分子遗传学的发展本科论文

分子遗传学的发展

1. 生化遗传学

摩尔根曾经正确地指出：“种质必须由某种独立的要素组成，正是这些要素我们叫做遗传因子，或者更简单地叫做基因”。尽管由于摩尔根及其学派的广大科学工作者的努力，使基因学说得到了学术界的普遍的承认，然而当时人们对基因本质的认识还相当肤浅，并不知道基因与蛋白质及表型之间究竟存在着什么样的内在联系。虽然说早在1909年，英国的医生兼生物化学家加罗德（A.Garrod）就己指出，特定酶的表达是由野生型基因控制的假说。而且这个假说在二十世纪30年代，经过众多遗传学家的努力已经获得了很大的发展与充实。遗憾的是，由于当时人们掌握的酶分子结构的知识相当贫乏，没有认识到大部份基因的编码产物都是蛋白质，也不知道是否所有的蛋白质都是由基因编码的。在这样的知识背景下，要进一步研究分析基因与蛋白质之间的内在联系，显然是难以做到的。

值得庆幸的是到了二十世纪40年代初期，孟德尔-摩尔根学派的遗传学家便已经清醒地认识到，如果继续沿用经典遗传学的研究方法和实验体系，是难以有效地揭示基因控制蛋白质合成及表型特征的遗传机理。因此他们便广泛地转而使用诸如红色面包霉（Neurospora crassa）和肺炎链球菌（Streptococcus pneumpniae）等微生物为研究材料，并着力从生物化学的角度，探索基因与蛋白质及表型之间内在联系的分子本质。所以人们称这个阶段的遗传学为生化遗传学（biochemical genetics），或微生物遗传学（microbial genetics）。

由于微生物具有个体小、细胞结构简单、繁殖速度快、世代时间短和容易培养、便于操作等许多优点，因此便极大地加速了生化遗传学的研究，在短短的二三十年间就取得了丰硕的成果，主要的有如下三项。第一，1941年两位美国科学家比德尔（G.Beadle）和塔特姆（E.Tatum），通过对红色面包霉营养突变体的研究，提出了“一种基因一种酶”（后来修改为“一种基因一种多肽”）的假说。此后在1957年，这个假说被英国科学家英格拉姆（V.M.Ingram）证明是正确的。从而明确了基因是通过对酶（即蛋白质）合成的控制，实现对生命有机体性状表达的调节作用。第二，1944年微生物学家艾弗里（0.Avery）及其同事证明，肺炎链球菌的转化因子是DNA。第三，1952年，赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）也在噬菌体感染实验中发现，转化因子的确是DNA而不是蛋白质，肯定了艾弗里的结论。至此基因的分子载体是DNA已是不争的事实。生化遗传学的发展为日后分子遗传学的诞生奠定了坚实的理论基础。它上承经典遗传学，下启分子遗传学，是经典遗传学向分子遗传学发展过程中的一个重要的过渡阶段。

2. 分子遗传学

经典遗传学虽然揭示了基因传递的一般规律，甚至还能够绘制出基因在染色体分子上的排列顺序及其相对距离的遗传图，生化遗传学尽管证明了基因的载体是DNA，但它们都不能准确地解释基因究竟是以何种机理、通过什么途径来控制个体的发育分化及表型特征的。确切地说，直到1953年Watson-Crick DNA双螺旋模型提出之前，人们对于基因的理解仍然停留在初步的阶段。那时的遗传学家不但没有揭示出基因的结构特征，而且也不能解释位于细胞核中的基因，是怎样地控制在细胞质中发生的各种生化过程，以及在细胞繁殖过程中，为何基因可准确地产生自己的复制品。而诸如此类的问题便是属于分子遗传学的研究范畴。由于长期以来分子遗传学的核心主题一直是围绕着基因展开的，所以也被冠名为基因分子遗传学（molecular genetics of the gene）。

分子遗传学的主要研究方向集中在核酸与蛋白质大分子的遗传作为上，重点是从DNA 水平探索基因的分子结构与功能的关系，以及表达和调节的分子机理等诸多问题。特别是

DNA双螺旋结构模型的建立，为有关的科学工作者着手研究构成分子遗传学两大理论支柱，即维系遗传现象分子本质的DNA自我复制和基因与蛋白质之间的关系，提供了正确的思路，奠定了成功的基础。因此说，1953年沃森和克里克（JamesWatson and Francis Crick ）DNA 双螺旋模型的建立，标志着遗传学研究已经跨入了分子遗传学的新阶段。它全面继承和发展了经典遗传学和生化遗传学的科学内涵，又孕育并催生了基因工程学、基因组学和表观遗传学等3个现代遗传学主要分支的相继问世。毫无疑义在整个遗传学的发展史上，分子遗传学的确起到了承上启下的传承作用。

应该说二十世纪50年代初期至70年代初期，是分子遗传学迅猛发展快速进步的年代。在这短短的二十余年间，许多有关分子遗传学的基本原理相继提出，大量的重要发现不断涌现。其中比较重要的有：1956年，美国科学家科恩伯格（A.Kornberg）在大肠杆菌中发现了DNA聚合酶Ⅰ，这是可以在试管中合成DNA链的头一种核酸酶，从此拉开了DNA合成研究的序幕；1957年，弗伦克尔-康拉特（H.Fraenkal-Conrat）和辛格（B-Singer）证实，烟草花叶病毒TMV的遗传物质是RNA，进一步表明RNA同样具有重要的生物学意义；1958年梅塞尔森和斯塔尔（M. Meselson and F.W.Stahl）发现了DNA半保留复制机理，揭示了基因之所以能够代代相传准确保留的分子本质；同年克里克提出了描述遗传信息流向的中心法则，阐明了在基因表达过程中，遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的传递途径；1961年两位法国科学家雅各布和莫洛（M.F.Jacob and J.Monod）建立了解释原核基因表达调节机理的操纵子模型，说明基因不但在结构上是可分的，而且在功能上也是有分工的；自1961年开始，经过尼伦伯格（M.W.Nirenberg）和库拉钠（H.G.Khorana）等科学家的努力，至1966年全部64种遗传密码子均已成功破译，从而将RNA分子上的核苷酸顺序同蛋白质多肽链中的氨基酸顺序联系起来，它是分子遗传学发展过程中影响最为深远的科学发现之一；1970年，美国科学家特明和巴尔帝摩（H.N.Temin and D.Baltimore）发现了RNA病毒及其反转录酶，证明遗传信息也可以从RNA反向传递到DNA，这是对中心法则的重大修正；1970年，史密斯（H.O.Smith）等人从流感嗜血菌中首先分离到Ⅱ型核酸内切限制酶，它与1967年发现的DNA连接酶，同为DNA体外重组技术的建立提供了酶学基础。正是上述这些研究发现与进展构成了分子遗传学的核心内容。

3. 基因工程学

基因工程学简称基因工程，是在20世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学（biotechnology）。它的创立与发展直接依赖于分子遗传学的进步，而基因工程技术的发展与应用又有力地促进了分子遗传学的深化与提高，两者之间有着密不可分的内在联系。

早期分子遗传学的研究成果，为基因工程的创立与发展奠定了坚实的理论基础。概括起来主要的有如下三个方面：第一，在20世纪40年代确立了遗传信息的携带者，即基因的分子载体是DNA而不是蛋白质，明确了遗传的物质基础问题；第二，在20世纪50年代揭示了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机理，弄清了基因的自我复制和传递的问题；第三，在20世纪50年代末期和60年代，相继提出了中心法则和操纵子学说，并成功地破译了遗传密码系统，阐明了遗传信息的流向和表达问题。由于这些问题的相继解决，人们期待已久的应用类似于工程技术的程序，主动地改造生命有机体的遗传特性，创造具有优良性状的生物新类型的美好愿望，从理论上讲已有可能变为现实。

基因工程之所以会在20世纪70年初期诞生，并在随后的十来年时间中获得迅速的发展，这并非是一种偶然的事件，而是由当时科学技术发展的水平决定的。特别是分子生物学及分子遗传学实验方法的进步，为基因工程的创立与发展奠定了强有力的技术基础。这些技术主要的有依赖于核酸内切限制酶和DNA连接酶的DNA分子体外切割与连接、基因克隆载体