基因的本质

第1节　基因的本质

1865年Mendel提出遗传因子的概念后，三大遗传规律逐步被确立，但以后数十年人们一直不清楚遗传物质究竟是什么。

（一）DNA是遗传物质

1928年Griffith等进行了肺炎球菌的转化（transformation）实验。1944年Avery等成功地重复了Griffith等的实验，并证明了使肺炎球菌的遗传性状发生改变的转化因子（transfor－ming factor）是DNA，而不是蛋白质。这一发现在遗传学理论上建立了一种全新的观点——DNA是遗传信息的载体。1952年Hershey和Chase等利用大肠杆菌噬菌体的捣碎实验进一步确证了DNA是遗传物质。Hershey等因这一伟大发现于1969年获得诺贝尔生理学与医学奖。

然而，如果DNA是最初的遗传物质，那么由于DNA复制需要酶，而酶是蛋白质，蛋白质又是由DNA的核苷酸序列编码的，这就成了一个鸡生蛋、蛋生鸡的问题。20世纪80年代科学家发现了RNA拟酶，这个问题才得到解决。

（二）RNA也是遗传物质

目前所有已知的有机体和许多病毒的遗传物质都是DNA。但有些病毒也采用RNA作为遗传物质。尽管RNA的化学结构与DNA不同，它仍可发挥与DNA相同的功能。

已知生物体内有12种RNA，其中催化RNA是RNA拟酶和其他RNA自我催化分子。RNA拟酶集遗传信息传递作用和酶学催化作用于一体，很可能是最初的遗传物质，这一观点已被科学界广泛接受。

（三）蛋白质可作为遗传物质吗

任何物种的延续都必须依靠DNA和RNA，蛋白质不能作为遗传物质，早已成为定论。然而，美国学者Prusiner通过对朊病毒及其引起的疾病的研究，发现朊病毒是一类没有DNA和RNA，主要由朊病毒蛋白组成的、小得连电子显微镜也看不到的生命体。朊病毒广泛存在于人类和周围的生物体内，具有较强的传染性，可以引发多种致死性神经系统疾病。Prusiner的发现无疑对基因理论和中心法则提出了挑战，同时提示我们：20世纪的遗传学理论是伟大的，但并没有发展到顶峰，它在21世纪必将得到进一步发展。

（四）DNA的结构

1953年，美国科学家Watson和英国科学家Crick提出了著名的DNA双螺旋结构模型，随后这一模型被Wilkins通过X射线衍射研究证实，次年Crick提出关于遗传信息传递规律的中心法则，在遗传学发展史上矗立起一座不朽的丰碑，标志着遗传学从此进入了分子水平。由于他们的杰出贡献，三人于1962年共同分享了诺贝尔生理学与医学奖。后来研究人员又发现了另一类在遗传信息的传递中起重要作用的核酸——RNA。随后对核酸的研究日新月异，由此产生的分子生物学和基因工程技术渗透到医药学、农业、化工等领域的各个学科，使人类对生命本质的认识进入了一个崭新的天地。

1.核酸的化学组成

核酸是生物体内的高分子化合物，包括脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）两大类。

核酸结构的基本单位是核苷酸（nucleic acid），每个核苷酸由一个磷酸、一个五碳糖和一个碱基三部分组成。DNA中的脱氧核糖核苷酸由四种碱基即腺嘌呤（adenine，A）、鸟嘌呤（guanine，G）、胞嘧啶（cytosine，C）和胸腺嘧啶（thymine，T），以及脱氧核糖（deoxyribose）和磷酸构成。RNA分子中的核糖核苷酸由碱基A、G、C和尿嘧啶（uracil，U），以及核糖（ribose）和磷酸构成。

图3－1　DNA双螺旋结构及碱基配对示意图

（a）部分DNA多核苷酸链，示邻近脱氧核苷酸由3′－5′磷酸二酯键连接 （b）DNA互补的两条链 （c）DNA双螺旋模型

2.DNA的分子结构

DNA分子是由四种脱氧核苷酸经3′→5′磷酸二酯键聚合而成，所以也称为多核苷酸（polynucleotide）。DNA的一级结构是指四种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序。1953年Watson和Crick提出了DNA分子双螺旋结构模型（图3－1），其要点是：在DNA分子中，两条DNA链围绕假想的同一中心轴构成右手双螺旋结构，双螺旋的螺距为3.4nm，直径为2.0nm；双链的骨架由交替出现的脱氧核糖和磷酸构成；双螺旋中的两条链呈反向平行排列（antiparallel），一条从5′→3′，另一条从3′→5′，彼此由氢键相连，G与C配对（G≡C），A与T配对（A＝T）。