分子遗传学综述

1、分子遗传学综述【摘要】：分子遗传学是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、基因的功能以及基 因的变化等问题。关键词：医学 分子遗传学 发展 内容 研究方法分子遗传学是遗传学中的一门新兴分支学科。分子生物学的重要 组成部分。广义地说，分子遗传学是研究分子水平描述的遗传体系或 其组分的情形。狭义地说，它是研究遗传机理的分子基础以及受遗传 物质控制的代谢过程。从分子水平研究遗传和变异的物质基础，是在 遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）的分子结构确认后迅速发展起来的。 20世纪以来，随着对大分子化合

2、物的研究不断取得突破，特别是脱氧 核糖核酸分子双螺旋结构模型的建立，人们能够从主要生命物质结构 的分子层次上得以合理地解释基因复制的机理、信息传递的途径、阐 明生物遗传变异的运动形态，从而使整个遗传学的研究由形态描述、 逻辑推理为主，转变为以物质结构与功能相统一为分析着眼点的新的 发展阶段。分子遗传学的目的在于阐明脱氧核糖核酸的复制机理，脱 氧核糖核酸、核糖核酸与蛋白质之间的关系，基因的本质、表达、传 递及其调节机制，基因突变的分子基础，核外遗传的分子机制，以及 细胞核质之间的关系等等.可从分子层次为探索生物发育、分化和进 化等重大问题提供新的理论说明和实验手段分子遗传学是遗传学发 展的一个重

3、要方向，遗传工程是分子遗传学的应用。一、发展简史1944年,美国学者埃弗里等首先在肺炎双球菌中证实了转化因子 是脱氧核糖核酸（DNA）,从而阐明了遗传的物质基础。1 9 5 3年, 美国分子遗传学家沃森和英国分子生物学家克里克提出了 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。1 955年，美国分子生物学家本泽用基因重组分析方法，研究大肠杆 菌的T4噬菌体中的基因精细结构,其剖析重组的精细程度达到DNA 多核昔酸链上相隔仅三个核苛酸的水平。这一工作在概念上沟通了分 子遗传学和经典遗传学。关于基因突变方面，早在1927年马勒和1 928年斯塔德勒就用 X射线等诱发了果蝇

4、和玉米的基因突变,但是在此后一段时间中对基 因突变机制的研究进展很慢，直到以微生物为材料广泛开展突变机制 研究和提出DNA分子双螺旋模型以后才取得显著成果。例如碱基置 换理论便是在T4噬菌体的诱变研究中提岀的，它的根据便是DNA复 制中的碱基配对原理。美国遗传学家比德尔和美国生物化学家塔特姆根据对粗糙脉泡 菌的营养缺陷型的研究，在4 0年代初提出了一个基因一种酶假设， 它沟通了遗传学中对基因的功能的研究和生物化学中对蛋白质生物 合成的研究。按照一个基因一种酶假设，蛋口质生物合成的中心问题是蛋白质 分子中氨基酸排列顺序的信息究竟以什么形式储存在DNA分子结构 中,这些信息又通过什么过程从DNA向

5、蛋白质分子转移.前一问题是 遗传密码问题，后-问题是蛋口质生物合成问题，这又涉及转录和翻译、 信使核糖核酸(mRNA)、转移核糖核酸(tRNA)和核糖体的结构与 功能的研究。这些分子遗传学的基本概念都是在20世纪50年代后期 和60年代前期形成的.分子遗传学的另一重要概念一-基因调控在1960-1 9 6 1年由法 国遗传学家莫诺和雅各布提出。他们根据在大肠杆菌和噬菌体中的研 究结果提出乳糖操纵子模型。接着在1 9 6 4年,又由美国微生物和分 子遗传学家亚诺夫斯基和英国分子遗传学家布伦纳等，分别证实了基 因的核苗酸顺序和它所编码的蛋白质分子的氨基酸顺序之间存在着 排列上的线性对应关系，从而充

6、分证实了一个基因一种酶假设.此后 真核生物的分子遗传学研究逐渐开展起来.二、主要内容用遗传学方法可以得到一系列使某一种生命活动不能完成的突 变型，例如不能合成某一种氨基酸的突变型、不能进行DNA复制的 突变型、不能进行细胞分裂的突变型、不能完成某些发育过程的突变 型、不能表现某种趋化行为的突变型等。不过许多这类突变型常是致 死的，所以各种条件致死突变型,特别是温度敏感突变型常是分子遗 传学研究的重要材料。在得到一系列突变型以后，就可以对它们进行遗传学分析，了解 这些突变型代表几个基因，各个基因在染色体上的位置，这就需要应 用互补测验，包括基因精细结构分析等手段。抽提、分离、纯化和测定等都是分子

7、遗传学中的常用方法。在对 生物大分子和细胞的超微结构的研究中还经常应用电子显微镜技术. 对于分子遗传学研究特别有用的技术是顺序分析、分子杂交和重组 DNA技术。核酸和蛋白质是具有特异性结构的生物大分子，它们的生物学活 性决定于它们的结构单元的排列顺序，因此常需要了解它们的这些顺 序。如果没有这些顺序分析,则基因DNA和它所编码的蛋口质的线 性对应关系便无从确证;没有核酸的顺序分析，则插入顺序或转座子 两端的反向重复序列的结构和意义便无从认识，重叠基因也难以发现.分子遗传学是从微生物遗传学发展起来的.虽然分子遗传学研究 己逐渐转向真核生物方而，但是以原核生物为材料的分子遗传学研究 还占很大的比重

8、。此外，由于微生物便于培养，所以在分子遗传学和 重组DNA技术中，微生物遗传学的研究仍将占有重要的位置。分子遗传学方法还可以用来研究蛋白质的结构和功能。例如可以 筛选得到一系列使某一蛋口质失去某一活性的突变型。应用基因精细 结构分析可以测定这些突变位点在基因中的位置;另外通过顺序分析 可以测定各个突变型中氨基酸的替代，从而判断蛋白质的哪一部分和 特定的功能有关，以及什么氨基酸的替代影响这一功能等等。生物进化的研究过去着眼于形态方面的演化，以后又逐渐注意到 代谢功能方而的演变。自从分子遗传学发展以来又注意到DNA的演 变、蛋白质的演变、遗传密码的演变以及遗传机构包括核糖体和t R NA等的演变。

9、通过这些方面的研究，对于生物进化过程将会有更加 本质性的了解。分子遗传学也己经渗入到以个体为对象的生理学研究领域中去， 特别是对免疫机制和激素的作用机制的研究。随着克隆选择学说的提 出，目前己经确认动物体的每一个产生抗体的细胞只能产生一种或者 少数几种抗体，而且己经证明这些细胞具有不同的基因型.这些基因型 的鉴定和来源的探讨，以及免疫反应过程中特定克隆的选择和扩增机 制等既是免疫遗传学也是分子遗传学研究的课题。将雌性激素注射雄鸡，可以促使雄鸡的肝脏细胞合成卵黄蛋白。 这一事实说明雄鸡和雌鸡一样，在肝脏细胞中具有卵黄蛋口的结构基 因，激素的作用只在于激活这些结构基因。激素作用机制的研究也属于分子

10、遗传学范畴，属于基因调控的研 究。个体发生过程中一般并没有基因型的变化，所以发生问题主要是 基因调控问题，也属于分子遗传学研究范畴。分子遗传学研究的方法，特别是重组DNA技术己经成为许多遗 传学分支学科的重要研究方法.分子遗传学也己经渗入到许多生物学 分支学科中，以分子遗传学为基础的遗传工程则正在发展成为一个新 兴的工业生产领域。三、研究方法1、遗传学方法用遗传学方法可以得到一系列使某一种生命活动不能完成的突 变型，例如不能合成某一种氨基酸的突变型、不能进行 DNA复制 的突变型、不能进行细胞分裂的突变型、不能完成某些发育过程的突 变型、不能表现某种趋化行为的突变型等。正象4 0年代中在粗糙脉

11、 泡菌中利用不能合成某种氨基酸的突变型来研究这一种氨基酸的生 物合成途径一样，也可以利用上述种种突变型来研究DNA复制、 细胞分裂、发生过程和趋化行为等。不过许多这类突变型常是致死的, 所以各种条件致死突变型特别是温度敏感突变型常是分子遗传学研 究的重要材料。在得到一系列突变型以后，就可以对它们进行遗传学分析，了解 这些突变型代表几个基因，各个基因在染色体上的位置,这就需要应用 互补测验（见互补作用、基因定位），包括基因精细结构分析等手段.2、生物化学方法抽提、分离、纯化和测定等都是分子遗传学中的常用方法。在对 生物大分子和细胞的超微结构的研究中还经常应用电子显微镜技术. 对于分子遗传学研究特

12、别有用的技术是顺序分析、分子杂交和重组D NA技术。核酸和蛋白质是具有特异性结构的生物大分子，它们的生 物学活性决定于它们的结构单元的排列顺序，因此常需要了解它们的 这些顺序。如果没有这些顺序分析，则基因DNA和它所编码的蛋口 质的线性对应关系便无从确证；没有核酸的顺序分析，则插入顺序或 转座子两端的反向重复序列的结构和意义便无从认识（见转座因子）， 重叠基因（见基因）也难以发现。DNA分子的两个单链具有互补结构，DNA和通过转录产生的 mRNA之间也具有互补结构。凡具有互补结构的分子都可以形成杂种 分子，测定杂种分子的形成的方法便是分子杂交方法。分子杂交方法 可以用来对DNA和由DNA转录的

13、RNA进行鉴定和测量。它的应用 范围很广泛，例如用来测定两种生物的DNA的总的相似程度，某一 m RNA分子从DN A的哪一部分转录等.重组DNA技术的主要工具是限制性核酸内切酶和基因载体（质 粒和噬菌体）。通过限制性内切酶和连接酶等的作用，可以把所要研 究的基因和载体相连接并引进细菌细胞,通过载体的复制和细菌的繁 殖便可以取得这一基因DNA的大量纯制品，如果这一基因得以在细 菌中表达，还可以获得这一基因所编码的蛋白质。这对于分子遗传学 研究是一种十分有用的方法。此外，在取得某一个基因以后，还可以 在离体条件下通过化学或生物化学方法使它发生预定的结构改变，然 后再把突变基因引入适当的宿主细胞，

14、这一方法有助于对特定基因的 结构和功能的研究。和其他学科的关系分子遗传学是从微生物遗传学发展起来的。 虽然分子遗传学研究己逐渐转向真核生物方而，但是以原核生物为材 料的分子遗传学研究还占很大的比重。此外，由于微生物便于培养， 所以在分子遗传学和重组DNA技术中微生物遗传学的研究仍将占 有重要的位置。分子遗传学方法还可以用来研究蛋口质的结构和功能。例如可以 筛选得到一系列使某一蛋口质失去某一活性的突变型。应用基因精细 结构分析可以测定这些突变位点在基因中的位置;另外通过顺序分析 可以测定各个突变型中氨基酸的替代，从而判断蛋白质的哪一部分和 特定的功能有关，以及什么氨基酸的替代影响这一功能等等。例

15、如乳 糖操纵子的调节基因产物是一种既能和操纵基因DNA结合又能和 乳糖或其他诱导物结合的阻遏蛋口.分子遗传学研究结果说明阻遏蛋 白的氨基端的60个氨基酸和DNA的结合有关,其余部分和诱导物的 结合有关，而且还说明这一部分蛋白质呈卩片层结构，片层结构的顶 端暴露部分最容易和诱导物相结合。麦芽糖结合蛋白的信号序列、X 噬菌体的阻遏蛋白等的结构和功能问题也都曾用分子遗传学方法进 行研究而取得有意义的结果。目前基因分离和DNA顺序分析方法进 展迅速，而一些以微量存在的蛋白质却难以分离纯化。在这种情况下， 根据DNA顺序分析结果和遗传密码表便可以得知这一蛋白质分子 的氨基酸顺丿Y.生物进化的研究过去着眼

16、于形态方面的演化，以后又逐渐注意到 代谢功能方而的演变。自从分子遗传学发展以来又注意到 DNA的 演变、蛋白质的演变、遗传密码的演变以及遗传机构包括核糖体和tR NA等的演变。通过这些方面的研究，对于生物进化过程将会有更加 木质性的了解（见分子进化）.分子遗传学也己经渗入到以个体为对象的生理学研究领域中去， 特别是对免疫机制和激素的作用机制的研究。随着克隆选择学说的提 出，目前已经确认动物体的每一个产生抗体的细胞只能产生一种或者 少数几种抗体，而且己经证明这些细胞具有不同的基因型。这些基因 型的鉴定和来源的探讨，以及免疫反应过程中特定克隆的选择和扩增 机制等既是免疫遗传学也是分子遗传学研究的课题.将雌性激素注