摘要：遗传变异是指由基因组差异导致的变异（如基因突变、基因重组)，分为可遗传变异(heritable variation ‌）和不可遗传变异。

遗传变异是指由基因组差异导致的变异（如基因突变、基因重组)，分为可遗传变异(heritable variation ‌）和不可遗传变异。

一、基因突变(gene mutation)

基因：是DNA分子上具有遗传效应的片段，是控制生物性状的基本单位。

突变：指基因的DNA序列发生了改变。这种改变可以是单个“字母”（碱基）的改变，也可以是大段序列的插入、缺失或重排。

DNA分子中发生碱基的替换、增添或缺失，而引起的基因碱基序列的改变，叫做基因突变。

(一）基因突变的主要原因

1、内源性原因（来自生物体内部）❶DNA复制错误：细胞在分裂时，DNA需要进行复制。虽然细胞有非常精密的校对机制，但这个过程中仍然可能发生极其罕见的错误，导致错误的碱基被插入。

❷自发化学反应：DNA分子本身并不完全稳定，细胞中的一些正常化学物质可能会损伤DNA，例如碱基发生水解或氧化等。

2、外源性原因（来自外部环境）

这些能引起突变的因素被称为“诱变剂”。

❶化学诱变剂：如烟草烟雾中的苯并芘、黄曲霉素（发霉食物中）、一些工业化学品、农药等。它们会直接与DNA发生反应，改变其结构。

❷物理诱变剂：

紫外线（UV）：来自太阳光，能使DNA链上相邻的胸腺嘧啶（T）形成异常的连接（如T-T二聚体），导致复制出错，这是皮肤癌的主要原因之一。

电离辐射：如X射线、伽马射线、核辐射等。这些高能量射线能直接打断DNA链。

❸生物性诱变剂：某些病毒（如HPV人乳头瘤病毒）可以将其自身的基因整合到人类的DNA中，如果插入的位置不当，就可能破坏原有的重要基因，导致突变。

(二)基因突变的类型

根据突变对DNA序列的影响，可以分为：

1、点突变(point mutation)：DNA序列中单个或多个碱基对的改变。(狭义的基因突变)

❶同义突变：虽然碱基变了，但编码的氨基酸没有变（因为遗传密码具有简并性）。通常对蛋白质功能没有影响。

❷错义突变：碱基改变导致编码的氨基酸种类改变。可能影响蛋白质功能，后果可轻可重。

例如，镰刀型细胞贫血症(典型的错义突变)，就是由于单一的氨基酸变化（从带负电荷的亲水谷氨酸变为疏水的缬氨酸）导致血红蛋白在脱氧状态下溶解度降低。(正常mRNA碱基序上的谷氨酸变成了缬氨酸，如下图所示)。

变异的血红蛋白(β-珠蛋白链)合并形成纤维，使正常的圆盘形红细胞被拉成“镰刀”形。

镰刀状细胞僵硬，容易堵塞毛细血管，导致组织疼痛和损伤，它也更脆弱，容易破裂，导致贫血。

p53肿瘤抑制基因的突变：p53是一个著名的“基因组守护者”，在超过50%的人类癌症中都发现了它的突变。这些突变大多是错义突变。

DNA水平上，CGG变为TGG→导致mRNA密码子从CGG变为UGG→编码的氨基酸从精氨酸变为色氨酸。

精氨酸248是p53蛋白与DNA结合的关键氨基酸。将其变为体积和化学性质完全不同的色氨酸，严重破坏了p53与DNA结合的能力。

失去功能的p53无法在DNA损伤时启动细胞周期停滞、DNA修复或细胞凋亡程序。

导致带有DNA损伤的细胞继续分裂，基因组不稳定，最终引发癌症。

❸无义突变：碱基改变导致编码氨基酸的密码子变成了终止密码子，使得蛋白质合成提前终止。通常会产生截短的、无功能的蛋白质，危害较大。

β-地中海贫血是一组由于β-珠蛋白合成不足导致的血液疾病，其中许多是由点突变引起。

密码子CAG被突变为终止密码子 TAG。这导致β-珠蛋白链的合成在中间就提前终止，产生一个截短的、无功能的蛋白质。身体无法制造足够的正常血红蛋白，导致严重贫血。

剪接位点突变的例子：

点突变不一定发生在编码区。发生在内含子和外显子边界（剪接位点）的点突变同样致命。

例如，位于内含子1的供体剪接位点的一个G被C替换。这个突变干扰了mRNA前体的正常剪接过程，导致成熟mRNA异常，无法翻译出正常的β-珠蛋白。

2、插入/缺失：在DNA序列中增加或减少一个或多个碱基。

如果插入或缺失的碱基数目不是3的倍数，会导致移码突变，使得该位置之后的所有氨基酸序列都发生错误，通常后果非常严重。

囊性纤维化是一个常见的遗传病，由多种突变引起，但其中最著名的一个是ΔF508突变，它本质上是一个缺失突变（虽然缺失了三个碱基)

CFTR 基因，编码一个氯离子通道蛋白。

在DNA水平上，鸟嘌呤被腺嘌呤取代→导致mRNA密码子从GGT变为GAT→编码的氨基酸从甘氨酸变为天冬氨酸。

这个突变不是导致蛋白质无法合成（如无义突变），也不是阻止它到达细胞膜（如ΔF508），而是让这个氯离子通道“锁”在关闭状态，无法正常开启。

结果仍然是氯离子和水分运输异常，导致肺部、胰腺等器官分泌粘稠的黏液，引发反复感染和消化问题。

3、染色体畸变(chromosome aberration）：染色体的结构改变与数目的变化(广义上的基因突变）：涉及非常大段的DNA序列改变，如大片段缺失、重复、倒位、易位（一条染色体的一段断裂并连接到另一条染色体上）。

(三)基因突变的后果

这是最关键的部分，突变的影响是复杂且多样的：

1、有害突变：这是大多数突变的归宿。因为经过长期进化，生物的基因组已经相当优化。随机的改变很可能会破坏现有和谐的系统。

❶导致遗传病：如囊性纤维化、亨廷顿舞蹈症、血友病等。

❷导致癌症：突变发生在关键的生长控制基因（原癌基因和抑癌基因）上，会导致细胞不受控制地分裂，形成肿瘤。

2、中性突变

突变发生在DNA的非编码区（“垃圾DNA”，虽然其中部分有调控功能），或者发生的改变不影响蛋白质的功能（如同义突变）。这类突变在种群中积累，构成了个体间DNA差异的主要部分。它们是生物进化史研究的“分子钟”。

3、有益突变

非常罕见，但一旦发生并被自然选择保留下来，就对物种的进化至关重要。

例如：❶抗生素耐药性：细菌的基因突变可能使其对某种抗生素产生抗性，在抗生素环境中存活下来。❷HIV耐药性：有些人的基因（CCR5-Δ32突变）能天然抵抗HIV病毒的感染。

❸适应环境：北极熊的白毛基因突变有助于它们在雪地中伪装。

(四)基因突变的意义

1. 进化的原材料：突变产生了可遗传的变异，为自然选择提供了材料。没有突变，所有生物都将一成不变，进化就无法进行。

2. 驱动生物多样性：所有物种的多样性，归根结底都源于最初的基因突变。

3. 与医学密切相关：理解突变是研究遗传病、癌症和开发新疗法（如基因治疗）的基础。

二、基因重组

基因重组，也称为遗传重组，是指在有性生殖或某些分子过程中，来自不同DNA分子的基因或DNA片段被重新组合，产生新的基因序列（等位基因组合）的过程。

这个过程是生物多样性的根本来源之一，它确保了后代不会与父母完全相同，也为自然选择提供了丰富的材料。

(一)基因重组的主要类型

基因重组主要发生在两个层面上：

1、染色体水平的重组（经典遗传学）

这发生在减数分裂I的前期。同源染色体（一条来自父亲，一条来自母亲，携带相同类型的基因）会配对并发生

交叉互换：同源染色体紧密配对。非姐妹染色单体（一条来自父本，一条来自母本）的对应部位发生断裂。断裂的片段相互交换并重新连接起来。产生两条新的、具有“父母基因混合”的染色体。这直接导致了后代的性状与父母不同。

2、分子水平的重组（DNA水平）

这是在实验室或某些病毒中，于DNA分子水平上进行的基因重新组合。它是基因工程（遗传工程）的核心技术。

❶切割：使用特定的限制性内切酶（像“分子剪刀”）在特定位置切割DNA。

❷连接：使用DNA连接酶（像“分子胶水”）将不同来源的DNA片段（例如，一个目标基因和一个载体）连接在一起，形成重组DNA分子。

❸导入与表达：将这个重组DNA分子导入宿主细胞（如细菌或酵母）中，使其能够复制和表达目标基因。

生产出自然界中不存在的、具有新功能的生物体或产物。

(二)基因重组的重要意义

1、增加遗传多样性：这是最重要的进化意义。重组创造了无限的新基因组合，使种群能够更好地适应变化的环境。没有重组，进化将极其缓慢。

2、使有利基因与不利基因分离：通过重组，一个与不利基因连锁的有利基因可以被“解放”出来，在种群中传播。

3、DNA修复：细胞可以利用同源重组机制来精确修复受损的DNA双链。

4、生物技术应用：分子水平的基因重组是现代生物技术的基石。

(三)基因重组的应用实例

基因重组技术已经彻底改变了医学、农业和工业。

❶生产胰岛素：将人类的胰岛素基因重组到细菌的DNA中，让细菌变成“生物工厂”，大规模生产纯净的人胰岛素，用于治疗糖尿病。

❷转基因作物：将抗虫、抗除草剂或富含营养的基因重组到作物中，培育出产量更高、更耐逆的品种，如转基因大豆、玉米。

❸疫苗开发：将病原体的特定抗原基因重组到无害的载体中，制成重组疫苗，如乙肝疫苗、HPV疫苗，它们更安全有效。

❹基因治疗：理论上，可以将正常的基因重组后导入患者体内，以替代或修复有缺陷的基因，治疗遗传病。

总而言之，基因重组是连接遗传、进化和现代生物技术的核心桥梁。它既是自然界驱动生物多样性的引擎，也是人类按自身需求改造生命的有力工具。

来源：向上生长一点号