分子遗传学

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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。分子遗传学的早期研究都用微生物为材料,它的形成和发展与微生物遗传学和生物化学有密切关系。

目录

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

分子遗传学

遗传的物质基础。1953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。

1955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多核苷酸链上相隔仅三个核苷酸的水平。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1928年斯塔德勒就用 X射线等诱发了果蝇和玉米的基因突变,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出的,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孢菌的营养缺陷型的研究,在40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,蛋白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向蛋白质分子转移。前一问题是遗传密码问题,后—问题是蛋白质生物合成问题,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——基因调控在1960~1961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1964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苷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。  

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

分子遗传学

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和它所编码的蛋白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已逐渐转向真核生物方面,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白质的结构和功能。例如可以筛选得到一系列使某一蛋白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面的演变。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tRNA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本质性的了解。

分子遗传学也已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,而且已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白的结构基因,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技术已经成为许多遗传学分支学科的重要研究方法。分子遗传学也已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兴的工业生产领域。  

研究方法

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

分子遗传学

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40年代中在粗糙脉孢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。  

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和它所编码的蛋白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mRNA分子从DNA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,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已逐渐转向真核生物方面,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白质的结构和功能。例如可以筛选得到一系列使某一蛋白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白。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β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。麦芽糖结合蛋白信号序列、λ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序。

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面的演变。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tRNA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本质性的了解(见分子进化)。

分子遗传学也已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,而且已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白的结构基因,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技术已经成为许多遗传学分支学科的重要研究方法。分子遗传学也已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兴的工业生产领域。  

参考书目

童克忠等译:《基因的分子生物学》,科学出版社,北京,1981。(J.D.Watson, Molecular Genetics of the Gene.)

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