突变不是随机的对高中生物学教材中突变知识的探讨

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1、突变不是随机的——对高中生物学教材中突变知识的探讨原创： 龙红岸/吴琨/孙策 华东师范大学生物学教学杂志作者简介：龙红岸，中国海洋大学海洋生物多样性与进化研究所/水产学院教授、博士生导师；研究方向：演化生物学，详见链接：https://mp.weixin.qq.com/s/mUWTcwEkXyYMIxzcM_LpGA。吴琨、孙策为在读研究生。一提起基因突变（DNA水平上的变化），很多人第一反应就是这种遗传学现象的发生是随机的，这种直觉式的反应或许是源于教材。如高中生物学教材中的论述：“基因突变是随机发生的、不定向的”及“基因突变的方向和

2、环境没有明确的因果关系”等。教材中解释突变是随机的，是因为突变可以发生在个体不同发育时期以及基因组中的不同位置等；突变是“不定向”的论据则是基因由于突变，向不同的方向发生变化。美国分子与行为生物学家SeymourBenzer在1961年就曾提出过疑问：“可突变的基因位点是随机分布的，还是在遗传图谱的某些区域不寻常的集聚或缺失？”抛开“突变是随机发生的”这一论断先不讲，教材中给出的论据不够深入，并且把基因层面的变化混淆为基因表达后的表型变化。“基因突变的方向和环境没有明确的因果关系”，则忽视了学界近年关于环境因子诱导突变形成的研究结论。而

3、结合近年来的突变研究，当今演化生物学界普遍认同“突变不是随机的，而是存在偏好性的，多种环境因子可以显著改变突变率和突变谱”。笔者以突变中最常见的碱基替换为例，讨论教材中相关的突变知识。01突变不是随机的，而是有发生模式并且可预测的首先介绍一下基本概念：什么是随机？统计学上的随机可通俗的定义为一个事件的发生是不可预测的或者缺乏可归纳的模式。而突变的可预测性与可归纳的模式则为学界所熟知。例如，在一条DNA链上，由于碱基堆积力以及G:C碱基对对碱基错配的高容忍性，一个碱基的两侧有无G:C碱基对可以造成高达近80倍的突变频率变化（两侧存在G:C

4、碱基对比不存在的情况下突变率大幅升高）。类似的，甲基化碱基比非甲基化碱基的突变率有数量级的升高（Petersheim&Turner1983;Yakovchuketal.2006;Longetal.2015;Sungetal.2015），杂合位点比纯合位点突变率要高等（Yangetal.2015）。这些都是突变过程中出现的不随机。近年的自发突变研究还发现：在细菌整个基因组中，突变率的高低呈波形分布，靠近复制起点处，生物的突变率最低，而在复制终止区，有较高的突变率（Benzer1961;Fosteretal.2013;Longetal.20

5、15）（图1）。造成这种波形分布的因素尚无定论，现在推测是由基因组不同区域超螺旋结构的差异引起。值得一提的是，以上大部分发现最初在微生物中报道，随后也在其他生物的研究中得到验证。图1. 大肠杆菌基因组中不同位置的碱基替换（Base-PairSubstitution, 简写为BPS）突变率。x轴代表基因组中连续的不同区域，每一个单位（bin）代表100kbp的DNA。0、46代表DNA复制起点附近，22-24之间为复制终点；绿线代表实际的突变率，蓝线是小波转换后的突变率（小波转换是波形信号处理的一种方式）。图来自Fosteretal.20

6、13.生物体在不同的生长发育时期都会有突变发生，然而不同时期的突变率则有很大差异。例如，长期处在平台期的大肠杆菌，其有害突变率要比正常生长情况下高上百倍（Loeweetal.2003）。综上，中学教材中给出的论据“突变可以发生在个体不同发育时期以及基因组中的不同位置等”与其结论“突变是随机的”并没有逻辑关系，换句话说，真正“随机”的突变指的是在不同发育时期和基因组中的不同位置没有发生模式规律或者不可预测。02突变是有方向的突变的方向指的是单碱基、多个碱基以及染色体等在DNA水平上的变化方向，而非教材中例举的突变造成的表型水平变化（小鼠毛

7、色变化）。突变造成的表型变化通常不能直接用来描述突变的方向。对于碱基替换突变来说，每种碱基的突变方向对应三种情况，如A对应A→G、A→C、A→T，四种碱基则共有12种碱基替换，这些不同类别的突变在一种生物中的频率分布即该物种的突变谱。在过去十年中，高通量测序大大促进了生物基因组自发突变研究，约37种生物的突变谱被完整解析出来（足够的突变数目是解析突变谱的前提）。而在绝大多数物种中，一个物种总的突变结果要么倾向于产生G:C碱基对，要么倾向于产生A:T碱基对，这种倾向性也被证实与生物基因组的G/C碱基含量有很强的正相关关系，是生物基因组结构

8、演化的重要驱动力量（Longetal.2018）（图2）。图2. 根据突变倾向性计算的G/C碱基含量与实际观察到的基因组G/C含量正相关。在该图中，横坐标表示假设突变是影响G/C含量的唯一演化力量，根据突变