第一节　分子遗传学的含义及其研究任务

一、分子遗传学概述

（一）分子遗传学含义

分子遗传学主要研究范畴涵盖基因在生命系统中的储存和组织结构，基因的复制与传递的分子机制，基因表达与调控规律，基因表达产物的结构与功能，基因变异的分子机制，基因在控制细胞分裂、生长和分化以及形态发生与个体发育中的作用机制。

作为遗传学的分支学科，分子遗传学研究方法与经典遗传学不太相同，经典遗传学以杂交为主要实验方法，通过观察比较生物体亲代和杂交后代的性状变化，分析数量，来了解与生物性状相关的基因及其突变与传递规律，即为正向遗传学（forward genetics），其主要是从生物体性状改变来研究基因。而分子遗传学则是通过物理学和化学的原理和实验技术，在分子水平上揭示基因的结构和功能，以及两者之间的关系，即为反向遗传学（reverse genetics），其主要从基因结构角度来研究基因功能。

（二）分子遗传学研究方法

分子遗传学的研究方法主要有以下两种。

1.建立模型

通过观察的现象或获得的实验结果建立一种模型来研究分析，以揭示其分子机制。如双螺旋模型、操纵子模型等。

2.理化实验和构象分析

分子遗传学常用DNA（或RNA）的抽提、分离、纯化、测序、酶切、电泳、分子杂交、定点突变、体外扩增（PCR）、体外表达和基因打靶等理化实验方法。在对DNA大分子结构的研究中还经常应用电子显微镜技术。在对某些调节因子及酶的结构分析中也常用X射线衍射技术。基因组学出现后，分子遗传学的某些领域（如分子进化）便常用到生物信息学的相关方法。

二、分子遗传学的研究任务

（一）遗传物质分子结构和传递机制

主要研究遗传物质的DNA或RNA的结构和传递机制，所有遗传物质必备以下4个特点：①储存并表达遗传信息。②可将遗传信息进行生物传递至后代。③物理和化学性质稳定。④含有遗传重组和变异的信息。1953年提出DNA双螺旋结构模型，表明DNA序列由不同的核苷酸排列而成，且携带遗传信息，同时还精确阐明了遗传信息的复制与传递，尤其是通过DNA双链分子的“半保留复制”（semiconservative replication），由亲链（parental chain）产生了两个与亲链完全相同的DNA双链分子，即两个子链DNA分子（progeny DNA molecular），保证了遗传物质从亲代向子代的传递，为分子遗传学的诞生奠定了理论基础。某些病毒（主要是反转录病毒）以RNA为遗传物质，也是通过其互补链的合成来实现复制，从而储存与传递遗传信息。

（二）遗传信息表达的分子机制

遗传物质除了能够精确复制和传递，还需要有控制性状表达实现功能的机制。由于生命活动和功能的表达是通过蛋白质来实现的，蛋白质为生命体的基本结构。且不同生物有稳定遗传的不同结构和性状，这些都与基因有关，可见基因决定生物的遗传性状是通过蛋白质来实现的。基因将所携带的遗传信息传递给蛋白质，不同基因决定不同蛋白质。20世纪50年代Crick提出中心法则（central dogma），说明了遗传信息的流动方向，即遗传信息的复制、转录、翻译形成蛋白质的全过程，具体如图1-1所示。

（三）基因和基因组的结构与功能

任何一种生物的基因组都具有单倍体细胞内所含的整套染色体（chromosome），含有一套完整遗传信息，可决定该生物体遗传特性。基因组中每条染色体由一个DNA分子组成，且每个DNA分子都包含很多基因。在人类基因组和多种生物基因组测序完成的基础上，分子遗传学的研究任务不但是研究单个基因的结构与功能，且还要关注生物整个基因组的结构与功能，从全新的视角探讨遗传与变异、结构与功能以及健康与疾病等的分子机制。

（四）基因表达调控的分子机制

基因表达（gene expression）是指基因通过转录和翻译最终产生功能产物的过程。这些功能产物为蛋白质或RNA（如tRNA、rRNA等）。生物在不同环境条件下或在不同发育时期，不同组织或器官中，尽管具有相同的基因组，但是其表达产物是不同的。显然基因表达过程受到一系列的精确调控，调控可发生在基因表达的任何阶段。

20世纪60年代，Jacob和Monod提出的大肠杆菌乳糖操纵子模型已表明，遗传信息的表达与调控是统一的，基因不仅是遗传信息的载体，同时又具有调控基因表达活性的功能。这一套相互制约的基因使生物在不同环境条件下表现出不同的遗传特性。该模型为研究基因表达调控的分子机制奠定了基础。

（五）生物遗传变异的分子机制

通常来说遗传物质不但储存和传递遗传信息，且还应含有变异的分子基础，这是由于生命过程是一个遗传和不断变化的动态过程，故生物得以进化。而生物遗传变异的主要是进化中决定性状的基因或基因载体染色体出现改变所致。基因突变、染色体数目和结构的变异以及遗传重组是导致基因或基因组不断变化的主要因素，但其对应分子机制各不相同。此外，基因组中转座因子的位置移动和插入也会带来各种效应的突变。三核苷酸扩增急剧增加的动态突变，也同样可导致基因组不稳定。虽然引起遗传变异的各种类型的机制不完全相同，但其共同的分子基础相同，即改变了基因组DNA序列。

（六）基因控制细胞分化和发育的分子机制

发育是生物的共同属性，也是生物遗传和变异的全过程，研究表明基因控制着发育的图式形成（pattern formation）；发育是在特定的时间和空间基因差异表达（temporal-spa-tial differential gene expression）的结果，是生物体基因型与内外环境因子相互作用并逐步转化为表型的过程，具体如图1-2所示。

随着人类基因组计划和一些重要动植物基因组计划的完成，功能基因组的研究已成为重要课题，而发育生物学正是研究基因组功能的主要领域。目前发育生物学的研究真正在分子水平以基因和基因组为对象，研究各类生物基因组在发育不同的时空中，基因差异表达和调控的网络，以揭示细胞分化、发育、生殖、遗传、变异以及癌变和衰老等发育生物学全过程的分子机制，进一步认识许多重大生物学问题的分子机制。