合物的分子结构很像天然化合物，所以在某个化学反应中取代了天然化合物。碱基类似物（base analogues）在这类化合物中是最早受到注意的，因为其中少数可以在DNA复制中代替这种或那种天然碱基，引起配对错误，从而由一碱基对代替另一不同碱基对。
　　例如5-溴尿嘧啶（5-bromouracil，BU）是一种碱基类似物，它跟胸腺嘧啶有类似的结构。把E．coli培养在含有5-溴尿嘧啶的培养液中，菌体里一部分DNA中的胸腺嘧啶便为5-溴尿嘧啶所取代。一般，DNA中含有的 5-溴尿嘧啶愈多，则群体中发生突变的细菌也愈多，而且已经发生了突变的细菌，以后在不含溴化物的培养液中多次培养，仍旧保持突变的性状。那末怎样解释这些现象呢？

　　我们知道，在正常的DNA分子中，胸腺嘧啶和腺嘌呤处在相对的位置上。5-溴尿嘧啶像所有天然碱基一样，能从一种结构转变为另一种结构。通常5-溴尿嘧啶（BU）在DNA分子中以酮式状态存在，这时它和胸腺嘧啶一样，也能与腺嘌呤配对；但由于5位上的溴的影响，5-溴尿嘧啶有时以烯醇式状态存在于DNA中，当DNA复制到这个碱基时，在它的相对位置上便将出现一个鸟嘌呤（图12-1）。而在下一次DNA复制时，鸟嘌呤又按一般情祝跟胞嘧啶配对，这样原来的A—T碱基对就转变为G—C碱基对（图12-2）。
　　因为BU的烯醇式可以跟鸟嘌呤配对，所以它有时掺入到DNA，取代胞嘧啶的位置，也可引起碱基对的改变，由G－C碱基对改变为A－T碱基对。这过程完全是上述过程的回复。因为BU的烯醇式是比较不常有的异构体，所以由G－C变为A－T要比A－T变为 G—C少得多。尽管这样，由 BU诱发的突变也可由BU来回复。

　　碱基替换时，嘌呤由嘌呤代替，嘧啶由嘧啶代替，叫做转换（transition），而嘌呤为嘧啶代替，嘧啶为嘌呤代替，叫做颠换（transversion）（图12-3）。5-溴尿嘧啶引起的碱基替换是转换。
　　另一碱基类似物——2-氨基嘌呤（2-aminopurine），对T4和E．coli等也是诱变剂，它的诱变作用也是引起碱基对的转换。

　　改变DNA化学结构的诱变剂 碱基类似物是诱变剂，因为它们取代复制中DNA的一个正常碱基；其它诱变剂，如亚硝酸，烷化剂（alkylating agents），它们的作用是改变核酸中的核苷酸化学组成，所以它们的作用跟DNA的复制无关。
　　（1）亚硝酸（HNO2）这是一种很有效的诱变剂，已知可以引起很多生物的突变，如烟草花叶病病毒，T2，T4，E．coli等。
　　已知亚硝酸有氧化脱氨作用，它使腺嘌呤（A）脱去氨基，成为次黄嘌呤（H），使胞嘧啶（C）脱去氨基，成为尿嘧啶（U）（图12-4），使鸟嘌呤脱去氨基，成为黄嘌呤。脱氨后生成的次黄嘌呤跟胞嘧啶配对，脱氨后生成的尿嘧啶跟腺嘌呤配对。在下一次DNA复制时，胞嘧啶（C）又按一般情况跟鸟嘌呤（G）配对，腺嘌呤（A）也按通常情况跟胸腺嘧啶（T）配对，这样就由原来的A－T转换为G—C，由原来的G—C转换为A—T，使DNA分子中核苷酸排列次序发生变化。但脱氨后生成的黄嘌呤不能跟其它任何碱基配对，所以这种改变可能对细胞是致死的。

　　用亚硝酸处理大肠杆菌的碱性磷酸酶缺陷株，得到能够产生这种酶的回复株。分析回复株所产生的碱性磷酸酶的氨基酸顺序，并参照遗传密码，知道亚硝酸使这个缺陷型回复为原养型的作用主要是由于A－T转换为G－C。
　　已知亚硝酸可以引起T4和E．coli的缺失，以及酵母菌的移码突变。关于移码突变留到下面再谈。
　　（2）烷化剂 烷化剂对很多生物有诱变作用，这些生物包括噬菌体，细菌，链孢霉，蚕豆和果蝇等。烷化剂包括的种类很多，其中有最早发现的化学诱变剂——芥子气，还有在工业上广泛应用的硫酸二乙酯（ethylethane sulfonate），亚硝基胍（N-methyl-N-nitro-N-nitrosoguanidine）等。烷化剂诱发突变的机理目前还不十分清楚，它可能通过几种不同途径，引起突变：①给鸟嘌呤添加甲基或乙基，使它的作用象腺嘌呤，所以可跟胸腺嘧啶配对，产生配对误差（图12-5），②使鸟嘌呤烷化，烷化的鸟嘌呤脱掉，造成脱嘌呤作用（depurination），在DNA链上留下一个缺口，影响DNA的复制，或使核苷酸顺序缩短，引起移码突变。③同一DNA分子或不同DNA分子间的两链间形成交键（cross-linkage），使一个或几个核苷酸丢失或切除。

　　烷化剂是重要的，因为它们在工业上广泛地应用，可造成环境污染。很多烷化剂不仅是有毒的，而且可以诱变和致癌，所以不小心散逸出去，会对使用者和附近群众造成危害，这是应该多多注意的。
　　结合到DNA分子上的化合物 吖啶类是很重要的一类诱变剂，因为这类药物能使在细胞内生长中的病毒出现移码突变。所谓移码突变就是由于DNA分子的某一位置上一对或二对核苷酸的缺失或插入而造成的遗传密码的移位。由于遗传密码以3个核苷酸为一组而且是连续的，所以在缺失或插入核苷酸以后的密码都成为错误密码，都将转译为不正常的氨基酸，甚而提早终止。这种突变型称为移码突变型。例如一个正常基因的密码编组是……UUU，AAA，UUU，……，当增加一个A时，就使编码顺序改变，成为……AUU， UAA， AUU， U……，这样就要引起基因突变。相反的，失去一个核苷酸对，将引起同样的遗传后果（图12-6）。

　　吖啶类诱发的突变的一个重要特征是，吖啶类化合物所诱发的突变型能用吖啶类来使之回复，但不能由碱基类似物使之回复。这是因为吖啶类引起移码突变是通过增加（+）或减少（-）一个或几个碱基对，所以由增加一个碱基对的突变型可由邻近一个碱基对的缺失而使遗传密码又回复原来读法，出现回复突变，这自然不能由碱基对替换来达成的。
　　吖啶类（例如原黄素proflavin，吖黄素acriflavin，和吖啶黄acridine yellow）是较为扁平的分子，能够结合到DNA，插入邻近碱基对间，使它们分开。吖啶类的诱变作用跟遗传重组有关，并且认为插入的吖啶分子，使DNA双链歪斜，导致遗传交换时排列出现参差，结果出现不等交换，产生的两个重组分子，一个碱基对太多，一个碱基对太少（图12-7）。

　　基因突变与氨基酸顺序 上一章已讲过，蛋白质合成时，双链DNA上的遗传信息（核苷酸顺序，有时单称碱基顺序）先传递给单链mRNA，然后以mRNA为模板，合成多肽。mRNA上的核苷酸以3个为一组，作为一个密码子，被一个特定的tRNA分子所认出，并由它把正确的氨基酸接到延伸中的多肽链上。所以DNA分子的核苷酸顺序的改变，不论是起因于碱基替换，还是起因于移码突变，都有可能使由那个基因决定的多肽的氨基酸顺序发生改变。
　　核苷酸顺序的改变起因于碱基替换时，由于改变后对多肽中氨基酸顺序的影响的不同，可以是同义的，可以是错义的，也可以是无义的。同义突变（same sense mutation）一般不易认出，虽然DNA组成变了，某一密码子不同了，但在多肽链中仍插入同一氨基酸。例如天冬氨酸由三联体GAU或GAC编码，DNA中一个碱基对的替换，使mRNA密码子由 GAU变为 GAC，仍不能认出，因为密码子GAU和GAC都为携带天冬氨酸的tRNA分子所认出，这种氨基酸将按没有发生过碱基替换时一样，插入到野生型和同义突变型的多肽链中的相应位置上（图12-8，b）。错义突变（missense mutation）时，DNA中碱基对替换，使mRNA的某一密码子改变，由它所编码的氨基酸不同。那就是说，改变了的密码子为完全不同的另一tRNA所认出。例如DNA中碱基对T—A被G—C代替，使mRNA中编码色氨酸的三联体 UGG改变为GGG，而 GGG是甘氨酸的密码子，因而被带有甘氨酸的tRNA所认出，这样就出现错义突变。因为多肽链中氨基酸顺序决定它的二级，三级和四级结构，很多错义突变（不过决不是全部）造成蛋白质的部分或完全失活，从而表现出突变性状来（图12-8，b）。
　　碱基替换改变了 mRNA上的一个密码子，成为3个密码子UAG，UAA和UGA的一个时，这样就出现无义突变（nonsensemutation）。如无义突变出现在基因中间，转译进行到无义密码子，肽链的延长停止，只能产生没有活性的多肽片段（图12-8，c）。
　　核苷酸顺序的改变起因于移码突变时，DNA分子中添加或减少一个（或几个）碱基对，它们的效应是使密码编组改变，从添加或减少一个碱基对的那个密码子开始，一直到信息的末尾都出现误读，产生的多肽可能会有错乱的氨基酸顺序；或者在误读中出现无义密码子，多肽延伸提早停止，只形成无活性的多肽片段（图12-8，d）。这些突变自然会使合成的酶或蛋白质的活性降低，或完全失活，结果突变体不能存在，或显示出突变性状来。

　　编码顺序改变与血红蛋白病 上面已简单地说明碱基替换或碱基增减可能是突变的原因，我们现在以血红蛋白病为例，说明这是由于血红蛋白基因中DNA碱基发生变化，引起mRNA中碱基的相应更改，从而导致血红蛋白分子中珠蛋白的结构发生变异。
　　（1）碱基替换 人类中有一种血红蛋白病，叫做镰形细胞贫血症。这病主要发生在非洲，但现在知道我国新疆地区也有发生。这是由一对突变基因Hbs控制的，我们在第四章中已谈到过，纯合体HbsHbs的人的红细胞在缺氧时，都成为镰刀形，他们的红细胞中有一种不正常的血红蛋白，叫做血红蛋白S（HbS）。杂合体HbA Hbs的人的红细胞在缺氧时，一部分成为镰刀形，他们的红细胞中有40％左右的异常血红蛋白HbS，还有60％左右是正常的成人血红蛋白（HbA）。而正常人的红细胞不会呈镰刀形，红细胞中的蛋白质都是正常的，都是HbA。

　　HbA和HbS在电泳中迁移率不同，所以不同基因型的人（HbAHbA，HbAHbs，HbsHbs）可以通过电泳来鉴定（图12-9）。HbS是最早发现的异常血红蛋白，以后由于实验技术的进展，新的异常血红蛋白不断被发现，如 Hb Siriraj，Hb Luhe等，现在报道的异常血红蛋白已达数百种之多，而且还在继续增加中。
　　分析 HbA， HbS，Hb Siriraj和 Hb Luhe的氨基酸组成，发现这些血红蛋白β链上有一个氨基酸不同。现在把β链氨基端开始算这起的几个有关氨基酸列出来，看哪个氨基酸被替换了（表12-1）。

　　上表表明，从N端算起，在β链的第6位上，HbA含有的氨基酸是谷氨酸，HbS含有的氨基酸是缬氨酸等，可见只要有一个氨基酸的替换，就可使血红蛋白的性质改变，能够引起溶血性贫血这样严重的疾病。
　　（2）终止密码子突变 终止密码子（UAA，UGA，UAG）的一个碱基被取代，使突变后的密码子能编码某一氨基酸。这实际上也是碱基替换的一种，只不过替换的碱基是终止密码子中的碱基而已。
　　因为Hbα链有141个氨基酸，β链有146个氨基酸，所以α链的终止密码子在142位，β链的终止密码子在147位。当终止密码子发生突变时，肽链合成将向C端延伸，直到另一终止密码子为止。例如 Hb Constant Spring，α链142位的UAA变为CAA，终止密码子变为谷氨酰胺，肽链一直延伸到173位另一终止密码子为止，所以Hb Constant Spring的α链有172个氨基酸（图 12－10）。反之，也有正常终止密码子前的某个碱基发生突变，成为新的终止密码子，因而使肽链缩短。例如Hb McKees-Rock的β链只有144个氨基酸，这是由于β链145位的密码子UAU变为UAA，成为另一终止密码子，所以肽链合成到144位氨基酸时提前终止，使β链C端少了2个氨基酸。
　　（3）移码突变如果在正常密码子中插入或缺失1—2个碱基，那么其后面的碱基便依次推后或移前，结果三联体密码子的碱基成分便发生变化，由此决定的氨基酸也发生改变，而且肽链的合成也将不在原来的位置终止，而在移码后出现的新的终止密码子处终止，以致合成的肽链延长或缩短。例如Hb Wayne是α链138位 UCC缺失一个 C，使α链的合成不在原来应该终止的地方停止，而一直到146位合成精氨酸后才行终止，从而使α链延长（图12－10）。

　　上述镰刀形细胞贫血的出现以及其它血红蛋白病（hemoglo－binpathies）的产生不论是由于碱基替换，还是起因于碱基的增减，都清楚地表明，血红蛋白基因DNA的碱基的改变，引起mRNA碱基顺序的改变，从而导致血红蛋白中珠蛋白氨基酸排列的改变。
　　在这一节结束的时候还要再说明一点：因为是α珠蛋白基因决定α肽链，β珠蛋白基因决定β肽键，都不是决定整个血红蛋白，而仅仅编码其中一种多肽，所以我们应该把—基因—酶说，改为“—基因—多肽说”（one gene-one polypeptide theory），这样更为恰当些。
第二节 重组的分子基础
　　重组或交换是遗传学的基本现象。一方面，它是遗传分析的主要手段，在遗传学研究上广泛地应用着它；另一方面，动植物育种工作者应用遗传重组，把最需要的基因组合到一个基因型中，培育出优良的品种。在自然界中，遗传重组形成各种基因组合，通过自然选择，把能产生有利性状的基因组合选留下来，使生物不断地向前发展。
　　虽然重组是这样的重要，而且进行了详尽的研究，可是重组仍然是知道得很少的遗传学现象之一。现在我们先评介有关基因重组的两个学说，然后再从分子水平对重组现象加以阐述。
　　基因重组的可能机理 关于基因重组的假设很多，但有两个模型受到广泛的注意，一个是断裂愈合模型（breakage joiningmodel），另一个是模写选择模型（copy-choice model）。
　　（1）染色体断裂愈合模型这个模型是Darlington（1937）提出来的。他观察到，第一次减数分裂前期时，一对同源染色体相互吸引，进行联合，而当每一染色体分成两个单体时，两对染色单体又互相排斥。他根据这些现象，提出设想，认为在联会时，两同源染色体互相缠绕，形成相关螺旋（relational coiling），这时染色体内扭力和染色体间扭力保持平衡；但当染色体分成染色单体时，同源染色体间的引力被斥力代替，这时平衡受到破坏，只有当两个非姊妹染色单体在同一点上同时断裂时，平衡才得以恢复。染色单体断裂后，断裂端环绕未断裂的单体旋转，螺旋部分松开，在这过程中，一个单体的断裂端跟另一非姊妹单体的相应断裂端接触，互相愈合，形成重组的染色单体（图12－11）。根据这个断裂愈合模型，重组始终是交互的，而且每发生一次断裂愈合后，在所形成的4个染色单体中，必然两个是亲代类型，两个是重组类型。

　　Darlington的模型能说明某些观察到的事实，但是我们即将谈到，重组并非始终是交互的，在一个减数分裂的4个产物中，不一定总是2∶2分离的，所以这个模型是不完全的。
　　（2）模写选择模型 这一模型是Belling（1931）提出来的，以后为了说明细菌的重组，又受到了重视。这个模型认为，重组是复制的直接结果。复制时以每一亲本染色体为模板，形成一条子染色体。在复制过程中，子染色体可以调换模板，本来是以某一亲本染色体为模板，可以转而以另一亲本染色体为模板，所以形成的子染色体一部分以父本染色体为模板，一部分以母本染色体为模板。一次减数分裂结果，产生的4个染色体中，两个是重组类型染色体，两个是亲代类型染色体（图12-12）。

　　这个模型虽能说明细菌和病毒的重组现象，但是这个模型也是不完全的。因为根据这个模型，每对姊妹染色单体中，只有一条染色单体可以参与交换，而另外一条染色单体应该保持亲本原型；而我们从真菌的四分子分析知道，三线或四线双交换是正规地发生的。还有这个模型需要DNA的保留复制，而我们已清楚地知道，DNA是半保留复制的。如果每一染色单体相当于一个DNA分子的话，那末这个模型要求重组染色体全是新DNA，而亲型染色体全是旧DNA，这显然又跟事实不相符合的。
　　关于重组现象，我们从四分子分析了解得最清楚，最正确，因为每一减数分裂的产物可以分离出来，加以分析。从这些分析知道，虽然重组是一个非常正确的过程，但有时也会出现不规则情况，产生异常分离（abnormal segregations），所以任何重组模型不仅必须说明正常的重组过程，还必须考虑到这些不规则现象，因此我们在讨论重组的分子基础以前，先说明一下重组模型应当兼顾到的基因转变现象。
　　基因转变 重组通常总是交互的。例如在一个杂合体中，如果一染色体把基因A交给它的同源染色体，则它的同源染色体必定把基因a回过来交给它，所以在真菌中，一个座位上的两等位基因分离时，应该呈现2∶2分离。可是Lindegren在面包酵母（Saccharomyces cerevisiae）中发现，有的子囊含有（3A+1a）或（1A＋3a）的子囊孢子，而不是预期的（2A＋2a）。以后Mitchell在链孢霉中，也发现这个现象，他注意到这个问题的重要意义，并进行了详细的分析。
　　Mitchell的杂交试验中，所用的基因是关于吡哆醇（pyridoxi-ne，维生素B16）的合成。在一个位点上，有一突变基因，有这基因的突变株要在培养基上添加吡哆醇后才能生长，但对酸度（pH）是敏感的，改变酸度后，就不要添加了。这突变基因称作pdxp。在一邻近的位点上，也有一突变基因，也是吡哆醇需要型突变，但对酸度是不敏感的。这突变基因称作pdx。这两突变位点非常接近，有迹象表明，它们可能属于同一顺反子。

　　在一个实验中，Mitchell把两个吡哆醇突变株杂交，+pdxp×pdx＋，取得子囊后，对585个子囊中的孢子依次解剖出来，进行培养和鉴定。他发现4个子囊中，有野生型的孢子对（sporepairs），好象这两位点间有了重组（表12-2）；可是跟预期相反，重组后应该同时出现的双突变型（pdx pdxp）孢子对却没有发现（图12－13），尽管分析方法是灵敏的，如果有双突变型的话，是能够检出的。还有这些情况也不能用突变来说明，因为它们的频率比这些位点的正常突变率高得很多。
　　上面这些不寻常的情况，好象是由于一个基因转变为另一等位基因，所以称为基因转变（gene conversion）。例如图12－13中，pdxp转变为pdxp+（或+）。基因转变往往伴有转换区外基因的重组，但区外基因的重组是正常的交互方式，所以虽然pdxp位点出现异常的3∶1（或6∶2）分离，但邻接的pdx位点仍显示正常的2∶2分离。

　　基因转变也在粪生粪壳菌（Sordaria fimicola）中发现。Olive等广泛地研究g座位，在这个座位中，g-决定子囊孢子的灰色，而g+决定子囊孢子的黑色。在g+×g-杂交中，他们分析了200， 000子囊，发现有0.06％是5∶3分离，0.05％是6∶2分离，还有0.008％是3∶1∶1∶3或异常的4∶4分离（图12-14）。在异常的4∶4子囊中，虽然也是有4个g+和4个g-，但是排列方式特殊，一个孢子对中的两个孢子有着不同的基因型，而我们知道，每一孢子对都是一次有丝分裂的产物，它们应有同一的基因型。此外，在粪生粪壳菌中，虽然g／+这对等位基因表现不寻常的分离，但是邻近的基困A／a都呈现正常的分离（图12－15），象链孢霉的情况一样。

　　在6∶2（或2∶6）子囊，减数分裂的4个产物中，有一个产物发生基因转变，所以是染色单体转变（chromatid conversion）；而在5∶3（或3∶5）或3∶1∶1∶3的子囊，减数分裂的4个产物中，有一个或两个产物的一半出现基因转变，所以是半染色单体转变（half-chromatid conversion）（图12-14）。如果我们接受一个染色单体相当于一个DNA分子，那末我们可以这样说，转变可以影响一个DNA分子的双链，也可仅仅影响其中的一条链。
　　因为5∶3和3∶1∶1∶3的分离中，基因转变只影响半染色单体，所以分离一定发生在减数分裂后的有丝分裂中，所以叫做减数后分离（post-meioticsegregation）。
　　粪生粪壳菌的基因转变资料还有两个值得注意的特点：
　　①显示5∶3和6∶2分离的子囊中，大约有30％也在g座位的这边或那边发生重组；②有基因转变的子囊中，基因转变和遗传重组都发生在同样两个单体的子囊比例竟高达90％（见图12-15），换句话说，基因转变跟遗传重组是有关的。
　　基因转变也在子囊菌Ascobolus immersus和果蝇中发现。如果有合适的检出方法的话，也有可能在其它生物中观察到。
　　遗传重组的分子基础 断裂愈合学说认为，遗传重组时，两染色单体在相应的点上断裂，然后以新的组合连接起来。如果染色单体不是在相应的点上断裂和愈合，那末形成的染色体将有重复和缺失，这种情况自然是很少看到的。从分子水平来说，这个学说要求两DNA分子在同一的碱基对间断裂，然后互相以新的组合连接起来。
　　但是四分子分析的结果，使我们对重组现象有了进一步的认识。重组不仅有正常的交互方式，而且偶而也有不规则的非交互方式，就是所谓基因转变。基因转变往往跟正常互换有关，两者有相当多的机会影响到相同的两条非姊妹单体。还有，有的子囊可以显示减数后分离，表明重组可以影响染色单体，也可影响半染色单体。
　　为了能够说明上面这些事实，一些学者提出不同的重组模型，其中Holliday提出的一个重组模型受到多数学者的支持，以后又经过一些作者和Holliday本人的修改。这个模型叫做异源或杂种DNA模型（heteroduplex or hybrid DNA model），适用于原核类和真核类。根据这个模型（图12-16），重组过程是这样的：

　　一对同源染色体有4个染色单体，每一染色单体是一条DNA双链，所以有4条DNA双链。在晚偶线期和早粗线期染色体配对时，两同源DNA分子（染色单体）配合在一起，核酸内切酶识别DNA分子上的相应断裂点（breakage point），在断裂点的地方把磷酸二酯键切断，使两个非姊妹DNA分子各有一条链断裂。两断链从断裂点脱开，螺旋局部放松，然后在连接酶的作用下，断裂以交替方式跟另一断裂点相互联结，形成一个交联桥（cross-bridge），这结构又称Hoiliday中间体（Holliday intermediate）。这交联桥不是静态的，可向左右移动，移动后留下较大片段的异源双链。随后这交联桥的两臂环绕另外两臂旋转成为十字形，并在交联部分断开，消除交联体，恢复为两个线性 DNA分子。断开方向或沿东西铀进行，或沿南北方向进行。如沿东西方向切断，则产生的两个异源双链的两侧基因为AB和ab，仍保持亲代类型，如沿南北方向切割，则两侧基因为Ab和aB，产生两个重组类型。但不论是那种情况，在两个异源双链中，在 A与 B两座位间都有一 DNA区段是异源双链，也就是说，有关两核苷酸区段分别来自不同的亲本。
　　因为异源双链有关两核苷酸链分别来自不同亲本，所以如用于杂交的两亲本为g+×g-，两者有一对碱基之差：

　　则异源双链DNA区域应为

　　带有的不相称碱基对（mismatch base pair）是G／A，那么这样异源双链的不相称部分如何修补，造成的结果如何呢？
　　异源DNA是不稳定的，不配对的核苷酸在DNA分子中造成歪斜，不配对的一小段由核酸外切酶（exonuclease）切除，留下单链的缺口。然后在DNA多聚酶的作用下，合成具有互补碱基的区段，填补缺口，再由连接酶的作用，把新合成的短链以共价键联络上去，成为连续的核苷酸链，完成修复过程。
　　但是在修复时，由于切除的不配对碱基区段的不同，可以有两种方式（图12－17）。例如不相称的碱基对G—A的修复，由于切去的区段的不同，或者在染色单体中形成一个野生型基因（+），或者在染色单体中形成一个突变型基因（g）。

　　如果不相称的核苷酸没有得到校正，杂种DNA（杂种染色单体）留到下一次复制时，将产生两个不同的子染色单体（daughterchromatids），这样就出现半染色单体转变（half-chromatid con-version），一个孢子对中的两个孢子不同（图12－18）。

　　这个杂种DNA模型清楚地说明，重组是一个酶促过程，不仅DNA多聚酶是合成新的互补链所必需的，而且核酸内切酶，外切酶和连接酶等也是 DNA链的切割，断链的切除和断链的愈合所必需的。
　　这个模型说明了遗传重组的过程，同时也解释了基因转变的现象，有一定的实验证据，是比较完善的模型。但是随着科学研究的进展，这个模型将会有或多或少的修改，甚而重新建立。那也是可能的。
第三节 转座遗传因子
　　细胞中能改变自身位置的一段DNA顺序，叫做转座遗传因子（transposable genetic element），或简称转座因子。
　　玉米的控制系统在40到50年代中，McClintock发现，玉米籽粒的颜色很不稳定，有时籽粒出现斑点，当时她提出一种全新的观点来说明这种现象。她认为遗传因子可以移动，从染色体的一个位置跳到另一位置，从一个染色体跳到另一染色体。这种能自发转移的遗传因子，现在通称转座因子。不过因为玉米中发现的转座因子除了具有转座的特性以外，还具有调节其他基因的作用，所以McClintock 称之为控制因子（Controlling elements）。
　　玉米的控制因子可以在基因组内移动，其中有一个叫做解离因子（Ds，dissociation），它的存在可使染色体在近旁断裂的机会大大增加，并因此改变邻近基因的表型效应。解离因子Ds经常变动在染色体上的位置，影响邻近基因的作用。例如当Ds基因插入到色素基因C的近旁或中间时，玉米籽粒不能形成色素，但当Ds离开C基因后， C基因所受到的抑制作用即被解除，玉米籽粒又出现色素。
　　Ds的改变又受另一控制因子——激活因子（Ac，activator）的影响。Ac可位于基因组中任何其他地方。Ac的存在可以解除Ds对C的抑制作用，从而使色素基因C得以表达。所以在胚乳发育期间，由于Ac的作用，Ds转座而离开色素基因C时，玉米籽粒便出现色素斑点。有时激活因子Ac丢失，遂使解离因子Ds趋向稳定，从而色素基因C的表达被部分或完全抑制，玉米胚乳就呈现浅色甚而无色。因为Ds和Ac这两控制因子频频地转移位置，所以在玉米籽粒上显示出散在的斑斑小点（图12－19）。

　　原核生物中的转座因子 McClintock在50年以前就提出遗传因子可以转座的概念，这是超越时代的，当时遗传学家都报以怀疑的眼光。直到60年代初期，才在E．coli中发现了转座因子，以后陆续在酵母菌、果蝇以及哺乳动物中发现有转座因子的存在，同时对玉米的转座因子的分子机理也有了进一步的认识。现在为便于在分子水平上阐明转座的机理，想以细菌的转座因子为例来加以叙述。
　　约在50年以前，日本东京有一次痢疾流行。从患者排泄物分离到的痢疾菌（Shigella dysenteriae）竟同时具有多重耐性，对青霉素、四环素、链霉素、氯霉素和磺胺等都有抗性，而且这些抗性能以紧密连锁方式一起遗传，甚而还可传递给其它肠道菌。这种现象很快引起遗传学家的注意，他们发现带有这些抗性的载体是一种质粒，很像E．coli中的F因子，也是一种能独立复制的环状DNA分子。因为这种质粒能够传递抗性基因，所以称为R质粒（R代表 resistance）。

　　把R质粒的环状双链DNA分子加温变性，然后慢慢复性，在电镜下观察，发现复性后的质粒是哑铃状：两端各有一个单链环，一大一小；中间是一条双链的柄，由两个颠倒重复顺序（invertedrepeat（IR）sequences）形成。以后研究发现，这两个IR事实上是一对插入顺序（insertion sequences，IS）（图12－20）。因此整个质粒可以分为两部分：一部分是两个IR顺序以及其间带有的若干基因，如抗性基因等，这部分合起来称为转座子（transposon，Tn）；而质粒的其余部分带有抗性转移功能基因（resistance-trans-fer functional（RTF） genes），所以称为RTF区，如图12-21所示。

　　转座机理 细菌基因组内存在有十几种不同的IS，各具有特定的碱基顺序，其大小因IS而异，最小的为 60bp，最大的可达1400bp。它们可出现在基因组的不同位置，并且可以从一个位置转移到另一位置，但转移频率一般不高。他们整合的部位并不具有严格的特定顺序，但某些位置往往比另一些位置易于插入。因为Tn的两端有IS，中间往往带有抗性基因等，所以IS比Tn短。IS带有编码转座酶（transposase）的顺序，因为这是插入过程所必不可少的。IS或Tn的插入常使插入区的基因失活，因为正常的转录和（或）转译受到阻碍，例如上述玉米色素基因由于转座因子Ds的插入而失活就是这个道理。但偶而也可由于插入而激活有关基因的转录，因为Tn也可能带有它们自身DNA转录所必需的启动子顺序。
　　IS和Tn从一个位置转座到另一位置时，原来位置上的这些结构往往依然存在。这就是说，转座因子的转移并不是先从一个位置切除，然后通过细胞质转移到另一位置，而是复制一份，把一份转移到新位置，而将另一份留在原来位置上。因此可以想象，一个基因组的DNA量可以由于转座因子的获得或丢失而相继发生变化，从而使人们意识到，一种生物基因组的大小或基因数目的多少并不是一成不变的。
　　IS或Tn整合到一个新的靶部位（target site）时，在插入的两侧出现少数核苷酸的重复。例如插入顺序的一种——IS1——插入到大肠杆菌lacI基因时，在插入因子的两端造成9个核苷酸对的重复（图12-22）。转座因子插入后造成的重复碱基对数有多有少，因不同IS或Tn而异，一般是4—9对，最常见的是5对。
　　各类生物中的转座因子 转座因子在各类生物中的分布可能比我们想象的要广泛（表12－3）。我们知道，逆转录病毒是单链RNA，它可以通过双链DNA中间体进行复制。某些逆转录病毒，如小鼠乳房肿瘤病毒（mouse mammary tumor virus，MMTV），Rous肉瘤病毒（Rous sarcoma virus，RSV）等可导致肿瘤形成。当逆转录病毒以双链DNA形式整合到宿主染色体后，成为前病毒（provirus）。前病毒也可看作是转座因子，因为它们也可从一个位置转座到另一位置。事实上逆转录病毒在结构上有些地方像转座因子，特别是因为前病毒两端各有一长末端重复顺序（long ter-minal repeats LTR）。还有逆转录病毒整合以后，也使宿主染色体有一短段靶 DNA顺序重复。例如在MMTV的例子中，整合后的前病毒每侧有6个碱基顺序重复。在这儿应该顺便提一句，鉴于人类基因组中也发现有某些DNA顺序跟逆转录病毒的致癌基因（retroviral oncogenes）同源，所以看来人类基因组中很可能也存在着转座因子。

第四节 DNA损伤的修复
　　过去曾经认为，DNA受到损害，或含有不相称的碱基对时，细胞就不能分裂，或产生突变型子细胞。可是近年来研究表明，事实并不是这样。细胞有时能够修复它的DNA的变异，因为受损害的遗传信息可以从未受伤的互补链获得。
　　紫外线照射对DNA的损伤 紫外线（ultraviolet light，UV）是一种有效的杀菌剂。用紫外线照射细菌，并把细菌培养在黑暗中，那末细菌被杀死的数目与照射剂量成正比。如果细菌接触可见光，大部分细菌就能活下来，这是光能修复辐射引起的损伤的证据。
　　紫外线主要作用在DNA上，因为用波长260nm的紫外线照射细菌时，杀菌率和诱变率都最强，而这个波长正是DNA的吸收峰。紫外线照射后，对DNA发生了什么影响呢？分析紫外线照射后的DNA，发现有几个变化，其中最明显的变化是，同一链上的两个邻接嘧啶核苷酸的共价联结，形成嘧啶二聚体。嘧啶二聚体中，最常见的是胸腺嘧啶二聚体（thymine dimer，TT）（图12-23），此外还有胞嘧啶二聚体（CC）以及胸腺嘧啶和胞嘧啶二聚体（CT）。
　　这些嘧啶二聚体使双螺旋的两链间的键减弱，使DNA结构局部变形，严重影响照射后DNA的复制和转录。含有嘧啶二聚体的DNA链，使它不能作为DNA复制的样板，新合成的链在二聚体的对面和两旁留下了缺口。
　　紫外线引起的DNA损伤的修复，大致上通过3个途径：（1）在损伤部位就地修复－—光复活（photoreactivation）；（2）取代损伤部位——暗修复或切除修复（excision repair）；（3）越过损伤部位而进行修复——重组修复（recombination repair）。

　　光复活 细菌经紫外线照射后，再放在波长310～440nm的可见光下，存活率大大提高，并且降低了突变频率。这是什么原因呢？后来发现这个效应是一种光复活酶（photoreacting enzyme）的作用。在暗处，光复活酶能认出紫外线照射所形成的嘧啶二聚体，如TT，并和它结合，形成酶和DNA的复合物，但不能解开二聚体。但照以可见光时，这酶利用可见光提供的能量，使二聚体解开成为单体，然后酶从复合物中释放出来，修复过程完成（图12-24）。
　　光复活酶已在许多生物体内发现，包括细菌、酵母菌、原生动物、藻类、真菌、蛙、鸟类，哺乳动物中的有袋类以及人类和其他哺乳类的淋巴细胞和成纤维细胞等。这种修复功能虽然普遍存在，但主要是低等生物的一种修复形式，随着生物进化地位的上升，它所起的作用随之削弱。

　　暗复活 暗复活过程具有更重要的意义，它并不表示修复过程只在黑暗中进行，而只是说，光不起任何作用。这种修复过程不是简单地由另一种酶来拆开二聚体，而是利用双链DNA中一段完整的互补链，去恢复损伤链所丧失的信息；就是把含有二聚体的DNA片段切除，然后通过新的核苷酸链的再合成进行修补，所以又叫做切除修复。切除修复有两种情况，一是先补后切，一是先切后补。一般认为先补后切比较合理（图12-25）。切除修复不仅能除去嘧啶二聚体，而且还可以除去DNA上其它的损害。

　　人的色素性干皮症（xeroderma Pigmentosum）是由常染色体隐性基因决定的。隐性纯合体对阳光极度敏感，皮肤癌的发病率大大增加。患者的皮肤成纤维细胞在DNA受伤后，缺乏修复能力。这类皮肤癌可能是体细胞突变的结果，而色素性干皮症患者又很容易得这类病，表明DNA修复系统在保护我们不受环境中诱变和致癌物质的作用方面是很重要的。
　　重组修复 重组和修复有几个共同的地方：①都需要核酸内切酶的存在，用来切断DNA双链中的一条链；②都需要核酸外切酶的参与，把DNA的片段切除；③都需要DNA多聚酶的催化，合成单链DNA片段，弥补DNA链上的缺口；④都需要连接酶的作用，把新链和旧链以共价键连接起来。因为DNA的重组和修复关系密切，所以DNA分子的损伤很有可能通过DNA分子间的重组来修复，这就是所谓重组修