1、中國科學院研究生院！基因工程原理課補充教材之一(2010年9月7日)分子遺傳學的傳承與發展 吳乃虎（中國科學院遺傳與發育生物研究所） 黃美娟（北京大學生命科學學院細胞遺傳學系） 遺傳學（genetics）這個名稱，最初是由英國科學家貝特森（W.Bateson）于1906年根據拉丁文延長（Latin genetikos）之意創造的。按照不同歷史時期的學術水平和工作特點，遺傳學的研究進程大體上可以劃分為經典遺傳學（classical genetics）、生化遺傳學（biochemical genetics）、分子遺傳學（molecular genetics）、基因工程學（genetic engin

2、eering）、基因組學（genomics）和表觀遺傳學（epigenetics）等數個既彼此相對獨立，又前后互相交融的不同發展階段。這當中，分子遺傳學的地位無疑是相當重要的，它起到了承上啟下的作用。因此講清分子遺傳學的傳承與發展這一命題，不僅對于學習與掌握分子遺傳學的基本原理是十分必要的，而且對于培養青年學子樹立科學的唯物史觀也是十分必要的。1. 經典遺傳學從1865年孟德爾植物雜交實驗論文發表至20世紀40年代初，遺傳學主要從細胞和染色體水平上研究生命有機體的遺傳與變異的規律，屬于細胞遺傳學（cytogenetics）或叫染色體遺傳學（chromosomal genetics）階段。為了與

3、后繼發展的分子遺傳學相區別，如今人們也習慣地稱這一階段的遺傳學為經典遺傳學或傳統遺傳學。鑒于經典遺傳學主要研究生命有機體上下兩個世代之間基因是如何傳遞的，故有時也稱之為傳遞遺傳學（transmission genetics）。孟德爾通過豌豆雜交實驗，為現代遺傳學的誕生作出了劃時代的杰出貢獻。概括地說主要有如下兩大方面： 第一,發現了兩條遺傳學的基本定律，即遺傳因子分離律和自由組合律。孟德爾從1857年到1864年，堅持以豌豆為材料進行植物雜交試驗。他選擇了7對區別分明的性狀作仔細觀察。例如，他用產生圓形種子的植株同產生皺形種子的植株雜交，得到的幾百粒雜交子一代的種子全是圓形的。第二年，他種了2

4、53粒圓形雜交種子，并讓它們自交，結果得到的7324粒子二代種子中，有5474粒是圓形的，1850粒是皺形的。用統計學方法計算得出，圓皺比為3:1。據此孟德爾推導出遺傳因子分離律。他還研究了具有兩種彼此不同的對立性狀的2個豌豆品系之間的雙因子雜交試驗。他選用產生黃色圓形種子的豌豆品系同產生綠色皺形種子的豌豆品系進行雜交，所產生的雜種子一代種子，全是黃色圓形的。但在自交產生的子二代556粒種子中，不但出現了兩種親代類型，而且還出現了兩種新的組合類型。其中黃色圓形的315粒，黃色皺形的121粒，綠色圓形的108粒，綠色皺形的32粒。四種類型比例近于9:3:3:1。這就是所謂的孟德爾遺傳因子的獨立分

5、配律。第二，提出了遺傳因子假說。為了解釋豌豆雜交的遺傳現象，孟德爾從生殖細胞著眼，提出了遺傳因子假說。他推想生物個體的所有性狀都是由遺傳因子控制的，這些因子從親本到子代，代代相傳；遺傳因子有顯性和隱性之分，決定一對相對性狀的顯性因子和隱性因子，叫做等位因子(即現在所說的等位基因)；在體細胞中遺傳因子是成對存在的，其中一個來自父本，一個來自母本；在形成配子時，成對的遺傳因子彼此分開，因此在性細胞中，它們則是成單存在的；在雜交子一代細胞中，成對的遺傳因子各自獨立，彼此保持純一的狀態；由雜種形成的不同類型的配子數目相等;雌雄配子的結合是隨機的，有同等的結合機會。在孟德爾當時，學術界流行著一種“融合遺

6、傳”(blending inheritance)觀點，認為決定不同親本性狀的遺傳物質，在雜種后代彼此融合而逐漸消失。這好比把紅顏料同藍顏料混合之后，會形成一種既不是紅也不是藍的紫顏色一樣。孟德爾沖破這種錯誤觀點的束縛，提出了與“融合遺傳” 相對立的“顆粒遺傳”(particulate inheritance)思想。在大量實驗事實的基礎上，通過嚴格的統計學分析和縝密的邏輯推理，證明遺傳性狀是由一種獨立存在的顆粒性的遺傳因子決定的。 孟德爾的科學發現，為現代遺傳學奠定了堅實的理論基礎，后世人為紀念他的偉大的科學貢獻，稱這些定律為孟德爾定律，并尊稱孟德爾為現代遺傳學的創始人。85種果蠅的突變型。這些

7、突變型跟正常的野生型果蠅，在諸多如翅長、體色、剛毛形狀、復眼數目等性狀上都有差別。有了這些突變型，就能夠更廣泛地進行雜交實驗，也能更加深入地研究遺傳的機理。摩爾根將白眼雄果蠅同紅眼雌果蠅交配所產生的子一代不論是雄的還是雌的，無一例外地都是紅眼果蠅。讓這些子一代果蠅互相交配，所產生的子二代有紅眼的也有白眼的，但有趣的是所有的白眼果蠅都是雄性的。說明這個白眼性狀與性別有聯系。為了解釋這種現象，需要簡單地了解果蠅的染色體。果蠅只有4對染色體。在雌果蠅中有1對很小呈粒狀，2對呈V形，另有1對呈棒狀的特稱為XX染色體；在雄果蠅中，前3對同雌果蠅的完全一樣，但沒有1對棒狀的XX染色體，它是由1個棒狀的X染

8、色體和1個J形的Y染色體取代，這一對叫做XY染色體。摩爾根當時就已經知道性染色體的存在。因此他推想，白眼這一隱性性狀的基因（w）是位于X染色體上，而在Y染色體上沒有它的等位基因。他讓子一代紅眼雌果蠅（Ww），跟親本的白眼雄果蠅（wY）回交，結果產生的后代果蠅中有1/4是紅眼雌果蠅，1/4是白眼雄果蠅。這個實驗說明，白眼隱性突變基因（w）確實位于X染色體上。摩爾根稱這種現象為遺傳性狀的連鎖定律。摩爾根和他助手們的杰出工作，第一次將代表某一特定性狀的基因同某一特定的染色體聯系了起來，創立了遺傳的染色體理論并提出了遺傳的連鎖定律。從此基因有了具體的物質內涵。隨后的遺傳學家們又應用基因作圖技術，構建了

9、基因的連鎖圖，進一步揭示了在染色體分子上基因是按線性順序排列的，從而使學術界普遍地接受了孟德爾遺傳學原理。經典遺傳學的主要研究內容可概括為遺傳的孟德爾定律（Mondelian laws of inheritance）、遺傳的染色體理論（the chromosome theory of inheritance）、遺傳重組和作圖（genetic recombination and mapping）以及重組的物理證據（physical evidence for recombination）等四大方面。2. 生化遺傳學 摩爾根曾經正確地指出：“種質必須由某種獨立的要素組成，正是這些要素我們叫做遺傳因子

10、，或者更簡單地叫做基因”。盡管由于摩爾根及其學派的廣大科學工作者的努力，使基因學說得到了學術界的普遍的承認，然而當時人們對基因本質的認識還相當膚淺，并不知道基因與蛋白質及表型之間究竟存在著什么樣的內在聯系。雖然說早在1909年，英國的醫生兼生物化學家加羅德（A.Garrod）就己指出，特定酶的表達是由野生型基因控制的假說。而且這個假說在二十世紀30年代，經過眾多遺傳學家的努力已經獲得了很大的發展與充實。遺憾的是，由于當時人們掌握的酶分子結構的知識相當貧乏，沒有認識到大部份基因的編碼產物都是蛋白質，也不知道是否所有的蛋白質都是由基因編碼的。在這樣的知識背景下，要進一步研究分析基因與蛋白質之間的內

11、在聯系，顯然是難以做到的。值得慶幸的是到了二十世紀40年代初期，孟德爾-摩爾根學派的遺傳學家便已經清醒地認識到，如果繼續沿用經典遺傳學的研究方法和實驗體系，是難以有效地揭示基因控制蛋白質合成及表型特征的遺傳機理。因此他們便廣泛地轉而使用諸如紅色面包霉（Neurospora crassa）和肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumpniae）等微生物為研究材料，并著力從生物化學的角度，探索基因與蛋白質及表型之間內在聯系的分子本質。所以人們稱這個階段的遺傳學為生化遺傳學（biochemical genetics），或微生物遺傳學（microbial genetics）。 由于微生物具有個

12、體小、細胞結構簡單、繁殖速度快、世代時間短和容易培養、便于操作等許多優點，因此便極大地加速了生化遺傳學的研究，在短短的二三十年間就取得了豐碩的成果，主要的有如下三項。第一，1941年兩位美國科學家比德爾（G.Beadle）和塔特姆（E.Tatum），通過對紅色面包霉營養突變體的研究，提出了“一種基因一種酶”（后來修改為“一種基因一種多肽”3. 分子遺傳學經典遺傳學雖然揭示了基因傳遞的一般規律，甚至還能夠繪制出基因在染色體分子上的排列順序及其相對距離的遺傳圖，生化遺傳學盡管證明了基因的載體是DNA，但它們都不能準確地解釋基因究竟是以何種機理、通過什么途徑來控制個體的發育分化及表型特征的。確切地說

13、，直到1953年Watson-Crick DNA雙螺旋模型提出之前，人們對于基因的理解仍然停留在初步的階段。那時的遺傳學家不但沒有揭示出基因的結構特征，而且也不能解釋位于細胞核中的基因，是怎樣地控制在細胞質中發生的各種生化過程，以及在細胞繁殖過程中，為何基因可準確地產生自己的復制品。而諸如此類的問題便是屬于分子遺傳學的研究范疇。由于長期以來分子遺傳學的核心主題一直是圍繞著基因展開的，所以也被冠名為基因分子遺傳學（molecular genetics of the gene）。 分子遺傳學的主要研究方向集中在核酸與蛋白質大分子的遺傳作為上，重點是從DNA水平探索基因的分子結構與功能的關系，以及表

14、達和調節的分子機理等諸多問題。特別是DNA雙螺旋結構模型的建立，為有關的科學工作者著手研究構成分子遺傳學兩大理論支柱，即維系遺傳現象分子本質的DNA自我復制和基因與蛋白質之間的關系，提供了正確的思路，奠定了成功的基礎。因此說，1953年沃森和克里克（JamesWatson and Francis Crick ）DNA雙螺旋模型的建立，標志著遺傳學研究已經跨入了分子遺傳學的新階段。它全面繼承和發展了經典遺傳學和生化遺傳學的科學內涵，又孕育并催生了基因工程學、基因組學和表觀遺傳學等3個現代遺傳學主要分支的相繼問世。毫無疑義在整個遺傳學的發展史上，分子遺傳學的確起到了承上啟下的傳承作用。 應該說二十

15、世紀50年代初期至70年代初期，是分子遺傳學迅猛發展快速進步的年代。在這短短的二十余年間，許多有關分子遺傳學的基本原理相繼提出，大量的重要發現不斷涌現。其中比較重要的有：1956年，美國科學家科恩伯格（A.Kornberg）在大腸桿菌中發現了DNA聚合酶型核酸內切限制酶，它與1967年發現的DNA連接酶，同為DNA體外重組技術的建立提供了酶學基礎。正是上述這些研究發現與進展構成了分子遺傳學的核心內容。4. 基因工程學 基因工程學簡稱基因工程，是在20世紀70年代誕生的一門嶄新的生物技術科學（biotechnology）。它的創立與發展直接依賴于分子遺傳學的進步，而基因工程技術的發展與應用又有力

16、地促進了分子遺傳學的深化與提高，兩者之間有著密不可分的內在聯系。 早期分子遺傳學的研究成果，為基因工程的創立與發展奠定了堅實的理論基礎。概括起來主要的有如下三個方面：第一，在20世紀40年代確立了遺傳信息的攜帶者，即基因的分子載體是DNA而不是蛋白質，明確了遺傳的物質基礎問題；第二，在20世紀50年代揭示了DNA分子的雙螺旋結構模型和半保留復制機理，弄清了基因的自我復制和傳遞的問題；第三，在20世紀50年代末期和60年代，相繼提出了中心法則和操縱子學說，并成功地破譯了遺傳密碼系統，闡明了遺傳信息的流向和表達問題。由于這些問題的相繼解決，人們期待已久的應用類似于工程技術的程序，主動地改造生命有機

17、體的遺傳特性，創造具有優良性狀的生物新類型的美好愿望，從理論上講已有可能變為現實。基因工程之所以會在20世紀70年初期誕生，并在隨后的十來年時間中獲得迅速的發展，這并非是一種偶然的事件，而是由當時科學技術發展的水平決定的。特別是分子生物學及分子遺傳學實驗方法的進步，為基因工程的創立與發展奠定了強有力的技術基礎。這些技術主要的有依賴于核酸內切限制酶和DNA連接酶的DNA分子體外切割與連接、基因克隆載體和大腸桿菌轉化體系、DNA核酸序列結構分析以及核酸分子雜交和瓊脂糖凝膠電泳等等。有趣的是，這些技術差不多是同時得到發展，并被迅速地應用于DNA體外重組實驗。于是在20世紀70年代開展基因工程研究工作

18、，無論在理論上還是在技術上都已經具備了條件。 首先，1972年美國斯坦福大學（Stanford University）的伯格（P.Berg）等人完成了世界上第一例DNA體外重組實驗。接著，1973年另外兩位斯坦福大學的科學家科恩（S.Cohen）和博耶（H.Boyer）利用大腸桿菌體系，首次成功地進行了基因克隆實驗。這些工作預示著基因工程學即將正式誕生。 簡單地說，所謂基因工程是指在體外試管中，應用DNA重組技術將外源DNA（基因）插入到載體分子構成遺傳物質的重組體，并使之轉移到原先沒有這類分子（基因）的受體細胞內，而能持續穩定地表達與增殖，進而形成轉基因的克隆或個體的實驗操作過程。這個定義說

19、明基因工程雖然是分子遺傳學發展的必然結果，但它自身也具有如下幾個方面獨特的優點。 第一，具有跨越天然物種屏障的能力，可以把來自不同物種的DNA（基因）轉移到與其毫無親緣關系的新寄主細胞中進行復制與表達。這意味著應用基因工程技術有可能按照人們的主觀愿望和社會需求，創造出自然界原本并不存在的新的生物類型。 第二，能夠使特定的DNA片段或目的基因在大腸桿菌寄主細胞中大量擴增。如此人們便能夠制備到大量純化的特定DNA片段或目的基因，從而極大地促進了有關基因的分子遺傳學的基礎研究工作。 第三，確立了反向遺傳學（reverse genetics）研究途徑。傳統遺傳學是根據生物個體的表型特征去探究其相應的基

20、因型的結構，人們習慣上稱這樣的遺傳學研究途徑為正向遺傳學（forward genetics）。隨著分子遺傳學尤其是重組DNA技術的發展與應用，人們已經有可能通過配合使用基因克隆、定點突變、PCR擴增及轉基因等各項技術，首先從基因開始研究其核苷酸序列特征、蛋白質產物的結構與功能，進而根據人們的需求對基因進行修飾改造，然后再返回到生物體內觀察其生物學活性與表型特征的變化。為與傳統的正向遺傳學相區別，人們稱這樣的遺傳學研究途徑為反向遺傳學，亦即是基因工程學。5. 基因組學 基因組（genome）這個術語系由基因（gene）和染色體（chromosome）兩個英語單詞縮合而成，最早于1920年被溫克勒

21、（H.Winkler）首先使用。它是指生命有機體細胞所攜帶的全部遺傳信息，包括所有的基因及基因間序列的總和。例如人類基因組便是由復雜的核基因組和簡單的線粒體基因組兩大部分組成。前者含有約24000種基因，后者則只有37種基因。由于兩者復雜度相差過于懸殊，因此通常所說的人類基因組測序，一般就是指核基因組測序。 人類基因組含有22條常染色體及兩條性染色體X和Y，其DNA分子的總長度約為3×109bp。但每一條染色體DNA分子的長度并不一樣，最長的一條達250Mb，最短的一條則僅有55Mb。人類線粒體基因組DNA是一種長度為16569bp的環形分子。每個細胞平均擁有800個左右的線粒體顆粒

22、，其中每個顆粒含有10個基因組拷貝。 一個成年人個體大約擁有總數達7.5×1013（即75萬億）個細胞，每個細胞都含有相同的基因組拷貝。但也有某種特別類型的細胞，比如處于終極分化狀態的血紅細胞并不存在細胞核，因此也就沒有核基因組。體細胞是二倍體，每個細胞都含有兩套共44條常染色體和兩條性染色體（其中男性的為X和Y，女性的兩條都是X）。單倍體細胞精子和卵子，都只有一套22條常染色體和一條性染色體，其中精子的有X和Y的兩種不同的類型，而卵子則只有X的一種類型。因此，一套完整的人類核基因組，實際上包括22條常染色體和一條Y染色體和一條X染色體，總數為24條染色體。 在討論基因組問題時，不能

23、不提及人類基因組計劃（Human Genome Project,HGP）。這是一項在1984年由美國科學家首先提出并于1990年10月1日正式啟動的、以測定人類基因組全序列為主要目標的國際性合作研究項目。除了美國之外，參加該項目的國家還有英國、法國、德國、日本和中國，共6個國家，預計總投資30億美元。其工程之浩大，任務之艱巨，與制造原子彈的“曼哈頓（Manhattan）計劃”、及送人登月的“阿波羅（Apollo）計劃”相比毫不遜色。 人類基因組計劃分兩步進行。第一步，圖譜的繪制，即將所有的基因全部定位在單倍體基因組的全套24條染色體上，然后對這些功能基因進行核苷酸序列的測定。第二步，對染色體基

24、因組的DNA分子包括編碼的和非編碼的進行全序列測定。它的根本目的在于繪制出一部揭示人體生命奧秘的“天書”，為生命科學特別是醫學研究提供極其珍貴的參考資料。該計劃原訂于2005年完成，但實際上提前了4年，在2001年人類基因組序列草圖的兩個版本，便同時分別在Science和Nature雜志上發表。 隨著研究工作的逐步深入和積累的資料日漸豐富，事實上自1995年開始有關基因組的分析范圍，便已經由原來確定的圖譜繪制和序列測定兩大主題，擴展到了包括基因功能鑒定在內的三大任務。為了適應這種變化了的情況，于是有關的科學工作者便提出了一個更加綜合的、能切實反應具體學科內容的新的術語-基因組學（genomic

25、s）-于以替代。 基因組學是利用基因組全序列提供的信息，結合高通量的基因組分析技術，在基因組水平上研究生命有機體基因的結構和功能、表達與調節、發育及分化等一系列基礎理論問題的分子遺傳學的嶄新研究領域。雖然基因組學的概念已得到廣大科學工作者認同，但由于歷史短暫且發展迅速，因此目前有關于它的具體的研究范圍尚難準確界定。一般認為它主要包括結構基因組學、功能基因組學（轉錄本組學、蛋白質組學和代謝物組學）、基礎基因組學、應用基因組學和比較基因組學共五大分支學科。 基因組學對分子遺傳學的發展產生了深刻的影響。長期以來，分子遺傳學家都是以單個基因或由少數幾個基因組成的操縱子作為主要的研究目標。然而由于正常的

26、細胞生命活動，是通過整個基因組所有基因間的協同表達和綜合調節的結果。因此僅靠對單個基因孤立的研究，是難以揭示出細胞新陳代謝過程的真實情況。基因組學則不然，它的出發點是把基因組的結構與功能作為一個有機的整體看待，認為細胞的生命活動是通過由各個基因的表達調節組成的統一的網絡體系綜合體現的。所以它比單基因的研究途徑，能夠更加有效地接近細胞生命活動的本來面目。事實也的確如此，當今分子遺傳學的主要進展，例如下面將要敘述的表觀遺傳學（epigenetics）的許多概念，便是來源于基因組學而非單個基因的研究。6. 表觀遺傳學 最近十多年來，隨著分子遺傳學尤其是基因組學研究工作的不斷深入，在諸多的生命有機體中

27、發現了越來越多的非孟德爾遺傳（non-Mondelian inheritance）現象，和異常的遺傳模式（disparate pattern of inheritance）。這些問題強烈地吸引著一大批有關科學工作者的濃厚興趣。如此便有力地促進了表觀遺傳學的研究，使之迅速地發展成為分子遺傳學研究領域中相對獨立的一門新興科學。 英語中，表觀遺傳學（epigenetics）一詞系由后成論（epigenesis）和遺傳學（genetics）兩個單詞縮合而成。它是專門研究在生命有機體發育與分化過程中，導致表型性狀特征發生改變而相應基因的核苷酸序列卻沒有變化的特殊的遺傳現象。這種只對表型有影響但并不導致基

28、因型改變的類型獨特的遺傳變化，叫做表觀遺傳改變（epigenetic change）。表觀遺傳學的主要論點是，生命有機體的大部分性狀是由DNA序列中編碼蛋白質的基因負責傳遞的，但是DNA序列以外的化學標記（chemical marker）編碼的表觀遺傳密碼（epigenetic code），對于生命有機體的表型特征尤其是健康狀況，同樣也有深刻的影響。 近年來表觀遺傳學的研究成果告訴我們，DNA并非是遺傳信息的惟一載體。生命有機體遺傳信息的組成事實上是相當復雜的，它包括三個不同的層次。第一個層次由基因組DNA中編碼蛋白質的基因構成。已知在人類基因組中，此類基因所占的比例還不到全部DNA序列的2%，但它對于生命活動的重要性已經是眾所周知的事實。第二個層次僅含有非編碼的RNA（non-coding RNA,ncRNA）基因，諸如miRNA基因以及siRNA基因等，但一般不包括rRNA基因、tRNA基因和snoRNA基因。這類RNA基因存在于基因組DNA廣袤的非編碼蛋白質的序列中。如同蛋白質編碼基因一樣，RNA基因在生命過程中的作用也是不