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遗传学(下)刘祖洞第二版


第九章 遗传物质的改变(一)染色体畸变 应用前几章中讲过的一些遗传学基本定律,如分离和组合、连锁与交换,可在子代中得 到亲代所不表现的新性状,或性状的新组合。但这些“新”性状,追溯起来并不是真正的新 性状, 都是它们祖先中原来有的。 只有遗传物质的改变, 才出现新的基因, 形成新的基因型, 产生新的表型。 遗传物质的改变,称作突变(mutation)。突变可以分为两大类:(1)染

色体数目的 改变和结构的改变,这些改变一般可在显微镜下看到;(2)基因突变或点突变(genic or pointmutations),这些突变通常在表型上有所表达。但在传统上,突变这一术语留给基因 突变,而较明显的染色体改变,称为染色体变异或畸变(chromosomal variations or aberrations)。 第一节 染色体结构的改变 因为一个染色体上排列着很多基因, 所以不仅染色体数目的变异可以引起遗传信息的改 变,而且染色体结构的变化,也可引起遗传信息的改变。 一般认为,染色体的结构变异起因于染色体或它的亚单位——染色单体的断裂 (breakage) 。 每一断裂产生两个断裂端, 这些断裂端可以沿着下面三条途径中的一条发展: (1)它们保持原状,不愈合,没有着丝粒的染色体片段(seg-ment)最后丢失。 (2)同一断裂的两个断裂端重新愈合或重建(restitution),回复到原来的染色体结 构。 (3)某一断裂的一个或两个断裂端,可以跟另一断裂所产生的断裂端连接,引起非重 建性愈合(nonrestitution union)。 依据断裂的数目和位置, 断裂端是否连接, 以及连接的方式, 可以产生各种染色体变异, 主要的有下列四种(图 9-1):

(1)缺失(deletion 或 deficiency)——染色体失去了片段;

(2)重复(duplication 或 repeat)——染色体增加了片段; (3)倒位(inversion)——染色体片段作 180°的颠倒,造成染色体内的重新排列; (4)易位(translocation)——非同源染色体间相互交换染色体片段,造成染色体间 的重新排列。 下面先介绍研究染色体畸变的几种材料, 再讨论各种染色体畸变, 说明它们的遗传学效 应,最后再说明一个育种上应用的例子。 研究染色体畸变的几种好材料 每种生物的每个细胞都有一定数目的染色体,各个染色 体的形状也是恒定的。所以如果它们的数目或形状改变了,就可以知道有了畸变。 例如玉米的染色体就是研究染色体畸变的好材料。玉米的 10 条染色体在形态上可以互 相区别(图 3-2)。 特别是在减数分裂的粗线期, 那时染色体是细长的染色丝, 两条同源染色丝紧密地配合 在一起。细长的细线上又有各种标记,如着丝粒的位置,两臂的相对长短,球节(knob)的 存在与否,和染色丝上着色较浓的染色粒(chromomere)的分布等(图 9—2)。对每一染 色体来讲, 这些标记都是以一定的形式直线地排列着, 所以如果这些标记不见了或重复出现, 或者它们的原有排列顺序改变了,就是染色体畸变的明确证据。

果蝇的染色体在减数分裂时,形状很小,研究不易。可是果蝇和其它双翅目昆虫的幼虫 唾腺细胞中, 核特别大, 其中的染色体比减数分裂时的染色体和其它体细胞的染色体要大上 几百倍。

图 9-3 是黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)的唾腺染色体。图 9-4 是普通染色体 与唾腺染色体的对照模式, 这模式说明唾腺染色体是怎样形成的。 唾腺染色体上有明显的横 纹,横纹的相对大小和空间排列是恒定的,可以作为识别唾腺染色体的标志。这些横纹在染 色后看得特别清楚, 但是在不染色的活细胞中也可明晰地看到。 一般认为唾腺染色体是处于 间期或前期状态。由于唾腺细胞内的染色体连续复制,复制后形成的染色丝并不相互分开, 而是纵向地密集在一起,所以唾腺染色体是多线染色体(polytene chromo-some)。多线染 色体中每一染色丝是一条跟蛋白质结合在一起的 DNA 双链, 据说在两条横纹之间的区域, 其 螺旋化程度较低,而在横纹的地方,螺旋化程度要高一些,但总的说来,比其它体细胞染色 体还是低得多。 因为同源的唾腺染色体总是紧密地结合在一起, 象在减数分裂的粗线期一样, 所以两条 同源染色体间有差别时,很容易看出来。由于这些原因,唾腺染色体也是研究染色体畸变的 好材料。

缺失 当染色体的一个片段不见了,其中所含的基因也随之丧失了。如果同源染色体中 一条染色体有缺失,而另一条染色体是正常的,那末在同源染色体相互配对时,因为一条染 色体缺了一个片段,它的同源染色体在这一段不能配对,因此拱了起来,形成一个弧状的结 构(图 9-5)。

缺失影响个体的生活力。如果缺失的部分太大,那个体通常是不能生活的。一般缺失纯 合体的生活力比缺失杂合体的生活力更低,这是容易理解的,因为在纯合体中,缺失基因所 担负的重要机能都不能进行了。 不致死的缺失往往引起不寻常的表型效应。一个杂合体 Aa,缺失了带有显性基因 A 的 一个染色体片段,隐性基因 a 就在表型上显现出来。例如在玉米中,糊粉层核是 3n,如果 除了显性基因 C 以外, 其它对色素形成所需要的基因都存在, 那末基因型 Ccc 的糊粉层是有 色的。 假使带有显性基因 C 的那个染色体的端部有了缺失, 那末在有丝分裂过程中, 经过 “断 裂·融合·桥的循环”(breakage-fusion-bridge cycle),显性基因 C 所在的那个染色体 片段可能从某些细胞中消失,结果糊粉层是花斑,那就是说,一个籽粒的糊粉层上,有色组

织和无色组织掺杂在一起。图 9-6 说明这样的花斑是怎样起源的。因为一个显性基因的缺 失, 致使原来不应显现出来的一个隐性等位基因的效应显现了出来, 所以这种现象叫做拟显 性现象(pseudodominance)。

通常缺失本身也可引起独特的表型效应。例如在果蝇中,缺失 Notch(缺刻翅)处于杂 合态时,翅缘上产生一个明显的凹口,而在雄性果蝇中是致死的,所以它的作用像一个隐性 致死基因,而有显性的表型效应。Notch 或者牵涉到包括 3C7 在内的唾腺染色体的较长一段 的缺失,或者仅限于 3C7 这一特定区域的缺失,但都使小眼不齐基因(facet,fa)出现拟 显性现象,所以 fa 基因一定是在 3C7 这一横纹之中(见图 9-7)。

在人中,染色体缺失通常也显示有害影响。例如第 5 染色体短臂缺失(5P )的儿童出 现一系列症状,包括两眼距离较远,耳位低下,智力迟钝,生活力差等,患儿多在生命早期 死亡。 患儿最明显特征是哭声轻, 音调高, 很像猫叫, 所以称为猫叫综合征 ( “cri-du-chat” syndrome)。 重复 除了正常的染色体组(chromosome complement)以外,多了一些染色体部分,这 种额外的染色体部分叫做重复片段。 重复可以发生在同一染色体上的邻近位置, 也可在同一 染色体的其它地方,甚至也可在其它染色体上。如果一条染色体有重复的片段,而另一染色 体是正常的, 那末在粗线期染色体或唾腺染色体上也出现一个弧状的结构, 不过这时拱出来 的一段是重复的片段,因为它的同源染色体上没有这一段,不能配对,所以就拱了出来。 染色体重复了一个片段, 这额外片段上的基因也随之重复了。 重复的遗传学效应比缺失 来得缓和,但重复太大,也会影响个体的生活力,甚而引起个体的死亡。 我们在图 9-6 中已经清楚地表明,在玉米中,断裂·融合·桥的循环可以产生缺失, 同时也会引起重复。如果重复的片段包括糊粉层色素基因 C,那末一个核内显性基因的数目 就可有各种变化,或是一个、两个,或是三个、四个,甚而更多一些。当基因数目有这样一 系列变化的时候, 胚乳花斑上的色泽强度往往也出现从浅到深的顺序变化, 暗示着色泽的深 浅可能跟显性基因的数目有对应关系。 鉴于在正常糊粉层中, 有一个显性基因 C, 颜色最浅, 有两个显性基因 C,颜色深些,而有三个显性基因 C 颜色最深,就为我们色泽强度和基因数 目有对应关系的推论进一步提供了实验的根据。 染色体的某些区域的重复可以产生特定的表型效应, 像基因一样。 例如果蝇的显性基因 B(Bar,棒眼)的主要表型效应是使复眼中的小眼数减少,所以复眼呈棒状,而不是正常的 卵圆形。从唾腺染色体来看,知道棒眼果蝇的 X 染色体上至少有 4 个明显的横纹重复了。这 种重复可能是由不等交换(unequal crossover)产生的。纯合的棒眼雌蝇(B/B)所产生 的子裔中,大约有 1/1600 的机会复眼极度细小,叫做重棒眼(BB,double bar)。检查这 种个体的唾腺染色体,发现有 4 个明显横纹的区域又重复了一次,计有三份。可见这个区域 的重复,有累加作用,重复次数增加,复眼中的小眼数减少(图 9-8)。

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一般讲, 重复难以检出, 但从进化观点来讲是很重要的; 因为它们提供额外的遗传物质, 有可能执行新的功能。这将在第十五章的“新基因怎样起源的”一节中详细说明。 易位 一条染色体的一段搭到一条非同源染色体上去,叫做易位。如果两条非同源染色 体互相交换染色体片断,叫做相互易位(reciprocal translocation)。设一条染色体的直 线分化顺序是 ABCDE,另一条染色体的直线分化顺序是 LMNO,则相互易位的结果,可以出现 有两条新顺序的染色体 ABCNO 和 LMDE (图 9-9) 。 相互易位的两个染色体片段可以是等长的, 也可以是不等长的。

易位的细胞学效应比较复杂, 我们这里的讨论只限于最常见的相互易位。 相互易位的纯 合体没有明显的细胞学特征, 它们在减数分裂时的配对是正常的, 所以跟原来的未易位的染 色体相似,可以从一个细胞世代传到另一细胞世代。在易位杂合体中,在粗线期时,由于同 源部分的紧密配对,出现了富有特征性的十字形图像。以后随着分裂过程的进行,十字形图 像逐渐开放,成为一个圆圈或 8 字形(图 9-10)。在花粉母细胞中,大约有 50%的图形呈 圆形,50%的图形呈 8 字形,说明 4 个着丝粒趋向两极是随机的。

从图 9-10 可以看到, 如果相互易位的两对染色体形成一个大圆圈, 那末不论那两个邻 近的染色体分到同一极去,都使所形成的细胞造成重复和缺失。所以邻近分离(adjacent segregation)形成不平衡配子,常有致死效应。如果相互易位的两对染色体形成 8 字形, 两个邻近的染色体交互地分向两极, 这样每一细胞才能有一套完整的染色体。 然而交互分离 (alternate segregation)时,易位染色体和非易位染色体进入不同配子中,所以这种分 离的结果是,非同源染色体上的基因间的自由组合受到严重抑制,出现假连锁现象 (pseudolinkage)。这是易位的一个遗传学效应。这在果蝇雄体中尤其清楚,因为果蝇雄 体没有交换,是完全连锁的。 例如雄蝇对第 2 和第 3 染色体的易位(2—3)是杂合体,而在非易位的第 2 和第 3 染 色体上分别带有基因 bw(brown eye,褐眼)和 e(ebony body,黑檀体)。当易位杂合体 雄蝇用纯合的隐性雌蝇回交时,只产生野生型(bw/+e/+)和双突变体(bw/bwe/e);而 单一突变型褐眼(bw/bwe/+),黑檀体(bw/+e/e)都不会在子裔中出现的。因为它们有缺 失和重复,所以不能存活(图 9-11)。

上面已谈到过,一个易位杂合体在形成配子时,一部分细胞中的染色体有缺失和重复, 因而相互易位可以引起合子的不良遗传效应,甚而致死。例如在人类中,发现有一个体,除 有正常染色体 7 和正常染色体 9 外, 还有相互易位后形成的一个衍生染色体 7 和一个衍生染 色体 9(图 9-12),是一个 7/9 易位携带者。这个体的遗传物质没有什么缺失和重复,可 以说是平衡的,所以是表型正常的平衡易位携带者(balanced translocation carrier)。 但是易位染色体以杂合态存在, 影响减数分裂时染色体的正常分离, 所以平衡易位携带者除 产生平衡配子外,还产生不平衡配子(图 9-13)。平衡配子与正常配子结合,形成正常子 代个体和平衡易位携带者, 而不平衡配子与正常配子结合, 形成有重复的个体和有缺失的个 体。 带有重复的个体是 9 号染色体部分三体, 遗传物质不平衡, 出现染色体病 (chromosomal disease),患者具有多重畸形,智力严重迟钝;而带有缺失的个体是第 9 染色体部分单体, 未被发现,可能早期流产。图 9-14 是第 9 染色体部分三体患者的一个家系。因为平衡易位 携带者虽然表型正常, 但结婚后有可能生育染色体病患儿, 所以夫妇一方为平衡易位携带者 时,应进行产前诊断,检查胎儿的染色体组成,以防止有病儿童的出生。

相互易位的另一个遗传学效应是配子的部分不育(partialsterility)。例如把易位杂 合体的玉米的花粉放在显微镜下观察,大约有一半的花粉特别小,经染色后,看不到淀粉的 内含物。这些花粉粒之所以不育,是因为它们含有的染色体不是完整的一套,带有重复和缺 失的缘故。 因为基因是在染色体上的, 如果一个染色体片段搭到另一非同源染色体上, 那末这个片 段上的基因就要改变它们的连锁关系, 跟另一非同源染色体上的基因相互连锁了。 我们在后 面要讲的家蚕易位的例子中,确实证明了这一点。 倒位 一个染色体片段断裂了,倒转 180°,重新又搭上去,这个现象叫做倒位。例如 一条染色体的直线顺序是 ABCDE,断裂成三个片段,A,BC,DE。以后 BC 这一段倒转 180°, 又跟 A 和 DE 连接起来,于是就出现了有新顺序的染色体,ACBDE,这个染色体就是倒位染色 体。 一个个体对于倒位的情况,可以是纯合体,也可以是杂合体,此外一个个体也可以对原 来的标准顺序是纯合体(图 9-15)。倒位纯合体一般是完全正常的,并不影响个体的生活 力。 如果在时间的过程中, 倒位纯合体的比例不断上升, 那末很可能倒过来, 把它称之为 “标 准”型。

倒位杂合体(inversion heterozygote)在减数分裂时,两个有关的染色体不能以直线 形式进行配对,通常要形成一个圆圈,才能完成同源部分的配对。这种圆圈就称为倒位环 (inversion loop)。一个倒位杂合体的粗线期染色体或唾腺染色体上可以清楚地看到这种 倒位环(图 9-16、17)。然而并不是每一个倒位杂合体都形成倒位环,有时单是倒位的片 段不和标准顺序的同源部分配对而已。

染色体的一个片段倒转了, 位于这个片段上的基因也随着倒转了, 于是这些基因在连锁 群中的顺序改变了,这些基因跟连锁群中其它基因的交换值也改变了。

一个倒位杂合体,如果着丝粒在倒位环的外面,那末在减数分裂后期时,有时会出现一 种特殊的图像,叫做“桥和断片”。就是说有一条染色单体有两个着丝粒,成为从一极跨向

另一极的桥,另外还伴随着一个没有着丝粒的断片。从图 9-18 可以看到,这是由于在倒位 环内发生了一个交换后造成的。 没有着丝粒的断片往往留在细胞质中, 不能组入子细胞的核 内,而有着两个着丝粒的桥被拉断后,虽然能进入子细胞的核内,但有很大缺失,往往使配 子死亡。 一个倒位杂合体,如果着丝粒在倒位环的里面,那末在环内发生交换以后,虽然不会出 现桥和断片,但也会使交换过的染色单体带有缺失或重复,形成不平衡的配子。这种配子一 般也没有生活力(图 9-19)。

这样看来, 不论着丝粒在倒位环的外面, 还是在倒位环的里面, 如果在环内有交换发生, 那末交换过的染色单体都带有缺失和重复,进入配子后,往往引起配子的死亡,使最后所得 到的配子几乎都是在环内没有发生过交换的。所以倒位的一个遗传学效应是 可以抑制或大大地降低倒位环内基因的重组。 以前认为果蝇中存在着一种交换抑制因子(C,crossing overrepressor),其实因子 + 本身不过是一个(或几个)倒位,而所谓抑制交换,不过是因为在倒位杂合体(C/C )中, 在倒位环内起过单次交换的产物不能形成有功能的配子,因而好像交换被抑制了。 例如果蝇有一倒位品系,CⅢB,在第 3 染色体上有一倒位,但外观上是野生型;另有一 纯合突变品系,第 3 染色体正常,突变基因是 st(scarlet,猩红眼),sr(stripe,条纹 胸),e(ebony,黑檀体),ro,(rough,毛糙眼),ca(claret,紫红眼)。把这两品 系杂交,子一代杂合体雌蝇回交纯合突变品系,如图 9-20 所示。在 e—ro 区域以及 ro— ca 区域没有单交换个体出现,表明倒位包括这个区域。倒位附近的 sr—e 间,单交换数降 低很多, 由预期的 8%降低到 0.15%, 说明倒位可能部分地伸展到这个区域。 离开倒位稍远, 在 st-sr 间,交换值降低,由预期的 18%减到 9.6%,然而还是很高,说明这个区域清楚 地在倒位区以外。只发现有两个不寻常的基因型,都可用倒位区内的双交换来说明,因为倒 位区内两线双交换所形成的产物没有重复和缺失,是正常的。这一例子说明,倒位可以大大 地降低倒位环内基因的重组。

平衡致死系 利用倒位的交换抑制效应,可以保存带有致死基因的品系。 带有致死基因的品系本来是不容易保存的。 一般品系都以纯合品系的形式保存下来, 因 为纯合品系是真实遗传的。例如果蝇的白眼品系,在实验室牛奶瓶中,每只雌体都是 w/w, 每只雄体都是 w/Y;每产生一代新个体时,几乎不需要加以逐只观察,可以完全移入新的 饲养瓶。但致死基因就不是这样,它不能以纯合状态保存,因为纯合个体是致死的;所以只 有以杂合状态保存。 例如果蝇中第 3 染色体上的 D(dichaete,展翅),是个显性基因,但也是隐性致死基 因。要培养这个品系,只能把 D/+♀×D/+♂交配,下一代是 2/3D/+,1/3+/+(本当是 1∶2∶1,但 1/4D/D 个体死亡)。在保存这个品系时,必须把每代个体逐个观察,把+/+ 个体淘汰,只让 D/+个体留种。如果不这样选择,则培养瓶中必然进行着自然选择,因为 D /+♀×D/+♂所产生的子代数只有+/+♀×+/+♂所产子代数的 75%。所以如果不把+/+ 个体人工淘汰,则饲养瓶中 D/+个体比数必然每代降低,几代之后饲养瓶中就只有+/+个 体,而没有 D/+个体,也就是说,D 这个基因“遗失”了,再也找不回来,无法再对它进行 研究 (例如要把 D 在连锁图上定位, 在唾腺染色体图上定位, 研究它的致死作用的生理机理, 等等)。 但是每一代都要逐个观察是极费人力和时间的, 在保存果蝇品系较多的遗传学实验室中 这个困难尤其严重。 摩尔根的学生 Muller 想出一个巧妙的办法, 就是用另一致死基因来 “平 衡”,不过这第二个致死基因,必须与第一个致死基因不发生交换重组才行。 例如可用 Gl(Glued,粘胶眼)来“平衡”。Gl 也是第 3 染色体上的显性基因,但纯合 致死。把 D 个体与 Gl 个体交配,挑选后代中既表现 D 又表现 Gl 的雌雄个体传代,后代全是 D+/+Gl,而不会有分离(图 9-21)。

其实并不是真正不分离,不过分离出来的纯合个体全致死而已(图 9-21)。这种永远 以杂合状态保存下来,不发生分离的品系,叫做永久杂种(permanent hybrid),也就叫做 平衡致死品系(balanced lethal system)。 不过 D 与 Gl 之间必须不发生交换才行。如果发生交换,则除了 DGl 染色体之外,还有 ++染色体,则后代中就会出现++/++个体;几代之后就会把 D 和 Gl 这两个基因都淘汰掉。 好在 D 与 Gl 两者在连锁图上位置极近,都在“41”那个图距附近,两者间几乎没有交 换。 可是并不是每个致死基因都能由它附近另一个致死基因来平衡的。 那么利用倒位就可解 决这个问题。例如果蝇第 2 染色体上倒位品系 Cy(curly,翻翅)在ⅡL(第 2 染色体左臂) 有个倒位,在ⅡR(第 2 染色体右臂)也有个倒位,几乎把整个第 2 染色体的交换全部抑制。 而 Cy 的纯合是致死的,因此第 2 染色体上任何致死基因 1 都可用 Cy 来平衡(图 9-22)。

所以要保持一个平衡致死系统,必须满足下面两个条件: (1)一对同源染色体的两个成员各带有一个座位不同的隐性致死基因。 (2)这两个非等位的隐性致死基因始终处于各别的同源染色体上。 要满足第二个条件,通常要有一个“交换抑制因子”,使两个非等位的致死基因不致由 于交换而集中在一个染色体上。 染色体结构变异的发生机理 要染色体结构发生变异,首先要染色体发生断裂。发生断 裂以后,在断裂处仍可愈合,这样也不会有变异产生。如断裂后发生重组,这样就可造成染 色体的结构变异。断裂端发生重组可以有各种方式,但有一点要注意,只有新发生的断端才 有重组的能力,而原来的游离端(端粒 telomere)一般是没有重组能力的。根据上述原则, 染色体上发生一个或一个以上断裂后, 就可造成各种结构变异, 如上面已详细说明过的缺失、 重复、易位、倒位等。 根据断裂发生的时间,染色体结构畸变可分为两大类型,即染色体型和染色单体型。如 断裂发生于 G1 期,这时染色体尚未复制,可导致染色体畸变,通过 S 期的复制,可以影响

同一染色体的两条单体。如断裂发生在 G2 期,这时染色体已经复制,由两条染色单体构成, 断裂通常只影响两条单体中的一条,即导致染色单体畸变。 染色体在自然条件下,也会断裂,引起结构改变。用 X 线、γ 线和其它射线,或某些化 学药品处理,可以增加断裂和结构改变的频率。有人把洋葱磨碎,提出液体,用来处理洋葱 的细胞,可以引起染色体断裂。可以想象得到,染色体在自然条件下的断裂和改变,也可由 体内代谢作用的产物所引起。 在白细胞培养中, 添加诱癌剂 (如二甲基苯蒽, 7, 12-dimethy-lbenz (α ) anthracene) 可以增加染色体断裂的频率,但同时添加抗氧化剂 antioxidant(如维生素 C,维生素 E, 亚硒酸钠 Na2SeO3 等)时,可降低染色体断裂的频率,这样看来,抗氧化剂有保护染色体不 使断裂的作用。因为染色体断裂与致癌作用及衰老有关,所以科学工作者认为,大量服用抗 氧化剂,可能有助于癌症的防止和衰老的延缓。 染色体结构改变在育种上的应用 染色体结构改变已被用到生产上。例如养蚕业中,希 望利用雄蚕进行生产,因为雄蚕的桑叶利用率高,还有单用雄蚕的茧缫丝,可以提高生丝质 量。所以如有一个办法,单是选出雄蚕来饲养,这是蚕丝界所欢迎的。 在家蚕中,第 2 白卵(W2)位于第 10 染色体的 3.5 座位上。纯合体的卵在越冬时呈杏 黄色,蚕蛾眼色纯白。第 3 白卵(w3)位于同一染色体的 6.9 座位上,纯合体的卵在越冬时 呈淡黄褐色,卵色深浅变化较大,蚕蛾眼色黑色。各型杂合体的卵都呈正常的紫黑色,蚕蛾 眼色全为黑色。

家蚕育种工作者用辐射诱变方法,反复处理杂合体(其基因型经推

段或者包 括 w2 座位,或者包括 w3 座位,并使这有缺失的第 10 染色体易位到 W 染色体上,再经过系统 选育,使生活力逐渐提高,以适应饲养的要求,终于育成了 A,B 两个系统:

如将 A 系统雌蛾与 B 系统雄蛾交配,所产的蚕卵中,黑色的全为雄性,淡黄褐色的全为 雌性(图 9-23)。然后通过电子光学自动选别机选出黑卵,进行孵育和饲养。比较黑卵和 淡色卵孵化的蚕强健性时,据说在稚蚕期,淡色卵的强健度稍差,但壮蚕期以后,两者之间 没有本质性的差异,所以有希望用到生产上。 至于 B 系统的雌蛾与 A 系统的雄蛾交配, 下一代基因型和表型怎样, 由读者自己去演算。 第二节 染色体数目的改变 各种生物的染色体数目有多有少, 但既然科学上已经证明各种生物都是由共同祖先进化 来的,那末在进化过程中染色体数目一定会起变化。现在我们知道,不仅染色体结构会起变 化,染色体数目也会起变化。 染色体数目变异的分类 各种生物的染色体数目恒定,如水稻(Oryza sativa)有 24 个染色体,配成 12 对,形成的正常配子都含有 12 个染色体。遗传学上把一个配子的染色体 数,称为染色体组(genome,这术语也指一配子带有的全部基因,所以在不同场合也译作基 因组),用 n 表示。一个染色体组由若干个染色体组成,它们的形态和功能各别,但又互相 协调,共同控制生物的生长和发育,遗传和变异。每个生物都有一个基本的染色体组,如玉 米 n=10,兔子(Oryctolagus cuniculus)n=22,黑腹果蝇 n=4 等。 知道了染色体组的含义以后, 我们就可以导出整倍数改变和非整倍性改变的概念。 凡是 细胞核中含有一个完整染色体组的,就叫做单倍体(haploid),如蜜蜂(Apis mellifera) 的雄蜂,n=16;含有两个染色体组的叫做二倍体(diploid),如人(Homo sapiens)2n=46; 有三个染色体组的叫做三倍体(triploid),如三倍体西瓜,3n=33,依此类推。这类染色 体数的变化是以染色体组为单位的增减,所以称作倍数性改变,超过两个染色体组的,通称 多倍体(polyploid)。另一类染色体数的变化是细胞核内的染色体数不是完整的倍数,通 常以二倍体(2n)染色体数作为标准,在这基础上增减个别几个染色体,所以属于非整倍性 改变。 例如 2n-1 是单体 (monosomic) , 2n-2 是缺体 (nullisomic) , 2n+1 是三体 (trisomic) 等。 染色体的数目变异,可作以下的分类(表 9-1)。

现在将几种比较重要的染色体变异类型加以说明。 单倍体 只含有一个染色体组, 所以只存在单套的基因。 单倍体可以是正常的或异常的。 如一些低等植物的配子体和一些昆虫的雄体(如蜂类等膜翅目昆虫),都是正常的单倍体。 在有些动植物中,都得到过单倍体。正常单倍体形成的配子仍为单倍体,这是因为在进化过 程中它们的减数分裂过程已有了变化, 实际上是把第一次减数分裂省略了, 所以形成的配子 仍为单倍体,这在第五章中已有说明。但本来是二倍体的生物成为单倍体后,情况就不是这 样。在第一次分裂中期时,它们的染色体是单价体,没有可以配对的同源染色体,从而被随 机地分向两极, 形成的配子是高度不育的。 因为每一染色体分到这一极或那一极的机会都是 1/2,从而所有染色体都分到一极的机会是(1/2)”,这儿 n 等于单倍染色体数。如玉米 10 n=10,单倍体植株只有(1/2) =1/1024 的机会才可产生一个 n=10 的有效配子,可见育 性是很低的。 现在广泛地应用花药培养法来获得单倍体植株。 单倍体自发的或经人工处理, 成为二倍 体,这二倍体的一切基因都是纯合的,自交的后代不会分离。通常利用近交的方法来培育纯 系,要经过很多代才能获得。如利用单倍体植株,再经加倍,则要快得多, 而且全是纯合的, 所以是一条很可利用的育种捷径。 但花药培养产生单倍体的技术并不是对所有生物或所有基因型都可适用的。 近来对一种 重要作物——大麦开发出另一有用技术。当二倍体大麦(Hordeum vulgare)用二倍体野生 近缘种 H.bulbosum 授粉时,虽然也发生受精,但在随后体细胞分裂时,可能由于不同物种 的染色体间的遗传不亲和性,H.bulbosum 的染色体率先从合子细胞中被排除,结果形成的 胚胎是单倍性的。单倍性胚胎经秋水仙素处理后可以加倍,得到二倍体植株。应用这一新技 术已育成了一些大麦新品种,而且这技术还成功地推广到其他作物上。 同源多倍体 染色体已经复制, 而细胞质不分割, 可形成同源多倍体 (autopolyploid) , 未减数的配子结合,也可发育成多倍体。在同源多倍体中,所有的基因仍和原来的一样,不 过每一座位上的基因增加而已。同源多倍体的可育性不高,例如在同源四倍体中,同样的 4 条染色体,在第一次减数分裂时,要两条分向一极,两条分向另一极,才可产生平衡的可育

配子。少数同源四倍体可以正常繁殖,如四倍体曼陀罗(Datura stramonium)(4n=48), 第一次减数分裂时形成 12 个四价体,每个四价体中的两条分向一极,两条分向另一极,所 以形成的配子是可育的;又如四倍体番茄(4n=48),每个花粉母细胞中几乎全是双价体, 只有少数四价体,所以形成的配子也是大都可育的。 四倍体的基因分离比较复杂。对一对基因来讲,二倍体只有一种杂合体,即 Aa,四倍 体却有三种杂合体,即 AAAa(三显体,triplex),AAaa(二显体,duplex),和 Aaaa(单 显体,simplex)。假定四条同源染色体在第一次后期时,两两分离,染色体组合随机,则 对一个座位来讲,各种杂合体所产生的配子比例以及自交时子裔的表型比例如表 9-2。

我们现在以二显体(AAaa)为例,用图详细说明如下(图 9-24)。

四倍体与二倍体杂交可以得到三倍体。三倍体多为同源三倍体(autotriploid),具有 3 个相同的染色体组。 同源三倍体育性很低,问题同样牵涉到减数分裂时染色体的配对和分离。3 条同源染色 体在第一次分裂前期时,或组成一个双价体和一个单价体,或组成一个三价体。在后期时, 双价体分离正常,单价体一般随机进入两极中的一极;三价体一般是 2 条进入一极,一条进 入另一极。所以如用 a1,a2 和 a3 代表 3 条同源染色体,那末分离方式不外下列 3 型:

结果得到平衡配子(2n 或 n)的机会只有(1/2) ,而绝大多数配子的染色体数在 2n 与 n 之间,是不平衡的,至于形成平衡合子的机会自然更少了,所以同源三倍体是高度不育 的。 例如同源三倍体的香蕉 (Musa nana) (3n=33) , 黄花菜 (Hemerocallis fulva) (3n=33) , 水仙(Narcissus tazetta)(3n=30)等,都没有种子,只能依靠营养体来繁殖。

n-1

多倍体植株比起两倍体来,因为染色体数增多,所以细胞的体积要大些。多倍体植株的 一般特征是茎粗、叶大、花大、果实大,但往往生长慢,矮生,成熟也较迟。 多倍体在动物中比较少见。这是因为动物大多数是雌雄异体,染色体稍微不平衡,容易 引起不育,甚而使个体不能生活,所以多倍体个体通常只能依靠无性生殖来维持。例如甲壳 类中, 有一种丰年鱼 (Artemia) , 二倍体个体 (2n=42) 进行两性生殖, 而四倍体个体 (4n=84) 由单性生殖来繁殖。不过就是在这个例子中,有 84 个染色体的个体是否是同源四倍体,还 有待于实验的证明。此外,在蝾螈、蛙以及家蚕等,都发现过三倍体和四倍体,不过还没有 听说能一代代维持下去的。 异源多倍体 两个不相同的种杂交,它们的杂种再经过染色体加倍,就形成了异源多倍 体(allopolyploid)。 一个有名的例子就是萝卜甘蓝,萝卜(Raphanus sativa,2n=18)和甘蓝(Brassica oleracea,2n=18)杂交,所得的杂种是 2n=18(图 9-25)。这两个亲本属于十字花科中不 同的属,是比较远缘的,萝卜的染色体和甘蓝的染色体之间没有对应性,F1 杂种在第一次减 数分裂时,形成 18 个单价体(18I)。后期时单价体的分离完全随机,非常不规则,因此 F1 所产生的配子几乎全部不育。

但这杂种偶尔结了少数几粒种子,发芽后,有一个植株长得株形很大,根像甘蓝,叶像 萝卜,而且是可育的。检查它的染色体,知道是 2n=36。 如果把萝卜的 9 条染色体写作 R,甘蓝的 9 条染色体写作 B,那末 F1 杂种可写作 RB,而 可育的 F2 显然就是由 F1 的染色体加倍而成,可写作 RRBB。F2-在减数分裂时,R 与 R 配对,B 与 B 配对,形成 18 个双价体(18Ⅱ),后期时分离正常,每个配子都得到 18 条染色体,其 中 9 条是 R,9 条是 B,所以是可育的。像这样的四倍体,它的染色体来自两个不相同的种, 叫做异源四倍体。

异源多倍体在自然界中是比较多的。在栽培作物中,普通小麦(Triticum aestivum)、 陆地棉(Gossy pium hirsutum)、海岛棉(G.barbadense)、胜利油菜(Brassica napus)、 烟草(Nicotianatabacum)等都是异源多倍体。要证明某一个现有的种是异源多倍体,先作 所谓染色体组分析(genome analysis),然后根据分析结果,重新合成这个种。 原来自然界中有相当多的种,其中各个种的染色体数目组成某种“多倍系列”。例如小 麦属 (Triticum) 中, 一粒小麦 (T. mono-coccum) 的染色体数是 14, 二粒小麦 (T. dicoccum) 和拟二粒小麦(T.dicoccoides)的染色体数是 28,而普通小麦(T.aestivum)的染色体 数是 42,所以很可分别把它们看作二倍体、四倍体和六倍体。所谓染色体组分析主要就是 拿所要分析的多倍体的种和比它倍数性低的种(尤其是二倍体种)杂交,然后观察杂种减数 分裂中染色体配对情况。 例如为了分析普通小麦的染色体组, 在小麦属内几个有关种间进行 杂交,结果见表 9-3。

从杂交结果看来,拟二粒小麦配子的 14 条染色体中,有 7 条与一粒小麦配子中 7 条染 色体对应,另外 7 条不对应。如果把这对应的 7 条染色体合称为一个染色体组,用 A 表示, 而把不对应的 7 条染色体也合称为一个染色体组,用 B 表示,那末一粒小麦的染色体组是 AA,拟二粒小麦的染色体组为 AABB。由一粒小麦与普通小麦,以及拟二粒小麦与普通小麦 杂交的结果看来,普通小麦的 42 条染色体中有 14 条是 AA,另外 14 条 BB,还有 14 条既非 AA,又非 BB。从普通小麦和小麦属其它几个种跟一个野生二倍体种——滔氏麦草 (T. tauschii) 杂交结果看来, 普通小麦中剩下的这 14 条染色体就是滔氏麦草的染色体组。 一般把这个染色体组称为 D,因此普通小麦的染色体组是 AABBDD(图 9-26)。

图 9-26 表明,一粒小麦(AA)与斯氏麦草(T.searsii,BB)或拟斯卑尔脱麦草, (T.speltoides)杂交,F1(AB)高度不育,但染色体加倍后,成为异源四倍体,育性恢 复,形状类似二粒小麦,再以这异源四倍体(AABB)与滔氏麦草(DD)杂交,F1(ABD)又 高度不育,但染色体加倍成六倍体(AABBDD)后,这六倍体高度可育,而且外形极象普通小 麦,很容易与普通小麦杂交,所得杂种也完全可育。所以我们可以说,合成的六倍体与普通 小麦属于同一个种,也就是说,重新合成了普通小麦。这就说明了几千年来世界各地栽培的 普通小麦是由拟二粒小麦与滔氏麦草杂交后经染色体加倍所成的异源六倍体, 意思是说, 普 通小麦可能就是这样起源的。 在动物中,马蛔虫(Parascaris equorum)有 2n=2 的和 4n=4 的。这可能是动物中有 倍数关系的唯一实例。在涡虫中,也有过报告说,一个属内的几个种的染色体呈倍数关系, 但还没有一致的看法。据说有 44 个染色体的金仓鼠(Mesocricetus auratus)是异源四倍 体,它是由普通仓鼠(Cricetus cricetus) (2n=22)与花背仓鼠(Cricetulus barabensis) (2n=22)的杂种经过染色体加倍后形成的,但同样,有待于实验的证明。所以总的看来, 在动物中,以异源多倍体方式形成新种,假使有的话,也是极为罕见的。 多倍体的诱发 要得到多倍体,可用高温、低温、离心、超声波、嫁接和切断等物理方 法。例如把茄属植物的梢端切断,把长出来的侧枝除去,这样就从切断部分的愈伤组织长出 不定芽。这些不定芽长成枝条,有时其中 10%是四倍体,把这些枝条切下来,插枝,就可 得到四倍体植株。 不过要得到多倍体,应用化学药剂更为有效,如秋水仙素、萘骈乙烷、异生长素等,都 可诱发多倍体,其中以秋水仙素用得最为广泛。用各种不同浓度的秋水仙素水溶液,一般从 0.01—1.0%,将萌芽阶段的种子浸在其中,处理一定时间后,取出洗净,然后播种。也可 以采用其它处理方法,例如把秋水仙素溶液注入幼植物体内,也可以切开幼苗的生长锥,滴 入秋水仙素溶液,或者在上面放一个沾有秋水仙素溶液的棉花小球等。 秋水仙素的作用主要是抑制细胞分裂时纺锤体的形成,结果染色体仍留在一个细胞内, 所以染色体数就加倍了。如这种细胞维持原状,继续分裂,就形成多倍性的组织,如秋水仙 素的作用继续存在,则这些细胞又可形成染色体倍数更高的细胞。 根据组织培养等研究, 在植物中各种组织的细胞在合适的培养条件下都有可能再生成一 个完整的植株,所以植物细胞是全能的,从多倍性组织分化出来的性细胞,有可能通过有性

生殖方式把多倍性遗传下去。可是在高等动物中,细胞再生能力有限,且往往仅限于胚胎系 统或留下来的未分化细胞, 而且还不是全能的, 所以处理后形成的多倍性细胞难以繁延下去。 多倍体的实践应用 植物多倍体在生产上有重要意义。如四倍体番茄所含的维生素 C 比 二倍体大约多了一倍。四倍体萝卜的主根粗大,产量比最好的二倍体品种还要高。三倍体甜 菜比较耐寒,含糖量和产量都较高,成熟也较早。三倍体的杜鹃花,因为不育,所以开花时 间特别长。还有三倍体西瓜,因为很少能产生有功能的性细胞,所以没有种子。 现在特别把同源三倍体无籽西瓜和异源八倍体小黑麦详细谈一谈。 (一)无籽西瓜 一般将食用二倍体西瓜(Citrullus vulgaris,2n=22)在幼苗期用秋水仙素处理,可 以得到四倍体,四倍体植株的气孔大,花粉粒和种子也较大。把四倍体作为母本,二倍体作 为父本,在四倍体的植株上就结出三倍体的种子(3n=33)。三倍体种子种下去后长出三倍 体植株来。 三倍体植株上的花一定要用二倍体植株的花粉来刺激, 这样才能引起无子果实的 发育。 因此必须把三倍体与二倍体相间种植, 以保证有足够的二倍体植株的花粉传到三倍体 植株的雌花上去。 在培植无籽西瓜时,还有下列几点要注意:

(1)为了保证所结的种子是三倍体,可用显性基因来标志二倍体父本,跟隐性的四倍 体母本杂交。例如: (2)用于亲本的品种要选用合适,这样,有可能使无籽西瓜的产量超过一般二倍体西 瓜二倍之多。不仅所结的瓜多,而且每个西瓜的重量也可增加。 (3)如以♀2n×♂4n,同样也可以得到 3n,但这种 3n 植株的雌花中的胚珠会生成硬 壳,象有种子一样,所以这种杂交方案不能采用。 (4)三倍体植株的第一朵雌花的胚珠可能生成硬壳,所以最好摘去第一朵雌花。 (二)小黑麦 异源多倍体的合成是作物育种中常用的方法, 目的是要把两个亲本种的优良特性汇集在 一起。可是事实并不理想,唯一有可能用于生产的是普通小麦与黑麦(Secale cereale)杂 交,并经染色体加倍后育成的小黑麦(Triticale)。 小麦能否与黑麦杂交,是由小麦的可杂交基因决定的,与黑麦品种无关。这些含有可杂 交基因的小麦品种就称为“桥梁品种”。桥梁品种间的杂交一代和它们的后代都很容易与黑 麦杂交。非桥梁品种也可先与桥梁品种杂交,使可杂交基因传递给杂种后代,这样就可广泛 利用小麦资源来与黑麦杂交,有效地解决了属间杂交不易成功的困难。 利用小麦品种间杂种第一代或第二代做母本,与黑麦进行杂交。普通小麦有 21 对染色 体,它的雌配子有 21 个染色体,包括三个染色体组(A,B,D);黑麦有 7 对染色体,它的 雄配子有 7 个染色体,是一个染色体组(R)。小麦的雌配子与黑麦的雄配子结合,所产生 的子一代有 28 个染色体,包括四个染色体组(ABDR)。因为这四个染色体组来自不同属的 种,染色体的结构和功能已有很大的分化,它们之间的同源性已经很少,所以在减数分裂时 不能形成二价体,子一代不育。当染色体加倍后,杂种的 28 个染色体成为 28 对,育性大大

提高,能够结实繁殖后代了。因为小麦和黑麦的染色体基数都是 7,加倍后小黑麦的 28 对 染色体是 7 的 8 倍,它们又来自不同的种,所以叫它为异源八倍体小黑麦(图 9-27)。

染色体加倍后的八倍体小黑麦是纯种, 它们的后代不出现分离现象, 但是都表现不同程 度的结实率低和种子饱满度不高等共同缺点。 但经过几年的连续选择, 已成功地培育成小黑 麦新品种。 小黑麦产量高,抗逆性和抗病性强,耐瘠耐寒,面粉白,蛋白质含量高,发酵性能好, 茎秆可作青饲料,适于高寒山区种植,比当地小麦增产 30—40%比黑麦增产 20%左右。但 为了使小黑麦在平原地区的产量赶上或超过普通小麦,还要继续选择,不断改进。 非整倍体 以上所讲的染色体数目变异是成套数目的改变,改变后的染色体数目还是整 倍数的,所以都叫做整倍体(eu-ploid)。另有一种染色体数目的变异, 是增减一条或几条, 染色体数目不是整倍数,所以叫做非整倍体(aneuploid)。 二倍体缺一条染色体是单体(2n—1)。大多数动植物的单体都不能生活,甚而象玉米 和番茄那样,虽然单倍体能够生活,但单体却活不下去。缺少单条染色体的影响比缺少一套 染色体的影响还要大, 说明遗传物质平衡的重要性。 但在多倍体植物中, 获得单体比较容易。 例如小麦是异源六倍体,2n=42,理论上可得到 21 种不同的单体,事实上也得到了 21 种单 体。这样单体虽然不很正常,但能活下去,而且很好地繁殖。可见遗传物质的缺失对多倍体 的影响比对二倍体的影响来得小。 单体自交可得缺体(2n—2),从小麦的 21 种不同单体,得到 21 种不同的缺体。利用 单体和缺体,可把基因定位在染色体上。例如小麦中发现一个新的隐性突变体。可以把它跟 21 种缺体杂交。如果跟某一种缺体的杂交中,突变性状在 F1 显现出来,就知道这突变基因 是在缺体中没有的那对染色体上。 在有些二倍体植物中,偶而出现三体(2n+1)。三体也可从二倍体与三倍体的杂交中得 到。例如曼陀罗(Datura stramonium)的三倍体植株用二倍体植株的花粉杂交,在所结的 少量种子中,大约有 53%的子裔是三体。这样三体植物的果形变异很大,可以分成 12 类, 而曼陀罗的单倍数也正好是 12,这表明每一条增加的染色体在形态上都有不同的作用。大 多数其它植物中, 不同的三体不易从外形上互相区分, 不过这个增加的染色体往往使花粉和 种子部份不育,这是所有三体植株的共同特性。 动物中也有非整倍体的例子。在黑腹果蝇中,X 染色体(第一染色体)和 Y 染色体多一 个或少一个会影响生育力已在前面介绍过;V 形染色体(第 2 和第 3 染色体)多一个或少一 个都是致死的;但点状染色体(第 4 染色体)多一个或少一个可以生活,而且能够繁殖的, 所以可以用它们来进行遗传学研究(图 9-28)。

第 4 染色体单体的果蝇,身体小,刚毛细,生活力弱。 如把果蝇的无眼个体(ey/ey,复眼小或无)与正常个体交配,子一代为野生型,子二 代分离为野生型 3∶无眼 1(图 9-29)。

但如将无眼个体(ey/ey)与第 4 染色体单体的正常个体(+)杂交,则子一代分离为 野生型 1∶无眼 1(图 9-30)。

野生型 1∶无眼 1 是单体生物的子一代分离比。从上面的实验中,知道 ey 基因呈现单 体的分离比,同时知道一个亲体的第 4 染色体是单数(2n—1),所以这就证明,ey 基因是 在第 4 染色体上。 三个第 4 染色体的果蝇(2n+1)形态变化较小,身上刚毛稍稍粗些。 如把无眼果蝇(ey/ey)与第 4 染色体三体的果蝇(+/+/+)交配,子一代全为野生型 (图 9-31)。

如把子一代的三体果蝇 (+/+/ey) 与无眼果蝇 (ey/ey) 杂交, 则下代分离为野生型 5∶ 无眼 1(图 9-32)。

野生型 5∶无眼 1,这是三体生物的测交分离比,与一般的测交分离比 1∶1 不同。这同 样证明了,ey 基因是在第 4 染色体上的。 人类的非整倍体 在人类的所有染色体中, 已知性染色体数目的改变可以引起性别畸形, 前述的 Klinefelter 综合症(XXY),XYY 个体和 Turner 综合症(X0)等,就是这方面的例 子。此外还有很多报道表明,在 22 对常染色体中,个别染色体的数目和形态变化,与某些 先天性疾病有着因果关系。 在这些先天性疾病中,最常见的是先天愚型(Down synd-rome),发生率(incidence) 大约为 650 个活产儿中有一个。患儿具有特殊的面貌,头颅前后径短,枕骨扁平,眼小, 两眼外侧高而内侧低,鼻梁扁平且宽,口半张, 舌常伸出口外。 舌有龟裂, 掌纹和指纹特殊, 常为通贯手。发育迟缓,智力低下。平均寿命很短,大约到 10 岁时已有 1/3 患者死亡。这 病的病因以前一直不知道,有人怀疑可能与染色体畸变有关,使遗传的平衡破坏,但由于细 胞学技术的限制,未能找到直接证据。直至 1956 年 Tjio(蒋有兴)等确立了人类正常染色 体数为 46 后不久,Lejeune 等(1959)分析患者的组织培养材料时,才无可辩驳地证明, 患者多一个小小的近端着丝粒染色体——第 21 号染色体,所以这种患者的体细胞染色体数 是 2n+1=47 个,是 21 三体(trisomy 21),记作 47,XX 或 XY,+21。 此外还要提一提两种由常染色体非整倍性引起的先天性疾病,Patau 综合症和 Edwards 综合症。 Patau 综合症是 13 号染色体三体, 记作 47, XX 或 XY, +13, 发生率约为 1/5, 000。 患者有小头、兔唇和(或)腭裂,先天性心脏病,严重智力迟钝等。Patau 患者常在生后 3 个月内死亡,虽然也有少数活到 5 岁的。Edwards 综合症是由于 18 号染色体三体,记作 47, XX 或 XY,+18。患者头小而长,大囟门,鼻梁窄而长,小嘴,腭狭窄,耳低位,短颈等, 出现的畸形几乎遍及所有器官系统。这综合症的发生率大约是 1/10,000,患者平均寿命 为 6 个月,但有些个体可以活到十几岁。近年来由于染色体显带技术的应用,人类染色体数 异常的种类继续有所增加,这儿就不再介绍了。 上述各非整倍体的出现是由于配子形成时染色体不分开现象造成的, 经过过程可参阅第 五章中有关不分开现象的一节。 但染色体不分开现象也可出现在合子形成以后。 如出现在卵 裂期或以后, 就有可能形成由不同基因型细胞所组成的个体, 也就是形成嵌合体 (mosaic) 。 人类中最常见的嵌合体是性染色体嵌合体,他们的身体可以同时具有男性组织和女性组织。

其中有一型嵌合体是 X0/XYY,这型嵌合体可以用 XY 合子中 Y 染色体的不分开来说明(图 9-33)。这种个体的表型性别(phenotypic sex)如何,要看有关组织的范围大小和所处位 置而定。其它性嵌合体的起源可有不同的解释。如嵌合体 X0/XX 可能是由于女性合子中有 一 X 丢失;又如三重嵌合体 XY/X0/XYY 的起源可能是由于不分开现象出现较迟,结果除正 常的 XY 细胞外,个别细胞中 Y 染色体同趋一极,形成性染色体组成为 XYY 和 X0 的两个子 细胞,从而一个个体中有 3 个细胞系,成为三重嵌合体。

三体在配制一代杂种中的应用 大麦(Hordeum sativum)是高度自交的植物,但用适当 的品系配制杂种,也有明显的杂种优势。杂种不仅可以增产 20—30%以上,而且品质和耐 病性也有某种程度提高。但大麦是雌雄同花植物,往往闭花授粉,配制杂交种在技术上有困 难。 育种工作者利用染色体畸变方法,培育出一个新的品系。这个品系是一种三体,自交后 代分离出两种植株,其中大部分植株的雄蕊发育不全,不散发花粉,是雄性不育的,在配制 杂种时可用作母本, 少部分植株跟亲代一样, 仍为三体, 可作为保持系, 用于来年的再生产。 那末这个新品系的细胞遗传学特征是怎样的呢?原来大麦的体细胞染色体数是 7 对, 2n=14,而新品系除了正常的 14 条染色体外,还带有易位片段的额外染色体一条,成为 2n +1 的三体。 这品系的某一对染色体上有紧密连锁的两个基因,一个是雄性不育基因(ms),使植株 不能产生花粉,另一个是黄色基因(r),控制种皮颜色。这两基因的显性基因是能形成正 常花粉的 Ms 和控制茶褐色种皮的 R,带有这两显性基因的染色体断片通过易位搭到另一染 色体断片上,形成了一个额外染色体,成为 2n+1 的三体,如图 9-34 左上方所示那样。这 Ⅱ 图中, 与标记基因无关的 6 对染色体省略。三体植物在减数分裂时, 形成 7 个双价体 (7 ), Ⅰ 一个额外染色体因有易位片段,往往形成单价体(1 )。在后期时,双价体中的两条同源染 色体各自分向两极,而额外染色体随机分配,或分向这一极,或分向另一极,所以三体植株 可以产生两种不同配子。其中一种配子仅有一套正常染色体,其中一染色体上有 ms 基因和 r 基因(n=7),另一种配子除含有一套正常染色体,其中一染色体上有 ms 基因和 r 基因外, 还含有一过剩的易位染色体,上有 Ms 基因和 R 基因(n=8)。卵细胞中这两种配子比例大概 是 7∶3,都可受精,但花粉中有过剩染色体的配子不能授粉。结果自花授粉后所结的种子 中,约有 70%是有黄色种皮的雄性不育个体(msr/msr),余下的 30%是有茶褐色种皮的 花粉正常的个体自(msr/msr/MsR),跟亲本完全一样(图 9-34)。因为种皮有两种颜 色,所以可用器械把两者分开。黄色种子是雄性不育系,植株长大后,如由另一合适的品系 的花粉授粉,可配制一代杂种;而茶褐色种子可作保持系用,供第二年的再生产。

大麦中利用“三体”技术,配制一代杂种,是相当成功的。据报道,一代杂种大麦已在 一部分地区推广种植。 习题 1.什么叫染色体畸变? 2.解释下列名词: (1)缺失;(2)重复;(3)倒位;(4)易位。 3.什么叫平衡致死品系?在遗传学研究中,它有什么用处? 4.解释下列名词: (1)单倍体,二倍体,多倍体, (2)单体,缺体,三体。 (3)同源多倍体,异源多倍体。 5.用图解说明无籽西瓜制种原理。 6.异源八倍体小黑麦是如何育成的? 7.何以单倍体的个体多不育?有否例外?举例。 8.Tjio 等(1956)的工作和 Lejeune 等(1959)的工作是人类细胞遗传学上的两块里 程碑。请说明为什么这样说? 9.有一玉米植株,它的一条第 9 染色体有缺失,另一条第 9 染色体正常,这植株对第 9 染色体上决定糊粉层颜色的基因是杂合的,缺失的染色体带有产生色素的显性基因 C,而 正常的染色体带有无色隐性等位基因 c,已知含有缺失染色体的花粉不能成活。如以这样一 种杂合体玉米植株作为父本, 以 cc 植株作为母本, 在杂交后代中, 有 10%的有色籽粒出现。 你如何解释这种结果? 10.画出果蝇唾腺核中两条同源染色体的配对图,一条染色体的顺序是 1·234567,另 一条染色体的顺序是 1·265437。(注:在 1 和 2 之间的点“·”表示着丝粒)。 11. 在玉米中, 蜡质基因和淡绿色基因在正常情况下是连锁的, 然而发现在某一品种中, 这两个基因是独立分配的。 (1)你认为可以用那一种染色体畸变来解释这个结果? (2)那一种染色体畸变将产生相反的效应,即干扰基因之间预期的独立分配? 12.曼陀罗有 12 对染色体,有人发现 12 个可能的“2n+1”型。问有多少个“2n+1+1” 型?

注:“2n+1+1”是指在 12 对染色体中,某一对多一个,另一对又多一个,而不是某 一对多二个。 13.无籽西瓜为什么没有种子?是否绝对没有种子? 14.有一个三倍体,它的染色体数是 3n=33。假定减数分裂时,或形成三价体,其中两 条分向一极,一条分向另一极,或形成二价体与一价体,二价体分离正常,一价体随机地分 向一极,问可产生多少可育的配子? 15.同源三倍体是高度不育的。已知得到平衡配子(2n 和 n)的机会仅为(1/2)n-1, 问这数值是怎么求得的? 又如假定只有平衡的配子是有受精功能的, 且假定受精过程是随机的, 问得到不平衡合 子(unbalanced zygotes)的机会是多少? 16.为什么多倍体在植物中比在动物中普遍得多?你能提出一些理由否? 17.有一种四倍体植物,它的两个植株的基因型是(a)AAAa(b) Aaaa。假定(1)A 基因在着丝粒附近,(2)各个染色体形成的姊妹染色单体各移向一极。问每个植株产生的 各种双倍体配子比例如何? 18.两个 21 三体的个体结婚,在他们的子代中,患先天愚型(Down 氏综合症)的个体 占比例多少?(假定 2n+2 的个体是致死的。) + 19.平衡易位杂合体(7/7 p ,9/9 p )形成生殖细胞,在粗线期时,其有关染色体 的配对图形是怎样的? 20.有一男人,他是一个 13;14 平衡易位携带者,他的染色体组成为 45,xy,-13, -14。 t(13q; 14q) (1)把有关染色体画出来, (2)有关染色体在第一次减数分裂时配对的图象如何? (3)可能的分离情况如何?形成的配子中,有关染色体的组成如何? (4) 正常卵被这些精子受精后, 子代有关染色体组成如何?预期的子代表型效应如何? 提示:可能的分离情况为: (14)对(13+13;14)(邻近分离) (14+13;14)对(13)(邻近分离) (13+14)对(13;14)(交互分离) 第十章 遗传物质的改变(二)基因突变 所谓基因突变, 就是一个基因变为它的等位基因。 基因突变是染色体上一个座位内的遗 传物质的变化,所以也称作点突变(point mutation)。 第一节 基因突变概说 基因突变在生物界中是很普遍的, 而且突变后所出现的性状跟环境条件间看不出对应关 系。 例如有角家畜中出现无角品种, 禾谷类作物中出现矮秆植株, 有芒小麦中出现无芒小麦, 大肠杆菌中出现不能合成某些氨基酸的菌株等,都看不出突变性状与环境间的对应关系。 突变在自然情况下产生的,称为自然突变或自发突变(spont-aneous mutation) ;由 人们有意识地应用一些物理、化学因素诱发的,则称为诱发突变(induced mutation)。 突变体的表型特性 突变后出现的表型改变是多种多样的。根据突变对表型的最明显效 应,可以分为: (1)形态突变(morphological mutations)突变主要影响生物的形态结构,导致形状、 大小、色泽等的改变。例如普通绵羊的四肢有一定的长度,但安康羊(Ancon sheep)的四 肢很短,因为这类突变可在外观上看到,所以又称可见突变(visible muta-tions)。

(2)生化突变(biochemical mutations)突变主要影响生物的代谢过程,导致一个特 定的生化功能的改变或丧失。 例如链孢霉的生长本来不需要在培养基中另添氨基酸, 而在突 变后,一定要在培养基中添加某种氨基酸才能生长,这就发生了生化突变。 (3)致死突变(lethal mutations)突变主要影响生活力,导致个体死亡。致死突变 可分为显性致死或隐性致死。 显性致死在杂合态即有致死效应, 而隐性致死则要在纯合态时 才有致死效应。 一般以隐性致死突变较为常见, 如上面讲过的镰形细胞贫血症的基因就是隐 性致死突变。又植物中常见的白化基因也是隐性致死的,因为不能形成叶绿素,最后植株死 亡。当然,有时致死突变不一定伴有可见的表型改变。 致死突变的致死作用可以发生在不同的发育阶段,在配子期,胚胎期,幼龄期或成年期 y 都可发生。如女娄菜的细叶基因 b 是配子致死,而小鼠的黄鼠基因 A 在纯合时是合子致死。 致死基因的作用也有变化。基因型上属于致死的个体,有全部死亡的,有一部分或大部 份活下来的。从而根据基因的致死程度,可以分为全致死(使 90%以上个体死亡),半致 死(semilethals,使 50—90%个体死亡)和低活性(subvitals,使 50—10%个体死亡) 等。 (4)条件致死突变(conditional lethal mutation)在某些条件下是能成活的,而在 另一些条件下是致死的。例如噬菌体 T4 的温度敏感突变型在 25℃时能在 E.coli 宿主中正 常生长,形成噬菌斑,但在 42℃时就不能这样。 上面这样的分类,只是为了叙述的方便,事实上相互之间是有交叉的。因为基因的作用 是执行一种特定的生化过程,所以可以说,几乎所有的基因突变都是生化突变。 突变发生的时期 突变可在个体发育的任何时期发生。如某一动物的性腺中某一个配子 发生基因突变, 则与这个配子结合而产生的个体就是这突变基因的杂合体。 如这突变基因是 显性,则子代中这一个体即表现为突变型。如动物的受精卵在进行第一次核分裂时,一对子 染色体中的一条发生一个突变,那末长成的个体中,有一半细胞有这突变基因。如果这个突 变基因是显性,则个体的一半显示不同的性状,就出现所谓嵌合体(mosaic)。一般地说, 在个体发育过程中,突变发生的时期越迟,则生物体表现突变的部分越少。例如有一种猫, 叫做金银眼猫,猫的一只眼睛的虹彩是黄褐色,另一只眼睛的虹彩是蓝色,这大概是在个体 发育较后阶段发生突变的结果吧。 在植物里,一个芽在发育的极早时期发生突变,这芽长成枝条,上面着生的叶、花和果 实跟其他枝条不同,这叫做枝变或芽变(bud sport)。芽变往往自发地产生,没有明显的 外因。芽变在农业生产上占有重要地位,因为果树和花卉的许多新品种就是由芽变得来的。 例如根据研究,温洲早桔有许多品系来自温洲密桔(citrus reticulata)的芽变。一般芽 变仅限于某一性状, 或某一些有关性状, 而其他许多性状仍跟原来品种一样, 所以应用嫁接、 压条等无性繁殖方法,把这些优良性状保存下来,再经过适当选择,可以繁育成为新品种。 讲到微生物等,要区别体细胞和性细胞是不必要的。因为在这些生物中,整个个体可以 从体细胞发育而成。 例如链孢霉可从无性孢子或菌丝片段长成整个个体, 所以无性世代发生 的突变,以后也可通过有性世代而遗传下去。 突变率 在正常的生长条件和环境中,突变率(mutationrate)往往是很低的。果蝇的 X 连锁隐性致死基因的突变率约为 0.1%,或每一千个测验过的配子中,有一个 X 染色体有 隐性致死突变。果蝇的第 2 染色体的自发致死突变率较高,约为 0.5%。果蝇的第 3 染色 体的长短跟第 2 染色体相似,突变率也差不多。果蝇的第 4 染色体是点状染色体,突变率自 然也较低。所以果蝇的总的致死突变率约为 1%,或每一百个配子中有一个配子带有新产生 的致死基因。 如果我们把产生半致死或低活力效应的为数更多的基因突变率也包括在内, 那 末果蝇中产生有害效应的基因的总突变率约为 5%,或 20 个配子中有 1 个。

这 5%的数值自然包括很多染色体上座位的突变,所以每一座位上的突变率应该低得 多。果蝇中,测得的单一座位的突变率,数值有变化,但大致上在 10-5 范围。其它生物的 基因突变率也随基因的不同,而数值各异。例如在玉米中,蜡质基因 WX 的突变率测不到, 而无色糊粉层基因 rr 的突变率可高到每十万个配子中有 49 个突变(表 10-1)。

在人类方面, 突变率的估计方法之一是根据家系中有显性性状的患儿的出现。 在这些家 系中,祖先各代是没有这些性状的;如双亲一方也有同一遗传病,则这名患儿应除去不计。

例如软骨发育不全(achondroplasia)由常染色体显性基因引起,患者四肢粗短。根据 Mφ rch(1941)的一个调查,在 94,075 活产儿中,发现 10 例为本病患者,其中 2 例的一 方亲体也是本病患者,所以应该除去不计,其余 8 例的双亲正常,可认为是新突变的结果。 因为这病是显性遗传,而且外显率基本完全,所以每个新生儿被认定患有软骨发育不全时, 就表示形成这儿童的两个配子中,有一个配子发生了显性突变,从而每个基因的突变率是 -5 (10-2)/2(94075-2)=4.2×10 Neel 根据多方面的资料,估计了人的 9 个不同基因的突变率,发现人类基因的突变率 -5 大致上跟果蝇基因的突变率相似,都位于 10 的范围(表 10-1)。 玉米和小鼠的突变率跟果蝇和人属于同一范围, 但微生物的突变率明显地较低。 突变率 的降低或许跟生活史的缩短有关。 象细菌这样单细胞生物中, 突变率是以细胞分裂为基础来 计算的,而在象果蝇和小鼠这样多细胞生物中,每一世代时间(generationtime)包括很多 次连续的细胞分裂,而在每一次细胞分裂中都可发生突变,突变率自然就要高些。 突变的可逆性 突变是可逆的。基因 A 可以突变为基因 a,基因 a 又可突变成原来的状 态,A。如果把 A→a 叫做正突变(forwardmutation),则 a→A 就叫做回复突变(back + mutation)。正突变和回复突变的频率一般是不同的。例如大肠杆菌中,野生型(his )突 -6 变为组氨酸缺陷型(histidine requirement,his )的正突变率是 2×10 ;而由组氨酸缺 陷型突变为野生型的回复突变率是 4×10-8,即

在鉴定回复突变时,应该注意区分:(1)真的回复突变,突变发生在同一座位,跟正 突变一样;(2)抑制因子突变(suppressor mu-tation),突变发生在另一座位上,但是 掩盖了原来突变型的表型效应。在微生物中,抑制因子突变,通常可以通过回复品系 (rever-tant stock)与野生型杂交,观察子裔中有否突变型重新出现(图 10-1)。如果 有突变型出现,这就意味着,抑制因子和原来突变已经相互分开,使突变型重新出现。如果 这种杂交的后代中没有突变型出现,有力地表明,回复突变与抑制作用无关。 根据回复突变的出现,常常可以把点突变跟较大的突变效应,例如缺失等,区分开来。 因为缺失包括遗传物质的丧失,一个回复突变恰好补全了失去的遗传物质几乎是不可能的。

相反的,由微小的化学改变引起的点突变,没有遗传物质的明显获得或缺失,是比较容易回 复的,所以回复突变可以排除缺失或重复等。 突变的多方向性与复等位基因 一个基因可以向不同的方向发生突变,换句话说,它可 以突变为一个以上的等位基因。例如基因 A 可以突变为等位基因 a1 或 a2、a3??等。因而, 在这个座位上,一个个体的基因型可以是 AA,也可以是 Aa1,Aa2,a1a2,??等任何组合。 一个座位上可以有两个以上的基因状态存在,叫做复等位基因,这在前面已介绍过。例 + y 如在小鼠中,影响毛色的复等位基因有 A (鼠色),A (黄色),a(黑色),??等多个。 p s 在家蚕中,影响幼虫皮斑的复等位基因有 P(白蚕), + (普通斑),P (黑缟)等 16 个, 而且这数目可能会增加。因为有复等位基因的存在,所以一个基因的突变可以是多方向的。 + e 例如黑腹果蝇的野生型红眼基因(W )可以突变为曙红眼基因(W ),曙红眼基因又可回复 a 突变为野生型基因,或突变为 W 座位上的其他等位基因,如杏色眼基因(W ),浅黄眼基因 bf (W )等。这说明突变的多方向性(图 10-2)。 但每一基因的突变方向,也不是漫无限制的。例如小鼠的毛色基因(A)的突变,一般 在色素的范围内,还没有发现越出这个范围的。因此所谓突变的多方向性也是相对的。

自发突变的原因 自发突变是很早就知道了的。上面已提到过,在家养动物和园艺植物 中,时常有突变体出现。在 1910 年,摩尔根用白眼果蝇证明有伴性遗传现象。但最初一只 白眼果蝇是在野生型果蝇的培养瓶中自发出现的, 以后摩尔根和他的学生们所用的很多突变 型也都是自发产生的。那就是说,这些突变型不是用人工方法诱发的。事实上,差不多要在 20 年以后,才知道突变是可以诱发的。 自发突变是怎样产生的,到现在还不十分了解。自然界中的辐射,如宇宙线、生物体内 的放射性碳和钾等, 可能是一种原因, 但自然界中的电离辐射强度不足以说明自发突变的全 部,可能只能说明其中的极小一部分。 温度的极端变化是另一种诱变因素。例如有人认为极端温度是黄鹌菜(Crepis)自发突 变的重要因素。虽然基因突变率随温度升高而增加,用过高的温度(例如 40℃)或过低温 度(例如 0℃)处理,也可增加突变率,但总的看来,温度在自发突变中的重要性还比不上 自然辐射。 自从知道化学药品可以诱发突变后, 不久就意识到周围环境中各种化学物质的潜在诱变 性。不过自发突变不能单单归因于外界因素,也应考虑到体内或细胞内某些生理、生化过程 所产生的物质的作用。支持这一论点的证据是:(1)植物的种子贮藏久了,常常增加突变 率。例如在正常情况下,金鱼草的突变率大约是 1%(包括所有的基因,如果每个基因的突 变率是 100 万中 10 个,那末如果一个配子中共有 1,000 个座位的话,即可得到 1%)。但 种子贮藏 6—9 年后,突变率就从 1%增加到 1.6—5.3%,贮藏 10 年后可达 14.3%。(2) 从陈种子中可提取一些诱变物质。 例如从烟草的陈种子中压出油来, 用这种油处理同一烟草 品种的新鲜种子。从这样种子长出来的幼苗,突变种类跟自发突变相似,但突变频率增加。

(3)把番茄种在很干燥的条件下,提高番茄细胞的渗透压,以后从它们的 F2 和 F3 可以分离 出多数突变体。 总之,自发突变的原因还不很清楚,可能外界因素和内部因素都有作用。 第二节 突变的检出 从孟德尔的实验开始, 要知道一个基因的存在, 通常要依靠这个座位上的不同等位基因 所产生的表型改变。 有了不同等位基因所产生的表型改变, 才使我们能够观察性状的遗传方 式。 如果某一座位的所有等位基因在表型效应上是相似的, 那么这样的基因在作用上缺乏独 特的标志,始终作为正常表型的一部分,没有办法把它检查出来。换句话说,如果基因没有 等位上的差异,就不能用孟德尔遗传试验方法检查出来;只有当这种等位上的差异存在时, 才使我们可以推论,有某一特定基因存在。所以察看基因突变,主要就是检出能产生新的表 型效应的不同等位基因。 果蝇突变的检出 虽然摩尔根等已在果蝇中找到几百种突变型,并用在遗传学研究上; 但是定量地测定新突变,还有赖于摩尔根的学生 Muller 所发展的几种独创性的技术。 我们现在介绍如何用 Muller-5 技术来检出果蝇 X 染色体上的隐性突变,特别是致死突 变。 Muller-5 品系的 X 染色体上带有 B(Bar,棒眼)和 wa(apri-cot,杏色眼),此外 X 染色体还有一些倒位,可以抑制 Muller-5 的 X 染色体与野生型 X 染色体的重组。 实验时,把野外采集的,或经过诱变处理的雄蝇,与 Muller-5 雌蝇交配,得到子一代 后,做单对交配,看子二代的分离情况。如有致死突变,子二代中没有野生型雄蝇,如有隐 性的可见突变,则除 Muller-5 雄蝇外,出现具有可见突变的雄蝇(图 10-3)。

这个技术的缺点: (1)只能检出完全致死(100%致死)的隐性基因,而且这种致死作用要发生在成蛹期 以前。 (2)有时 Y 染色体上有些正常作用的基因,可降低 X 的致死作用。但我们要分析的主 要是子二代的雄蝇的致死作用,所以有时结果受到影响,不能正确地估计隐性致死突变率。

这个技术的好处: (1)子二代中有野生型雄蝇,还是没有野生型雄蝇,可以客观地决定。

进一步研 究。 (3)可研究致死基因(1)在杂合体中的作用。 (4)也可检出可见突变,但同时具有致死作用时,则无法检出。 除了检验 X 连锁隐性突变以外, 也可检出常染色体上的变突基因。 例如要检出果蝇的第 二染色体上的突变基因,可利用下面这样的一种平衡致死系统。 一条第 2 染色体上有一显性基因 Cy(curly,翻翅),这是纯合致死的,同时还有一个 大倒位。另一条第 2 染色体上有另一显性基因 S(star,星状眼),也是纯合致死的。

从而这就是平衡致死系统。这个系统同时又是倒位杂合体。 现在把这系统的雌蝇与要检验的雄蝇交配, 在子一代中选取翻翅雄蝇, 再与这系统的雌 蝇单对交配,分别饲养。在子二代中选取翻翅个体相互交配,在子三代时: (1)如最初第 2 染色体上不带有致死基因,则有 33%左右的野生型。 (2)如最初的第 2 染色体上带有致死基因,则只有翻翅果蝇。 (3)如最初第 2 染色体上含有隐性可见突变,则除翻翅果蝇外,还有 33%左右的突变 型。 (4)如最初第 2 染色体上含有半致死突变,则野生型很少。上面这些结果,用图(图 10-4)表示。

链孢霉突变的检出 链孢霉中,营养突变的筛选(screening)方法是 Beadle 和 Tatum (1945 年)最初提出来的。这方法的根据是这样的:野生型菌株能合成一系列化合物,所 以能在含有糖,某些无机酸和盐类,一种氮源和一种维生素——生物素(biotin)的基本培 养基上生长,但大多数缺陷型菌株不能合成这种或那种化合物,不能在基本培养基上生长, 但能生长在完全培养基上 所谓完全培养基是在基本培养基上再添加酵母和麦芽抽提物,以 及水解酪蛋白等,这种培养基含有各种氨基酸和维生素等。要检出营养突变时,可把链孢霉 菌株分别长在完全培养基和基本培养基上。 如果在完全培养基上能够生长, 而在基本培养基 上不能生长, 就可在基本培养基上添加单一维生素或氨基酸。 如果在添加某一营养物后可以 生长,就知道这个菌株不能合成某一营养物,所以是某一营养物的缺陷型。 具体做法如下: 培养野生型链孢霉,用 X 线或紫外线等照射分生孢子,或用化学药剂处理,希望能引起 突变。 把这些处理过的分生孢子,与相对交配型的野生型链孢霉交配,由此长出子囊孢子。 从子囊中取出子囊孢子, 分别培养在完全培养基上。 链孢霉的突变型一般能在这里生长 和发育。 从完全培养基生长起来的链孢霉又形成分生孢子。 取出一部分分生孢子培养在基本培养 基里,观察它们的生长,如生长正常,表示没有发生突变;如果不能生长,表示已发生了突 变(图 10-5)。 接着要分析,发生了什么突变,把这突变型的分生孢子从完全培养基里取出来,分别培 养在不同的培养基上:

(1)完全培养基,突变型一般能在这里生长; (2)基本培养基。突变型不能在这里生长; (3)基本培养基,加上各种氨基酸,如突变型还是不能在这里生长,表示加了氨基酸 也没有用,不是控制氨基酸合成的基因发生突变,它是能合成各种氨基酸的。 (4)基本培养基,加上各种维生素,如突变型能在这里生长,表明突变型是在控制某 种维生素合成的基因发生了突变, 使它不能合成某种维生素, 所以在基本培养基中添加了这 种维生素后就能生长。 这样地依次分析下去, 就可知道是那一种维生素不能合成。 如果发现它只能在含有泛酸 的基本培养基里生长, 那就表明这种生化突变型是控制泛酸合成的基因发生了突变, 其它基 因没有发生突变。 为了进一步确定发生的变异是由一个基因控制的, 还要做这样的工作。 把经过上述方法 检查出来的突变型,跟不同交配型的野生型交配,看由此产生的子囊孢子的发育,表现出什 么样的分离现象,如表现为 1:1 的分离,即 4 个是野生型,4 个是突变型,那就表明是一 个基因的突变(图 10-6)。

用上述的分析方法,发现了几百种生化突变型。这些生化突变型的研究,不仅阐明了基 因和代谢的一些关系,而且丰富了生物化学的内容。 人的突变的检出 在人中,上述方法自然不能用,所以突变的检出得依靠家系分析 (pedigree analysis)和出生调查。一般地说,常染色体隐性突变难以检出,因为一个隐 性性状的出现,很可能是由于两个杂合个体的婚配,而不是由于隐性突变的缘故。相反的, 显性突变的起源就比较容易检出,只要遗传方式规则,一个家系中,如果一个人有一显性突 变性状,而他(或她)的父母是正常的,这就表明是一个新的突变(图 10-7)。如果显性 性状的遗传方式不规则,例如双亲之一可能带有这个基因,但没有表达出来,这样显性性状 的起源又难以确定。

因为男人 X 染色体只有一个,所以 X 连锁隐性突变的起源,有时可从家系分析中检出。 如果一个女人对一个新突变的基因是杂合体, 她的半数男孩将带有这个性状。 然而 X 连锁性 状的检出, 也可发生误差, 因为我们难以确定, 杂合体女性所带有的突变基因是新产生的呢, 还是从她的祖先传递下来的。所以人类中突变的检出,最可靠的还是限于显性基因。关于人 的显性基因的突变率的计算,我们已在“突变率”一项中说明过。 最近提出的检出人类突变的另一个方法, 是筛选各种蛋白质或酶的微小变异。 使蛋白质 的各组分带上电荷,在电场中移动,经一定时间后,观察各组分在电场(electric field) 中的相对位置。通过这种电泳(electrophoresis)技术,可把某一蛋白质的微小差异检查 出来,例如人的快速泳动和慢速泳动的葡萄糖 6 磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase)等。这些微小差异都是遗传的,可在家系中一代代追循。虽然这种变异通 常并不产生形态上或生理上的效应, 但是这种变异的存在, 表明蛋白质中氨基酸排列顺序可

以由突变而改变。 这个技术有一个严重的限制, 因为并不是所有氨基酸改变都可由电泳检出, 所以某一蛋白质的突变率可能低估。但这种技术如能广泛应用,可能对突变的原因、性质、 种类、频率等可有更多的了解。 第三节 诱发突变 在 1927 年, Muller 用 X 射线处理果蝇精子,证明可以诱发突变,显著地提高突变率。 差不多同一时期, Stadler 用 X 射线和γ 射线处理大麦和玉米种子,也得到相似的结果。 随着研究的进展, 知道其它各种辐射, 如α 射线、 β 射线、 中子、 质子及紫外线 (ultravio-let, u.v.)等都有诱变作用。 这些发现是很重要的,因为 (1)提供一些新的有效方法,可以得到很多遗传学分析和育种上有用突变品系; (2)通过诱发突变可以用来研究突变过程的性质; (3)证明高能辐射(high-energy radiation)和相当数目的化学品,不仅对直接接触 到的人造成伤害,而且对他们的后代也有潜在的危险。 辐射和诱变 生物体接触的辐射线有 X 射线、α 射线、β 射线、γ 射线、以及中子、质 子等。 辐射的生物学效应主要取决于它们所含的能量, 以及能传递到细胞内原子和分子上的 能量。 辐射所含的能量愈大, 可使原子轨道上的电子变化以及分子共振态的改变也愈强, 因而 诱变的效率更高。 象 X 射线、 γ 射线等, 是能量极高的辐射, 能使轨道上电子完全离开原子, 而造成电离,所以这些辐射叫做电离辐射。电离辐射的诱变效率高,现在被广泛采用。 3 辐射剂量的单位用 r(roentgen,伦琴)表示。1r 的照射可使 1cm 的标准状态的干燥 空气产生一静电单位(esu)的电离量。至于每一 r 的照射,可以引起多少突变,随生物种 类不同,照射器官和处理时间而有多少差异。现在选择有代表性的几种生物,来看一看每一 r 的诱变率是多少? 从表 10-2 看来,每 r 的诱变率大都在 1 亿分之 1 的范围内。

诱发突变的种类跟自发突变很相类似, 这不仅在引起基因突变和染色体畸变这两大类上 是这样, 而且在引起这两大类的细分条目上也是这样。 因此诱发突变并不产生特别的突变型, 只不过增加突变的频率而已。 一般地说, 辐射剂量低时, 诱发突变率是自发突变率的几十倍, 辐射剂量高时,诱变率可达自发突变率的几百倍以上,但大多数是在 100 倍左右,因为自发 -6 -3 -1 突变率多在(1-10)×10 的范围,而诱发突变率在 1×10 左右;但有时可达 1×10 以上, 所以辐射诱变在增加突变率上有很大作用。 电离辐射引起遗传损伤的途径, 大部分还未了解, 但是它们可能以两种方式改变染色体 的结构:(1)直接的,通过能量的量子(quanta energy)击中染色体,好象子弹击中靶子 一样;(2)间接的,通过电离化(ionization),使细胞内发生化学变化,转而使染色体

在复制时产生异常。 一般分裂中细胞比不分裂细胞对辐射敏感。 用γ 射线来治疗肿瘤也是同 样的理由,迅速分裂中的肿瘤细胞比不分裂的周围细胞敏感得多。 电离辐射的遗传学效应在许多生物中都有研究,并得出两个重要结论: 第一,电离辐射可诱发基因突变和染色体断裂,它们的频率跟辐射剂量成正比。例如用 2,000 r 的剂量处理果蝇精子,大约产生 6%的 X 连锁隐性致死突变,而剂量为 4,000r 时,频率大约增至 12%,等等(图 10-8)。在相当大的一个剂量范围内,都存在着线性关 系。但是用高剂量辐射诱发 X 连锁隐性致死突变时,得到的频率比预期低,这可能因为在一 个染色体上诱发了一个以上的致死突变。用 Muller-5 技术测定的,是带有一个或一个以上 的隐性致死突变的 X 染色体频率, 而不是测定隐性致死突变的实际频率。 而且还应当注意到, 虽然染色体断裂的频率与照射的剂量成正比, 但是象倒位、 易位和缺失那样的染色体结构改 变就不是线性关系, 因为这些畸变需要一个细胞内有两个断裂, 然后断片以新的方式连接起 来,所以并不预期有线性关系。

第二,辐射效应是累积的。处理果蝇精子,诱发的突变数跟接受的照射量成正比,而跟 照射的方式无关。低强度长期照射(慢性照射)与高强度短期照射(急性照射),诱发的突 变数一样;连续照射与间歇数小时的分次照射,产生的突变数也一样。在其它生物中,这样 确切的关系并不存在。 例如处理小鼠精原细胞时, 慢性照射产生的突变率比同剂量的急性照 射少。不过我们可以可靠地说,一个细胞接受的剂量即使只有很小的增加,那个细胞发生突 变的概率就增加。因为在自然群体(natural populations)中出现的大多数突变是有害的, 所以对照射源的不必要接触,如果可以避免的话,应该尽量避开它。 紫外线照射 紫外线照射(ultraviolet radiation)也可诱发突变,但不及电离辐射有 效。紫外线的最有效波长是 270nm(1na-no meter=1millimicron,mμ ),这波长相当于核 酸的吸收峰。紫外线也是电磁辐射,跟 X 射线一样;但穿透性很弱,这跟 X 射线不一样。例 如紫外线照射约有 30%可以穿透过玉米花粉壁, 但只有 8%可以穿透过鸡蛋的卵黄膜。 这样 低的穿透性很难保证实验群体中每一细胞都接受同样的辐射量, 所以紫外线很少用作高等生 物的诱变剂,而多用在微生物,生殖细胞,花粉粒以及培养中的细胞等。 化学诱变 最早知道秋水仙素可以诱发多倍体。 1943 年 Auerbach 和 Robson 用果蝇做实 验, 发现芥子气可以诱发突变。 他们的发现不是完全偶然的, 因为已知芥子气跟 X 射线一样, 可以抑制细胞分裂,引起炎症,所以他们猜想,芥子气很可能也有诱变效应。不久又发现, 芥子气和氮芥子气也可引起染色体断裂。

化学诱变的发现开拓了人工诱变的新途径。 化学诱变剂 (che-mical mutagens) 的应用, 也可大大提高突变率,而且处理比较方便。只要把化学诱变剂添加到培养基中,在上面培养 孢子或细菌,也可把诱变剂配成溶液,把种子、芽或休眠的插条等浸渍在溶液中。 随着科学实验的进展,化学诱变剂的名单不断延长。各种化学品,其中很多是致癌剂 (carcinogens),可以诱发突变。在这些化合物中,有的是广泛地用于工业加工过程中, 而另一些普遍地用作杀虫剂,杀菌剂和食物添加剂(表 10-3),所以迫切需要鉴定可以诱 变的化学品,并采取防护措施。有些化学诱变剂是高度有毒的,例如氮芥子气,所以可以在 它们产生明显的遗传损害以前,就可把它们鉴别出来;可是另一些化合物并不那么有毒,却 是诱变剂,所以往往在它们造成严重遗传伤害以前,未能被检查出来。我们最关心的是各种 化学品对人类的潜在遗传损害, 但是因为人是不能做试验的, 所以只有根据其它生物的诱变 试验的结果来推断。如发现一种化合物在细菌、果蝇或小鼠中是诱变的,我们就把它看作是 人的潜在诱变剂,不去用它,或者采取防护措施,以免危及人体。 化学诱变剂所诱发的变异, 跟自发突变和由辐射诱发的变异没有多大的区别, 但也有一 些特点值得提一提。

原来自发突变和诱发突变有一个共通的特征,就是随机性。所谓随机性,就是说,突变 可以发生于不同发育时期的各种细胞, 可以发生于细胞内的不同染色体, 可以发生于染色体 上各种不同座位, 而且同一座位上的基因又可突变成各种不同的等位基因。 但是看来某些化 学诱变剂在这方面已有了一定程度的突破。例如生物硷咖啡因可以诱发染色体断裂和重组, 但并不显著提高可见突变的发生率。 又如近年来利用一些核苷酸类似物, 如脱氧尿核苷来处 理细胞,使细胞合成 DNA 时错误地组入了这种类似物,以代替正常的核苷酸,结果造成染 色体畸变,而且断裂的地方有比较地集中于染色体的某些地区的趋势。但在这种情况下,仍 然不能说,突变是不随机的。所以我们可以说,到现在为止,还没有发现那个诱变因素能使 生物定向地产生更适应于该因素的那些突变,这一点是应该注意的。 诱变在育种上的应用 物理因素和化学因素可以诱发突变,使突变率大大提高,这样变 异的来源就大为增多。 通过人工选择再加上育种上的一些措施, 可以培育出生产上需要的各 种优良品种。 在微生物选种中,现在已广泛应用诱变因素,来培育优良菌种。例如青霉菌的产量最初 是很低的,生产成本也很高。后来交替地用 X 射线和紫外线照射,以及用芥子气和乙烯亚胺 处理,再配合选择,结果得到的菌种,不仅产量大大地提高了,而且混在青霉素制品中的一 种黄色素也不再分泌了。 现在我国发酵工业部门已把诱变因素广泛地应用在各种抗生素菌种和其它工业微生物 的育种上,使产品质量继续提高,产品成本不断下降。 在植物方面,应用诱变育种,已培育出许多优良品种。这个方法特别有利于改进高产品 种的个别不良性状。例如用γ 射线处理籼稻干种子,选出成熟提高 15 天的新品种,而丰产 性状仍旧保存下来。 又一般米粒的蛋白质含量不高, 而且所含的蛋白质较多地分布在米粒的 外层,在碾成白米时,多已丧失。现在用诱变方法,得到新的水稻品种,不仅提高了米粒中 蛋白质的含量,而且蛋白质分布在整个米粒中,所以碾成白米后,米粒中蛋白质含量提高很 多。 还有, 用γ 射线和其它诱变剂处理大豆, 培育出一个新品种。 这品种具有改变了的酶系, 在光合过程中消耗有机碳很少, 被称为 “非光呼吸作物” 。 光呼吸虽为植物正常生活所必需, 但它的消耗过大,几乎用去了合成有机碳的一半,所以育成的非(或低)光呼吸作物可在同 样的施肥和管理条件下,提高产量 50%。诸如此类的例子是很多的。现在我国在这方面发 展特别快,成效也很显著,先后已育出了一百种以上的水稻、小麦、高粱、玉米、大豆等的 新品种,而且有些品种已大面积推广种植,在粮食增产上起了很大的作用。 在家蚕中,Strunnikov(1980)研究出“性连锁平衡致死系”(balanced sex-linked lethals),使孵出来的都是雄蚕。部分育成经过是这样的。 应用电离辐射, 得到几个 Z 染色体上具有隐性致死基因的品系, 从中选出 Z 染色体左臂 上带有隐性致死基因 11 或带有 12 的两个杂合体。这两品系虽各有致死基因一个,但不降低 生活力。11 与 12 的座位靠近,重组值很低。另外又由辐射诱变,得到 ZW 易位(Z:W translocation)的雌蚕, Z 染色体的一个片段易位到 W 染色体,这易位片段上带有与 11 和 12 相对应的正常等位基因+11 和+12(图 10-9)。

把 ZW 易位的雌蚕与一条 Z 染色体上带有致死基因 11(或 12)的雄蚕交配,得到的杂种 中,雌蚕具有从母本来的 ZW 易位染色体和从父本来的带有 11(或 12 的 Z 染色体。这雌蚕由 于有 ZW 易位,除了一个正常 Z 染色体外,还有一个由于易位而获得的 Z 染色体片段,所以 Z 染色体部分重复,但它们仍是可育的。Z 染色体部分重复的杂种雌蚕再与一条 Z 染色体上 带有致死基因 12(或 11)的雄蚕杂交,所得的杂合体中,雄蚕的两条性染色体(ZZ)分别具 有 11 和 12 致死基因。这样就得到了平衡致死系:雌蚕带有 ZW 易位和一个标记有 11(或 12) 的正常 Z 染色体, 而雄蚕是致死基因 11 和 12 的杂合体。 这平衡系能真实遗传 (图 10-9, 左) 。 而这系统的雄蚕与正常雌蚕杂交时,下代只有雄蚕(图 10-9,右),因为雌蚕的 W 上没有 11 或 12 的等位显性基因+11 或+12,所以雌蚕全部死亡。 根据实验,可能仍有少数雌蚕活下来,那是由于父本雄蚕(11+/+12)的两致死基因间 发生重组,形成不具有致死基因的雄配子(+ +),如这种雄配子与带有 W 的雌配子结合, 就有可能出生有生活力的雌蚕(图 10-10)。

据说 ZW 易位的平衡致死系已用于蚕种制造,提供全是雄蚕的杂交种,供生产上应用。 但鉴于平衡致死系雌蚕有较大片段的重复, 不可避免地会影响其生活力, 所以还应继续选育, 增加雌蚕强健度。不过不论怎样,Strunnikov 的实验构思是巧妙的,他所得到的性连锁平 衡致死系,如经过实质性的改进,是有可能在蚕丝业生产上发挥其应有作用的。 习题 1.名词解释:基因突变,自发突变,诱发突变,可见突变,生化突变,致死突变,回 复突变,突变率。 2.进行 Muller-5 测验时,要检验的雄蝇与 Muller-5 雌蝇交配得到 F1 后,一定要做单 对交配(pair mating),看 F2 的分离情况。为什么一定要做单对交配? 3.何以多倍体可以阻止基因突变的显现?同源多倍体和异源多倍体在这方面有什么不 同? 4.在鸽子中,有一伴性的复等位基因系列,包括 A B =灰红色 B=野生型(蓝) b=巧克力色 显性可以认为是完全的,次序从上到下。我们已经知道鸟类的性决定是:♂ZZ,♀ZW。 A 基因型 B b 的雄鸽是灰红色的,可是有时在它们的某些羽毛上出现巧克力斑点。 请对这现象提出两个说明,一个从染色体方面,一个从基因方面。 A 5.如果在遗传型 B (一)的雌鸽中出现斑点,这斑点往往是巧克力色,但在这类鸽子 中有时也可看到蓝色斑点。这个事实对你的上述两个解释中哪一个有利? 6.在一牛群中,外貌正常的双亲产生一头矮生的雄犊。这种矮生究竟是由于突变的直 接结果,是由于隐性矮生基因的“携带者”的偶尔交配后发生的分离,还是由于非遗传(环 境)的影响?你怎样决定? 7.一野生型的雄果蝇与一个对白眼基因是纯合的雌果蝇杂交,子代中发现有一只雌果 蝇具有白眼表型。你怎样决定这个结果是由于一个点突变引起的,还是由于缺失造成的? 8.用 4000 r 的 X 射线照射,使处理过的果蝇配子中有 12%发生了性连锁隐性致死突 变。假定在没有照射过的果蝇配子中,几乎没有可检出的突变发生,又假定突变率与剂量之 间有严格的线性关系,请问,用下列剂量进行照射时,预期发生的致死突变率各为多少? (a)1000 r;(b)2000 r;(c)5000 r;(d)6000r。 9. 原子弹在日本长崎和广岛爆炸后, 最初的一个遗传学研究是调查受到过辐射的个体, 了解他们的子女性比情况。为什么? 10.在辐射的剂量效应中,一般认为易位的出现需要 2 个独立的断裂。所以易位的频率 大致上与剂量的平方成比例。 可是在多数实验中, 易位的出现往往与剂量的 3/2 方成比例。 这可能是由于某些断裂重新愈合的结果。 现在有一实验,对果蝇的精子进行照射,在每 100 个存活的子代中,发现易位的数目如 下:

根据公式 y=kD ,计算剂量 D=0.5kr(=500r)时的 k 值,然后利用这个 k 值计算 D=1kr 3/2 和 D=2kr 时的 y 值。把这些预期值与用公式 y=kD 所得的数值相比较。你得出什么样的结 论? 第十一章 遗传的分子基础

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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 11-1)。

图 11-1 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 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%。 35 32 所以 Hershey 和 Chase(1952)用放射性同位素 S 来标记蛋白质, P 来标记 DNA。把宿主 35 32 细菌培养在含有 S 的培养基中,或培养在含有 P 的培养基中。宿主细菌在生长过程中,就 35 32 被 S 标记上了,或被 P 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 35 32 位素标记上了,或被标上 S,或被标上 P。 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 35 35 记。用 S 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 S 标记的噬菌 32 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 P 标记的噬菌体感染时, 在蛋白质外壳中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 11-2)。 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 11-3)。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。 Fraenkel-Conrat 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 11-4,5)。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 HR 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。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 11-6)。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 Avery 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 11-2)。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 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 11-3。

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 DNA,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 11-7)。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 11-8),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,计算点子的分散角度的程序 也极为繁重。所得的数据表明,DNA 分子是细长的,由两条链组成,互相平行。 (2) Chargaff(1949—1951)研究不同生物的 DNA,得到几个实验法则:(a)T+C 量(嘧啶核苷酸总数)总是等于 A+G(嘌呤核苷酸总数);(b)A 量总是等于 T 量,C 量 总是等于 G 量,但 A+T 量不一定等于 C+G 量。 Watson 和 Crick 的 DNA 双螺旋模型就是根据这些线索推导出来的。这个模型的主要特 点如下: 第一, DNA 分子是互相旋转的两条长链, 成为一种双螺旋 (double helix) 形式 (图 11-10) 。 每一条链的主线代表交互存在的糖和磷酸,两条链的极性是相反的。就是说,一条链的原子 顺序正好与另一条链的原子顺序相反,这两条链是反向平行的(anti-parallel)。碱基的 排列位置跟主线成直角, 向 DNA 分子的中央突出。 一条链上的碱基总是跟另一条链的同一水 平上的碱基配对,每对碱基由弱氢键(weak hydrogen bond)联结起来。(图 11-11)。 所有的碱基都是这样一对对地配对,所以 DNA 分子的双链是由碱基对(pairs of bases)的 H 键联结在一起的。

腺嘌呤与胸腺嘧啶通过 2 个氢键配对, 鸟嘌呤与胞嘧啶通过 3 个氢键配对。 氢键比联结 每一核苷酸的原子共价键弱得多,但已足够保证 AT 以及 GC 配对的专一性。因为 AT 对只有 2 个氢键,而 GC 对有 3 个氢键,所以 GC 对丰富的 DNA 比 AT 对丰富的 DNA 更为稳定些。 第二,碱基的配对不是随机的。嘌呤和嘌呤结合在一起,位置不够,而嘧啶和嘧啶结合 在一起,位置有余。而且有两个氢键的碱基 (A 或 T) 正常不能和有三个氢键的碱基(C 或 G) 配对,所以 A 只能与 T 配对,C 只能与 G 配对。就是说,如在一条链上,某一碱基是 A,则另一个链 上与它相对的必是 T;与 T 相对的必是 A,与 C 相对的必是 G,与 G 相对的必是 C。所以 DNA 分子中两条链是互补的,可简单地写成:

所以这个模型要求腺嘌呤和胸腺嘧啶的分子数相等, 胞嘧啶和鸟嘌呤的分子数相等, 这 正是 Chargaff 所观察到的。应该注意到,对 DNA 分子中碱基顺序没有限制,所以 A+T 量 不一定要等于 G+C 量,这也是跟 Chargaff 的数据符合的。 6-12 一对核苷酸的分子量约为 700,DNA 的分子量据估计约为 3×10 ,所以一个 DNA 分子 大致上有 4 千—40 亿个核苷酸对。一个 DNA 分子是很细很细的纤丝,从地球到太阳那样的 长度,还没有半克重,所以显而易见, DNA 分子在细胞中是折叠又折叠,反复地折叠着的。 双链 DNA 的不同构型 两条 DNA 链反向平行,一条走向是 5′→3′,另一条走向是 3′ →5′,两条互补链相互缠绕,形成双螺旋(double helix)。这种双螺旋构型可有几种形 式,其中 3 种具有生物学上重要性。 (1)B-DNA 这是 Watson-Crick 模型,是右手螺旋。在正常生理状态时,DNA 分子大 都属于这种形式,碱基的平面对 DNA 分子的中轴是垂直的。事实上,细胞内 B-DNA 分子每 转一圈平均包括 10.4 核苷酸对 (nucleotide pairs) , 也可说是 10.4 碱基对 (base pairs) , 而不是恰好 10 碱基对。 (2) A-DNA 这构型也是右旋,每转一圈大约含有 11 个碱基对。在高盐分时,或在脱 水状态时,DNA 常以 A 型方式存在。活体中 DNA 分子可能很少以 A 型方式存在,但在活体中 DNA—RNA 异源双链(heteroduplexes,即 DNA 链的碱基与 RNA 链的碱基互补配对)或 RNA —RNA 双链是以这种方式存在的,所以这种构型也值得注意。 (3)Z-DNA 最近证明,某些 DNA 顺序存在着一种独特的左旋的双螺旋形式,称作 Z- DNA。这儿 Z 表示糖·磷酸主干呈 Z 字形,这型双链中碱基平面对螺旋中轴不再成直角。Z -DNA 每转一圈约有 12 碱基。这种构型可能与真核类中基因活性有重要关系。 以前认为 DNA 的结构形式是恒常的,是稳定的,现在看来这种看法需要修改。DNA 的构 型常常从一种形式动态地转变为另一种形式,看来这种转变与基因活性的调节有密切关系。 DNA 的变性和复性 将双链 DNA 在中性盐溶液中加热, DNA 分子的共价键不受影响, 而互 补碱基对间的氢键则被打开,从而使两条多核苷酸链分开成为两条单链,这叫做 DNA 变性 (denatura-tion)。 变性后成为单链的 DNA,在适当条件下又能回复成为双链 DNA,这称为 DNA 复性 (renaturation)或退火(annealing)。把 DNA 投放在含有 0.18mol/L 食盐和 0.018 mol /L 枸橼酸钠的溶液中,以 100℃加热 10 分钟,可以完全分开成为单链。变性后的 DNA 如 果慢慢冷却,时间经过 10 小时以上,DNA 复性完全,因为在这个时间里,互补的碱基间又 形成氢键。但是如果加热到 100℃的溶液迅即冷却,则 DNA 仍然保持单链状态。 加热使溶液中 DNA 分子的 50%成为单链时,所需温度称为解链温度(melting temperature),记作 Tm。因为 DNA 分子中,A 与 T 配对,氢链数是 2 个,G 与 C 配对,氢 链数是 3 个,所以 GC 含量愈多,DNA 稳定性愈高,愈加不容易由热或碱引起变性。 因为变性和复性仅影响互补碱基对间氢键的打开和重新形成, 所以通过变性和复性可用 来制备单链 DNA,进行多核苷酸链间的分子杂交,测定异源双链的同源性(homology,也就 是碱基序列间的相似性),以及估算 GC 碱基对在 DNA 链中所占的比例等,在近代遗传学研 究中有很多用处。 DNA 的复制 如果遗传信息是在 DNA 分子的碱基顺序上,那末这个顺序在细胞分裂时必 须保持不变,所以一个 DNA 分子复制时,产生的两个子分子必须互相一样,而且也跟亲分子 相同。 (1) Watson-Crick 模型中双链的互补性是复制方式的基础 DNA 复制时,碱基对间的 氢键断裂,两条核苷酸链的旋绕松开,碱基显露出来。用譬喻来说,DNA 分子像拉链一样地 拉开了(图 11-12)。核苷酸链上的碱基显露后,它们按照互补配对的要求,吸引带有互 补碱基的核苷酸,腺嘌呤吸引胸腺嘧啶核苷酸,鸟嘌呤吸引胞嘧啶核苷酸,等等,然后在邻

接的核苷酸间形成磷酸二酯链,这样一条新的互补的核苷酸链就出现了。当这过程完毕时, 新形成的两个 DNA 分子相互一样,也跟亲代分子一样。

DNA 复制时,每个分子都以它自己为模板,这种复制形式叫做半保留复制(semi- conservative replication),因为原来两条链 虽然保持完整性,但它们互相分开,作为新链合成的模板,各自进入子 DNA 分子 (daughter DNA molecules)中。 (2) DNA 的酶促合成 Kornberg 在 50 年代后期最先发现 DNA 聚合酶(polymerase), 并在试管中用脱氧核苷酸合成 DNA 成功。 Kornberg 先把高能的磷酸基团接到 4 种脱氧核苷酸上,合成 4 种三磷酸脱氧核苷。他 把这些化合物作为基质,放入试管中,添加从 E. Coli 分离的 DNA 聚合酶以及 Mg2+,此外再 投入从细胞中抽提出来的 DNA 作为合成的引物(primer)和模板(template),最后合成了 许多新的 DNA(图 11-13),其碱基组成比例与模板 DNA 相同(表 11-4)。换句话说,新 合成 DNA 的特异性不决定于试管中原来的 4 种三磷酸脱氧核苷含量的比例, 也不决定于 DNA 聚合酶的来源,而是决定于加进去的少量 DNA,即以现成的 DNA 为模板进行复制。

关于 DNA 的酶促合成,还有一点要加以说明,那就是关于添加的 DNA 的作用。添加的少 量 DNA 有两个作用:(a)作为合成反应的起始点,即作为引物。三磷酸脱氧核苷通过磷酸 二酯键(phosphodiester bond),把核苷酸接到多核苷酸链的 3′-OH 末端。所以一定要有 一段 DNA 短链的存在,才可开始 DNA 合成。(b)作为新合成的 DNA 链的模板。进行聚合时, 三磷酸脱氧核苷根据模板链的碱基顺序,通过氢键的形成,以其三磷酸与引物链的 3′-OH 末端相结合,进行聚合反应,所以结果新合成的 DNA 链与模板链是互补的(图 11-14)。

(3)关于复制半保留性的实验 Meselson 和 Stahl(1958)用实验方法证明,DNA 复制 15 的确是半保留性的。他们把大肠杆菌培养在含有重同位素( N)的培养基中。在细菌的生长 15 过程中,重同位素进入含氮碱基,然后掺入新合成的 DNA 链中。在 N 中经过多次细胞分裂, 15 14 细菌细胞的 DNA 充分地被 N 标记上了。然后把这些细胞移入正常的轻同位素( N)的培养 基中, 经过一次或二次细胞分裂, 抽取细菌样本, 从每一样本中提取 DNA, 进行氯化铯 (CsCl) 梯度离心。

CsCl 以超速离心时,盐原子由于强大的离心力被拉向离心管底部,同时溶液中存在着 的扩散作用又与离心力相对抗,使 Cs+和 Cl-离子分散在整个溶液中。CsCl 溶液经过很多小 时离心后,溶液达到一种平衡状态,扩散和沉淀的两个相对力量间保持平衡,出现 CsCl 的 一个连续的浓度梯度;溶液的密度在离心管底部最大,而在离心管顶部最小。如果 DNA 分子 溶解在 CsCl 溶液中,它们将逐渐集中在一条狭窄的带上,在那儿 DNA 分子的密度恰好跟那 15 一点上的 CsCl 密度相等。所以 DNA 用重同位素 N 标记后,在离心管中形成的一条带,位置 14 较低,可以称为重带(heavy band);而含有 N 的轻 DNA 在离心管中也形成一条带,位置 较高,可以称为轻带(light band)。 15 14 Meselson 和 Stahl 发现(图 11-15),细菌在 N 中经过多代培养后,移到 N 中培养 一代,从这些细胞抽取的 DNA 形成一条带,位置在重带与轻带之间。如果复制是半保留的, 15 14 这恰恰是所预期的,因为每一 DNA 分子中,应该一条链是 N 重链,一条链是 N 轻链。在 14 N 中生长二代以后,从这些细胞抽取的 DNA 形成两条带,一条在中间位置,另一条在轻带 位置,这个观察又跟预期相符合。

还有更使人信服的,他们从在 N 中生长一代的细胞抽取 DNA,通过热变性(thermal denaturation),使 DNA 双链分开,然后离心。这时他们观察到两条带,一条是重的,一条 15 是轻的,证明第一代杂种分子是半保留性复制的产物,它们的双链中, 一条来自亲代 ( N), 14 15 一条是新合成的,所以可以记作 N/ N。 (4)高等生物中染色体的复制 DNA 复制也曾在有些植物中研究过。在这些实验中,观 察单位不是 DNA 分子,而是含有 DNA 的染色体(Taylor, 1958)。 3 染色体用放射性胸腺嘧啶核苷标记,因为这种核苷只进入 DNA 中。放射性是从氚( H) 来的,氚取代了氢的位置,代入的氚很稳定,很少跟溶液中的氢置换,所以氚可有效地标记 掺入的胸腺嘧啶核苷的位置,从而可以标记 DNA。把要观察的材料做成片子,用乳胶紧紧地 覆盖在玻片上。经一定时间,DNA 中氚核裂解后放出的β 粒子使乳胶中的银粒子还原。把乳

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胶显影, 拿有标本的玻片和显影后的乳胶同时在显微镜下检验, 就可正确地决定氚在染色体 中的位置。 3 进行实验时,把蚕豆(Vicia faba)幼苗培养在含有 H 的胸腺嘧啶核苷的培养基(也 3 叫热培养基)上, DNA 复制时, H 胸腺嘧啶核苷掺入 DNA 中。培养一定时间后,染色体都 带有放射性。然后把根移到含有秋水仙素的非放射性培养基(也叫冷培养基)中。秋水仙素 抑制纺锤丝的形成, 所以染色体分裂, 细胞不分裂, 这样不仅姊妹染色单体留在同一细胞中, 而且存在的染色体数目表明复制的次数。 根尖细胞移植到冷培养基后,在冷培养基上进行分裂。把根尖细胞制片,染色,并进行 放射自显影,观察第一次分裂和第二次分裂,结果如图 11-16 所示。第一次分裂中期,两 条染色单体都均匀地标记上了;而标记后第二次分裂中期,可以看到一个染色体中,有一条 标记了的染色单体和一条未标记的染色单体。

这些结果可以这样说明:在间期的 G1 期时,染色体未复制,每一染色体是一条 DNA 双 3 键,进入 S 期后,DNA 双链在 H-胸腺嘧啶核苷存在下复制,所以经 G2 期而进入标记后第一 次分裂期(M 期)时两条染色单体都被标记上了。第二次复制(S 期)是在没有胸腺嘧啶核 苷的培养基中进行,所以到标记后第二次分裂期(M 期)时只有一条染色单体是被标记的。 从而这个实验在染色体水平上表明了 DNA 双链的复制是半保留的。 以后发展一种新的染色方法,可以不用放射自显影技术(aut-oradiography),直接观 察染色体的半保留复制。这方法是,染色体在含有溴脱氧尿嘧啶核苷(bromodeoxyuridine, BrdU)的培养液中经过两次复制,然后用 Giemsa 染色,结果就出现所谓色差染色体 (harlequin chromosomes)。因为在 BrdU 中所合成的 DNA 链着色很浅,跟原来的链明显不 同。 色差染色体的出现方式跟用放射自显影所得的结果一样, 都证明 DNA 的复制是半保留的 (图 11-17,并请参照图 11-16)。

(5)由放射自显影看 DNA 复制 大肠杆菌的染色体是环状的双链 DNA。Cairns(1963 年)用放射性同位素标记大肠杆菌染色体,他发现两个圆形的链在复制时分开,每一链分别 复制,这种复制就出现 Y 形复制叉(replication fork)。 Cairns 的实验和解释是这样的: 3 细菌细胞在含 H-胸腺嘧啶核苷的培养基中生长,DNA 复制时,放射性同位素掺入 DNA 中。理论上所有新合成的子分子都含有一条放射性(热)链和一条非放射性(冷)链。在热 培养基中经过不同时间的培养和不同次数的复制后,从细菌细胞抽取 DNA,漂浮到膜上,经 过放射自显影后,在电子显微镜下进行观察。 3 在 H-胸腺嘧啶核苷中进行一次复制,在放射自显影图上看到一圈小点,他的解释见图 11-18。

在第二次复制周期中,像预期那样,看到眼球状的结构,两侧各有一个 Y 形复制叉。还 有,放射自显影图中三个区段的粒子密度不同,中间的一个弧形区段粒子密度较大,像图 11-19 左方所表示那样,所以在右方作了相应的解释。 (6)复制的起点与复制子 E.coliDNA 复制时,眼球的大小可以不同,但每一个分子的 眼球数仅限于一个。可见 DNA 的复制从一点开始,随着复制叉(replication fork)同时向 两侧移动,眼球部分渐渐扩大,最后成为两个环状分子,复制完毕。噬菌体和质粒的环状 DNA 大都以这种方式复制;但也有复制从起始点发动后,复制仅向一方进行的。

E.coli 噬菌体以及质粒 DNA 都是独立复制的,这样的独立复制的单位,称为复制子 (replicon)。复制子必然存在有复制的起始点(origin of replication),与复制有关 的蛋白质,如 DNA 聚合酶等就在这儿起作用,使复制开始。一旦复制开始,即进行到底;那 就是说,复制由起始点进行调节。 高等生物的 DNA 是一个很大的分子,长度约为 E.coli DNA 的数百倍,在分子内有好几 个起始点(图 11-20)。根据放射自显影推断,起始点与起始点之间的距离随生物种类而异, 4 5 大致在 10—250μ 之间。这个长度含有 3×10 -8×10 碱基对,相当于 E.coli 染色体全长 的 1—20%。 高等生物的染色体是多复制子(multi-replicon),原核生物的染色体是单复制子,两 者是不同的。因此,尽管每个复制叉的移动速度以细菌为快,但染色体全体的复制速度还是 高等生物方面快。 又染色体的复制速度随细胞种类和生理状态而异, 但这不是由于复制叉移 动速率(即复制速率)不同,是由复制从那个起始点开始决定的。

(7)DNA 聚合酶 DNA 复制的特点是以 DNA 自体作为模板,但在 DNA 聚合反应中还需要 蛋白质,其中一类重要蛋白质是催化核苷酸聚合的 DNA 聚合酶。 Kornberg 最初发现的聚合酶是 DNA 聚合酶Ⅰ,以后又从细菌中分离到 2 种聚合酶,分 别称为 DNA 聚合酶Ⅱ和Ⅲ。这些酶的作用在 E.coli 中研究得最为详细。实际上在 DNA 复制 中起作用的是 DNA 聚合酶Ⅲ。这酶在细胞中含量最少,每细胞约 10 个分子。DNA 聚合酶Ⅰ 在细胞中含量最多,每细胞约有 400 个分子,这主要有关于 DNA 的损伤修复。关于聚合酶Ⅱ 的作用,还不清楚。高等生物也有 3 种 DNA 聚合酶,分别称为α ,β 和γ 。其中 DNA 聚合酶 α 在复制中起作用, 聚合酶β 在损伤修复中起作用, 但因为没有适当的突变型可以进行验证, 所以这些聚合酶的作用尚有待于证实。 (8)DNA 链的伸长构成 DNA 的两条核苷酸链是逆向平行的,从而复制叉向两侧推进时, 如在起始点的一侧合成方向为 5′→3′,而在另一侧,合成方向必然为 3′→5′。可是已 知的 DNA 聚合酶只能以 5′→3′方向合成 DNA,为了解决这个矛盾,提出了不连续复制 (discontinuous replication)模型。根据这个模型,先合成 DNA 短链,随后与已有的 DNA 长链结合。以后冈崎证明,在细胞内确实是这样进行的,所以这样的 DNA 短链就称为冈崎片 段(Okazaki fragment)。 图 11-21 是 DNA 复制过程的模式图。随着复制叉的移动,分开的两条 DNA 链分别合成 一条新的互补链。在复制起始点的一侧,DNA 合成的方向与复制叉移动的方向相同,但在另 一侧, DNA 合成的方向与复制叉移动的相反。 这时先形成由若干核苷酸而成的 RNA 引物 (RNA primer) 。 为什么先要合成 RNA 引物?那是因为 DNA 聚合酶不能开始新 DNA 的合成。 E. coli 大约以 100 到 200 核苷酸的间隙形成这样的 RNA 引物。催化 RNA 引物合成的是称作引物酶 (primase)的特殊的 RNA 合成酶。 DNA 短链伸展,到达已有的 DNA 长链的 5′末端,在这儿两者接合,不过事先引物 RNA 已被除去。在这阶段中,DNA 多聚酶Ⅰ在起作用。这个酶在同一分子内有两个酶活性:一个 是在 5′→3′方向降解多核苷酸链的核酸外切酶活性(exonuclease acti-vity),另一个 是在同一方向合成 DNA 链的聚合酶活性。由于这两个酶活性,RNA 被除去,同时由于 DNA 链 的伸长,填补了留下的空隙,最后由连接酶(ligase)的作用,DNA 短链与原有的 DNA 长链 结合。因为在结合之先,RNA 引物已被切除,所以完成的 DNA 看不到 RNA 部分。

DNA 复制还有许多蛋白质参与。DNA 双螺旋必须在复制过程中旋转,因为两条链是相互 缠绕的。这是由一类称为拓扑异构酶(topoisomerases)来完成的。它可把环状 DNA 的一种 构型变为另一种构型(图 11-22)。例如拓扑异构酶Ⅱ或促旋酶(gyrase)可以促使松环 DNA(relaxed DNA)形成超螺旋 DNA(supercoiledDNA)。超螺旋的形成,出现很大的扭力, 使双链 DNA 易于解开。为了把 DNA 双链分开成为单链,还需要解旋酶(helicase)的参与。

此外,DNA 的复制还与其它一些蛋白质有关。通过上述这些蛋白质的协同作用,正确的复制 过程才得以进行。 (9)DNA 复制过程的概括 DNA 的复制过程是 DNA 双链解开,每一条链作为新链合成的 模板,最后形成两个相同的 DNA 分子。

图 11-21 中,下方一条链的走向是 3′→5′。在这链的起点右侧,在 DNA 聚合酶的参 与下,新链连续合成,方向为 5′→3′。在复制叉前沿由于拓扑异构酶的作用,形成超螺 旋,大大地增加了扭力,再加上解旋酶 (helicase)等的参与,使亲代双螺旋松开。松开 后露出的单链部分由单链结合蛋白 (single-stranded bindingprotein) 的协助, 保持稳定, 促使 DNA 合成连续进行。而在起点左侧,新链必须间断合成,因为所有 DNA 聚合酶以 5′→ 3′方向合成的。所以只有在模板链的新区段松开后,新链片段才可开始合成。合成时先要 有引物酶(primase),在这酶的催化下,以 DNA 为模板,合成一段 RNA 短链,作为引物。 RNA 引物合成后, 接着在 DNA 聚合酶Ⅲ的催化下, 以 DNA 为模板, 合成冈崎片段或 DNA 短链。 当后一 DNA 短链合成后,在 DNA 聚合酶Ⅰ的参与下,前一 DNA 短链的 RNA 引物被降解,而且 RNA 切除后留下的空隙被填补。然后在连接酶(ligase)的催化下,使不连续的短链连结成 为 DNA 新链(图 11-23)。最后两条新合成的链连同各自的模板链,形成两个相同的 DNA 分子。 第三节 DNA 与蛋白质合成 上面我们证明了 DNA 是遗传物质, 接着又说明了 DNA 的结构和复制, 现在我们要讨论蛋 白质和性状的关系,DNA 如何控制蛋白质的合成,以及基因与 DNA 等。 性状和蛋白质 我们看到的性状是千变万化的,可是经过仔细分析,都跟蛋白质有关。 一个细胞可以含有几千种不同的蛋白质分子, 这些蛋白质各有一定的成分和结构, 在细胞或

体内执行不同的功能, 引起一系列错综复杂的代谢变化, 最后显示为各色各样的形态特征和 生理性状。 蛋白质的种类很多,按照功能不同,大致可以分为下列几类: (1)酶 细胞每进行一项工作,都包括一系列错综复杂的化学变化,一个反应的产物是 另一个反应的底物。 这些化学反应几乎没有一个是自发的, 那就是说, 在试管中进行得很慢, 或者根本不进行,可是在一种特殊蛋白质——酶——的存在下,这样的反应都进行得很快。 为了发生反应,这种蛋白质只要微量就可以了。它们跟反应中的分子结合,使反应可以更有 效地或更为迅速地进行,蛋白质本身并不在这反应中改变,在释放产物后,它又可跟另外反 应中的分子结合。 一个活细胞中进行着几千种反应,它应有同一数目的酶,因为每一种酶催化一种反应。 如果一个细胞中缺少某一种酶,尽管反应中的分子是存在的,不能进行相应的反应。例如缺 少一种尿黑酸氧化酶,不能把尿黑酸变为乙酰醋酸,直接在尿液中排泄出来,这样就出现了 黑尿病。 (2)运载蛋白质 血红蛋白是脊椎动物血液中的一种蛋白质,它很容易与分子氧结合。 血液通过肺的时候,血红蛋白和氧气结合。血液返回心脏,流向身体其余部分时,把这结合 的氧释放出来,供应给各种组织。所以血红蛋白不是催化一种化学反应,而是帮助某一特定 物质的运输,是一种运载蛋白质(transportprotein)。细胞的膜上或膜内含有很多种类的 运载蛋白质,它们帮助需要的物资运入细胞,而把不要的物质运出细胞。所有这些运载蛋白 质都能认出特定的物质,并把它们运输。 例如细胞中缺少一种能够促进小分子通过细胞膜的运载蛋白质, 使胱氨酸等氨基酸通过 细胞膜的运输过程受到影响,这样就出现胱氨酸尿症。 (3)作为结构单位的蛋白质 细胞器(膜,核,染色体,线粒体、叶绿体等)是由较小 的亚基构成,这些亚基大都是蛋白质分子。这些亚基以一定方式配搭起来,从而决定了总的 形状,使它们能够执行特定的功能。不过一种蛋白质作为一个结构的亚基,例如作为细胞膜 的一个亚基,并不是说它就不能同时作为一种酶或一种运载蛋白质了。 (4)激素 在昆虫和高等动物中,身体的一部分可以产生一种特定蛋白质,释放到血 液中,通过循环系统,调节其他细胞的活动,它们叫做激素。激素的作用也是很专一的,这 自然跟它的特定的结构和组成有关。 例如男性的脑下垂体前叶产生一种激素——促性腺激素(gon adotropic hormone,或 GSH),刺激睾丸的间质细胞,促进睾酮(testosterone)的分泌,使精子持续地形成。但 在 XXY 个体,因为靶的器官——睾丸——对促性腺激素的反应减弱,或不起反应,所以在这 样的个体中,尿中促性腺激素的排泄量就上升了。 (5)抗体在脊椎动物中,一种外来蛋白质,多糖或核酸进入血流,带到淋巴结和脾, 就产生一种特定蛋白质——抗体。由于抗体的独特结构和组成,可以认出外来分子,并与之 结合,身体运用这个系统作为一种防御机制,来防止细菌,病毒等的侵入。因为一个动物从 出生以后, 不断接触来自入侵微生物等的外来大分子, 所以血液中含有大量不同种类的抗体 蛋白质。 患无γ -球蛋白血症(agammaglobulinemia)的婴儿,血浆中基本上没有γ -球蛋白,不 能形成某些抗体,所以在出生半年后,当母体来的抗体消失时,对细菌的侵染很敏感,接连 地受到感染,虽然这种婴儿对病毒侵染的抵抗力大多数是正常的。 (6)受体 受体是细胞膜或细胞内的大分子蛋白质,能选择地与一定活性物质相结合, 产生特定的生理效应。 例如在人中,有一种 X 连锁隐性遗传病——睾丸女性化综合症(testicular feminization syndrome),患者的性染色体是 XY,有睾丸发育,也能分泌正常量的雄激素。

但由于患者靶组织细胞中的胞液受体(cytosol receptor)异常,对雄激素部分地或全然不 敏感,导致雄激素的作用发生障碍,影响睾丸成熟和精子发生,所以有女性体态,而无生育 能力。 上面介绍了几种不同功能的蛋白质, 并指出遗传性状与这些蛋白质的关系。 那么有的遗 传性状,例如常染色体隐性遗传的着色性干皮症(xeroderma-pigmentosum),患者有日光 过敏症,在皮肤的见光部分易于发生色素沉着,皮肤萎缩,角化过度,发生癌变。已知这病 起因于 DNA 损伤, 不是与蛋白质无关吗?但深入研究后很快就发现, 这病实在是由于患者缺 乏 DNA 修复酶(DNArepair enzyme),在 DNA 损伤后,不能修补,从而引起突变,甚而导致 癌变。由此可见遗传性状直接或间接都与蛋白质的改变有关。 蛋白质的结构和组成 所有蛋白质都是多聚体, 构成的单位是氨基酸。 氨基酸有 20 几种, 有一个共通的结构:中央是碳原子,一旁是氨基(N 端,N-terminal end),另一旁的羧基 (C 端,C-terminal end),但是连接中央碳原子上的基团(R)可以很不相同(图 11-24)。 所以虽然氨基酸构成单独的一类, 有着一些共同的特性, 但是不同的氨基酸在化学上是可以 明确地相互区别的。图 11-25 是 20 种标准氨基酸中的几个例子。

氨基酸和氨基酸可以通过肽键相互连接起来(图 11-26)。

氨基酸从 N 端到 C 端规则地连接起来,构成多肽。构成蛋白质的多肽,有的较短,只有 10 个左右的氨基酸,有的较长,可以多到 2000 个左右。

20 种氨基酸(表 11-5)可以以各种顺序连接起来,每一种氨基酸在多肽链中可以重复 出现。所以我们很容易想象,虽然所有蛋白质都由同样一些氨基酸连结起来的,但是可以构 成的蛋白质的数目却是惊人的。

氨基酸在多肽链中的顺序,叫做一级结构(图 11-27),因为邻近的氨基酸不同,相 互之间,或相吸引,或相排斥,所以肽链倾向以一定方式旋曲起来,这叫做次级结构。这种 旋曲又倾向以一定方式相互靠拢,相互折叠,所以每种蛋白质各有它的立体形状,这叫做三 级结构。结果出现的形状可以是纤维状,也可以是球状等。每一条折叠着的多肽又可和其它 的相同的或不同的多肽链联系起来, 例如血红蛋白分子就是有 4 条多肽链通过弱键而联结起 来的。

总的说来,蛋白质是 20 种不同的氨基酸以一定的顺序连接起来构成的。氨基酸在蛋白 质中的顺序就决定了它的立体结构和其它的化学和物理性质。20 种氨基酸的顺序排列数目

是天文数字的, 所以存在的蛋白质种类也是不可胜计的, 每一种蛋白质都有着跟其它所有蛋 白质稍有不同的理化性质,所以蛋白质可以执行难以胜计的生物学功能。 DNA 的功能 DNA 有自体催化(autocatalysis)和异体催化(heterocatalysis)两种功 能。DNA 分子以自己为模板,半保留性地复制,由一个分子成为两个相同的分子,这是自体 催化,已在上一节讲过。DNA 的另一功能是控制蛋白质的合成;就是根据它所储存的遗传信 息,决定蛋白质的氨基酸顺序,这是异体催化,是我们现在要说明的。 异体催化时,最简单的想法是,以 DNA 为模板,直接合成蛋白质。可是实验证明,信息 的传递不是由 DNA 直接给蛋白质,而是通过另一种核酸——RNA。因为在真核类中,DNA 是 在细胞核中而蛋白质的合成是在细胞质中。例如用 3H 尿核苷标记变形虫的一种(Amoeba proteus),它的核 RNA 被标记上了,然后把标记了的核移植到未标记的变形虫中,用放射 自显影术追迹标记的分布。结果发现,大部分的标记了的核 RNA 随后转移到细胞质中。这是 一个直接证据证明 RNA 在核中合成, 在合成后大多数 RNA 分子进入蛋白质合成的地方——细 胞质中。 所以概括地说,DNA 控制蛋白质合成的程序是这样的:以 DNA 为模板,合成 RNA,RNA 合成后转移到细胞质中, 在那儿控制蛋白质的合成。 也就是说, DNA 先把遗传信息转录给 RNA, 然后再转译为蛋白质(图 11-28)。

RNA 分子的结构 RNA 分子像 DNA,也是核苷酸的多聚体,也是长链的大分子;但是也有 几点不同的性质:①RNA 通常是单链,而不是像 DNA 那样,通常是双链;②它的核苷酸中的 糖是核糖,而不是脱氧核糖;③它所含有的 4 种碱基中没有胸腺嘧啶,而代之以尿嘧啶,虽 然尿嘧啶(U)的配对性质跟胸腺嘧啶(T)一样,也与腺嘌呤(A)形成氢键。 RNA 分子中为什么没有胸腺嘧啶,而有尿嘧啶,为什么不是脱氧核糖,而是核糖,没有 人确切知道;不过 RNA 的最重要特性是单链,而且在结构上很像 DNA,它的碱基可以有任何 顺序,也可以各种次数重复(图 11-29):这就为我们提供一个线索,表明 RNA 的转录方 式类似于 DNA 的复制,也以 DNA 为模板,按碱基互补的原则合成的。

信使 RNA 以 DNA 为模板,根据互补方式,合成 RNA,把 DNA 上所带的遗传信息,传给 RNA,这过程称为转录(transcrip-tion)。转录后形成的 RNA 进入细胞质中,控制蛋白质 的合成。因为这种 RNA 传达 DNA 上的遗传信息,所以称之为信使 RNA(messenger RNA)或 mRNA。

mRNA 的合成需要一种酶, 叫做依赖 DNA 的 RNA 聚合酶 (DNA-dependentRNApolymerase) 。 这酶在 E.coli 中研究得最为详细,全酶(holoenzyme)包括 6 个多肽,其中 5 个多肽(a2 β β ’ω )构成核心酶(coreenzyme),第 6 个多肽称为ζ 因子(sigma factor)。以 DNA 为模板合成 RNA 时,ζ 因子能正确识别 DNA 上的起动区(promoter),RNA 聚合酶随即与之 结合。当 RNA 合成开始后,ζ 因子被释放,RNA 链的延伸由核心酶催化。RNA 转录到终止区 (terminator),合成停止。起动区和终止区确定了转录范围。关于终止作用的分子细节尚 未完全了解,至少还有一种称为ρ 因子(rho factor)的蛋白质是不可缺少的(图 11-30) 。

转录不是沿 DNA 分子全长进行的, 是以包括一个或几个基因的 DNA 区段为单位进行合成 的。合成时作为模板的仅是 DNA 双链中的一条。这是容易想象的,如果某一区段的 DNA 双链 都被转录,那么将产生两条互补的 RNA 链,形成两种完全不同的蛋白质。这显然不是如此。 而各种实验也证明,在一个时候 RNA 只从某一 DNA 单链的某一区段转录,尽管在整个 DNA 分子中,在整个生活史中不一定总以同一条 DNA 链作为模板的。 跟 DNA 合成一样,由 RNA 聚合酶催化的 RNA 合成也是从 5′到 3′进行。这时作为模板 的 DNA 链与由此合成的 RNA 链方向是相反的。换句话说,转录时对 DNA 链是从 3′到 5′读 取的。RNA 聚合酶沿 DNA 双链移动时,DNA 双链打开(图 11-31),在 RNA 聚合酶的作用下, 游离的三磷酸核苷(ribonucleoside triphos-phate)的碱基跟 DNA 的模板链上的露出的碱 基配对,随后在排列着的邻近核糖核苷酸间形成 3′∶5′磷酸二酯键,这样核糖核苷酸一 个接着一个连接起来(图 11-32)。

在大多数原核生物中, 各种类型的 RNA 都是由单一种类的 RNA 聚合酶催化转录的; 但在 高等真核类中,不同类型的 RNA 是由不同 RNA 聚合酶催化转录的。 mRNA 约占细胞中 RNA 总量的 1%,它的分子特性有很多地方尚待阐明。在原核生物中, 它比较不稳定,在完成蛋白质合成的任务后,不久就解体;但在高等生物的细胞中,mRNA 比较稳定,据说有保持相当长时期的。 mRNA 在转录后的加工 在细菌中,mRNA 的长度跟转录后的 RNA 一样;可是在真核类中, 核内初级 RNA 转录物(primaryRNA transcript)要经过复杂的加工,才从核内转移到细胞 质,在那儿控制蛋白质的合成。 初级 RNA 转录物或 mRNA 前体的加工处理包括 4 个过程: (1)在 mRNA 的 5′端加上一个 7-甲基鸟苷(7-methylgua-nosine)作为帽子。这鸟苷 通过三磷酸键(triphosphate bond)连接到第一个核苷酸上。所有真核类的 mRNA 都有这帽 子。mRNA 的加帽可以促进 mRNA 对核糖体的结合,从而可以延长 mRNA 的寿命。 (2)在 mRNA 前体的 3′末端加上一条具有 150—200 个腺苷酸的序列,称为多聚(A) (poly A)。这条多聚(A)尾巴对 mRNA 的稳定性有一定作用,而且可能对 mRNA 进入细胞 质有帮助。 (3)在 mRNA 帽子的 5′末端,一般有 2—3 个核苷酸被甲基化(methylation)。据说 甲基化可以提高 mRNA 在蛋白质合成中的效能。 (4)初级 RNA 转录物中,相当一部分被切除,然后留下来的区段连接起来。这些被切 除的多余核苷酸是从基因内间隔顺序(intervening sequence)或内显子(intron)转录的; 留下来将在细胞质中编码蛋白质合成的区段称为编码顺序(coding sequence)或外显子 (exon 或 extron)。 从上面说明,可知 mRNA 前体在核内要经过戴帽,加尾,甲基化和切除间隔序列等加工 程存,最后才成为成熟的 mRNA。 遗传密码 我们已经讲过,DNA 控制蛋白质的合成,要通过 mRNA。mRNA 是从 DNA 的一条 链转录的,所以形成的 mRNA 跟这条 DNA 链的碱基顺序互补,而跟双链中的另一条 DNA 链相 同,只不过 DNA 中的胸腺嘧啶,在 RNA 中换为尿嘧啶就是了。 因为模板 DNA 的核苷核顺序与 mRNA 的核苷酸顺序是互补的, 所以 DNA 所储存的遗传信 息可以正确无误地传递给 mRNA。但是 RNA 只有 4 种不同的碱基,而蛋白质含有的常见氨基 酸有 20 种(表 11-5),那么怎样把 RNA 的遗传信息转译成 20 种氨基酸,决定氨基酸的排 列次序, 从而决定蛋白质的专一性呢?要解决这一困难, 只好假定每一种氨基酸不是由一个

碱基决定,而是由几个碱基决定。根据研究,认为三个碱基决定一个氨基酸,并且提出了 20 种氨基酸的密码(表 11-6)。

三个碱基作为一个密码子(codon),决定一个氨基酸,但 4 个碱基的各种可能组合数 有 43=64 个,对 20 个氨基酸是太多了,所以对一种氨基酸的密码子不一定只是一种。例如, 虽然甲硫氨酸(AUG)和色氨酸(UGG)只有一种密码子,但大多数氨基酸都有两种以上的密 码子,如天冬氨酸和天冬酰胺各有两种密码子,而精氨酸和亮氨酸各有 6 种密码子,对一种 氨基酸有两种以上的密码子的情况,叫做兼并(degeneracy)。此外像 UAA,UAG,和 UGA 那样,是无义密码子(nonsense codons),与这些密码子没有相对应的氨基酸,所以在这 些密码子的地方,肽链合成停止,蛋白质合成终了。不过实际上,在基因的终止区域,有时 终止密码子也可有两个以上同时并存着。 可是我们还没有谈到 mRNA 上的遗传密码从什么地方起读。现在知道,转译时从 AUG 或 GUG 起读,所以这密码子充当多肽(从氨基端开始)的起始信号(start signal)。但是表 11-6 中,AUG 是甲硫氨酸的密码子,GUG 是缬氨酸的密码子,那又是怎么一回事呢?从细 菌的实验知道,位于 mRNA 顺序起点的 AUG 和 GUG 都代表甲酰甲硫氨酸。在合成多肽时,甲 酰化的甲硫氨酸充当多肽链的起点,随后在合成过程中,或者把甲酰基分解掉,这样多肽的

第一个氨基酸是甲硫氨酸; 或者把甲酰甲硫氨酸分解掉, 或者甚而把氨基端的几个氨基酸分 解掉,这样肽链的第一个氨基酸可以是其它任何氨基酸。 从而 mRNA 序列的起读虽然从 AUG 或 GUG 开始,但合成后多肽的第一个氨基酸可以是各 种氨基酸。 在 mRNA 序列中间的 AUG 和 GUG 分别代表甲硫氨酸和缬氨酸, 所以如在 mRNA 序列 的不同地方有 AUG 或 GUG 出现,多肽链的相应地方就可有甲硫氨酸或缬氨酸的存在。 遗传密码在生物界中几乎是普遍通用的。如把兔子的血红蛋白的 mRNA 加到从大肠杆菌 来的酶和其它必要因素中,结果得到了兔子的血红蛋白。又如兔子乳头瘤病毒(shope papillomavirus)具有合成精氨酸酶的基因,把这病毒注射到人体中,可以引起精氨酸酶的 合成,据说有可能用来治疗由于缺失精氨酸酶的高精氨酸血症(hyperargininemia)。这些 实验和其它一些实验,都说明遗传密码的普遍性。 核糖体 蛋白质合成中, 需要另一种 RNA——核糖体 RNA (ribosomal RNA) 或 rRNA。 rRNA 是核糖体(ribosome)的主要成分,蛋白质合成实际上是在核糖体上进行的。 大肠杆菌的 rRNA 占细胞中 RNA 总量的 82—83%。 rRNA 和核糖体蛋白质在一起, 构成核 糖体。在核糖体中,rRNA 占 37%,其余部分是蛋白质。在电镜下观察,核糖体呈微小的悬 滴状,直径大约是 20nm。每一核糖体由大小两亚基组成。原核类核糖体的大亚基有一个 5 S rRNA 分子与一个 23 S rRNA 分子,还含有大约 34 种核糖体蛋白质,而小亚基含有一个 16 S rRNA 分子和大约 21 种蛋白质。真核类核糖体的大亚基含有 5.8S,5S 和 28S 共 3 个 rRNA 分 子,小亚基仅具有一个 18 S rRNA 分子,此外大小亚基还结合有多种核糖体蛋白质,像图 11-33 所示那样。

rRNA 分子像 mRNA 分子一样,也是从 DNA 模板上转录的。已知 E.coli 的 23 S,16 S 和 5 S rRNA 基因是紧密连锁的(E.coli 染色体是一个环状 DNA 分子,其上的基因自然都 是连锁的,所谓紧密连锁,实际上是指毗邻在一起的)。真核类的 rRNA 基因也是如此,除 5SrRNA 基因是单独的以外,也是簇聚在一起的。当转录时,先生成很长的 rRNA 前体,以后 经过酶切,除去中间的间隔序列,才形成相应的 rRNA。至于真核类的 5SrRNA 基因是分布在 好几个染色体上,转录后不需加工,就可成为具有最后结构和功能的 5S rRNA 分子。 在原核类和真核类中,编码 rRNA 前体的基因都是多拷贝的。在 E.coli 中有 5—10 份, 在真核类中,rRNA 基因以串联重复的形式大量的存在于核仁组织中心(nucleolar organizer)。rRNA 是单链,所以含有的 A 和 U 的分子数不等,C 和 G 的分子数不等。但是 它通常以发夹式折叠起来,在互补的碱基间形成氢键,所以有广泛的双螺旋区(参见图 11 -33)。

在蛋白质合成时,核糖体沿 mRNA 的长度上运行,方向是从 5′到 3′。核糖体运行时, 氨基酸相继地加到伸长中的多肽链上。换句话说,核糖体认读每一 mRNA 上的遗传密码,选 择相应的氨基酸,加到延长中的肽链。当核糖体到达基因的碱基顺序的末尾时,多肽完成, 核糖体解离,进入下一次的循环(图 11-34)。

然而多肽合成时,并不是一个 mRNA 分子上只有一个核糖体,而是若干核糖体同时进行 工作。一个核糖体附着到一个 mRNA 分子的起始点,沿 5′→3′方向在 mRNA 上运行,并合 成多肽时, 另一核糖体又附着到 mRNA, 开始转译, 这样很多核糖体同时转译一个 mRNA 分子。 若干核糖体由一个 mRNA 分子串在一起,称为多核糖体或多体(polyribosomes or polysomes)。 rRNA 很稳定,可能跟 DNA 一样稳定。 转运 RNA 核糖体是活细胞中合成蛋白质的工厂,mRNA 分子是蓝图,而把蛋白质的原料 ——20 种氨基酸搬到工厂——核糖体那儿,并按照蓝图——mRNA 把氨基酸一个个地排列起 来的,是转运 RNA。 转运 RNA(transferRNA)或 tRNA,从前也称作可溶性 RNA(soluble RNA)或 sRNA。每 一 tRNA 分子可以认出一个特定的氨基酸,与这氨基酸形成共价键,把它运到核糖体上,在 那儿找到自己的位置。这样 tRNA 就能按照 mRNA 上的密码子,把各种氨基酸排列起来。 tRNA 是短链分子,只有 73—90 个核苷酸长,沉降系数为 4S,在大肠杆菌中约构成总 RNA 量的 17—18%。tRNA 有一个引人注目的特点,就是除了 4 种普通碱基(A、U、C 和 G) 以外,还含有相当数目的稀有碱基。这些碱基当然不可能是从 DNA 模板上直接转录下来。根 据研究,知道 tRNA 从 DNA 转录时,先形成 tRNA 的前体。前体的分子比较长,在分子的一端 或两端以及在分子内部都可存在有额外的核苷酸,要经过核糖核酸酶(ribonucleases, RNases)的作用,把多余的核苷酸切除后,才成为 tRNA 的骨架分子。以后再经特定酶的作 用,把某些碱基变换为稀有碱基,最后产生成熟的 tRNA。 tRNA 也是单链,也以发夹方式折叠起来,尽可能在分子内形成最大数目的 G—C 对。因 为鸟嘌呤和胞嘧啶之间的三个氢键比腺嘌呤和尿嘧啶间的两个氢键要来得强些, 所以形成最 大数目的 G—C 对,可使 tRNA 分子有一稳定的二级结构。这就是所谓三叶草结构 (clover-leafstructure)(图 11-35)。

每种氨基酸各有一种或一种以上的 tRNA。现在已知的 tRNA 种类在 60 种以上,每一种 生物的 tRNA 至少在 40 种以上。所有的 tRNA 都有 4 个主要环(或臂)(见图 11-35),其 名称和功能大致如下: (1)反密码子环 环中有 3 个碱基形成反密码子(anticod-on)。在核糖体上进行蛋白 质合成时,反密码子与 mRNA 上相应的三联体——密码子对合。在苯丙氨酸 tRNA(tRNAPhe) 中, 苯丙氨酸的密码子是 5′UUC3′ (5′端是密码子的第一位, 3′端是第三位) , 而 tRNAPhe 的反密码子是 3′AAG5′,说明它们符合于核酸结构中的配对关系,而且两 RNA 链的极性是 相反的。 (2)氨基酸臂 所有 tRNA 的 3′端都以 CCA—OH 结尾。这群核苷酸不是由模板 DNA 转 录的, 而是由酶的作用以后添加的。 3′末端 A 残基上的 OH 可以在酶促下与氨基酸形成酯键, 所以氨基酸总是接在 3′末端的 A 上,这也是这部分结构所以称为氨基酸臂的原因。 (3)双氢尿苷环 因为环内含有双氢尿嘧啶核苷或双氢尿苷,所以有这名称。这环可能 与识别特定氨酰基-tRNA 合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)有关。 (4)Tψ C 环 因环内含有假尿嘧啶核苷(ψ )而得名。这环可能参与跟核糖体的结合。 某些 tRNA 还有一额外环(extra loop),含有 2—13 个不配对碱基,位于反密码子环 和 Tψ C 环之间,作用不明。

密码子与反密码子的对合方式 tRNA 有很多种类,各有不同的反密码子,它们具有能与 特定氨基酸结合的能力。 由于 tRNA 的反密码子按一定规则与 mRNA 密码子相对合, 从而把特 定密码子转译为特定的氨基酸。 但在与同一氨基酸对合的 tRNA 中,反密码子可以是不同的。例如丝氨酸 tRNAⅠ型的反 密码子是 3′AGU 5′,Ⅲ型的反密码子是 3′UCG5′,因此前者与 5′UCA3′对合,后者与 5′AGC3′对合,这些密码子都是控制丝氨酸的合成的(图 11-36)。由此可见,通过 tRNA 的媒介,完全不同的密码子可以编码同一氨基酸。还有,如我们细看遗传密码表(表 11-6) 就会发现, 密码子的第三位碱基不及前面两个碱基重要。 例如丝氨酸的 tRNAI 型的反密码子 是 3′AGU5′,不仅与密码子 UCA 对合,而且也与 UCU,UCC 和 UCG 对合,Ⅲ型的反密码子 是 3′UCG5′,除与密码子 AGC 对合外,也与 AGU 对合,这样通过 2 种 tRNA 作媒介,可以 把 6 种不同的密码子都转译为丝氨酸,使 tRNA 种类得以减少,不一定要像密码子数目一样 多。Crick 认识到这种情况,提出了“摆动假说”(wobblehypothesis)。他认为反密码子 5′端的碱基并不一定总是跟密码子 3′端(第 3 位)碱基是互补的,也就是说可以摆动的 (表 11-7)。

氨基酰-tRNA 合成酶 蛋白质合成时,tRNA 要把氨基酸运到核糖体中。但要这样做时, 每个 tRNA 分子必须与相应的氨基酸分子结合,形成氨基酰-tRNA(aminoacyl-tRNA)。例如 苯丙氨酸 tRNA (tRNAPhe) 必须跟一个苯丙氨酸分子结合, 形成苯丙氨酰-tRNA (Phe-tRNA) 。 这个结合是在一组叫做氨基酰-tRNA 合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetases) 催化下进行的。 这些酶有两个主要作用:①把氨基酸附着到 ATP,使氨基酸激活;②把激活了的氨基酸转移 到 tRNA 上。 这些酶的作用是高度专一的, 不同的氨基酸和它的相应的 tRNA 的偶合是由不同 的酶来催化的,所以有多少氨基酸,至少就有多少氨基酰-tRNA 合成酶。 在氨基酰合成酶的催化下,反应的过程是这样:第一步是氨基酸分子的羧基(—COOH) 与 ATP 起反应,形成氨基酰腺苷酸和焦磷酸,这样氨基酸被激活了。第二步,氨基酰腺苷酸 和相应的 tRNA 的 3′末端的腺苷基(adenyl residue)起反应,形成氨基酰-tRNA 和腺苷一 磷酸(AMP)。这样,氨基酸就由一高能键跟它的 tRNA 以共价键的形式联结起来(图 11- 37)。带有氨基酸的 tRNA,即氨基酰-tRNA,现在可以转移到核糖体中参与蛋白质的生物合 成了。

以上反应可用下式概括: 氨基酸+ATP+tRNA→AMP+氨基酰-tRNA+Ppi (PPi 以后在焦磷酸酶(pyrophosphatase)的作用下,水解为无机磷酸盐。) 上面这些反应都是在氨基酰合成酶上循序地进行的。 看来每一合成酶必定有两个结合位 置:一个位置认出氨基酸的侧基 R,因为氨基酸的不同,就是由于侧基 R 的不同;而另一个 位置能与相应的 tRNA 分子结合。就是说,每一种氨基酰合成酶能识别一种氨基酸和一种相 应的 tRNA。 但是我们还不清楚, 合成酶究竟怎样被它的 tRNA 分子认出的。 上面提到过, tRNA 的双氢尿苷环可能跟特定的氨基酰合成酶的结合有关;可是也有可能跟 tRNA 分子的立体构 型有关。 蛋白质的生物合成 蛋白质合成是一个极其复杂而又十分协调的连续过程。 在这过程中, mRNA,tRNA,氨基酸,氨基酰合成酶和核糖体等是一些主要成分。关于这些成分,上面已分 别作了比较详细的说明。现在我们来看,这些成分怎样在一起互相协调地作用,以产生特定 的多肽。 蛋白质合成在核糖体上进行。 合成的步骤在研究过的生物中基本上相似。 这些步骤用图 解方式表示在图 11-38,39 中。

合成开始时,先由一个较小的核糖体亚基(30 S)结合到 mRNA,在一些起始蛋白质 (initiation proteins)——ζ 因子等的协助下,构成一个 30 S-mRNA 起始复合体。带有 甲酰甲硫氨酸的 tRNA 进入起始复合体,认出起始密码子 AUG,tRNA 的反密码子 UAC 和起始 密码子 AUG 相对合(图 11-38②)。较大的 50 S 亚基结合到 30 S 亚基上去,形成一个完 整的 70 S 核糖体。完整的核糖体有两个供 tRNA 附着的位置,一个位置叫做氨基酰附着位 置(aminoacyl attachment site,“A”),是进入的 tRNA 结合的地方。在“A”位置上, tRNA 的反密码子可以跟 30 S 颗粒上的 mRNA 密码子对合, 而 tRNA 所带的氨基酸可以在 50 S 颗粒上进行肽键形成。另一位置叫做肽基位置(peptidyl site,“P”),这位置非常靠近 “A”位置,或者两者紧密相接。进入的 tRNA 分子在它所带的氨基酸形成肽键后,就从 A 位置移到 P 位置。详细地说,带有某一氨基酸的 tRNA 分子进入 A 位置(图 11-38⑤),然 后由于肽基转移酶(peptidyl transferase)的作用,它所带的氨基酸跟 P 位置上 tRNA 所 带的氨基酸形成肽键,并把它接收过来(图 11-38⑥—⑦)。P 位置上的 tRNA 分子失去它 的氨基酸,现在从核糖体释放(图 11-39⑧);A 位置的 tRNA 分子带着它新接上去的肽链 移位到 P 位置上(图 11-39⑨)。随着 tRNA 分子移位到 P 位置,mRNA 也沿着核糖体作协调 的行进,这样新的 mRNA 密码子就在 A 位置上显露出来了。

要进入的 tRNA 结合到 A 位置,肽键形成,以及肽链的延伸,需要有若干延伸因子 (elongalion factors)如 TF1,TF2 等的存在,并应用跟 ATP 相似的 GTP(guanosine triphosphate,鸟苷三磷酸)作为能源。 对 mRNA 上的每一密码子重复上述的步骤,一直进行到终止密码子或“无义”密码子— —UAA,UAG,或 UGA 的地方(图 12-39(11)—(12))。因为没有一种 tRNA 具有和这三个 密码子相对应的反密码子,所以这样的密码子在 mRNA 上出现,肽链的延伸就停止了。事实 上,终止密码子对核糖体提供了一个信号,使一种或几种蛋白质——释放因子(release factors),如ρ 因子等附着到核糖体,紧接着产生三种效应: 根据上述的合成程序, 合成的多肽的第一个氨基酸应该是甲酰甲硫氨酸, 可是实际上在 蛋白质中没有找到过甲酰甲硫氨酸, 那是因为原来蛋白质合成虽然从甲酰甲硫氨酸开始, 但 在合成蛋白质过程中或合成以后,把甲酰基分解掉,或者把甲酰甲硫氨酸分解掉,或者甚而 把前端几个氨基酸分解掉, 所以合成的多肽的氨基端第一个氨基酸可以是甲硫氨酸, 也可以 是其它氨基酸(图 11-39(14)),这在前面已提到过。,也可以是其它氨基酸(图 11- 39(14)),这在前面已提到过。 最后还有几点应该说明: (1)蛋白质合成的起始密码子是 AUG(或 GUG),但在 mRNA 分子上通常并不是最初的 一组核苷酸。各种研究表明,AUG 前面还有一定数目的其它核苷酸,这些前导序列(leader sequence)可能使起始密码子 AUG(或 GUG)在 mRNA 上处于一个特殊的位置,容易被认出。 (2)终止密码子 UAA 等不是 mRNA 上最后一个密码子,后面还有一条多聚腺苷酸的拖尾 序列(trailer sequence)。一个长的 mRNA 分子可以有若干个起始密码子和终止密码子, 可以形成几个不同的多肽链。这在讨论基因作用的调节时还要谈到。 (3)虽然 tRNA 分子在核糖体上的确切构型还不清楚,但可能在 A 位置和 P 位置间改变 形状。 这种改变的一个目的是使 P 位置上的氨基酸跟 A 位置上的氨基酸紧密接触, 便于肽基 转移酶发生作用,在两氨基酸间形成肽键。 (4)mRNA 上的起始密码子 AUG,被带有甲酰甲硫氨酸的 tRNA(f-met-tRNA)所认读, 所以开始合成的肽链的第一个氨基酸是甲酰甲硫氨酸。 信息中间的密码子 AUG 被带有甲硫氨 酸的 tRNA(met-tRNA)所认读,所以多肽中间只可能出现甲硫氨酸,而不会出现甲酰甲硫 氨酸。 为什么会这样呢?一个解释是这样的:完整的 70 S 核糖体并不直接结合到 mRNA,而是 先由 30S 核糖体亚基结合到 mRNA, 随着 50 S 亚基添加上去, 完成 70 S 核糖体。 而 f-met-tRNA 只能进入 30 S 核糖体-mRNA 的起始复合体,所以肽链的第一个氨基酸是甲酰甲硫氨酸, met-tRNA 只能进入 70S 核糖体-mRNA 复合体,所以肽链中间只可能出现甲硫氨酸。 (5)核糖体的结构极为复杂,关于核糖体蛋白质和核糖体 RNA 的确切排列实在所知不 多,而关于它们如何与 mRNA、tRNA、氨基酸以及肽链的相互配合,更有待于深入研究。现 在有证据表明,rRNA 对转译中各种成分(如 tRNA、mRNA 等)结合到核糖体上是至关重要的。 但对 tRNA 来说,rRNA 的这个作用看来是非特异性的,因为核糖体作为转译的场所基本上是 非专一性的。 (6)我们有关蛋白质生物合成的讨论虽然主要限于微生物,但蛋白质生物合成中的信 息转移、编码、转译过程等在研究过的生物中几乎都是相同的,这不能不说是一个使人感到 惊异的事情。例如兔子红细胞中的 mRNA 主要是血红蛋白基因的转录物,在非兔子细胞中, 例如在爪蟾的卵中, 能够正确地转译为兔子血红蛋白。 这显然表明, 转译装置 (translation apparatus)的机能在不同门类的生物中是高度相似或相同的。这种相似或相同虽然也可能 是由于地球上唯一可行的化学选择(生化先成论,biochemical pre-destination),但更

可能是反映它们在地球上的共通起源。 不过不论是什么原因, 我们观察到的一个事实是无可 争辩的,那就是地球上生命的分子基础是高度一致的。 真核类细胞中蛋白质在转译后的修饰 上面关于蛋白质合成的说明,主要是根据原核类 的研究,但基本上也适用于真核类,自然在细节上可以有所不同。 在真核类细胞中,蛋白质合成的场所——核糖体,有结合在内质网上的,有不结合在内 质网上的。 结合在内质网上的核糖体并不是有异于其它核糖体, 核糖体是否结合在内质网上, 实际上是由它们正在合成的蛋白质性质决定的。 如果合成的是一种分泌型蛋白质 (secretory protein),其氨基端上有长度约为 15—30 个氨基酸的一段序列,这序列中有一连串疏水性 氨基酸,通常称作疏水性序列(hydrophobic sequence),能和内质网上的受体糖蛋白 (receptor glycoprotein)起反应。疏水性序列一合成后,即通过内质网膜进入囊腔 (cisterna)中,接着合成的多肽链其余部分随之而入。在囊腔中,疏水性序列受到蛋白质 水解酶(proteolyticenzyme)的作用而被除去,留下新合成的蛋白质。以后内质网囊腔和 细胞膜融合,囊腔内的蛋白质就向细胞外排出。(图 11-40)。

蛋白质的加工还可有其它形式。把多肽的中间部分切除,产生两条(或几条)多肽链, 然后由双硫键联结起来,如原胰岛素(proinsulin)加工成为胰岛素就是这样(见图 11- 27)。蛋白质还可添加各种化学基团,特别是糖类,因为很多蛋白质是糖蛋白。如在粗面内 质网上合成的蛋白质在切除疏水性序列后,即被运到高尔基复合体,在那儿与糖类结合,就 成为糖蛋白,然后被运到细胞外面。 中心法则和它的发展 根据上面几节的叙述, 我们可以把 DNA、 RNA 和蛋白质的关系概括 为下列 3 点: (1)DNA 链上的核苷酸有一定顺序,这顺序就是遗传信息。 (2)DNA 双链拆开,以每条单链为模版,按照核苷酸互补原则,合成新的互补链,这 是 DNA 的复制。 (3)以 DNA 双链中的一条为模版,互补地合成 mRNA,这是转录。然后以 3 个核苷酸决 定一个氨基酸的方式,根据 mRNA 的核苷酸顺序合成多肽,这是转译。 以上几点就是中心法则(central dogma)的内容。中心法则的要点是:遗传信息由 DNA 传向 DNA,或由 DNA 传向 RNA,然后决定蛋白质的特异性;但遗传信息不能由蛋白质传向蛋 白质,或由蛋白质传向 DNA 或 RNA。中心法则也可由图式(图 11-41)表示如下:

但是以后对中心法则已有了新的发展。很多 RNA 病毒,如小儿麻痹症病毒、流行性感冒 病毒、双链 RNA 噬菌体,以及大多数单链 RNA 噬菌体等,在感染宿主细胞后,它们的 RNA 在宿主细胞内进行复制。这种复制以导入的 RNA 为模板,而不是通过 DNA。因为用放线菌素 D 处理宿主细胞后, 以 DNA 为模板的 RNA 合成几乎有 90%受到了抑制, 但是对 RNA 病毒的产 生并未受到影响,表明这些病毒 RNA 的复制是不通过 DNA 的。 现在知道,以 RNA 为模板的 RNA 合成,也就是说 RNA 的复制,是由 RNA 依赖的 RNA 聚合 酶或复制酶(RNA-dependentpolymerase or replicase)来催化的。每一种 RNA 病毒都有 它自己的独特的复制酶, 由自己的基因编码。 Spiegelman 等从感染大肠杆菌的噬菌体 Qβ 分 离出一种复制酶。有了这种复制酶,再加上 RNA 作为引物,在 Mg2+离子和 4 种三磷酸核糖核 苷 ATP(三磷酸腺嘌呤核糖核苷),UTP(三磷酸尿嘧啶核糖核苷),GTP(三磷酸鸟嘌呤核 糖核苷)和 CTP(三磷酸胞嘧啶核糖核苷)的存在下,能合成 RNA。新合成的 RNA 的核苷酸 顺序跟加进去的引物 RNA 一样。如模板 RNA 是由感染大肠杆菌的 Qβ 来的,那末在离体条件 下形成的 RNA 可以进入细菌原生质体(protoplasts),产生完全成熟的 Qβ 病毒颗粒。这 些实验表明,RNA 也可作为模板,由 RNA 复制 RNA。 以后 Temin 等发现,某些引起肿瘤的单链 RNA 病毒,如 Rous 肉瘤病毒(Rous sarcoma virus)和 Rauscher 小鼠白血病病毒(Rauscher mouse leukemia virus)等能以病毒 RNA 为模板,反向地合成 DNA,然后以这段病毒 DNA 为模板,互补地合成 RNA。因为这类病毒以 RNA 为模板,反向地转录 DNA,所以特称为反转录病毒(retrovirus)。现在以反转录病毒 中的肉瘤病毒为例,说明如下: 肉瘤病毒的外壳结构比较复杂,它内核中含有两份单链 RNA 分子,所以是两倍体病毒。 当肉瘤病毒侵染鸡的细胞时,病毒的 RNA 进入宿主细胞。在宿主细胞中,以病毒单链 RNA 为模板,在病毒带入反转录酶(reverse transcriptase)的作用下,合成互补的 DNA 分子。 随后这条 DNA 链利用宿主细胞的 DNA 聚合酶, 合成双链 DNA 分子。 双链 DNA 整合到宿主细胞 染色体的 DNA 中,成为原病毒(provirus)。原病毒跟宿主染色体以同一步调复制,通过宿 主细胞的有丝分裂,把原病毒传递到子细胞中。一般带有原病毒的细胞转化成癌变状态,这 些癌细胞增殖形成肿瘤。 肿瘤细胞除继续分裂外,某些肿瘤细胞还以原病毒 DNA 为模板转录产生:(1)mRNA, 这 mRNA 结合到细胞质中核糖体上,转译为包括反转录酶在内的病毒蛋白质; (2)子代 RNA, 这 RNA 再加上病毒蛋白质,其它一些物质, 如脂质等,包装成病毒粒子。病毒粒子(virion) 从细胞表面出芽(budding),在不杀死转化细胞(transformed cell)的情况下释放出去, 进行下一轮侵染(图 11-42)。

根据上面的叙述,我们现在可以把中心法则加以修改,把 DNA、RNA 和蛋白质的关系画 成图式(如图 11-43)。

遗传信息可由 RNA 传向 DNA,这在遗传信息的传递上开辟了一条新的途径,可以说是中 心法则的一个重要新发展。 鉴于生物的多样性,随着科学实验的进展,如果对中心法则还有进一步的修改和补充, 那也可以想象的。 第四节 基因的本质 上面谈了 DNA 的功能,现在要谈基因的本质。 基因和 DNA 根据遗传学研究,一般都认为一条染色体只含有一条 DNA 双螺旋;如染色 体已分裂为两染色单体, 则每一单体含有一条 DNA 双螺旋。 但染色体的宽度比 DNA 双链大得 很多,而染色体的长度又比 DNA 双链短得很多。据估计,人的染色体总长不到半毫米,而 DNA 分子的总长可达数米,所以 DNA 双链在染色体中一定是缠绕又缠绕,高度地盘曲着的。 在染色体中高度盘曲着的 DNA 分子是一条很长的双链,最短的 DNA 分子大约含有 4000 个核苷酸对,最长的大约含有 40 亿个。一个 DNA 分子可以看作是很多区段的集合,这些区 段一般不相互重叠,大约各有 500—6000 个核苷酸对,这样的一个区段就是一个基因。 要证实基因是 DNA 分子的一个区段, 一个方法是测定基因的核苷酸顺序和由它所决定的 蛋白质的氨基酸顺序,根据遗传密码,比较两者的顺序,看是否互相对应。 随着生化技术的进展,测定核酸的碱基顺序和蛋白质的氨基酸顺序是比较容易的事了。 我们现在简略地说明碱基顺序的测定法。 RNA 碱基顺序的测定有 Sanger 等方法。应用化学或酶学方法把 RNA 进行定点切割,通 过电泳收集同一长度的 RNA 片段进行碱基顺序测定。 近来又开辟了新的顺序分析方法。 先在 离体条件下把 RNA 合成互补 DNA(complementary DNA 或 cDNA),将这 cDNA 插入到细菌内 的环状小 DNA 分子——质粒(plasmid)中,再将它导入到培养的大肠杆菌内。应用这种分 子克隆技术(molecular cloning)可以生产足够量的相同 DNA 片段,供碱基顺序测定之用。

测定 DNA 的碱基顺序时,先要获得单链 DNA 片段(DNAfragment)。通常 DNA 片段长度 32 为 100—200 核苷酸,于其 5′端用 P 标记,如 32 P—TCAGCCCCATGGTTAAGA 经某种化学处理,使 DNA 片段中含 T 的地方切断,产生一系列随机片段 32 P—T 32 P—TCAGCCCCAT 32 P—TCAGCCCCATGGT 32 P—TCAGCCCCATGGTT 放射性标记的单链 DNA 片段还用另外 3 种不同的化学降解法处理, 在核苷酸链的其它 3 个碱基(C,A,G)处随机切断。然后各个处理所产生的 DNA 随机片段混合物分别用同一凝 胶进行电泳。因为 DNA 长度不同,移动的距离不同,长度短的,移动速度快,甚而只有一个 碱基之差也可鉴别,所以从底部开始依次读取,就可得出片段的碱基顺序(11-44)。

进行这样的工作, 最合适的材料要数很小的 RNA 噬菌体 MS2, 它的 RNA 不仅是遗传物质, 而且同时还是 mRNA。 MS2 的 RNA 很容易在 E.coli 细胞中复制,而且 RNA 分子很小,仅有 3569 个碱基,含有 3 个基因,分别编码“A”蛋白,外壳蛋白和 RNA 复制酶。当 MS2 侵染雄 性 E.coli 时,一个早期基因——RNA 复制酶基因先合成复制蛋白。这蛋白与细菌细胞中某 些蛋白质组合, 形成一种复合酶, 催化合成很多 RNA 分子。 随后两个晚期基因启动, 合成 “A” 蛋白和外壳蛋白。这些蛋白质与 RNA 联合,装配为成熟的病毒粒子而释放出去。 在说明了 MS2 的遗传组成后,我们可来考察基因与多肽间的共线性(colinearity)了。 Fiers 等经过多年工作,于 1972 年 5 月报道了 MS2 的整个外壳蛋白基因的碱基顺序,随后 他们就测定整个 RNA 分子的核苷酸顺序。 现在把 MS2 的一部分核苷酸顺序和一部分有关的氨 基酸顺序并列起来,使我们可以在分子水平上对基因的本质有进一步的认识(图 11-45)。

从图中可以看到: (1)RNA 的核苷酸顺序和蛋白质的氨基酸顺序完全可以对应起来。例如外壳蛋白有 129 个氨基酸,与这 129 个氨基酸相对应的 129 个密码子就是一个外壳蛋白基因。 (2)基因的起始密码子是 AUG,而终止密码子是 UAA、UAG 和 UGA。 (3)基因与基因间有基因间区域(intergenic region)。 进入 70 年代, 基因操作技术发展起来, 以前难以分析的高等生物的基因也可以分析了。 结果,原核生物中未见到过的新现象发现了,基因概念进一步发展了。 在一条 DNA 链上, 从密码子 ATG 开始到终止密码子为止的连续核苷酸密码序列称为通读 框(open reading frame)。细菌、病毒等的阅读框是连续的,其中核苷酸顺序都转译为蛋 白质; 但在真核类中, 几乎所有基因内部都含有不转译部分, 在转录为初级 RNA 转录物时 (或 后),这一部分序列被切除,从而不转译为蛋白质。基因的转译部分为外显子(exon 或 extron),不转译部分为内含子(intron 或间插顺序 intervening sequence)。真核类基 因的编码顺序由若干非编码区域隔开,使阅读框不连续,这种基因称为隔裂基因(split gene)。 例如人的血红蛋白分子有 4 条多肽链,其中 2 条α 链,各有 141 个氨基酸,2 条β 链, 各有 146 个氨基酸。 这两种肽链分别由α 基因和β 基因编码。 α 基因和β 基因各有 3 个外显 子和 2 个内含子(图 11-46)。有的基因含有的内含子可以高达数十个。例如已知人的视网 膜母细胞瘤(Retinobeastoma,Rb)基因长达 200kbp(kilohase pair,千碱基对),含有 26 个内含子。但高等生物的基因中也有不具有内含子的,如组蛋白基因等,但为数甚少。

据研究, 内含子的突变率比外显子高。 这可能表明非编码的内含子 DNA 更易发生突变而 不受选择上的限制,从而更有利于形成进化上有用的新基因。 上面已谈到过,Sanger 在核酸测序方面作出了杰出的贡献,他和他的同事们在 1977 年 还测定了噬菌体φ X174 DNA 的全顺序。这种噬菌体是单链环状 DNA 分子,它含有的碱基数 还不到 5400 个, 可是却要编码 9 种蛋白质, 这是一个令人感到迷惑不解的事。 根据φ X174 DNA 编码的 9 种蛋白质的分子量, 可以估计出编码这些蛋白质所要的核苷酸数。 得出的核苷酸数 明显地超出φ X174DNA 分子所能容纳的数量。但在其核苷酸全顺序测定以后,这个看似矛盾 的问题立即迎刃而解了。φ X174 的一种蛋白质的编码顺序内可以存在着另一种蛋白质的遗 传信息。这就是重叠基因(overlapping genes),是在φ X174 中首次发现的。这儿应当指 出,用两个不同阅读框编码两种不同的蛋白质,只是表明基因是重叠的,但每一阅读框的密 码子还是不重叠的。 图 11-47 表示 D 基因和 E 基因的阅读框是重叠的, 所以它们是重叠基因。 重叠基因发现在病毒中,看来这是节约空间的一个方法。但在这种场合,一个碱基的改 变可能会影响有关的两个重叠基因,所以可能由此受到严格的限制。

上面说明, 基因可以是隔裂的, 基因与基因也可以是重叠的, 但不论怎样, 在以 DNA (或 RNA)为遗传物质的生命体中,基因是 DNA(或 RNA)链的一个区段,并与它所决定的蛋白质 的氨基酸顺序相对应,所以基因的 3 个基本特性可以从 DNA 分子的特性来加以说明。 (1)基因的自体复制 DNA 分子自体催化时,从一个 DNA 分子复制为全同的两个 DNA 分 子,所以细胞分裂时,从一个基因自体复制为全同的两个基因。 (2)基因决定性状 DNA 分子异体催化时,某一区段的核苷酸顺序互补地决定 mRNA 的 核苷酸顺序,转而专一性地决定蛋白质的氨基酸顺序。所以某一基因存在时,决定某种酶或 其它蛋白质的合成,从而通过生理生化过程,出现某一性状。 (3)基因的突变 DNA 分子很稳定,但偶而也会出现差错,例如某一区段内一个核苷酸 对改变了。改变了的新核苷酸顺序通过复制又能稳定地保持下去。基因也很稳定,但偶而也 会发生一个突变, 出现一个跟原来的基因不同的新等位基因。 这基因通过自体复制又稳定地 一代代传下去。 Cot 曲线和重复顺序 从细胞提取 DNA,剪切成小片段,加热,使双螺旋分开成为单链, 然后冷却到 25℃,这时许多互补链将重新联结,或复性。复性速率(reassociation rate) 可用几种方法测定,其中一个方法是应用分光光度计,在 260nm 波段测量光密度的变化。因 为随着单链的复性成为双链,紫外光的吸收逐渐减少。DNA 复性速率与基因组中碱基顺序的 复杂情况和重复程度有关。顺序单调、重复程度高的 DNA 区段,例如顺序为 ATATAT 的高度 重复顺序(highly repetitive sequence),与顺序变化大、重复程度低的 DNA 片段、例如

单拷贝的结构基因(structural gene)相比,前者的复性速率要明显地高于后者。还有, 复性速率也受到反应液中 DNA 初始浓度的影响:浓度越高,互补链的碰撞机会越多,复性速 率越快。因此,以未复性的单链百分数为纵轴,初始浓度(Co)×时间(t)为横轴,作成 Cot 复性曲线,可以用来估计重复顺序和单拷贝顺序的相对比例。

图 11-48 比较了原核生物和真核生物的 Cot 复性曲线。从实验知道,E.coli DNA 没有 重复顺序。在反应的起始阶段全都是单链,到最后阶段都成为双链,所以 E.coli 的复性曲 线可以看作为是一条理想曲线。但小牛 DNA 的复性曲线明显有异于 E.coli:前面一段曲线 表明,小牛 DNA 片段的顺序短,重复程度高,所以复性速率明显高于 E.coli;后面一段曲 线与单拷贝顺序有关, 复性速率大大低于 E. coli, 因为小牛基因组中单一顺序远比 E. coli 复杂之故。 根据这类复性研究, 知道重复顺序是真核生物 DNA 区别于原核生物 DNA 的一个重要特征。 真核类 DNA 的重复程度大致有下列 3 种(表 11-8): 高度重复顺序主要存在于异染色质区域(heterochromaticregion),如存在于着丝粒 近旁和核仁组成中心等处。

生化突变型与-基因-酶说 基因的作用是决定某种酶或其它蛋白质的合成,从而通过生 理生化过程,出现某一性状。如果某一基因发生了突变,不能形成某种酶,或形成的酶的活 性改变了,就出现生化突变型。例如链孢霉的野生型或原养型是能合成泛酸的,有关的基因 突变后,不再能合成泛酸,这就是一种生化突变型。要这种生化突变型能够生长,也就是要 这种泛酸依赖型能够生长,一定要在基本培养基(含有糖,氮源,如硝酸铵、酒石酸铵,某

些无机酸、无机盐,一种维生素、即生活素)上添加泛酸后才能生长,而未突变前的野生型 是能在基本培养基上生长的。 我们现在再举一个链孢霉的生化突变型的例子 链孢霉有很多精氨酸依赖型,已知是由几个非等位的基因控制的。 根据生物化学观点,在哺乳动物的肝中,精氨酸是通过下列步骤合成的: 前体→鸟氨酸→瓜氨酸→精氨酸 现在我们可以利用链孢霉的精氨酸依赖型来检验上面的假说(图 11-49)。在基本培养 基上分别添加鸟氨酸、瓜氨酸、精氨酸,看不同菌株能否生长,结果如下表:

这些结果表明: 菌株Ⅲ:自前体到鸟氨酸的反应受阻。 菌株Ⅱ:自鸟氨酸到瓜氨酸的反应受阻。 菌株Ⅰ:自瓜氨酸到精氨酸的反应受阻。 概括起来:

换句话说,基因 arg1 突变后,不能由前体转变成鸟氨酸,但鸟氨酸以后的化学反应能 正常地进行,所以不仅供应精氨酸后能生长,而且供应鸟氨酸或瓜氨酸后也能生长。基因 arg2 突变后,不能由鸟氨酸转变为瓜氨酸,但瓜氨酸转变为精氨酸的化学反应可照常进行, 所以供应瓜氨酸或精氨酸都能生长。基因 arg3 突变后,不能由瓜氨酸转变为精氨酸,所以 只有供应精氨酸才能生长。 那末基因如何控制生化反应呢?已有的研究结果清楚地表明: 基因决定酶的形成, 酶控 制生化反应,从而控制代谢。这就是一基因一酶说(one-gene-one-enzyme theory)。根据 这个学说,链孢霉中精氨酸合成过程可以写成下面的样子:

人的先天代谢缺陷 人体中苯丙氨酸的代谢有几条路线(图 11-50)。某些苯丙氨酸构 成我们身体的蛋白质,某些苯丙氨酸转变为酪氨酸,最后成为黑色素。某些酪氨酸构成我们 身体的蛋白质,某些酪氨酸上的氨基为一个氧原子所代替,氧化成为对羟苯丙酮酸,于是通 过尿黑酸,乙酰醋酸而逐步降解为 CO2 和水。其中每一步都需要特定的酶,这些酶在正常人 体中都能产生的。 但人类中有一种先天代谢病,叫做黑尿病(alcaptonuria)。这种病人看来没有什么不 健康,不过他们的尿液在空气中放置一段时间会变黑,而正常人的尿液不会变黑。尿液中变 黑的东西是尿黑酸,尿黑酸是无色的,但在空气中氧化后就变黑色。正常人的血液中有一种 尿黑酸氧化酶(homogentisic acid oxidase),能把尿黑酸变成乙酰醋酸,最后分解成 C02 和水。黑尿病病人不能形成尿黑酸氧化酶,因此尿黑酸不能进一步转变,就直接在尿液中排 泄出来。

如果把黑尿病基因写作 a,那末黑尿病病人的基因型是 aa,正常人的基因型是 A A 或 Aa,那就是说,一定要有 A 基因才能形成尿黑酸氧化酶,才能不患黑尿病。 白化病(albinism)也由于同样的原因。白化病患者不能形成黑色素或几乎不能形成黑 色素。全白化的人皮肤很白,带粉红色,头发淡黄色,眼睛的虹彩粉红色,怕光,视力也差 些。上面已谈到,黑色素的前体是酪氨酸,酪氨酸经过酪氨酸酶(tyrosinase)的作用成为 双羟苯丙氨酸,然后再通过酪氨酸酶系的作用,最后形成黑色素。 白化病患者不能显示出酪氨酸酶的作用。如果我们把决定酪氨酸酶的基因称为 C,则正 常人的基因型是 CC 或 Cc,而白化病的人是 cc,因为白化病的人没有 C 基因,就没有酪氨酸 酶,不能形成黑色素。 还有苯酮尿症(phenylketonuria)患者也是由于一个隐性基因引起的。pp 个体不能形 成苯丙氨酸羟化酶(phenylalaninehydroxylase),不能把苯丙氨酸转变为酪氨酸,所以血 液中苯丙氨酸累积起来,进一步引起下列变化: (1)过量的苯丙氨酸损害中枢神经系统,影响智力发育。

(2)苯丙氨酸不能变成酪氨酸,只能通过苯丙氨酸转氨酶的作用,变为苯丙酮酸,在 小便中排出,所以叫做苯酮尿症。 (3)血液中苯丙氨酸太多,抑制酪氨酸代谢,抑制酪氨酸变成黑色素,皮肤中的黑色 素特别少,所以患者的肤色和发色很浅。 既然苯酮尿症是由苯丙氨酸过量引起的, 那么可否从食物中除去苯丙氨酸呢?但是苯丙 氨酸是必需氨基酸之一,是构成蛋白质的一种原料,而人又是苯丙氨酸依赖型,自己不能制 造,必须由食物供应。不过一般饮食中所供应的苯丙氨酸往往过量,所以如能在婴儿期及早 诊断明确,控制食物中的苯丙氨酸的分量,这样就不会过量,因而可以防止对中枢神经系统 的损害。这是遗传病可以防治的一个例子。 不仅氨基酸代谢的反应链会受到阻碍, 脂肪和糖类代谢也可由于缺乏适当的酶而受到阻 碍。例如极少数婴孩不能利用半乳糖,所以不能喂以人奶和牛奶,因为奶中含有乳糖,乳糖 分解后会产生半乳糖。如果喂以奶类,血中半乳糖水平显著升高,随后排出于尿中。临床症 状一般很严重,呕吐和腹泻,肝脏逐渐肿大,眼内障,生长延缓,智能低下,往往在婴儿期 死亡。如这种婴儿的食物中完全没有乳糖和半乳糖,血中半乳糖水平很快低下,健康状况大 大改进。如发现得早,食物中不含有半乳糖,则生长发育可以相当正常。如治疗稍迟,肝脏 已某种程度受损,眼内障,智能低,一生如此,不能恢复。 不能同化半乳糖的病,叫做半乳糖血症(galactosemia),是由罕见的常染色体隐性基 因决定的。下面的一个家系就可用这样的遗传方式来说明(图 11-51)。

半乳糖在身体中形成半乳糖脂,是构成神经系统的重要原料,又像其它糖类一样,作为 能量的来源, 把半乳糖导入糖类的通常代谢途径中, 所以半乳糖必须先转变为葡萄糖衍生物, 它的代谢途径如下: +ADP(二磷酸 腺苷) 尿苷二磷酸 半乳糖+1-磷酸葡萄糖

那末半乳糖血症的人究竟缺少那种酶, 使半乳糖的代谢受阻呢?下面是对几种人的分析 结果。

从上表可以看到, 半乳糖激酶和异构酶的活性在正常人和患者中是相同的, 但转移酶的 活性在 3 种人中差异很大,正常人最高,患者最低,而杂合体约为正常人的一半。因为患者 的转移酶活性很低,所以 1-磷酸半乳糖很少转变为 1-磷酸葡萄糖,1-磷酸半乳糖就堆积起 来,抑制了磷酸葡萄糖变位酶的作用,使它所酶促的

的反应受阻。这样半乳糖积聚,葡萄糖代谢受阻,所以半乳糖血症患者就出现上述各种严重 症状。 上面所讲的先天代谢缺陷都是由于一种酶的缺失, 由一隐性基因所控制, 所以都是说明 基因的作用是决定某种酶,从而通过代谢途径,控制某一性状。 基因的精细结构 以前几章的说明, 引导我们相信, 基因在染色体上以线性方式排列着, 很有点像念珠,所以这个观点可以称作念珠学说(bead theory)。关于这个学说,有几点 值得提出来探讨。 ①基因是结构单位,不能由交换分开。交换只能发生在基因之间,而不在它们之中。 ②基因是突变单位。 基因可以从一个等位形式变为另一等位形式, 但在基因内部没有可 以改变的更小单位。 ③基因是作用单位,能产生一种特定的表型效应。基因的部分,如果有的话,不能起作 用。 ④染色体是基因的载体。染色体的存在,使等位基因可以有规则分离,又可使非等位基 因间相互重组。 我们在这一节里要介绍一些实验, 说明基因的精细结构, 同时使我们对基因的本质可有 进一步的了解。 (1)位置效应 果蝇中,棒眼性状的遗传方式是 X 连锁显性,它是由 X 染色体的微小重 复引起。突变体的复眼数减少,复眼象棒状,所以有这个名称(图 9-8,11-52)。

从唾腺染色体来看,X 染色体有一“16 A

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