三、基因概念的多样性
1969年，J.A.Shapiro从E.coli中分离到乳糖操纵子，并且使它在离体条件下进行转录，证实了一个基因可以离开染色体而独立地发挥作用。随着重组DNA 技术和DNA测序分析技术的发展，进一步认识了基因的本质。
1．基因的可重叠性——重叠基因（overlapping gene）
（1）重叠基因的发现
基因型 表型 是否互补
同一顺反子中的突变位点（等位）
m1 m2
—|——————|——————|—
顺式 野生型 —
—|——————|——————|—
m1
—|——————|——————|—
反式 m2 突变型 无
—|——————|——————|—
不同顺反子中的突变位点（非等位）
m1 m2
—|——————|——————|—
顺式 野生型 —
—|——————|——————|—
m1
—|——————|——————|—
反式 m2 野生型 有
—|——————|——————|—
图3-40 T4噬菌体rⅡ区的互补试验
m1和m2两个突变位点。两突变型杂交，反式杂合体是突变型，说明m1和m2是等位的；
反式杂合体是野生型，说明m1和m2是非等位的。顺式杂合体只作为对照
重叠基因是指两个或两个以上的结构基因共用一段DNA序列的现象。重叠基因是在1977年由F. Sanger首先发现的。他测定了噬菌体φ×174的单链DNA，这种DNA含有5375个核苷酸，按最低标准估算，其总长可编码6个多肽，但实际这段DNA编码了9个多肽，经仔细研究发现基因可以重叠。在环状DNA上A基因包含了B基因，D基因包含了E基因（图3-41）。
（2）重叠基因的重叠方式
① 大基因套小基因：如φ×174中的A基因中有B基因等，它是两个基因共用一段DNA顺序，但阅读框架不同，在同一区段内有两个或两个以上的起始点和终止点。
② 两个基因头尾相连：两个基因共用一至几个核苷酸，而且首尾相连。
③ 双链DNA或RNA的反向重叠：即两条链都作为模板进行转录，合成mRNA。
现在还不知道重叠基因在所有生物中是否具有普遍性，仅在个别生物中发现有此现象，如流感病毒、大肠杆菌噬菌体G4等。但重叠基因能最大限度地利用有限的遗传物质。
2．基因的不连续性——断裂基因（splitting gene）
在DNA分子的结构基因内，既含有能转译的区段，也含有不转译的区段，这类基因称为断裂基因。它是在1977年被发现的，内部包含一段或几段最后不出现在成熟的mRNA中的片段，即内含子。实际上，这类基因在DNA分子中均含有内含子和外显子，转录出的前体mRNA仍含有内含子，在mRNA加工时才被切除，保留外显子片段，经拼接再进行加尾戴帽等加工过程才成为成熟的mRNA（图3-42）。在一些哺乳动物的核基因、酵母的线粒体基因及某些病毒中都发现了断裂基因。
断裂基因的形成可能是不对称交换的结果（图3-43）。由于断裂基因含有众多的内含子。使DNA区段拉长，对基因起到了保护作用，同时也提高了基因间或基因内的交换率，增加了生物的变异性。
—— ————————
→ —— —— —— （重复）
———————— ——
多次重复 →→→→ — ex —in— ex —in — ex —in — ex — （断裂基因）
图3-43 断裂基因形成的过程
3．基因的无功能性——假基因（pseudogene）
（1）假基因的发现
与有功能的基因在核苷酸顺序的组成上非常相似，却不具备正常转录功能的基因称为假基因。它可能是相应的正常基因在转录后产生的mRNA，再经反转录产生出cDNA，再插入到染色体的不同位置上，由于突变积累而丧失活性。如致癌的RNA病毒就可能是通过RNA→DNA，再插入到人类染色体上，一旦遇到时机再脱落下来，形成癌症。现已测知，假基因只在真核生物的基因组中发现，在原核生物中未见报道。
第一个假基因是1977年在研究非洲爪蟾核糖体5S rRNA的基因时发现的，后又发现编码蛋白质的结构基因也有相应的假基因，如小鼠、兔和人的α或β珠蛋白的假基因等。大部分假基因在染色体上都位于正常基因的附近，但也有位于不同染色体上的。
（2）假基因的结构特点
① 在整个基因的不同部位有程度不等的缺失或插入；
② 往往缺少正常基因的内含子；
③ 在5′端缺乏转录启动区域；
④ 基因的两侧有顺向重复序列。
这些特点使假基因不能转录并形成正常的mRNA。
4．基因的可移动性——转座因子（transposable element）
细胞中某段序列能从原来的位置上脱落下来或自我复制一份，经环化后插入到另一区域，并对受体部位附近的基因进行调节和控制，这一过程称为转座（transposation）。而参与转座的DNA片段为转座因子。
（1）转座因子的发现
第一个转座因子是40年代美国遗传学家B.McClintock在玉米中发现的激活因子（Ac）和解离因子（Ds）。现在证明果蝇、啤酒酵母与大肠杆菌等的染色体以及多种细菌质粒（染色体外能进行自主复制的遗传单位）上也都有不同类别的转座因子存在。不但某些噬菌体DNA本身就是转座因子，而且有些致癌的RNA病毒的原病毒（provirus）也具有类似于细菌转座子的结构。
（2）转座因子的类型
①原核生物中的转座因子：根据分子结构和遗传性质可以分为3 类。第一类是插入序列（IS因子），目前已知有10多种，一般长700~2000bp，只含有与转座有关的基因的序列。第二类是转座子（Tn），一般长2000~25000bp，两端有相同的序列，如果它们的方向相反则称为反向重复序列（IR）。转座子除含有与转座有关的基因的核苷酸序列外，还含有一些其他与转座无关的基因，现已发现有的转座子分别带有不同的抗生素抗性基因、乳糖分解基因、接合转移基因等。第三类是转座噬菌体，大肠杆菌的温和噬菌体Mu和D108 都具有转座子性质。
②真核生功中的转座因子：果蝇的转座因子有copia、412、297等；它们的两端都有同向的重复序列，这些重复序列的两端又有较短的反向重复序列。转座因子可影响果蝇复眼颜色的变异。玉米的Ds-Ac系统，解离因子Ds和激活因子Ac 是两个各自能在同一染色体上或各个染色体间转移位置的遗传因子。Ds 必须在Ac的存在下才有作用，Ac除了激活Ds 外，没有其他表型效应。Ds能抑制相邻基因的表达，并能转移到另一染色体上，同时引起原来位置上附近的染色体断裂。在胚乳细胞中，如果Ds处在有色基因C的近旁，那么，C基因的表达被抑制，子粒为白色；如果Ds离开基因C，C开始表达，子粒为深色。
另外，啤酒酵母中有引起突变的Ty基因，也能导致转座（表3-17）。
表3-17 几类生物的转座因子
生物种类 转座子 机 能
细菌 插入顺序（IS） —
转座子（Tn） 抗性
酵母 Ty因子 引起突变
玉米 调控因子（Ds-Ac系统） 子粒色泽变化
果蝇 P因子 杂交败育现象
哺乳类 原病毒（逆转录病毒顺序） 致癌基因作用
（3）转座的机制
现研究得最清楚的是细菌的转座子，转座过程—方面依赖两端的反向重复顺序（IR），另一方面依赖基因的作用。转座时有两种方式：第一，转座子自身单独复制，环化后插入到其他染色体区域；第二，转座子区段直接从原位置上脱落下来，环化后插入到受体部位。在插入区，转座子往往与接受区域的染色体发生交换（图3-44）。
……ACGATGTCGCAGAGTATGC……
……TGCTACAGCGTCTCATACG……
↓ IS1
……ACGATGTCGCAGAG GTCGCAGAGTATGC……
……TGCTACAGCGTCTC IS1 CAGCGTCTCATACG……
图3-44 IS插入细染色体的模式图
IS插入E.coli染色体后，在靶的DNA顺序中产生差错切口，从而使插入因子的两端形成重复区段
（4）转座的遗传学效应
第一，引起插入突变，插入附近的基因发生各种突变，特别是重复区段；而在提供转座子的原位置往往显示缺失。
第二，插入位置上出现新基因，例如抗药性基因。
第三，造成插入位置上出现受体DNA由少数核苷酸对的重复。
第四，可产生各种染色体结构的变异，如缺失。
5.真核生物的重复序列
（1）重复序列的种类
① 单一序列或少量重复序列：序列不重复或重复次数为10~102次，序列长度约为1000bp，多为编码蛋白质的基因。如人的珠蛋白基因、小鼠的珠蛋白基因等。这些基因主要是结构基因或调节基因。
② 中度重复序列：序列重复次数在103~105，长度约300bp，有的是只转录不翻译的序列，如转录tRNA、rRNA的基因，即tDNA和rDNA。它们常以回文对称顺序的方式出现在基因组的许多位置上，一些回文顺序中间间隔着单拷贝序列。
③ 高度重复序列：此序列都高度集中，重复次数大于106，大部分集中在异染色质中，特别是着丝粒和端粒位置。这些序列中常有卫星DNA（satellitee DNA），它约占真核基因组的1~30%。重复单位长短不一，多为2 ~10bp，但也有较长的。如牛的卫星DNA是1400bp，某些猴的卫星DNA是172bp，蟹的卫星DNA的绝大部分是AT的重复。果蝇有3个卫星DNA，重复约107。
（2）重复序列的起源
关于重复序列的起源至今还没有完整的定论，只是有一些假说：
①滚环假说：Gilbert等于1968年认为，某种环状DNA分子利用滚环复制方式复制出数目众多的重复序列，然后带有多次重复的DNA片段通过交换嵌入到宿主细胞染色体上。
②不等交换假说：在减数分裂过程中，同源染色体联会，非姊妹染色单体可发生交换，如果交换的部分不相等，结果一条染色体具有重复区段，而另一条染色体则存在缺失。
③突然复制假说：Britten和Kohn（1968）提出，高度重复的DNA的产生，是由某一特定的DNA序列突然间产生数以千计的拷贝的结果，这些拷贝都插入到原来的位置上，结果产生了重复序列。
四、基因的类别和数目
1．基因的类别
由于基因的种类非常庞大，尚无法进行区分，只能根据各自的功能或其他类型进行划分：
（1）根据基因的产物划分
①编码蛋白质的基因：包括编码酶和结构蛋白的结构基因，编码作用于结构基因的阻遏蛋白或激活蛋白的调节基因等。
②没有翻译产物的基因：转录成RNA后不再翻译成为蛋白质的tDNA和rDNA。
③不转录、更不翻译的基因或区段：如启动子区、操纵基因、假基因、高度重复序列等。
（2）根据发育阶段或调控功能分
①时序基因：它是指在不同的发育阶段，有时表达、有时不表达的基因
②早期基因、晚期基因：依据表达的早晚而分成早期基因和晚期基因
③持家基因（house keeping gene）：真核细胞中（特别是在哺乳动物细胞中），大约有10%的结构基因始终表达，他们的功能对于每个细胞都必需，这些基因称之。
④奢侈基因（luxury gene）：在不同的细胞中，往往有种类不多的只在特定的细胞中表达的基因，称之。究竟有多少这类基因，尚无法确定，但可估计为持家基因的2~3倍。
⑤基因家族：真核生物的基因组中许多来源相同、结构相似、功能相关的基因，合称之，如血红蛋白基因家族有6个基因；cyt 氧化酶基因有13个；ATPase基因有16个等。
⑥基因簇：功能相同、结构相似的一系列基因常彼此靠近、成串地排列在一起，这一系列基因称之。如血红蛋白的α基因在11号染色体上，β基因在16号染色体上。
⑦串联重复基因：结构一致、功能相同、有众多拷贝、内含子短而一致的成串基因。（3）根据所处的环境分
①细胞核基因组；②线粒体基因组；③叶绿体基因组
2．基因的数目
已经确知RNA噬菌体MS2只有3个基因，它们都是结构基因。对于一些较为复杂的DNA噬菌体来讲，它们需要更多的蛋白质来执行更多的功能，基因数目也相应地增加（表3-18），真核生物更是如此。
总之，基因的概念在近几十年中发展相当迅速，而且随着科学技术的进步，基因的概念必将有进一步的发展。
表3-18 几种生物的核酸含量和基因数
生物种类 核酸分子质量（Dolton）/基因组 基因个数
大肠杆菌 2.5×109 约100
T4噬菌体 1.3×108 70
λ噬菌体 3.1×107 37
MS2噬菌体 1.1×106 3
PSTV类病毒 2.3×105 1
哺乳动物 2.1×1012 106
