适应性突变的三种主要解释模型及本质属性

1、适应性突变的四种主要解释模型及本质曲 竞 超目录前言3.“定向突变模型”与适应性突变的选择条件特异性5 .“定向突变模型” 5 .“转录相关性突变模型” 7. “局域超突变模型”及其对发生于Lac系统的适应性突变现象的解释8.“局域超突变型”8.Lac系统及发生于Lac系统的适应性突变现象9.发生于Lac系统的适应性突变的遗传特性和遗传要求 12.“局域超突变模型”对发生于Lac系统的适应性突变现象的解释17 .“广域压力诱导突变模型”及其对发生于Lac系统的适应性突变现象的解释19 .“广域压力诱导突变模型”19.“广域压力诱导突变模型”对发生于Lac系统的适应性突变现象的解释20 .“广域

2、压力诱导突变模型”与“局域超突变模型”之间的分歧21 .“广域压力诱导突变模型”与“局域超突变模型”之间的共性23.“扩增突变模型”及其对发生于Lac系统的适应性突变现象的解释24.“扩增突变模型”24.“扩增突变模型”对发生于Lac系统的适应性突变现象的解释25 .“扩增突变模型”与“广域压力诱导突变模型”和“局域超突变模型”之间的共性30 .“局域超突变模型”和“扩增突变模型”之间的争论31.罗斯和安德森等人对“局域超突变模型”的检验和反驳31 . 黑斯廷斯和罗森博格等人对“扩增突变模型”的检验和反驳35 . 黑斯廷斯和罗森博格等人对发生于Lac系统的适应性基因扩增过程的研究与解释42.福

3、斯特等人对“扩增突变模型”的反驳46.其它实验系统中的适应性突变现象51. Phe系统中的适应性突变现象51. purRS系统中的适应性突变现象53. 结论55注释63参考文献101前言适应性突变现象是指“能导致细胞生长的有益突变在因受选择压力而处于静止期的细胞中不断产生并积累”的一种实验现象。该现象于1988年被J盖恩斯等人首先发现并从生物进化和适应的角度加以诠释，进而由于其呈现出的拉马克式的生物进化模式（以及盖恩斯等人对其进行的带有拉马克主义色彩的激进诠释）和其在众多基础研究领域（如：对微生物致病性与抗药性的形成机理的研究以及对肿瘤的演进机制和化学疗法抗药性的形成机理的研究）中蕴含的巨大潜

4、在价值，在生物学界引起了持久而激烈的争论，并得到了广泛和深入的研究。在从1988年至今的近20年时间里，生物学家设计了大量复杂、精巧的实验，并在此基础上提出了许多解释模型，力图揭示适应性突变的分子机制，并加深对它的实质性理解。本综述将主要对现有的适应性突变的四个主要解释模型（“定向突变模型”、“局域超突变模型”、“广域压力诱导突变模型”和“扩增-突变模型”）及其之间的争论和相关的重要研究成果进行考察，并表明：现有的适应性突变的多数主要解释模型以及越来越多的有关研究成果都倾向于支持这样一种结论，即“适应性突变虽然不以选择条件特异性为其本质属性，但仍是细胞在处于静止期时凭借（一系列）特殊的（和相互

5、关联的）分子机制对选择压力做出的一种反应”。（与盖恩斯等人对适应性突变现象进行的带有拉马克主义色彩的激进诠释相比，）该结论虽然是在较为传统的理论框架内对适应性突变的本质加以界定，但仍于生物进化观上与新达尔文主义不符，因为根据该结论：细胞的突变率不是固定不变的，而是可以根据选择压力调节变化的；在进化和适应的过程中，细胞不是完全被动的，而是能够凭借（一系列）特殊的（和相互关联的）分子机制感受环境变化并通过提高基因组的可变性而作出积极响应的。此种有悖于新达尔文主义的生物进化观向人们展示了一幅更为复杂的生物进化图景。在该图景中，信息在生物体的遗传环境、体质环境和生物体所处的生态环境之间的流动是双向的而

6、非单向的。此种生物进化图景虽然还远未得到确立，但的确正在适应性突变这一研究领域中得到越来越多的分子遗传学证据（而非纯粹思辩或表观经验）的支持。因此，我们越来越有理由相信：对适应性突变现象的持续、深入的研究将对整个生物学思想进而对整个生物学及医学实践领域的发展产生积极而深远的影响。 作者二零零八年壹月 于萨格勒布.“定向突变模型”与适应性突变的选择条件特异性.“定向突变模型”SE卢里亚和M德尔布吕克以及J莱德博格等人分别于1943年和1952年通过遗传实验证明：细菌的某些突变是随机发生的，与选择条件无关（或者说是对于适应价值而言随机发生而非“预先选择”的）。此后, 这一结论被随意地扩大了，并集中

7、反映于新达尔文主义关于突变的观点：自然界中的所有突变都是随机发生的，自然选择对自发突变的频率没有直接影响。事实上，卢里亚和德尔布吕克以及莱德博格等人的实验分别采用了T1烈性噬菌体和链霉素作为选择条件，而二者对任何未获得正确突变的大肠杆菌菌株都是致死性的，而且现已证明T1抗性和链霉素抗性突变都是隐性的。因此，这些实验均不能排除选择条件引起适应性突变的可能性。德尔布吕克和JA夏皮罗曾先后于1946和1984年指出该点，但长期以来，突变仅以恒定的频率随机发生的观点仍为绝大多数生物学家所认同和坚持。1988年，J盖恩斯等人在自然杂志上发表题为“突变体的起源”的论文，其中描述了他们在一个设计巧妙的实验中

8、观察到的实验现象：在被置于以乳糖为唯一的碳及能量来源的培养基（后简称：乳糖培养基）后，埃希氏大肠杆菌（Escherichia coli）的乳糖缺陷型（Lac-）菌株SM1951停止了生长，但随时间的推移，能够重新利用乳糖生长的突变体（Lac+突变体）持续出现和积累，与此同时没有检测到与乳糖选择条件无关的颉安酸抗性突变体的出现和积累（注：在该实验中，乳糖作为唯一的选择条件，是非致死性的。）。此外，如果将SM195放在不含任何糖类的培养基中延长培养，则检测不到Lac+突变体的出现和积累。根据这些实验现象，盖恩斯及其合作者认为，他们进行的实验表明：从不能利用乳糖到能利用乳糖的突变不是随机的，而是细胞

9、在乳糖的诱导下凭借特殊的（或者说，与新达尔文主义者唯一认可的自发随机突变的发生机制不同的）分子机制特异性的产生的，并将此种突变命名为“适应性突变”。（6）由于具有选择条件特异性，此时的“适应性突变”又是“定向突变”的同义语。盖恩斯等人对其发现的适应性突变现象的解释确立了“定向突变模型”。根据该模型，细胞在受到选择压力时，可通过特殊的分子机制特异性的产生能使选择压力得到缓解的突变；适应性突变实质上是细胞在处于静止期时, 通过特殊的分子机制对选择压力做出的一种特异性反应。显然，“定向突变模型”所持的生物进化观和适应性突变的本质观与新达尔文主义根本不符，并在一定程度上带有拉马克主义的色彩（注：不是严

10、格意义上的拉马克式的，因为拉马克主义的核心是后天获得性状可以遗传，而严格意义上的后天获得性遗传是指：在遗传物质未改变的情况下，生物体在生活期内获得的新性状就能够遗传。）。至于适应性突变的发生机制，盖恩斯等人提出了一些假设。其中，最为激进的一种认为：选择条件可指示细胞应发生何种突变。根据该假设：细胞在受到选择压力而处于静止期时，某些偶发的转录错误可能使其某（个）些蛋白质的结构发生有利于缓解选择压力的改变；细胞可通过这（个）些蛋白质（对选择压力的缓解作用）感知选择条件，并锁定与其有关的mRNA，继而通过逆转录酶改变相应的DNA序列，将这（个）些mRNA所携带的信息写入基因组（6）2。除了盖恩斯等人

11、使用的SM195菌株，具有选择条件特异性的适应性突变现象也在其它许多实验系统中被观察到。其中，最引人注目的是BG霍尔于1997年采用ebg系统对适应性突变的选择条件特异性进行的研究：ebg系统在以乳糖或乳糖结构类似物（lactulose）为选择条件的培养基上不能生长，当其被置于乳糖培养基以选择能够生长的自发突变体时，仅有两种类型的突变体产生和积累：第一类突变体（Lac+Lu-）由ebgA基因的G1556 A突变导致，可利用乳糖正常生长, 而不能利用lactulose生长；第二类突变体(Lac+Lu+)由ebgA基因的G4223C或T突变导致，可利用lactulose正常生长，亦可利用乳糖生长，

12、但其利用乳糖的生长速度低于第一类突变体。霍尔在以ebg系统为平台进行的实验中，将受试菌株涂布于lactulose选择平板，以观察第一类突变体的出现和积累情况。结果显示：尽管两个突变位点处于同一基因，并且第一类突变在lactulose选择条件下呈中性，从而不会受到负选择的影响，但在lactulose选择条件下仍然只能检测到第2类突变体的产生和积累。该实验表明：适应性突变的确具有选择条件特异性。（8）3.“转录相关性突变模型”由于被认为具有选择条件特异性，从而在一定程度上带有拉马克主义的色彩，适应性突变现象在1988年被盖恩斯等人发现并予以激进诠释后，便立即在生物学界引起广泛、持久和激烈的争论，各

13、种试图替代“定向突变模型”并在较为传统的理论框架内消解或解释适应性突变现象的假设大量涌现。在此过程中，许多简单琐碎的假设（这些假设大都将超突变现象简单的归因于实验过程中可能存在的技术疏漏，比如：假设“所有适应性突变实际上在细胞尚未受到选择压力并处于正常生长状态时就已经偶然发生”以及“饥饿状态或作为选择条件的乳糖本身具有诱变性”等等。（12）（14）被排除了，但还有一些较为系统化的假设，作为适应性突变的解释模型，则不仅具有较强的解释能力并拥有一定数量的实验证据的支持，还提出了一些富有启发性的新观点，从而至今仍得到广泛、深入的研究和探讨。在这些解释模型中，最早被提出的是“转录相关性突变模型”，但最

14、重要的也是相互间争论最激烈的则是“局域超突变模型”、“广域压力诱导突变模型”和“扩增突变模型”（分别见第、章）。本节将仅对“转录相关性突变模型”加以介绍。“转录相关性突变模型”（transcription associated mutation model）由BD戴维斯于1989年提出。该模型假设：当细胞因受选择压力而处于静止期时，可通过特定的反馈机制，导致其基因组中的被选基因（或称目标基因）转录效率的提高（促进被选基因的转录是选择条件在适应性突变过程中所具有的唯一作用。）；基因转录效率的提高可导致其单链DNA的暴露频率的增加，进而导致其突变率的提高4；被选基因突变率的提高可大幅提高正确突变的

15、出现几率，并同时保持细胞基因组中的非选择区域的结构与功能的完整性。（15）该模型提出了一种具有基因导向性（或者说具有偏向性的随机性）而非选择条件特异性的适应性突变发生机制（其非选择条件特异性体现在：即使通过被选基因的频繁转录而发生于被选基因内部的突变也可以是多种多样的，其中只有少数有助于缓解选择压力，而其余的绝大部分则呈中性或对生物体有害。）（16），但后来被证明不能解释盖恩斯等人在1988年实验中观察到的适应性突变现象5，并得到霍尔以ebg系统为平台进行的有关实验的有力反驳6。尽管如此，对适应性突变而言，转录过程仍是不可或缺的，因为在受到选择压力并处于静止期时，如果没有被选基因的转录，细胞就

16、无法从这些基因发生的适应性突变中获益，适应性突变也就无法得到固定（7）（12）。此外，虽然不能解释发生于SM195菌株和ebg系统中的适应性突变现象，但有关研究显示：转录相关性突变仍可能是某些生物系统（比如：酵母菌和人体免疫系统）的具有基因导向性的适应性突变策略的有机组成部分（1618）。从“转录相关性突变模型”对适应性突变现象的解释可以看出该模型所持的适应性突变的本质观和生物进化观：适应性突变虽然在本质上不具有选择条件特异性，但仍然是细胞在处于静止期时凭借特殊的分子机制对选择压力做出的一种反应；突变在细胞基因组中的各个基因位点的发生频率不是固定的，而是可以在一定程度上根据这些位点与细胞面临的

17、选择压力的相关性而调节变化的。. “局域超突变模型” 及其对发生于Lac系统的适应性突变现象的解释.局域超突变模型“局域超突变模型”由霍尔于1990年，在以E.coli的色氨酸缺陷型菌株（trp-）为材料的实验基础上提出。该模型假设：在因受选择压力而处于静止期的细胞群体中，有一小部分个体会暂时进入突变率明显提高的状态，即所谓的超突变状态。在这种状态中，不仅正确突变的发生频率会显著提高，非选择性突变（其中绝大部分对细胞有害）的发生频率也会大幅提升。那些在超突变状态中获得了正确突变并能在产生有害突变前及时脱离该状态的个体得以重新利用乳糖快速生长，而那些在获得正确突变前后产生了有害突变的超突变体将很

18、快消亡。（19）（20）与“定向突变模型”相比，“局域超突变模型”为适应性突变现象提供了一种较为传统的解释。它暗示：研究人员在其各自进行的试验中观察到的适应性突变现象实际上并不具有选择条件特异性，其显示出的选择条件特异性乃是源于超突变状态造成的假象。1995和1997年，“局域超突变模型”分别得到S龙格里奇等人（21）、PL福斯特（22）、L托克尔森等人（23）和SM罗森博格等人（24）以Lac系统（见下文）为平台进行的有关实验的有力支持7，从而逐渐得到较为普遍的承认和接受。与此同时，适应性突变的原本含义也发生了变化，仅指细胞在受到选择压力并处于静止期时发生的突变（其中，至少某些突变对缓解选择

19、压力有利）8，“定向突变模型”作为适应性突变的一种一般解释模型因此而逐渐式微。.Lac系统及发生于Lac系统的适应性突变现象虽然“局域超突变模型”对适应性突变现象做出了一种较为传统的解释，并使适应性突变的原本含义发生了变化，但霍尔最初据以提出该模型的实验也同时表明: trp+突变在受到色氨酸选择压力并处于静止期的trp-菌株中的发生频率要远高于其在未受到色氨酸选择压力并处于正常生长状态的trp-菌株中的发生频率，而且在trp-菌株被置于色氨酸培养基后，trp+突变的产生和积累体现出明显的时间而非复制相关性，从而表明其在形成机制上不同于几乎被新达尔文主义者所唯一认可（或所唯一认知）的依赖于细胞生

20、长的自发随机突变（或者说，由于在基因组复制过程中偶发的复制错误而形成的突变）（19）9。相同的情况也清晰的存在于“局域超突变模型”得到有力支持的Lac系统中。Lac系统亦即E.coli乳糖移码回复系统，由盖恩斯和福斯特于1991年建立。该系统以E.coli的乳糖缺陷型菌株FC40为载体。FC40菌株无法利用乳糖生长（从而呈现Lac-表型），因为其染色体上的Lac区域已被删除，而位于其F质粒上的lacZ基因又因发生了由单碱基重复导致的（+1）移码突变，而不能编码具有正常的乳糖分解功能的-半乳糖苷酶。由于发生于lacZ基因的（+1）移码突变为渗漏型突变，从而由该基因编码的-半乳糖苷酶仍具有一定的化

21、学活性（仅约为野生型-半乳糖苷酶化学活性的12%），所以乳糖代谢途径在FC40菌株中的重建，或者说FC40菌株从Lac-表型向Lac+表型的回复，可通过两条途径实现：“补偿性（-1）移码突变（Lac+点突变）在LacZ基因内发生”或“Lac-等位基因发生扩增”。其中，前者导致Lac+突变体的形成，而后者则导致扩增型Lac+回复子的形成。需要注意的是：一方面，与Lac+突变体相同，扩增型Lac+回复子亦可在FC40菌株被置于乳糖培养基后约一周时间内，导致Lac+菌株菌落的形成和出现；另一方面，与Lac+突变体不同，扩增型Lac+回复子的Lac+表型源自通过（依赖于重组的）基因扩增过程产生的冗余L

22、ac-等位基因拷贝，而这些冗余Lac-等位基因拷贝又可在继发的重组过程中丢失（deamplification），从而使扩增型Lac+回复子再度呈现Lac-表型，因而扩增型Lac+回复子的Lac+表型是不稳定的，这构成了在有关实验中鉴别Lac+突变体菌落和扩增型Lac+回复子菌落的基础。（14）（28）（29）与SM195相比，适应性突变在FC40菌株中的发生机制更加独特和单纯（见下文），这使得以FC40菌株为载体的Lac系统成为研究适应性突变现象的一个更为理想的平台。自Lac系统建立至今，与适应性突变有关的绝大多数研究工作都是以Lac系统为平台开展的，而与适应性突变有关的大多数主要争论也都是在

23、Lac系统中展开和进行的（详见第章）。在建立Lac系统的同时，盖恩斯和福斯特亦通过有关实验，对发生于Lac系统的适应性突变现象做了以下定量化的范例性描述：（一）在FC40菌株被置于乳糖培养基后的头2天里，有少数Lac+菌株菌落出现10（仅占在FC40菌株被置于乳糖培养基后一周内出现的所有Lac+菌株菌落的5-10%）。这些Lac+菌株菌落在各独立乳糖培养基中的数量分布呈卢里亚德尔布吕克分布，从而表明其源自在被置于乳糖培养基前的FC40菌群中产生的Lac+回复子（注：在被置于乳糖培养基前，FC40菌株尚未受到选择压力，并在基本培养基中处于每小时分裂一次的生长状态，Lac+突变在其中发生的频率约为

24、10-9细胞/世代。），因而是非适应性的。至少在FC40菌株被置于乳糖培养基后的第3-5天里，Lac+菌株菌落以几乎恒定的速度快速出现和积累。这些Lac+菌株菌落在各独立乳糖培养基中的数量分布呈泊松分布，从而表明其（至少其中的绝大多数）源自在被置于乳糖培养基后的FC40菌群中产生的Lac+回复子（注：在被置于乳糖培养基后，FC40菌株因受到选择压力而进入静止期，Lac+突变在其中发生的频率约为10-8/细胞/小时。），因而是适应性的11。在FC40菌株被置于乳糖培养基5天后，出现的Lac+菌株菌落的总数量达到约100个/108细胞1213。（14）（二）在FC40菌株被置于乳糖培养基后的5天里

25、，培养基中的Lac-菌株数量始终保持稳定，或者说，始终未发生任何可测变化（即2倍的增加或减少）14。（14）（三）适应性Lac+回复子只在乳糖存在的情况下产生，若将FC40菌株置于不含任何碳源的培养基中，则适应性Lac+回复子不会产生。（14）.发生于Lac系统的适应性突变的遗传特性和遗传要求在盖恩斯和福斯特1991年进行的有关工作（见上节）的基础上，研究人员又在随后的10余年时间里，通过大量的有关研究发现：虽然不具有选择条件特异性（22）（23），但在乳糖选择条件下，大多数从处于静止期的FC40菌株中产生的Lac+突变（即适应性Lac+突变）仍很可能在本质上不同于从不受选择压力并处于正常生长

26、状态的FC40菌株中随机产生的Lac+突变，因为前者具有许多不为后者所具有的遗传特性和要求:（一）均源自短单核苷酸重复序列(CCCC)的单碱基缺失（注：从不受选择压力并处于正常生长状态的FC40菌株中产生的Lac+突变是多源的，如多种多样的碱基缺失、碱基重复及移码）。（31）目前普遍认为：短单核苷酸重复序列的单碱基缺失主要发生于DNA复制过程（32），因而产生于Lac系统的大部分适应性Lac+突变很可能源自在处于静止期的FC40菌株中发生的DNA复制过程（由DNA聚合酶对DNA的复制错误导致）。（二）依赖于RecA、RecBC、RuvAB和RuvC同源重组蛋白。RecA或B或RuvA、B或C蛋

27、白的缺失或失效可分别使适应性Lac+突变的发生频率下降约100、100、10、10和20倍。（3337）RS哈里斯等人于1994年指出：对RecBC等同源重组蛋白的依赖表明，“DNA双链断裂（DSB）和由其引发的同源重组修复过程（DSBr）很可能在发生于Lac系统的适应性突变过程中发挥着重要作用”，因为RecBC蛋白（以及RecD蛋白）不仅只能识别和结合至由DSB导致的DNA双链末端（DSE），而且可与RecA、RuvAB和RuvC蛋白一起，催化DSBr过程的进行，而通过DSBr过程，又能开启很可能为大部分适应性Lac+突变的发生所必需的DNA复制过程（3337）15。该假设此后得到罗森博格等

28、人于2005和2006年取得的一系列相关实验结果的有力支持（见参考文献（108）（120）。（三）要求Lac-等位基因位于F质粒（而非其在染色体上的固有位置）以及F质粒的转移功能的表达。如果Lac-等位基因仅位于其在染色体上的固有位置，那么适应性Lac+突变的发生频率将下降约100倍，而且适应性Lac+突变的发生不再需要RecA蛋白的参与；如果F质粒的转移功能未能得到表达，那么适应性Lac+突变的发生频率将下降约10倍，但绝大多数（90%）适应性Lac+突变的发生仍然需要RecA蛋白的参与。（49-51）（也见参考文献（105）福斯特等人1995-2002年通过一系列有关实验（49-51）表明

29、：在Lac系统中，适应性Lac+突变的高频发生无需（由F质粒介导的）接合转移过程的真正发生，但需要（由F质粒编码的）TraI转移蛋白在F质粒的转移起点（oriT）进行的切刻。这种切刻即使在处于静止期的FC40菌株中也能发生，并可造成持存于oriT的单链缺口，进而导致DSBs和DSBr过程以比在染色体的任一或大多数位点上高的多的频率在F质粒的转移起点发生（具体机制见参考文献（36）（129）（130）。（四）依赖于由dinB基因编码的DNA聚合酶（Pol）16（52）。Pol的失效可使适应性Lac+突变的发生频率至少下降3倍（52）（74）17，而在处于正常生长状态的FC40菌株中，Pol的失效

30、则不会对Lac+突变的发生频率造成显著影响（52）（76）（2004年的有关实验显示：在产自不受选择压力并处于正常生长状态的E.coli菌株的自发突变中，顶多有10%与Pol和dinB操纵子所包含的其它三个基因yafNOP的表达物有关。（77）。（五）要求错配修复机制的暂时抑制（78）。18（六）依赖于RpoS转录起始因子19。RpoS转录起始因子的失效可使适应性Lac+突变的发生频率下降约10倍 20(此种下降不是因为RpoS转录起始因子的失效导致了:Lac-菌株的生长速度下降，Lac-菌株的死亡率上升、同源重组过程或F质粒的结合转移功能表达受阻)，而RpoS转录起始因子对Lac+突变在处于

31、正常生长状态的FC40菌株中的产生却具有抑制作用。(106)罗森博格等人2005年进行的有关实验进一步显示：虽然DSB本身只能在FC40菌株处于静止期时，导致其突变率的提高，但在处于正常生长状态的FC40菌株中，如果RpoS转录起始因子得到表达，细胞的突变率仍会在“DSB的发生频率没有增加，DSBr过程的进行效率没有提高，且细胞的增殖过程未受影响”的情况下，有所提升，而且整个过程亦需要Pol和TraI蛋白的参与。此外，在处于正常生长状态的FC40菌株中，如果没有DSB发生，那么RpoS转录起始因子的表达不仅不会导致细胞突变率的提高，反而会使其略有下降。由于RpoS转录起始因子仅在细胞受到诸如饥

32、饿、氧化及热击等选择压力并进入静止期时，才会激活，所以这些实验结果直接而清楚的表明：RpoS转录起始因子涉及一种特殊的分子机制，该机制可在FC40菌株受到饥饿压力并处于静止期时被开启，并完全或主要通过对Pol的调控，下调在（主要由TraI蛋白促成的DSB所引发的）DSBr过程中开启的DNA复制过程的精度，从而导致细胞突变率的提高。(108)（七）依赖于RecF蛋白。RecF蛋白的失效可使适应性Lac+突变的发生频率下降约3-5倍。(109)（八）依赖于适度的SOS反应 (14)(109)。2122至于“在发生于Lac系统的适应性突变过程中，SOS反应与上述的该过程的其它遗传要求之间的关系”，现

33、有的有关实验结果显示：（1）在dinB基因已发生无效突变的FC40菌株中，SOS反应的无法开启不能导致适应性Lac+突变的发生频率的下降（52）。该实验结果倾向于表明：首先，SOS反应在发生于Lac系统的适应性突变过程中所发挥的促进作用可完全或在很大程度上归结于其对Pol的正调控（52）。其次，PolV虽然亦可受到SOS反应的正调控，并且亦可导致非定标突变的发生频率的显著提高，但其在发生于Lac系统的适应性突变过程中不发挥作用（14）（52）（109）。最后，因为RecA及RuvAB蛋白亦为适应性Lac+突变在FC40菌株中的高频发生所必需，并且其合成数量也可在SOS反应的正调控下成倍增加，所

34、以该实验结果还倾向于表明：对发生于Lac系统的适应性突变过程而言，RecA及RuvAB蛋白在细胞中的本底水平已经足够，从而无需SOS反应的正调控（52）。（2）在SOS反应已呈组成型开启的FC40菌株中，recD基因的无效突变可使适应性Lac+突变的发生频率提高约2.5倍；在SOS反应已无法开启的FC40菌株中，recD基因的无效突变可使适应性Lac+突变的发生频率提高约4倍（这与recD基因的无效突变在可正常开启SOS反应的FC40菌株中对适应性Lac+突变造成的影响基本相同。）(120)。这两项实验结果倾向于表明：首先，（虽然可能能够促进SOS反应(119)，但）recD基因的无效突变对发

35、生于Lac系统的适应性突变过程的促进作用不通过或在很大程度上不通过促进SOS反应实现。其次，RecBCD蛋白在发生于Lac系统的适应性突变过程中的作用不能或在很大程度上不能归结为引发SOS反应。(120)（3）在FC40菌株中，发生于F质粒（因而与Lac-等位基因呈顺式排列）的DSBs能够显著促进适应性Lac+突变的发生（即能够使适应性Lac+突变以比在DSBs不存在时高的多的频率发生），而即便使DSBs仅发生于某种非选择性质粒，从而只能与（位于F质粒的）Lac-等位基因呈反式排列，那么只要在（位于非选择性质粒的）DSEs和Lac-等位基因之间放置一段同源DNA序列，以使DSEs（在经过处理后

36、）能够与F质粒相互作用，并引发可经过Lac-等位基因的DNA复制过程，适应性Lac+突变就仍能得到显著促进；否则，适应性Lac+突变得到促进的程度将十分微弱（注：无论DSBs是否与Lac-等位基因呈顺式排列，也无论DSBs与Lac-等位基因之间是否存在同源DNA序列，大部分适应性Lac+突变的发生都需要SOS反应的调控。）。(108)此外，在SOS反应已呈组成型开启的FC40菌株中，recA或ruvA、B或C蛋白的失效可使适应性Lac+突变的发生频率分别下降10倍、3倍、5倍和3倍。(120)所有这些实验结果和在以上第一点中所述的实验结果一起，有力的反驳了一种长期存在的假设，即：DSBs以及R

37、ecA和RecBC蛋白（甚或RuvAB和RuvC蛋白）在发生于Lac系统的适应性突变过程中的作用仅是引发SOS反应（进而导致Pol的合成数量的大幅增加和全基因组范围内的DNA复制精度的显著下降）而非引发和催化（在其中有可经过Lac-等位基因的DNA复制过程开启的）DSBr过程，因而是间接的，而非直接的(16)。（4）在野生型FC40菌株中，TraI蛋白的失效可导致适应性Lac+突变的发生频率下降约100倍；在SOS反应已呈组成型开启的FC40菌株中，TraI蛋白的失效可导致适应性Lac+突变的发生频率下降约5倍。这两项实验结果倾向于表明：在乳糖选择条件下，TraI蛋白对发生于Lac系统的适应性

38、突变的促进作用既通过促进SOS反应而实现，也通过其它不依赖于促进SOS反应的路径（很可能是通过在F质粒的转移起点进行的切刻，促进DSBs的形成，进而导致在其中有修复性DNA复制过程开启的DSBr过程的发生。）而实现。(120)（5）recF基因的无效突变可使适应性Lac+突变在野生型FC40菌株中的发生频率下降约3-5倍（这与SOS反应无法开启对发生于Lac系统的适应性突变过程所造成的影响基本相同。），在SOS反应已呈组成型开启的FC40菌株中的发生频率下降约3倍，但却不能导致适应性Lac+突变在SOS反应已无法开启的FC40菌株中的发生频率的下降(109)。这些实验结果表明：RecF蛋白对发

39、生于Lac系统的适应性突变的促进作用完全或在很大程度上依赖于SOS反应，但并不通过SOS反应而实现。（6）在SOS反应已无法开启的FC40菌株中，RpoS转录起始因子的失效可导致适应性Lac+突变的发生频率下降近倍（注：在野生型FC40菌株中，该数字为约10倍。），而在RpoS转录起始因子既已失效的FC40菌株中，SOS反应的无法开启却几乎不能导致适应性Lac+突变的发生频率的下降 (106)。这些实验结果倾向于表明：对发生于Lac系统的适应性突变过程而言，SOS反应的促进作用几乎完全依赖于RpoS转录起始因子，而RpoS转录起始因子的促进作用则仅在较大程度上依赖于SOS反应。（7）在SOS反

40、应已呈组成型开启的FC40菌株中，RpoS转录起始因子的失效可使Pol的细胞含量和适应性Lac+突变的发生频率分别下降约3倍和10倍。这与RpoS转录起始因子的失效在野生型FC40菌株中对Pol的细胞含量和适应性Lac+突变的发生频率造成的影响基本相同。这些实验结果倾向于表明：在被置于乳糖培养基后的FC40菌株中，RpoS转录起始因子对Pol的正调控和对适应性Lac+突变的促进作用不通过或在很大程度上不通过引发SOS反应而实现。（56）这里，应特别注意的是：根据上述第六、七两点所述的有关实验结果，RpoS转录起始因子对发生于Lac系统的适应性Lac+突变的促进作用不通过但在一定程度上依赖于SO

41、S反应，而SOS反应对发生于Lac系统的适应性突变的促进作用则几乎完全依赖于RpoS转录起始因子。由于在被置于乳糖培养基后的FC40菌株中，RpoS转录起始因子对Pol的正调控不通过或在很大程度上不通过SOS反应，而SOS反应在发生于Lac系统的适应性突变过程中所发挥的积极作用很可能完全或在很大程度上归结于其对Pol的正调控（52），所以对这些实验结果的一种可能的和统一的解释是：除影响dinB基因的转录效率外，RpoS转录起始因子还可通过对其它基因的调控，影响Pol的化学活性或DNA复制精度。. “局域超突变模型”对发生于Lac系统的适应性突变现象的解释在上一节中描述的（现已探明的）发生于La

42、c系统的适应性Lac+突变的遗传特性和要求以及其它有关实验和研究成果的基础上，目前的 “局域超突变模型”对发生于Lac系统的适应性突变现象做出以下解释：（一）发生于Lac系统的所有或大部分适应性突变都源自FC40菌群中暂时进入超突变状态的少数（约7.110-4 (121)）个体。(99)(122)（二）在被置于乳糖培养基后的FC40菌群（包含约108个个体）中，有一小部分个体同时经历了RpoS反应和（对发生于Lac系统的适应性突变而言）适度的SOS反应，并有DSBs在基因组中发生。(122)在SOS和RpoS反应的双重正调控下，Pol在细胞含量上大幅超过Pol以及E.coli的其它三种DNA聚

43、合酶（Pol I、Pol III和polV），从而在通过（由DSBs引发的）DSBr过程开启的DNA复制过程中居于主导地位（123）23。在由Pol主导的DNA复制过程中，DNA复制错误大量产生。与此同时，由于大量产生的DNA复制错误对MutL蛋白活性的限制，错配修复机制的修复能力逐渐饱和，并被暂时抑制（这有利于由Pol和Pol导致的复制合成错误固定为突变。），细胞基因组中经历在DSBr过程中开启的DNA复制过程的区域亦随之进入超突变状态。在该状态中，Lac+突变及其它非选择性突变的发生频率显著提高 (124)（注：在Lac系统中，由于大多数适应性突变都需由在DSBr过程中开启的DNA复制过程

44、介导产生，而通过TraI蛋白在F质粒的转移原点导致的DSBsF质粒上的基因位点经历此种复制过程的频率又要高于或一般要高于染色体上的基因位点，所以某一基因如Lac-等位基因在在F质粒上发生适应性突变的频率要高于或一般要高于其在染色体上发生适应性突变的频率。然而，染色体上的至少某些基因位点仍然能够经历在DSBr过程中开启的DNA复制过程。因此，具有DSBr依赖性进而具有同源重组依赖性的适应性突变仍至少能在FC40菌株染色体的某些位点上发生。(124)(125127) 24）。一旦FC40菌株在超突变状态中获得Lac+突变，从而能够利用乳糖重新生长，RpoS反应即会被关闭，错配修复机制的修复能力即会

45、（因Pol的细胞含量的下降而）逐渐恢复，细胞即会摆脱超突变状态，而SOS反应也会于较短时间内在绝大多数Lac+突变体中被关闭，从而使这些突变体的突变率回复正常。(99)(122)“局域超突变模型”对发生于Lac系统的适应性突变现象的上述解释强烈的倾向于表明：虽然在本质上不具有选择条件特异性，但适应性突变仍要求信息从环境向DNA的传递过程，并且是细胞在静止期时凭借一系列特殊的和相互关联的分子机制对选择压力做出的一种反应，它们无论在自身特性还是在形成机制上都不同于在不受选择压力并处于正常生长状态的细胞中自发产生的随机突变；细胞的突变率不是固定的，而是可以根据选择压力调节变化的。. “广域压力诱导突

46、变模型”及其对发生于Lac系统的适应性突变现象的解释. “广域压力诱导突变模型”在“局域超突变模型”的建立和发展过程中，WA罗斯彻和福斯特于1999年以Lac系统为平台，进一步对超突变体在适应性突变的产生和积累过程中所发挥的作用进行了研究，并发现：乳糖选择条件下，运动缺陷型非选择性突变（Mot-）在适应性Lac+单突变体（即仅携有适应性Lac+突变的菌株）中的发生频率（f10.07）虽然远高于其在Lac-零突变体（即不携带任何突变的Lac-菌株）中的发生频率，但却远低于其在适应性Lac+双突变体（即同时携有适应性Lac+突变和另一种非选择性突变的菌株）中的发生频率（f20.6）（托克尔森等人于

47、1997年以Lac系统为平台进行的有关实验也显示：乳糖选择条件下，Mal-非选择性突变在适应性Lac+双突变体中的发生频率约是其在适应性Lac+单突变体中的发生频率的36倍。）。而如果在处于静止期的FC40菌株中发生的所有适应性突变都源自超突变体，那么Mot-非选择性突变在适应性Lac+双突变体中的发生频率虽应远高于其在Lac-零突变体中的发生频率，但却不应比其在适应性Lac+单突变体中的发生频率更高。(96)在上述研究和有关实验结果（见.）的基础上，罗斯彻和福斯特提出了“广域压力诱导突变模型”。根据该模型，在因受选择压力而处于静止期的细胞中，只有一小部分适应性突变产自超突变体，而大部分适应性

48、突变则产自虽未进入超突变状态但突变率仍通过（一系列）特殊的（和相互关联的）分子机制得到（不同程度的）普遍提高的个体。.“广域压力诱导突变模型”对发生于Lac系统的适应性突变现象的解释“广域压力诱导突变模型”亦在一系列有关实验及研究成果（其中大部分已在第.中加以介绍）的基础上对发生于Lac系统的适应性突变现象作出了解释：（一）在被置于乳糖培养基后，FC40菌株虽已进入静止期，但仍然存在偶尔从其F质粒的复制起点（oriS或oriV）起始的DNA复制过程（注：该复制过程需要渗漏的Lac-等位基因凭借其残存的乳糖代谢能力为细胞提供的能量），而由TraI转移蛋白在F质粒的转移起点造成的单链缺口又可频繁导

49、致（起始于该质粒的复制起点的）复制叉的解体，进而导致DSEs的形成以及DSBr过程的发生。在DSBr过程中，DSEs经过RecBC（D）蛋白的处理产生出含3末端的单链DNA。继而，该单链DNA在RecA蛋白的催化下侵入供体双链DNA分子，并导致D环的形成。在D环中，修复性的DNA复制过程得以开启。此种DNA复制过程可由Pol或Pol催化进行。若是由Pol催化进行，DNA复制的精度会很高；若是由Pol催化进行，DNA复制错误便会高频发生。在FC40菌株进入静止期晚期后，Pol开始在RpoS转录起始因子的正调控下大量合成，进而压倒Pol，在（于DSBr过程中开启的）修复性DNA复制过程中居于主导。

50、当Pol对位于F质粒的Lac-等位基因进行复制时，Lac+突变便会高频发生。通过DSBr过程，解体的复制叉最终得以重建，Pol随取代Pol，继续对DNA进行复制，但此时，在该过程中形成的Holliday连结体依然存在，且必须由RuvABC蛋白催化拆分。在产生于Lac系统的所有适应性Lac+突变中，分别有66%和34%源自Pol和Pol对Lac-等位基因进行复制时发生的复制错误。(36)(94) (107)(133)（二）在FC40菌群被置于乳糖培养基后，其中的一小部分个体（约占整个菌群的0.1%）由于其Pol经历了RpoS转录起始因子和SOS反应的双重正调控，而进入超突变状态，其突变率提升至正

51、常状态下（或菌群中其它个体的突变率）的约200倍。菌群中的大部分个体虽然由于没有经历SOS反应，而未进入超突变状态，但仍然具有产生突变的能力（因为：虽然这些个体没有经历SOS反应，但在进入静止期时，其dinB基因的转录效率进而其Pol的合成数量仍会在一定程度上得到提高。），且其中大多数个体的此种能力会随其处于静止期时间的延长，而进一步增强（因为：随进入静止期的晚期，这些个体的dinB基因将逐渐受到RpoS转录起始因子的正调控，其Pol的合成数量进一步增加。）。在被置于乳糖培养基后的FC40菌株中产生的所有Lac+突变中，只有一小部分（约10%）源自菌群中进入超突变状态的个体（这约10%的Lac

52、+突变体包含了几乎所有的Lac+双突变和多突变体），绝大部分（约90%）则源自菌群中的那些虽未进入超突变状态但仍具有突变能力且该能力可随时间推移而进一步增强的个体（这约90%的Lac+突变体几乎全部是Lac+单突变体）。(96)(56)(107)(133)(134).“广域压力诱导突变模型”与“局域超突变模型”之间的分歧通过“广域压力诱导突变模型”对发生于Lac系统的适应性突变现象的解释可以清楚的看出：“广域压力诱导突变模型”与“局域超突变模型”在“Lac系统中，适应性突变主要是产自超突变体还是未进入超突变状态的个体?（或者说，适应性突变的主要来源为何?）”这一问题上意见迥异。与此紧密相联，在

53、“Lac系统中，导致适应性突变的分子机制究竟为何?”这一问题上，两个模型所做出的回答也不尽相同：“广域压力诱导突变模型”认为，“在被置于乳糖培养基后的FC40菌株中，SOS反应和错配修复机制的暂时抑制在适应性Lac+突变的产生过程中所发挥的作用十分有限，仅限于产自超突变体的10%的适应性Lac+突变(96)(133)”，而 “局域超突变模型”则认为：在被置于乳糖培养基后的FC40菌株中，SOS反应和错配修复机制的暂时抑制对大多数适应性Lac+突变而言，都是重要的和不可或缺的(122)。针对“广域压力诱导突变模型”与“局域超突变模型”的上述分歧，罗森博格等人（作为“局域超突变模型”的支持者）指出

54、：（一）“乳糖选择条件下，Mot-非选择性突变在适应性Lac+双突变体中的发生频率远高于其在适应性Lac+单突变体中的发生频率”这一实验现象虽然可以在“广域压力诱导突变模型”中得到解释，但也可以在“局域超突变模型”中得到解释，即：（1）乳糖选择条件下，适应性Lac+双突变体获得Lac+突变所用的时间进而其曾在超突变状态中停留的时间很可能要长于适应性Lac+单突变体（注：适应性Lac+突变体进入超突变状态的时间可能是随机的，但其脱离该状态的时间却通常是在获得Lac+突变以后。这意味着：适应性Lac+突变体曾在超突变状态中停留的时间可能是不同的。）。这使得：即使在超突变体的突变率大致相同并基本稳定

55、的情况下，Mot-非选择性突变在适应性Lac+双突变体中的发生频率也会高于其在适应性Lac+单突变体中的发生频率。(127)这一解释可在一定程度上得到VG戈多埃等人2000年以FC40菌株为材料进行的有关实验的支持，该实验倾向于表明：乳糖选择条件下，适应性Lac+突变体获得Lac+突变所用的时间与非选择性突变在其中的发生频率成正比(135)。（2）DSEs（和由其引发的DSBr过程）是大多数适应性突变在Lac系统中发生的必要中介，而其在进入超突变状态的FC40菌体中的分布却可能是不均匀的。与Lac+单突变体相比，Lac+双突变体可能更多的是源自那些在其基因组中有较多的DSEs存在（进而有较多的

56、DSBr过程发生）的超突变体，因而能以更高的频率拥有其它非选择性突变（如：Mot-非选择性突变）。(99)值得注意的是：对上述的第一个解释，福斯特并不赞同，并于2004年指出，乳糖选择条件下，适应性Lac+突变体获得Lac+突变所用的时间与非选择性突变在其中的发生频率确实成正比，但这并不足以解释其在1999年实验(96)中观察到的Mot-非选择性突变在适应性Lac+双突变体中的发生频率。(136)（二）“广域压力诱导突变模型”假设：在FC40菌株被置于乳糖培养基后产生的所有适应性Lac+突变中，只有10%源自超突变体，而且SOS反应和错配修复机制的暂时抑制仅在这10%的适应性Lac+突变的产生过程中发挥了作用。该假设与“在FC40菌株被置于乳糖培养基后产生的所有适应性Lac+突变中，约有80%需要SOS反应的调控和错配修复机制的暂时抑制”这两项实验结果不符。(122)（三）与“局域超突变模型”相比，“广域压力诱导突变模型”假设适应性Lac+突变产自突变率迥异的两部分个体，因而较不符合“思维经济”的原则(122)(126)(127)。以上叙述了“局域超突变模型”和“广域压力诱导突变模型”在