第二节　遗传的物质基础

（一）遗传的分子基础

每个生物体的遗传基础是它的基因组（genome），长串的脱氧核糖核酸序列，携带了生物体的整套遗传信息。弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）发现细菌转化现象，为“DNA是遗传物质”提供了实验依据。1953年，沃森和克里克构建了DNA双螺旋结构模型，为遗传学进入分子水平奠定了基础。

1.DNA分子结构

DNA的基本单位脱氧核苷酸由含氮碱基（base）、磷酸（phosphoric acid）、脱氧核糖（deoxyribose）三部分组成。含氮碱基分腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T），如图1-2-1。因此，组成DNA的脱氧核苷酸有以下四种：腺嘌呤脱氧核苷酸（dAMP）、鸟嘌呤脱氧核苷酸（dGMP）、胞嘧啶脱氧核苷酸（dCMP）和胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP）。

沃森和克里克构建的DNA分子双螺旋结构模型主要观点如下：①DNA由两条多核苷酸链组成；②双螺旋中的两条多核苷酸链以碱基通过氢键相连（即碱基配对），其中G只能与C形成氢键，A仅能与T形成氢键；③两条多核苷酸链反向平行，脱氧核糖-磷酸骨架位于双螺旋外侧，碱基在内侧。如图1-2-2。

2.DNA复制

DNA分子贮存着丰富的遗传信息，遗传信息的正确复制非常关键。大致过程如下：在解旋酶（helicase）的作用下，DNA双螺旋的多核苷酸链解开成为两条平行的单链（亲链）；在DNA聚合酶（DNA polymerase，DNA pol）的作用下，以解开的亲链为模板，以四种脱氧核苷酸为原料，按碱基互补配对原则合成与亲链互补的子链；DNA双链中每一条单链都可作为亲链合成子链，每一个亲代双螺旋DNA分子通过复制形成两个子代DNA分子，新合成的两个子代DNA分子各含有一条亲链和一条新合成的子链，与亲代DNA序列一致，这种复制方式称DNA半保留复制。

两个子代DNA分子通过细胞分裂分别传递给两个子细胞，DNA半保留复制将亲代细胞的遗传信息全盘复制给子代细胞，保证了遗传物质的稳定。

3.基因基本结构

从功能的角度来说，基因组（genome）是由若干基因（gene）组成的，每个基因都是一段DNA序列，转录为一种（或多种）RNA，编码一条（或多条）多肽链。真核生物和原核生物的基因结构不同。原核生物基因是一段连续编码的DNA序列，而真核生物大多数基因的编码序列是不连续的，被非编码序列隔开，称为断裂基因（split gene）。

断裂基因包括外显子（exon）和内含子（intron）。外显子指包含在成熟RNA中的序列，成熟转录产物起始于该基因第一个外显子的5′端，终止于最末一个外显子的3′端；内含子为两个外显子之间的插入序列，其在前体RNA加工为成熟RNA的过程中被移除。外显子区既包括基因的编码序列，还含有5′非翻译区（5′UTR）及3′非翻译区（3′UTR）。

在真核生物基因的第一个外显子和最后一个外显子外侧还有一些侧翼序列，这些序列对调控基因的表达起重要作用，包括启动子（promoter）、增强子（enhancer）和终止子（terminator）等。启动子是位于基因转录起始位点（transcription start site，TSS）上游的一段DNA序列，可与特定的RNA聚合酶（RNA polymerase）识别、结合并启动下游基因的转录。增强子位于转录起始位点的上游或下游，其作用是增强启动子效应，与基因的转录启动无关。终止子为一段具有终止转录功能的DNA序列，当RNA聚合酶到达终止子位置时转录停止。

4.人类基因组组成

人类基因组DNA序列共包含32亿个碱基对，其中仅约1.5%的序列为编码蛋白质序列，此外还有约5%的序列为基因表达的调控序列，这些序列在生命过程的各个阶段都发挥了重要作用。

基因组约一半的序列为单拷贝，或称为唯一DNA（unique DNA），即DNA序列的线性碱基排列在整个基因组中仅出现1次（或少数几次），蛋白编码序列属于该类别。基因组的另一半为重复DNA序列，其重复的序列在基因组出现上百次至百万次，这种序列在维持染色体结构上发挥重要作用并且是个体基因组差异的重要来源，在人类遗传病中也发挥了重要作用；根据重复序列分布差异可分为成簇出现的串联重复序列，包括短串联重复（short tandem repeat，STR）、可变数目串联重复（variable number of tandem repeat，VNTR）、卫星DNA（satellite DNA）和散在分布的重复序列。散在分布重复序列又包括短散在重复序列（SINE）、长散在重复序列（LINE）和其他转座因子序列。

（二）遗传的细胞学基础

1.染色体

从物质形态来讲，基因组并非裸露的DNA双螺旋序列，而是由特化的蛋白组装DNA序列并压缩形成的染色体。人类基因组包括细胞核内的46条染色体及线粒体DNA。每条染色体包含一条非常长的DNA分子，由若干基因组成，负载着遗传信息在亲子代之间传递。

2.线粒体基因组

人类线粒体基因组也被称为“第25号染色体”或“M染色体”，共包含37个基因，其中22个编码转运RNA（tRNA）、2个编码核糖体RNA（rRNA），13个编码多肽；线粒体基因没有内含子，几乎每一对核苷酸都参与一个基因的组成。

3.细胞分裂

人的生命从受精卵开始，经过一系列复杂而有序的变化，包括细胞分裂、生长、分化和形态发生，逐步形成一个与亲代相似的新个体。人类在生长、生殖和损伤修复的过程中都需要经过细胞分裂。细胞通过有丝分裂，使亲代细胞的染色体复制加倍后再均等地分给两个子代细胞，确保了遗传物质的连续和稳定；细胞减数分裂是亲代与子代之间染色体数目相对稳定的基础，保证了遗传物质的稳定传递。

（夏　昆　胡正茂）