1、分子遺傳學的發展生化遺傳學摩爾根曾經正確地指出：“種質必須由某種獨立的要素組成，正是這些要素我們叫做遺 傳因子，或者更簡單地叫做基因”。盡管由于摩爾根及其學派的廣大科學工作者的努力，使 基因學說得到了學術界的普遍的承認，然而當時人們對基因本質的認識還相當膚淺，并不知 道基因與蛋白質及表型之間究竟存在著什么樣的內在聯系。雖然說早在1909年，英國的醫 生兼生物化學家加羅德(A.Garrod)就己指出，特定酶的表達是由野生型基因控制的假說。 而且這個假說在二十世紀30年代，經過眾多遺傳學家的努力已經獲得了很大的發展與充實。 遺憾的是，由于當時人們掌握的酶分子結構的知識相當貧乏，沒有認識到大部份基因

2、的編碼 產物都是蛋白質，也不知道是否所有的蛋白質都是由基因編碼的。在這樣的知識背景下，要 進一步研究分析基因與蛋白質之間的內在聯系，顯然是難以做到的。值得慶幸的是到了二十世紀40年代初期，孟德爾-摩爾根學派的遺傳學家便已經清醒地 認識到，如果繼續沿用經典遺傳學的研究方法和實驗體系，是難以有效地揭示基因控制蛋白 質合成及表型特征的遺傳機理。因此他們便廣泛地轉而使用諸如紅色面包霉(Neurospora crassa)和肺炎鏈球菌(Streptococcus pneumpniae)等微生物為研究材料，并著力從生物化 學的角度，探索基因與蛋白質及表型之間內在聯系的分子本質。所以人們稱這個階段的遺傳 學

3、為生化遺傳學(biochemical genetics)，或微生物遺傳學(microbial genetics)。由于微生物具有個體小、細胞結構簡單、繁殖速度快、世代時間短和容易培養、便于操 作等許多優點，因此便極大地加速了生化遺傳學的研究，在短短的二三十年間就取得了豐碩 的成果，主要的有如下三項。第一，1941年兩位美國科學家比德爾(G.Beadle)和塔特姆 (E.Tatum)，通過對紅色面包霉營養突變體的研究，提出了 “一種基因一種酶”(后來修改 為“一種基因一種多肽”)的假說。此后在1957年，這個假說被英國科學家英格拉姆 (V.M.Ingram)證明是正確的。從而明確了基因是通過對酶

4、(即蛋白質)合成的控制，實現 對生命有機體性狀表達的調節作用。第二，1944年微生物學家艾弗里(0.Avery)及其同事 證明，肺炎鏈球菌的轉化因子是DNA。第三，1952年，赫爾希(A.Hershey)和蔡斯(M.Chase) 也在噬菌體感染實驗中發現，轉化因子的確是DNA而不是蛋白質，肯定了艾弗里的結論。 至此基因的分子載體是DNA已是不爭的事實。生化遺傳學的發展為日后分子遺傳學的誕生 奠定了堅實的理論基礎。它上承經典遺傳學，下啟分子遺傳學，是經典遺傳學向分子遺傳學 發展過程中的一個重要的過渡階段。分子遺傳學經典遺傳學雖然揭示了基因傳遞的一般規律，甚至還能夠繪制出基因在染色體分子上的 排列

5、順序及其相對距離的遺傳圖，生化遺傳學盡管證明了基因的載體是DNA，但它們都不 能準確地解釋基因究竟是以何種機理、通過什么途徑來控制個體的發育分化及表型特征的。 確切地說，直到1953年Watson-Crick DNA雙螺旋模型提出之前，人們對于基因的理解仍然 停留在初步的階段。那時的遺傳學家不但沒有揭示出基因的結構特征，而且也不能解釋位于 細胞核中的基因，是怎樣地控制在細胞質中發生的各種生化過程，以及在細胞繁殖過程中， 為何基因可準確地產生自己的復制品。而諸如此類的問題便是屬于分子遺傳學的研究范疇。 由于長期以來分子遺傳學的核心主題一直是圍繞著基因展開的，所以也被冠名為基因分子遺 傳學(mol

6、ecular genetics of the gene)。分子遺傳學的主要研究方向集中在核酸與蛋白質大分子的遺傳作為上，重點是從DNA 水平探索基因的分子結構與功能的關系，以及表達和調節的分子機理等諸多問題。特別是DNA雙螺旋結構模型的建立，為有關的科學工作者著手研究構成分子遺傳學兩大理論支柱， 即維系遺傳現象分子本質的DNA自我復制和基因與蛋白質之間的關系，提供了正確的思路， 奠定了成功的基礎。因此說，1953年沃森和克里克(JamesWatson and Francis Crick)DNA 雙螺旋模型的建立，標志著遺傳學研究已經跨入了分子遺傳學的新階段。它全面繼承和發展 了經典遺傳學和生化

7、遺傳學的科學內涵，又孕育并催生了基因工程學、基因組學和表觀遺傳 學等3個現代遺傳學主要分支的相繼問世。毫無疑義在整個遺傳學的發展史上，分子遺傳學 的確起到了承上啟下的傳承作用。應該說二十世紀50年代初期至70年代初期，是分子遺傳學迅猛發展快速進步的年代。 在這短短的二十余年間，許多有關分子遺傳學的基本原理相繼提出，大量的重要發現不斷涌 現。其中比較重要的有：1956年，美國科學家科恩伯格(A.Kornberg)在大腸桿菌中發現了 DNA聚合酶I，這是可以在試管中合成DNA鏈的頭一種核酸酶，從此拉開了DNA合成研 究的序幕；1957年，弗倫克爾-康拉特(H.Fraenkal-Conrat)和辛格

8、(B-Singer)證實，煙草 花葉病毒TMV的遺傳物質是RNA，進一步表明RNA同樣具有重要的生物學意義；1958 年梅塞爾森和斯塔爾(M. Meselson and F.W.Stah)發現了 DNA半保留復制機理，揭示了基 因之所以能夠代代相傳準確保留的分子本質;同年克里克提出了描述遺傳信息流向的中心法 則，闡明了在基因表達過程中，遺傳信息從DNA到RNA再到蛋白質的傳遞途徑；1961年 兩位法國科學家雅各布和莫洛(M.F.Jacob and J.Monod)建立了解釋原核基因表達調節機理 的操縱子模型，說明基因不但在結構上是可分的，而且在功能上也是有分工的；自1961年 開始，經過尼倫伯

9、格(M.W.Nirenberg)和庫拉鈉(H.G.Khorana)等科學家的努力，至1966 年全部64種遺傳密碼子均已成功破譯，從而將RNA分子上的核苷酸順序同蛋白質多肽鏈 中的氨基酸順序聯系起來，它是分子遺傳學發展過程中影響最為深遠的科學發現之一；1970 年，美國科學家特明和巴爾帝摩(H.N.Temin and D.Baltimore)發現了 RNA病毒及其反轉錄 酶，證明遺傳信息也可以從RNA反向傳遞到DNA，這是對中心法則的重大修正；1970年， 史密斯(H.O.Smith)等人從流感嗜血菌中首先分離到II型核酸內切限制酶，它與1967年發 現的DNA連接酶，同為DNA體外重組技術的

10、建立提供了酶學基礎。正是上述這些研究發 現與進展構成了分子遺傳學的核心內容。基因工程學基因工程學簡稱基因工程，是在 20世紀70年代誕生的一門嶄新的生物技術科學 (biotechnology)。它的創立與發展直接依賴于分子遺傳學的進步，而基因工程技術的發展 與應用又有力地促進了分子遺傳學的深化與提高，兩者之間有著密不可分的內在聯系。早期分子遺傳學的研究成果，為基因工程的創立與發展奠定了堅實的理論基礎。概括起 來主要的有如下三個方面：第一，在20世紀40年代確立了遺傳信息的攜帶者，即基因的分 子載體是DNA而不是蛋白質，明確了遺傳的物質基礎問題；第二，在20世紀50年代揭示 了 DNA分子的雙螺

11、旋結構模型和半保留復制機理，弄清了基因的自我復制和傳遞的問題； 第三，在20世紀50年代末期和60年代，相繼提出了中心法則和操縱子學說，并成功地破 譯了遺傳密碼系統，闡明了遺傳信息的流向和表達問題。由于這些問題的相繼解決，人們期 待已久的應用類似于工程技術的程序，主動地改造生命有機體的遺傳特性，創造具有優良性 狀的生物新類型的美好愿望，從理論上講已有可能變為現實?；蚬こ讨詴?0世紀70年初期誕生，并在隨后的十來年時間中獲得迅速的發展， 這并非是一種偶然的事件，而是由當時科學技術發展的水平決定的。特別是分子生物學及分 子遺傳學實驗方法的進步，為基因工程的創立與發展奠定了強有力的技術基礎。

12、這些技術主 要的有依賴于核酸內切限制酶和DNA連接酶的DNA分子體外切割與連接、基因克隆載體 和大腸桿菌轉化體系、DNA核酸序列結構分析以及核酸分子雜交和瓊脂糖凝膠電泳等等。 有趣的是，這些技術差不多是同時得到發展，并被迅速地應用于DNA體外重組實驗。于是 在20世紀70年代開展基因工程研究工作，無論在理論上還是在技術上都已經具備了條件。首先，1972年美國斯坦福大學（Stanford University）的伯格（P.Berg）等人完成了世界 上第一例DNA體外重組實驗。接著，1973年另外兩位斯坦福大學的科學家科恩（S.Cohen） 和博耶（H.Boyer）利用大腸桿菌體系，首次成功地進行

13、了基因克隆實驗。這些工作預示著 基因工程學即將正式誕生。簡單地說，所謂基因工程是指在體外試管中，應用DNA重組技術將外源DNA （基因） 插入到載體分子構成遺傳物質的重組體，并使之轉移到原先沒有這類分子（基因）的受體細 胞內，而能持續穩定地表達與增殖，進而形成轉基因的克隆或個體的實驗操作過程。這個定 義說明基因工程雖然是分子遺傳學發展的必然結果，但它自身也具有如下幾個方面獨特的優 點。第一，具有跨越天然物種屏障的能力，可以把來自不同物種的DNA （基因）轉移到與其 毫無親緣關系的新寄主細胞中進行復制與表達。這意味著應用基因工程技術有可能按照人們 的主觀愿望和社會需求，創造出自然界原本并不存在的

14、新的生物類型。第二，能夠使特定的DNA片段或目的基因在大腸桿菌寄主細胞中大量擴增。如此人們 便能夠制備到大量純化的特定DNA片段或目的基因，從而極大地促進了有關基因的分子遺 傳學的基礎研究工作。第三，確立了反向遺傳學（reverse genetics）研究途徑。傳統遺傳學是根據生物個體的表 型特征去探究其相應的基因型的結構，人們習慣上稱這樣的遺傳學研究途徑為正向遺傳學 （forward genetics）0隨著分子遺傳學尤其是重組DNA技術的發展與應用，人們已經有可能 通過配合使用基因克隆、定點突變、PCR擴增及轉基因等各項技術，首先從基因開始研究 其核苷酸序列特征、蛋白質產物的結構與功能，進

15、而根據人們的需求對基因進行修飾改造， 然后再返回到生物體內觀察其生物學活性與表型特征的變化。為與傳統的正向遺傳學相區 別，人們稱這樣的遺傳學研究途徑為反向遺傳學，亦即是基因工程學。基因組學基因組（genome）這個術語系由基因（gene）和染色體（chromosome）兩個英語單詞縮 合而成，最早于1920年被溫克勒（H.Winkler）首先使用。它是指生命有機體細胞所攜帶的 全部遺傳信息，包括所有的基因及基因間序列的總和。例如人類基因組便是由復雜的核基因 組和簡單的線粒體基因組兩大部分組成。前者含有約24000種基因，后者則只有37種基因。 由于兩者復雜度相差過于懸殊，因此通常所說的人類基因

16、組測序，一般就是指核基因組測序。人類基因組含有22條常染色體及兩條性染色體X和Y，其DNA分子的總長度約為3X 109bp。但每一條染色體DNA分子的長度并不一樣，最長的一條達250Mb，最短的一條則 僅有55Mb。人類線粒體基因組DNA是一種長度為16569bp的環形分子。每個細胞平均擁 有800個左右的線粒體顆粒，其中每個顆粒含有10個基因組拷貝。一個成年人個體大約擁有總數達7.5X1013 （即75萬億）個細胞，每個細胞都含有相同 的基因組拷貝。但也有某種特別類型的細胞，比如處于終極分化狀態的血紅細胞并不存在細 胞核，因此也就沒有核基因組。體細胞是二倍體，每個細胞都含有兩套共44條常染色

17、體和 兩條性染色體（其中男性的為X和Y，女性的兩條都是X）。單倍體細胞精子和卵子，都只 有一套22條常染色體和一條性染色體，其中精子的有X和Y的兩種不同的類型，而卵子則 只有X的一種類型。因此，一套完整的人類核基因組，實際上包括22條常染色體和一條Y 染色體和一條X染色體，總數為24條染色體。在討論基因組問題時，不能不提及人類基因組計劃(Human Genome Project,HGP)。這是 一項在1984年由美國科學家首先提出并于1990年10月1日正式啟動的、以測定人類基因 組全序列為主要目標的國際性合作研究項目。除了美國之外，參加該項目的國家還有英國、 法國、德國、日本和中國，共6個國

18、家，預計總投資30億美元。其工程之浩大，任務之艱 巨，與制造原子彈的“曼哈頓(Manhattan)計劃”、及送人登月的“阿波羅(Apollo)計劃” 相比毫不遜色。人類基因組計劃分兩步進行。第一步，圖譜的繪制，即將所有的基因全部定位在單倍體 基因組的全套24條染色體上，然后對這些功能基因進行核苷酸序列的測定。第二步，對染 色體基因組的DNA分子包括編碼的和非編碼的進行全序列測定。它的根本目的在于繪制出 一部揭示人體生命奧秘的“天書”，為生命科學特別是醫學研究提供極其珍貴的參考資料。 該計劃原訂于2005年完成，但實際上提前了 4年，在2001年人類基因組序列草圖的兩個版 本，便同時分別在Sci

19、ence和Nature雜志上發表。隨著研究工作的逐步深入和積累的資料日漸豐富，事實上自1995年開始有關基因組的分 析范圍，便已經由原來確定的圖譜繪制和序列測定兩大主題，擴展到了包括基因功能鑒定在 內的三大任務。為了適應這種變化了的情況，于是有關的科學工作者便提出了一個更加綜合 的、能切實反應具體學科內容的新的術語-基因組學(genomics)-于以替代?；蚪M學是利用基因組全序列提供的信息，結合高通量的基因組分析技術，在基因組水 平上研究生命有機體基因的結構和功能、表達與調節、發育及分化等一系列基礎理論問題的 分子遺傳學的嶄新研究領域。雖然基因組學的概念已得到廣大科學工作者認同，但由于歷史

20、短暫且發展迅速，因此目前有關于它的具體的研究范圍尚難準確界定。一般認為它主要包括 結構基因組學、功能基因組學(轉錄本組學、蛋白質組學和代謝物組學)、基礎基因組學、 應用基因組學和比較基因組學共五大分支學科。基因組學對分子遺傳學的發展產生了深刻的影響。長期以來，分子遺傳學家都是以單個 基因或由少數幾個基因組成的操縱子作為主要的研究目標。然而由于正常的細胞生命活動， 是通過整個基因組所有基因間的協同表達和綜合調節的結果。因此僅靠對單個基因孤立的研 究，是難以揭示出細胞新陳代謝過程的真實情況。基因組學則不然，它的出發點是把基因組 的結構與功能作為一個有機的整體看待，認為細胞的生命活動是通過由各個基因

21、的表達調節 組成的統一的網絡體系綜合體現的。所以它比單基因的研究途徑，能夠更加有效地接近細胞 生命活動的本來面目。事實也的確如此，當今分子遺傳學的主要進展，例如下面將要敘述的 表觀遺傳學(epigenetics)的許多概念，便是來源于基因組學而非單個基因的研究。表觀遺傳學最近十多年來，隨著分子遺傳學尤其是基因組學研究工作的不斷深入，在諸多的生命有 機體中發現了越來越多的非孟德爾遺傳(non-Mondelian inheritance)現象，和異常的遺傳模 式(disparate pattern of inheritance)。這些問題強烈地吸引著一大批有關科學工作者的濃厚興 趣。如此便有力地促

22、進了表觀遺傳學的研究，使之迅速地發展成為分子遺傳學研究領域中相 對獨立的一門新興科學。英語中，表觀遺傳學(epigenetics)一詞系由后成論(epigenesis)和遺傳學(genetics) 兩個單詞縮合而成。它是專門研究在生命有機體發育與分化過程中，導致表型性狀特征發生 改變而相應基因的核苷酸序列卻沒有變化的特殊的遺傳現象。這種只對表型有影響但并不導 致基因型改變的類型獨特的遺傳變化，叫做表觀遺傳改變(epigenetic change)0表觀遺傳學 的主要論點是，生命有機體的大部分性狀是由DNA序列中編碼蛋白質的基因負責傳遞的， 但是DNA序列以外的化學標記(chemical marker)編碼的表觀遺傳密碼(epigenetic code)， 對于生命有機體的表型特征尤其是健康狀況，同樣也有深刻的影響。近年來表觀遺傳學的研究成果告訴我們，DNA并非是遺傳信息的惟一載體。生命有機體 遺傳信息的組成事實上是相當復雜的，它包括三個不同的層次。第一個層次由基因組DNA 中編碼蛋白質的基因構成。已知在人類基因組中，此類基因所占的比例還不到全部DNA序 列的2%，但它對于生命活動的重要性已經是眾所周知的事實。第二個層次僅含有非編碼的 RN