一個基因內部可以遺傳的結構的改變，也稱為點突變，通常可引起一定的表型變化。廣義的突變包括染色體畸變。狹義的突變專指點突變。實際上畸變和點突變的界限並不明確，特別是微細的畸變更是如此。野生型基因通過突變成為突變型基因。突變型一詞既指突變基因，也指具有這一突變基因的個體。（見彩圖）
大腸桿菌菌不同生化突變型菌落
基因突變的發生和脫氧核糖核酸的復制、DNA損傷修復、癌變和衰老都有關系，基因突變也是生物進化的重要因素之一，所以研究基因突變除瞭本身的理論意義以外還有廣泛的生物學意義。基因突變為遺傳學研究提供突變型，為育種工作提供素材，所以它還有科學研究和生產上的實際意義。
簡史 基因突變首先由T.H.摩爾根於1910年在果蠅中發現。H.J.馬勒於1927年、L.J.斯塔德勒於1928年分別用 X射線等在果蠅、玉米中最先誘發瞭突變。1947年C.奧爾巴克首次使用瞭化學誘變劑，用氮芥誘發瞭果蠅的突變。1943年S.E.盧裡亞和M.德爾佈呂克最早在大腸桿菌中證明對噬菌體抗性的出現是基因突變的結果。接著在細菌對於鏈黴素和磺胺藥的抗性方面獲得同樣的結論。於是基因突變這一生物界的普遍現象逐漸被充分認識，基因突變的研究也進入瞭新的時期。1949年光復活作用發現後，DNA損傷修復的研究也迅速推進。這些研究結果說明基因突變並不是一個單純的化學變化，而是一個和一系列酶的作用有關的復雜過程。
1958年S.本澤發現噬菌體T4的rⅡ基因中有特別容易發生突變的位點──熱點，指出一個基因的某一對核苷酸的改變和它所處的位置有關。
1959年 E.佛裡茲提出基因突變的堿基置換理論，1961年F.H.C.克裡克等提出移碼突變理論(見遺傳密碼)。隨著分子遺傳學的發展和DNA核苷酸順序分析等技術的出現，現在已能確定基因突變所帶來的DNA分子結構改變的類型，包括某些熱點的分子結構，並已經能夠進行定向誘變。
特性 不論是真核生物還是原核生物的突變，也不論是什麼類型的突變，都具有隨機性、稀有性和可逆性等共同的特性。
隨機性 T.H.摩爾根在飼養的許多紅色復眼的果蠅中偶然發現瞭一隻白色復眼的果蠅。這一事實說明基因突變的發生在時間上、在發生這一突變的個體上、在發生突變的基因上，都是隨機的。以後在高等植物中所發現的無數突變都說明基因突變的隨機性。在細菌中則情況遠為復雜。在含有某一種藥物的培養基中培養細菌時往往可以得到對於這一藥物具有抗性的細菌，因此曾經認為細菌的抗藥性的產生是藥物引起的，是定向的適應而不是隨機的突變。S.盧裡亞和M.德爾佈呂克在1943年首先用波動測驗方法證明在大腸桿菌中的抗噬菌體細菌的出現和噬菌體的存在無關。J.萊德伯格等在1952年又用印影接種方法證實瞭這一論點。方法是把大量對於藥物敏感的細菌塗在不含藥物的培養基表面，把這上面生長起來的菌落用一塊滅菌的絲絨作為接種工具印影接種到含有某種藥物的培養基表面，使得兩個培養皿上的菌落的位置都一一對應。根據後一培養基表面生長的個別菌落的位置，可以在前一培養皿上找到相對應的菌落。在許多情況下可以看到這些菌落具有抗藥性。由於前一培養基是不含藥的，因此這一實驗結果非常直觀地說明抗藥性的出現不依賴於藥物的存在，而是隨機突變的結果，隻不過是通過藥物將它們檢出而已。
稀有性 在第一個突變基因發現時，不是發現若幹白色復眼果繩而是隻發現一隻，說明突變是極為稀有的，也就是說野生型基因以極低的突變率發生突變（一些有代表性的基因突變率見表）。在有性生殖的生物中，突變率用每一配子發生突變的概率，也就是用一定數目配子中的突變型配子數表示。在無性生殖的細菌中，突變率用每一細胞世代中每一細菌發生突變的概率，也就是用一定數目的細菌在分裂一次過程中發生突變的次數表示。
幾種生物的基因突變率
可逆性 野生型基因經過突變成為突變型基因的過程稱為正向突變。正向突變的稀有性說明野生型基因是一個比較穩定的結構。突變基因又可以通過突變而成為野生型基因，這一過程稱為回復突變。從表中同樣可以看到回復突變是難得發生的，說明突變基因也是一個比較穩定的結構。不過，正向突變率總是高於回復突變率，這是因為一個野生型基因內部的許多位置上的結構改變都可以導致基因突變，但是一個突變基因內部隻有一個位置上的結構改變才能使它恢復原狀。
除瞭由於DNA片段的缺失所造成的基因突變以外，一切突變基因都能通過回復突變而成為野生型基因，這就是基因突變的可逆性。
種類 基因突變可以是自發的也可以是誘發的。自發產生的基因突變型和誘發產生的基因突變型之間沒有本質上的不同，基因突變誘變劑的作用也隻是提高瞭基因的突變率。
按照表型效應，突變型可以區分為形態突變型、生化突變型以及致死突變型等。這樣的區分並不涉及突變的本質，而且也不嚴格，因為形態的突變和致死的突變必然有它們的生物化學基礎，所以嚴格地講一切突變型都是生物化學突變型。
按照基因結構改變的類型，突變可分為堿基置換、移碼、缺失和插入4種。
① 堿基置換突變 一對堿基的改變而造成的突變稱為堿基置換突變，其中一個嘌呤為另一個嘌呤所取代，一個嘧啶為另一個嘧啶所取代的置換稱為轉換；而一個嘌呤為一個嘧啶所替代，一個嘧啶為一個嘌呤所替代則稱為顛換（圖1）。
② 移碼突變 一對或少數幾對鄰接的核苷酸的增加或減少，造成這一位置以後的一系列編碼發生移位錯誤的突變，稱為移碼突變。
③ 缺失突變 基因也可以因為較長片段的DNA的缺失而發生突變。缺失的范圍如果包括兩個基因，那麼就好象兩個基因同時發生突變，因此又稱為多位點突變。由缺失造成的突變不會發生回復突變。所以嚴格地講，缺失應屬於染色體畸變。
④ 插入突變 一個基因的DNA中如果插入一段外來的DNA，那麼它的結構便被破壞而導致突變。大腸桿菌的噬菌體Mu-1和一些插入順序(IS)以及轉座子（見轉座因子）都是能夠轉移位置的遺傳因子，當它們轉移到某一基因中時，便使這一基因發生突變。許多轉座子上帶有抗藥性基因，當它們轉移到某一基因中時，一方面引起突變，另一方面使這一位置上出現一個抗藥性基因。插入的DNA分子可以通過切離而失去，準確的切離可以使突變基因回復成為野生型基因。這一事件的出現頻率並不由於誘變劑的處理而提高。
按照遺傳信息的改變方式，突變又可分為錯義、無義兩類。
① 錯義突變 一對堿基的改變而使某一氨基酸的密碼子（見遺傳密碼）變為另一氨基酸的密碼子的突變型。不過同一氨基酸常為幾個密碼子所代表，所以一對堿基的改變雖然可以使密碼子改變，卻不一定帶來氨基酸的改變，稱之為同義突變型。由於同義突變不帶來表型上的變化，一般不易被發現，所以通常在遺傳學中不被單獨列出。例如GU嶎(纈氨酸)變為GU奟（纈氨酸）是同義突變型，G掻C變為GC嶎（丙氨酸）便是錯義突變型。
② 無義突變 一對堿基的改變而使某一氨基酸的密碼子變為一個終止密碼子的突變。無義突變型可以由堿基置換產生，例如酪氨酸密碼子 UAG變為無義密碼子UAG。無義突變也可以由移碼產生，例如假定野生型的一部分核苷酸順序是…AAG、GUC、GCU、AGG…，它所編碼的氨基酸是……賴氨酸、纈氨酸、丙氨酸、絲氨酸。由於核苷酸G的插入而成為…AAG、GGU、CGC、UAG…時，它所編碼的氨基酸便成為賴氨酸、甘氨酸、精氨酸、無義密碼子UAG，肽鏈合成就到此為止。
機制 堿基置換突變的誘發 可以通過兩個途徑即堿基結構類似物的參入和誘變劑或射線引起的化學變化來進行。
① 類似物的參入 5-溴尿嘧啶(BU)是胸腺嘧啶的結構類似物。它隻是在第5位碳原子上以溴原子代替瞭胸腺嘧啶的甲基(─GH3)，並且因此更易以烯醇式出現（圖2）。
大腸桿菌在含有BU的培養基中培養後，細菌的DNA中的一部分胸腺嘧啶被BU所取代，並且最後在培養物中可以發現有少數突變型細菌出現，取代BU的量愈大則突變型愈多。突變型細菌在不含有BU的培養基中長久培養時，不改變它的突變型性狀，可是把突變型細菌在含有BU的培養基中培養後，又可以發現少數由於發生回復突變而出現的野生型細菌。BU的誘變作用可以圖3表示。
首先在DNA復制過程中酮式的BU代替瞭胸腺嘧啶T而使A：T堿基對變為A：BU，在下一次DNA復制中烯醇式的BU*和鳥嘌呤G配對而出現G∶BU堿基對，最後在又一次復制中鳥嘌呤G和胞嘧啶C配對而終於出現G：C堿基對，完成瞭堿基的置換。這裡BU所起的作用是促成這一置換，起促成作用的原因是由於嘧啶的5位上溴原子代替瞭甲基後便較多地出現烯醇式的嘧啶。
同一理論還可以用來說明 BU是怎樣誘發
的置換突變或者
突變型的回復突變(圖4)
2-氨基嘌呤等其他堿基結構類似物同樣具有誘變作用。
② 藥物或射線引起的化學變化 亞硝酸能夠作用於腺嘌呤(A)的氨基而使它變為次黃嘌呤(HX)；可以作用於胞嘧啶(c)而使它變為尿嘧啶(U)。這兩種氨基到酮基的變化帶來堿基配對關系的改變，從而通過DNA復制而造成A∶T→G∶C或者 G∶C→A∶T置換（圖5）。
羥胺隻和胞嘧啶發生專一性的反應，所以它幾乎隻誘發
置換而不誘發
置換。此外，pH值低或高溫都可以促使DNA分子失去堿基特別是嘌呤，導致堿基置換。
紫外線的照射使DNA分子上鄰接的堿基形成二聚體，主要是胸腺嘧啶二聚體T-T。二聚體的形成使DNA雙鏈呈現不正常的構型（見DNA損傷修復），從而帶來致死效應或者導致基因突變，其中包括多種類型的堿基置換。
移碼突變的誘發 誘發移碼突變的誘變劑種類較少，主要是吖啶類染料（圖6）。這些染料分子能夠嵌入DNA分子中，從而使DNA復制發生差錯而造成移碼突變。
定向誘變 利用重組DNA技術使DNA分子在指定位置上發生特定的變化，從而收到定向的誘變效果。例如將DNA分子用某一種限制性核酸內切酶處理，再用分解DNA單鏈的核酸酶S1處理，以去除兩個粘性末端的單鏈部分，然後用噬菌體T4連接酶將兩個平頭末端連接起來，這樣就可得到缺失瞭相應於這一限制性內切酶的識別位點的幾個核苷酸的突變型。相反地，如果在四種脫氧核苷三磷酸(dNTP)存在的情況下加入DNA多聚酶Ⅰ，那麼進行互補合成的結果就得到多瞭相應幾個核苷酸的兩個平頭末端。在T4接連酶的處理下，便可以在同一位置上得到幾個核苷酸發生重復的突變型。
在指定的位置上也可以定向地誘發置換突變。誘變劑亞硫酸氫鈉能夠使胞嘧啶脫氨基而成為尿嘧啶，但是這種作用隻限於DNA單鏈上的胞嘧啶而對於雙鏈上的胞嘧啶則無效。用識別位點中包含一個胞嘧啶的限制性內切酶處理DNA分子，使粘性末端中的胞嘧啶得以暴露（例如HindⅢ的識別位點是
，經限制酶HindⅢ處理後得到粘性末端
，中間的這一胞嘧啶便暴露瞭）。經亞硫酸氫鈉處理後胞嘧啶(c)變為尿嘧啶(U)。通過DNA復制原來的堿基對C∶G便轉變成為 T∶A。這樣一個指定位置的堿基置換突變便被誘發。
還可以把人工合成的低聚核苷酸片段引入基因組中，以一定的方式改變某一基因等。
自發突變機制 所謂自發突變是指未經誘變劑處理而出現的突變。從誘變機制的研究結果來看，自發突變的原因不外乎以下幾種。①背景輻射和環境誘變。短波輻射在宇宙中隨時都有，實驗說明輻射的誘變作用不存在閾效應，即任何微弱劑量的輻射都具有某種程度的誘變作用，因此自發突變中可能有一小部分是短波輻射所誘發的突變，有人估計果蠅的這部分突變約占自發突變的0.1％。此外，接觸環境中的誘變物質也是自發突變的一個原因。②生物自身所產生的誘變物質的作用。過氧化氫是一種誘變劑。在用過氧化氫作誘變處理時加入過氧化氫酶可以降低誘變作用，如果同時再加入氰化鉀(KCN)則誘變作用又重新提高。這是因為KCN是過氧化氫酶的抑制劑。另外又發現在未經誘變處理的細胞群體中加入KCN時，可以提高自發突變率，說明細胞自身所產生的過氧化氫是一部分自發突變的原因。在一些高等植物和微生物中曾經發現一些具有誘變作用的物質，在長久儲藏的洋蔥和煙草等種子中也曾經得到具有誘變作用的抽提物。③堿基的異構互變效應。天然堿基結構類似物5-溴尿嘧啶所以能誘發堿基置換突變，是因為5位（圖2）上的溴原子促使BU較多地以烯醇式結構出現。在正常的情況下酮式和烯醇式之間的異構互變也以極低的頻率發生著，它必然同樣地造成一部分並不起源於環境因素的自發突變。此外，推測氨基和亞氨基之間的異構互變同樣是自發突變的一個原因。嚴格地講，這才是真正的自發突變。核苷酸還可以有其他形式的異構互變，它們同樣可能是自發突變的原因。
影響因素 內在因素 突變是一系列變化的結果。影響這一系列變化的任何一個環節的因素都會對於突變型的出現有一定的影響。
誘變劑接觸DNA以前必須首先進入細胞，才能誘發突變。高等植物對於紫外線的誘變作用較不敏感的原因就是因為紫外線不易穿透它的細胞壁。化學藥品的滲透和細胞膜的結構有很大的關系。鼠傷寒沙門氏菌有一個改變細胞膜成分的突變型深度粗糙(rfa)，它使細胞膜對於許多藥物的滲透性增大，從而提高瞭細胞對許多化學誘變劑的敏感性。
細胞中的酶可以破壞進入細胞的誘變劑，從而減弱誘變效果。例如，過氧化氫酶可以減弱過氧化氫的誘變效果。一些沒有誘變作用的物質也可以因為細胞中的酶的活化作用而使該物質轉變成為誘變劑，這些物質稱為前誘變劑。例如陸蒽酮本身沒有誘變作用，但可以通過肝臟中的羥化酶的作用而轉變為誘變劑海蒽酮(圖7)。
誘變劑接觸DNA以後，能使DNA發生局部的損傷，這些損傷如果未經修復，便可阻礙DNA的復制而造成細胞死亡。修復DNA損傷的機制有兩類：一類稱為無誤修復，它使DNA恢復原狀但不帶來突變；另一類稱為易誤修復或稱錯誤傾向修復，它使DNA復制繼續進行，但也常同時帶來基因突變。
細胞中有關DNA損傷修復的酶活性的改變，可以改變細胞對於誘變劑的殺傷作用或誘變作用的反應。由於基因突變而使不論哪一種有關DNA損傷修復的酶失活時，都必然導致細胞對於紫外線或其他誘變劑的殺傷作用變得更為敏感。可是就誘變結果來講，則要看這酶是涉及無誤修復，還是易誤修復。如果屬於前者，那麼有關的基因發生突變時將使突變更易發生，如果屬於後者，那麼有關的基因發生突變時將使突變更不易發生，因此這些突變型分別稱為增變基因和抗變基因。在大腸桿菌噬菌體T4中，基因43編碼DNA多聚酶。基因43的突變型有兩種。一種是增變基因，它的DNA多聚酶的核酸外切酶活性和多聚酶活性之比小於野生型的DNA多聚酶；另一種是抗變基因，它的DNA多聚酶的這兩種活性比大於野生型的DNA多聚酶。在其他生物如大腸桿菌、酵母菌和一些真核生物中也曾發現增變基因。
外界因素 ① 溫度，基因突變包括一系列生物化學變化，所以溫度對於基因突變有一定的影響。在大腸桿菌中，組氨酸缺陷型(his-)在15℃到37℃范圍內溫度每升高10℃自發回復突變率提高1～1.5倍，在0℃時不發生自發突變。果蠅的致死突變的溫度系數也在這范圍內。在微生物和果蠅中，較短時間的溫度改變，特別是不適宜於生存的較高溫度的處理，都可以誘發突變；在果蠅中還有-6℃低溫處理誘發突變的報道。②培養基成分，SOS是一種經誘導後才出現的易誤修復機制。和誘導酶的合成一樣，蛋白質合成是使細菌細胞中出現SOS機制的必要因素，所以培養基中一切影響蛋白質合成的因素都會影響基因突變。③抗變劑和助變劑，能夠促進另一誘變劑的作用的物質稱為助變劑。例如，色氨酸燒焦後產生兩種誘變劑和助變劑。
已經知道亞硝基胍(NTC)是一種高效誘變劑。在一定條件下，NTG的誘變效果能被氯化鈷和活體紅細胞中的含硫化合物減低，說明氯化鈷和紅細胞中存在著的某種物質具有抗變作用。這些能夠降低自發或誘發突變率的物質稱為抗變劑。此外，某些多肽如白肽素等也都被證明是抗變劑。
應用 對於人類來講，基因突變可以是有用的也可以是有害的。
誘變育種 通過誘發使生物產生大量而多樣的基因突變，從而可以根據需要選育出優良品種，這是基因突變的有用的方面。在化學誘變劑發現以前，植物育種工作主要采用輻射作為誘變劑；化學誘變劑發現以後，誘變手段便大大地增加瞭。在微生物的誘變育種工作中，由於容易在短時間中處理大量的個體，所以一般隻是要求誘變劑作用強，也就是說要求它能產生大量的突變。對於難以在短時間內處理大量個體的高等植物來講，則要求誘變劑的作用較強，效率較高並較為專一。所謂效率較高便是產生更多的基因突變和較少的染色體畸變。所謂專一便是產生特定類型的突變型。例如在大麥中發現對於誘發抗白粉病突變型來講，甲基磺酸乙脂的誘變作用高於 X射線一倍以上。在番茄中，發現肼誘發的花青素突變型較多，而羥胺則誘發的某些形態突變型較多，這種誘變作用專一的原因還不清楚。
害蟲防治 用誘變劑處理雄性害蟲使之發生致死的或條件致死的突變（見致死突變型），然後釋放這些雄性害蟲，便能使它們和野生的雄性昆蟲相競爭而產生致死的或不育的子代。
誘變物質的檢測 多數突變對於生物本身來講是有害的，人類的癌癥的發生也和基因突變有密切的關系，因此環境中的誘變物質的檢測已成為公共衛生的一項重要任務。
從基因突變的性質來看，檢測方法分為顯性突變法、隱性突變法和回復突變法三類。①顯性致死突變法，用待測物質處理雄性小鼠，使處理的雄鼠和未處理的雌鼠交配，觀察母鼠子宮中的死胎數，死胎數愈多則說明誘發的顯性致死突變愈多。這一方法適用於慢性處理，其優點是可靠性較大，而且測試對象是哺乳動物。缺點是不能區別出藥物對遺傳物質的誘變作用和對於胚胎發育的其他毒理效應。②隱性突變法，一般采用某些隱性突變基因呈雜合狀態的動植物作為測試對象，如果經某種藥物處理後出現這一隱性性狀，便說明這一藥物誘發瞭這一隱性突變。小鼠中有多個隱性突變基因呈雜合狀態的品系，可以用它來同時測定幾個座位上誘發的基因突變。這一方法的優點是所測得的是哺乳動物中的基因突變，缺點是靈敏度較低，而且必須具備特殊的動植物品系，實驗周期也較長。CIB法是用果蠅作為測試對象的一種檢測方法。主要用來檢測 X染色體上發生的隱性致死突變。果蠅的生活周期較短，所以這一方法的實驗周期也較短。③回復突變法，一種根據回復突變誘發頻率檢測誘變物質的方法，由B.艾姆斯在1973年所首創，又稱艾姆斯測驗。測試對象是鼠傷寒沙門氏菌的幾個組氨酸缺陷型菌株，包括堿基置換突變型和移碼突變型。在檢測系統中還包括大鼠的肝臟微粒體活化系統(S9)，其中的酶能使一些前誘變劑轉變為誘變劑。雖然在這裡測試對象是細菌，而不是哺乳動物，但是由於這一檢測系統簡便易行，靈敏度較高，所以常用來作為誘變物質檢測初步篩選的短期測試系統，用這種方法已經對幾百種物質進行瞭測試，發現大約90％的致癌物質具有誘變作用。④中間宿主擴散盒法，為瞭能使回復突變法更接近於哺乳動物活體中的情況，有人把測試的細胞放在一種特制的小盒中，小盒的膜隻允許溶液通過。把這種小盒埋藏在動物腹腔內，用待測物質處理動物，經過一定的時間後把小盒取出，測定小盒中被誘發回復突變的細胞數。
除瞭用來檢測基因突變的許多方法以外，還有許多用來檢測染色體畸變和姐妹染色單體互換的測試系統。當然對於藥物的致癌活性的最可靠的測定是哺乳動物體內致癌情況的檢測。但是利用微生物中誘發回復突變這一指標作為致癌物質的初步篩選，仍具有重要的實際意義（見毒理遺傳學）。
參考書目
C.Auerbach，Mutation Research Problems Resultsand Perspectives，CHapman &Hall Ltd.，London，1976.