分子遗传学

　　分子遗传学（汉语拼音：Fenzi Yichuanxue；英语：Molecular Genetics），在分子水平上研究生物遗传和变异机制的遗传学分支学科。经典遗传学的研究课题主要是基因在亲代和子代之间的传递问题；分子遗传学则主要研究基因的本质（包括基因的化学性质、结构和组织）、基因的功能以及基因的变化等问题。分子遗传学的早期研究都用微生物为材料，它的形成和发展与微生物遗传学和生物化学有密切关系。通过物种间同源基因结构、功能与变异的研究，可以构建基因系统发生树，并依此追踪生命进化的轨迹。分子遗传学与古生物学相结合，不仅为传统的进化理论提供了确凿的实验依据，而且深化了对生命进化的认识。

遗传的物质基础

　　1953年美国分子遗传学家J.D.沃森和英国分子生物学家F.H.C.克里克提出了脱氧核糖核酸(DNA)分子结构的双螺旋模型。这一发现常被认为是分子遗传学的真正开端。此前科学家已证实，遗传的物质基础是DNA。DNA双螺旋模型认为，DNA分子系由两条反向平行的单链组成；每条单链均含连续排列的4种核苷酸（或碱基），分别为腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。DNA双链中两条单链的核苷酸是按互补的方式排列的，即A与T配对，C与G配对；两条单链相互缠绕形成有规律的螺旋结构。DNA双螺旋模型的重要意义在于：①回答了亲代与子代之间遗传信息的传递是通过何种方式和途径达到的问题。②揭示了遗传信息的本质。

　　1958年M.梅修和F.斯达尔完成了一项重要实验。他们采用非放射性氮原子同位素(15N)标记亲代大肠杆菌细胞DNA，然后将标记的细菌转移到正常培养基中。通过密度梯度离心分析第1代、第2代和第3代大肠杆菌细胞DNA的组成。结果证实，DNA分子的复制是按半保留方式进行的。DNA分子在复制时首先解开双链，然后分别以两条单链为模板，按碱基互补原理合成另一条互补单链。由此产生的两条子代双链DNA在顺序组成上与亲代DNA完全相同。DNA半保守复制模型从分子水平解答了亲代与子代遗传信息的传递之所以稳定而忠实的原因，并为研究DNA复制的机制指明了方向。1966年生物化学家M.W.尼伦伯格和H.G.霍拉纳通过人工合成的寡聚核苷酸作为mRNA（信使RNA）来指导蛋白质的体外合成，破译了由64个密码子组成的遗传密码字典，在分子水平揭示了生命世界的统一性。遗传密码的破译表明，DNA分子与蛋白质之间存在信息的转移，储存在DNA分子中的遗传信息通过DNA→mRNA→蛋白质的途径逐步展示，最终通过蛋白质的生物活性转变为宏观的可见表型（见中心法则），这一过程又称为遗传信息流。遗传信息流有两个相互连接的步骤，首先是将储存在DNA分子中的编码顺序拷贝成mRNA，这一步称为转录。然后在细胞质中通过核糖体装置将mRNA的编码信息转变为蛋白质，这一步称为翻译。从此生命科学的研究逐步进入以基因结构和功能、基因表达和调控为核心的新时代——分子生物学时代。

基因的结构和功能

　　基因结构和功能的研究最初主要以微生物为实验材料，以突变型为研究手段。1955年美国分子生物学家S.本泽采用基因重组分析方法研究大肠杆菌(Escherichia coli)T4噬菌体中的基因精细结构，其剖析精度达到DNA多核苷酸链上相隔仅3个核苷酸的水平。在此之前，美国遗传学家G.W.比德尔和美国生物化学家E.L.塔特姆根据对粗糙脉孢菌的营养缺陷型的研究，在20世纪40年代初即提出了一个基因一种酶的假说。这一假说沟通了遗传学中基因的功能和生物化学中蛋白质生物合成之间的内在联系。遗传密码理论则将基因落实到DNA的顺序组成。1964年美国微生物和分子遗传学家C.亚诺夫斯基和英国分子遗传学家S.布伦纳等分别证实基因的核苷酸顺序和它所编码的蛋白质分子的氨基酸顺序之间存在排列上的线性对应关系，证实了一个基因一种酶的假说。

　　1955年本泽根据大肠杆菌T4噬菌体快速溶菌突变型的分析，首次提出了基因结构的顺反子概念，在分子水平建立了界定结构基因单元的遗传学分析方法。1960～1961年法国遗传学家J.莫诺和F.雅各布根据大肠杆菌乳糖代谢突变型的研究建立了乳糖操纵子模型，提出了操纵基因、抑制基因、启动子、诱导表达、正负调控等一系列涉及基因表达的基本概念（见操纵子），对转录水平的基因表达研究产生了深远的影响。他们所创立的一整套分子遗传学分析方法在很长时间内成为科学家探讨基因表达调控机制的典范。

　　从分子遗传学角度来看，真核生物和原核生物有许多相同之处，包括以DNA作为遗传物质（RNA病毒以RNA为遗传物质）、基本相同的遗传密码、蛋白质合成的过程以及基因突变的机制等。但是它们之间也有一些显著的区别。在结构方面，绝大多数原核生物的基因编码顺序是连续的，中间没有间隔。真核生物特别是多细胞真核生物基因，除少数成员外大部分的编码顺序是不连续的，中间插入许多非编码顺序，因此又称为断裂基因。这类基因内部的编码顺序称为外显子，非编码顺序称为内含子（见基因调控）。真核生物和原核生物基因的另一个显著差别，是表达的方式不同。主要表现在三个方面：①原核生物基因的转录与翻译是偶联的，即转录的同时翻译也一道进行。真核生物基因的转录和翻译在空间上是分开的，转录发生在细胞核中，翻译只出现在细胞质中。②原核生物基因的转录产物即是成熟的mRNA，真核生物基因的转录产物必须经过加工才能成为成熟的mRNA。③真核生物核基因组DNA与组蛋白结合形成核小体，核小体进一步螺旋缠绕形成染色质。由于DNA包裹在蛋白质中，因此真核生物核基因的表达还涉及染色质水平的调控（见基因表达）。

　　真核生物基因的表达研究最初是从哺乳动物病毒开始的，在方法上参照了原核生物的研究策略。猿猴病毒SV40基因组为一环状DNA，有两个转录产物，分别由正链和负链编码。它们的转录起始点彼此靠近，但转录方向相反。采用缺失突变的办法发现，控制SV40基因表达的顺序位于两个转录起始点之间，由两个相对独立但又不可分开的区域组成。一个为启动子，位于基因的5′端（或上游位置），其作用与原核生物相似。另一个为增强子，是真核生物特有的结构，常常远离转录起始点。增强子内部含有许多称为顺式因子的调控元件，可与蛋白质结合决定基因是否表达。此后的研究表明，SV40基因的表达调控模式在绝大多数真核生物中基本相同，差别仅在增强子中顺式因子的多寡、组成及其排列位置的不同。正是这些差异决定了不同基因成员在表达时空上的差别，从而在转录水平揭示了生物多样性的分子基础。

　　所有的生命活动如生长与发育、免疫与疾病无一例外均与基因的表达有关。多细胞生物特别是高等生物每个个体所有细胞均有相同的基因组成，但为何会出现不同的组织器官，这就涉及基因的差别表达问题。在细胞分化过程中，基因组按设定的程序打开某些基因、关闭另一些基因，从而赋予特定细胞类型指定的功能。基因组表达程序的设定最终是由DNA分子中核苷酸排列顺序所决定的，因此研究细胞的分裂与分化，胚胎的形成与发育，包括学习与记忆等高级神经活动的分子基础就成为分子遗传学探讨的重要课题。

突变与进化

　　随着分子遗传学的发展和DNA核苷酸顺序分析等技术的出现，现已确证所有基因的突变均同DNA分子的顺序组成和结构改变有关。突变可在四种水平上发生：①单核苷酸的改变，如碱基C→A或T→G，这类突变又称为核苷酸代换。②DNA排列顺序的变化，如缺失、插入和重复。③染色体结构的变异，如染色体区段的倒位、移位、断裂与缺失。④染色体数目的变化，如增加或缺失一条或几条染色体，或整个染色体组的加倍。不同类型的突变虽然在机制上有很大差别，但均涉及DNA的顺序组成和含量的变化。

　　突变的机制与效应是分子遗传学研究的重要内容之一。例如化学药物亚硝酸能够使腺嘌呤(A)脱氨基使它变为次黄嘌呤(HX)，也可作用于胞嘧啶(C)使它变为尿嘧啶(U)。当这两种碱基的氨基变为酮基时，通过DNA复制即可造成A∶T→G∶C或者G∶C→A∶T的置换。在一些人类神经性病变的遗传病如亨廷顿氏舞蹈症中，致病基因含有连续重复的3个核苷酸，可以发生重复数目的变化，产生无功能的蛋白质。这类突变的起因或是在DNA复制时发生滑序复制，或是在重复顺序之间发生了不等交换。

　　分子遗传学的研究表明，染色体水平的突变同样与DNA的结构有关。当染色体内或染色体之间存在同源顺序时，它们可介导这些区段之间的重组，从而导致倒位、移位、断裂或缺失的发生。

　　另一类引起突变的因素为基因组中的可动成分，它们有两种类型：DNA转座子和RNA转座子。DNA转座子可从原位切离，并以随机方式插入另一染色体位点。如果插入的位点在基因内部，即可破坏基因的结构。RNA转座子是高等真核生物基因组变异的主要原因之一。由于RNA转座子可以重复拷贝，反复插入，使基因组急剧扩张。人类基因组中，由RNA转座子产生的重复顺序约占总DNA的42%。

　　根据分子遗传学的分析，突变的效应可分为两大类：一类属于沉默突变，这类突变对表型没有影响，因而称为中性突变；另一类为功能突变，产生可检测的表型变化。例如核苷酸的代换如果发生在非编码区，不会影响基因表达产物的结构；如果在基因的编码区发生核苷酸的插入或缺失，即有可能产生无功能的蛋白质。

　　生物进化的基本动力源于DNA的自发突变。并非所有的基因突变都是有害的，有些基因的突变可以产生功能略有变异的蛋白质，可使生物适应新的生存环境。例如哺乳动物的胎儿须在母体的子宫内生长发育，他（她）们所需的氧气是通过母体的血液输送的。胎儿体内表达的可与氧气结合的血红蛋白基因与婴幼儿和成年期表达的血红蛋白基因虽然来自同一个祖先，但在顺序组成上已经发生变异，使其编码的血红蛋白具有更强的与氧气结合的能力。在自然选择中，这种变异的基因使物种具有更强的竞争力。