第七章                 基因的结构和功能

基本概念

Beadle和Tatum的“一基因一酶”学说具体表现了基因和酶之间的特殊关系。这个学说表明每个基因控制单个酶的合成或激活其活性。一个较新的说法是“一基因—多肽”。

先天性代谢缺陷也提示了酶与基因之间的关系

血红蛋白结构异常是一种分子病。分子病的发现表明基因的突变会导致蛋白质结构的改变。

噬菌体突变型的基因内作图产生此区域的精细作图，表明突变和重组的单位是DNA分子中的碱基对，基因内部有不同的突变位点，且可以发生重组。

顺反测验又称为互补测验，它是指将两个拟等位基因分别处于顺式或反式构型以观察表型是否有功能来判断它们是否属于同一顺反子内。若顺式有功能反式也有功能，则两个拟等位基因不在同一顺反子内；若顺式有功能，而反式无功能，则两个拟等位基因在同一顺反子内。

顺反子（cis-troms）是Benzer提出的一个概念，是指编码一个蛋白质的全部组成所需信息的最短片段，即一个基因。它是通过顺反测验所测定的遗传功能单位。经典的基因概念认为基因既是一个重组单位，突变单位又是一个功能单位。而顺反子的概念认为基因仅是一个功能单位，基因内部的碱基对才是重组单位和突变单位。

    遗传学的研究始终围绕着一个中心，那就是基因的结构和功能。随着时间的推移，这方面的研究也在逐步的深入。摩尔根和他的弟子们通过艰苦卓越地工作将推测存在的遗传因子定位到了染色体上，并且呈线性排列。1927年Muller用X-射线引起了果蝇的突变，开始探索基因的结构和功能。在40年代初终于被正在摩尔根的麾下进行博士后研究的比德尔等所突变破，因此而获得了诺贝尔奖。

第一节       —基因—酶学说

一.        芽盘移植实验

   1902年英国的内科医生Garrod.A首先提出了酶与基因之间具有特殊关系的证据。当时他研究了四种遗传病（黑酸尿病，白化病，胱氨酸尿病和戊糖尿病），其中之一就是黑酸尿病（alcaptonuria），这是一种先天性代谢的酶缺陷，属隐性遗传病，患者由于黑尿酶氧化酶有缺陷，使代谢途经受阻，中间产物黑尿酶积聚在结缔组织内（图7-1），有部分随尿排出，尿暴露在空气中成黑色。当时Garrod就指出，这些疾病是由于控制某一代时步骤的酶活力的减退或缺失导致代谢阻滞的结果。他的发现和孟德尔的发现一样被埋没，直到30年代才重新发现他的学说。1952年发现了一种糖原贮积症（Von Gierke氏病），病人缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，从而证实了Garrod的推论。有关酶和基因之间的关系的另一重要证据是G.Beadle,和B.Ephrssi于1935年获得的。

斯特蒂文特（1919）报告了果蝇的朱砂眼突变型在一个雌雄嵌合体上回复成正常眼色，1933年比德尔和伊弗鲁西（Ephrussi）从此报告中得到启发，认为这可能是研究基因作用规律的一条线索。从而提出了采用成虫盘移植的方法来研究细胞内反应底物的改变对眼色的影响，但他们的课题申请未能得到洛克菲勒基全会的支持。作为加州理工学院生物学部主任的摩尔根敏锐地意识到这是一项具有挑战性的课题，毅然为他们提供了经费。在他们开展工作不久，一位研究昆虫变态的权威告诉他们俩人，这项移植实验是绝对行不通的。然而，他们

却成功了。1937发表了题为“在果蝇眼色素合成的生化遗传中基因和酶的关系”的论文。

野生型果蝇的眼色是鲜红的（bright red），这是由棕色和桔黄色两种色素混合的结果。有2个涉及棕色色素合成的基因，这2个基因任何一个发生突变都不能产生棕色色素，而导致形成桔黄色眼（vermilion），橙红色眼（cimnabar），和暗红色眼（scarlet）。

首先比德尔和伊弗鲁西分离了两组在成体中可发育成眼的芽盘（imaginal discs）。所谓芽盘也叫成虫盘是全变态昆虫蛹期的外表皮内陷所长成的组织块，其中包含中胚层细胞。这些组织块将发育成成虫的各种器官，而幼虫的大部分器官则雕亡。当一个眼睛的成虫盘由一个幼虫取下移植到另一个幼虫的腹部，这个芽盘将发育成眼的结构，当幼虫发育成成虫时这种眼的结构可以其腹部分离出来。他们将野生型的成虫盘移到突变型果蝇幼虫的腹部来研究（图7-2），结果如表7-1所示。移植的野生型芽盘发育成鲜红色眼结构。移植的芽盘的表型和其本身的遗传信息相一致，并未受到环境的影响，这种不受周围细胞影响，按照自身基因型发育的现象称为自主发育（autonomous developnent）。当他们将桔黄眼 (V)和橙红眼(Cn)

突变体的芽盘移到正常果蝇的虫中，结果发育成正常的鲜红色眼结构（表7-1，(2），（4））。这种受到周围细胞影响，不按自身基因型发育的现象称非自主发育（nonantonomous development），他们推测这是由于野生型受体组织能为V和Cn突变型芽盘提供某些本身缺乏的物质，使其避免了遗传缺陷所造成的生化反应链的中断，从而合成了棕色色素。接着比德尔等又将V和Cn突变芽盘交互移植（图7-2，（5）（6）），结果是桔黄眼（V）突变型芽盘在橙红色眼（Cn）突变型受体中能发育成正常鲜红色眼结构，而橙红眼（Cn）芽盘在桔黄眼果蝇体内却不能发育成正常眼色的眼结构，而仍然和其基因型一致为橙红色。表明桔黄色突变型幼虫不能为Cn芽盘提供合成棕色色素的必要物质，看来这也是一种互补效应。

根据这个结果比德尔等推测棕色素的合成所涉及的生化反应键至少有两种中间产物，图7-3表明果蝇眼色素合成的生化步骤，及V⁺ 基因和Cn⁺ 基因的相互关系。V突变型果蝇由于缺乏V⁺ 酶不能合成V⁺ 物质，所以反应中断，不能产生棕色色素，而另一条生化反应链是正常的，可以产生黄色的色素，结果果眼的眼色呈黄色。当将V突变型芽盘植入Cn突变型或野生型幼虫腹部时，周围的组织能提供其V⁺ 物质，而其Cn⁺是正常的，所以生化反应可以进行下去，直至合成棕色色素，和另一条链合成的桔黄色色素混合形成了鲜红色的野生型眼色；Cn突变型果蝇由于Cn酶的缺陷不能合成Cn⁺ 物质，而有V物质的积聚，这种中间产物和桔黄色色素混和产生突变型橙红色眼色，当Cn芽盘植入野生型果蝇幼虫腹部时，周围的组织可以提供给它Cn⁺ 物质，使生化反应可以继续进行而产生鲜红的色素，但Cn芽盘移植到V突变型幼虫腹时，周围的组织因V酶的缺乏，无法提供它所缺乏的Cn⁺ 物质，所以结果眼色仍呈橙红色。 以上表明一种基因控制着代谢的各个步骤，而每一步骤又都被特定的酶所控制，比德尔从巴黎返国时，经过斯坦福大学，在那儿，他和Tatum（塔特姆）合作,用化学方法鉴定与眼睛颜色相关的物质，但是失败了，而现在人们早已搞清了这一代谢途经的化学物质和酶。

二. —基因—酶学说

比德尔的芽盘移植实验已表明酶的特异性是在基因水平上来控制的，使基因和酶的关系已达到了“呼之欲出”的地步，但在当时的条件下，他们遇到了一个巨大的困难，那就是眼睛颜色相关物质鉴定，因此无法进一步确定基因和酶的关系。他们已意识到当时研究方法存在着一定的局限性：（1）研究者一般只局限于研究非致死性的遗传性状，这些性状在某种程度上与非主要反应有关；（2）研究所选用的性状必须具有明显的表型。这样的性状大都和形态变异有关，与他们有关的生化反应系统似乎都是相当复杂，很难分析的。此时摩尔根的研究室已采用了红色链孢霉（Nenrospora crassa）作为实验材料。比德尔和塔特姆认为这是一种理想的研究材料，因为（1）其遗传特性已了解清楚；（2）用射线或紫外照射孢子，很容易诱发突变；（3）可以在特定的培养基上生长，并能人工合成它所必需的全部物质。1940年他们又创立了一种研究代谢途经遗传控制的新方法，即用X射线处理诱发那些控制已知特异生化反应的基因,使之发生突变。如果菌体必须某种生化反应才能在一种特定的培养基上生存下来，那么一个不能完成这种反应的突变体在这种培养基上显然会死亡。但若在这种培养基中加入这个反应必需的主要产物，突变体就能成活的话，突变体就能保存下来，并用于研究。分离突变型的实验程序如图7-5所示，把一个个单个的红色链胞霉的孢子接种于含完全培养基（野生型和各种缺陷型都能生长）的多个试管中，然后把在完全培养基上长出的真菌转接到基本培养基上（仅野生型才能生长），他们发现有1/200的孢子只能在完全培养基上生长，从而推测这些孢子是突变子代。在这些孢子中可能由于一个基因的突变而阻断了一条基本代谢途经。突变体可以在完全培养基上生长，那是由于完全培养基提供了代谢所需要但本身又不能合成的物质。因此，为了识别不同的缺陷，就把突变体接种到一系列补加了各种氨基酸，维生素，嘌呤或嘧啶等的基本培养基上，若能生长，说明这种突变所缺乏的物质正是基本培养基上所补加的物质。他们用X射线诱导产生380种突变型，然后将它们进行杂交，对所产生的6800个以上的子囊孢子逐个进行了检查。这项研究终于得出了这样的结论：基因对控制特定的生化反应的酶的合成在起主要作用，即“—基因—酶（one gene-one enyme）”学说。

现举例说明，精氨酸合成代谢的一系列突变品系。首先人们发现四个突变位点分居于不同的染色体上。分别称为arg-E ,arg-F 和arg-G和arg-H。人们发现这四个位点每种缺陷型对鸟氨酸、爪氨酸、精氨琥珀酸和精氨酸的反应是不同的（表7-2），野生型菌株在基本培养基上可以生长，在基本培养基中不论加四种氨基酸中的任何一种，argF突变品系都能生长；argE 品系在加了鸟氨酸的培养基上仍不能生长，而加其余3种氨酸都能生长，arg G品系在加 了精氨琥珀酸或精氨酸时都能生长；而argH品系仅生长于加了精氨酸的培养基上。

这个实验说明argE品系是乙酰鸟氨酸酶的缺陷，从而不能合成鸟氨酸，使代谢键受阻，其它步骤的酶都是正常的，所以只要加鸟氨酸或鸟氨酸后面的任何一种产物，都可以使生化链得以完成，缺陷型链孢霉就得以成活，同理其它的缺陷品系也是表明了具有相应的酶缺陷。实验的结果和已知的精氨酸生物合成途经（图7-6）的顺序完全相符，很好地表明了一个基因控制一个酶的学说 。—基因—酶学说首先阐明了基因是通过对酶的控制来决定性状的，对以后基因的结构和功能的研究产生了深刻的影响，对分子遗传学的诞生起了重要的助产生的作用。因此1958年获得诺贝尔奖。但这一学说仍处在遗传学研究的初期，属于“经典遗传学”范畴，基因的概念仍是一个突变单位，重组单位和功能单位。这个学说也还不能说明基因如何控制酶的合成。这是由于历史的局限现在看来“—基因—酶学说”基本上仍是正确的，只不过人们已知道基因的功能是编码蛋白质，而蛋白质的功能是多样的，有结构蛋白，转运蛋白，免疫蛋白，受体蛋白等等，不限于酶这种形式，所以也有人认为这个学说称为“—基因—蛋白”更为合适；随着科学发展，人们又了解到有的蛋白并不是由一个基因控制合成的。如人类免疫球蛋白由两条重链和两条轻链组成，重链是由14号染色体上的基因编码，而轻链中的K链是由2号染色体编码，λ链是由22号染色体上的基因编码的，因此有人提出以“—基因—多肽”这一概念，无论怎么提法，其精髓是不变的。