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从分子水平来讲，在自发因素或各种诱变剂的作用下，DNA中碱基的种类和排列顺序发生改变，是基因突变的本质。基因突变后其遗传效应将可能随之变化，表达产物特定的生化功能也可能发生改变甚至丧失。基因突变一般可以分为点突变、大片段突变和动态突变。
点突变（point mutation）包括碱基置换和移码突变两种形式。
（一）碱基置换
碱基置换（base substitution）是DNA链中碱基之间互相置换，从而使被置换部位的三联体密码意义发生改变，它是DNA分子中单个碱基的改变，常被称为点突变。碱基置换又可分为转换和颠换。
转换（transition）是一种嘌呤被另一种嘌呤所取代，或一种嘧啶被另一种嘧啶所取代，这是点突变最常见的一种形式。
颠换（transversion）是一种嘌呤被另一种嘧啶所取代，或一种嘧啶被另一种嘌呤所取代，这种点突变的形式比较少见（图3-7）。
图3-7 转换和颠换
碱基置换发生在某一基因的编码区内时，如果导致mRNA中密码子的改变，则会对多肽链中氨基酸的种类或顺序发生影响，可能出现同义突变（synonymous mutation）、中性突变（neutral mutation）、无义突变（nonsense mutation）、错义突变（missense mutation）和终止密码突变（termination codon mutation）等遗传学效应。
1. 同义突变 是指碱基被置换之后，一个密码子变成了另外一个密码子，但由于密码子具有兼并性，所以改变后的密码子与改变前的密码子所编码的氨基酸保持不变，因此同义突变并不产生突变效应（图3-8）。
图3-8 同义突变
2. 中性突变 是指基因中有一对碱基对发生置换，引起mRNA中密码子的改变，但多肽链中相应位点发生的氨基酸的取代并不影响蛋白质的功能，我们就称之为中性突变。例如密码子AGG突变成AAG，导致赖氨酸（Lys）取代了精氨酸（Arg），这两种氨基酸都是碱性氨基酸，性质十分相似，所以蛋白质的功能并不发生重大的改变。
3. 无义突变 是指碱基被置换之后，改变了mRNA上的一个密码子，变成不编码任何氨基酸的终止密码子UAA、UAG或UGA，这样使翻译时多肽链的延伸提前到此终止，形成一条无活性的多肽片段。多数情况下会影响蛋白质的正常功能，引起致病效应（图3-9）。
图3-9 无义突变
4. 错义突变 是指碱基被置换之后，编码某种氨基酸的密码子变成编码另一种氨基酸的密码子，从而使多肽链的氨基酸种类和序列发生改变。这种突变可导致机体内某种蛋白质或酶结构和功能的异常，例如人血红蛋白分子异常引起的镰状红细胞贫血症（sickle cell anemia）（图3-10）。
图3-10 错义突变
5. 终止密码突变 是指碱基被置换之后，使原来的终止密码子突变为编码某个氨基酸的密码子，从而使多肽链的合成至此仍能继续下去，直至下一个终止密码子为止，形成延长的异常多肽链，又称延长突变（elongation mutation）。如中国人群常见的血红蛋白的α链突变型Hb Costant Spring可因终止密码发生突变，而形成比正常α链多31个氨基酸的异常链。
此外，还有因一次突变产生的效应对另一突变引发的效应具有抑制作用而形成的抑制基因突变、因外显子拼接错误而形成的拼接突变等。
（二）移码突变
移码突变（frameshift mutation）是由于DNA分子中插入或缺失1个或几个碱基对，造成插入或缺失点以下的三联体密码的组合发生改变，引起编码的氨基酸种类和序列发生变化。
由于DNA分子中插入或缺失碱基对的数目和位置不同，对其后的密码组合改变的影响程度不同。最小变化是在DNA链上增加或减少一个密码子，导致其编码合成的多肽链增加或减少一个氨基酸，如果十个、百个乃至上千个大范围改变所引起的整条多肽链的氨基酸种类及序列变化的后果是严重的，通常是导致1条或几条多肽链丧失活性或根本不能合成，进而导致严重的遗传病。
下面是插入或缺失碱基对的数目和位置不同的几种方式（表3-1）：
表3-1 几种移码突变结果示意图
续表
…注：↑插入位点，↓缺失位点，A插入或缺失的碱基，苏插入的氨基酸。
1. 由于基因组DNA链中插入或缺失1个或几个碱基对，从而使自插入或缺失点以下的三联体密码的组合发生改变，进而使其编码的氨基酸种类和序列发生变化。
2. 若在某一位点插入或缺失3个碱基对，对其后的三联体密码组合的影响相对较小。在插入或缺失位点正好位于两个相邻三联体密码之间的情况下，只会使DNA链上多或少一个密码子。而插入或缺失位点位于一个三联体密码的内部时，也最多能引起该位点前后各一个密码子的改变，再后的氨基酸序列并不发生变化。
3. 如果在某一位点插入（或缺失）1个或2个碱基对，又在这一位点之后的某一位点缺失（或插入）同样数目的碱基对，那么除引起前后两个位点之间的密码组合发生改变外，再后的密码组合可得到回复而保持正常。
大片段突变是DNA分子中某些片段的碱基序列发生缺失、插入、重复或重排。这类突变导致基因结构的明显变化，所编码的蛋白质也失去正常的生理功能。
（一）缺失
缺失（deletion）是指DNA分子在复制或损伤后的修复过程中，某一片段没有被复制或修复造成的缺失。这主要是由于复制或修复时，DNA聚合酶带着已合成的片段，从模板链上脱落，再向后跳过一段距离，又回到模板链上继续复制，所以，新链中将缺失被跳过片段的碱基序列。
（二）重复
重复（duplication）是指DNA分子已复制完的某一片段，又复制一次，其结果使新链出现这一片段的重复序列。这主要是由于DNA聚合酶带着已合成的新链，从模板链上脱落后，又返回到已复制的模板片段上再度复制。
（三）重排
重排（rearrangement）是指DNA分子链发生多处断裂，断裂以后断片的两端颠倒重接或几个断片重接的序列与原先序列不同。
（四）转座子插入
转座子是可自主复制和移动的几百至几千碱基对的DNA长片断，是细菌染色体或质粒DNA的正常组成成分。转座子按某种复杂的方式进行复制，一套复制物保留在原来部位，另一套复制物插入到染色体的其他区域，复制插入到第二部位的过程称为转座子插入（transposon insertion）。这些较大的DNA片断的插入，可引起显著的突变。
拼接突变、染色体错误配对、不等交换等也会引起大片段的突变，导致插入处基因的中断、失活、结构改变等，甚至还会带来某些有害基因，增加基因突变的频率。
近年来，一类被称作动态突变的现象引起临床遗传学家的关注。串联重复的三核苷酸序列在一代一代的传递过程中，拷贝数明显增加，并导致相应的病理改变，这种逐代累加的突变方式称为动态突变（dynamic mutation）或重复扩增。在人类基因组中有大量的重复序列称短串联重复序列（short tandem repeat，STR）。现已发现与动态突变有关的疾病达20多种，一些疾病在相关基因的编码顺序和非编码顺序有三核苷酸重复扩增，由这类动态突变所引起的疾病称为三核苷酸重复扩增疾病（trinucleotide repeat expansion diseases，TREDs）。例如脆性X综合征，患者的X染色体q27.3有脆性部位，患者的（CGG）n重复拷贝数可达230～4000个，而正常人为6～46个。进一步研究证明，这一重复序列正好位于X染色体的脆性部位，而位于（CGG）n两边的侧翼序列却与正常人无差异（表3-2）。
表3-2 TREDs的临床及遗传学特征
注：HD：Huntington（舞蹈病）；DRPLA：齿状核、苍白球、丘脑下体萎缩；syn：synpolydactytly（多指并指）；FA：Friedreich（共济失调）；FRAX：脆性X综合征；5′UTR：非翻译区。