细胞内生命现象的联系。19世纪中叶到20世纪初，是早期生物化学的大发展阶段，组成 蛋白质的20种基本氨基酸被相继发现（最晚分离的是苏氨酸，1935年），著名生物化学家 Fisher还论证了连接相邻氨基酸的“肽键”的形成。细胞的其他部分，如脂质，糖类和核酸 也相继在那一阶段被科学家所认识和部分纯化。当时，科学家还无法解释细胞内最重要 的生命活动，即细胞成分是如何世代相传的。 奥地利大科学家、经典遗传学创始人孟德尔(Gregor Mendel)发现并提出遗传学定律 的故事像是不朽的神话，在生物学界被广泛传诵。 孟德尔从小爱好园艺，虽然因为家境贫寒，没有念完大学就当了修道士，但他却矢志 不渝地钻研科学。开始时，他对“种瓜得瓜，种豆得豆”的生物遗传现象感到好奇和闲惑， 就在修道院里种了许多花木，还挑选了20多种大小不同，形状，颜色各异的食用豌豆，反 复进行杂交、自交等试验，并作了详细的记载。从1857年到1864年的7年间，孟德尔选 择了7对差异明显的简单性状，对豌豆的生长进行了仔细的观察。例如，他用产生圆形种 子的豌豆同产生皱皮种子的植株杂交，得到几百粒全是圆形的杂交子一代(F)种子。第 二年，他种植了253粒F,圆形种子并进行自交，得到7324粒F2种子，他发现有5474粒 是圆形的，1850粒是皱皮的，用统计学方法计算出圆皱比为3：1。 他还进行了具有2个对立性状的豌豆植株之间的双因子杂交试验。他发现当选用产 生黄色圆形种子的豌豆植株同产生绿色皱皮种子的豌豆植株进行杂交时，所产生的F,种 子全是黄色圆形的，但在自交产生的F,代576粒种子中，不但出现了2种亲本类型，而且 还出现了2种新的重组类型，其中黄色圆形315粒，黄色皱皮121粒，绿色圆形108粒，绿 色皱皮32粒。这4种类型的比例接近于9：3：3：1。 根据以上现象，孟德尔总结出生物遗传的两条基本规律： 第一，当两种不同植物杂交时，它们的下一代可能与亲本之一完全相同。他把这一现 象称为统一律。根据自己长期的实验结果，孟德尔认为，生物的每一种性状都是由遗传因 子控制的。这些因子可以从亲代到子代代代相传。在体细胞内，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，单独存在。 他还认为，有些遗传因子以显性(dominant)形式存在，即能在任何F,代得到表达；而有些 因子呈隐性(recessive)状态，只有当父，母本同时含有这一因子时，才得到表现。 第二，将不同植物品种杂交后的F,代种子再进行杂交或自交时，下一代就会按照 定的比例发生分离，因而具有不同的形式。他把这一现象称为分离规律。如红花和白花 植株杂交，得到的8株，代植株全部为灰色花，互相交配结果得到2株红花、2株白花、 4株灰色花。这一代的白色花互相交配，将水远得到白色花，红色花互相交配得到的水远 是红色花。但这一代的灰色花互相交配，其结果就像上一代那样，仍旧是2红、2白4灰。 所有这些花朵，都按照孟德尔的分离规律依次遗传下去。分离规律对每一代动，植物都适用。 由于孟德尔的研究方法和结论都远远超过了当时的科学认识水平，因此，他的这些天 才的科学发现和见解，并没有立即引起生物学界的注意。从1865年他发表《植物杂交试 验》一文到1884年逝世，欧美各国科学界几乎无人理睬他的巨大贡献。直到1900年，他 11引言 005
的理论才被荷兰科学家H.DeVs等人重新发现、验证并得到普遍应用，逐渐被公认为 经典遗传学的奠基人。 虽然孟德尔早在I86l年就通过豌豆杂交实验揭示了遗传的物质性(a discrete unit goveming inherited characteristics).直到l909年丹麦科学家Wilhelm Ludvig Johannsen (1857一1927)根据希腊文“给予生命”的定义，创造了“基因”(gen)这个代表遗传学最基 本单位的新名词。美国人托马斯·摩尔根(T.H.Morgan)则是第一个用实验证明“基因”学 说的科学家。1910年，Morgan和他的助手们发现了第一只白眼雄果蝇。因为正常情况下 果蝇都是红眼的，称为野生型种质，所以，他们将白眼果蝇称为突变型种质。到1915年 他们一共找到85种果蝇的突变型。这些突变型果蝇跟野生型相比，在翅长，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，就能更广泛地进行杂交试验，从而更 加深人地进行遗传机理探讨。Morgan将白眼雄果蝇与红眼雌果蝇交配，所产生的E,代不 论雌雄，全为红眼果蝇（孟德尔的统一规律！）。让这些F,果蝇互相交配所产生的F,有红 眼也有白眼，但有趣的是所有的白眼果蝇都是雄性的，说明白眼性状与性别有联系，这 点与孟德尔的遗传性状独立分离规律是背道而驰的（现在我们已经知道，当所研究的两个 基因位于同一染色体上而又距离较近时，Morgar的连锁遗传规律起主导作用：而当所研 究的两个基因位于不同染色体上时，孟德尔的独立分离规律起主导作用)。 为了解释这些现象，有必要对果蝇的染色体做一简单介绍。果蝇只有4对染色体 在雌果蝇中，有1对很小呈颗粒状的染色体，2对呈“V”形的染色体，另有1对呈棒状、称 为XX的染色体。在雄果蝇体内，前3对同雌果蝇完全相同，但缺少棒状的XX染色体，而 由一条棒状的X染色体和一条呈“J”形的Y染色体所取代，人们称这一对为XY染色体。 Morgan当时就知道性染色体的存在，因此他推想，白眼这一隐性基因(w)是位于X染色体 上，而在Y染色体上没有它的等位基因。他将F,红眼雌果蝇(Ww)与白眼雄果蝇亲本(wY) 回交，结果产生的后代果蝇中有14是红眼雌果蝇，14是白眼雄果蝇。这个实验证明，白 眼隐性突变基因()确实位于X染色体上。这一现象被称为遗传性状的连锁定律，又称连 锁遗传。 Moga和他的助手们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 起来，使科学界普遍认识了染色体的重要性并接受了孟德尔的遗传学原理。Morgan特别 指出：种质必须由某些独立的要素组成，我们把这些要素称为遗传因子，或者更简单地称 为基因。 1.1.4DNA的发现与基因学说的创立 尽管由于Morgan及其学派的出色工作，基因学说得到了普遍承认.但是，直到1953 年Watson和Cick提出DNA双螺旋模型之前，人们对于基因的理解仍然是抽象的、概念 化的，缺乏准确的物质内容。那时的遗传学家，不但没有探明基因的结构特征，而且也不 能解释位于细胞核中的染色体和基因是怎样控制显然发生在细胞质中的各种生化过程， 不能解释基因是怎样在细胞繁殖过程中准确地复制和遗传的。 00b 第1章绪论
早在1928年英国科学家G山等人就发现，肺炎链球菌使小鼠死亡的原因是引起 肺炎。细菌的毒性（致病力）是由细胞表面荚膜中的多糖所决定的。具有光滑外表的S型 肺炎链球菌因为带有荚膜多糖而能使小鼠发病，具有粗糙外表的型细菌因为没有荚膜 多糖而失去致病力（荚膜多糖能保护细菌免受动物白细胞的攻击）。 首先用实验证明基因就是DNA分子的是美国著名的微生物学家Avy。他和他的 同事们首先将光滑型致病菌(S型)烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发现这些死细菌自然 丧失了致病能力。再用活的粗糙型细菌(R型)来侵染小鼠，也不能使之发病，因为 粗糙型细菌天然无致病力。然而，当他们将经烧煮杀死的S型细菌和活的R型细菌混合 再感染小鼠时，奇迹发生了！实验小鼠每次都可怜巴巴地死了。解剖死鼠，发现有大量 活的s型（而不是R型）细菌。他们推测，死细菌中的某一成分一转化源(transforming principle),将无致病力的细菌转化成病原细菌。10多年后，科学家用实验证明，DNA就是 转化源。死S型细菌DNA指导了这一可遗传的转化，从而导致了小鼠死亡。这一重大发 现轰动了整个生物界。因为在当时，生物学家认为，只有像蛋白质这样复杂的大分子才可 以担当决定细胞生物学特性和遗传的重托。Avy等人的工作打破了这种信条，在遗传学 理论上树立了全新的观点—DNA是遗传信息的载体。 DA是装 肺炎链球菌 移染小限 左图从上到下：将店的 活S型南体C 小鼠死亡 型体注射到小鼠体 死S型菌体 小鼠存 死小醒体内有话S型黄体 过康：而将烧煮灭活白 体内却能导致小鼠死 活R型菊体 小鼠存活 个 的各种雪 提取死失然 南体混合，注时小鼠 与活R型菌体泥合 发现，只有死的型 死S型南体 转化 活R型萄体 力。 活S型蘭体 我们再来看一看美国冷泉港卡内基遗传学实验室科学家Hershey和他的学生Chas, 在1952年从事的噬菌体侵染细菌实验1。噬南体专门寄生在细菌体内，它的头、尾外 部都有由蛋白质组成的外壳，头内主要是DNA。噬菌体侵染细菌的过程可以分为以下5 11引言 00
个步骤：①噬菌体用尾部的末端（基片，尾丝）吸附在细菌表面：②噬菌体通过尾轴把DNA 全部注人细菌细胞内.噬菌体的蛋白质外壳则留在细胞外面：③噬菌体的DNA一且进入 细菌体内，它就能利用细菌的生命过程合成噬菌体自身的DNA和蛋白质；④新合成的 DNA和蛋白质外壳，能组装成许许多多与亲代完全相同的子代噬菌体；⑤子代噬菌体由于 细菌的解体而被释放出来，再去侵染其他细菌。在这整个过程中，DNA起了关键作用。 图1-2H 细南培养基中合有”S标记的蒸酸 烟菌筛养中有”标记的枝酸 A侵染细的实 流 当细培养基中分 麦树整精按 代体中就相应 有5标记的蛋白质 用记的 千代面体有S 代随体香有” D标N天完性2 烟空网李代有故解 有收射性标记的细菌 经过1~2个菌体 不含带标的 质，但含有3% 不天的昏质本 是活路时性 天是的价 作用的可能是DNA 而不是蛋白质。 那么，DNA到底是什么样的呢？在1944年的研究报告中，Ave这样写道：当溶液中 酒精的体积达到910时，有纤维状物质析出。如稍加搅动，这种物质便会像棉线绕在线 轴上一样绕在硬棒上，溶液中的其他成分则以颗粒状沉淀留在下面。溶解纤维状物质并 重复沉淀数次，可提高其纯度。这一物质具有很强的生物学活性，初步实验证实它很可能 就是DNA(谁能想到！)。对DNA分子的物理化学研究导致了现代生物学翻天覆地的革 命，这更是Avey所没有想到的！ 1.1.5不同的遗传方式可能存在于不同的生物体中 根据截至目前的科学发现，地球上的主要生命有机体基本上都使用同一套标准遗 传密码(canonical genetic code),它揭示了组成遗传物质核糖核酸(RNA)或脱氧核糖核 酸(DNA)的4种核苷酸序列与组成蛋白质分子的20种氨基酸之间的对应关系。基因的 第1章结论
核苷酸序列信息是以3个连续核苷酸为信息单元（又称为三联体密码子：codo),以信使 RNA(messenger RNA,mRNA)的核苷酸序列为载体，并最终由核糖体和带有与密码子相 对应氨基酸残基的转运RNA(transfer RNA,tRNA)来完成整个解码过程，从而根据遗传密 码合成各种蛋白质分子，完成从信息到功能的转移。遗传密码的构成要素包括：DNA序 列、mRNA序列，密码子.反密码子、氨基酸，氨酰RNA和蛋白质序列。 当然，也有的生物，例如马铃薯纺锤块茎病毒(potato spindle tuber viroid,PSTV)等就 以双链NA州1作为其遗传物质，其基因组是一个具有由大量非配对碱基形成的突起 结构的环状分子，且其强毒性株系和弱毒性株系之间只有几个核苷酸的差异 强毒性T 图I-3以双情A Oi000个"i"“00000限008 O000O UA-U 更为特殊的例子来自一类被称为“阮病毒(pion”的“病原体”。300多年前，人们就 发现绵羊和山羊患上神经退行性疾病“羊瘙痒症(scrapie》后，躯体协调性丧失，站立不 稳，烦躁不安，其痒难熬，直至瘫痪死亡：却长期找不到病因。20世纪60年代，有人用放 射性处理破坏患有“羊瘙痒症”羊只的DNA和RNA后，发现其组织仍具有感染性，因此 推测“羊瘙痒症”的致病因子并非核酸，而可能是蛋白质！之后数十年研究表明，“羊瘙 痒症”的罪魁祸首是一种具有传染性的蛋白质一阮病毒。P由一种正常细胞的蛋 白一PP经变异而成，编码PP的基因只含一个外显子，编码一个2.8×10疏水性糖 蛋白，表达于哺乳动物的大脑中。正常细胞中只含一个拷贝的PP基因，PP蛋白一经 表达就被迅速而完全降解。感病脑组织中发现的蛋白被称为PP,是PP蛋白的异构体。 令人不解的是，PP蛋白不仅具有极强的抵御蛋白酶的能力，使自身免遭降解，而且具有 极强的“感染力”，能把细胞中的PP都转变成PP形式。 从表面上看，阮病毒以“蛋白质-蛋白质”的方式进行复制，因此，在相当长的一段时 间内，人们认为朊病毒是一类以蛋白质作为遗传物质的类病毒生物。然而，用基因敲除技 术培育缺乏PP基因的小鼠，接种朊病毒蛋白后不发病。如将正常脑组织块移植到此种 转基因小鼠的脑内，接种朊病毒蛋白后仅移植的正常部位发生病变。由此可见，朊病毒仍 然受正常细胞DNA序列的控制，是细胞内蛋白质在分子水平的病变。 1.2分子生物学简史 分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态，结构特征及其重要性，规 12分子生物学筒史 009