第3章基因的本質第4節基因是有遺傳效應的dna片段【知識擴展】基因概念之演變基因（gene）是遺傳學家約翰遜（wjohannsen）在1909年提出來的。他用基因這一名詞來表示遺傳的獨立單位，相當于孟德爾在豌豆試驗中提出的遺傳因子。 在遺傳學發展的早期階段，基因僅僅是1個邏輯推理的概念，而不是一種已經證實了的物質和結構。由于科學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展。從遺傳學史的角度看，基因概念大致分以下幾個階段：孟德爾的遺傳因子階段；摩爾根的基因階段；順反子階段和現代基因階段。一、孟德爾的遺傳因子階段19世紀60年代初，孟德爾對具有不同形態的豌豆作雜交實驗，在解釋實驗中每種性狀的遺傳行為時，用a代表紅花，a代表白花，表明生物的某種性狀是由遺傳因子負責傳遞的，遺傳下來的不是具體的性狀，而是遺傳因子。遺傳因子是顆粒性的，在體細胞內成雙存在，在生殖細胞內成單存在。孟德爾所說的“遺傳因子”是代表決定某個性狀遺傳的抽象符號。孟德爾在闡明遺傳因子在世代中傳遞規律時，就已經認識到了基因的兩個基本屬性：基因是世代相傳的，基因是決定遺傳性表達的?，F在所說的“基因是生物體傳遞遺傳信息和表達遺傳信息的基本物質單位”，實際上就是孟德爾所闡明的基因觀。二、摩爾根的基因階段1909年，丹麥遺傳學家約翰遜創造了“基因”這一術語，用來表達孟德爾的遺傳因子，但還只是提出了遺傳因子的符號，沒有提出基因的物質概念。摩爾根對果蠅的研究結果表明，1條染色體上有很多基因，一些性狀的遺傳行為之所以不符合孟德爾的獨立分配定律，就是因為代表這些性狀的基因位于同一條染色體上，彼此連鎖而不易分離。這樣，代表特定性狀的特定基因與某一條特定染色體上的特定位置聯系起來?；虿辉偈浅橄蟮姆枺窃谌旧w上占有一定空間的實體，從而賦予基因以物質的內涵。三、順反子階段早期的基因概念是把基因作為決定性狀的最小單位、突變的最小單位和重組的最小單位，后來，這種“三位一體”的概念不斷受到新發現的挑戰。20世紀50年代以后，隨著分子遺傳學的發展，1953年在沃森和克里克提出dna的雙螺旋結構以后，人們普遍認為基因是dna的片段，確定了基因的化學本質。1957年，本澤爾（seymour benzer）以t4噬菌體為材料，在dna分子水平上研究基因內部的精細結構，提出了順反子（cistron）概念。順反子是1個遺傳功能單位，1個順反子決定1條多肽鏈。能產生1條多肽鏈的是1個順反子，順反子也就是基因的同義詞。1個順反子可以包含一系列突變單位突變子。突變子是dna中構成1個或若干個核苷酸。由于基因內的各個突變子之間有一定距離，所以彼此之間能發生重組，重組頻率與突變子之間的距離成正比。重組子代表1個空間單位，有起點和終點，可以是若干個密碼子的重組，也可以是單個核苷酸的互換。如果是后者，重組子也就是突變子。四、現代基因階段1操縱子 從分子水平來看，基因就是dna分子上的一個個片段，經過轉錄和翻譯能合成1條完整的多肽鏈。可是，通過近年來的研究，認為這個結論并不全面，因為有些基因，如rrna和trna基因只有轉錄功能而沒有翻譯功能。另外，還有一類基因，其本身并不進行轉錄，但可以對鄰近的結構基因的表達起控制作用，如啟動基因和操縱基因。從功能上講，能編碼多肽鏈的基因稱為結構基因；啟動基因、操縱基因和編碼阻遏蛋白、激活蛋白的調節基因屬于調控基因。操縱基因與其控制下的一系列結構基因組成1個功能單位，稱為操縱子。2移動基因 移動基因指dna能在有機體的染色體組內從1個地方跳到另一個地方，它們能從1個位點切除，然后插入同一或不同染色體上的另一個位置。移動基因機構簡單，由幾個促進移位的基因組成。基因的跳動能夠產生突變和染色體重排，進而影響其他基因的表達。 業已證明，相當一部分已知的自發突變是移動基因所致，而且，移動基因不僅能在個體的染色體組內移動，并能在個體間甚至種間移動，因此是1個重要的進化因素。移動基因的發現動搖了基因在染色體上有一固定位置的傳統觀念。3斷裂基因 過去人們一直認為，基因的遺傳密碼子是連續不斷地并列在一起，形成1條沒有間隔的完整基因實體。但后來通過對真核蛋白質編碼基因結構的分析發現，在它們的核苷酸序列中間插入有與編碼無關的dna間隔區，使1個基因分隔成不連續的若干區段。這種編碼序列不連續的間斷基因被稱為斷裂基因。不連續的斷裂基因的表達程序是：先轉錄為初級轉錄物，即核內不均一rna，又叫前體rna；然后經過刪除和連接，除去無關的dna間隔序列的轉錄物，便形成了成熟的mrna分子，它從細胞核中輸送到細胞質，再轉譯為相應的多肽鏈。4假基因 1977年，gjacp根據對非洲爪蟾5s rrna基因簇的研究，提出了假基因的概念，現已在大多數真核生物中發現了假基因。這是一種核苷酸序列同其相應的正常功能基因基本相同，但卻不能合成出功能蛋白質的失活基因。5重疊基因 長期以來，在人們的觀念中一直認為同一段dna序列內，是不可能存在重疊的讀碼結構的。但是，隨著dna核著酸序列測定技術的發展，人們已經在一些噬菌體和動物病毒中發現，不同基因的核苷酸序列有時是可以共用的。也就是說，它們的核苷酸序列是彼此重疊的，這樣的2個基因被稱為重疊基因。它修正了關于各個基因的多核苷酸鏈是彼此分立、互不重疊的傳統觀念。由此可見，隨著生物科學的不斷發展，人們對基因概念的理解也不斷深入。在世界科學技術日新月異的今天，生物科學將會有更多新的突破性進展，基因的概念不可避免的將會被賦予新的內容。對基因認識的進一步深化（1）基因的順反子概念（黑方塊表示變位點）1955年，美國分子生物學家本澤（benzer）通過對大腸桿菌的噬菌體 的 區基因的深入研究，揭示了基因內部的精細結構。提出了基因的順反子（cistron）概念。他發現，在一個基因內部，可以發生若干不同位點的突變，倘若在一個基因內部發生兩個以上位點的突變，其順式和反式結構的表型效應是不同的。如上圖所示，順式是野生型，反式卻是突變型。所以，基因就是一個順反子?；騼炔窟@些不同位點之間還可以發生交換和重組。所以，一個基因不是一個突變單位，也不是一個重組單位。本澤分別把它們稱為突變子（muton）和重組子（recon）。顯然，一個突變子或重組子可小到一個核苷酸對?；虻捻樂醋痈拍顩_破了傳統的“功能、交換、突變”三位一體的基因概念，糾正了長期以來認為基因是不能再分的最小單位的錯誤看法，使人們對基因的認識有了顯著的提高。（2）有結構基因與調控基因的劃分，還有重造基因和斷裂基因的發現過去人們曾經認為，基因像念珠一樣，一個接一個地排列在染色體上，是互不重迭的；基因是一個連續的核苷酸序列，是不能間斷的。重迭基因和斷裂基因的發現，刷新了這些陳舊的看法，使人們對基因的結構與功能的認識又提高到一個新高度。什么是基因現在，基因已經成為一個家喻戶曉的名詞，但是，你是否能準確地說出什么是基因呢？本義從基因研究的發展歷史談談對基因的理解。一、基因概念的發展1909年， wl約翰遜首次提出了基因（gene）這一名詞，用來表示gj孟德爾在豌豆雜交試驗中所證實的遺傳因子。1910年，美國遺傳學家th摩爾根通過果蠅雜文實驗證明基因在染色體上呈線性排列，并確立了遺傳的連鎖和互換規律，進而在1926年發表了其代表作基因論。這時，人們認為“基因是染色體上的遺傳功能單位”。1928年f格里菲斯的肺炎雙球菌轉化實驗，以及1944年（） t艾弗里的dna轉化實驗，首次證明dna是遺傳物質，從而揭開了基因的化學本質。1941年，gw比德爾和el塔圖姆根據脈孢霉生化突變型的研究提出了“一個基因一種酶”的假說，認為基因與酶蛋白之間存在一一對應的關系。到1957年，s本澤爾進一步提出了“一個順反子一條多肽鏈”的論斷。順反子是基因的同義語，所以也說“一個基因一條多肽鏈”。這比“一個基因一種酶”的假說更為準確，因為有些蛋白質并不具有酶的性質，而且酶和蛋白質分子既可由一條肽鏈構成，也可由兩種以上的肽鏈構成。1966年，“一個基因一條多肽鏈”的生物學過程得到充分證明，并于1967年發表了全套的遺傳密碼表，初步揭開了基因表達之謎。原來，生物的遺傳信息以核苷酸堿基（atgc）的不同排列貯存干dna分子中，每3個堿基編碼一條多肽鏈中的一個氨基酸。在基因表達時，dna中的遺傳信息先被轉錄成mrna（信使rna），mrna中每3個堿基組成一個密碼子，決定一種氨基酸。然后由mrna中的核苷堿酸基（augc）的排列順序指導多肽鏈的合成。遺傳信息的這種“dnarna蛋白質”表達方式稱為中心法則。一個基因的dna雙鏈中，只有一條鏈可以用做轉錄的模板。關于這兩條鏈的稱呼有點混亂。以前的文獻稱模板鏈為編碼或有意義鏈。非模板鏈為無意義鏈，近年來則反過來稱模板鏈為反意義鏈（因其堿基序列與mrna互補）而非模板鏈為有意義鏈（因其堿基序列與mrna相同），又稱編碼鏈。一般所說的dna堿基序列是指有意義鏈，即編碼鏈，方向為5 3。遺傳密碼和密碼子一般是指mrna中的堿基序列，有時也指dna中編碼鏈的堿基序列。1953年jd沃森和fhc克里克提出了著名的dna分子結構的雙螺旋模型。1973年誕生了重組dna技術，即基因工程。此后，隨著分子生物學的迅速發展，人們對基因的認識不斷深化。其中最重要的發現是：1重疊基因 1977年f桑格等在噬菌體 x174中發現重疊基因，即某一段核苷酸序列同時為兩個基因編碼。后來在其它病毒以及細菌和果蠅等生物中也發現了重疊基因，一段dna序列為兩個或三個基因所共用，或者一個小基因位于一個大基因之內。重疊基因是生物體合理而又經濟地利用自身dna的一種絕妙方式，它的發現打破了基因是彼此分離的傳統觀念。2斷裂基因 1977年mt道爾等首次發現卵清蛋白基因是不連續的，在基因內部插入了7個沒有編碼意義的dna片段?，F已查明，原核生物的基因一般是連續的，在一個基因的內部沒有不編碼的dna序列。而真核生物的絕大多數基因都是不連續的斷裂基因，無編碼意義的插入片段稱為內含子，有編碼意義的基因片段稱為外顯子。在基因表達時，內含子與外顯子被一起轉錄成mrna前體，然后通過加工除掉與內含子對應的序列，再把與外顯子對應的序列拼接起來，形成成熟的mrna分子，最后翻譯成多肽鏈。內含子把一個基因分成幾個部分，打破了基因是一個不容分割的功能單位的傳統觀念。3移動基因 50年代初b麥克林托克在玉米的染色體中發現了可以改變自身位置的基因，她稱之為“解離因子”。解離因子可以在同一個雜色體內或不同的染色體間移動，當它移動到新的位置以后，可以引起染色體斷裂，使玉米籽粒出現色斑。后來，在其它生物中也發現了可以改變自身位置的移動基因，其中最常見的是細菌轉座子。轉座子除了含有與改變自身位過有關的基因以外，還攜帶與插入功能無關的基因，如耐藥基因、毒素基因和代謝基因等。4多個基因編碼一條多肽鏈 1979年s那卡尼施等發現并非一條肽鏈都由一個基因編碼，例如有些病毒可以由一段dna序列轉錄出一條mrna分子，然后翻譯出一條多肽鏈，最后這條多肽鏈被切割成多個有生物功能的肽鏈。有多少個功能肽鏈產生，對應的dna序列就應當含有多少個基因。這種多個基因編碼一條多肽鏈的現象，不符合“一個基因決定一條多肽鏈”的普遍原則，使基因的定義更加復雜化。5隱蔽基因 一般來說，用做翻譯模板的mrna分子應該與其編碼基因有對應關系，也就是說它的核苷酸堿基應與基因的核苷酸堿基互補，而且數量相等，對真核基因來說應與外顯子序列相對應。但是，自1985年以來，在某些病毒、植物和動物中發現，mrna前體在成熟過程中發生了堿基的增加、缺失或智換，mrna與基因之間失去了一一對應的關系。這一現象首先在原生動物錐蟲中發現，并稱之為rna編輯。這種需要編輯才能正常表達的基因稱為隱蔽基因。隱蔽基因的發現使對基因的準確定義更加困難。6不編碼蛋白質的基因在蛋白質合成過程中需要兩類rna分子的參與，一類是核糖體rna簡稱rrna，它是核糖體的組成部分。另一類是轉運rna簡稱trna其功能是把氨基酸搬運到核糖體會成多肽鏈的位點上。原核生物的rrna有3種，真核生物的rrna有4種。trna有幾十種。編碼這兩類rna分子的dna序列稱為rna基因，或者分別稱為rrna基因和trna基因。這樣看來，把基因定義為編碼一條多肽鏈的dna序列顯然不夠全面。二、基因的分子生物學定義在初中生物學課本中，把基因定義為“染色體遺傳物質中決定生物性狀的小單位”。高中生物學課本則把基因定義為“有遺傳效應的dna片段”。在最具權威的2000年版中國大百科全書中，基因的定義是“含特定遺傳信息的核苷酸序列，是遺傳信息的最小功能單位”。在最近幾年出版的外文版和部分中文版的分子生物學和分子遺傳學書籍中又給出了新的答案。從上述基因研究的最新進展可以看出，基因不僅在功能上多種多樣，在結構上也是五花八門，因此，給它下一個非常準確和永遠適用的定義是相當困難的。根據目前所掌握的知識，從分子生物學的角度，可以把基因定義為“能夠表達出一個有功能的多肽鏈或功能rna分子的核酸序列”。這里，“rna分子”是指rrna和trna。“核酸序列”主要指dna，對于rna病毒來說則指染色體rna。這個定義較確切地表述了基因的本質和功能，已經被絕大多數學者所接受。筆者認為，這個定義能夠為中學生所理解，特別是高中學生。根據上述定義不轉錄的dna序列就不應稱其為基因。實際上應稱它們為啟動區和操縱區。前者是基因轉錄時rna聚合酶與基因上游區結合并起始轉錄的dna區段，后者是與阻遏蛋白或激活蛋白結合從而調節基因轉錄活性的dna區段，它們都不編碼