第二章 走入基因-1

英國歷史學家王比德的著作,是英格蘭在8世紀勒唯一真實的貂料采源,曾經對人類短暫的生命提出一個強而有克的比喻。他說:「生命就象是備便里坐在餐桌前,仰和郡長5鄉鋼共享大簧。突然留到一受小麻雀經顯地飛過大廳,從一個門飛過來,然後又很快地從另一個門飛出去。在它短暫停留在屋內的這段的閻,絲毫沒有受到寒風怒吼的影響,但是這段平靜時光像門車一樣,一瞬即逝,於芝麻雀在冬天的寒風中飛來又飛回去,消失在你圍限激。人類的生黨也像是這樣,先是什麼,之後又會青什麼,我們都一無所知。」

聖地級的比喻著重在宗教意義,但是生物學上刻詞另一翻解讀。基因安它自己的記憶,解讀基因可以為我們帶來希望,能夠蕾穿這個短餐、受到國限的生肖廳堂,霍到廳外的記喬,知通在人類生向出現2到的點滴,基因能測未採的情沉。

SieveJOnes1953年4月25日,900個字改變了世界,這些字是由詹姆士·沃森(J。WatSOn)和法朗西斯·克里克(FranisCrick)所撰寫的簡短報告書,它被刊登在名為《遺傳》

(Nature)的著名科學雜誌上。他們開始這麼寫著:「我們想提供有關DNA(脫氧核糖核酸)結構。此結構有通俗的特色,具有許多生物趣味。」他們也謹慎地下了以下的結語:「我們注意到,我們主張的特定配對,有可能是基因要素的模仿機制。」

多年之後,1991年,沃森在《重組體DNA》第二版書內寫著「沒有任何物質像DNA般重要……如果我們希望在未來,同時生命的全部奧秘也能夠納入生物學家的掌控之中,那麼加達探討DNA的秘密,是有其必要性的。」

這是沃森還是個25歲的劍橋大學准博士班學生時所寫的文章,《遺傳》被視為有所保留的經典名作。後來成為諾貝爾佐冠詩人和世界著名科學家的瓦特林,在40年後的言論,也未超出此範疇。

何以DNH一個純粹分子——的結構與作用,會認為與全部生命的奧和有密切關聯?

所有全部的細節,都留給了未來的生物學者。不過,沃森和克里克也分析過,令人驚異的單純和美妙對稱的分子,顯示有可貴的秘密存在於生命極中心一基因里。

什麼是基因

基因是DNA分子上含特定遺傳信息的核育酸序列的總稱,是遺傳物質的最小功能單位。

基因一詞是英語「gsne」的音譯,是「開始」、「生育」的意思。它源於印歐語系,後變為拉丁語的gM(氏族)以及現代英語中genus(種屬)、genius(天才)、genial(生殖)等諸多辭彙。1909年,丹麥學者約翰遜提出基因這一名詞,用它來指任何一種生物中控制任何遺傳性狀而其遺傳規律又符合於孟德爾定律的遺傳因子。

在孟德爾定律發現之前,人們對生物遺傳曾提出了諸多的說法。如普遍流行的融合遺傳論就認為雙親的遺傳物質在子代中像血液一樣混合,被稀釋且不能分開,但孟德爾的實驗結果則相反,現代隱性基因並不在雜交子一代中消失,它所決定的性狀還能在於二代中出現。據此孟德爾提出了「遺傳顆粒」學說。20世紀初葉孟德爾理論在許多動植物中得到了進一步的驗證。最有代表性的是1910年美國科學家摩爾根發現果蠅的白眼性狀的伴性遺傳現象,即白眼性狀始終在雄性果蠅中出現,第一次把一個特定的基因定位於一條特定的染色體(決定性別的性染色體)上,使遺傳學和細胞學終於殊途同歸。有人曾對此作了一個形象的比喻:若將孟德爾學說比作是從生物雄壯的交響樂中分解出七個音符,那麼摩爾根的染色體遺傳理論則不僅證實了六弦琴上六根琴弦的存在,而且證明了這七個音符就是從這隻大弦琴上發出來的。

孟德爾學說和摩爾根的基因論都把基因看作是一個界限分明的獨立遺傳單位,甚至到本世紀50年代初人們在對基因的化學本質(核酸)及DNA雙螺旋結構有了明確認識後,仍然認為基因是不可分的基本遺傳單位,如同當初人們認為分子是物質的基本粒子一樣。

這種觀念直到1957年才得到糾正。

著名遺傳學家本澤爾在經過10年艱苦工作,取得了三大發現後提出了全新的基因概念,於是徹底衝破了經典基因不可分的觀念。他認為:(1)作為基因的單位,可以精確到單核育酸或鹼基水平,稱為突變子。(2)作為交換單位,同突變單位一樣,仍以單核計酸為基本單位,稱為互換子。(3)作為功能單位,基因也是可分的。本澤爾的功勞不僅在於提出了全新的基因概念,而且把「基因」作為一種概念引入到遺傳學實驗中來了。本澤爾把突變子成互換子像繪製染色體圖一樣排列在基因圖譜上,這是遺傳學上一次從宏觀到微觀的飛躍。

1969年,夏皮羅等人從大腸桿菌中分離到乳糖操縱子並使它在離體條件下轉錄。證實了一個基因可離開染色體而獨立發揮作用。1970年,梯明發現了僅以RNA作為遺傳物質的逆轉錄病毒,提示遺傳物質不僅僅是DNA,也可以是RNA,從而使中心法則內容得到擴展。

時隔20年後的1977年,人們又在猿猴病毒(SV。)和腺病毒(AdV)中發現某些基因中存在內部間隔區,間隔區的順序與基因所決定的蛋白質序列沒有任何關係——這使科學家們大吃一驚。隨後,基因的這種可分割、不連續的現象在酵母tRNA基因、果蠅的n3NA基因、人的膠原蛋白基因中也得到了證實。這樣基因的概念中又多了一項新內容:

基因結構具有不連續性。因為這是生物界尤其是真核生物中普遍存在的現象,為便於稱呼,人們把這種分裂基因中能實現遺傳信息表達的部分稱為外顯子,而不表達部分稱作內含子。

1980年法國科學家斯洛寧姆斯基在酵母線粒體DNA的研究中證實,一個基因的內含子可能是另一個基因的外顯子,也就是說,內含子也可能是具有功能的,剪接酶並沒有把它們帶到死亡中去,生物界中DNA的所有成員可能沒有廢料。

與基因分裂或不連續性的概念相反的是基因的重疊性。1977年桑格等在噬菌體甲174DNA中和1978年菲爾斯等在SV40DNA中均發現了幾個基因共用同一段DNA序列的情況。

雖然這種現象在自然界並不普遍,但至少說明基因確實存在著閱讀框架的重疊現象,這體現了生物的「節約」原則。

對經典的、近代的以至現代的基因概念的挑戰還不止這些。比如,一個基因一個多肽假說,在相當長的時間被證明是正確的,可是近年來發現一些基因絕不產生任何蛋白質或者多肽,而僅產生RNA,各種tRNA、rRNA基因就是這樣。因此人們只有加以補充:

基因的功能在於決定蛋白質或核酸。但是這仍不能解釋一些事實:DNA中確實存在一些片段,它根本不產生任何物質而僅以位置或結構起作用。例如,操縱區和啟動區,它僅起識別蛋白質(酶)的作用,由引來開放或關閉它「下屬」的活動。而另一些基因,如假基因,眼下甚至還看不出有什麼作用。這樣就很難從產物上給基因下一個統一的定義。

本世紀對年代末,在大腸桿菌中發現了一種奇特的現象,基因可以在染色體及染色體外的DNA之間往返「飛行」。其實這種基因的跳躍現象在50年代初就被一位女科學家麥克琳托克在研究玉米組織分化現象時發現,只不過她的發現當時並未引起人們的普遍關注而已。隨後不久基因跳躍現象又在人的免疫球蛋白基因中得到了證實,這樣人們才充分意識到基因的穩定性是相對的。醫學家們還進一步設想或許基因的這種不穩定性可能與癌症和傳染性疾病也有很大關係。麥克琳托克作為首次發現基因不穩定性的人,於1983年獲得了諾貝爾生理學及醫學獎。(賴立輝)

染色體是基因的載體

19世紀後半葉,在細胞學說的啟迪下,人們認識到研究細胞的結構和生理,是闡明生命現象(包括生殖和遺傳在內)的捷徑,此外,隨著物理學和化學的發展,當時已有較好的顯微鏡、切片機和各種化學染料為細胞學的研究提供了十分有利的條件。於是,生物學家相繼發現和描述了細胞的有絲分裂和生殖細胞在成熟過程中的減數分裂等。這些發現把人們的注意力集中到染色體上來。早在1882年,德國細胞學家弗魯門(W·Flermming,1843—1915)在研究細胞分裂時,發現核中有容易染色的部分,並把它稱之為染色質。其後,1888年,德國解剖學家沃德耶(W.Waldewr,1836一1921)正式把弗魯門發現的染色質稱之為染色體。從此之後,有關染色體的研究報告層出不窮。人們發現同一物種所有個體的染色體對數是相同的、穩定的,並且在許多生物體同一個核內不同染色體對的大小、形態也有明顯的區別,從而提出了染色體的個性和連續性的假設。

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