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http://vschool.scu.edu.tw/biology/content/genetics/ge072.htm

http://vschool.scu.edu.tw/biology/content/genetics/ge073.htm

討論分享聯結:土狗會基因變異?看好論文喔!外來DNA插入!

生物學還是專家來說,我不敢置喙!真輸賣狗這票人的天才說法!

賣的不好.也要翻好資料再出來騙/?

在一生物族群中，每一個個體的基因組成多不相同，就算是同一性狀，也可以數種不同的表型。這些

不同的表型就是來自於基因的變異。基因發生變異的原因很多，有些變異是自然發生的，有些變異是

因為環境的因子所誘導的，下面將先介紹基因變異的種類與造成基因變異的機制，第二部分將會介紹

當一基因發生變異時，變異的部分對於基因的表現與表型的產生發生何種的影響。

基因變異的種類與基因變異的起源

基因變異的種類，依據現在分子層面的瞭解可分成下列數種：

1.基因中單一核苷酸序列的變異

2.改變基因中小片段重複序列的拷貝數目

3.一基因內插入一大段外來的DNA片段

這些變異的起源個個不同，當然變異所造成的影響也各不相同，下面就將對每一個不同的變異，其起

源、分子層面的分析解構、與變異產生的機制作一說明。

基因中單一核苷酸序列的變異

基因中單一核苷酸序列的變異又稱為點突變（point mutation）。這種突變或是基因的變異相當於生

物體內用DNA核苷酸序列所書寫的基因書中某一句話中的某單一字中的單一字母的改變。這種單一核苷

酸的改變又可分成三種，一是由一種鹼基對變成另一種鹼基對，或是多插入了一對鹼基對，或是一正

常的鹼基對被移除了。

由於單一鹼基對的變化，一般的結果是造成基因產物性能的下降，只有極少的部分，此種類型的變異

會對基因產物的功能具有提升的效果。

基因中單一核苷酸序列變異的來源

一般基因的變異可依其來源可以分成兩種，一是由誘發所產生的基因變異，另一種為自發的變異。誘

導所發生的基因變異一般是人為的、有目的的由環境中的致突變劑所誘發產生的。自發性的基因變異

則是在無致突變劑的存在下自然發生的變異；這種變異在以人為誘導變異的實驗中往往被視為基因變

異的背景值。其實自發性的基因變異才是現在在生物族群中觀察到的基因變異的來源，也就是說他們

才是生物演化的主角。一般自發性的基因變異發生的頻率很低，平均而言，一個細胞發生的頻率為10^-

⁵至10^-8。那麼這種自發性的基因變異的起源又為何呢？

自發性基因變異的發生機制

造成自發性基因變異的機制有下列兩種種，包括：自發性的缺失與DNA複製的錯誤。

1.     自發性的缺失

  自發性的缺失是指自然發生的損壞。最常見的三種損壞就是的嘌呤丟失作用（depurination）、去

  胺基作用（deamination）、與鹼基的氧化作用所造成的DNA損壞。

嘌呤丟失作用

嘌呤丟失作用與其他兩種損壞機制相比為一種較常見的損壞DNA的作用機制。依據估計，在37^o C的生

長條件下，一個哺乳類細胞在其20個小時的細胞繁殖週期中就會有近10,000個嘌呤會發生自發性的

丟失。這種自發性的丟失如果不能被修復的話，在細胞進行DNA複製時就會因為缺少模版訊號而發生

問題，有時仍可以合成新股的DNA，但會加入錯誤的核苷酸，這種錯誤就是基因變異發生的原因之

一。

去胺基作用

DNA分子在細胞內除了會發生嘌呤的丟失作用，在生物細胞內，DNA分子也會自發的將其cytosine 及

5-methylcytosine 上的胺基除去變成uracil 或是thymine (圖一) 。如果所產生的U沒有被修復的

話，結果就是，當細胞進行DNA的複製時，去胺基產生的U、T與A配對了。致使一C‧G對在新合成的

DNA上變成了T‧A對（這種變化又稱為transition，transition 是指purine被purine或pyrimidine

被pyrimidine所取代的一種變異，另外一種變異是purine被pyrimidine或pyrimidine被purine所取

代的一種變異））。

圖一：（a） cytosine (b) 5-methylcytosine 的去胺基作用及其產物

鹼基的氧化作用

鹼基的氧化作用是另一個會造成DNA自發性損壞的作用機制。

過氧化物的自由基（O₂‧）、過氧化氫（H₂O₂）、與氫氧根自

由基（OH‧），這些在正常呼吸作用中會產生的副產品都會對

DNA或是其組成鹼基造成氧化性的傷害。上圖就是其中的鹼基在氧化後的產物，左邊的是thymine經

氧化後所產生的產物，右邊則為Guanosine 氧化後的產物。由於其中多出了很多可以形成氫鍵的團

基，所以在DNA複製時就會發生錯誤的配對，以上圖右邊的產物為例就會與配對，使原本為G‧C的配

對變成了T‧A的配對了。

2.     複製的錯誤

由於複製錯誤所造成基因的單一核苷酸變異一共有三種：核苷酸的取代變異（substitution）、單

一核苷酸的插入（insertion）、與單一核苷酸的缺失（deletion）。

核苷酸的取代變異（substitution）

由DNA複製所產生的基因單一核苷酸的取代變異（substitution）是源自於核苷酸的含氮鹼基在生理

狀態下可有不同形式的結構。鹼基上的＝O基在細胞的生理條件下多以keto 結構（酮基結構）的形

式存在，但其也會以少見的enol結構（乙醇基結構）的形式存在（見下圖）。

     當鹼基以少見的enol結構存在時，就會有不同的配對方式，以下圖中的Thymine為例，在其

keto的結構形式時止會與A形成兩個氫鍵，但在其以enol的結構形式（下圖箭頭處）存在時，T與G配

對了，並形成三個氫鍵。

同樣的Guanosine中的Guanine以enol型式的結構存在時，其配對的對象也不再是keto型式的配對對

象，而變為T（上圖右方的配對結構式）。

與=O基的一般，在含氮鹼基中的-NH₂基在生理狀態下也有兩種形式不同的結構，分別是amino形式與

imino形式(見下圖)。

當adenosine中的adenine與cytidine中的cytosine以imino的形式存在時（見下圖箭頭處），其配對

的方式也會由A‧T、C‧G變成A‧C的配對形式了（見下圖）。

所以就算DNA的複製機制沒有任何的損壞，但由於含N鹼的酮基與胺基結構型式的不同，配對法則的

改變，也會使DNA在複製時，核苷酸的排列序列與上一個世代的排序不同了。

單一核苷酸的插入與單一核苷酸的缺失

依據分子遺傳學的研究，基因單一核苷酸的插入與缺失的起源是由於DNA在複製時，由於模版上的核

苷酸序列是以相同核苷酸重複的排列出現，所以造成了在複製時，模版會形成所謂的〝slipped

mispairing〞的結構，這種結構就使得DNA複製的分子機械在複製時多加了一個相同的核苷酸或是少

加了一個核苷酸。這種多一或少一的結果使得基因的閱讀框架（reading frame）發生了變化，基因

的變異於焉產生。

  基因中小片段重複序列的拷貝數目的改變

  在一基因中常存在一些重複出現的核苷酸序列，這些序列可以有單一一個核苷酸所排列而成的，比

  如說：AAAAAAAA或CCCCCCC；另有一些是由兩個核苷酸所組成的重複序列，比如說：CACACACACACA；

  或是由三個、四個、五個核苷酸所組成的重複序列。這些具相同的核苷酸序列的重複拷貝在DNA複製

  時也會產生slipped mispairing 的情況，使得這些片段的重複數在DNA複製的過程中發生變化，可

  能由兩個拷貝數變成了三個、四個‧‧‧‧‧‧或更多個；也可能由多而少，全視DNA複製時合成的

  新股與單股模版DNA相互滑動的情況而定，造成的效果可以是拷貝數目的增加或是拷貝數目的減少。

  下面就是幾種因兩股間相互滑動造成拷貝數目變化的例子。

  拷貝數目的增加：

I.完全A‧T配對

—————→ DNA合成的方向

5’…………CGTTTT

3’…………GCAAAAACGTAC……        

II.新合成的一股與模版滑了各A‧T配對

5’…………CG TTTTTGC

3’…………GC AAAAACGTAC……

          III.新合成的一股與模版間滑動了2個A‧T配對 

5’…………CG  TTTTTGCATG

3’…………GC  AAAAACGTAC……

     在上述的例子中，增加的是T核苷酸的數目，但如果滑開的為由數個核苷酸所組成的（如：

    GTCGA）重複的單位，則整個重複的核心序列在DNA上的拷貝數就增加了。

拷貝數目的減少

I.完全配對

—————→ DNA合成的方向   

5’ ………CTGAGAGAGAGAGA

3’ ………GACTCTCTCTCTCTGCA………

II. 合成的新股少了一個GA的拷貝數

5’ ………CT GAGAGAGAG

                   3’ ………GA  CTCTCTCTCTGCA……………

III.合成的新股少了兩個GA的拷貝數

 5’ ………CT  GAGAGA

 3’ ………GA      CTCTCTCTGCA………………

單一核苷酸或重複核心序列拷貝數目的改變對基因的影響

當單一的核苷酸或是重複核心序列的拷貝數目變化時，對基因的產物影響是很大的。在以單一核苷酸

重複數目發生變化的時候，不論其是增加或是減少，都會對基因的閱讀框架造成位移的效果，其影響

則是該基因的蛋白質產物胺基酸序列與正常的基因蛋白質產物不一樣了。但如果改變拷貝數目的是一

些具一定核苷酸排列的核心序列時，則其影響效果就如同一個核苷酸序列重複數目的變化般，造成基

因閱讀框架的位移，其蛋白質產物的胺基酸序列發生了變化。比較特別的是，在人類中就有數種遺傳

性的疾病就是因為基因中一些由三個核苷酸所組成的核心序列的重複數目發生了變化所致，比如，

Fragile X syndrome的病人，在其X染色體上就有一段由CGG所組成的核心序列其重複數目由正常人的

50拷貝變成了200或更高。另外與這種由三個核苷酸所組成的核心序列重複數目發生變化有關的人類遺

傳性疾病還有Kennedy disease、Myotonic dystrophy 及Huntington disease。但是這種由三個核苷

酸所組成的核心序列重複數目的變化所引起的疾病，分子層面的解釋並不是單由基因閱讀框架的改變

而能理解的，以Fragile X syndrome 的病人言，其多出來的CGG拷貝的區域位在FMR-1基因的轉錄區內

但卻在其轉譯區外。以理解變而來的，＜n disease>

ut

基因因外來DNA的插入發生基因變異

基因因外來DNA片段的插入造成基因功能的破壞。這種插入的DNA片段可以是一種可以自由移動的遺傳

因子—transposable elements，也可以是一段不知哪來的DNA片段。但如果是transposable

elements ，則其後續的影響可能更大，因為其除了可以自由的在生物的基因體內移動外，在一基因體

內會有不只一個同種類的移動因子的存在，其結果有時不只是基因的功能因移動因子的插入而被破

壞，有時更會因為該移動因子與基因體內其他相同的移動子之間的同源重組等發生更大區域的基因體

基因排列位置的變化，如基因的缺失（deletion）、位移（translocation）、倒置（inversion）等

的發生。