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1、第十一章 遗传的分子基础在以上几章中，已说明了基因在染色体上，也讨论了基因与性状之间的关系。现在将进一步说明基因的化学本质是什么，基因是怎样来控制性状的。第一节 遗传物质是DNA（或RNA）要了解基因的化学本质是什么，首先要考虑基因所在的染色体的化学成分。染色体的化学成分很复杂，由DNA，两类蛋白质：组蛋白（histones）和非组蛋白（non-histones），以及RNA构成。DNA和组蛋白的分量大致相等，两者结合在一起，构成染色体的大部分。非组蛋白的比率有变化，RNA含量很低（图111）。图111染色体的化学组成。括号内的数字表示各成分的相对分量。染色体的主要成分是DNA和组蛋白，虽然这
2、两种成分都在基因功能上起着重要的作用，但多数证据证明，基因的主要特性由DNA决定，或者说遗传信息贮存在DNA中。DNA是遗传物质的间接证据 间接证据很多，主要有下列各点：（1） DNA通常只在核中的染色体上找到。也有某些例外，例如细胞质中的线粒体和叶绿体等有它们自己的 DNA，但这些结构能自体复制，有它们自己的遗传连续性。（2）同一种生物，不论年龄大小，不论身体的那一种组织，在一定条件下，每个细胞核的DNA含量基本上是相同的，而精子的DNA 含量正好是体细胞的一半（表11-1）。蛋白质等其它化学物质不符合这种情况。（3）同一种生物的各种细胞中，DNA在量上恒定，在质上也恒定；相反地，蛋白质在量
3、上不恒定，在质上也不恒定。例如在某些鱼类中，它们的染色体的蛋白质一般都是组蛋白，且含有少量RNA，而在成熟精子中，组蛋白完全不见了，全都是精蛋白了，RNA的含量也测不出，可见蛋白质在质量上也不是恒定的，不符合遗传物质对稳定性的要求。（4）各类生物中，能改变DNA结构的化学物质都可引起突变。DNA是遗传物质的直接证据 如果DNA确是遗传物质，那末能不能把DNA和蛋白质分开，单独观察DNA的作用呢？这些实验已在微生物中做了。下面我们就以微生物为例，证明遗传物质确是DNA（或RNA）。（1）噬菌体的感染 噬菌体的分子组成比较简单。噬菌体T2约有60的蛋白质和40的DNA，蛋白质构成它的外壳，而DNA
4、藏在它的头部中。当一个噬菌体感染大肠杆菌时，它的尾部吸附在菌体上。细菌被感染后，它不再繁殖，在菌体内形成大量的噬菌体，接着菌体裂解，几十个到几百个跟原来一样的噬菌体就释放出来。那末噬菌体感染细菌时，进入菌体的是蛋白质，还是DNA呢？也就是说，在噬菌体的生活史中，连接亲代和子代噬菌体的物质是什么呢？硫仅存在于T2的蛋白质组分中，因为构成蛋白质的氨基酸中，甲硫氨酸和半胱氨酸是含有硫的，而DNA中从未发现过；相反，磷主要存在于DNA组分中，至少占T2中磷含量的 99。所以Hershey和Chase（1952）用放射性同位素35S来标记蛋白质，32P来标记DNA。把宿主细菌培养在含有35S的培养基中，
5、或培养在含有32P的培养基中。宿主细菌在生长过程中，就被35S标记上了，或被32P标记上了。两种放射性同位素不能放在同一培养基中，因为两种同位素同时存在时，不易把它们区分开来。然后标记了的细菌用T2噬菌体去感染。噬菌体在细菌细胞内增殖，裂解后，释放出很多子代噬菌体来。这些子代噬菌体被宿主菌的放射性同位素标记上了，或被标上35S，或被标上32P。实验的第二步，用标记了的噬菌体去感染未标记的细菌，然后测定宿主细胞的同位素标记。用35S标记的噬菌体感染时，宿主细胞内很少有同位素标记；而大多数的35S标记的噬菌体蛋白质附着在宿主细胞的外面在感染噬菌体的外壳中。用32P标记的噬菌体感染时，在蛋白质外壳中
6、很少有放射性同位素，而大多数的放射性标记在宿主细胞内（图112）。所以在感染时进入细菌的主要是DNA，而大多数蛋白质在细菌的外面。这样看来，噬菌体注入细菌的物质是DNA，释放的是跟原来一样的噬菌体，可见在噬菌体的生活史中，只有DNA是连续物质，所以说 DNA是遗传物质。（2）烟草花叶病病毒的重建 对病毒的研究逐渐深入以后，发现好多病毒含有RNA和蛋白质，却没有DNA。应用RNA病毒进行病毒重建实验，证明在只有RNA，而不具有DNA的病毒中，RNA是遗传物质。这实验是用烟草花叶病病毒（tobacco mosaic virus，TMV）进行的（Fraenkel Conrat， 1956）。TMV是
7、一种RNA病毒，它有一圆筒状的蛋白质外壳，由很多相同的蛋白质亚基组成；内中有一单链RNA分子，沿着内壁在蛋白质亚基间盘旋着（图113）。约含有6的 RNA和 94的蛋白质。那末在这种 RNA病毒中，遗传信息在RNA上，还是在蛋白质上呢？把TMV在水和苯酚中震荡，把病毒的RNA和蛋白质分开，分别去感染烟草。单是病毒的蛋白质，不能使烟草感染；单是病毒的RNA，可以使烟草感染，病毒RNA进入叶子细胞，进行繁殖，产生正常的病毒后裔。单是RNA的感染效率很差，可能因为RNA裸露，在感染过程中容易被酶所降解。用RNA酶处理RNA，就完全失去感染力。TMV有很多株系，它们可以根据寄主植物的不同和在寄主植物叶
8、片上形成的病斑的差异来加以区别。例如有两株系，它们的外壳蛋白就不同： S株系（standard strain）的外壳蛋白不具有组氨酸和甲硫氨酸，而HR株系（Holmes Rib Grass strain）含有这两种氨基酸。FraenkelConrat利用分离而后聚合的方法，先取得S株系的蛋白质外壳和HR株系的RNA，然后把它们结合起来，形成杂种病毒（图114，5）。这些杂种病毒，有着S株系的外壳，可被抗S株系的抗体所失活，但不受对HR株系制备的抗体所影响。当杂种病毒用来感染烟草时，病斑总是跟RNA授体的病斑一样，从病斑分离的病毒可被对HR株系制备的抗体所失活。所以显而易见，第二代病毒颗粒具有H
9、R株系的RNA和HR株系的蛋白质外壳。把HR株系的蛋白质和S株系的RNA结合起来，形成杂种病毒。把重建的病毒来感染烟草，也得到类似的结果。此外，小儿麻痹症病毒的RNA，脑炎病毒的RNA，都可单独地引起感染。所以我们可以这样说，在不含DNA，而只含有RNA的病毒中，复制和形成新病毒颗粒所必需的遗传信息是携带在RNA上。（3）肺炎球菌的转化DNA是遗传物质的证据主要来自肺炎球菌（Diplococcus pneumoniae，或简写为 pneumococcus）的实验。肺炎球菌能引起人的肺炎和小鼠的败血症（septicemia）。已知有很多不同菌株（strains），但只有光滑型（S）菌株能引起疾病
10、。这些有毒菌株在每一细胞外面有多糖类的胶状荚膜，保护它们，使它们可以不被宿主的正常的防护机构所破坏；当生长在合成培养基上时，每一细菌长成一个明亮的光滑菌落。另外一些菌株没有荚膜，不引起病症，长成粗糙型（R）菌落。 Griffith（1928）发现，用热杀死的S型细菌和活的无毒的R型细菌注射到小鼠中，不仅很多小鼠因败血症而死亡，而且从它们的心脏血液中找到活的S型细菌（图116）。活的R型细菌，或死的S型细菌分别注射时，都不引起败血症。这说明，用热杀死的S型细菌把某些R型细菌转化为S型细菌，S型细菌有一种物质或转化因素（transformingprinciple）能够进入R型细菌，并引起稳定的遗传
11、变异。Avery和他的同事经过10年工作，在离体条件下完成了转化过程，而不是在活体中。他们把DNA，蛋白质和荚膜物质从活的S型细菌中抽提出来，把每一成分跟活的R型细菌混和，悬浮在合成培养液中。他们发现，DNA组分，而且只有DNA组分，能够把某一R型细菌转变为S型。而且DNA的纯度越高，这种转化过程愈加有效。如果DNA用DNA酶（DNase）处理，使DNA分解，就不出现转化现象。其它的酶对抽提物的转化能力没有影响。所以从一种基因型的细胞来的DNA掺入到另一不同基因型的细胞中，可引起稳定的遗传变异；DNA赋有特定的遗传特性，是遗传物质。我们现在毫不迟疑地接受这个证据，认为DNA是遗传物质。但是在A
12、very等的实验刚发表的时候（1944），人们还是以怀疑的眼光看待这个实验的。虽然已证明，DNA酶破坏了转化作用，但仍有人争辩说，转化是DNA中蛋白质不纯物的结果，蛋白质才是有作用的因素。随后科学工作者继续纯化DNA，证明蛋白质不可能是转化因素。直到1949年，蛋白质杂质已降低到仅仅是0.02，得到的高度纯化的DNA不仅仍可引起转化，而且DNA纯度越高，转化频率也越高。以后转化试验在多种细菌和培养细胞中取得成功，也有报导在真核类生物，如果蝇、家蚕等取得成功的（表112）。这些转化实验看上去很像定向诱变，也就是用特定处理，诱发特定变异；其实这是由于转化时，供体DNA的一部分整合到受体细胞的DNA
13、中的缘故。Fox-Allen（1964）在肺炎双球菌中， Bodmer-Ganesen（1964）在枯草杆菌中，用同位素标记供体DNA进行转化实验，都证明了这一点。这样，转化是一个直接证据，证明性状本身是不遗传的。在本实验中，多糖类是不遗传的；而遗传物质才是遗传的。这遗传物质现在已多方面证明是DNA（有时RNA）。以上几个实验告诉我们，在含DNA的生物中，DNA是遗传物质，在不含DNA而只含有RNA的病毒中，RNA是遗传物质第二节 DNA的分子结构与复制DNA是遗传物质，那么它的分子结构是怎样的，它能符合遗传物质的多样化的要求吗？它的复制方式是怎样的，它能符合遗传物质的恒定性的要求吗？两种核酸
14、和它们的分布 DNA和RNA都是核酸（nucleicacids）。在说明DNA的结构和复制以前，先说明一下这两种核酸的化学组成和它们的分布。核酸是一种高分子化合物，它的单体是核苷酸（nucleotide）。每一核苷酸由三部分组成，一个磷酸分子，一个糖分子，一个碱基，碱基可以是嘌呤或嘧啶。两种核酸的化学成分的相同和差异见表113。高等动植物体内，绝大部分的DNA在细胞核内的染色体上，它是构成染色体的主要成分。有少量的DNA在细胞质中，它存在于叶绿体，线粒体等细胞器内。 RNA在细胞核和细胞质中都有，核内则更多地集合在核仁上，少量在染色体上。细菌也含有DNA和RNA。多数细菌病毒（噬菌体）只有DN
15、A，植物病毒大多数是RNA，少数是DNA，动物病毒有些含有RNA，有些含有DNA。DNA的化学结构 DNA分子是核苷酸的多聚体。核苷酸是碱基跟脱氧核糖和磷酸连接起来构成的（图117）。因为碱基通常有4种，所以核苷酸也有4种，它们的名称是腺嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。DNA分子就是这4种脱氧核苷酸的多聚体（图118），所以也叫做多核苷酸（polynucleotide）。核苷酸单体的联结通过磷酸残基。每一磷酸残基通过磷酸二酯键（phosphodiester bond）把一个脱氧核糖分子的3碳原子与下一个脱氧核糖的5碳原子相联结（图 11-8）。这一点很重
16、要，因为这个不对称性，所以DNA分子有极性（polarity）。如果分子从碳原子在5位置的那一端开始，那末分子的另一端一定有一个碳原子在3位置。由于这种极性，如果一个核苷酸对其它的核苷酸的关系颠倒了，那么这个核苷酸就不能联结到延伸中的多核苷酸链（polynucleotide chain）上。DNA的模型 DNA分子的结构是Watson和Crick最初阐明的。他们从两个线索开始：（1）大量的结晶资料已经累积起来。用X线照射DNA分子，观察射线在照相底片上产生的点子，计算点子的分散角度。每一点子的分散角度代表DNA分子中的一个原子的位置或若干原子团（groups of atoms）的位置。这个技术极为复杂，计算点子的分
