基因突变与遗传疾病：生物技术与工程视角

在色彩斑斓的生物界中，神秘的遗传现象必定有其物质基础，那就是存在于细胞核中的核酸，核酸又和蛋白质一起组成了染色体。位于染色体上的基因通过转录、翻译决定生物的特征。不同的生物，细胞中染色体的数目是不同的，人体的每一个成熟细胞核中含有23对或46条染色体，人体拥有的数以万计的遗传信息就蕴藏在这无法用肉眼直接见到的极其微小、微乎其微的染色体中。早在18世纪60年代，在脓细胞核中就发现了遗传物质核酸。19世纪40年代，科学家发现从一种具有夹膜、致病性的肺炎球菌中提取的核酸，可使另一种无夹膜、不具致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变，具有致病性和有夹膜。原因是核酸将有夹膜和致病性等的遗传信息传至另一种肺炎球菌，因此，核酸是遗传信息的载体，也是遗传的物质基础。

人类在漫长的适应外界环境变化而生存的过程中，细胞核内的基因不知不觉地进行着极其缓慢的演变、进化和完善，因此，遗传的稳定性和基因演变是生物界物种进化的原动力。人体某些基因发生改变而导致的先天性遗传性疾病，往往与人终生相随，如血友病就是一个典型的例子，由于缺乏凝血因子，血液在伤口处不易凝聚成块，从而流血不止。有的遗传性疾病，仅1个基因中的1个脱氧核苷酸丢失或更换就导致整个基因功能的丧失。除先天性遗传性疾病外，后天性的疾病也可由基因突变引发。化学致癌剂进入人体后，会结合到人体的DNA分子上，这样就干扰了遗传信息的正常传递，导致细胞恶变，引发人体产生恶性肿瘤。基因突变可以自发，也可以诱发。基因突变是生物变异的主要原因，是生物进化的主要因素。在生产上，人工诱变是产生生物新品种的重要方法。

（一）基因突变的类型

基因突变可从突变体表型特征、基因结构的改变方式和遗传信息的改变方式等方面进行分类。

1.按突变体表型特征分类

基因突变分为以下5种类型。①形态突变型：指发生细胞形态变化或引起菌落形态改变的那些突变型，如失去产生孢子、荚膜和鞭毛的能力。②生化突变型：指没有形态效应的突变型，如营养缺陷突变株（auxotropHic mutant），必须在培养基中添加某种营养物质才能生长。由于野生型菌株在基本培养基和完全培养基上均可生长，而营养缺陷突变株只能在完全培养基上生长，因此两者很容易区别开来。③条件致死突变型：在某些条件下能成活，而在另一些条件下是致死的突变型。温度敏感突变株（temperature sensitive mutant），即在某一温度下生长而在另一温度下不生长，如T4噬菌体的温度敏感突变型在25℃时能在大肠杆菌细胞内正常生长繁殖，形成嗜菌斑（plaque），但在42℃时就不能生长。④抗性突变型：指对某种药物具有一定抵抗能力的突变株。例如，某一链霉素抗性突变株可以在加入1000 U/mL链霉素的培养基上生长，而野生型则不能生长。

突变型基因转变成野生型基因的过程称为回复突变，如把大量His-大肠杆菌细胞接种在不含组氨酸的基本培养基中，会有极少量的细胞能够生长，出现这种情况的原因主要是这些细胞的组氨酸缺陷基因已回复为正常基因（记为His）。

2.按基因结构的改变方式分类

基因突变可分为碱基置换突变和移码突变两种类型。①碱基置换突变：由一个错误的碱基对替代一个正确的碱基对的突变称为碱基置换突变，如在DNA分子中的G—C碱基对被其他碱基对所代替。每一次碱基替换只改变一个密码子，不会涉及其他密码子。引起碱基置换突变的原因和途径：一是碱基类似物的掺入，如在大肠杆菌培养基中加入5-溴尿嘧啶（BU）后，会使DNA的一部分胸腺嘧啶被BU所取代，从而导致碱基对置换；二是某些化学物质或物理射线也能引起碱基置换突变。②移码突变：基因中插入或者缺失一个或几个碱基对，会使DNA的阅读框架发生改变，导致插入或缺失部位之后的所有密码子都跟着发生变化，结果产生一种异常的多肽链。移码突变诱发的原因是一些像吖啶类的染料分子插入DNA分子中，使DNA复制时发生差错，导致移码突变。

3.按遗传信息的改变方式分类

基因突变又可以分为同义突变、错义突变和无义突变三种类型。有时DNA的一个碱基对的改变并不会影响它所编码的蛋白质的氨基酸序列，这是因为改变后的密码子和改变前的密码子是简并密码子，编码同一种氨基酸，这种基因突变称为同义突变（samesense mutation）。而错义突变（missense mutation）是由于一对或几对碱基对的改变，而使决定某一氨基酸的密码子变为另一种氨基酸的密码子，这种基因突变有可能使它所编码的蛋白质部分或完全失活。例如，人血红蛋白β-链的基因，如果将决定第6位谷氨酸的密码子由GAG变为GUG，就会使它合成出的β-链多肽的第6位的谷氨酸变为缬氨酸，从而引起镰刀状红细胞贫血病（sicklemia）。无义突变（nonsense mutation）又分为琥珀突变（amber）、赭石突变（ocher）和乳白突变（opal或umber）。其中密码子改变为UAG的无义突变称为琥珀突变；密码子改变成UAA的无义突变称为赭石突变；密码子改变成UGA的无义突变称为乳白突变。

（二）基因突变的特征

基因突变在生物界中是普遍存在的，无论是低等生物，还是高等动植物及人，都可能发生基因突变，如棉花的短果枝、水稻的矮秆及糯性、果蝇的白眼与残翅、家鸽羽毛的灰红色，以及人的色盲、糖尿病、白化病等遗传病，都是突变性状。无论是哪种突变，都具有下面几个特征。①随机性：它可以发生在生物个体发育的任何时期和生物体的任何细胞，如体细胞、生殖细胞。就微生物的某一群体而言，基因突变的发生从时间、个体、位点和所产生的表型变化等方面都带有比较明显的随机性。②独立性：在微生物群体中，基因突变是独立发生的，某一个基因的突变与另一个基因的突变之间是互不相关的独立事件。例如，巨大芽孢杆菌对异烟肼产生抗性的突变率是5×10-5，对对氨基柳酸抗性突变的突变率是1×10-6，同时兼有两种抗性的概率为8×1010，后者大约等于前两者的乘积。③稳定性：如果基因突变发生在生殖细胞中，可以通过受精作用直接传递给后代，即具有遗传性。发生在体细胞中的突变，一般是不能传递给后代的。基因突变的实质是遗传物质发生改变的结果，因此突变型基因具有相对稳定性的结构，也是可遗传的，如筛选到的抗链霉素的突变株，在没有链霉素的培养基上连续传代无数次，它的抗性没有改变。④可逆性：基因突变是不定向的。一个基因可以向不同的方向发生突变，产生一个以上的等位基因。例如，小鼠毛色基因的突变，只限定在色素的范围内。野生型基因可以通过突变而成为突变型基因，反之亦然。一般把野生型基因变为突变型基因的过程称为正向突变，所得到的突变菌株称为突变株；突变型基因变为野生型基因的过程称为回复突变，所得到的菌株称为回复突变株。从表型上来看，回复突变株与野生型菌株没有明显的差异，从基因型来分析，却是有差别的，即原突变位点的回复突变、同一基因不同位点回复突变和基因间不同位点的回复突变。⑤有害性：大多数基因突变对生物体是有害的，由于任何一种生物都是长期进化过程的产物，它们与环境条件已经达到了高度的协调。如果发生基因突变，就有可能破坏这种协调关系。因此，基因突变对于生物的生存往往是有害的。例如，绝大多数的人类遗传病，就是由基因突变造成的，这些病对人类健康构成了严重威胁。但是，也有少数基因突变是有利的。例如，植物的抗病性突变、耐旱性突变、微生物的抗药性突变等。⑥稀有性：突变的稀有性是指在正常情况下，突变率往往是很低的。所谓突变率是指在一个世代中或其他规定的单位时间内，在特定的环境条件下，一个细胞发生某一突变的概率。但是对于群体而言，突变又总是以一定的频率在群体中发生，在特定的环境条件下，其突变率是一定的。一般来讲，自发突变率低，为10-10～10-5，表现为基因突变的稀有性。但通过某些理化因子的处理，可以提高突变率。

（三）遗传疾病(www.xing528.com)

随着人们健康意识和营养保健意识的增强，人类寿命得到了延长，但疾病的阴影却从出生就伴随着人们，直到死亡。长期以来，科学家一直致力于解开人体为什么会患病这个难题。基因作为生命个体最为独特的标记，其结构和功能出现异常往往是疾病发生的重要原因，绝大多数的人类遗传病都是由基因突变造成的。

1.遗传疾病的起因

遗传疾病（genetic disease）是由于遗传物质发生改变而引起的疾病。人类基因数目为3万左右，现代医学研究证明，除外伤外，几乎所有的疾病都和基因有关系。像血液分为不同血型一样，人体中正常基因也分为不同的基因型，即基因多态型。不同基因型对环境因素的敏感性不同，敏感基因型在环境因素的作用下可引起疾病。另外，异常基因可以直接引起疾病，即遗传病。可以说，引发疾病的根本原因有三种：①基因的后天突变；②正常基因与环境之间的相互作用；③遗传的基因缺陷。随着医疗保健事业的发展，一些传染病、流行病在人群中的发病率已逐渐降低，而遗传病的相对发病率则逐渐提高，绝大部分疾病，都可以在基因中发现病因。

人类中的遗传病大致可分为单基因、多基因和染色体病三大类。单基因的遗传病只与一对基因有关，是由于单个基因DNA序列中某个碱基对的改变造成的，如白化病、血友病、色盲病等。由于血友病基因随X染色体传递，因此在遗传过程中可能“丢失”。不过，相对于单基因遗传病，多基因遗传病是人类中最常见的遗传病，由多个基因的变异和环境的影响所致，患病人群也更为广泛，但发病率只有1%～10%，如先天性心脏病、高血压、糖尿病等。遗传率在70%以上，说明遗传因素比较重要，如兔唇、支气管哮喘、神经分裂症等；遗传率在50%～60%的，说明遗传与环境因素都相当重要，如高血压、冠心病等；遗传率在40%以下的，说明环境因素是主要的，如先天性心脏病、消化性溃疡、成年型糖尿病等。

染色体病是由于染色体畸变，包括染色体数目和结构改变，目前已知有500多种，其中75%为性染色体异常，25%为常染色体异常。睾丸发育不全综合征（47，XXY）、性腺发育不全（45，XO）是最常见的性染色体异常遗传病；常染色体数目异常的遗传病有先天愚型（21三体综合征）；染色体结构异常遗传病如猫叫综合征等（见多基因遗传）。

据统计，人类中有约10%的人患有单基因遗传病，约20%的人患有多基因遗传病，加上染色体病等，粗略估计约25%的生理缺陷、30%的儿童死亡和60%的成年人疾病都是由遗传疾病引起的，约有1/3人受遗传疾病所累。我国每年出生的1500多万个婴儿中，3%有出生缺陷，其中80%是遗传因素造成的。

对人类健康威胁最大的癌症有绝大部分源于多个基因和染色体的异常改变，这其中既存在细胞原癌基因的激活，也有抑癌基因的失活；既涉及生殖细胞突变，也存在体细胞突变。从某种意义上讲，癌症是以基因突变为基础的。虽然目前还没有针对癌症完全有效的药物或者治疗手段，但研究人员已经找到几百个与癌症有关的基因，大致分为两类。①原癌基因（proto-oncogene）。存在于正常细胞中，但具有潜在诱导细胞恶性转化的作用，若被某种因素激活，如受到射线、化学因素、生物因素的诱导，或者染色体某些基因易位、重排，都有可能使其转化为有活力的癌基因（oncogene）。目前已知的原癌基因有60多种，了解较多的有Scr基因族、Ras基因族、Mgc及myb基因族。Ras基因是最早被确定的原癌基因，它像开关一样传递细胞生长信息。正常情况下，Ras便处于休眠状态，当细胞表面的受体受到刺激时，Ras打开，发出细胞生长的指令。大约30%的癌症是由于Ras发生突变，永久地打开着，从而诱发肿瘤发生。②抑癌基因。人体内有一些基因像制动闸一样，能够控制细胞的生长和分裂，被称为“肿瘤抑制基因”。抑癌基因正常时起抑制细胞增殖和肿瘤发生、转移的作用，参与细胞黏附与信号传导及DNA损伤的修复等。如果抑癌基因突变失去活性，其功能削弱，细胞就会在无控制状态下反复复制，最终形成肿瘤并发生转移。位于13号染色体上的Rb基因是第一个被发现和鉴定的抑癌基因，它是在研究儿童视网膜母细胞瘤时发现的，在成人的某些常见肿瘤，如膀胱癌、乳腺癌及肺癌中也发现它丧失或失活。第二个被鉴定的抑癌基因是位于17号染色体上的p53，有一半以上的人类癌症中都可见到p53的突变，在白血病、淋巴瘤、肉瘤等癌症中常呈失活状态。近年来，新的抑癌基因不断被发现，如与肾细胞癌有关的VHL基因、与肝癌有关的M6P/JGF2r基因，以及与结肠癌有关DCC基因等。虽然目前已查明的致病基因或者与疾病相关的基因还为数不多，但应用基因技术分析具体个体的疾病已经作为一种全新的手段应用到医疗实践中。人类对于自身的探索从来没有停止过，随着人们对于自己身体的了解越来越深入，这样一个问题便随之产生：人类可不可以预测自己将会得什么疾病，从而及早预防呢？

在21世纪初，人们已经能在分子水平上认识疾病。随着基因研究的深入，科学家提出了一个大胆的概念——“所有的疾病都是基因病”，很多遗传疾病是最直观理解疾病和遗传基因关系的例子。但是，患感冒或吃坏了肚子，这也和遗传基因有关吗？科学家的回答是肯定的。同样的流感病毒在同一地区流行，为什么有的人得了感冒，有的人就不得？通常人们会说是因为抵抗力不同。实际上，这就是基因在起作用，基因常常决定人对某一种病的易感性。像艾滋病，东方人普遍有一个被称为CCR5的基因，这就使其比较容易感染艾滋病，在欧美则相反，这完全是基因上的差异。

疾病与遗传基因有关，基因对生物生命活动的控制有三个层面：基因结构、基因表达和基因产物。一般来说，人类的疾病并不单纯地取决于基因的结构，基因的表达失控和基因产物不正常，常常是导致疾病的罪魁祸首。而同样的基因结构，外界因素不同就会产生不同的结果。因此，从这个角度来说，基因既是万能的，又不是万能的，基因与人类的性状之间往往并不是一一对应的，基因的表达受到环境的调节和控制。

2.遗传疾病的诊断与治疗

基因诊断（gene diagnose）也称DNA诊断、分子诊断，是通过从患者体内取出样本后，用基因检测方法来判断患者是否有基因异常或携带病原微生物的方法。基因诊断的原理是基于基因是引起某些疾病的直接原因，或者基因与某些疾病的发生有关。通过检测有关疾病的发病基因，就可以诊断和预测疾病的发生，如p53基因与近一半肿瘤的发生有关。目前，基因诊断的疾病主要有三大类：感染性疾病，如结核病、柯萨奇B3病毒感染的心肌炎、丙型肝炎、艾滋病等；各种肿瘤的生物学特性判断，如白血病；遗传病的基因异常分析，如糖尿病。目前，使用基因芯片分析人类基因组，可找出致病的遗传基因，癌症、糖尿病等许多疾病都是遗传基因缺陷引起的疾病，医学和生物学研究人员将能在数秒内鉴定出导致癌症等的突变基因。利用基因芯片分析遗传基因在今后将使受检者疾病的确诊率达到50%以上。

基因治疗就是把功能基因导入患者体内使之表达，使疾病得以治疗。基因治疗基于基因与疾病关系的研究及人类对自身遗传机制的了解。1990年，美国国立卫生研究院首次对一名患有腺苷脱氨酶（ADA）缺乏症的4岁女孩进行了基因治疗，标志着人类的基因治疗正式开始。经治疗后，该女孩已能正常生活并上学。从分子生物学角度来看，基因治疗可以理解为用正常有功能的基因置换或增补缺陷基因的方法。从广义疾病治疗的角度讲，可以认为将新的遗传物质转移到某一个体细胞内，使功能正常的基因或表达量很低及原来不存在的外源基因得到正常表达，赋予患者新的抗病功能，从而达到治疗目的。基因治疗的结果就是给基因做了一次手术，治了病根，所以有人又形容其为“分子外科”，涉及基因分离、基因向人体的导入、基因在人体内的高效表达及其调控等多方面研究，其难度远高于体外表达的基因工程技术，因此被认为是一项高度集成、综合性和高难度的生物技术。由于基因治疗的对象是人体，因此基因治疗既要有效又要确保安全。

由于体细胞基因治疗的技术路线具有较大的可操作性，因此是目前基因治疗的主流，但并没有改变基因缺陷的遗传背景，在技术方面、伦理道德方面及安全性方面基因治疗仍面临着众多的困扰。尽管如此，基因治疗取得了可喜的进展，总的趋势是令人鼓舞的，我们相信，基因治疗这一新技术将推动今后医学的革命性变化。