也许在人们的想像中，基因在染色体的位置都是固定不变的，但事实上，却有少数“调皮”的基因会发生跳位。中国有句古谚叫“一龙生九种”指的则是变异现象。那么，是什么物质导致兄弟姊妹之间的差异呢？基因的突变往往被罩上一层神秘的色彩。事实上，基因突变也有规律，它带给人的或惊或喜，或祸或福。
1.你知道基因会“跳”吗
基因并不是始终固定于DNA结构上静止不变的。
早在20世纪40年代，美国女科学家麦克琳托克根据玉米粒色素斑点的变化，超前地提出了在生物体基因组中存在可转移基因假说。她认为色素斑点的这种变异是由几个可在基因组中移动的基因造成的，称之为“控制因子”，并认为它的移动，具有开放和关闭附近基因的作用。这一假说在经过了40多年后被证实是完全正确的，为此麦克琳托克获得了诺贝尔奖。
可移动的基因是存在于染色体或复制单位上的一段DNA顺序，它作为一个可以分离的、但不与其他DNA顺序进行交换的单元，能从一个位点转移到另一个位点，或从一个复制子转移到另一个复制子。因此，人们将一段DNA顺序在同一个复制子或不同复制子间，或染色体间移动的现象称为转座或转位，而将可移动的DNA顺序称为转座基因。从70年代早期发现细菌质粒上的某些抗药性基因可以转移位置。以80年代，发现的转座基因已不下20种，并且在真核生物细胞基因组中也发现了同样的现象。转座基因一般分为插入序列（IS）、转座子、质粒和噬菌体四种。插入序列是最简单的一类转座基因，它是长度通常不超过2kb（即2000个碱基对）的DNA片段。其主要特征是能插入细菌基因组或质粒中的许多位置，影响插入位置附近基因的性质和表达。因此，插入序列被认为是细菌正常代谢的调节开关。转座子包含有插入序列，特征与插入序列相似，能插入基因组的多个位置，但其DNA片段长度大于2kb，因为它除了包含插入序列外，还带有一个或几个结构基因。质粒和噬菌体在结构上都含有多个转座子或插入序列，所以它们的转座功能其实与转座子有关。
基因的转座在生物界是一种非常普遍的现象。B细胞成熟过程中的基因重排和抗体多样性的产生以及病毒致癌过程均与基因转座机制有关；它也可以较圆满地解释耐药性基因和转座序列拼凑成质粒在细胞之间四处游走，形成耐药性细菌。有的质粒甚至含有好几个转座子及插入序列，具有几种不同的抗药性基因。如带抗药性基因与带肠毒素基因的转座子在细菌中的传播是临床上抗药性细菌与腹演原菌流行的主要原因。转座子还可完全不顾常规的重组必须在同源基因之间进行的法则，把结构上完全独立、亲缘上毫不相关的DNA片段连接在一起，并携带DNA片段在基因组间四处移动。由于能迅速地、大规模地引起遗传信息的改变，转座基因的这种“非法重组”（异源重组）在生物进行化过程中具有重要意义。已经知道突变是进化的基础，但自发突变的频率和同源重组的突变频率一般都很低，而基因转座机制的阐明为解释遗传的多样性和新种系的形成提供了新的思路。
基因的转座有以下特征：（1）基因整合只能在基因组的某一特定部位发生，而基因转座则可在不同区域转移或跳跃，即异源重组；（2）插入序列不带有编码蛋白质的基因；（3）转座子含有终止密码子，因此可以钝化（即使基因的转录过早地终止）其插入部位附近基因的功能；（4）能使“沉默”了的基因重新表达。
转座子不仅存在于微生物中，而且在酵母、果蝇等真核生物中也有。转座基因学说是对基因理论的重要补充。
2.揭开“突变”的秘密
基因会突变吗？什么是“突变”？
所谓突变是指遗传物质突然发生显著变异的现象。突变可引起形态上或生理上较为明显的变异，1901年和1903年，孟德尔定律的重新发现者之一，荷兰的遗传学家德·弗里斯发表了他的著作《突变论》第一卷和第二卷，首次提出了突变学说。他的突变学说指出了“不连续变异”的重要性，从此遗传学家开始把注意力转向对突变的实验研究，取得了巨大的成就。随着人类对基因认识的深化，对突变的研究，取得了巨大的成就。随着人类对基因认识的深化，对突变的研究也一步步踏上更高的阶梯。摩尔根学派的成员之一、摩尔根的学生马勒于1927年第一次用X射线在果蝇中人工诱发了突变以后，人们对突变的研究开始达到高潮。研究发现，突变在自然条件下发生的频率较低，然而经过人工处理后突变率可大大提高。
突变可分为两类，一类为染色体畸变，一类为基因突变。这种突变产生的新性状一经出现，就可能遗传下来，育成新种。也就是说，自然界因此就增加了一个新的有显某著区别的品种。染色体畸变又可分为染色体结构的变异和染色体数目的变异。其关系图如下：
变异表现型变异
（不遗传）
基因型变异（遗传）组合变异
（基因的重组）
染色体畸变结构的变异：缺失、倒位、重复、易位
数目的变异：非整倍性变异：单体、多体、缺体
整倍性变异单倍体
多倍体
基因突变
突变除了包括染色体畸变，还包括基因突变。基因突变是指染色体上某一定位点的基因本身所发生的变异。基因突变在生物界非常普遍，出现突变后的表现型种类很多。在自然情况下产生的突变称为自然突变或自发突变，结果就产生出等位基因。例如，原来的一对基因都是正常基因，后来其中之一受到某种诱发因素的影响，变成了异常的白化基因，它还占有原来的位置，和原来的另一个非白化的正常基因组成一对基因——等位基因，并且分别决定相应的性状。我们认识某个基因的存在，只有通过它的异常的等位基因。如果没有异常的白化基因，怎么会知道有产生黑色素的正常基因存在呢？也就是说，如果没有等位基因，也就没有遗传的变异，我们就无法知道基因的存在了。
基因突变的范围很广泛。就整个生物界来说，从病毒、细菌、原生动物直至高等动植物和人类都会发生基因突变。就一个个体来说，基因突变的范围也很广，包括外形、构造和生理机能等所有遗传性状都会发生突变。基因突变是产生等位基在的唯一源泉，是生物体变异的唯一原因。
基因突变的范围虽然很广泛，但是每一个基因却很稳定的，很少发生突变，或许在十万或百万个细胞中只有一次，就一个基因来说，自然突变频率是很小的。突变频率是指突变体占观察个体总数的比率。突变频率随生物的种类不同而不同。同一物种中，不同基因的突变频率也是不同的。例如，可以通过果蝇实验来确定果蝇中某个基因的突变频率。等位基因W和w位于果蝇的X染色体上。纯合体WW的雌果蝇，不管与什么果蝇交配，后代雄果蝇都应当是W，即红眼，因为儿子的X染色体是从母亲来的，如果生下一只w（即白眼）的雄果蝇，那么就表示母亲有一个卵内X染色体上的W突变成w。在一个实验中发现，48500个雄果蝇中出现了25只白眼果蝇，那么由Ww的突变频率是25/48500=0.000515，即每100万个配子中每代产生515个突变。在测定玉米种子6个基因的突变频率时发现，这6个基因的突变频率是不一样的。例如，基因Wx（表示形状为糯性胚乳）的一百万个配子的突变频率为0，而Pr的突变频率则为18.2.
人类遗传中也有基因突变，最典型的例子是人类的ABO血型。前面已经讲过，人类ABO血型有3个复等位基因IA、IB、和i。从来没有发现过这3个基因突变。但在猿类中只有IA、和IB、基因没有i基因。可见i基因是在从猿到人的进化过程中产生的，是在进化过程中从一个基因突变而成的。从1900年发现ABO血型到现在，我们未曾在人类中看到这个位点上发生任何突变，这个位点的突变频率看来非常低，在进化过程中极难得发生这么一个突变。
一般来说，个别基因的突变频率是很低的，因而随机选取某一基因作为样本，产生的错误可能是很大的。所以，遗传学家提出要用总的突变率来代替个别基因的突变频率。除了个别位点的基因突变率外，还要算出成群的有关位点的突变频率，所有这类位点的突变率的总和就是总的突变频率。据科学估计，人类一套二倍体（23对染色体）至少含有100000个基因。如果每个基因平均突变频率为3×10——5的话，那么一个人可能从他的父母的一方接受到新的突变基因的平均数是100000×3×10-5=3.也就是说，每个人要从父方或母方接受到平均至少3个突变基因。这些突变频率的估计值，对于执行遗传任务的医师们是有一定用处的。
基因突变还有一个重要的特征，就是突变的可逆性。正常型基因A突变为它的等位基因a，a也可突变为原来的基因A。如果把Aa称为正突变，那么aA就叫做回复突变或反突变。现在已有人能用一定诱变剂使某个基因位点的突变发生回复突变，这为治疗遗传病开辟了一个新的途径。正突变和回复突变的频率是不同的。假定正常基因A以速率（突变频率）突变为它的等位基因a，a又以速率v回复突变为A，即A（正常基因）和a（不正常基因），在群体中a的比例为R：R=uu+v。一旦R达到这样的值，即当它等于A的突变频率与a的回复突变率之和的比值，群体中a：A之比将不再变化，这时变就达到平衡。
假设人的常染色体基因A突变为基因a的突变率为1.5×10-6，从而a突变成A的突变率为1×106.如果在一个5000万人的群体中，80%的基因是A，20%是a，那么A基因的总数是800万，a的总数是200万。产生的新基因数将是：
Aa=（1.5×10-6）×（8×106）=12，
aA=（1.0×10-6）×（2×106）=2，
A基因净减12-2=10，
a基因净增12-2=10.
什么时候A可以不再减，a不再增呢？根据上述公式，即当R=uu+v时，因此R=1.5×10-61.5×10-6+1.0×10-6=0.6.即基因a的比例R应为60%。如果群体中a基因的比例升到60%，A基因的比例减到40%，那么在某一定世代中产生的新的基因数将是：
Aa=1.5×10-6×4×106=6，
aA=1.0×10-6×6×106=6，
净变化=0.
此时，突变频率产生的两个等位基因的数目正好相等。在它们的相对比例中没有变化。换言之，仅仅突变和回复突变就引起等位基因的平衡。
突变的平衡性在群体遗传学中有重要的意义，回复突变这一事实就保证了生物的多态性。只要突变在两个方向发生的话，就没有一个基因能完全代替别的基因。
3.基因突变：福兮？祸兮
不安分的基因，给我们带来的是福还是祸？
基因突变是指基因内部可遗传结构的改变，狭义的指点突变，广义的还包括染色体畸变。
基因的点突变是指基因的内部结构发生改变，但在细胞水平上看不出染色体形态上的任何改变。它有三种形式：碱基取代、碱基缺失和碱基嵌入。
碱基的取代就是DNA序列中某个碱基被另一个碱基所替代。遗传信息能够从DNA上的碱基排列顺序变成蛋白质中氨基酸的排列顺序，是以密码子、反密码子为桥梁的，因此一个碱基的变化可能会引起相应蛋白质中的相应氨基酸发生变化，从而影响该蛋白质的功能，但这种情况并不一定会发生。一般来说，一个碱基发生变化之后，可能有三种情况。第一种情况对于遗传信息不发生影响邮局就是不改变蛋白质的氨基酸序列。这是因为某氨基酸对应的密码子改变成另一个而已，并不改变氨基酸。第二种情况则是某处碱基的改变使DNA编码的某个氨基酸变为另一个氨基酸，称为误义突变。这种变化可导致三种不同的结果：（1）DNA上某一个脱氧核苷酸的改变所引起氨基酸序列的改变，并不影响蛋白质的功能，因为这个氨基酸的改变对蛋白质的功能影响不大或无影响。（2）误义突变影响到蛋白质的功能改变，但作用不大。（3）误义突变导致蛋白质完全失去功能，造成严重的后果。第三种情况可能是无义突变，即某个氨基酸密码子经突变使该这密码子成为蛋白质合成的终止信号，即突变为UAA、UAG、或UGA，于是蛋白质的合成就发生提前终止，合成的蛋白质比正常功能的蛋白质要短，从而不能发挥正常功能。
碱基的缺失与嵌入，就是在DNA中发生某些碱基因的读码系统阅读紊乱，造成合成蛋白质的氨基酸序列的全部改变，一般称为移码突变。有时候移码突变可导致无义突变，使蛋白质合成中断，但也可导致蛋白质合成过长等，总之最后都影响到蛋白质的正常功能。
基因的突变使得相应的蛋白质或多肽发生功能的改变，往往导致疾病。例如，在镰刀型细胞贫血病人中，其红细胞呈镰刀样改变，就是由于基因突变后，导致血红蛋白的结构发生改变引起的。但是，基因突变也不总是有害的，有些突变并不引起坏的后果，事实上，自然发生的大部分突变都不会影响功能的突变外，往往基因组的绝大部分都是没有功能的，假如突变发生在这些地方，就不会引起坏的后果，相反的，这些无害的基因突变是生物进化的基础。人们称这类突变为中性突变。
基因突变现象是1910年摩尔根在果蝇中发现的。随后科学家们用X射线和化学物质氮芥均诱发了果蝇的突变。1943年有人证明大肠杆菌对噬菌体抗性的出现是基因突变的结果，接着在细菌对链霉素和磺胺药的抗性方面也获得同样的结论，于是基因突变这一生物界的普遍现象被逐渐认识。50年代末期，本泽尔的基因突变理论、佛里滋的碱基置换理论和克里克的移码突变理论更是加深了人们对基因突变本质的认识。现在人们知道，基因突变的发生与DNA复制、损伤修复、癌变和衰老均有关系，因此研究基因突变除了本身的理论意义外还有其广泛的生物学意义。
过去人类研究基因突变的方法主要依靠观察相应基因产物类型或产物的功能，随着分子生物学研究手段的改进，DNA测序技术、克隆技术、转基因技术等先进技术的出现，人们不仅能确定基因突变所带来的DNA分子结构的改变，还能对生物进行有目的的定向诱变。这使得基因变成为人类可利用的现象。例如，在研究上，人们可利用基因突变建立各种突变型；在应用上，基因突变为育种筛选良种提供了新途径。因此，基因突变究竟是好事还是坏事，只能留给每一位读者去判断了。目前，全球20%-50%的人每天忍受着各种慢性病的折磨，仅我国就有11%的人患有高血压，4.2%的人有不同程度的残疾，2.5%的人智力低下，1.7%的孩子患有近视、色盲。癌症一直高居死亡榜首位，艾滋病等现代瘟疫仍不啻于洪水猛兽。现代科学研究证明，一切疾病均能从基因中找到答案，但苦于不能解读基因，医生只能望病兴叹。人们连自己都认识不了，何谈去征服自然？科学家沉默了，但他们在沉默中发出了源自人类心灵深处的呐喊：要充分认识生命！于是，一项人类生命科学的“登月计划”——人类基因组计划便开始了。
