第二章 遗传的分子基础

一、基因的概念及其发展 （一）基因概念的提出 （二）基因结构与功能的探索 （三）现代分子遗传学关于基因的概念

（一）基因概念的提出 孟德尔（Mendel）的遗传因子：一个因子决定一个性状(1865年)。 约翰森（Johannsen）：首先提出基因一词（1909年）。

1857年，奥地利的一名神父孟德尔在他所在的修道院后院开始进行长达8年的豌豆杂交实验。1865年，孟德尔根据豌豆杂交实验的结果，发表了著名的论文《植物杂交试验》，阐述了他所发现的显性、隐性遗传现象和两个重要遗传学规律——分离规律和自由组合规律。 Johann Gregor Mendel （1822～1884）

孟德尔的遗传因子 孟德尔提出： 孟德尔把可观察的性状和控制它的内在的遗传因子区分开来 ●生物的遗传性状是通过“遗传因子” （hereditary factor）进行传递的 ●遗传因子是一些独立的遗传单位 孟德尔把可观察的性状和控制它的内在的遗传因子区分开来 遗传因子作为基因的雏形名词诞生了

“重新发现”孟德尔 1900年，是遗传学史乃至生物科学史上划时代的一年，来自三个国家的三位学者独立地“重新发现”了孟德尔的遗传规律，他们是荷兰的德弗里斯(Hugo De Vries，1848～1935)、德国的柯灵斯(Carl Erich Correns，1864～1933)和澳大利亚的契马克(Erich von Tschermak-Seysenegg，1871～1962)。从此，遗传学进人了孟德尔时代。

重新发现孟德尔的生物学家 Hugo De Vries (1848～1935) Carl Erich Correns (1864～1933) Erich von Tschermak （1871～1962） 重新发现孟德尔的生物学家

Wilhelm Ludwig Johannsen 1909年，丹麦遗传学家约翰逊在《精密遗传学原理》一书中根据希腊语“给予生命”之义，创造“基因”（gene）一词来代替孟德尔假定的“遗传因子”。从此基因便成为遗传因子的代名词一直沿用至今。 不过此时的基因仍然是一个未经证实的、仅靠逻辑推理得出的概念。 Wilhelm Ludwig Johannsen （1857～1927）

（二）基因结构和功能的探索 随着遗传学、分子生物学、生物化学的发展，人们对基因本性的认识逐渐深入，基因的概念和涵义也不断地发展和丰富。

1、基因与染色体 在孟德尔的成果获得承认后，生物界都知道是遗传因子（即基因）决定了生物的遗传。但是，基因究竟在细胞内的什么地方？摩尔根以果蝇为试验对象回答了这一问题，基因在染色体上。

摩尔根和他的学生利用果蝇作了大量的研究。1926年出版《基因论》，建立了著名的基因学说。 Thomas Hunt Morgan （1866～1945）

摩尔根在《基因论》中绘制了果蝇基因位置图，首次完成了当时最新的基因概念的描述： 基因是在染色体上呈线性排列的遗传单位，它不仅是决定性状的功能单位，也是一个突变单位和交换单位。 至此，人们对基因概念的理解更加具体和丰富了。

◆人类第一次把基因与染色体联系起来，认为基因是一种物质，是染色体上的一个特定的区段。 摩尔根果蝇遗传实验具有划时代意义 ◆人类第一次把基因与染色体联系起来，认为基因是一种物质，是染色体上的一个特定的区段。 ◆确立并发展了染色体的遗传理论。

因发现染色体的遗传机制，创立染色体遗传理论而于1933年获诺贝尔生理学医学奖 Thoman Hunt Morgan （ 1866～1945） 因发现染色体的遗传机制，创立染色体遗传理论而于1933年获诺贝尔生理学医学奖

基因是何物? 基因的物质结构和化学组成怎样? 基因是如何决定遗传性状的? 这些问题在摩尔根时代仍然是谜。

2、 基因与DNA 摩尔根确定了染色体是基因的载体。基因研究发展到细胞学水平之后，急需解决两个基本问题： （1）基因的化学本性是什么？ （2）基因是如何工作的？

细胞化学研究表明，染色体的主要成分是蛋白质和核酸。那么，基因究竟是蛋白质还是核酸？ 在研究基因的化学本质上，细胞化学起了重要作用。 细胞化学研究表明，染色体的主要成分是蛋白质和核酸。那么，基因究竟是蛋白质还是核酸？ 蛋白质作为生命物质的主要成分和生命活动的体现者，它不仅参与所有的生命过程，而且它的化学结构也有多样性和可塑性。

◆所以在相当一段时间里，学术界认为基因是蛋白质，认为只有像蛋白质这样复杂的大分子才能决定细胞的特征和遗传

◆认识到基因的化学本质是核酸而不是蛋白质，经历了一段漫长的历史过程。 ◆发现DNA的遗传功能，始于1928年格里菲斯（P．Griffith）所做的用肺炎双球菌感染小鼠的实验。

1928年，英国科学家格里菲思在肺炎球菌实验中首次发现了基因是一类特殊生物分子的证据。 Frederic Griffith 1879—1941

肺炎双球菌有两种类型： S型 菌体包有多糖类荚膜，菌落光滑（smooth），有毒性，可以使人患肺炎或使小鼠患败血症 R型 不具荚膜， 菌落粗糙（rough），无毒性，不致病

“死菌复活”之谜 格里菲斯用肺炎球菌做实验时发现了一个令人惊异的现象： 加热杀死的能致病的S型菌＋不能致病的R型菌→混合→注射到小鼠体内→小鼠病死→从死鼠体内分离出大量的S型肺炎球菌 难道S型致病菌复活了吗？这就是著名的“格里菲斯之谜”。

R型活菌或S型死菌分别注入小鼠体内，都不会致病，而两者混合注入却致病了。 ●这是一个令人困惑的结果 R型活菌或S型死菌分别注入小鼠体内，都不会致病，而两者混合注入却致病了。 ●解释： 加热杀死的S型菌中存在某种导致细菌类型发生转化的物质。这种物质究竟是什么，人们尚不知道，暂时叫做“转化因子”（transforming principle）。 R型肺炎球菌转化为S型肺炎球菌的现象，称为转化（transformation） 。 　

导致R型细菌发生转化的因子，其化学本质究竟是什么？这个问题，与遗传学家提出的“基因的化学本质是什么？”实质上是同一个问题。

格里菲斯发现的转化现象为以后认识到DNA是遗传物质奠定了基础。 在美国纽约洛克菲勒研究所工作的Avery立刻敏感地抓住了这一问题，并在此基础上继续研究，取得了重大突破。

在格里菲斯发现肺炎球菌的遗传转化现象之后不过数年（30年代初），加拿大生物化学家艾弗里领导的一个研究小组便开始探寻转化因子。他们在实验中发现：死去的S型菌并未复活，而是S型菌的DNA进入了R型菌，使其转化为新的S型致病肺炎双球菌。艾弗里等人的实验不仅揭开了“格里菲斯之谜”，并且在世界上第一次证明基因就在DNA上。 Oswald Theodore Avery （ 1877～1955 ）

艾弗里等人的实验证据： 分离S型死菌的提取液→分别检测各分离组分（蛋白质、类脂、多糖、RNA和DNA）的转化活性→只有DNA具有转化因子活性

去除S型死菌抽提物中的蛋白质、类脂、多糖和RNA 抽提物的剩余物质 R型→转化→S型 1944年，他们确认，“转化因子”就是DNA。 进一步的实验： 用化学法和酶法 ↓ 去除S型死菌抽提物中的蛋白质、类脂、多糖和RNA 抽提物的剩余物质 R型→转化→S型 1944年，他们确认，“转化因子”就是DNA。 艾弗里等人的试验和结论是对DNA认识史上的一次重大突破，彻底改变了DNA在生物体内无足轻重的传统观念。

但当时的主流观点并不接受艾弗里DNA是遗传物质的观念，认为提取的DNA无论如何纯净，仍然可能有残余的蛋白质，蛋白质才是有活性的转化因子

针对学术界的否定意见，艾弗里于1946年用蛋白酶、RNA酶和DNA酶分别处理肺炎球菌的细胞抽提物。 结果: （1）可以破坏、消化蛋白质的胰蛋白酶和糜蛋白酶不影响转化活性； （2）分解、消化RNA（而不是消化分解DNA）的RNA酶对转化活性无影响； （3）在加入分解、消化DNA的DNA酶后，转化活性丧失。 这些实验进一步证明了DNA作为遗传信息载体的功能。

发现遗传物质的化学本质是DNA，这是基因研究上一个重要的里程碑。但在当时，这项重要的发现并未引起足够的重视。艾弗里虽曾被提名为诺贝尔奖的候选人，但当时评奖委员会认为“最好等到DNA的转化机理更多地为人们所了解的时候再说”。可是，当争议平息、诺贝尔奖评选委员会准备授奖之时，他已经去世了。

1951年，赫里奥特（R·Herriott）提出一个十分富有魅力和启发性的假说： “病毒的作用可能像一个充满着转化因子的注射针。这样的病毒本身不会进入细胞，但它不仅用尾部接触寄生细胞，并可能通过酶的作用在细胞外膜上钻一小孔，然后病毒头部的DNA就钻入细胞。”

当人们为艾弗里的实验而激烈争论时，研究噬菌体的美国微生物学家赫尔希等人在考虑，能否将蛋白质和DNA完全分开，单独观察DNA的作用呢？他们受赫里奥特思路的启发设计了一个精巧的噬菌体感染实验。赫尔希与德尔布吕克和卢里亚一起，获1969年的诺贝尔生理学医学奖奖。 Alfred Day Hershey （1908～1997）

噬菌体感染实验 35S标记蛋白质外壳的噬菌体感染细菌细菌无放射性 32P标记DNA内芯的噬菌体感染细菌细菌有放射性 这一结果确凿无疑地证明，进入寄主细胞内的是噬菌体DNA，而不是蛋白质外壳。噬菌体的DNA不但包括噬菌体自我复制的信息，而且包括合成噬菌体蛋白质所需要的全部信息。

1952年，赫尔希（A．D．Hershey）和蔡斯（M．Chase）证明了噬菌体DNA能携带遗传信息到后代中去以后，科学界才终于接受了DNA是遗传信息载体的理论。

人们彻底摒弃蛋白质是基因的化学本质的概念，是在1953年沃森和克里克提出著名的DNA双螺旋分子结构模型之后。 1953年4月25日英国的《Nature》刊登了沃森和克立克的DNA的双螺旋结构模型，这一天是分子生物学的诞生日。

Francis Harry Compton Crick James Dewey Watson （ 1928～） Francis Harry Compton Crick （ 1916～） 1953年，DNA双螺旋结构模型被提出来了，两位创立者是美国生物化学家沃森（James Dewey Watson，1928～）和英国生物物理学家克里克（Francis Harry Compton Crick，1916～）。获1962年的诺贝尔生理学医学奖。

富兰克林拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片，这张照片正是发现DNA结构的关键

DNA双螺旋模型

DNA分子双螺旋结构模型的发现，是生物学史上的一座里程碑： ●为DNA复制提供了构型上的解释，使人们对DNA作为基因的物质基础不再怀疑 ●奠定了分子遗传学的基础。DNA双螺旋模型在科学上的影响是深远的

从1857年孟德尔进行豌豆杂交实验算起，经过无数科学家近百年的探索，蒙在生命遗传奥秘上的面纱正在一层层地剥去。 　科学探索的道路是螺旋式的，科学家们在阶梯上不断攀登，一个新的螺旋展现在他们的眼前，而这将引起一场生命科学的革命。

最初由孟德尔提出的遗传因子的概念，通过摩尔根、艾弗里、赫尔希和沃森、克里克等几代科学家的研究，已经使生物遗传机制建立在遗传物质DNA的基础之上。

DNA如何储存并表达遗传信息？这个问题引起了很多物理学家的兴趣，1945年，薛定谔在《生命是什么》一书中提出了遗传密码的概念。 1954年，物理学家伽莫夫提出三联体密码的概念。 1961年，尼伦伯格和马太利用三联体密码合成了由笨丙氨酸组成的多肽长链。 到1966年，64种遗传密码的含义全部得到了解答，形成了一部密码辞典。

Marshall Warren Nirenberg 美国生物学家尼伦伯格等人在1961～1966年期间成功破译了遗传密码，以无可辩驳的科学依据证实了DNA双螺旋结构的正确性。人们对遗传机制有了更深刻的认识。1968年获得诺贝尔生理学医学奖奖。 Marshall Warren Nirenberg （ 1927～）

DNA只存在于细胞核中，蛋白质的合成在细胞质中进行，细胞核中的遗传信息如何转达到细胞质中呢？ 信息RNA和转运RNA的发现给这个问题提供了答案，1958年克立克提出的“中心法则”很快得到了证实。

中心法则

中心法则及其发展 中心法则阐述的基因两大基本属性： 复制：DNA→DNA； 表达：从DNA→mRNA→蛋白质； 中心法则的补充：

（三）现代分子遗传学关于基因的概念 1、 现代基因概念 DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列（除部分病毒RNA）, 即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核苷酸序列，还包括为保证转录所必需的调控序列。 基因组：携带生物体全部遗传信息的核酸量。

从分子水平来说，基因有3个基本特性: （1）基因可自体复制 （2）基因决定性状 （3）基因突变

2、 基因的功能类别 （1）蛋白质基因：其最终产物为蛋白质 结构基因（structure gene） ：编码酶和结构蛋白的基因。结构基因的突变可导致特定蛋白质（或酶）一级结构的改变或影响蛋白质（或酶）量的改变。 调节基因（regulator gene） ：指某些可调节控制结构基因表达的基因。调控基因的突变可以影响一个或多个结构基因的功能，或导致一个或多个蛋白质（或酶）量的改变。

（2）RNA基因：其最终产物是tRNA和rRNA （3）不转录的基因：不产生任何产物，对基因表达起调节控制作用 启动基因（启动子，启动区）：转录时RNA多聚酶与DNA结合的部位。 操纵基因：位于结构基因（一个或多个）的前端，与阻遏蛋白或激活蛋白结合，控制结构基因活动的DNA区段。是操纵结构基因的基因。

3、 基因的几种特殊形式 （1）重复基因： （2）重叠基因： 指在基因组中有多份拷贝的基因，往往是生命活动中最基本、最重要的基因。 指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列为两个或两个以上基因的组成部分。

（3）断裂基因 指基因的编码序列在DNA分子上是不连续排列的，而是被不编码的序列所隔开。 编码的序列称为外显子，对应于mRNA序列的区域，是一个基因表达为多肽链的部分。 不编码的间隔序列称为内含子，内含子只转录，在前mRNA（pre—mRNA）时被剪切掉。 大多数真核生物的基因为不连续基因（interrupted或discontinuous gene）或断裂基因（split gene）。

外显子 外显子 外显子 外显子 内含子 内含子

（4）跳跃基因(jumping gene) 指可在DNA分子间进行转移的DNA片段。 也称为转座遗传因子（transposable genetic element），转座元件或转座基因（transposable element，TE），可动基因(mobile gene)。

美国女遗传学家麦克林托克于1951年提出了可移动的遗传基因（即“跳跃基因”） 学说─基因可从染色体 的一个位置跳跃到另一个位置、甚至从一条染色体 跳跃到另一条染色体。为 研究遗传信息的表达与调 控、生物进化与癌变提供 了线索。于1983年获诺贝尔奖。 Barbara McClintock 1902-1992

（5）假基因 即与正常功能基因顺序基本相同却不具有控制蛋白质合成的功能的基因。 在真核生物中是很普遍存在， 形成的主要原因是碱基对缺失或插入以致不能正常编码。