分子遗传学的传承与发展@

1 中国科学院研究生院！《基因工程原理》课补充教材之一 （2010年9月7日）

分子遗传学的传承与发展 吴乃虎(中国科学院遗传与发育生物研究所) 黄美娟(北京大学生命科学学院细胞遗传学系)

遗传学(genetics)这个名称，最初是由英国科学家贝特森( W.Bateson)于1906年根 据拉丁文延长(Latin genetikos)之意创造的。按照不同历史时期的学术水平和工作特点， 遗传学的研究进程大体上 可以划分为经典遗传学(classical gen etics)、生 化遗传学 (biochemical genetics )、分子遗传学 (molecular genetics)、基因工程学 (genetic engineering )、 基因组学(genomics、和表观遗传学(epigenetics)等数个既彼此相对独立，又前后互相交 融的不同发展阶段。 这当中，分子遗传学的地位无疑是相当重要的， 它起到了承上启下的作 用。因此讲清分子遗传学的传承与发展这一命题， 不仅对于学习与掌握分子遗传学的基本原 理是十分必要的，而且对于培养青年学子树立科学的唯物史观也是十分必要的。

1.经典遗传学 从1865年孟德尔《植物杂交实验》论文发表至 和染色体水平上研究生命有机体的遗传与变异的规律， 染色体遗传学(chromosomal genetics、阶段。为了与后继发展的分子遗传学相区别，如今人 们也习惯地称这一阶段的遗传学为经典遗传学或传统遗传学。 鉴于经典遗传学主要研究生命 有机体上下两个世代之间基因是如何传递的，故有时也称之为传递遗传学( tran smission

genetics)。 孟德尔通过豌豆杂交实验，为现代遗传学的诞生作出了划时代的杰出贡献。概括地说 主要有如下两大方面：

20世纪40年代初，遗传学主要从细胞 属于细胞遗传学(cytogenetics)或叫

第一,发现了两条遗传学的基本定律， 即遗传因子分离律和自由组合律。 孟德尔从1857

年到1864年，坚持以豌豆为材料进行植物杂交试验。他选择了 7对区别分明的性状作仔细

观察。例如，他用产生圆形种子的植株同产生皱形种子的植株杂交, 得到的几百粒杂交子 代的种子全是圆形的。第二年，他种了 253粒圆形杂交种子，并让它们自交，结果得到的 7324粒子二代种子中，有 5474粒是圆形的，1850粒是皱形的。用统计学方法计算得出, 2

圆皱比为3:1。据此孟德尔推导出遗传因子分离律。他还研究了具有两种彼此不同的对立性 状的2个豌豆品系之间的双因子杂交试验。他选用产生黄色圆形种子的豌豆品系同产生绿

色皱形种子的豌豆品系进行杂交， 所产生的杂种子一代种子， 全是黄色圆形的。但在自交产 生的子二代556粒种子中，不但出现了两种亲代类型，而且还出现了两种新的组合类型。

其中黄色圆形的 315粒，黄色皱形的121粒，绿色圆形的108粒，绿色皱形的 32粒。四 种类型比例近于 9:3:3:1。这就是所谓的孟德尔遗传因子的独立分配律。

第二，提出了遗传因子假说。为了解释豌豆杂交的遗传现象，孟德尔从生殖细胞着眼, 提出了遗传因子假说。他推想生物个体的所有性状都是由遗传因子控制的，这些因子从亲 本到子代，代代相传；遗传因子有显性和隐性之分， 决定一对相对性状的显性因子和隐性因 子，叫做等位因子(即现在所说的等位基因)；在体细胞中遗传因子是成对存在的，其中一个 来自父本，一个来自母本；在形成配子时，成对的遗传因子彼此分开，因此在性细胞中，它 们则是成单存在的；在杂交子一代细胞中，成对的遗传因子各自独立， 彼此保持纯一的状态;

由杂种形成的不同类型的配子数目相等 ；雌雄配子的结合是随机的，有同等的结合机会。

在孟德尔当时，学术界流行着一种"融合遗传” (ble nding in herita nee)观点，认为决定不同 亲本性状的遗传物质，在杂种后代彼此融合而逐渐消失。这好比把红颜料同蓝颜料混合之后, 会形成一种既不是红也不是蓝的紫颜色一样。 孟德尔冲破这种错误观点的束缚，提出了与“融 合遗传”相对立的“颗粒遗传"(Particulate inheritanee)思想。在大量实验事实的基础上， 通过 严格的统计学分析和缜密的逻辑推理， 证明遗传性状是由一种独立存在的颗粒性的遗传因子 决定的。 孟德尔的科学发现，为现代遗传学奠定了坚实的理论基础，后世人为纪念他的伟大的科 学贡献，称这些定律为孟德尔定律，并尊称孟德尔为现代遗传学的创始人。 3

美国著名的遗传学家摩尔根（ T.H.Morgan ）对基因学说的建立作出了卓越的贡献。他 以果蝇为材料进行遗传学研究。 1910年，摩尔根和他的助手 CBBridges、H.J.Muller及 A.H.Sturtevant，从红眼的果蝇群体中发现了 1只白眼的雄果蝇。因为正常的果蝇都是红眼

突变型。这些突变型跟正常的野生型果蝇，在诸多如翅长、体色、刚毛形状、复眼数目等性 状上都有差别。有了这些突变型，就能够更广泛地进行杂交实验， 也能更加深入地研究遗传 的机理。摩尔根将白眼雄果蝇同红眼雌果蝇交配所产生的子一代不论是雄的还是雌的, 例外地都是红眼果蝇。让这些子一代果蝇互相交配，所产生的子二代有红眼的也有白眼的, 但有趣的是所有的白眼果蝇都是雄性的。说明这个白眼性状与性别有联系。

为了解释这种现象，需要简单地了解果蝇的染色体。果蝇只有 有1对很小呈粒状，2对呈V形，另有1对呈棒状的特称为 XX

个J形的丫染色体取代，这一对叫做 XY染色体。 摩尔根当时就已经知道性染色体的存在。因此他推想，白眼这一隐性性状的基因（

是位于X染色体上，而在 丫染色体上没有它的等位基因。他让子一代红眼雌果蝇（ 跟亲本的白眼雄果蝇（wY）回交，结果产生的后代果蝇中有 1/4是红眼雌果蝇, 雄果蝇。这个实验说明，白眼隐性突变基因（ w）确实位于X染色体上。摩尔根称这种现象 为遗传性状的连锁定律。 摩尔根和他助手们的杰出工作，第一次将代表某一特定性状的基因同某一特定的染色体 联系了起来，创立了遗传的染色体理论并提出了遗传的连锁定律。 从此基因有了具体的物质 内涵。随后的遗传学家们又应用基因作图技术， 构建了基因的连锁图，进一步揭示了在染色

的，叫做野生型，所以称白眼果蝇为突变型。到了 1915年，他们一共找到了 85

种果蝇的

4对染色体。在雌果蝇中 染色体；在雄果蝇中，前 3

对同雌果蝇的完全一样，但没有 1对棒状的XX染色体，它是由 1个棒状的X

染色体和1 Ww

），

1/4是白眼 4

体分子上基因是按线性顺序排列的，从而使学术界普遍地接受了孟德尔遗传学原理。 经典遗传学的主要研究内容可概括为遗传的孟德尔定律(Mon delia n laws of inheritanee )、遗传的染色体理论( the chromosome theory of inheritanee )、遗传重组和作图 (gen etie reeomb in ati on and mapping) 以及重组的物理证据 (p hysieal evide nee for reeomb in ati

on)等四大方面。

2. 生化遗传学 摩尔根曾经正确地指出：“种质必须由某种独立的要素组成，正是这些要素我们叫做遗 传因子，或者更简单地叫做基因”。尽管由于摩尔根及其学派的广大科学工作者的努力，使 基因学说得到了学术界的普遍的承认， 然而当时人们对基因本质的认识还相当肤浅， 道基因与蛋白质及表型之间究竟存在着什么样的内在联系。虽然说早在 1909年，英国的医 生兼生物化学家加罗德(A.Garrod )就己指出，特定酶的表达是由野生型基因控制的假说。 而且这个假说在二十世纪 30年代，经过众多遗传学家的努力已经获得了很大的发展与充实。 遗憾的是，由于当时人们掌握的酶分子结构的知识相当贫乏， 没有认识到大部份基因的编码 产物都是蛋白质，也不知道是否所有的蛋白质都是由基因编码的。 在这样的知识背景下， 要 进一步研究分析基因与蛋白质之间的内在联系，显然是难以做到的。 值得庆幸的是到了二十世纪 40年代初期，孟德尔-摩尔根学派的遗传学家便已经清醒地 认识到，如果继续沿用经典遗传学的研究方法和实验体系， 是难以有效地揭示基因控制蛋白 质合成及表型特征的遗传机理。因此他们便广泛地转而使用诸如红色面包霉( Neuros pora

erassa)和肺炎链球菌(Streptococcus pneumpniae)等微生物为研究材料，并着力从生物化 学的角度，探索基因与蛋白质及表型之间内在联系的分子本质。 所以人们称这个阶段的遗传 学为生化遗传学(biochemical gen eties)，或微生物遗传学( microbial gen eties )。

由于微生物具有个体小、细胞结构简单、 繁殖速度快、世代时间短和容易培养、便于操 作等许多优点，因此便极大地加速了生化遗传学的研究， 在短短的二三十年间就取得了丰硕 的成果，主要的有如下三项。第一， 1941年两位美国科学家比德尔( G.Beadle)和塔特姆 (E.Tatum)，通过对红色面包霉营养突变体的研究，提出了 “一种基因一种酶” (后来修改 为“一种基因一种多肽” )的假说。此后在 1957年，这个假说被英国科学家英格拉姆 (VMIngram )证明是正确的。从而明确了基因是通过对酶(即蛋白质)合成的控制，实现 对生命有机体性状表达的调节作用。第二， 1944年微生物学家艾弗里(O.Avery )及其同事 证明，肺炎链球菌的转化因子是 DNA。第三，1952

年，赫尔希(A.Hershey )和蔡斯(M.Chase) 也在噬菌体感染实验中发现，转化因子的确是 至此基因的分子载体是 DNA已是不争的事实。 奠定了坚实的理论基础。它上承经典遗传学， 发展过程中的一个重要的过渡阶段。

3. 分子遗传学 经典遗传学虽然揭示了基因传递的一般规律，甚至还能够绘制出基因在染色体分子上的

并不知 DNA而不是蛋白质，肯定了艾弗里的结论。 生化遗传学的发展为日后分子遗传学的诞生 下启分子遗传学，是经典遗传学向分子遗传学