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（Latingenetikos）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（classicalgenetics）、生化遗传学（biochemicalgenetics）、分子遗传学（moleculargenetics）、基因工程学（geneticengineering）、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（chromosomalgenetics）阶段。为了与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（transmissiongenetics）。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253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2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“融合遗传”(blendinginheritance)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”(particulateinheritance)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。美国著名的遗传学家摩尔根（T.H.Morgan）对基因学说的建立作出了卓越的贡献。他以果蝇为材料进行遗传学研究。1910年，摩尔根和他的助手C.B.Bridges、H.J.Muller及3A.H.Sturtevant，从红眼的果蝇群体中发现了1只白眼的雄果蝇。因为正常的果蝇都是红眼的，叫做野生型，所以称白眼果蝇为突变型。到了1915年，他们一共找到了85种果蝇的突变型。这些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（Mondelianlawsofinheritance）、遗传的染色体理论（thechromosometheoryofinheritance）、遗传重组和作图（geneticrecombinationandmapping）以及重组的物理证据（physicalevidenceforrecombination）等四大方面。2.生化遗传学4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，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（Neurosporacrassa）和肺炎链球菌（Streptococcuspneumpniae）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（biochemicalgenetics），或微生物遗传学（microbialgenetics）。由于微生物具有个体小、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”）的假说。此后在1957年，这个假说被英国科学家英格拉姆（V.M.Ingram）证明是正确的。从而明确了基因是通过对酶（即蛋白质）合成的控制，实现对生命有机体性状表达的调节作用。第二，1944年微生物学家艾弗里（0.Avery）及其同事证明，肺炎链球菌的转化因子是DNA。第三，1952年，赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）也在噬菌体感染实验中发现，转化因子的确是DNA而不是蛋白质，肯定了艾弗里的结论。至此基因的分子载体是DNA已是不争的事实。生化遗传学的发展为日后分子遗传学的诞生奠定了坚实的理论基础。它上承经典遗传学，下启分子遗传学，是经典遗传学向分子遗传学发展过程中的一个重要的过渡阶段。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，直到1953年Watson-CrickDNA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（moleculargeneticsofthegene）。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（JamesWatsonandFrancisCrick）DNA5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Ⅰ，这是可以在试管中合成DNA链的头一种核酸酶，从此拉开了DNA合成研究的序幕；1957年，弗伦克尔-康拉特（H.Fraenkal-Conrat）和辛格（B-Singer）证实，烟草花叶病毒TMV的遗传物质是RNA，进一步表明RNA同样具有重要的生物学意义；1958年梅塞尔森和斯塔尔（M.MeselsonandF.W.Stahl）发现了DNA半保留复制机理，揭示了基因之所以能够代代相传准确保留的分子本质；同年克里克提出了描述遗传信息流向的中心法则，阐明了在