第二章 走入基因 英国历史学家王比德的著作， 是英格兰在8世纪勒唯一真实的貂料采源，曾经 对人类短暂的生命提出一个强而有克的比喻。他说：“生命就象是备便里坐在餐桌 前， 仰和郡长5乡钢共享大簧。突然留到一受小麻雀经显地飞过大厅，从一个门飞 过来，然后又很快地从另一个门飞出去。在它短暂停留在屋内的这段的阎，丝毫没 有受到寒风怒吼的影响，但是这段平静时光像门车一样，一瞬即逝，于芝麻雀在冬 天的寒风中飞来又飞回去，消失在你围限激。人类的生党也像是这样，先是什么， 之后又会青什么，我们都一无所知。” 圣地级的比喻着重在宗教意义，但是生物学上刻词另一翻解读。基因安它自己 的记忆，解读基因可以为我们带来希望，能够蕾穿这个短餐、受到国限的生肖厅堂， 霍到厅外的记乔，知通在人类生向出现2到的点滴，基因能测未采的情沉。 SieveJOnes 1953年4月25日，900个字改变了世界，这些字是由詹姆士・沃森（J。WatSOn） 和法朗西斯・克里克（FranisCrick） 所撰写的简短报告书，它被刊登在名为《遗 传》 （Nature） 的著名科学杂志上。 他们开始这么写着：“我们想提供有关DNA （脱氧核糖核酸）结构。此结构有通俗的特色，具有许多生物趣味。”他们也谨慎 地下了以下的结语：“我们注意到，我们主张的特定配对，有可能是基因要素的模 仿机制。” 多年之后， 1991年，沃森在《重组体DNA》第二版书内写着“没有任何物质像 DNA般重要……如果我们希望在未来， 同时生命的全部奥秘也能够纳入生物学家的 掌控之中，那么加达探讨DNA的秘密，是有其必要性的。” 这是沃森还是个25岁的剑桥大学准博士班学生时所写的文章，《遗传》被视为 有所保留的经典名作。后来成为诺贝尔佐冠诗人和世界著名科学家的瓦特林，在40 年后的言论，也未超出此范畴。 何以DNH一个纯粹分子――的结构与作用， 会认为与全部生命的奥和有密切关 联？所有全部的细节，都留给了未来的生物学者。不过，沃森和克里克也分析过， 令人惊异的单纯和美妙对称的分子，显示有可贵的秘密存在于生命极中心一基因里。 什么是基因 基因是DNA分子上含特定遗传信息的核育酸序列的总称， 是遗传物质的最小功 能单位。 基因一词是英语“gsne”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gM（氏族）以及现代英语中genus（种属）、genius（天才）、 genial（生殖）等诸多词汇。1909年，丹麦学者约翰逊提出基因这一名词，用它来 指任何一种生物中控制任何遗传性状而其遗传规律又符合于孟德尔定律的遗传因子。 在孟德尔定律发现之前，人们对生物遗传曾提出了诸多的说法。如普遍流行的 融合遗传论就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 性状还能在于二代中出现。据此孟德尔提出了“遗传颗粒”学说。20世纪初叶孟德 尔理论在许多动植物中得到了进一步的验证。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性果蝇中出现，第 一次把一个特定的基因定位于一条特定的染色体（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，那么摩尔根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大弦琴上发出 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限分明的独立遗传单位， 甚至到本世纪50年代初人们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，如同当初人们认为分子是物质 的基本粒子一样。这种观念直到1957年才得到纠正。 mpanel(1); 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观念。他认为：（1）作为基因的单位， 可以精确到单核育酸或碱基水平， 称为突变子。（2）作为交换单位，同突变单位 一样， 仍以单核计酸为基本单位，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，而且把“基因”作为一种概 念引入到遗传学实验中来了。本泽尔把突变子成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（SV。）和腺病毒（AdV）中发现某 些基因中存在内部间隔区，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、果蝇的n3NA基因、人的胶原蛋白基因中也得到了证实。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为 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，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 甲174DNA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，但至少说明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位置或结构起作用。例如， 操纵区和启动区，它仅起识别蛋白质（酶）的作用，由引来开放或关闭它“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。 本世纪对年代末，在大肠杆菌中发现了一种奇特的现象，基因可以在染色体及 染色体外的DNA之间往返“飞行” 。其实这种基因的跳跃现象在50年代初就被一位 女科学家麦克琳托克在研究玉米组织分化现象时发现，只不过她的发现当时并未引 起人们的普遍关注而已。随后不久基因跳跃现象又在人的免疫球蛋白基因中得到了 证实，这样人们才充分意识到基因的稳定性是相对的。医学家们还进一步设想或许 基因的这种不稳定性可能与癌症和传染性疾病也有很大关系。麦克琳托克作为首次 发现基因不稳定性的人，于1983年获得了诺贝尔生理学及医学奖。（赖立辉） 染色体是基因的载体 19世纪后半叶，在细胞学说的启迪下，人们认识到研究细胞的结构和生理，是 阐明生命现象（包括生殖和遗传在内）的捷径，此外，随着物理学和化学的发展， 当时已有较好的显微镜、切片机和各种化学染料为细胞学的研究提供了十分有利的 条件。于是，生物学家相继发现和描述了细胞的有丝分裂和生殖细胞在成熟过程中 的减数分裂等。这些发现把人们的注意力集中到染色体上来。早在1882年，德国细 胞学家弗鲁门（W・Flermming，1843―1915）在研究细胞分裂时，发现核中有容易 染色的部分， 并把它称之为染色质。 其后， 1888年，德国解剖学家沃德耶（W． Waldewr， 1836一1921）正式把弗鲁门发现的染色质称之为染色体。从此之后，有 关染色体的研究报告层出不穷。人们发现同一物种所有个体的染色体对数是相同的、 稳定的，并且在许多生物体同一个核内不同染色体对的大小、形态也有明显的区别， 从而提出了染色体的个性和连续性的假设。特别是染色体在细胞分裂过程中的行为 更引人注目。它使人们联想到遗传基因的变化和高等动植物在有性生殖过程中染色 体的行为是平行的或一致的。比如说，基因的体细胞中是成对的，染色体在体细胞 中也是成对的；基因在生殖细胞中是成单的，染色体在生殖细胞中也是成单的；不 同对的基因可以在分离过程中自由组合，同源染色体的减数分裂过程中也恰好是随 机分配的。就是说，基因的分离和分配，对应于减数分裂期间生殖细胞内染色体的 分配和四分体的形成。 按此理解，杂种后代（F；）在形成配子时，同源染色体分 离，产生了数目相等的两类配子，一类只含基因A，另一类只含基因a，假定所有配 子受精的税率相等。这些配子的接将随机结合，那么会产生4种组合；即AA、ZAa和 aa。当A代表显性，a代表隐性时，这就表现为孟德尔的分离定律。这样，孟德尔所 发现的遗传定律，就可以从生殖细胞形成期间染色体的行为来理解。正如美国细胞 学家萨顿（W．Sutton， 1877－1916）在他的《遗传和染色体》（1903年）一文中 所概括的：父本和母本的染色体联合成对及它们在减数分裂中的分离构成孟德尔定 律的基础。就是说，在雌雄配子形成和受精过程中，染色体的行为与孟德尔遗传因 子（即基因）的行为是平行的，只要假定基因是在染色体上，分离定律和自由组合 定律的表现就会得到解释。 萨顿的概括在当时并没被多数人认同。持不同意见的人认为，基因和染色体的 那种相互关系最多不过是彼此同时发生而已，把孟德尔的基因同染色体相提并论显 得有点似是而非。美国的生物学家摩尔根呼・H・haap，1866－1 945）就持有这种 看法。因此他试图用实验来解决这个问题。1910年，他选用果蝇作材料进行性别决 定的遗传学实验。一天，他偶然发现在培养瓶里有一只雄果蝇的身上出现了一个细 小而明显的变异，即它与通常的红眼果蝇不同，而是具有白眼性状。接着，摩尔根 把那只雄果蝇同它的红眼姊妹一起饲养，看看会有什么变化，结果他发现所有的杂 种一代都是红眼的。如果将FI近交（指亲缘关系极近的个体之间杂交），那么所产 生的马，有红眼的，也有白眼的，它们之间的数量比例是3：1。这个实例表现得如 词典型的孟德尔式的基因一样。有趣的是，曼的白眼果蝇全部都是雄性个体。以后 的多次交配表明，白眼几乎总是出现在雄性果蝇身上，但偶尔也会出现一只白眼的 爆果蝇。这使摩尔根想到，决定红眼和白眼这两种性状的基因很可能总是与决定性 别的染色体成分联系在一起的，即可以设想这个白眼基因位于X染色体上，而y染色 体上没有它的等位基因。摩尔根把这种伴随着决定性别的染色体而遗传的现象，叫 做伴性遗传。伴性遗传的发现，首次把一个特定的基因（如决定果蝇眼睛颜色的基 因）和一个特定的染色体以染色体）联系起来，从而用实验证明染色体是基因我本 此后，摩尔根还进一步研究了在同一条染色体上的基因的传递规律。他选用黑 体残翅（用bV表示）的雄果蝇和灰体长翅（用BV表示）的雌果蝇杂交，得到的Fl全 是灰体长翅的。然后他用Fl的雄果蝇和隐性亲本付一回交，按照分离定律和自由组 合定律， 本应预期得到4种类型的后代，即BV、By、bV和协。但是，实验的结果只 有两种类型，即灰体长翅和黑体残翅。摩尔根是这样解释他的实验结果的。他说： 如果假定B和V这两个基因在同一条染色体上，b和V这两个基因在相对的另一条染色 体上，上述的遗传现象就可以解释得通了。就是说，不同染色体上的基因虽然可以 自由组合，但在同一条染色体上的基因（比如B和V，b和V），它们总是在一起，就 不能自由组合了。摩尔根把这样的遗传现象，叫基因的连锁。 连锁基因是不是完全不能交换呢？实验证明也不是这样，像雄果蝇那样的完全 连锁是罕见的。在大多数的情况下，每个基因连锁群并不是永远紧紧地连锁在一起 的，相对基因之间有可能出现某些交换。比如说，在上面的试验中，如果不是用FI 的雄果蝇而是用FI的雌果蝇与隐性亲本回交， 那么就可以得到4种类型的后代，不 过交换类型的数目要比预期的少得多。它们的比例是：BV．（0．42），By（0．08）， bV（0，08），bvN．42）。其中交换类伽和bV之间只占16％。因此摩尔根把他的发 现叫基因的连锁和互换定律。 基因的连锁和互换是生物界普遍存在的现象。并且实验证明，两对性状不管杂 交时怎样组合，对于同一连锁群的两个特定基因之间的交换率，总是一个常数或不 变的定值。例如，实验测得果蝇的黄体基因和白眼基因的交换率是1．2％，白眼基 因和翅脉二裂基因之间的交换率是3．5％，黄体基因和翅脉二裂基因之间的交换率 是4．7％。由此可知，黄体基因和白眼基因的交换率加上白眼基因和翅脉二裂基因 的交换率，恰恰等于黄体基因和翅脉二裂基因的交换率。也就是说，在同一连锁群 内的三个基因之间的交换率，只要知道两个数值，就可以推知第三个数值一定是前 者的和或差。如果拿一定的交换值作为长度单位，同时假设两条染色体在它们的任 何基因位点之间都可能产生交换，交换值和基因之间的距离成正比例。那么我们画 出来的基因分布图将是一条工整的直线。由此可以推知，基因在染色体上是按一定 的次序和距离作直线排列的。 摩尔根和他的同事们把杂交研究同细胞学结合起来，以令人信服的实验证明基 因存在于细胞染色体上并作有规律的传递，从而建立了染色体遗传理论（或细胞遗 传学）。他在1926年发表的《基因论》一书中，对20世纪头30年遗传学发展的巨大 成果作了如下的概括：基因论认为个体上的各种性状都起源于生殖质里的成对要素 （基因），这些基因相互联合，组成一定数目的连锁群；认为生殖细胞成熟的时候， 每一对的两个基因依孟德尔第一定律（分离定律）而被此分离，于是每个生殖细胞 只含一组基因；认为不同连锁群里的基因依孟德尔第二定律（自由组合定律）而自 由组合；认为两个相对连锁群的基因之间有时候也发生有秩序的交换；并且认为交 换率证明了每个连锁群里诺要素的直线排列，也证明了诸要素的相对位置。 DNA是基因的化学实体 细胞遗传学确定了染色体是基因的载体，但是，对于基因的化学本性还是几无 所知的。比如，基因究竟是什么化学物质，它在遗传传递中到底如何发生作用？这 些问题在摩尔根时代还不能作出确切的回答。但是，摩尔根毕竟触及到了这个问题。 他在《基因论》的末尾总结部分，讨论到基因属不属于有机分子一级时，他根据计 算基因的大小来估计，认为基因不能当成一个化学分子；基因甚至可能不是一个分 子，而是一群非化学性结合的有机物质。然而他并不排除这样的假设：“基因之所 以稳定，是因为它代表着一个有机的化学实体。” 在寻找基因的化学实体上，细胞化学起着重要的作用。细胞化学的研究表明， 染色体作为细胞结构的一个基本组件，它主要是由蛋白质和核酸这两类化学物质组 成的。那么遗传物质究竟是蛋白质还是核酸？按照传统的观念，蛋白质作为生命物 质的主要成分和一切生命现象的体现者，它不仅普遍存在于生物界参与所有的生命 过程，而且它的化学结构也有多样性和可塑性，似乎很适于作遗传物质。然而科学 实验部否定了这种看法，确认核酸是遗传物质，蛋白质不过是它的产物。 认识到核酸是遗传物质（或基因的化学实体） 有一段漫长的历史过程。 早在 1928年， 英国的细菌学家格里菲斯（F．Griffith，1881－1941），用肺炎球菌做 实验时发现了一个令人惊异的现象。 当他把大量已经杀死的能致病的S型肺炎球菌 （外形有荚膜， 在培养基上形成的菌落是光滑的），与少量活着的不能致病的R型 肺炎球菌（外形无荚膜，在培养基上形成的菌落是粗糙的）混合在一起，注射到试 验动物体内的时候，令人惊异地发现这些试验动物都得病死了，并从它们的体内分 离出许多S型的肺炎球菌。人们把这种由R型的肺炎球菌转化为S型肺炎球菌的现象， 称之为转化现象。 为什么会发生这种转化现象呢？当时人们推想一定是S型肺炎球 菌的某些物质被R型肺炎球菌吸收了，使它转变为S型肺炎球菌。但是，这是什么样 的化学物质？当时还不清楚。 1944年， 美国的生物化学家艾弗里等做了一个体外实验查明，原来是S型肺炎 球菌里的脱氧核糖核酸（简称DNA）这种化学物质在转化现象中起作用。他们先把S 型肺炎球菌磨碎用水抽提， 发现这种抽提液中有蛋白质、DNA、脂肪和糖类等化合 物。然后将抽提液放过培养基（一种人工配制的适合细菌营养要求的混合物）中， 并用它来培养R型肺炎球菌，结果发现在培养基里产生S型肺炎球菌。这与格里菲斯 所看到的转化现象一样，因此可以考虑在这种抽提液中确实存在着某种促成性状转 化的因子。 但这种因子是蛋白质，还是DNA，或是其他物质。为了弄个明白，艾弗 里等人对这些物质逐一做了研究。当他们从S型肺炎球菌中抽取出提纯的DNA，放到 R型肺炎球菌的培养基上时，结果在那里发现了S型肺炎球菌，而用蛋白质或其他物 质的抽提液代替DNA时，并没有发生这种现象。当他们在DNA的抽提液里加些蛋白酶 时， 并不影响实验结果，但若加进DNA酶时，转化现象便消失了。由此可见，不是 别的物质，正是DNA在转化舞台上担任着独特的角色――遗传物质的角色。1952年， 赫尔希和蔡斯继文弗里等人之后，又做了一个权威性的实验。他们用32P和”S分别 标记惯菌体（寄生在细富体内的病毒） 的DNA和蛋白质的部分，然后用标记过的农 菌体去感染细富， 发现当细菌被感染对，噬菌体的DNA进人寄生细胞，而其蛋白质 外壳却留在外边， 并且进人寄生细胞的DNA能够复制出同原来一样的噬菌体。这个 实验进一步确证DNAffiff传物质或基因的化学实体。 既然DNA是遗传物质， 那么它本身有什么条件可以充当这个角色呢？这就要讲 到DNA的化学组成及其结构了。DNA是核酸的一种。核酸最早是1869年由瑞士的青年 化学家米歇尔（F．MieSChr，1844―1895）发现的。他为了想搞清楚细胞核的化学 性质，用盐酸处理脓细胞；以稀碱分离出核，经沉淀后分析其中的成分，发现氮和 磷的含量特别高。由于这类物质是从细胞核中分离出来的，又都表现为酸性，故人 们把它叫做核酸。后来，经过许多科学家的研究，终于搞清楚核酸是由核音酸作为 基本单位组成的聚合物。接着酸本身也是比较复杂的化合物，它是由戊糖、碱基和 磷酸三个部分组成的。根据组成核酸的核音酸中戊糖种类的不同，可将核酸分成两 大类， 即核糖核酸（简称RN A）和脱氧核糖核酸（简称DNA）。前者的戊糖部分是 核糖。后者是脱氧核糖。除了糖组分不同外，这两类核酸中所含的碱基种类也不完 全相同。RNA含腺源哈（用A表示），鸟瞟吟（用G表示）、胞呼峻（用C表示）和尿 晓晚（用U表示） 。DNA则含A、G、C、T（胸腺呼陡）而没有U。实际上，DNA和RNA 的碱基只有一个不同，即在RNA中T为U所代替。核着酸按255所含碱基不同，分别叫 腺着酸（AMP）或脱氧腺着酸（dAMP）、鸟着酸（GMP）或脱氧鸟昔酸（dGMP）、胞 音酸（CMP）或脱氧胞着酸（dCMP）、尿着酸（U’MP）和脱氧胸腺着酸（dTMP）等。 这些核音酸是通过脱水绩合作用而成为聚合物的。在核酸分子中，核音酸的排列是 有一定顺序的，这种核高酸的线性序列就是核酸的一级结构。虽然组成DNA或RNA的 核音酸只有4种， 但是由于它们排列顺序的不同，便可构成核酸分子的多样性。假 定一个核酸分子是由100个4种不同核音酸组成的。 那么它就可能提供4‘ho这么多 种不同的排列顺序。 在没有搞清楚DNA的三维结构（或空间结构） 之前，要想从其化学本性来说明 它的遗传职能， 是很困难的。这个问题亟需解决。1953年，沃森（J．D．Wason， 1928－）和克里克（F．HCCri吹，1916）应用物理学、化学的新技术和生物学研究 的新成果，运用综合的观点，把自己的创造性工作同前人的研究成就结合起来，提 出了DNA分子双螺旋结构模型， 成功地解决了DNA的三维结构问题。他们认为，DNA 是由两条多聚脱氧核音酸链围绕一个中轴旋转而形成像麻花那样的螺旋结构。在这 个结构中，磷酸和脱氧核糖组成的主链在外侧，碱基在内侧，两链间的碱基通过氢 键相互连接，并且有一定的规律，即A配T，C配G，每对碱基处于同一平面，不同碱 基对互相平行，而和中心轴垂直。图3―5是DNA分子双螺旋结构模式图。（A）是以 骨架形式展示出来的DNA模型。（B）是DNA的填充空间模型。 很明显，这样一个分子模型包含有相当大的生物学意义。它首次为生物的生殖 和遗传提供了化学基础。 正如沃森和克里克所说的，“DNA双螺旋模型的碱基特异 性配对的原则，立即展示出遗传物质可能有的复制机制。”还提出，“倘若得知配 对键的一侧碱基的实际顺序，人们就可以写下另一侧的碱基的精确顺序。因此可以 说，一条链是另一条的互补链，正是这一特征提示着DNA分子为什么会自我复制。 沃森和克里克的预言， 不久（195年）便为梅塞尔松（M．Meseson，1930－） 等人的工作所证实。 1963年，美国科学家凯恩斯（c劝ms）还用电子显微镜和放射 自显影技术相结合的方法， 成功地拍摄到大肠杆菌DNA复制过程的图象，从而直接 证明沃森和克里克对于DNA复制推测的正确性。 基因概念的现代理解 验明DNA是基因的化学实体并确定它的双螺旋结构和复制机制是划时代的事件， 它使经典遗传学的基因概念发生了深刻的变化。按照经典遗传学的理解，基因是抽 象的、 不可分的遗传单位。而DNA被确定为基因的化学实体之后，基因却是个实实 在在的化学分子， 基因的概念被定义为DNA的一个有遗传功能的片段，这个片段带 有通常为蛋白质和RNA编码的一个遗传信息单位。 或者说，基因就是一个具有特定 的连续的核音酸线性序列。以噬菌体M％为例，它是由3569个核音酸组成的单链RNA 分子（在一些生物中RNA也可作为遗传物质），共有三个基因，分别负责A蛋白、外 壳蛋白和RNA复制酶的合成， 称之为A蛋白基因外壳蛋白基因和RNA复制酶基因。现 在已经搞清楚， 在M％RNA分子的开头有由129个核资酸组成的先导序列，接着依次 是A蛋白基因（含1179个核音酸） 、外壳蛋白基因（含390个核音酸）和RNA复制酶 基因（含1635个核着酸） 在A蛋白基因和外壳蛋白基因之间有一个间隔区（含26个 核音酸）。在外壳蛋白基因和RNA复制酶基因之间也有一个间隔区（含36个接着酸）。 最后是由174个核音酸组成的终未序列。 先导序列、终未序列和两个间隔区的核音 酸是不表达的，即不能转体为蛋白质。 按照上述的现代基因概念，不仅完全可以解释经典遗传学所能解释的一切。而 且还能解释经典遗传学所难以解释的一些现象。例如，经典遗传学解释不同性状差 异的原因，只能答之以“不同的基因”，而现在却能用DNA或RNA链核着酸顺序如何 改变导致产生不同的蛋白质来说明；还有突变不只可解释为基因的变化，而且还可 以用DNA链的重排和它的效应来说明； 再有经典遗传学不能回答基因为何能一次又 一次地复制， 而现在却可以用DNA的自体复制功能来说明。此外，从现代遗传学的 观点来看， 不能互换进一步分割的，或负责突变的DNA的也可能只包括一个核音酸 对，所以在功能单位内可以进行互换或发生突变的，有时可能只涉及到功能单位的 一个小区段，如血红蛋白的点突变。因此，基因作为功能单位、突变单位和重组单 位并不是三位一体的。也就是说，基因作为功能单位，它指的是一个具有特定的连 续的核音酸序列，而突变可以是其中的一个或者几个核音酸对，并不一定是整个基 因。至于交换，在一个基因组（指生殖细胞中的染色体数目）中的任何两对核音酸 之间，都是有可能发生遗传物质的交换或者重组的。因此，基因不是不可分的而是 可分的。 除此之外，实验还证明基因是可以移动的，这种移动不限于传统的等位基因之 间的交换，而还可以在同一条染色体不同区段和不同染色体之间的非同源区段移动。 早在40年代，美国遗传学家麦克林托克在研究玉米籽粒颜色的高频变异时，就已注 意到了基因可以移动的现象。她在研究过程中发现，玉米籽粒的颜色很不稳定，有 时籽粒上会出现一些斑斑点点。为什么会有这种现象？她提出了一个全新的概念来 解释，认为遗传基因是可以移动的。她把这种可移动的基因叫做控制因子或转座子 （现在多称跳跃基因）。这些跳跃基因能在玉米不同的染色体上从一个位点转移到 另一个位点，有时像一个新奇的生物学开关一样，开动或关闭基因。比如说，当玉 米染色体上产生紫色的基因gy附近插入一个跳跃基因DS时，它即以一定的速率关闭 ffi， 使其籽粒不能产生紫色而成黄色。当DS从Xi附近跳开后，Xi的抑制便解除， 随即恢复紫色。DS也可爱另一个跳跃基因AC的作用。当AC离DS不远时，它可阻止DS 的作用，同样可以解除DS对to的抑制。如果DS跳到离AC很远的地方时，或者AC本身 跳开后，则DS即不受AC的作用，DS又对to起抑制作用。这些跳跃基因跳动得如此之 快，以致使得受它们控制的颜色基因时开时关，于是玉米粒粒上便出现斑斑点点。 由此可见，跳跃基因与传统的基因概念不同，它本身虽不表达某种性状，但却可以 引起颇为广泛的遗传效应。尽管麦克林托克的这一发现是很了不起的。但却没有引 起当时人们的关注。 大约过了20年， 美国的梅勒米（Malaxnv）、德国的焦敦（Johdan）和英国的 夏皮罗（Shapiro） 等人分别用分子生物学方法，在微生物遗传学的研究中，也发 现了类似当年麦克林托克所提到的转座子时，跳跃基因的概念才为人们所普遍接受。 跳跃基因的概念，使人们认识到功能上相关的各个基因，并不一定以紧密连锁的形 式存在，它们可以分散在不同染色体或者同一染色体的不同部位上，因此极大地丰 富和发展了现代基因概念。 此外，近半个世纪的遗传学研究表明，除了核基因外，还有校外基因，即存在 细胞质里面的基因。例如，细胞质中的某些细胞器，像质体、线粒体和叶绿体等就 含有各自的DNA。这些DNA的作用与细胞核内的染色体基因很相似，于是人们把它们 叫做核外基因。受核外基因控制的遗传，它的表现与核遗传不同。人们通常把它叫 做细胞质遗传。细胞质遗传与核遗传的差异，首先表现在它总是表现为母系遗传。 所谓母系遗传指的是用具有相对性状的亲本杂交，不论正交或反交，其FI总是表现 母本性状的遗传方式。这是因为卵细胞含有大量的细胞质，而精子所含的细胞质却 很少。特别是精子在受精过程中，进入卵细胞的主要是细胞核。因此，受精卵的细 胞质就主要来自卵细胞了。所以细胞质遗传总是表现为母系遗传。其次，细胞质遗 传杂种后代的遗传行为不符合经典遗传学的三个基本规律，即既无一定的分离比例， 也不存在自由组合和连锁与互换的关系。这是由于在细胞分裂过程中，细胞质不像 核染色体那样进行有规律的分离和组合。细胞质里的基因复制后的细胞分裂时，不 是平均地而是随机地分配到子细胞中去的。细胞质遗传现象的发现，扩大了核遗传 的概念。实验证明，有许多生物的某些性状（如草履虫的放毒与否）是由核内基因 与核外基因共同决定的，如草展虫释放毒素的核外基因，也要有相应的核内基因的 存在才具有复制、增殖和传递的功能。 关于基因怎样发生作用的问题，遗传学家曾为此而感到困惑不解，但生物化学 的进展却使人们顿开茅塞，认识到基因的作用可能与酶有关。因为在生物体内所有 的生物化学过程都必须有酶的参与，在酶的催化下进行的，如果缺少某种酶一定的 生物化学反应就不能进行，如没有淀粉酶，淀粉在生物体内就不易分解等。由此遗 传学家猜想到基因对性状发育的控制，也很可能是通过酶的作用来实现的。40年代， 美国遗传学家比德尔（G・W・Beach， 1913－） 和塔特姆（E・L・TatUm，1909－ 1975）以红色面色霉这种微生物为材料，进行一系列的生化遗传学实验，查明在红 色面色霉的生物合成中，每一阶段均受到某一基因的支配，当这个基因因突变而不 活动时，则中断了这种酶反应。例如当控制合成精氨酸的基因发生突变对，这一品 系的红色面包零就不能合成精氨酸，说明在生物合成过程中酸的反应是受基因支配 的。根据这个事实，比德尔和塔特姆在1946年提出了“一个基因一个酶”的理论， 把基因与酶的关系作为基因怎样发生作用中的一个关键性论点鲜明地提出来了，但 它却没有去探索基因的化学本性和基因究竟怎样导向酶的形成这样一些重大的问题。 不过50年代分子生物学诞生之后，对这些问题的研究就有了答案或新的进展。 遗传密码 当20世纪40年代， 人们认识到DNA是遗传物质，而蛋白质是基因的产物时，就 开始研究这两种生物大分子之间的联系。1953年夏天，基于如下两点认识提出了遗 传密码的设想。 第一，在DNA多核音酸链上核音酸碱基的确切的序列代表了基因的遗传信息 第二，任何基因的信息内容除了代表给定的多肽的一级结构（即氨基酸排列顺 序）之外，不可能有任何其他的东西。 这样，就把多核音酸链上的核音酸碱基序列与多肽链上的氨基酸序列联系起来 了。 通常把核酸分子（RNA）上单核音酸序列与多肽链上氨基酸序列联系起来的讯 号，称之为遗传密码。就像打电报中阿拉伯数字的排列决定文字的“电码”一样， 不同时减基排列顺序，就起到了遗传密码的作用。60年代，分子遗传学的研究表明， 核酸分子中每三个碱基编成一个密码子（三联体），决定一个氨基酸。例如，GGU， GGC， GGA和GGG都是甘氨酸的密码子。1966年，克里克根据当时已经取得的成果， 排出了一个遗传密码表。 这个表有如下的特点：第一，几乎所有的氨基酸都有一个以上的密码子，只有 甲硫氨酸和色氨酸仅由一个密码子表示；第二，密码有明显的结构，同一氨基酸的 同义码几乎都在同一方格中（有6个同义码的例外） ，因此一个密码子与另一个密 码子的区别仅在其第三个核音酸中的最后一个；第三，密码表中有三个无字义的密 码子，即UAG、UAA和UGA，它们全都不代表任何氨基酸。 70年代末， 比利时肯定大学的菲耳斯（W．Fiers）以噬菌体M＆为材料，对遗 传密码表作了精确的验证。他分析了M＆外壳蛋白的129个氨基酸的顺序，又分析了 决定外壳蛋白的基因的390个核音酸的顺序， 发现它们两者之间的关系完全符合密 码表上的规定。 现在已查明，遗传密码在整个生物界都是适用的。因此，遗传密码的阐明继细 胞学说之后，又一次具体地证实了有机界的统一性，在分子水平上进一步揭示了有 机体产生。生长和构造过程的秘密，并在生物体内的化学变化中增加了信息量的变 化的新概念，使生物学的内容更为丰富多彩。 中心法则 前面已经提到DNA分子有自我复制的功能， 通过复制能把原有的遗传信息原封 不动地保留下来，保证了遗传信息的世代相传。但是，核酸分子和其他化学分子一 样并不是一成不变的，在体内外各种因素的影响下，它们经常都在变化中。因此， 在核酸分子复制自体的过程中，如果发生碱基的缺失、增加、取代或重组等情况， 那么核酸分子的这种变化就会反映到遗传密码或生物性状的变异中来。例如，在控 制血红蛋白会成的密码中， 如果GAA或GAG中的碱基发生变化，A变成了U或者U取代 了人那么GAG和GAA就变成了GUU或GUG，这样由它们所控制合成的氨基酸也就由原来 的谷氨酸变成了领氨酸，从而影响到整个血红蛋白分子的正常生理功能，发生镰形 红血球贫血症。由此可见，通过核酸分子中所携带的遗传密码的变化，就使生物体 具有无限变异的潜能。 DNA作为基因的化学实体， 仅仅有复制和变异还是不够的。它还应当能够指导 蛋白质的合成，使蕴藏在自身的遗传信息转变为生物体的各种性状。这是一个非常 关键或核心的问题。 分子遗传学的研究表明，DNA作为蛋白质的合成的模板并不是 直接参与蛋白质的合成，而是通过一个中介物――RNA来起作用的。也就是说，NDA 分子所携带的遗传信息，首先要通过转录，把它记录在RNA分子上，然后再通过RNA 这个直接模板去指导蛋白质的合成。所谓转录，是在RNA聚合酶的催化下，以DNA为 模板会成RNA的过程。转录时，DNA双螺旋解开，然后以其中的一条链为模板。这条 链能为RNA和蛋白质编码，因此叫做编码链。在RNA聚合酶的作用下，编码链根据碱 基互补配对的原理， 进行RNA链的合成。所合成的RNA分子很快脱落下来，这时DNA 双螺旋中解开的区域又重新螺旋化，恢复原来的状态。转录是在核酸内部发生的信 息转移过程，其结果是在DNA分子的不同部位合成出三种RNA，即mRNA。ilZNIA和四 m入它们被合成后即从细胞核转移到细胞质中， 各起着不同的生物学作用。 rnRNA （信使RNA） 含有合成蛋白质所需要的信息，是细胞蛋白质合成的直接模板。dZ： NA（核糖体RNA） 和细胞中原有的一些蛋白质结合形成核糖体，核糖体的作用好像 “装配机” ，是细胞蛋白质合成的“车间”。d（NIA运载RNA）形似三叶草，在它 的一端（上面为ACC一端）可与特定的氨基酸结合，另一端则带有和InRNA所携带的 碱基互补的碱基，即如果d协议上的碱基顺序是CCC，那么ot：NA上的碱基顺序则为 GGC。tR：NA的作用就是把细胞中游离的氨基酸运送到核糖体上，在那里按照rnRNA 的秩序排列连接起来，最终完成蛋白质的合成。 接下来是核酸分子中的遗传信息如何转变为生物体的各种性状（即吁相格林哈 样的蛋白质）。换言之，核酸分子中的核管酸顺序为蛋白质分子中的氨基酸顺序。 在这里，遗传密码起着关键的作用。人们把这个遗传信息从核酸流向蛋白质的过程， 即以1llttrvrt为模板合成蛋白质的过程， 叫做翻译或转泽。转择与转录不同，它 是发生在核酸和蛋白质两类不同分子间的化学过程，传译的结果不是产生核酸分子 而是合成蛋白质分子。转录和转择的区别可用如下图式表示： 通过转录和转择这两个生物学过程，细胞内的蛋白质合成就完成了。1958年， 克里克把遗传信息由DNAnmRNA一蛋白质的传递过程，叫做中心法则。中心法则说明 遗传信息在两类不同的生物大分子之间的转移都是单向的、 不可逆的，只能从DNA 到RNA，从RNA到蛋白质。这两种信息的转移在所有生物的细胞中都得到了证实。70 年代以来， 在深入研究RNA病毒致癌机理过程中， 美国的科学家特明（H・Tedn， 1934一） 和巴尔蒂姆（D．Baltimore，1938－）分别在RNA肿瘤病毒中发现和证实 有一种反向转录酶的存在。 在这种酶的参与下，这种病毒可以用RNA为模板，反向 地合成DNA，然后再以这段病毒DNA为模板，互补地合成RNA。这是RNA病毒复制的另 一种形式。根据这个事实，人｛1把中心法则作了修改为下图的形式。 这里遗传信息的转移可以分为两类。 一类用实线箭头表示，包括DNA的复制、 RNA的转录和蛋白质的转译。 另一类用虚线箭头表示，包括RNA的复制、RNA反向转 录为DNA和从DNA直接转译为蛋白质。前一类的信息转移普遍存在于所有生物细胞中， 后一类的信息转移只在RNA病毒中存在。至于遗传信息从DNA到蛋白质的转移，只是 一种理论上的可能性在活细胞中迄今尚未发现。 中心法则的实质是遗传信息，一旦转移到蛋白质分子之后，就不能再从蛋白质 分子中转移出来。这是因为核酸和蛋白质的分子结构完全不同，在核酸分子之间的 信息转移可以通过碱基互补配对来实现。但从核酸到蛋白质的信息转移则需要通过 极为复杂的转译机构来完成，而这个机构迄今所知是不能反向转译的。中心法则合 理地说明了在细胞的生命活动中，蛋白质和核酸这两类生物大分子的联系和分工。 核酸的功能是储存和转移遗传信息，指导和控制蛋白质的合成，而蛋白质的主要功 能则是进行新陈代谢活动和作为细胞结构的组成成分。所以拉马克的获得性遗传是 没有科学根据的。 从全面看， 固定DNA控制着蛋白质的合成，决定着蛋白质的遗传性质，但是核 酸分子自身的复制、转录等生物学功能的发挥，也是离不开蛋白质（特别是酶）的 控制的，离开了蛋白质或有关酶的参与，核酸分子的复制、转录等生理过程也不能 进行。因此，在生物体中，蛋白质和核酸就是这样形成了一种既相互联系又相互制 约的自动控制体系，不断地进行自我复制、自我更新，使生命的存在、延续和发展 成为可能。 基因的调控 按照中心法则， 有机体的发育也就是DNA分子中所包含的遗传信息，在一定条 件下的表达。 或者说，有机体的个体发育是按照在DNA分子中以某种方式预先制定 的指令（遗传程序）而进行的。这些指令在适当的条件下能促使一个细胞或某些细 胞群正好在特定的时间和位置（空间） 发生分化。由此看来，DNA所包含的遗传信 息是有机体发育的内在根据，而体内的生理状态和各种环境因素则是发育的必要条 件。至于在发育过程中，某个细胞究竟表达全部遗传潜力的哪一部分，那就要看哪 些基国是开着的，哪些基因是关闭的。大约在50年前，生物学家就意识到在发育过 程中，细胞分化时要打开一些基因，关闭另一些基因，才有可能让来自同一个受精 卵增殖的细胞，有的发育成肺，有的发育成心脏，有的却发育四肢……很明显，在 这里就有基因表达的调控问题。 早在40年代，美国遗传学家麦克林托克在研究玉米籽粒颜色的高频变异时，就 已注意到了基因的调控问题，用转座子学说来解释玉米籽粒颜色的遗传不稳定现象， 首次提出基因调控模型，初步揭示了有机体如何设计安排基因活动的奥秘。此外， 在40年代还有比德尔和塔特姆在1946年提出的一个基因一个酶的理论，阐明基因是 通过酶来控制性状发育的，进而把人们的注意力引向基因和酶的关系上来。 1961年，法国生物学家雅各布和莫诺（J・Monod，1910―1976），在研究大肠 杆菌半乳糖代谢的调节机制时，提出操纵子学说进一步发展和深化了基因通过酶起 作用的机理，从分子水平上创建基因调控模型，为揭示有机体的发育和细胞的分化 等开拓了新思路。 按照操纵子学说，基因可分为几种类型，一是结构基因（用at表示），它含有 关于蛋白质结构的信息；二是调节基因（用RG表示），它具有调整结构基因活性的 作用，能制约一种在正常情况下压制结构基因活性的阻遏物（一种小分子蛋白质） 的形成； 三是操纵基因（用O表示），它本身不能产生什么物展＞移＞旦跟阻遏物 结合， 结构基因就不能有转录作用。此外，还有一个启动基因（用P表示），它是 接受RNA聚合酶的所在， 是RNA聚合酶活动的起点，RNA聚合酶就是从这里开始使结 构基因进行转录的。所谓操纵子就是指一系列在作用上密切相关而排列在一起的结 构基因和操纵基因的总和。操纵子的开关，是与调节基因和操纵基因的作用分不开 的。 举例来说，大肠杆菌能将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖。催化这一生物化学反应 的酶有半乳糖昔酸、乳糖透过酶和乙酸化酶。它们受控于相应的三个结构基因（分 别用eq。 SGZ、Wb表示）。当培养基里没有诱导物――乳糖存在时，由调节基因所 产生的阻遏物便与操纵基因结合， 阻止或干扰RNA聚合酶与启动基因的结合，从而 使结构基因形成InR－NA的转录过程不能进行， 乳糖代谢所必需的三种酶也就不能 合成。当培养基里有诱导物乳糖存在时，它便立即与阻遏物结合，使其构型发生改 变， 失去原有的作用，这时操纵基因便开放，让RNA聚合酶结合到启动基因上，结 构基因产生rnRNA的转录过程和三种酶的合成就能正常进行。 一旦乳糖用尽，阻遏 物又发生作用， 重新关闭RNA聚合酶的通道，使结构基因的转录过程停止，酶的合 成也随之告终。后图是操纵子开关的示意图。（A）示诱导酶形成过程。（B）示阻 遏酶形成过程。 雅各布和莫诺的操纵子学说，用一套调节控制系统来解释细胞为什么在一定的 条件下能按需要启动或关闭某些基因。这对于我们了解基因如何通过酶的作用控制 性状的发育，是很有帮助的。但是后来发现操纵子学说对于真核生物并不适用。因 此对于真核生物的基因调控还是有待研究的课题。 像细菌等原核生物，它们的结构比较简单，既没有各种细胞器，也没有核膜， 它们的遗传物质――DNA或RNA，是完全裸露在细胞质中的，谈不到什么染色的结构。 因此，在原核生物那里，遗传信息的转移，从转录到转择是同时进行的，有时甚至 复制、转录和转译是三位一体的。此外，它们的基因为数很少，并且功能相关的基 因往往是紧密相连的。所以它们的基因调控均可用操纵子学说来说明。 真核生物就不一样了， 它们不仅有各种细胞器，而且有核膜把DNA包围起来并 形成结构复杂的染色体（由DNA。蛋白质和少量的gyA组成）。因此，真核生物在实 现遗传信息的传递和表达等方面要比原核生物复杂和完善很多。比如说，真核生物 的转录和转译，是分别发生在细胞核和细胞质中，这两个过程在时间上和空间上都 是分开的，并且它们的转录和转译均有专用的“机床”，其产品亦需进行各种加工 和修饰后，才能输送到细胞质中去。此外，真核生物的基因为数众多，从受精卵到 完整的有机体，要经过复杂的分化发育过程，除了那些为了维持细胞的基本生命活 动所必需的基因之外，其他不同组织的细胞中的基因总是在不同的时空序列中被活 化或受阻遏。 因此，真核生物的基因调控有染色体DNA水平上的基因调控、转录水 平上的基因调控和转译调控等，是相当复杂的。目前生物学家正在深入地研究真核 生物基因调控的奥秘。 此外，由基因调控模型使人们想到，有机体的发育和细胞分化的过程也是受基 因调控的。现代生物学已阐明，多细胞有机体在胚胎发育时，生殖细胞中的全部基 因都被复制并传递给各个子细胞，但大部基因没有得到表达。哪些基因得到表达决 定于这个细胞在身体内的位置、所处的发育阶段以及当时的外在环境。最近几年的 研究表明，每个细胞内的活性基因（开着的基因）与非活性基因（关闭着的基因） 都有其特定的图式，并且这种图式会随着发育过程的进行经历顺序的变化。据英国 剑桥分子生物学实验室的研究，一种透明的线虫在其胚胎发育过程中，有一组基因 在控制细胞分化的时间顺序上起着关键的作用。他们把这组基因叫做时序基因。时 序基因中的某些突变，可以改变细胞谱系的发育过程，使它们比正常个体提早或推 迟进行。此外，1983年巴塞尔大学生物学中心的研究者，对果蝇的胚胎发育进行研 究， 发现果蝇中许多控制空间结构的基因都具有一段共同的DNA（含有一个独特的 碱基顺序），他们称此为同源框。当含有同源框的基因转译成蛋白质时，同源框就 会发生一段氨基酸链并连结到DNA双螺旋上去。当这个蛋白质与特定基因的DNA结合 上之后，它就能使这些基因打开或关闭。如果这组基因遭到突变，成虫体节长出的 结构便会出现差错，本该是长触角的位置却长出足来。后来，有人在蛙、鸡、鼠等 其他生物体内，也发现了类似同源框的序列。这样，同源框的发现就为研究基因如 何调控有机体的发育提供了一个重要的立足点。 由此看来，要想深入了解基因调控的机制，一个很重要或很关键的课题就是要 搞清楚包含在DNA分子中的密码原本或测定其全校着酸排列的顺序。 从60年代起就 有不少科学家从事这方面的工作。如菲耳斯从1965年开始研究噬菌体M＆RNA的结构， 终于在1975年搞清了M＆的全核青酸序列。 继他之后又有不少的科学家测出了噬菌 体十X174DNA的全核音酸序列，以及病毒SV40和噬菌体fd的全核音酸序列。 80年代又兴起了对人类基因组的全核音酸序列的分析。这是一项国际性的大科 学计划。现在普遍的看法是人的基因组估计拥有大约见万个基因，含30亿个核音酸 对。要测定如此庞大的全核音酸序列显然并非易事。美国准备用15年的时间，花30 亿美元将其完成。一旦把人类基因组的核着酸序列搞清楚了，人们就可以绘制出一 幅清晰的人类基因组图谱， 并按图索鹦，从简单的DNA来预测人的性状，分析哪些 基因发生了突变，基因结构发生了什么样的改变，突变基因在哪条染色体上和处于 什么位置，等等。这样，不仅对人的遗传本性和发育程序一目了然，而且还可以研 究正常的基因是怎样工作的，不正常的基因又是怎样引起疾病的，等等。难怪有人 把人类基因组分析比喻为彻底了解人体自身奥秘的“阿波罗”计划。 但是，也不应该忽视人类基因组分析所提供的只是一份遗传蓝图，性状发育的 可能性，它并不可能完全可靠地预测所有性状的前景，因为许多性状（特别是与行 为和认识有关的性状）是由遗传和环境相互作用所决定的，环境的变化可以导致遗 传相似的个体沿着迥然不同的道路发育。因此，解释遗传信息的表达，如果不充分 考虑这一点也是不全面的。（钟安环） 历史的指纹――基因故事 地球生物的过去，是生命有机体几亿年进化的历程。在所有这些生命有机体的 细胞内，长期潜伏着DNA分子的浓密螺旋要素，透过它，我们能够听到历史的回声。 下面的几则小故事就是例子。 一寻找人类的祖先 在基督教和神话传说中，亚当和夏娃是人类的始祖。那么，在现实生活中，人 类究竟有没有共同的母亲？要回答这个问题，基因和基因组研究也许能够提供令人 信服的根据。 早在1987年，英国权威的《自然》杂志发表了美国加州大学伯克利分校研究人 员的一篇论文，该论文的结论之一是：人类共同的母亲是存在的，这就是“夏娃”。 根据科学家的调查和推算，人类共同的母亲夏娃很可能生活在20万年前的非洲。研 究人员的依据就是基因。 人体细胞的细胞质中存在着线粒体，其中也包含DNA，即 线粒体DNA， 这是一种特殊的基因。这种基因只能从母亲遗传给女儿。根据这一特 点，研究人员研究了许多种族的妇女，包括非洲人、亚洲人、高加索人、澳大利亚 人、 北美土著人和新几内亚人，结果发现，所有女人的线粒体DNA基因图谱在某一 段或一些位点上都很相似或者完全一样。这证明她们都有亲缘关系，很可能她们的 染色体（即DNA）出自同一女人，而这个女人就是《圣经》中的夏娃。 还有的研究人员根据古尸骨骼和DNA测试认为，人类的共同母亲生活在100万年 前的非洲。当然，进一步的人类基因和基因组研究将会深入地令人信服地阐明人类 的共同祖先是谁。 二揭示国家或民族的起源 是谁最先成为澳大利亚的殖民者并建立和发展了这个国家，目前比较一致认可 的事实是：1788年英国的菲利普船长率领1044名军人和囚犯在澳洲东海岸悉尼港登 陆并建立殖民地。然而，最近基因研究的结果揭示，在1788年前的几十年间，西方 殖民者早已定居在澳大利亚了。 澳大利亚的西澳洲首府拍斯的查尔斯一加德纳医院的生物化学专家对一种遗传 病的基因追踪证明，最早定居在澳洲的西方殖民者是荷兰人，时间是在1712年（并 非如史书所载的是英国人，时间在1788年）。研究人员发现了一种罕见的皮肤病， 追溯到一对荷兰夫妇身上，他们患病的年代是1688年，当时这对荷兰人居住在南非。 由于该病具有遗传性，合理的解释是只有在南非的荷兰人的后代才有可能罹患此病。 但奇怪的是，研究人员却在澳洲西部的土著人中发现了这种疾病。研究该病的生物 化学家里克・罗西比较了患该病的南非荷兰人和澳洲土著人的遗传基因，从而证实 了他们的疾病来源于同一祖先：在他们的患病基因图谱上，有缺陷的基因处于同一 位置。 那么如何解释这两种远隔千山万水的种族会具有同一疾病的致病基因呢？有一 个史实可以说明问题。据史书记载，1712年，荷兰东印度公司的“旗舰”号轮船在 澳洲西海岸卡尔马里地区以北的鲨鱼湾触礁沉没，当时船上有70多人侥幸脱险登上 了澳洲大陆。他们当中有一些人是来自南非的荷兰人，并有人患有上述罕见的皮肤 病。他们与当地的土著人结合并度过了余生，自然将这种病遗传给了当地的土著人。 另一种说法是，当时南非是荷属殖民地，荷兰船上有许多南非荷兰人船员，其 中有人患有这种罕见的皮肤病。在18世纪初叶至中叶，许多荷兰船只在澳洲西海岸 失事，一部分侥幸登上澳洲大陆的人与当地土著人通婚井生存了下来，其中携带上 述有缺陷基因的人，把这种罕见的皮肤病遗传给了他们的后代。因此，澳大利亚科 学家从事的基因研究的初步结论证明，澳大利亚的殖民历史应当向前推至1712年。 三走出人种理论的误区 在人类的相互歧视、残杀甚至种族清洗中，往往伴随着荒谬的人种理论蛊惑人 心、欺世惑众，作为这种残暴兽行的依据。例如希特勒的雅利安人种优越论，就曾 为纳粹屠杀犹太人的残暴罪行制造舆论。直到今天，许多国家的白种人中仍流行着 白种人优越于有色人种的论调。 然而，美国斯坦福大学的人类基因研究者卢卡・卡瓦利・斯福尔扎教授，通过 近50年的基因研究证实：“世界本是一个家庭”。人种之间的基因差异极小或者很 相似；而每个个人的基因差异要远比不同种族间的人的基因差异大得多。在近50年 的时间中，卡瓦利・斯福尔扎和同事搜集了近2000个部族的人种的血样、毛发，从 中提取细胞基因作描图分析。 通过对众多种族的基因描图分析和血液中白细胞表面抗原、抗体和其他蛋白质 （它们都是个体基因组成的遗传标记）的分析归纳，卡瓦利・斯福尔扎得出了种族 之间基因差异很小的结论，甚至揭示了一些人种之间的亲缘关系。例如，澳大利亚 土著人和非洲撒哈拉沙漠以南的非洲人在身体形状和肤色等方面很相似，过去人们 曾认为，他们有着较亲密的血缘关系，但基因研究表明，他们的血级相距最远。澳 大利亚土著人和他们的近邻东南亚人有着更近的血缘关系。欧洲人和非洲人在外表 上的区别，只是他们各自在迁移后适应当地气候的结果。 多少年来，欧洲人凭借自己在殖民时代几乎征服了全世界的事实认为，白人比 所有的人种都优越。然而，卡瓦利・斯福尔扎的基因研究对这一理论做出了否定。 研究证明，欧洲白种人的基因65％来自于亚洲人， 35％来自于非洲人，是亚非人种的杂交种族。因此，欧洲白种人就是亚非人。 在白种人和亚非人的血管里流淌着相同的血液。 卡瓦利・斯福尔扎的基因研究还证明，非洲是人类的出生地和全球移民的出发 点。导致今天的非洲人和其他人种的差异的原因是久远的年代的不同生活导致了人 们基因的变异。这与上述人类的共同母亲源自非洲是殊途同归的结论。 四追溯疾病的起源 无论多么凶险难治的疾病，只要找到了病因，就为征服这种疾病奠定了基础。 而追溯疾病的根源则是查找病因的有效方法之一。基因研究能够有效地寻找到疾病、 特别是遗传疾病的根源。 1495年9月的一天， 在法国加莱海峡边的威尔瑞埃夫罗伊镇附近的一个风景秀 丽的小村庄里，教堂响起了哀婉凄凉的钟声。村子里的人们聚集到教堂为一对名叫 杰夫里和玛丽的老人举行葬礼。然而人们不会想到，斯人去矣，可他们却给后人遗 留下一种遗传病的致病基因。 漫长的岁月过去了。 1991年5月，法国国立人口统计研究所的研究人员安德列 ・查文特里应巴黎精神病医院的埃弗里教授之邀，共同研究调查躁狂抑郁型精神病 患者的发病情况。 两人合作研究后不久发现，DNA某一基因片段不仅涉及精神病， 而且与青光眼和糖尿病有关。有精神病的家庭成员中患糖尿病和青光眼的人也比普 通人多。在调查中研究人员发现了一大家族遗传系特别引人注目，可以上溯到15世 纪，其祖先就是杰夫里和玛丽夫妇。研究人员直到了这个家庭记录在教堂的家庭遗 传系，即族谱，又通过基因描图分析，在眼科专家的协作下，证明了杰夫里夫妇患 有青光眼，并把青光眼的致病基因遗传了下来。他们的后代在漫长的几个世纪中有 100多人患有青光眼， 另外有几千人携带有青光眼的致病基因，但未表现出症状。 最后，研究人员通过基因分析确定了青光眼在染色体上的位点。这为将来防治青光 眼打下了基础。 五了解民族和疾病的差异 基因研究如今在揭示民族差异和疾病的异同方面扮演着越来越重要的角色。当 人们从历史、居住地、语言等方面难以确定一个民族时，基因研究就成为一个重要 的判断依据。 过去人类学家认为，南非的克瓦桑族可能是人类最古老的种族之一，因为在他 们的语言中有倒吸气的语音，这使得语言学家认为他们是人类最原始的祖先的直接 后裔。但美国斯坦福大学的基因研究表明，克瓦桑族是非常古老的西亚人与非洲人 的混血种族，他们的融合地点是埃塞俄比亚和中东、这说明克瓦桑族人并非是人类 最古老的种族之一。 美国斯坦福大学的学者对美洲土著人的基因分析还表明，三类土著人有着不同 的基因， 而且其语言也有区别。在南北美洲占统治地位的印第安人只有O型血（血 型可作为基因分类的一种标志） ； 住在阿拉斯加和美国西南部的土著人（讲Na－ den语） 大部分是O型血，但也有A型血；阿拉斯加和加拿大的因纽特人，同世界其 他地区的人们一样，具有A、B、O、AB这4种血型。这可以说明他们是不同时期到美 洲定居的亚洲人。 同样，对于难于辨别起源和种族的人群，例如印度洋。马来半岛和菲律宾的短 小黑人，将来也可通过基因分析了解其来源并归入相应的民族。 基因和基因组计划在帮助了解人类疾病的同一性和差异性方面也有重大贡献。 上文所述的追溯遗传病的起源可以看作是疾病的同一性，而致病基因的差异则造成 了千差万别的疾病和易感染某一疾病的不同人群。例如，蒙古族很少患腥红热；地 中海贫血在中国云南的傣族和景颇族中发病率最高， 约5．51％；中国人鼻咽癌发 病率较高；欧美人多患囊性纤维变性。除了发病的客观环境外，上述疾病（包括许 多疾病）都可以在不同民族的基因位点上找到差异，即病因，这就为将来的临床诊 断和治疗奠定了基础。（张田勤） 克隆――生命的产生有了不同的可能性 “克隆”是从英文“Chlone”音译而来是无性繁殖的意思。在生物学领域有了 个不同层次的含义。 1．DNA克隆也叫分子克隆，其含义是将某一特定DNA片段通过重组DNA技术插入 到一个载体（如质粒和病毒等）中，然后在宿主细胞中进行自我复制所得到的大量 完全相同的该DNA片段的“群体”。 2．细胞克隆是指由一个单一的共同祖先细胞分裂所形成的一个细胞群体。 例 如，使一个单一细胞在体外的培养液中分裂若干代所形成的一个遗传背景完全相同 的细胞集体即为一个细胞克隆。又如，在脊椎动物体内，当有外源物（如细菌或病 毒）侵入时，会通过免疫反应产生特异的识别抗体。产生某一特定抗体的所有浆细 胞都是由同一个B细胞分裂而来，这样的一个浆细胞群体也是一个细胞克隆。 3．个体克隆是指基因完全相同的两个或更多的个体组成的一个群体。 例如， 两个同卵双胞胎即为一个克隆！因为他／她们来自同一个受精卵细胞，遗传背景完 全一样；通过细胞核移植所得到的一个遗传背景完全相同的动物或植物也是一个克 隆，如1998年英国科学家将小鼠卵丘细胞的细胞核移植到去除了细胞核的卵母细胞 中后，得到了20多只发育完全的小鼠，这些小鼠群体就是一个克隆，又如从一棵胡 萝卜中的两个以上体细胞发育而成的胡萝卜群体也是一个克隆，因为它们的遗传背 景完全相同。而为大家所熟悉的、同是英国科学家将关于“克隆”最广为人知的是 英国科学家维尔穆特领导的小组，运用克隆技术，于1997年成功地“复制”出的第 一只绵羊“多利”。 伊恩・维尔穆特博士是英国爱丁堡罗斯林研究所的胚胎学家。他1945年生于英 格兰中部城市沃里克附近的汉普顿・露塞的地方，曾就读于诺丁汉大学，导师是世 界著名生殖学专家埃里克・拉明。毕业后他进人了胚胎学领域，一直从事动物的基 因技术研究。1971年，他去剑桥大学达尔文学院深造，二年后获得博士学位，他的 博士论文题目是《关于猪精液的冷冻技术》。毕业后，赴苏格兰的爱丁堡市罗斯林 动物繁殖研究所。该所是由政府和爱丁堡药物蛋白质有限公司共同资助的独立的动 物研究机构，以后该机构逐渐演变为罗斯林研究院。 20多年来维尔穆特博士一直在从事于生殖科学研究。1973年就用冷冻胚胎培育 出第一头小牛。 一头母牛一生能够产下的小牛一般为5到10头。通过把取自肉质和 奶质最好的母牛的胚胎冷冻起来，在解冻以后植入其他母牛的体内，维尔穆特博士 使养牛的农民能够大大提高牛的质量。 1986年，维尔穆特博士在爱尔兰参加一次会议期间，在酒吧偶然听到人们在谈 论某位科学家利用已经发育的胚胎培育出了一头羊，这使他确信有可能克隆大型家 畜。 终于，维尔穆特博士率领了由12名科学家组成的小组，完成了一项令世人注目 的科研项目。 哺乳类一般都是有性繁殖。哺乳类的卵细胞最先是由卵巢中的卵原细胞发生而 来的。卵原细胞具有双倍的遗传物质，即为二倍体细胞。它经过数次分裂，最终成 为单倍体（只含体细胞一半的染色体）的成熟卵细胞。但是，这种卵细胞还不可能 发育成为一个新个体的，它必须受精（与含有同样只有单倍染色体的精子结合）， 重新成为双倍体的受精卵，才能继续发育下去，形成一个新生命。 “克隆绵羊”的培育与克隆其他哺乳动物的培育过程是同样的，首先要取得成 熟的卵细胞。当今，科学家们采用了“超数排卵技术”，给成年母羊注射孕马血清 促性腺激素及人绒毛膜促性晚激素。这样在它们的卵巢中一次使会有更多的卵成熟 与排放。当排卵时，工作人员可通过手术或腹腔镜取出这种成熟的卵细胞备用。 卵细胞由细胞核及细胞质两部分组成。 卵细胞很小，一般只在80一100微米之 间。科学工作者在操作时，必须靠一种注射仪的帮助，在放大几十倍的条件下，用 特制的极细玻璃管制入卵内，将卵细胞核吸出。该卵便成为一个无核细胞了（卵已 无核遗传物质）。然后进行“核移植”，一般用于核移植的细胞核多为胚胎分裂球 的细胞核（分裂球的每个细胞核本来就具有分裂和增殖的能力）。但是，用这种细 胞（或称胚胎）分离切割所得到的个体并不能称为“克隆个体”。 为什么呢？一是因为“多利”用的不是胚胎细胞的细胞核，它用的是“体细胞 （乳腺细胞）的细胞核，进行核移植，而分裂并发育成新的个体。按照发育生物学 的观点，成年体细胞是一种“定向”了的，一定程序上分化了的细胞，即这种细胞 性质已经定型，是哪种类型的细胞或组织就是哪种类型的细胞或组织，正如乳腺细 胞只能发育成乳腺组织一样，不可能“再回头”，重新获得“全能性”。可是“多 利”的体细胞即使“方向已明”，在一定条件下，仍然具有“全能性”。 二是由于移入卵内的是体细胞，不仅含有双倍的染色体，而且由此产生的后代 细胞的染色体是该体细胞的遗传拷贝，因而由此发育而成的个体的遗传性质与核供 体的亲本是一致的。 这里概括地说一下“多利” 出世的过程：从产于芬兰的一只6岁的塞特母羊的 乳腺中提取一块本身没有繁殖功能的普通细胞组织， 在特殊条件下培养6天，使这 些细胞的细胞核进入休眠期；通过显微操作的方法将一个未受精的卵子的遗传物质 去除；通过细胞融合将乳腺细胞的细胞核导人到去除细胞核的卵子中，形成重组胚； 将重组胚移到合适的供体绵羊的输卵管中，经过几天的体内发育，从输卵管中取出 发育良好的胚胎，再移植到合适的受体母羊的子宫中，最后由它产下羊羔。 我们从“多利”的产生过程可见它是未经过精子与卵细胞结合的受精过程，属 于无性繁殖，因此称之为“克隆绵羊”。“多利”这个美妙的名字是维尔穆特借用 了他所喜欢的乡村歌手多利・帕顿的名字。 生活中应用无性繁殖的植物、动物是很多的，比如植物的纤插、嫁接、块茎繁 殖长出的后代也都是克隆。 在自然条件下，由于许多植物本身就适宜进行无性繁殖，因此它们很容易克隆。 在动物中，这种无性繁殖方式多见于无脊椎动物，比如原生动物的分裂生殖等等。 但是，对于高等动物，出于在自然状态下它们一般只能进行有性繁殖，如果要使它 们进行无性繁殖，科学工作者必须经过一系列复杂的操作程序。 目前克隆哺乳动物的方法由简单到复杂有以下几种： （1）胚胎分割。 胚胎分割在很多国家都认为是“克隆”，但这并不是严格意义上的克隆。将未 着床的早期胚胎用显微手术的方法一分为二，一分为四或更多次地分割后，分别移 植给受体体内让其妊娠产仔。由一枚胚胎可以克隆为两个以上的后代，遗传性能完 全一样。目前用胚胎分割法已克隆出小鼠、家兔。山羊、绵羊、猪、牛和马等。 （2）胚胎细胞核移植。 胚胎细胞核移植技术要比胚胎分割技术进了一步。它是用显微手术的方法分离 来着床的早期胚胎细胞，将其单个细胞导入去除染色体的未受精的成熟的卵母细胞， 经过电融合，让该卵母细胞质和导人的胚胎细胞核融合、分裂、发育为胚胎。把该 胚胎移植给受体，让其妊娠产仔。目前知道的胚胎细胞核移植克隆的动物有小鼠、 兔、山羊、绵羊、猪。牛和猴子等。 （3）胚胎干细胞核移植。 将胚胎或胎儿原始生殖细胞经过抑制分化培养，让其细胞数成倍增多，但细胞 不分化，每个细胞仍具有发育成一个体的能力。把该单个细胞利用以上核移植技术， 将其导入除去染色体的成熟的卵母细胞内克隆胚胎，经移植至受体，妊娠、产仔、 产生克隆动物。 （4）胚胎嵌合。 把两枚胚胎细胞（同种或异种动物胚胎）嵌合，共同发育成为一个胚胎，称为 嵌合胚胎。再将该胚胎移植给受体，妊娠产仔。如该仔畜具有以上两种动物胚胎的 细胞则称之为嵌合体动物。如同类黑鼠和白鼠胚胎细胞嵌合，生下黑白相间的花小 鼠。不同种的绵羊和山羊胚胎细胞嵌合，可生下绵山羊，既有绵羊的特征，又有山 羊的特征。目前嵌合体动物有小鼠、大鼠、绵羊、山羊、猪和牛等；种间嵌合体动 物有大鼠一小鼠嵌合体，绵羊一山羊嵌合体、马一斑马嵌合体，牛一水牛嵌合体。 （5）体细胞核移植。 把动物体细胞经过抑制培养，使细胞处于休眠状态。采用以上核移植的方法， 将其导人去除染色体的成熟的卵母细胞克隆胚胎，经移植受体，妊娠产仔，克隆出 动物。比如克隆绵羊“多利”。它是从一只成年母绵羊的乳腺中取出一个本身并没 有繁殖功能的普通细胞，将这个细胞的基因分离出来备用；然后，再取出另一只母 绵羊的未受精的卵细胞，将这个卵细胞的基因取出，换上第一只母绵羊乳腺细胞的 基因，再将这个基因已被“调包”的卵细胞放电激活，使其开始像正常的受精卵那 样进行细胞分裂；当细胞分裂进行一定连阶段、胚胎已经形成后，再将这个胚胎植 到第三只母绵羊，经过正常的妊娠后产下“多利”。这项技术目前仅此一家获得成 功。 克隆绵羊的诞生是生物工程技术发展史上的一个里程碑。它标志着生物学世纪 提前到来。克隆绵羊“多利”的问世突破了利用胚胎细胞进行细胞核移植的传统方 式，可以使科学家们拥有一项新的非常有效的技术，来深入研究一系列重要的生物 学问题，在理论上和应用上都具有重大意义。（赵学漱） 基因工程――改造生命的创举 基因工程是人工进行基因切割、重组、转移和表达的技术，是在分子水平上对 生物遗传作人为干预。 1973年，美国斯坦福大学教授科恩从大肠杆菌里取出两种不同的质料。它们各 自具有一个抗菌素药基因，“裁剪”下来，再把两个基因“裁剪”下来，再把这两 个基因“拼接”在同一个质粒中。新的质粒叫“杂合质粒”。当这种杂合质粒进入 大肠杆菌体内后，这些大肠杆菌就能抵抗两种药物，而且这种大肠杆菌的后代都具 有双重抗药性。这表示“杂合质料”在大肠杆菌的细胞分裂时也能自我复制。它标 志着基因工程的首次胜利。1974年，科恩又把金黄色葡萄球菌的质球（上面具有抗 青霉素的基因）和大肠杆菌的质粒“组装”成杂合质粒，送入大肠杆菌体内，使这 种大肠杆菌获得了对青霉素的抗药性。这说明，金黄色葡萄球菌质粒上的抗青霉素 基因，由杂合质粒带到大杆菌体内，更重要的是表明外来基因在大肠杆菌体内同样 也发生作用（专业上称为表达）。 科思又将非洲爪赠的DNA与大肠杆菌的质粒“拼接” ，获得成功，拼接后的杂 合质粒进入大肠杆菌， 产生了非洲爪赠的核糖体核糖核酸（币W人。两栖动物的基 因能在细菌里发挥作用，也能在细菌里不断复制的事实说明，基因工程完全可以不 受生物种类的限制，而按照人类的意愿去拼接基因，创造新的生物。 科恩随后以DNAlifl技术发明人的身份向美国专利局申报了世界上第一个基因 工程的技术专利。科恩的实验首次打破了不同物种在亿万年中形成的天然屏障，他 的成功标志着任何不同种类生物学基因都能通过基因工程技术重组到一起，人类可 以根据自己的意愿定向地改造生物的遗传特性，甚至创造新的生命类型。科恩获得 专利技术的消息引起了全球轰动，在短短几年中，世界上许多国家的上百个实验室 开展了基因工程的研究。 随着科思及其同事利用重组DNA技术从哺乳动物基因组中切割了一个基因， 植 入大肠杆菌获得成功后。投资家鲍勃・斯旺森说服博耶成立遗传技术公司――世界 上第一家利用重组DNA技术制造蛋白质用于治疗人体疾病的公司， 它于20世纪70年 代在美国诞生，生物工程从此步入产业化。 基因工程一般包括四个方面的基本内容：一是取得符合人们的要求的DNA片段， 这种DNA片段被为“目的基因” ；二是将目的基因与质粒或病毒DNA连接成重组DNA （质粒和病毒DNA称作载体）；三是把重组DNA引入某种细胞（称为受体细胞）；四 是把目的基因能表达的受体细胞挑选出来。 DNA分子很小，其直径只有20埃，约相 当于五百万分之一厘米，在它们身上进行“手术”是非常困难的，因此基因工程实 际上是一种“超级显微工程”，对――的切割、缝合与转运，必须有特殊的工具。 首先， 要把所需基因――目的基因从供体DNA长链中准确地剪切下来。1968年，沃 纳・阿尔伯博士、丹尼尔・内森斯博士和汉密尔・史密斯博士第一次从大肠杆菌中 提取出了限制性内切酶能够在DNA上寻找特定的“切点”，认准后将DNA分子的双链 交错地切断。人们把这种限制性内切酶称为“分子剪刀”。这种“分子剪刀”可以 完整地切下个别基因。自70年代以来，人们已经分离提取了400多种“分子剪刀”， 其中许多“分子剪刀”的特定识别切点已被弄清。有了形形色色的“分子剪刀”， 人们就可以随心所欲地进行DNA分子长链的切割了。 由于限制性内切酶的发现，阿 尔伯、史密斯和内森斯共享1978年诺贝尔生理和医学奖。 DNA的分子链切开后，还得缝接起来以完成基因的拼接。1976年，科学家们在5 个实验室里几乎同时发现并提取出一种酶， 这种酶可以将两个DNA片段连接起来， 修复好DNA铁的断裂口。 1974年以后，科学界正式肯定了这一发现，并把这种酶叫 做DNA连接酶。从此，DNA连接酶就成了名副其实的“缝合”基因的“分子针线”。 只要在用同一种“分子剪刀” 剪切的两种DNA碎片中加上“分子针线”，就会把两 种DNA片段重新连接起来。 把“拼接” 好的DNA分子运送到受体细胞中去，必须寻找一种分子小、能自由 进出细胞，而且在装载了外来的的管DNA片段后仍能照样复制的运载体。 基因的理想运载工具是病毒和噬菌体，病毒不仅在同种生物之间，甚至可以在 人和兔培养细菌细胞转移。还有一种理想的载体是质粒。质粒能自由进出细菌细胞， 当用“分子剪刀” 把它切开，再给它安装上一段外来的DNA片段后，它依然如故地 能自我复制。因此，它是一种理想的运载体。有了限制性内切酶、连接酶及运载体， 进行基因工程就可以如愿以偿了。 把目的基因装在运载体上，运载体将目的基因运到受体细胞是基因工程的最后 一步。一般情况下，转化成功率为百万分之一。为此，遗传工程师们创造了低温条 件下用氯化钙处理受体细胞和增加重组DNA浓度的办法来提高转化率。 采用氯化钙 处理后， 能增大体细胞的细胞壁透性，从而使杂种DNA分子更容易进入。目的基因 的导人过程是肉眼看不到的。因此，要知道导人是否成功，事先应找到特定的标志。 例如我们用一种经过改造的抗四环素质粒PSC 100作载体， 将一种基因移入自身无 抗性的大肠杆菌时，如果基因移入后大肠杆菌不能被四环素杀死，就说明转入获得 成功了。 ------------ 图书在线制作