分子遺傳學(xué)
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分子遺傳學(xué)是在分子水平上研究生物遺傳和變異機(jī)制的遺傳學(xué)分支學(xué)科。經(jīng)典遺傳學(xué)的研究課題主要是基因在親代和子代之間的傳遞問題；分子遺傳學(xué)則主要研究基因的本質(zhì)、基因的功能以及基因的變化等問題。分子遺傳學(xué)的早期研究都用微生物為材料，它的形成和發(fā)展與微生物遺傳學(xué)和生物化學(xué)有密切關(guān)系。
目錄 |
發(fā)展簡(jiǎn)史
1944年，美國(guó)學(xué)者埃弗里等首先在肺炎雙球菌中證實(shí)了轉(zhuǎn)化因子是脫氧核糖核酸(DNA)，從而闡明了
遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。1953年，美國(guó)分子遺傳學(xué)家沃森和英國(guó)分子生物學(xué)家克里克提出了DNA分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型，這一發(fā)現(xiàn)常被認(rèn)為是分子遺傳學(xué)的真正開端。
1955年，美國(guó)分子生物學(xué)家本澤用基因重組分析方法，研究大腸桿菌的T4噬菌體中的基因精細(xì)結(jié)構(gòu)，其剖析重組的精細(xì)程度達(dá)到DNA多核苷酸鏈上相隔僅三個(gè)核苷酸的水平。這一工作在概念上溝通了分子遺傳學(xué)和經(jīng)典遺傳學(xué)。
關(guān)于基因突變方面，早在1927年馬勒和1928年斯塔德勒就用 X射線等誘發(fā)了果蠅和玉米的基因突變，但是在此后一段時(shí)間中對(duì)基因突變機(jī)制的研究進(jìn)展很慢，直到以微生物為材料廣泛開展突變機(jī)制研究和提出DNA分子雙螺旋模型以后才取得顯著成果。例如堿基置換理論便是在T4噬菌體的誘變研究中提出的，它的根據(jù)便是DNA復(fù)制中的堿基配對(duì)原理。
美國(guó)遺傳學(xué)家比德爾和美國(guó)生物化學(xué)家塔特姆根據(jù)對(duì)粗糙脈孢菌的營(yíng)養(yǎng)缺陷型的研究，在40年代初提出了一個(gè)基因一種酶假設(shè)，它溝通了遺傳學(xué)中對(duì)基因的功能的研究和生物化學(xué)中對(duì)蛋白質(zhì)生物合成的研究。
按照一個(gè)基因一種酶假設(shè)，蛋白質(zhì)生物合成的中心問題是蛋白質(zhì)分子中氨基酸排列順序的信息究竟以什么形式儲(chǔ)存在DNA分子結(jié)構(gòu)中，這些信息又通過什么過程從DNA向蛋白質(zhì)分子轉(zhuǎn)移。前一問題是遺傳密碼問題，后—問題是蛋白質(zhì)生物合成問題，這又涉及轉(zhuǎn)錄和翻譯、信使核糖核酸(mRNA)、轉(zhuǎn)移核糖核酸(tRNA)和核糖體的結(jié)構(gòu)與功能的研究。這些分子遺傳學(xué)的基本概念都是在20世紀(jì)50年代后期和60年代前期形成的。
分子遺傳學(xué)的另一重要概念——基因調(diào)控在1960～1961年由法國(guó)遺傳學(xué)家莫諾和雅各布提出。他們根據(jù)在大腸桿菌和噬菌體中的研究結(jié)果提出乳糖操縱子模型。接著在1964年，又由美國(guó)微生物和分子遺傳學(xué)家亞諾夫斯基和英國(guó)分子遺傳學(xué)家布倫納等，分別證實(shí)了基因的核苷酸順序和它所編碼的蛋白質(zhì)分子的氨基酸順序之間存在著排列上的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而充分證實(shí)了一個(gè)基因一種酶假設(shè)。此后真核生物的分子遺傳學(xué)研究逐漸開展起來。
主要內(nèi)容
用遺傳學(xué)方法可以得到一系列使某一種生命活動(dòng)不能完成的突變型，例如不能合成某一種氨基酸的突
變型、不能進(jìn)行DNA復(fù)制的突變型、不能進(jìn)行細(xì)胞分裂的突變型、不能完成某些發(fā)育過程的突變型、不能表現(xiàn)某種趨化行為的突變型等。不過許多這類突變型常是致死的，所以各種條件致死突變型，特別是溫度敏感突變型常是分子遺傳學(xué)研究的重要材料。
在得到一系列突變型以后，就可以對(duì)它們進(jìn)行遺傳學(xué)分析，了解這些突變型代表幾個(gè)基因，各個(gè)基因在染色體上的位置，這就需要應(yīng)用互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)，包括基因精細(xì)結(jié)構(gòu)分析等手段。
抽提、分離、純化和測(cè)定等都是分子遺傳學(xué)中的常用方法。在對(duì)生物大分子和細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)的研究中還經(jīng)常應(yīng)用電子顯微鏡技術(shù)。對(duì)于分子遺傳學(xué)研究特別有用的技術(shù)是順序分析、分子雜交和重組DNA技術(shù)。
核酸和蛋白質(zhì)是具有特異性結(jié)構(gòu)的生物大分子，它們的生物學(xué)活性決定于它們的結(jié)構(gòu)單元的排列順序，因此常需要了解它們的這些順序。如果沒有這些順序分析，則基因DNA和它所編碼的蛋白質(zhì)的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系便無從確證；沒有核酸的順序分析，則插入順序或轉(zhuǎn)座子兩端的反向重復(fù)序列的結(jié)構(gòu)和意義便無從認(rèn)識(shí)，重疊基因也難以發(fā)現(xiàn)。
分子遺傳學(xué)是從微生物遺傳學(xué)發(fā)展起來的。雖然分子遺傳學(xué)研究已逐漸轉(zhuǎn)向真核生物方面，但是以原核生物為材料的分子遺傳學(xué)研究還占很大的比重。此外，由于微生物便于培養(yǎng)，所以在分子遺傳學(xué)和重組DNA技術(shù)中，微生物遺傳學(xué)的研究仍將占有重要的位置。
分子遺傳學(xué)方法還可以用來研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。例如可以篩選得到一系列使某一蛋白質(zhì)失去某一活性的突變型。應(yīng)用基因精細(xì)結(jié)構(gòu)分析可以測(cè)定這些突變位點(diǎn)在基因中的位置；另外通過順序分析可以測(cè)定各個(gè)突變型中氨基酸的替代，從而判斷蛋白質(zhì)的哪一部分和特定的功能有關(guān)，以及什么氨基酸的替代影響這一功能等等。
生物進(jìn)化的研究過去著眼于形態(tài)方面的演化，以后又逐漸注意到代謝功能方面的演變。自從分子遺傳學(xué)發(fā)展以來又注意到DNA的演變、蛋白質(zhì)的演變、遺傳密碼的演變以及遺傳機(jī)構(gòu)包括核糖體和tRNA等的演變。通過這些方面的研究，對(duì)于生物進(jìn)化過程將會(huì)有更加本質(zhì)性的了解。
分子遺傳學(xué)也已經(jīng)滲入到以個(gè)體為對(duì)象的生理學(xué)研究領(lǐng)域中去，特別是對(duì)免疫機(jī)制和激素的作用機(jī)制的研究。隨著克隆選擇學(xué)說的提出，目前已經(jīng)確認(rèn)動(dòng)物體的每一個(gè)產(chǎn)生抗體的細(xì)胞只能產(chǎn)生一種或者少數(shù)幾種抗體，而且已經(jīng)證明這些細(xì)胞具有不同的基因型。這些基因型的鑒定和來源的探討，以及免疫反應(yīng)過程中特定克隆的選擇和擴(kuò)增機(jī)制等既是免疫遺傳學(xué)也是分子遺傳學(xué)研究的課題。
將雌性激素注射雄雞，可以促使雄雞的肝臟細(xì)胞合成卵黃蛋白。這一事實(shí)說明雄雞和雌雞一樣，在肝臟細(xì)胞中具有卵黃蛋白的結(jié)構(gòu)基因，激素的作用只在于激活這些結(jié)構(gòu)基因。
激素作用機(jī)制的研究也屬于分子遺傳學(xué)范疇，屬于基因調(diào)控的研究。個(gè)體發(fā)生過程中一般并沒有基因型的變化，所以發(fā)生問題主要是基因調(diào)控問題，也屬于分子遺傳學(xué)研究范疇。
分子遺傳學(xué)研究的方法，特別是重組DNA技術(shù)已經(jīng)成為許多遺傳學(xué)分支學(xué)科的重要研究方法。分子遺傳學(xué)也已經(jīng)滲入到許多生物學(xué)分支學(xué)科中，以分子遺傳學(xué)為基礎(chǔ)的遺傳工程則正在發(fā)展成為一個(gè)興的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?！ ?/p>
研究方法
遺傳學(xué)方法
用遺傳學(xué)方法可以得到一系列使某一種生命活動(dòng)不能完成的突變型，例如不能合成某一種氨基酸的突
變型、不能進(jìn)行 DNA復(fù)制的突變型、不能進(jìn)行細(xì)胞分裂的突變型、不能完成某些發(fā)育過程的突變型、不能表現(xiàn)某種趨化行為的突變型等。正象40年代中在粗糙脈孢菌中利用不能合成某種氨基酸的突變型來研究這一種氨基酸的生物合成途徑一樣，也可以利用上述種種突變型來研究 DNA復(fù)制、細(xì)胞分裂、發(fā)生過程和趨化行為等。不過許多這類突變型常是致死的，所以各種條件致死突變型特別是溫度敏感突變型常是分子遺傳學(xué)研究的重要材料。
在得到一系列突變型以后，就可以對(duì)它們進(jìn)行遺傳學(xué)分析,了解這些突變型代表幾個(gè)基因,各個(gè)基因在染色體上的位置，這就需要應(yīng)用互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)（見互補(bǔ)作用、基因定位），包括基因精細(xì)結(jié)構(gòu)分析等手段?！ ?/p>
生物化學(xué)方法
抽提、分離、純化和測(cè)定等都是分子遺傳學(xué)中的常用方法。在對(duì)生物大分子和細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)的研究中還經(jīng)常應(yīng)用電子顯微鏡技術(shù)。對(duì)于分子遺傳學(xué)研究特別有用的技術(shù)是順序分析、分子雜交和重組DNA技術(shù)。核酸和蛋白質(zhì)是具有特異性結(jié)構(gòu)的生物大分子，它們的生物學(xué)活性決定于它們的結(jié)構(gòu)單元的排列順序，因此常需要了解它們的這些順序。如果沒有這些順序分析,則基因DNA和它所編碼的蛋白質(zhì)的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系便無從確證；沒有核酸的順序分析，則插入順序或轉(zhuǎn)座子兩端的反向重復(fù)序列的結(jié)構(gòu)和意義便無從認(rèn)識(shí)（見轉(zhuǎn)座因子），重疊基因（見基因）也難以發(fā)現(xiàn)。
DNA分子的兩個(gè)單鏈具有互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，DNA和通過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA之間也具有互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。凡具有互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的分子都可以形成雜種分子，測(cè)定雜種分子的形成的方法便是分子雜交方法。分子雜交方法可以用來對(duì)DNA和由DNA轉(zhuǎn)錄的RNA進(jìn)行鑒定和測(cè)量。它的應(yīng)用范圍很廣泛,例如用來測(cè)定兩種生物的DNA的總的相似程度,某一mRNA分子從DNA的哪一部分轉(zhuǎn)錄等。
重組DNA技術(shù)的主要工具是限制性核酸內(nèi)切酶和基因載體（質(zhì)粒和噬菌體）。通過限制性內(nèi)切酶和連接酶等的作用，可以把所要研究的基因和載體相連接并引進(jìn)細(xì)菌細(xì)胞，通過載體的復(fù)制和細(xì)菌的繁殖便可以取得這一基因DNA的大量純制品,如果這一基因得以在細(xì)菌中表達(dá)，還可以獲得這一基因所編碼的蛋白質(zhì)。這對(duì)于分子遺傳學(xué)研究是一種十分有用的方法。此外，在取得某一個(gè)基因以后，還可以在離體條件下通過化學(xué)或生物化學(xué)方法使它發(fā)生預(yù)定的結(jié)構(gòu)改變，然后再把突變基因引入適當(dāng)?shù)?a href="/w/%E5%AE%BF%E4%B8%BB" title="宿主">宿主細(xì)胞，這一方法有助于對(duì)特定基因的結(jié)構(gòu)和功能的研究。
和其他學(xué)科的關(guān)系 分子遺傳學(xué)是從微生物遺傳學(xué)發(fā)展起來的。雖然分子遺傳學(xué)研究已逐漸轉(zhuǎn)向真核生物方面，但是以原核生物為材料的分子遺傳學(xué)研究還占很大的比重。此外，由于微生物便于培養(yǎng)，所以在分子遺傳學(xué)和重組DNA技術(shù)中微生物遺傳學(xué)的研究仍將占有重要的位置。
分子遺傳學(xué)方法還可以用來研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。例如可以篩選得到一系列使某一蛋白質(zhì)失去某一活性的突變型。應(yīng)用基因精細(xì)結(jié)構(gòu)分析可以測(cè)定這些突變位點(diǎn)在基因中的位置；另外通過順序分析可以測(cè)定各個(gè)突變型中氨基酸的替代，從而判斷蛋白質(zhì)的哪一部分和特定的功能有關(guān)，以及什么氨基酸的替代影響這一功能等等。例如乳糖操縱子的調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物是一種既能和操縱基因 DNA結(jié)合又能和乳糖或其他誘導(dǎo)物結(jié)合的阻遏蛋白。分子遺傳學(xué)研究結(jié)果說明阻遏蛋白的氨基端的60個(gè)氨基酸和DNA的結(jié)合有關(guān),其余部分和誘導(dǎo)物的結(jié)合有關(guān)，而且還說明這一部分蛋白質(zhì)呈β片層結(jié)構(gòu)，片層結(jié)構(gòu)的頂端暴露部分最容易和誘導(dǎo)物相結(jié)合。麥芽糖結(jié)合蛋白的信號(hào)序列、λ噬菌體的阻遏蛋白等的結(jié)構(gòu)和功能問題也都曾用分子遺傳學(xué)方法進(jìn)行研究而取得有意義的結(jié)果。目前基因分離和DNA順序分析方法進(jìn)展迅速,而一些以微量存在的蛋白質(zhì)卻難以分離純化。在這種情況下，根據(jù)DNA 順序分析結(jié)果和遺傳密碼表便可以得知這一蛋白質(zhì)分子的氨基酸順序。
生物進(jìn)化的研究過去著眼于形態(tài)方面的演化，以后又逐漸注意到代謝功能方面的演變。自從分子遺傳學(xué)發(fā)展以來又注意到 DNA的演變、蛋白質(zhì)的演變、遺傳密碼的演變以及遺傳機(jī)構(gòu)包括核糖體和tRNA等的演變。通過這些方面的研究，對(duì)于生物進(jìn)化過程將會(huì)有更加本質(zhì)性的了解（見分子進(jìn)化）。
分子遺傳學(xué)也已經(jīng)滲入到以個(gè)體為對(duì)象的生理學(xué)研究領(lǐng)域中去，特別是對(duì)免疫機(jī)制和激素的作用機(jī)制的研究。隨著克隆選擇學(xué)說的提出，目前已經(jīng)確認(rèn)動(dòng)物體的每一個(gè)產(chǎn)生抗體的細(xì)胞只能產(chǎn)生一種或者少數(shù)幾種抗體，而且已經(jīng)證明這些細(xì)胞具有不同的基因型。這些基因型的鑒定和來源的探討，以及免疫反應(yīng)過程中特定克隆的選擇和擴(kuò)增機(jī)制等既是免疫遺傳學(xué)也是分子遺傳學(xué)研究的課題。
將雌性激素注射雄雞，可以促使雄雞的肝臟細(xì)胞合成卵黃蛋白。這一事實(shí)說明雄雞和雌雞一樣，在肝臟細(xì)胞中具有卵黃蛋白的結(jié)構(gòu)基因，激素的作用只在于激活這些結(jié)構(gòu)基因。激素作用機(jī)制的研究也屬于分子遺傳學(xué)范疇，屬于基因調(diào)控的研究。
個(gè)體發(fā)生過程中一般并沒有基因型的變化，所以發(fā)生問題主要是基因調(diào)控問題，也屬于分子遺傳學(xué)研究范疇。
分子遺傳學(xué)研究的方法,特別是重組DNA技術(shù)已經(jīng)成為許多遺傳學(xué)分支學(xué)科的重要研究方法。分子遺傳學(xué)也已經(jīng)滲入到許多生物學(xué)分支學(xué)科中。以分子遺傳學(xué)為基礎(chǔ)的遺傳工程則正在發(fā)展成為一個(gè)興的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。
參考書目
童克忠等譯：《基因的分子生物學(xué)》,科學(xué)出版社,北京，1981。（J.D.Watson, Molecular Genetics of the Gene.）
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