第一節(jié)　分子遺傳學(xué)的含義及其研究任務(wù)

一、分子遺傳學(xué)概述

（一）分子遺傳學(xué)含義

分子遺傳學(xué)主要研究范疇涵蓋基因在生命系統(tǒng)中的儲存和組織結(jié)構(gòu)，基因的復(fù)制與傳遞的分子機制，基因表達與調(diào)控規(guī)律，基因表達產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與功能，基因變異的分子機制，基因在控制細胞分裂、生長和分化以及形態(tài)發(fā)生與個體發(fā)育中的作用機制。

作為遺傳學(xué)的分支學(xué)科，分子遺傳學(xué)研究方法與經(jīng)典遺傳學(xué)不太相同，經(jīng)典遺傳學(xué)以雜交為主要實驗方法，通過觀察比較生物體親代和雜交后代的性狀變化，分析數(shù)量，來了解與生物性狀相關(guān)的基因及其突變與傳遞規(guī)律，即為正向遺傳學(xué)（forward genetics），其主要是從生物體性狀改變來研究基因。而分子遺傳學(xué)則是通過物理學(xué)和化學(xué)的原理和實驗技術(shù)，在分子水平上揭示基因的結(jié)構(gòu)和功能，以及兩者之間的關(guān)系，即為反向遺傳學(xué)（reverse genetics），其主要從基因結(jié)構(gòu)角度來研究基因功能。

（二）分子遺傳學(xué)研究方法

分子遺傳學(xué)的研究方法主要有以下兩種。

1.建立模型

通過觀察的現(xiàn)象或獲得的實驗結(jié)果建立一種模型來研究分析，以揭示其分子機制。如雙螺旋模型、操縱子模型等。

2.理化實驗和構(gòu)象分析

分子遺傳學(xué)常用DNA（或RNA）的抽提、分離、純化、測序、酶切、電泳、分子雜交、定點突變、體外擴增（PCR）、體外表達和基因打靶等理化實驗方法。在對DNA大分子結(jié)構(gòu)的研究中還經(jīng)常應(yīng)用電子顯微鏡技術(shù)。在對某些調(diào)節(jié)因子及酶的結(jié)構(gòu)分析中也常用X射線衍射技術(shù)。基因組學(xué)出現(xiàn)后，分子遺傳學(xué)的某些領(lǐng)域（如分子進化）便常用到生物信息學(xué)的相關(guān)方法。

二、分子遺傳學(xué)的研究任務(wù)

（一）遺傳物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和傳遞機制

主要研究遺傳物質(zhì)的DNA或RNA的結(jié)構(gòu)和傳遞機制，所有遺傳物質(zhì)必備以下4個特點：①儲存并表達遺傳信息。②可將遺傳信息進行生物傳遞至后代。③物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。④含有遺傳重組和變異的信息。1953年提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，表明DNA序列由不同的核苷酸排列而成，且攜帶遺傳信息，同時還精確闡明了遺傳信息的復(fù)制與傳遞，尤其是通過DNA雙鏈分子的“半保留復(fù)制”（semiconservative replication），由親鏈（parental chain）產(chǎn)生了兩個與親鏈完全相同的DNA雙鏈分子，即兩個子鏈DNA分子（progeny DNA molecular），保證了遺傳物質(zhì)從親代向子代的傳遞，為分子遺傳學(xué)的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。某些病毒（主要是反轉(zhuǎn)錄病毒）以RNA為遺傳物質(zhì)，也是通過其互補鏈的合成來實現(xiàn)復(fù)制，從而儲存與傳遞遺傳信息。

（二）遺傳信息表達的分子機制

遺傳物質(zhì)除了能夠精確復(fù)制和傳遞，還需要有控制性狀表達實現(xiàn)功能的機制。由于生命活動和功能的表達是通過蛋白質(zhì)來實現(xiàn)的，蛋白質(zhì)為生命體的基本結(jié)構(gòu)。且不同生物有穩(wěn)定遺傳的不同結(jié)構(gòu)和性狀，這些都與基因有關(guān)，可見基因決定生物的遺傳性狀是通過蛋白質(zhì)來實現(xiàn)的。基因?qū)⑺鶖y帶的遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)，不同基因決定不同蛋白質(zhì)。20世紀(jì)50年代Crick提出中心法則（central dogma），說明了遺傳信息的流動方向，即遺傳信息的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯形成蛋白質(zhì)的全過程，具體如圖1-1所示。

（三）基因和基因組的結(jié)構(gòu)與功能

任何一種生物的基因組都具有單倍體細胞內(nèi)所含的整套染色體（chromosome），含有一套完整遺傳信息，可決定該生物體遺傳特性。基因組中每條染色體由一個DNA分子組成，且每個DNA分子都包含很多基因。在人類基因組和多種生物基因組測序完成的基礎(chǔ)上，分子遺傳學(xué)的研究任務(wù)不但是研究單個基因的結(jié)構(gòu)與功能，且還要關(guān)注生物整個基因組的結(jié)構(gòu)與功能，從全新的視角探討遺傳與變異、結(jié)構(gòu)與功能以及健康與疾病等的分子機制。

（四）基因表達調(diào)控的分子機制

基因表達（gene expression）是指基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯最終產(chǎn)生功能產(chǎn)物的過程。這些功能產(chǎn)物為蛋白質(zhì)或RNA（如tRNA、rRNA等）。生物在不同環(huán)境條件下或在不同發(fā)育時期，不同組織或器官中，盡管具有相同的基因組，但是其表達產(chǎn)物是不同的。顯然基因表達過程受到一系列的精確調(diào)控，調(diào)控可發(fā)生在基因表達的任何階段。

20世紀(jì)60年代，Jacob和Monod提出的大腸桿菌乳糖操縱子模型已表明，遺傳信息的表達與調(diào)控是統(tǒng)一的，基因不僅是遺傳信息的載體，同時又具有調(diào)控基因表達活性的功能。這一套相互制約的基因使生物在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)出不同的遺傳特性。該模型為研究基因表達調(diào)控的分子機制奠定了基礎(chǔ)。

（五）生物遺傳變異的分子機制

通常來說遺傳物質(zhì)不但儲存和傳遞遺傳信息，且還應(yīng)含有變異的分子基礎(chǔ)，這是由于生命過程是一個遺傳和不斷變化的動態(tài)過程，故生物得以進化。而生物遺傳變異的主要是進化中決定性狀的基因或基因載體染色體出現(xiàn)改變所致。基因突變、染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)的變異以及遺傳重組是導(dǎo)致基因或基因組不斷變化的主要因素，但其對應(yīng)分子機制各不相同。此外，基因組中轉(zhuǎn)座因子的位置移動和插入也會帶來各種效應(yīng)的突變。三核苷酸擴增急劇增加的動態(tài)突變，也同樣可導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定。雖然引起遺傳變異的各種類型的機制不完全相同，但其共同的分子基礎(chǔ)相同，即改變了基因組DNA序列。

（六）基因控制細胞分化和發(fā)育的分子機制

發(fā)育是生物的共同屬性，也是生物遺傳和變異的全過程，研究表明基因控制著發(fā)育的圖式形成（pattern formation）；發(fā)育是在特定的時間和空間基因差異表達（temporal-spa-tial differential gene expression）的結(jié)果，是生物體基因型與內(nèi)外環(huán)境因子相互作用并逐步轉(zhuǎn)化為表型的過程，具體如圖1-2所示。

隨著人類基因組計劃和一些重要動植物基因組計劃的完成，功能基因組的研究已成為重要課題，而發(fā)育生物學(xué)正是研究基因組功能的主要領(lǐng)域。目前發(fā)育生物學(xué)的研究真正在分子水平以基因和基因組為對象，研究各類生物基因組在發(fā)育不同的時空中，基因差異表達和調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)，以揭示細胞分化、發(fā)育、生殖、遺傳、變異以及癌變和衰老等發(fā)育生物學(xué)全過程的分子機制，進一步認識許多重大生物學(xué)問題的分子機制。