[农学]分子生物学实验技术讲义

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1、分子生物学实验技术基因是什么？这是一个颇让人为难的问题。尽管近半个世纪以来人们采用分子生物学技术、基因工程技术在认识基因和人为改造基因方面都做得非常出色，可是科学家们仍然不能对基因给出一个圆满的定义。我国著名遗传学家谈家桢先生曾撰一文《基因概念的发展》详尽说明基因概念是随着日益增多的科学事件的发展而发展的这一事实，也提示人类对基因本质的认识还有很长的路要走。   基因一词是英语“gene”的音译，是“开始”、“生育”的意思。它源于印欧语系，后变为拉丁语的“gens”（氏族）以及现代英语中genus

2、（种属）、genius（天才）、genital（生殖）等诸多词汇。1909年，丹麦学者约翰逊提出基因这一名称，用它来指一种生物中控制任何遗传性状而其遗传规律又符合孟德尔定律的遗传因子。  在孟德尔定律之前，人们对生物遗传曾经提出了诸多的说法。如普遍流行的融合遗传论就是认为双亲的遗传物质在子代中像血液一样混合，被稀释且不能分开，但孟德尔的实验结果则相反，现代隐性基因并不在杂交子一代中消失，它所决定的性状还能在子二代中出现。据此孟德尔提出了“遗传颗粒”学说。20世纪初孟德尔理论在许多动植物中得到了进一

3、步的验证。最有代表性的是1910年美国科学家摩尔根发现果蝇的白眼性状的伴性遗传现象，即白眼性状始终在雄果蝇中出现，第一次把一个特定的基因定位于一条的染色体（决定性别的性染色体）上使遗传学和细胞学终于殊途同归。有人曾对此作了一个形象的比喻：若将孟德尔学说比作是从生物雄壮的交响乐中分解出七个音符，那么孟德尔的染色体遗传理论则不仅证实了六弦琴上六根琴弦的存在，而且证明了这七个音符就是从这只六弦琴上发出来的。  孟德尔学说和摩尔根的基因论都把基因看作是一个界线分明的独立遗传单位，甚至到本世纪50年代初人们

4、在对基因的化学本质（核酸）及DNA双螺旋结构有了明确认识后，仍然认为基因是不可分的基本遗传单位，如同当初人们分子是物质的基本粒子一样。这种观念直到1957年得到纠正。 著名遗传学家本泽尔在经过10年艰苦工作，取得了三大发现后提出了全新的基因概念，于是彻底冲破了经典基因不可分的概念。他认为：（1）作为基因的单位，可以精确到单核苷酸或碱基水平，称为突变子。（2）作为交换单位，同突变单位一样，仍以单核苷酸为基本单位，称为互换子。（3）作为功能单位，基因也是可分的。本泽尔的功劳不仅在于提出了全新的基因概念

5、，而且把“基因”作为一种概念引入到遗传学实验中来了。本泽尔把突变子或互换子像绘制染色体图一样排列在基因图谱上，这是遗传学上一次从宏观到微观的飞跃。 1969年，夏皮罗等人从大肠杆菌中分离开分离到乳糖操纵子并使它在离体条件下转录，证实了一个基因可离开染色体而独立发挥作用。1970年，梯明发现了仅以RNA作为遗传物质的逆转录病毒，提示遗传物质不仅仅是DNA，也可以是RNA，从而使中心法则内容得到扩展。  时隔20年后的1977年，人们又在猿猴病毒（SV40）和腺病毒（AdV）中发现某些基因中存在内部间

6、隔区，间隔区的顺序与基因所决定的蛋白质序列没有任何关系——这使科学家们大吃一惊。随后，基因的这种可分割、不连续的现象在酵母tRNA基因、国蝇的rRNA基因、人的胶原蛋白基因中也得到了证明。这样基因的概念中又多了一项新内容：基因结构具有不连续性。因为这是生物界尤其是真核生物中普遍存在的现象，为了便于称呼，人们把这种分裂基因中能实现遗传信息表达的部分称作外显子，而不表达部分称作内含子。  1980年法国科学家斯洛宁姆斯基在酵母线粒体DNA的研究中证实，一个基因的内含子可能是另一个基因的外显子，也就是说

7、，内含子也可能是具有功能的，剪接酶并没有把它们带到死亡中去，生物界中DNA的所有成员可能没有废料。  与基因分裂或不连续性的概念相反的是基因的重叠性。1977年桑格等在噬菌体X174DNA中和1978年菲尔斯等在SV40DNA中均发现了几个基因共用同一段DNA序列的情况。虽然这种现象在自然界并不普遍，但是至少生命基因确实存在着阅读框架的重叠现象，这体现了生物的“节约”原则。  对经典的、近代的以至现代的基因概念的挑战还不止这些。比如，一个基因一个多肽假说，在相当长的时间被证明是正确的，可是近年来发

8、现一些基因绝不产生任何蛋白质或者多肽，而仅产生RNA，各种tRNA、rRNA基因就是这样。因此人们只有加以补充：基因的功能在于决定蛋白质或核酸。但是这仍不能解释一些事实：DNA中确实存在一些片段，它根本不产生任何物质而仅以文字或结构起作用。例如，操纵区和启动区，它仅起识别蛋白质（酶）的作用，由此来开放或关闭它“下属”的活动。而另一些基因，如假基因，眼下甚至还看不出有什么作用。这样就很难从产物上给基因下一个统一的定义。本世纪70年代末，大肠杆菌中发现了一种奇特的现象，基因可以在染色体