第六节 基因的本质
基因（gene）是生物体遗传变异的基本单位，是个体发育和系统发育的物质基础。100多年的遗传学发展史，就是围绕着基因展开的。特别从1953年后，对于基因本质的认识，已由原来的推测判断到提取基因、人工合成基因、改造基因。所以，了解基因概念的演变和发展十分重要。
一、经典的基因概念
1．孟德尔的遗传因子学说
1866年，孟德尔在他的豌豆杂交试验论文中，用大写字母A、B等代表显性性状，用小写字母a、b等代表隐性性状。他并没有严格地区分所观察到的性状和控制这些性状的遗传因子。但是这些符号在形式上代表着遗传因子，即基因。
2．基因概念的确立
1909年丹麦学者W.L.Johannson提出了“基因”这一名词，用来代替孟德尔的遗传因子，并且提出基因型和表现型，前者是一个生物的基因成分，后者是这些基因所表现的性状。
3．摩尔根及“三位一体学说”
1910年，美国的遗传学家和胚胎学家T. H. Morgan在果蝇中发现白眼（w）突变型，首先认识到基因可以改变。1911年Morgan又发现位于同一染色体上的两对基因可以交换，并且认为交换是普遍存在的遗传现象。不过直到40年代中期为止，还从来没有发现在一个基因内部也能发生交换。因而，他与学生共同归纳出了“三位一体学说”：
基因是一个功能单位：由它控制合成一条多肽链或一个蛋白质分子。
基因是一个突变单位：以一个基因的整体发生突变，由野生型变为突变型；或由突变型变回野生型。
基因是一个重组或交换的单位：基因可以整体为单位进行染色单体间的交换或重组，产生新类型。
基因在染色体上按一定的顺序、间隔一定的距离呈线状排列。
二、现代的基因概念
1944年O. T. Avery等用肺炎双球菌进行了转化试验，首先证实了基因是由DNA决定的。后来，Watson和Crick（1953）提出了DNA双螺旋模型后，分子遗传学随之诞生，基因的概念得到迅速的发展。
1．一个基因一种酶假说（one gene one enzyme hypothesis）
对基因功能实质的深入地研究是G. Beadle和E.Tatum用链孢霉为材料的试验。他们于1941年提出了一个基因一种酶假说来说明基因和酶之间的关系，他们的这一成就于1968年获得了诺贝尔奖。
（1）试验过程：Beadle和Tatum首先用X射线对分生孢子进行诱变，接着在完全培养基上生长，再转入基本培养基上检查这些分生孢子生长的情况，野生型分生孢子当然可以生长，处理过的分生孢子中有些不能生长，这些称为营养缺陷型，但在补加某种物质的补充培养基里就可以生长。不过加同一种物质后都能生长的不一定是相同的营养缺陷型，也不一定是由一个基因突变的结果。如一组要求在基本培养基上附加精氨酸都能生长的营养缺陷型。进一步分析发现，第二种突变型在补加瓜氨酸时也能生长；第三种突变型在补加精氨酸、瓜氨酸或鸟氨酸时都可生长（表3-15）。
表3-15 链孢霉精氨酸依赖型的不同株对添加的氨基酸的反应
添加的氨基酸 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸
株Ⅰ — — 生长
株Ⅱ — 生长 生长
株Ⅲ 生长 生长 生长
（2）精氨酸的代谢途径：对这一组突变型进行杂交，分析相应的突变基因，结果发现，3种突变型基因分别称为arg1，arg2，arg3 。这3个基因不但在染色体上位置不同，而且控制精氨酸生化合成途径中的反应也不同，每步反应由酶所催化，它们分别称为酶1，酶2，酶3。由此归纳出图3-38：
（3）一个基因一个酶假说的内容：第三种突变型由于基因arg1的突变，因此不能合成有活性的酶1，那么在合成鸟氨酸之前阻断了代谢途径，但是arg2和arg3是正常，因此只要在基本培养基中补加鸟氨酸，瓜氨酸或精氨酸均可；第二种突变型是由于基因arg2突变，
基因ang1 基因arg2 基因arg3
↓ ↓ ↓
酶1 酶2 酶3
前体————→ 鸟氨酸 ————→ 瓜氨酸 ————→ 精氨酸
图 3-38 精氨酸生化代谢途径
因此不能将鸟氨酸转变成为瓜氨酸，所以必须补加瓜氨酸或精氨酸就可生长；第一种突变型是arg3突变，尽管arg1和arg2两基因正常，但是该突变型只有补加精氨酸的条件下才能生长，其它两种氨基酸都不能使它生长。Beadle和Tatum根据生化代谢途径中基因和酶之间对应关系提出了“一个基因一个酶”的假说，这一假说使人们对基因功能的实质认识奠定了基础，特别是在其它生化代谢途径中也得到类似的二结果，由此确认基因的功能是通过酶控制生化反应，而达到控制生物性状。从而也说明生物的性状往往是受一系列基因所控制的，绝不是“一个基因一个性状”。
（4）一个基因一个酶假说的修改：至于“一个基因一种酶”的假说也必须修改，这是因为：所有的酶都是蛋白底，但所有的蛋白质不一定都是酶，如血红蛋白、胰岛素，而所有蛋白质都是由基因遗传信息控制的，因而一个基因一个蛋白质可能更确切些。即使如此，仍有待于修改，因为许多蛋白质往往又是由两条或多条肽链组成，特别是那些多条不同肽链组成的蛋白质，如成人血红蛋白A有4条多肽链组成，两条相同的α链和两条相同的β链（α2β2）。而每个基因只有一种遗传信息，编码一种多肽链，显然α和β多肽链是由不同基因所控制的。所以现在改正为“一个基因一条多肽链”（one gene one polypepetide chain）的假说。还必须注意，这也仅指结构基因而言，因为有些基因如rDNA，tDNA，而不再翻译成多肽；还有些基因如操纵基因根本就没有基因产物，但不能说它不是基因。
2．顺反子学说（theory of cistron）
1955年S.Benzer用大肠杆菌T4 噬菌体作材料，研究快速溶突变型rⅡ的基因精细结构，从分子水平提出了顺反子学说。
（1）顺式和反式：在二倍杂合体中，如两个拟等位突变位点都在同一染色体上，另一条同源染色体的相应位点是功能完全的，即为野生型，这种排列方式就叫顺式排列，简称为顺式（cis）。如果上述的2个突变位点分别位于两条同源染色体上，使两条染色体都是有缺陷的，则杂合体表现为突变型。这种排列方式就叫反式排列。简称为反式（trans）。在顺反两种排列情况下所表现的遗传效应就称为顺反效应。
Benzer在研究T4噬菌体rⅡ突变型时，发现突变型噬菌斑的形态、以及生长时对大肠杆菌菌株的选择上，与野生型有明显的区别（表3-16）。由于rⅡ的生长是有条件的，所以可用选择技术选出其中的突变型和交换型。在rⅡ区有很多突变位点（突变型），都能把大肠杆菌B株裂解掉。随后，Benzer把rⅡ突变型一对对地进行杂交，测量每对突变位点（mutant site）间的重组率。
表3-16 噬菌体T4的突变型rⅡ和野生型rⅡ 在不同株上的表现
噬菌体T4 E.coli B株 E.coli K（λ）株
rⅡ （大而清晰的噬菌斑） —
rⅡ （小而模糊的噬菌斑） （小而模糊的噬菌斑）
（2）rⅡ噬菌体的重组试验：Benzer将每一突变位点定名为一个突变子（muton），指一个基因内能发生变化产生突变表型的最小单位，它最少可包含一个核苷酸的改变。这些突变子分别被命名为r37、r47、r101、r106等。如果把两个不同的突变型进行混合感染E.coli B株后，把收集到的子代噬菌体再接种于E.coli B和E.coli K（λ）株上，在B株上能测出裂解液中的噬菌体数，它可包含野生型和两种突变型（rⅡ）；而在K株上只有野生型（rⅡ ）能生长，突变型却不能生长。如用r47 和r106混合感染E.coli B，收集裂解液分别接种E.coli B和E.coli K（λ）。结果在B株中能生长4种基因型：r47或r106（亲型）、r47-r106（双突变型）和r （交换后的野生型），但在E.coli K（λ）中只能生长r 。由于双突变型重组子（r47-r106）不能被检出，所以在计算这两个突变位点的交换频率时把r 重组子的数目乘以2。
根据很多二点杂交的结果，可以作一连锁图（图3-39）。从图上可以看出，在这一DNA区段中，有很多突交位点，而它们之间可以重组。噬菌体交换率的计算公式如上：
r47 r104 r101 r106 r51 r102
—|—————|————|—————|——————————|—————|———
1.3 1.0 1.6 1.9 1.6
A区 B区
图 3-39 噬菌体T4 rⅡ区部分连锁图
（3）互补试验：Benzer在发现rⅡ区不同突变子可以重组的现象后，又注意到rⅡ突变型可以分为两组：A和B。A组的一个突变型和B组的一个突变型同时感染大肠杆菌K时，可以互补。所谓互补（comp1ementation）是指两个突变型同时感染E.coli K时，可以互相弥补对方的缺陷，共同在体内增殖，引起细菌裂解，释放出大量的子代。可是A组内的两个突变型或B组内的两个突变型不能互补。可见A组或B组的一个突变型一个基因功能有缺陷可为同一组另一个突变型所补偿（图3-40）。
从试验结果看，A、B两区段各是一个功能单位，即顺反子（cistron），它是指决定一条多肽链合成的功能单位，顺反子平均约长1000对核苷酸或碱基。
（4）顺反子学说的内容：顺反子相当于一个结构基因，是遗传的一个功能单位，可决定一条多肽链的合成。而一个顺反子内可有很多个突变位点，其中任何一个核苷酸的改变都可形成一个突变子。两个不同的突变子之间可以发生交换，所以最小的交换子或重组子（recon）可以仅包含两对核苷酸。总之，一顺反子内可以有许多个突变子和重组子。
