基因的概念及發(fā)展

1、基因的概念及發(fā)展基因(gene)這個名詞是1909年由遺傳學(xué)家約翰遜(WJohannsen)提出來的。他用基因這一名詞來表示遺傳的獨(dú)立單位，相當(dāng)于孟德爾在豌豆試驗(yàn)中提出的遺傳因子。顧名思義，基因不僅是一個遺傳物質(zhì)在上下代之間傳遞的基本單位，也是一個功能上的獨(dú)立單位。在遺傳學(xué)發(fā)展的早期階段，基因僅僅是一個邏輯推理的概念，而不是一種已經(jīng)證實(shí)了的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)。由于科學(xué)研究水平的不斷提高，從淺入深，由宏觀到微觀，基因的概念也在不斷的修正和發(fā)展。在20世紀(jì)30年代，由于證明了基因是以直線的形式排列在染色體上，因此人們認(rèn)為基因是染色體上的遺傳單位。20世紀(jì)50年代以后，隨著分子遺傳學(xué)的發(fā)展，1953年在沃森

2、和克里克提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)以后，人們普遍認(rèn)為基因是DNA的片段，確定了基因的化學(xué)本質(zhì)。20世紀(jì)60年代，本茨(SBenzer)又提出了基因內(nèi)部具有一定的結(jié)構(gòu)，可以區(qū)分為突變子、互換子和順反子三個不同單位。DNA分子上的一個堿基變化可以引起基因突變，因此可以看成是一個突變子；兩個堿基之間可以發(fā)生互換，可以看成是一個互換子；一個順反子是具有特定功能的一段核苷酸序列，作為功能單位的基因應(yīng)該是順反子。從分子水平來看，基因就是DNA分子上的一個個片段，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯能合成一條完整的多肽鏈?？墒牵ㄟ^近年來的研究，認(rèn)為這個結(jié)論并不全面，因?yàn)橛行┗蛟谵D(zhuǎn)錄出RNA以后，不再翻譯成蛋白質(zhì)，如rRNA和tR

3、NA就屬于這種類型。另外，還有一類基因，如操縱基因，它們既沒有轉(zhuǎn)錄作用，又沒有翻譯產(chǎn)物，僅僅起著控制和操縱基因活動的作用。特別是近年來發(fā)現(xiàn)，在DNA分子上有相當(dāng)一部分片段，只是某些堿基的簡單重復(fù)，這類不含有遺傳信息的堿基片段，在真核細(xì)胞生物中數(shù)量可以很大，甚至在50以上。關(guān)于DNA分子中這些重復(fù)堿基片段的作用，目前還不十分了解。有人推測可能有調(diào)節(jié)某些基因活動和穩(wěn)定染色體結(jié)構(gòu)的作用，其真正的功能尚待研究。因此，目前有的遺傳學(xué)家認(rèn)為，應(yīng)該把基因看作是DNA分子上具有特定功能的(或具有一定遺傳效應(yīng)的)核苷酸序列。基因概念的發(fā)展1909年，約翰遜(Johannsen)首次提出了基因(gene)的概念，

4、用以替代孟德爾(Mendel)早年所提出的遺傳因子(genetic factor)一詞，并創(chuàng)立了基因型(geno-type)和表現(xiàn)型(phenotype)的概念，把遺傳基礎(chǔ)和表現(xiàn)性狀科學(xué)地區(qū)分開來。隨著遺傳學(xué)的發(fā)展，特別是分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展，人們對基因概念的認(rèn)識正在逐步深化。1 1個基因1個酶英國生理生化學(xué)家蓋若德(GarrodAE)研究了人類中的先天代謝疾病，并于1909年出版了先天代謝障礙一書。他通過對白化病等疾病的分析，認(rèn)識到基因與新陳代謝之間的關(guān)系，即1個突變基因，1個代謝障礙。這種觀點(diǎn)可以說是1個基因1個酶觀點(diǎn)的先驅(qū)。比得爾(BeadleGW)和塔特姆(TatumEL)對紅色鏈孢霉

5、做了大量的研究。他們認(rèn)為，野生型的紅色鏈孢霉可以在基本培養(yǎng)基上生長，是因?yàn)樗鼈冏陨砭哂泻铣梢恍I養(yǎng)物質(zhì)的能力，如嘌呤、嘧啶、氨基酸等等?？刂七@些物質(zhì)合成的基因發(fā)生突變，將產(chǎn)生一些營養(yǎng)缺陷型的突變體，并證實(shí)了紅色鏈孢霉各種突變體的異常代謝往往是一種酶的缺陷，產(chǎn)主這種酶缺陷的原因是單個基因的突變。2 1個基因1條多肽鏈紅色鏈孢霉和大腸桿菌營養(yǎng)缺陷型的早期研究表明，在各種氨基酸、維生素、嘌呤和嘧啶的生物合成路線上，催化每一步反應(yīng)的酶都是在1個基因的監(jiān)控下進(jìn)行的。到了本世紀(jì)50年代，揚(yáng)諾夫斯基(Yanofsky)發(fā)現(xiàn)并提出了新的問題，即1個基因控制2步反應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌中，催化吲哚磷酸甘油脂生成色

6、氨酸反應(yīng)的酶，即色氨酸合成酶的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，實(shí)際上是由2種多肽構(gòu)成，A肽可以獨(dú)立催化吲哚磷酸甘油脂分解生成吲哚，B肽則可以單獨(dú)催化吲哚轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼?。因此?個基因1個酶的學(xué)說做了第1次修正。3 基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA(有時是RNA)1944年，埃維里(Avery)等人通過肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，第1次證實(shí)了DNA是遺傳物質(zhì)，由此，基因的化學(xué)本質(zhì)得到了闡明。人們通過研究發(fā)現(xiàn)有些病毒如煙草花葉病毒、脊髓灰質(zhì)病毒等只含有RNA，而不具有DNA，這些RNA病毒可以在RNA復(fù)制酶的作用下以自身為模板進(jìn)行復(fù)制，這類生物中基因的化學(xué)組成為RNA。1953年沃森(Watson)和克里克(Crick)建立了DNA

7、分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，這是遺傳學(xué)史上的1個里程碑。近幾十年來遺傳學(xué)的發(fā)展，特別是遺傳工程技術(shù)的發(fā)展充分證實(shí)這1模型的正確性。4 基因順反子的概念1955年，美國分子生物學(xué)家本茲爾(Benzer)提出了比傳統(tǒng)基因概念更小的基本功能單位即順反子的概念。用r突變型和野生型噬菌體共同侵染K菌株，兩種噬菌體都可以正常生長并使得K菌株裂解。但是在r突變型之間進(jìn)行的互補(bǔ)試驗(yàn)，結(jié)果有很大的差異。同一互補(bǔ)群的突變型不存在功能上的互補(bǔ)關(guān)系，只有分別屬于兩個互補(bǔ)群的突變型才能在功能上互補(bǔ)，而表現(xiàn)出野生型的特點(diǎn)。本茲爾把這種基因內(nèi)部的功能互補(bǔ)群稱為順反子。實(shí)際上，本茲爾從遺傳學(xué)的互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中，所得出的順反子的概念已經(jīng)深

8、入到當(dāng)時人們并不了解的基因轉(zhuǎn)錄水平上了。順反子的概念與蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果是一致的，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)往往是由兩條或多條多肽鏈所構(gòu)成，它們即為蛋白質(zhì)的亞基。本茲爾通過實(shí)驗(yàn)提出了1種新的基因概念：1)作為突變單位，從分子水平上可以精確到單核苷酸或堿基水平，這就是突變子；2)作為交換單位，也以單核苷酸或單個堿基為基本單位，這就是互換子；3)作為功能單位，基因也是可分的，基因不是1個功能的基本單位，基因的功能常含有2個或多個順反子的功能?，F(xiàn)代遺傳學(xué)的研究證明本茲爾提出的概念基本上是正確的。5 結(jié)構(gòu)基因與調(diào)控基因的劃分隨著研究的深入，人們首先在原核生物中發(fā)現(xiàn)，不是所有的基因都能為蛋白質(zhì)編碼。于是，人們就

9、把能為多肽鏈編碼的基因稱為結(jié)構(gòu)基因。除結(jié)構(gòu)基因以外，有些基因只能轉(zhuǎn)錄而不能進(jìn)行翻譯，如tRNA和rRNA基因。還有些基因本身并不進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，但是可以對其鄰近的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)起控制作用，如啟動基因和操縱基因。從功能上講，啟動基因、操縱基因和編碼阻遏蛋白、激活蛋白的調(diào)節(jié)基因都屬于調(diào)控基因。操縱基因與其控制下的一系列結(jié)構(gòu)基因組成1個功能單位，稱做操縱子。對這些基因的研究，加深了人們對基因的功能及其調(diào)控關(guān)系的認(rèn)識。6 斷裂基因斷裂基因首先由凱姆伯恩(Chambon)和博杰特(Berget)在本世紀(jì)70年代報道。在1977年美國冷泉港舉行的定量生物學(xué)討論會上，有些實(shí)驗(yàn)室報道了在猿猴病毒SV40和腺病毒Ad

10、2上發(fā)現(xiàn)基因內(nèi)部的間隔區(qū)，間隔區(qū)的DNA序列與該基因所決定的蛋白質(zhì)沒有關(guān)系。用該基因所轉(zhuǎn)錄的mRNA與其DNA進(jìn)行分子雜交，會出現(xiàn)一些不能與mRNA配對的DNA單鏈環(huán)。人們把基因內(nèi)部的間隔序列稱為內(nèi)含子，而把出現(xiàn)在成熟RNA中的有效區(qū)段稱為外顯子。這種基因分割的現(xiàn)象后來在許多真核生物中都有發(fā)現(xiàn)，因此是一種普遍現(xiàn)象。斷裂基因的初級轉(zhuǎn)錄物稱作前體RNA，把前體RNA中由內(nèi)含子轉(zhuǎn)錄下來的序列去除，并把由外顯子轉(zhuǎn)錄的RNA序列連接起來這一過程稱作剪接。剪接過程涉及到許多問題，有些問題目前還沒有徹底搞清。值得一提的是，1981年切赫(CeheT)首次報道了原生動物四膜蟲(Tetrahymena)前體rR

11、NA的中間序列(IVS)具有催化功能，可以催化該前體rRNA進(jìn)行自我剪接。7 重疊基因1977年維納(Weiner)在研究Q0病毒的基因結(jié)構(gòu)時，首先發(fā)現(xiàn)了基因的重疊現(xiàn)象。1978年費(fèi)爾(Feir)和桑戈?duì)?Sanger)在研究分析X174噬菌體的核苷酸序列時，也發(fā)現(xiàn)在由5375個核苷酸組成的單鏈DNA所包含的10個基因中有幾個基因具有不同程度的重疊，但是這些重疊的基因具有不同的閱讀框架。以后在噬菌體G4、MS2和SV40中都發(fā)現(xiàn)了重疊基因。重疊基因的發(fā)現(xiàn)使人們沖破了關(guān)于基因在染色體上成非重疊的線性排列的傳統(tǒng)概念。8 跳躍基因1950年麥克林托克(McclintockB)在玉米染色體組中發(fā)現(xiàn)1個激體-解離系統(tǒng)，它們在染色體上的位置不固定，可以由1條染色體跳到另外1