基因与基因工程-吴乃虎

基因与基因工程吴乃虎中国科学院遗传与发育生物学研究所

一、孟德尔遗传因子与基因1.孟德尔生平简介1822年7月22日生于奥地利莫拉维亚省的海因岑多夫村一个贫苦农民家庭；1828年，6岁的孟德尔开始接受系统的小学和中学教育；1840年，以优异的成绩高中毕业，进入厄尔姆兹哲学学院进行了两年的大学预科学习；1843年秋，进入布隆市的奥古斯汀基督教修道院当一名修道士，取教名格里高，时年21岁；1847年，被任命为神父；1849年，被委派到中学任希腊文和数学代课教师；1851年，在修道院的资助下，进入维也纳大学深造；1854年夏天，大学毕业，回到奥古斯汀修道院，开始了人生的新篇章；1856年，开始长达8年之久的豌豆杂交实验；（修道院后花园）1865年，在布隆市自然科学研究协会的年会上，公布了他的研究结果和理论解释；1866年，发表著名论文《植物杂交实验》，首次提出了遗传因子、显性性状和隐性性状等遗传学概念；1868年，当选奥古斯汀修道院院长，此后再也无力从事研究；1884年1月6日去世！2.豌豆的生物学特性后人在分析孟德尔成功发现遗传第一定律和第二定律的原因时，一致认为选择豌豆为实验材料具有决定性的意义。那么豌豆具有什么样的生物学特性呢？⑴不同的豌豆品系之间，通常存在着差异明显、易于区别而又稳定遗传的相对性状特征；（开紫花的豌豆植株）⑵豌豆花的结构比较特殊，具有雄配子的花药和具有雌配子的胚珠是由花瓣包裹着。因此它是一种严格的自花授粉植物；（豌豆花的结构）⑶豌豆具有较大型的花器官（即生殖器官），便于去雄，进行人工授粉实验。（豌豆人工授粉）3.若干概念自交－－即自花授粉。它是指由豌豆花药组织开裂而散发出来的花粉，落在同一花朵的柱头上，然后萌生出穿入胚珠的花粉管。于是花粉粒中的精子便通过花粉管通道进入胚珠，与卵子结合完成受精作用。这种生物学过程叫作自花授粉，或叫作自交。纯种――亦叫纯系，由植物自交所产生的全部后代，同其亲本植株具有完全相同的性状特征，称为纯种或纯系。杂交――即异花授粉，比如将作为母本的紫花豌豆去雄（去掉花药），然后用毛笔尖沾取少许的父本白花豌豆的花粉，散落在去雄的紫花柱头上。于是异源的白花花粉中的精子，便会通过花粉管进入到紫花胚珠同卵子结合，完成异花受精作用。人们称这个人工授粉为异花授粉，或叫杂交作用。亲本――用于进行杂交的两个不同的植物品系，例如白花豌豆品系和紫花豌豆品系，叫作亲本植株，用P表示。父本――提供雄配子花粉的亲本植株，叫父本，用符号♂表示。母本――除去雄蕊，接受异源花粉并提供雌配子的亲本植株，叫母本，用符号♀表示。杂种――由具有不同遗传性状特征的，来自不同品系的父本与母本（例如白花豌豆和紫花豌豆）杂交产生的种子，以及由此种子萌发长成的植株，叫作杂种。子一代――由父本植株精子与母本植株卵子结合产生的子代及其萌发生长的植株，称为子一代，用符号F1表示。子二代――由子一代产生的种子及其萌发生长的植株叫子二代，用符号F2表示。其余类推。4.孟德尔的单因子豌豆杂交实验－－遗传因子分离定律1856年至1863年，孟德尔在奥古斯汀修道院的后花园进行了长达8年的豌豆杂交实验。他首先选择了七对区别分明而又能稳定遗传的性状作仔细的观察。这七对性状是：花着生的部位……腋生和顶生种子的形状……圆形和皱形种子内部颜色……黄色和绿色花朵的颜色……紫色和白色植株茎杆长度……长茎和短茎成熟豆荚外形……饱满和节缩未成熟豆荚颜色……绿色和黄色孟德尔选择具有一种相对性状，例如圆形种子和皱形种子的两个豌豆品系植株进行杂交实验。我们称这种只涉及一对性状的杂交实验为单因子杂交实验。孟德尔观察到，不论何者为父本，何者为母本，杂交得到的数百粒杂交子一代（F1）的种子，全部都是具有圆形的性状特征。第二年，他种了253粒F1代圆形种子，并让其自交，结果在得到的7324粒子二代（F2）种子中，有5474粒是圆形的，1850粒是皱形的种子，两者的比例为2.96:1，极为接近3:1。下表例举了孟德尔当年进行的7对单因子豌豆杂交实验的结果。Table1.AsummaryofthesevenpairsofcontrastingtraitsandresultsofMendel’ssevenmonohybridcrossesofthegardenpea(Pisumsativum)从中可以看到在所有的显、隐性杂交实验组合中，所产生的子二代植株中，具显性性状的植株与隐性性状植株的比例，总是稳定地接近3:1这样严格简单的整数比。后来人们称这种比例为孟德尔3:1单因子杂交比例。显性性状――在杂交子一代（F1）中表现出来的性状（例如紫花对白花而言），为显性性状。隐性性状――在杂交子一代（F1）中没有表现出来的性状（例如白花对紫花而言），为隐性性状。5.孟德尔单因子杂交实验的理论解释－－遗传因子假说为了解释一对显隐性性状在杂交子二代有规律的分离现象，孟德尔提出了遗传因子假说：a.

生物个体的所有性状都是由遗传因子控制的；b.

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，叫作等位因子；孟德尔用大写的英文字母代表显性因子，用小写字母代表相应的隐性因子；c.

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；d.

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；e.

在杂交子一代（F1）细胞中，成对的遗传因子各自独立，彼此保持纯一的状态；f.

由杂种形成的不同类型的配子数目相等；g.

雌雄配子的结合是随机，有同等的结合机会。开紫花与开白花豌豆纯系植株的单因子杂交图释6.孟德尔双因子豌豆杂交实验－－遗传因子的自由组合定律在孟德尔的豌豆杂交实验中，还进行了同时具有两对显隐性相关性状的2个豌豆品系的杂交实验，我们称这种涉及2对等位因子的杂交，为双因子杂交。将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。结果发现，无论何者为父本，何者为母本，产生的子一代（F1）的种子全是黄色圆形的；同时孟德尔还选用产生黄色皱形种子的豌豆品系，同产生绿色圆形种子的豌豆品系杂交。结果发现，无论何者为父本，何者为母本，所产生的杂种子一代也全是黄色圆形的。这说明就种子颜色这一对性状而言，黄色是显性，绿色是隐性；而就种子性状这一对性状而言，圆形是显性，皱形是隐性。孟德尔注意到，由具黄圆表型的杂种子一代（F1）植株自交产生的总数556粒的子二代（F2）种子中，不但存在两种亲代表型，而且还出现了两种新表型。其中黄圆种子315粒，黄皱种子101粒，绿圆种子108粒，绿皱种子32粒。这4种表型的比例接近9:3:3:1。孟德尔双因子豌豆杂交实验数据统计世代种子表型种子数量比例亲代绿圆×黄皱－－F1代黄圆－－F2代黄圆3159.84黄皱1013.16绿圆1083038绿皱321.0总数556根据上述实验结果，孟德尔推想：由两对等位因子杂交产生的杂种F1代植株，在形成配子过程中，两对等位因子的分离是彼此独立互不相关的，而在形成合子的过程中，不同因子之间又是自由组合的。这就是所谓的遗传因子独立分配律，或叫自由组合律，亦即是孟德尔第二定律。孟德尔还进行了多因子豌豆杂交实验，其结果虽然比较复杂，但它同样遵循遗传因子的独立分离和自由组合的原则。遗传因子的自由组合定律：7.孟德尔遗传定律的再发现令人遗憾的是，孟德尔的科学发现和学术见解，并没有引起同时代科学界的重视。在他的生前，既没有受到些许的学术褒奖，也没有获得任何荣誉头衔。然而他坚信自己的科学发现终有一天会得到社会的公认，并预言“我的时代一定会到来”。果不其然，孟德尔学说在湮没了三十五年之后，即1900年被荷兰的德弗里斯、德国的科伦斯和奥地利的切尔马克等植物学家重新发现。有趣的是，这三位异国同行虽互不相识，却不约而同地，各自独立地以豌豆为材料，做了一些与孟德尔相似的实验，得出了与孟德尔相似的结论，重新发现了孟德尔的遗传定律。

孟德尔遗传因子被正式定名为基因

1909年，丹麦的一位生物学家约翰逊，根据希腊文“给予生命之义”创造了“基因”这个名词，用来代替孟德尔的“遗传因子”。但是需要指出，约翰逊当时所说的基因，并不代表遗传物质实体，只是一种与细胞的任何可见的形态结果均无关系的抽象单位，也就是遗传性状符号！8.孟德尔的主要学术贡献第一，提出了遗传因子概念，即现代的基因概念。在孟德尔当时的年代，学术界流行着“融合遗传”观点，认为决定不同亲本性状的遗传物质，在杂种后代会被彼此融合以致逐渐消失。孟德尔冲破这些思维框框，提出“颗粒遗传”思想，在大量实验事实的基础上，经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。第二，发现了两条遗传学基本定律，即遗传因子分离定律和自由组合定律。孟德尔认为在合子及由其发育形成的个体中，来自不同亲本的等位因子并不融合，它们在个体产生配子过程中，会彼此分开，分别进入不同的配子中去；来自不同亲本的非等位因子之间也没有融合，而是可以独立分配自由组合。孟德尔的科学发现为现代遗传学奠定了基础，后人为缅怀孟德尔的历史功绩，称这些定律为孟德尔定律，尊称孟德尔为现代遗传学之父。二、摩尔根的基因论1.摩尔根生平简介1866年9月25日，ThomasHantMorgan出生于美国肯塔基州的列克星敦市的一个富裕家庭。1880年，14岁的少年摩尔根考入肯塔基州立学院预科班学习，两年后转入本科。1886年，以全班第一名成绩从肯塔基州立学院毕业，进入约翰.霍普金斯大学从事实验胚胎学研究；1890年，在约翰.霍普金斯大学获理学博士学位；1891～1903年，在布林莫尔女子学院任教，同时在其它一些研究机构从事胚胎学方面的研究；1904～1928年，担任哥伦比亚大学动物学教授，进行遗传学与进化论领域的科学研究；1927～1931年，担任美国科学院院长；1928年退休，同年发表名著“基因论”；1928～1945年，任加州大学生物学主任；1930年，担任美国科学促进联合会主席；1933年，获诺贝尔生理学及医学奖；1945年12月4日，因动脉血管破裂在美国加州的帕萨迪纳市逝世。2.果蝇的生物学特性繁殖能力强，产卵数量多；繁殖速度快，世代时间短（9天左右）；染色体数目少，仅4对，且形态各异，易于辨认；拥有大量的各种突变体；个体小，管理简单，对饲料无特殊要求。3.果蝇的染色体组性染色体――指与生物个体的性别决定有直接关联的染色体。例如果蝇的X染色体和Y染色体。常染色体――除了性染色体之外的，不直接参与生物个体性别决定的染色体叫常染色体。例如果蝇的第II对，第III对染色体，均为常染色体。果蝇有4对染色体，其中1对为性染色体，其余3对为常染色体。在雌果蝇体细胞中，有1对染色体很小，呈棒状，2对呈V形，另有一对呈棒状，叫XX性染色体对。在雄果蝇体细胞中，前3对同雌果蝇的完全一样，但其性染色体对是由1个棒状的X染色体和1个J形的Y染色体组成。在雌果蝇体细胞中，一对性染色体都是X，即为XX型，因此减数分裂形成的性细胞（卵子）都只含有一个X染色体，即只产生一种类型的卵子。在雄果蝇体细胞中，一对性染色体是由X和Y染色体组成，因此体细胞经减数分裂形成的性细胞（精子），有两种不同的类型，即X型精子和Y型精子。由此可见，果蝇的性别是由雄果蝇的精子类型决定的。4.果蝇眼色基因的性连锁遗传1910年，摩尔根及其助手从红严果蝇群体中发现了一只白眼的雄果蝇，他们将白眼雄果蝇同来自同一父母的姊妹红眼雌果蝇交配，结果产生的F1代果蝇，无论是雄的还是雌的，无一例外都是红眼的。这个结果说明：a.

果蝇红眼是显性性状，白眼是隐性性状；b.

亲代白眼雄果蝇是隐性纯合子；c.

亲代红眼雌果蝇是显性纯合子；摩尔根等人将上述所产生的F1代的红眼雄果蝇同红眼雌果蝇相互交配，产生的子二代（F2）果蝇中，红眼同白眼的比例恰好为3:1。但有趣的是，所有的白眼果蝇都是雄性的，没有一只是雌性。这说明：白眼性状与性别有联系，摩尔根等人推测控制果蝇的白眼隐性基因是位于X染色体上。摩尔根等人的工作，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起来了，从而建立了基因的遗传物质基础，建立了基因的染色体理论，使基因学说得到了普遍的承认。5.连锁与交换定律基因的连锁与交换定律，是由美国著名的遗传学及胚胎学家摩尔根与他的学生所建立的。由于该定律极大地完善并丰富了孟德尔遗传学理论，因此后人将它与孟德尔第一遗传定律、第二遗传定律并列，称之为遗传学第三定律。a.基因的遗传与连锁位于同一条染色体上的两个或两个以上的基因，连系在一起共同遗传的现象叫连锁；而把分别位于一对同源染色体上的两条子染色体上的基因，在细胞分裂过程中发生对调的遗传现象，称为交换。b.同源染色体在果蝇的体细胞中存在着4对染色体，每一对染色体的两条子染色体中，有一条来自父本雄果蝇的精子，另一条来自母本雌果蝇的卵子。每一对染色体的两条子染色体之间，除等位基因有显性与隐性区别之外，在大小形状及遗传组成等方面均是相同的。这样的成对染色体叫同源染色体。c.重组与交换位于一对同源染色体的两条子染色体之间的不同对等位基因之间的重新组合现象叫作重组或交换。6.摩尔根的学术贡献摩尔根及其学术的工作，第一次将代表某一特定性状的基因，同某一特定的染色体连系了起来，从而确证了基因的遗传物质基因，建立了基因的染色体理论，为基因工程的建立作了卓越的贡献。摩尔根生活低调，衣着朴素，热心科研，勤奋工作，知道38岁才与其女友结婚。为了不影响科研工作，摩尔根借故没有出席诺贝尔奖的颁奖典礼。他总结自己为什么会在科学研究中作出诸多发现的原因时说“一靠勤奋，二靠实验材料得当，三靠愿意放弃没有任何证据的假说，最后还得少开些遗传学大会”。三、基因的载体是DNA在孟德尔和摩尔根的基因论被科学工作者广泛接受之后，关于基因的载体（或说是化学本质）是DNA还是蛋白质，一直存在着两种不同的意见。1.1944年，O.Avery等人的肺炎链球菌毒性转化实验证明，基因的载体是DNA，而不是蛋白质。S型肺炎链球菌――具荚膜，光滑，有毒。R型肺炎链球菌――无荚膜，粗糙，无毒。无论热致死的S型肺炎链球菌，还是R型活的肺炎链球菌，单独注射均不能使小鼠致死；将热致死的S型肺炎链球菌同活的R型肺炎链球菌混合物，注射小鼠，可导致小鼠死亡；从死亡的小鼠体中分裂出了光滑型的有毒的肺炎链球菌；将从S型肺炎链球菌中提取的DNA加到R型肺炎链球菌培养物中，能使R型变成S型，表现出具有毒力的夹膜特征。实验现象：结论：使肺炎链球菌毒力性状发生转化的因子是DNA，而不是蛋白质。这有力地证明基因的遗传载体是DNA而不是蛋白质。2.1952年，A.DHersheyandM.Chase应用放射性同位素双标记技术，证明菌体的遗传物质（基因的载体）也是DNA而不是蛋白质。实验现象：用放射性同位素32P和35S分别标记噬菌体的内部DNA和外部蛋白质，然后感染寄主细胞。结果发现只有32P标记的DNA注入大肠杆菌细胞。结论：在噬菌体中，基因的载体也是DNA而不是蛋白质。

3.1953年，J.Watson和F.Crick建立了DNA的双螺旋模型；1958年，M.Meselson和F.W.Stahl在此基础上发现了DNA分子半保留复制机理。从而解决了基因的自我复制和代代相传的问题。至此，基因的分子本质是DNA而不是蛋白质已是不争的事实！

DNA分子的半保留复制模型四、基因的编码产物基因是细胞中所有RNA及蛋白质分子的“蓝图”，有些基因编码的最终产物是RNA分子，例如rRNA基因、tRNA基因及其它小分子量的RNA基因等；而其它一些基因编码的最终产物是蛋白质，这些蛋白质是通过mRNA中介合成的。1.1941年，G.W.Beadle和E.L.Tatum建立了“Onegene－Oneenzyme”理论。根据上述发现推导出如下这样的假说：一种基因负责合成一种酶，如果这种基因是缺陷的，那么这种酶也是缺陷的。X－射线诱导Neurosporecrassa产生许多突变体鉴定出营养缺陷型突变体（Auxotrophicmutant），这些突变体在补加有相应营养物质的培养基中生长，便可得到富集。因此便于对某一种生化缺陷进行研究。关于这些营养缺陷突变体的遗传分析表明，其中每一种突变体都是由于单个基因缺陷（singlegenedefect）所致。2.1957年，V.Zngram对镰形细胞贫血症（sicklecellanemia）的研究中进一步直接证明蛋白质与基因之间的直接关系。这主要得益于刚刚发明的氨基酸序列分析法，分析成年人血红蛋白的α链和β链，证明镰形血红蛋白α链中没有任何变化，但β链与野生型相比，在其氨基端第6个氨基酸由缬氨酸取代了正常的谷氨酸。这表明基因的突变会直接影响到它编码的蛋白质多肽链成分的改变，从而证实了“一种基因一种酶”的假说是正确的。3.蛋白质结构研究多体蛋白质（multimericproteins）：由数个亚基组成。a.

各种亚基相同的蛋白质叫作同型多体蛋白质（homomultimer），由一种基因编码。b.

由不同的亚基构成的多体蛋白质叫作异型多体蛋白质（heteromultimer），由多种基因编码。因此“一种基因一种酶”这一理论便被修正为“一种基因一种多肽链”（Onegene－Onepolypeptidechain）。4.基因与蛋白质数量的关系基因是遗传信息，基因功能的展现，取决于基因编码的蛋白质，它是生命活动