基因的概念及发展

1、基因的概念及发展基因(gene)这个名词是1909年由遗传学家约翰逊(WJohannsen)提出来的。他用基因这一名词来表示遗传的独立单位，相当于孟德尔在豌豆试验中提出的遗传因子。顾名思义，基因不仅是一个遗传物质在上下代之间传递的基本单位，也是一个功能上的独立单位。在遗传学发展的早期阶段，基因仅仅是一个逻辑推理的概念，而不是一种已经证实了的物质和结构。由于科学研究水平的不断提高，从浅入深，由宏观到微观，基因的概念也在不断的修正和发展。在20世纪30年代，由于证明了基因是以直线的形式排列在染色体上，因此人们认为基因是染色体上的遗传单位。20世纪50年代以后，随着分子遗传学的发展，1953年在沃森

2、和克里克提出DNA的双螺旋结构以后，人们普遍认为基因是DNA的片段，确定了基因的化学本质。20世纪60年代，本茨(SBenzer)又提出了基因内部具有一定的结构，可以区分为突变子、互换子和顺反子三个不同单位。DNA分子上的一个碱基变化可以引起基因突变，因此可以看成是一个突变子；两个碱基之间可以发生互换，可以看成是一个互换子；一个顺反子是具有特定功能的一段核苷酸序列，作为功能单位的基因应该是顺反子。从分子水平来看，基因就是DNA分子上的一个个片段，经过转录和翻译能合成一条完整的多肽链。可是，通过近年来的研究，认为这个结论并不全面，因为有些基因在转录出RNA以后，不再翻译成蛋白质，如rRNA和tR

3、NA就属于这种类型。另外，还有一类基因，如操纵基因，它们既没有转录作用，又没有翻译产物，仅仅起着控制和操纵基因活动的作用。特别是近年来发现，在DNA分子上有相当一部分片段，只是某些碱基的简单重复，这类不含有遗传信息的碱基片段，在真核细胞生物中数量可以很大，甚至在50以上。关于DNA分子中这些重复碱基片段的作用，目前还不十分了解。有人推测可能有调节某些基因活动和稳定染色体结构的作用，其真正的功能尚待研究。因此，目前有的遗传学家认为，应该把基因看作是DNA分子上具有特定功能的(或具有一定遗传效应的)核苷酸序列。基因概念的发展1909年，约翰逊(Johannsen)首次提出了基因(gene)的概念，

4、用以替代孟德尔(Mendel)早年所提出的遗传因子(genetic factor)一词，并创立了基因型(geno-type)和表现型(phenotype)的概念，把遗传基础和表现性状科学地区分开来。随着遗传学的发展，特别是分子生物学的迅猛发展，人们对基因概念的认识正在逐步深化。1 1个基因1个酶英国生理生化学家盖若德(GarrodAE)研究了人类中的先天代谢疾病，并于1909年出版了先天代谢障碍一书。他通过对白化病等疾病的分析，认识到基因与新陈代谢之间的关系，即1个突变基因，1个代谢障碍。这种观点可以说是1个基因1个酶观点的先驱。比得尔(BeadleGW)和塔特姆(TatumEL)对红色链孢霉

5、做了大量的研究。他们认为，野生型的红色链孢霉可以在基本培养基上生长，是因为它们自身具有合成一些营养物质的能力，如嘌呤、嘧啶、氨基酸等等。控制这些物质合成的基因发生突变，将产生一些营养缺陷型的突变体，并证实了红色链孢霉各种突变体的异常代谢往往是一种酶的缺陷，产主这种酶缺陷的原因是单个基因的突变。2 1个基因1条多肽链红色链孢霉和大肠杆菌营养缺陷型的早期研究表明，在各种氨基酸、维生素、嘌呤和嘧啶的生物合成路线上，催化每一步反应的酶都是在1个基因的监控下进行的。到了本世纪50年代，扬诺夫斯基(Yanofsky)发现并提出了新的问题，即1个基因控制2步反应。他发现在大肠杆菌中，催化吲哚磷酸甘油脂生成色

6、氨酸反应的酶，即色氨酸合成酶的结构比较复杂，实际上是由2种多肽构成，A肽可以独立催化吲哚磷酸甘油脂分解生成吲哚，B肽则可以单独催化吲哚转变为色氨酸。因此对1个基因1个酶的学说做了第1次修正。3 基因的化学本质是DNA(有时是RNA)1944年，埃维里(Avery)等人通过肺炎双球菌的转化实验，第1次证实了DNA是遗传物质，由此，基因的化学本质得到了阐明。人们通过研究发现有些病毒如烟草花叶病毒、脊髓灰质病毒等只含有RNA，而不具有DNA，这些RNA病毒可以在RNA复制酶的作用下以自身为模板进行复制，这类生物中基因的化学组成为RNA。1953年沃森(Watson)和克里克(Crick)建立了DNA

7、分子的双螺旋结构模型，这是遗传学史上的1个里程碑。近几十年来遗传学的发展，特别是遗传工程技术的发展充分证实这1模型的正确性。4 基因顺反子的概念1955年，美国分子生物学家本兹尔(Benzer)提出了比传统基因概念更小的基本功能单位即顺反子的概念。用r突变型和野生型噬菌体共同侵染K菌株，两种噬菌体都可以正常生长并使得K菌株裂解。但是在r突变型之间进行的互补试验，结果有很大的差异。同一互补群的突变型不存在功能上的互补关系，只有分别属于两个互补群的突变型才能在功能上互补，而表现出野生型的特点。本兹尔把这种基因内部的功能互补群称为顺反子。实际上，本兹尔从遗传学的互补实验中，所得出的顺反子的概念已经深

8、入到当时人们并不了解的基因转录水平上了。顺反子的概念与蛋白质的高级结构的研究结果是一致的，因为蛋白质往往是由两条或多条多肽链所构成，它们即为蛋白质的亚基。本兹尔通过实验提出了1种新的基因概念：1)作为突变单位，从分子水平上可以精确到单核苷酸或碱基水平，这就是突变子；2)作为交换单位，也以单核苷酸或单个碱基为基本单位，这就是互换子；3)作为功能单位，基因也是可分的，基因不是1个功能的基本单位，基因的功能常含有2个或多个顺反子的功能。现代遗传学的研究证明本兹尔提出的概念基本上是正确的。5 结构基因与调控基因的划分随着研究的深入，人们首先在原核生物中发现，不是所有的基因都能为蛋白质编码。于是，人们就

9、把能为多肽链编码的基因称为结构基因。除结构基因以外，有些基因只能转录而不能进行翻译，如tRNA和rRNA基因。还有些基因本身并不进行转录，但是可以对其邻近的结构基因的表达起控制作用，如启动基因和操纵基因。从功能上讲，启动基因、操纵基因和编码阻遏蛋白、激活蛋白的调节基因都属于调控基因。操纵基因与其控制下的一系列结构基因组成1个功能单位，称做操纵子。对这些基因的研究，加深了人们对基因的功能及其调控关系的认识。6 断裂基因断裂基因首先由凯姆伯恩(Chambon)和博杰特(Berget)在本世纪70年代报道。在1977年美国冷泉港举行的定量生物学讨论会上，有些实验室报道了在猿猴病毒SV40和腺病毒Ad

10、2上发现基因内部的间隔区，间隔区的DNA序列与该基因所决定的蛋白质没有关系。用该基因所转录的mRNA与其DNA进行分子杂交，会出现一些不能与mRNA配对的DNA单链环。人们把基因内部的间隔序列称为内含子，而把出现在成熟RNA中的有效区段称为外显子。这种基因分割的现象后来在许多真核生物中都有发现，因此是一种普遍现象。断裂基因的初级转录物称作前体RNA，把前体RNA中由内含子转录下来的序列去除，并把由外显子转录的RNA序列连接起来这一过程称作剪接。剪接过程涉及到许多问题，有些问题目前还没有彻底搞清。值得一提的是，1981年切赫(CeheT)首次报道了原生动物四膜虫(Tetrahymena)前体rR

11、NA的中间序列(IVS)具有催化功能，可以催化该前体rRNA进行自我剪接。7 重叠基因1977年维纳(Weiner)在研究Q0病毒的基因结构时，首先发现了基因的重叠现象。1978年费尔(Feir)和桑戈尔(Sanger)在研究分析X174噬菌体的核苷酸序列时，也发现在由5375个核苷酸组成的单链DNA所包含的10个基因中有几个基因具有不同程度的重叠，但是这些重叠的基因具有不同的阅读框架。以后在噬菌体G4、MS2和SV40中都发现了重叠基因。重叠基因的发现使人们冲破了关于基因在染色体上成非重叠的线性排列的传统概念。8 跳跃基因1950年麦克林托克(McclintockB)在玉米染色体组中发现1个激体-解离系统，它们在染色体上的位置不固定，可以由1条染色体跳到另外1