分子遗传学的传承与发展

1、中国科学院研究生院！基因工程原理课补充教材之一(2010年9月7日)分子遗传学的传承与发展 吴乃虎（中国科学院遗传与发育生物研究所） 黄美娟（北京大学生命科学学院细胞遗传学系） 遗传学（genetics）这个名称，最初是由英国科学家贝特森（W.Bateson）于1906年根据拉丁文延长（Latin genetikos）之意创造的。按照不同历史时期的学术水平和工作特点，遗传学的研究进程大体上可以划分为经典遗传学（classical genetics）、生化遗传学（biochemical genetics）、分子遗传学（molecular genetics）、基因工程学（genetic engin

2、eering）、基因组学（genomics）和表观遗传学（epigenetics）等数个既彼此相对独立，又前后互相交融的不同发展阶段。这当中，分子遗传学的地位无疑是相当重要的，它起到了承上启下的作用。因此讲清分子遗传学的传承与发展这一命题，不仅对于学习与掌握分子遗传学的基本原理是十分必要的，而且对于培养青年学子树立科学的唯物史观也是十分必要的。1. 经典遗传学从1865年孟德尔植物杂交实验论文发表至20世纪40年代初，遗传学主要从细胞和染色体水平上研究生命有机体的遗传与变异的规律，属于细胞遗传学（cytogenetics）或叫染色体遗传学（chromosomal genetics）阶段。为了与

3、后继发展的分子遗传学相区别，如今人们也习惯地称这一阶段的遗传学为经典遗传学或传统遗传学。鉴于经典遗传学主要研究生命有机体上下两个世代之间基因是如何传递的，故有时也称之为传递遗传学（transmission genetics）。孟德尔通过豌豆杂交实验，为现代遗传学的诞生作出了划时代的杰出贡献。概括地说主要有如下两大方面： 第一,发现了两条遗传学的基本定律，即遗传因子分离律和自由组合律。孟德尔从1857年到1864年，坚持以豌豆为材料进行植物杂交试验。他选择了7对区别分明的性状作仔细观察。例如，他用产生圆形种子的植株同产生皱形种子的植株杂交，得到的几百粒杂交子一代的种子全是圆形的。第二年，他种了2

4、53粒圆形杂交种子，并让它们自交，结果得到的7324粒子二代种子中，有5474粒是圆形的，1850粒是皱形的。用统计学方法计算得出，圆皱比为3:1。据此孟德尔推导出遗传因子分离律。他还研究了具有两种彼此不同的对立性状的2个豌豆品系之间的双因子杂交试验。他选用产生黄色圆形种子的豌豆品系同产生绿色皱形种子的豌豆品系进行杂交，所产生的杂种子一代种子，全是黄色圆形的。但在自交产生的子二代556粒种子中，不但出现了两种亲代类型，而且还出现了两种新的组合类型。其中黄色圆形的315粒，黄色皱形的121粒，绿色圆形的108粒，绿色皱形的32粒。四种类型比例近于9:3:3:1。这就是所谓的孟德尔遗传因子的独立分

5、配律。第二，提出了遗传因子假说。为了解释豌豆杂交的遗传现象，孟德尔从生殖细胞着眼，提出了遗传因子假说。他推想生物个体的所有性状都是由遗传因子控制的，这些因子从亲本到子代，代代相传；遗传因子有显性和隐性之分，决定一对相对性状的显性因子和隐性因子，叫做等位因子(即现在所说的等位基因)；在体细胞中遗传因子是成对存在的，其中一个来自父本，一个来自母本；在形成配子时，成对的遗传因子彼此分开，因此在性细胞中，它们则是成单存在的；在杂交子一代细胞中，成对的遗传因子各自独立，彼此保持纯一的状态；由杂种形成的不同类型的配子数目相等;雌雄配子的结合是随机的，有同等的结合机会。在孟德尔当时，学术界流行着一种“融合遗

6、传”(blending inheritance)观点，认为决定不同亲本性状的遗传物质，在杂种后代彼此融合而逐渐消失。这好比把红颜料同蓝颜料混合之后，会形成一种既不是红也不是蓝的紫颜色一样。孟德尔冲破这种错误观点的束缚，提出了与“融合遗传” 相对立的“颗粒遗传”(particulate inheritance)思想。在大量实验事实的基础上，通过严格的统计学分析和缜密的逻辑推理，证明遗传性状是由一种独立存在的颗粒性的遗传因子决定的。 孟德尔的科学发现，为现代遗传学奠定了坚实的理论基础，后世人为纪念他的伟大的科学贡献，称这些定律为孟德尔定律，并尊称孟德尔为现代遗传学的创始人。85种果蝇的突变型。这些

7、突变型跟正常的野生型果蝇，在诸多如翅长、体色、刚毛形状、复眼数目等性状上都有差别。有了这些突变型，就能够更广泛地进行杂交实验，也能更加深入地研究遗传的机理。摩尔根将白眼雄果蝇同红眼雌果蝇交配所产生的子一代不论是雄的还是雌的，无一例外地都是红眼果蝇。让这些子一代果蝇互相交配，所产生的子二代有红眼的也有白眼的，但有趣的是所有的白眼果蝇都是雄性的。说明这个白眼性状与性别有联系。为了解释这种现象，需要简单地了解果蝇的染色体。果蝇只有4对染色体。在雌果蝇中有1对很小呈粒状，2对呈V形，另有1对呈棒状的特称为XX染色体；在雄果蝇中，前3对同雌果蝇的完全一样，但没有1对棒状的XX染色体，它是由1个棒状的X染

8、色体和1个J形的Y染色体取代，这一对叫做XY染色体。摩尔根当时就已经知道性染色体的存在。因此他推想，白眼这一隐性性状的基因（w）是位于X染色体上，而在Y染色体上没有它的等位基因。他让子一代红眼雌果蝇（Ww），跟亲本的白眼雄果蝇（wY）回交，结果产生的后代果蝇中有1/4是红眼雌果蝇，1/4是白眼雄果蝇。这个实验说明，白眼隐性突变基因（w）确实位于X染色体上。摩尔根称这种现象为遗传性状的连锁定律。摩尔根和他助手们的杰出工作，第一次将代表某一特定性状的基因同某一特定的染色体联系了起来，创立了遗传的染色体理论并提出了遗传的连锁定律。从此基因有了具体的物质内涵。随后的遗传学家们又应用基因作图技术，构建了

9、基因的连锁图，进一步揭示了在染色体分子上基因是按线性顺序排列的，从而使学术界普遍地接受了孟德尔遗传学原理。经典遗传学的主要研究内容可概括为遗传的孟德尔定律（Mondelian laws of inheritance）、遗传的染色体理论（the chromosome theory of inheritance）、遗传重组和作图（genetic recombination and mapping）以及重组的物理证据（physical evidence for recombination）等四大方面。2. 生化遗传学 摩尔根曾经正确地指出：“种质必须由某种独立的要素组成，正是这些要素我们叫做遗传因子

10、，或者更简单地叫做基因”。尽管由于摩尔根及其学派的广大科学工作者的努力，使基因学说得到了学术界的普遍的承认，然而当时人们对基因本质的认识还相当肤浅，并不知道基因与蛋白质及表型之间究竟存在着什么样的内在联系。虽然说早在1909年，英国的医生兼生物化学家加罗德（A.Garrod）就己指出，特定酶的表达是由野生型基因控制的假说。而且这个假说在二十世纪30年代，经过众多遗传学家的努力已经获得了很大的发展与充实。遗憾的是，由于当时人们掌握的酶分子结构的知识相当贫乏，没有认识到大部份基因的编码产物都是蛋白质，也不知道是否所有的蛋白质都是由基因编码的。在这样的知识背景下，要进一步研究分析基因与蛋白质之间的内

11、在联系，显然是难以做到的。值得庆幸的是到了二十世纪40年代初期，孟德尔-摩尔根学派的遗传学家便已经清醒地认识到，如果继续沿用经典遗传学的研究方法和实验体系，是难以有效地揭示基因控制蛋白质合成及表型特征的遗传机理。因此他们便广泛地转而使用诸如红色面包霉（Neurospora crassa）和肺炎链球菌（Streptococcus pneumpniae）等微生物为研究材料，并着力从生物化学的角度，探索基因与蛋白质及表型之间内在联系的分子本质。所以人们称这个阶段的遗传学为生化遗传学（biochemical genetics），或微生物遗传学（microbial genetics）。 由于微生物具有个

12、体小、细胞结构简单、繁殖速度快、世代时间短和容易培养、便于操作等许多优点，因此便极大地加速了生化遗传学的研究，在短短的二三十年间就取得了丰硕的成果，主要的有如下三项。第一，1941年两位美国科学家比德尔（G.Beadle）和塔特姆（E.Tatum），通过对红色面包霉营养突变体的研究，提出了“一种基因一种酶”（后来修改为“一种基因一种多肽”3. 分子遗传学经典遗传学虽然揭示了基因传递的一般规律，甚至还能够绘制出基因在染色体分子上的排列顺序及其相对距离的遗传图，生化遗传学尽管证明了基因的载体是DNA，但它们都不能准确地解释基因究竟是以何种机理、通过什么途径来控制个体的发育分化及表型特征的。确切地说

13、，直到1953年Watson-Crick DNA双螺旋模型提出之前，人们对于基因的理解仍然停留在初步的阶段。那时的遗传学家不但没有揭示出基因的结构特征，而且也不能解释位于细胞核中的基因，是怎样地控制在细胞质中发生的各种生化过程，以及在细胞繁殖过程中，为何基因可准确地产生自己的复制品。而诸如此类的问题便是属于分子遗传学的研究范畴。由于长期以来分子遗传学的核心主题一直是围绕着基因展开的，所以也被冠名为基因分子遗传学（molecular genetics of the gene）。 分子遗传学的主要研究方向集中在核酸与蛋白质大分子的遗传作为上，重点是从DNA水平探索基因的分子结构与功能的关系，以及表

14、达和调节的分子机理等诸多问题。特别是DNA双螺旋结构模型的建立，为有关的科学工作者着手研究构成分子遗传学两大理论支柱，即维系遗传现象分子本质的DNA自我复制和基因与蛋白质之间的关系，提供了正确的思路，奠定了成功的基础。因此说，1953年沃森和克里克（JamesWatson and Francis Crick ）DNA双螺旋模型的建立，标志着遗传学研究已经跨入了分子遗传学的新阶段。它全面继承和发展了经典遗传学和生化遗传学的科学内涵，又孕育并催生了基因工程学、基因组学和表观遗传学等3个现代遗传学主要分支的相继问世。毫无疑义在整个遗传学的发展史上，分子遗传学的确起到了承上启下的传承作用。 应该说二十

15、世纪50年代初期至70年代初期，是分子遗传学迅猛发展快速进步的年代。在这短短的二十余年间，许多有关分子遗传学的基本原理相继提出，大量的重要发现不断涌现。其中比较重要的有：1956年，美国科学家科恩伯格（A.Kornberg）在大肠杆菌中发现了DNA聚合酶型核酸内切限制酶，它与1967年发现的DNA连接酶，同为DNA体外重组技术的建立提供了酶学基础。正是上述这些研究发现与进展构成了分子遗传学的核心内容。4. 基因工程学 基因工程学简称基因工程，是在20世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学（biotechnology）。它的创立与发展直接依赖于分子遗传学的进步，而基因工程技术的发展与应用又有力

16、地促进了分子遗传学的深化与提高，两者之间有着密不可分的内在联系。 早期分子遗传学的研究成果，为基因工程的创立与发展奠定了坚实的理论基础。概括起来主要的有如下三个方面：第一，在20世纪40年代确立了遗传信息的携带者，即基因的分子载体是DNA而不是蛋白质，明确了遗传的物质基础问题；第二，在20世纪50年代揭示了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机理，弄清了基因的自我复制和传递的问题；第三，在20世纪50年代末期和60年代，相继提出了中心法则和操纵子学说，并成功地破译了遗传密码系统，阐明了遗传信息的流向和表达问题。由于这些问题的相继解决，人们期待已久的应用类似于工程技术的程序，主动地改造生命有机

17、体的遗传特性，创造具有优良性状的生物新类型的美好愿望，从理论上讲已有可能变为现实。基因工程之所以会在20世纪70年初期诞生，并在随后的十来年时间中获得迅速的发展，这并非是一种偶然的事件，而是由当时科学技术发展的水平决定的。特别是分子生物学及分子遗传学实验方法的进步，为基因工程的创立与发展奠定了强有力的技术基础。这些技术主要的有依赖于核酸内切限制酶和DNA连接酶的DNA分子体外切割与连接、基因克隆载体和大肠杆菌转化体系、DNA核酸序列结构分析以及核酸分子杂交和琼脂糖凝胶电泳等等。有趣的是，这些技术差不多是同时得到发展，并被迅速地应用于DNA体外重组实验。于是在20世纪70年代开展基因工程研究工作

18、，无论在理论上还是在技术上都已经具备了条件。 首先，1972年美国斯坦福大学（Stanford University）的伯格（P.Berg）等人完成了世界上第一例DNA体外重组实验。接着，1973年另外两位斯坦福大学的科学家科恩（S.Cohen）和博耶（H.Boyer）利用大肠杆菌体系，首次成功地进行了基因克隆实验。这些工作预示着基因工程学即将正式诞生。 简单地说，所谓基因工程是指在体外试管中，应用DNA重组技术将外源DNA（基因）插入到载体分子构成遗传物质的重组体，并使之转移到原先没有这类分子（基因）的受体细胞内，而能持续稳定地表达与增殖，进而形成转基因的克隆或个体的实验操作过程。这个定义说

19、明基因工程虽然是分子遗传学发展的必然结果，但它自身也具有如下几个方面独特的优点。 第一，具有跨越天然物种屏障的能力，可以把来自不同物种的DNA（基因）转移到与其毫无亲缘关系的新寄主细胞中进行复制与表达。这意味着应用基因工程技术有可能按照人们的主观愿望和社会需求，创造出自然界原本并不存在的新的生物类型。 第二，能够使特定的DNA片段或目的基因在大肠杆菌寄主细胞中大量扩增。如此人们便能够制备到大量纯化的特定DNA片段或目的基因，从而极大地促进了有关基因的分子遗传学的基础研究工作。 第三，确立了反向遗传学（reverse genetics）研究途径。传统遗传学是根据生物个体的表型特征去探究其相应的基

20、因型的结构，人们习惯上称这样的遗传学研究途径为正向遗传学（forward genetics）。随着分子遗传学尤其是重组DNA技术的发展与应用，人们已经有可能通过配合使用基因克隆、定点突变、PCR扩增及转基因等各项技术，首先从基因开始研究其核苷酸序列特征、蛋白质产物的结构与功能，进而根据人们的需求对基因进行修饰改造，然后再返回到生物体内观察其生物学活性与表型特征的变化。为与传统的正向遗传学相区别，人们称这样的遗传学研究途径为反向遗传学，亦即是基因工程学。5. 基因组学 基因组（genome）这个术语系由基因（gene）和染色体（chromosome）两个英语单词缩合而成，最早于1920年被温克勒

21、（H.Winkler）首先使用。它是指生命有机体细胞所携带的全部遗传信息，包括所有的基因及基因间序列的总和。例如人类基因组便是由复杂的核基因组和简单的线粒体基因组两大部分组成。前者含有约24000种基因，后者则只有37种基因。由于两者复杂度相差过于悬殊，因此通常所说的人类基因组测序，一般就是指核基因组测序。 人类基因组含有22条常染色体及两条性染色体X和Y，其DNA分子的总长度约为3×109bp。但每一条染色体DNA分子的长度并不一样，最长的一条达250Mb，最短的一条则仅有55Mb。人类线粒体基因组DNA是一种长度为16569bp的环形分子。每个细胞平均拥有800个左右的线粒体颗粒

22、，其中每个颗粒含有10个基因组拷贝。 一个成年人个体大约拥有总数达7.5×1013（即75万亿）个细胞，每个细胞都含有相同的基因组拷贝。但也有某种特别类型的细胞，比如处于终极分化状态的血红细胞并不存在细胞核，因此也就没有核基因组。体细胞是二倍体，每个细胞都含有两套共44条常染色体和两条性染色体（其中男性的为X和Y，女性的两条都是X）。单倍体细胞精子和卵子，都只有一套22条常染色体和一条性染色体，其中精子的有X和Y的两种不同的类型，而卵子则只有X的一种类型。因此，一套完整的人类核基因组，实际上包括22条常染色体和一条Y染色体和一条X染色体，总数为24条染色体。 在讨论基因组问题时，不能

23、不提及人类基因组计划（Human Genome Project,HGP）。这是一项在1984年由美国科学家首先提出并于1990年10月1日正式启动的、以测定人类基因组全序列为主要目标的国际性合作研究项目。除了美国之外，参加该项目的国家还有英国、法国、德国、日本和中国，共6个国家，预计总投资30亿美元。其工程之浩大，任务之艰巨，与制造原子弹的“曼哈顿（Manhattan）计划”、及送人登月的“阿波罗（Apollo）计划”相比毫不逊色。 人类基因组计划分两步进行。第一步，图谱的绘制，即将所有的基因全部定位在单倍体基因组的全套24条染色体上，然后对这些功能基因进行核苷酸序列的测定。第二步，对染色体基

24、因组的DNA分子包括编码的和非编码的进行全序列测定。它的根本目的在于绘制出一部揭示人体生命奥秘的“天书”，为生命科学特别是医学研究提供极其珍贵的参考资料。该计划原订于2005年完成，但实际上提前了4年，在2001年人类基因组序列草图的两个版本，便同时分别在Science和Nature杂志上发表。 随着研究工作的逐步深入和积累的资料日渐丰富，事实上自1995年开始有关基因组的分析范围，便已经由原来确定的图谱绘制和序列测定两大主题，扩展到了包括基因功能鉴定在内的三大任务。为了适应这种变化了的情况，于是有关的科学工作者便提出了一个更加综合的、能切实反应具体学科内容的新的术语-基因组学（genomic

25、s）-于以替代。 基因组学是利用基因组全序列提供的信息，结合高通量的基因组分析技术，在基因组水平上研究生命有机体基因的结构和功能、表达与调节、发育及分化等一系列基础理论问题的分子遗传学的崭新研究领域。虽然基因组学的概念已得到广大科学工作者认同，但由于历史短暂且发展迅速，因此目前有关于它的具体的研究范围尚难准确界定。一般认为它主要包括结构基因组学、功能基因组学（转录本组学、蛋白质组学和代谢物组学）、基础基因组学、应用基因组学和比较基因组学共五大分支学科。 基因组学对分子遗传学的发展产生了深刻的影响。长期以来，分子遗传学家都是以单个基因或由少数几个基因组成的操纵子作为主要的研究目标。然而由于正常的

26、细胞生命活动，是通过整个基因组所有基因间的协同表达和综合调节的结果。因此仅靠对单个基因孤立的研究，是难以揭示出细胞新陈代谢过程的真实情况。基因组学则不然，它的出发点是把基因组的结构与功能作为一个有机的整体看待，认为细胞的生命活动是通过由各个基因的表达调节组成的统一的网络体系综合体现的。所以它比单基因的研究途径，能够更加有效地接近细胞生命活动的本来面目。事实也的确如此，当今分子遗传学的主要进展，例如下面将要叙述的表观遗传学（epigenetics）的许多概念，便是来源于基因组学而非单个基因的研究。6. 表观遗传学 最近十多年来，随着分子遗传学尤其是基因组学研究工作的不断深入，在诸多的生命有机体中

27、发现了越来越多的非孟德尔遗传（non-Mondelian inheritance）现象，和异常的遗传模式（disparate pattern of inheritance）。这些问题强烈地吸引着一大批有关科学工作者的浓厚兴趣。如此便有力地促进了表观遗传学的研究，使之迅速地发展成为分子遗传学研究领域中相对独立的一门新兴科学。 英语中，表观遗传学（epigenetics）一词系由后成论（epigenesis）和遗传学（genetics）两个单词缩合而成。它是专门研究在生命有机体发育与分化过程中，导致表型性状特征发生改变而相应基因的核苷酸序列却没有变化的特殊的遗传现象。这种只对表型有影响但并不导致基

28、因型改变的类型独特的遗传变化，叫做表观遗传改变（epigenetic change）。表观遗传学的主要论点是，生命有机体的大部分性状是由DNA序列中编码蛋白质的基因负责传递的，但是DNA序列以外的化学标记（chemical marker）编码的表观遗传密码（epigenetic code），对于生命有机体的表型特征尤其是健康状况，同样也有深刻的影响。 近年来表观遗传学的研究成果告诉我们，DNA并非是遗传信息的惟一载体。生命有机体遗传信息的组成事实上是相当复杂的，它包括三个不同的层次。第一个层次由基因组DNA中编码蛋白质的基因构成。已知在人类基因组中，此类基因所占的比例还不到全部DNA序列的2%，但它对于生命活动的重要性已经是众所周知的事实。第二个层次仅含有非编码的RNA（non-coding RNA,ncRNA）基因，诸如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。这类RNA基因存在于基因组DNA广袤的非编码蛋白质的序列中。如同蛋白质编码基因一样，RNA基因在生命过程中的作用也是不