遗传ＨＥＲＥＤＩＴＡＳ （Ｂｅｉｊｉｎｇ） ３（６）－ ４１－４４ １９８１分子遗传学简介吴鹤龄（北京大学生物系）第四讲转录甚因与性状—ＤＮＡ与蛋白质众所周知，不同生物的遗传性状之间的差异主要由于不同生物含有的基因或等位基因有所不同造成的。如豌豆的红花和白花是由于豌豆具有红花基因和白花基因所致。现在生化遗传学的研究进一步证明，基因一般是通过控制酶的合成来控制生化步骤，进而左右性状的发生的。例如黑尿病（ａｌｃａｐｔｏｎｕｒｉａ）是由于一种隐性基因（ａｌ）在纯型合子（ａｌｌａｌ）时引起病症的发生。黑尿病患者排出的尿遇到空气会变成黑色，这是因为患者的尿中含有大量的黑尿酸（ｈｏｍｏｇｅｎｔｉｓｉｃ ａｃｉｄ）。这种黑尿酸遇到Ｏ，就会变成黑色。现已查明，在正常人的血清中含有一种酶，它能将黑尿酸分解成乙酷乙酸（ａｃｅｔｏａｃｅｔｉｃ ａｃｉｄ），后者再分解成ＣＯ：和Ｈ，Ｏ。因为黑尿病患者的血清中缺少这种酶，因此黑尿酸在尿中大量积累，排出的尿遇到Ｏ：时，就变成黑色。黑尿病患者和正常人的苯丙氨酸代谢过程如下：基因Ａｌ杏正常人：苯丙氨酸一＿＿．＿＿酩氨酸一＿＿＿黑尿酸＝二二共苏＿＿＿．黑尿酸酶一》ＣＯＺ＋Ｈ，０基因ａｌｙ／ａｌＭｍＡＡ：苯丙，酸一酪，酸－ＭＭ酸一｝一一无化学作用又如半乳糖血症（ｇａｌａｃｔｏｓａｅｍｉａ）是由于一种隐性基因ｇ所引起的。半乳糖血症患者的基因型为９９５．其体内缺乏有活性的使１－磷酸半乳糖分解的转移酶，致使患病婴孩的红血球中积累了１－磷酸半乳糖，结果患者的半乳糖代谢受到障碍，半乳糖不能被利用，血液中半乳糖含量上升到很高的水平。继续发展下去就会使患者肝肿大，眼睛患白内障，发育不正常，生长迟缓，智力低下。如果不及时治疗，就会导致死亡。其代谢过程如下：正常人的半乳塘代谢：（Ｉ）半乳塘－｝－ＡＴＰ里兰堕竺色，一磷酸半乳。４－ＡＤＰ（ｚ） １－磷酸半乳。十尿核。二磷酸葡萄。攫坐叁二二二尿核普二磷酸半乳糖异构酶（习尿核普二磷酸半乳糖Ｆ二二二竺不士尿核普二磷酸葡萄塘病人的半乳糖代谢受阻：激酶半乳糖一Ｉ一磷酸半乳糖一基因控制结构蛋白的最好例证为镰刀形贫血症（ｓｉｃｈｌｅ ｃｅｌｌ ａｎｅｍｉａ）。这种贫血症患者在缺氧条件下红血球由正常圆盘状变成镰刀形。变化的原因主要是由于患者的血红蛋白ＨｂＳ ３１链的Ｎ末端第６位的氨基酸从正常人的Ｐ链第６位的谷氨酸改变为撷氨酸（表３）。现在证明，正常血红蛋白（ＨｂＡ）的Ｒ链与镰刀形贫血的血红蛋白（ＨｂＳ）的Ｒ链只差一个氨基酸是由于一对等位基因ＨｂＡ和Ｈｂｓ的差异所造成的。ＨｂＡ是控制ＨｂＡ合成的，Ｈｂｓ则是控制ＨｂＳ合成的。表３两种血红蛋白的夕多肚链上的奴基胜差异氨基酸的排列顺序血红蛋白１２３４５６７８ＨｂＡ谷组亮苏脯谷谷赖……ＨｂＳ谷组亮苏脯撷谷赖……以上的三个例子都说明蛋白质合成是受基因控制的。现在知道基因是由ＤＮＡ组成的，因此，ＤＮＡ如何控制蛋白质合成是遗传学中的关键问题。让我们在以下的章节中深人地探讨这个问题。ＲＮＡ是中介物ＤＮＡ怎样控制蛋白质合成，这个过程还是很复杂的，因为我们用孚尔根（Ｎｅｎｌｇｅｎ）染色法染色后，只有核内呈正反应，细胞质则呈负反应。这说明ＤＮＡ存Ｗｕ Ｈｅｌｉｎｇ： Ａ Ｂｒｉｅｆ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｇｅ－ｎｅｔｉｃｓ４１在于核内。近年来，虽然发现细胞质内线粒体和叶绿体中都含有ＤＮＡ，但是绝大多数ＤＮＡ都局限在核内。１９５５年Ｌｉｔｔｌｅｆｉｅｄ用‘４Ｃ一亮氨酸喂给大白鼠，过了一个短时期后杀死大白鼠，取出肝脏，打碎肝细胞，用分部离心的方法把细胞成分分开。发现大量的’４Ｃ－亮氨酸已渗入蛋白质中，而且这些蛋白质都与核塘体结合在一起。由此他第一次指出细胞质中的核塘体是蛋白质合成的地方。以上两个实验证明了ＤＮＡ一般存在于核内，而蛋白质合成则在细胞质内。既然ＤＮＡ不在细胞质内，它又怎样来控制细胞质内的蛋白质合成呢？经过许多观察和实验，人们发现ＤＮＡ是通过一个中介物ＲＮＡ来实现控制蛋白质合成的。１９３４年Ｈａｍｍｅｒｌｉｎｇ在伞藻嫁接实验中已发现，核是通过一个间接物质来控制伞盖形状的特异性的。他把含有核的Ａ． ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎｅａ伞柄与含有核的Ａ．ｃｒｅｎｕｌａｔａ伞柄嫁接在一起。这个嫁接体形成一个含有两个物种特点的中间型伞盖（图４６）０当他把含有核的Ａ．二。ｄｉｔｅｒｒａｎ。伞柄与不含有核的Ａ． ｃｒｅｎｕｌａｔａ伞柄嫁接在一起。嫁接体第一次形成的伞盖是中间类型的。如果把这个中间类型的伞盖切掉后，第二次重新形成的新伞盖则是Ａ． ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎｅａ型的。从上面的实验看伞盖的类型最后是由带核的物种决定的〔图４９（１）（３）］。反了亦然，嫁接体的有核部分是Ａ． ｃｒｅｎｕｌａｔａ的，那么第二次形成的伞盖则是Ａ．。二“ｌａｔａ型的。式ｃｒｅｎｕｌａｔａＡ． ｍｅｄｉｕｍｐｎｅｍ图４６ Ａ．ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎｅａ和Ａ． ｃｒｒｎｒｃｌａｔａ的嫁接个体。嫁接体的伞冠是中间类型的。如果我们切去嫁接体的伞冠后，嫁接体又可生出一个中间类型的伞冠。这是具有二个物种细胞核的嫁接体的特点。买代表Ａ． ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎ“的形态发生物质装代表Ａ． ｃｒｅｎｕｌａｔａ的形态发生物质为什么嫁接体初次形成的伞盖是中间类型的呢？对这个现象Ｈａｍｍｅｒｌｉｎｇ认为是由伞藻的细胞核控制下，在细胞核内合成一种形态发生物质（ｍｏｒｐｈｏｇｅｎｅｔｉｃｓｕｂｓｔａｎｃｅ），合成后，形态发生物质从细胞核进人细胞质内。这种物质具有种的特异性。在具有两个不同物种细胞核的嫁接体中，由不同的核产生不同种的形态发生物质，它们都起了建造伞盖的作用，于是形成了一个中间类型的伞盖。在只有一个核的嫁接体中，无核４２的伞柄细胞质内储存着许多具有其物种特异性的形态发生物质。这些物质与有核伞柄所产生的另一物种的形态发生物质混在一起，共同对新生伞盖的形态起了作用，在这种作用影响下所形成的伞盖形态，当然是中间类型的了。当把中间类型伞盖切掉后，在嫁接体中无核伞柄的细胞质内所储存的形态发生物质已耗尽，或所剩不多。因此，第二次形成的伞盖形态只能由有核伞柄所产生的形态发生物质所控制，形成一个与嫁接体中含核伞柄物种相同形状的伞盖（图４７）０Ｒ． ｎｔｅｒｔ．＇ｒｔｒｒａｇｅａＲ． ａｅｎｕｆａ佃（ｔ）晾楼体〔２〕去冠的殊接体（３）生１ｈ Ｒ． ｎｒｅｄｉｔｅｒｍｅａ的伞９图４７ Ａ． ｍｅｄｉｒｅｒｒａｎｅａ和Ａ． ｃｒｅｎｕｌａｔａ的嫁接个体。嫁接体只具有一个Ａ． ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎｅ‘的核，它的伞冠是中间类型。（１）如果切去嫁接体的伞冠后为（２），嫁接体再产生的伞冠是Ａ． ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎｅａ类型的，而不是中间类型（３）。这是因为切去伞冠的嫁接体内只有Ａ． ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎｅａ类型的形态发生物质。＇１＇＂－＇－Ａ． ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎｅａ的发生物质装－Ａ． ｃｒｅａｎｕｌａｔａ的发生物质如果我们用专门抑制ＲＮＡ合成的‘ｒｙｐａｆｌａｖｉｎ来处理再生的伞藻，那么形态发生即被抑制，这样看来Ｈａｍｍｅｒｌｉｎｇ所说的形态发生物质就是ＲＮＡ物质。既然ＲＮＡ是中介物质，那么我们就证明ＲＮＡ是在核内合成的，然后进人细胞质内，在那里参加蛋白质合成。现在许多实验证明了上述过程。如１９５，年ＬａｓｔｅｒＧｏｌｄｓｔｅｉｎ和Ｗａｌｔｅｒ Ｐｌａｕｔ的变形虫移核实验，证明了细胞质内的ＲＮＡ分子是由细胞核来的。他们把变形虫细胞核中的ＲＮＡ标记上同位素，然后把这个具有标记ＲＮＡ的核移植到另一个没有标记过同位素的变形虫中去，用自显影的方法研究标记的ＲＮＡ分子在这个移核细胞中的活动情况。结果发现，标记的ＲＮＡ分子是从核内移动到细胞质中去的，实验支持了ＲＮＡ参加蛋白质合成这一科学的设想。１９６１年Ｂｒｅｎｎｅｒ， Ｊａｃｏｂ和Ｍｅｓｅｌｓｏｎ所作的实验直接证明了，７ｚ蛋白质是在Ｔ， ＲＮＡ直接参与下在Ｅ． ｃｏｌｉ的核糖体上合成的。他们把未感染的Ｅ． ｃｏｌｉ培养在具有‘５Ｎ１１ ３Ｃ“重，，培养基中，经过一个时期，使Ｅ． ｃｏｌｉ细胞中的核糖体都标记上”Ｎ和”Ｃ［图４８ （１）］，然后使Ｔ，感染这些Ｅ． ｃｏ“细胞，并且把这些感染细胞移入含有’４Ｎ／１２Ｃ和３２Ｐ的培养基中，培养一个时期后［图４８ （２）］，取出宋感染的及ｃ０１培养在１５Ｎ／１３Ｃ培冷基中，所有核糖体都含有１５Ｎ １１３Ｃ标记感染Ｔ２组实验表明，新合成的蛋白质，Ｔ， ＲＮＡ和Ｅ． ｃｏｌｉ原有的核糖体三者是结合在一起的。这有力地说明了蛋白质是在ＲＮＡ参与下在核糖体上合成的。上面的事实均说明了ＤＮＡ是通过ＲＮＡ这个中介物来控制蛋白质合成的。那么ＤＮＡ又如何把自己的遗传信息传递给ＲＮＡ呢？ＲＮＡ的结构特异性又如移人１４ＮＩ１２Ｃ培养基内含３２ｐ过量的含有１４Ｎ １１２（；的孩搪体移入ｅ４Ｘｊ１２Ｃ ＩＮ养基内含３５Ｓ何确切地反映了ＤＮＡ结构的特异性ＲＮＡ合成过程有哪些特点呢？这许多问题都需进一步加以说明。分离其中各种组分及加人＿＿・夯离细胞客种组分及加人址呈的含有１４Ｎ产２Ｃ的孩城体转录过程密度梯度离心密度梯度离心极少量含动植物细胞和微生物细胞内存在着ＲＮＡ聚合酶。这种酶在具有四种三磷酸脱氧核昔、ＤＮＡ及ｍｇ ＋＋的合成体系中就能经过催化作用合成ＲＮＡ分子。催化过程如下：ｎ， ＡＴ Ｐ ｎ，ＡＭＰ｝’３５Ｓ核糖体＿含１４ＮＩ１２Ｃ核精体无放射性１４ ／１７Ｃ黯这个区带内含有大量３５Ｓ放射性含１５Ｎ／ｔ＇Ｃ核糖体这个区带内含有大量３２５放射性含‘５Ｎ户Ｃ核糖体ｎ，ＧＴＰ ＲＮＡ聚合酶ｎ，ＧＭＰ—一｝ｎ３ＣＴＰ ＤＮＡ， Ｍｇ＋ｉ＇或Ｍｎ＋＋ ｎ３ＣＭＰ｝ｎ４ＵＴＰ ｚｚ４ＵＭＰ＋（ｎ，＋ｎ，＋ｎ３＋ｎ３）ＰＰｉ图４８ Ｂｒｅｎｎｅｒ， Ｊａｃｏｂ和Ｍｅｓｅｌｓｏｎ的实验ＤＮＡ分子在上述合成反应过程中是不可缺少的因素，如果缺了它，ＲＮＡ合成过程就不能进行。通过实验证明，新合成的ＲＮＡ分子的结构特异性是由ＤＮＡ分子的结构特异性所决定的。不同种的ＤＮＡ分．代表含‘５Ｎ／１３Ｃ Ｅ． ｃｏｌｉ的核糖体Ｏ代表含’４Ｎ尸Ｃ无放射性新合成的核糖体’代表“３／．２，的“ＮＡ绍：代表含’、的蛋白质子（如大肠杆菌ＤＮＡ， Ｔ， ＤＮＡ， （ＰＸ１７４ ＤＮＡ等）加入合成体系中，所合成的ＲＮＡ分子中的碱基比与加人ＤＮＡ的碱基比例是相应的。只是在ＲＮＡ中尿咳咤代替了ＤＮＡ中的胸腺嚓咤罢了（表４）０表４ ＤＮＡ模扳与ＲＮＡ产物的碱基比奉代表含３、的新合成核”体Ａ碱基组成的比例（百分比）Ｕ或Ｔ２５２６３２ＧＣ细胞，分离其中各种组成成分，再加入过量的含有’４ＮＩ１２Ｃ的核塘体〔图４８ （４）］，然后进行密度梯度离心。结果表明，具有放射性的新合成的ＲＮＡ是与未感染前Ｅ． ｃｏｌｉ细胞中具有‘５Ｎ／ １３ｃ重核糖体相结合在一起Ｅ． ｃｏｌｉ ＤＮＡ模板ＲＮＡ产物Ｔ， ＤＮＡ模板ＲＮＡ产物２５２３３２３３２５２７ｉｓ１８２５２４１８的，而不与含有’４Ｎ／１２Ｃ轻核塘体相结合【图４８ （６）］０上面的实验只说明了１｀２ ＲＮＡ与Ｅ． ｃｏｌｉ感染前原有的核糖体相结合，并未说明Ｔｚ蛋白质确实是通过ＴｚＲＮＡ的参与在核糖体上合成的。因此，Ｂｒｅｎｎｅ：又进行了另一组实验。他让Ｅ． Ｃｏ“生活在１５Ｎ１１３Ｃ“重”培养基内，经过一个时期再进行Ｔ２感染，然后把这些感染后的Ｅ． ｃｏｌｉ细胞移入含有３５Ｓ和１４Ｎ／１２Ｃ“轻，，培养基内，经过一个时期的培养后〔图４８ （３）］，取出细胞，分离其中各种成分，再加入过量的含有’４Ｎ／＂Ｃ的核糖体【图４８（，）」，经过密度梯度离心后，发现这些新合成的Ｔ，蛋白质同Ｔ， ＲＮＡ一样，是与感染前的３１１８我们知道噬菌体Ｔｚ感染Ｅ． ｃｏｌｉ后，立即停止合成Ｅ． ｃｏｌｉ的ＤＮＡ和蛋白质，转而合成噬菌体的ＲＮＡ和蛋白质。这可由１９５７年Ｅｌｌｉｏｔ Ｖｏｌｋｉｎ和Ａｓｔｒａｃｈａｎ及１９６１年Ｂｅｒｎａｒｄｈａｌｌ和Ｓｏｌ ｓｐｉｅｇｅｌ ｍ ａ ｎ的实验所证实。Ｅｌｌｉｏｔ Ｖｏｌｋｉｎ发现在Ｔ，感染Ｅ． ｃｏｌ，后，在Ｅ．ｃｏｌｉ细胞内很快就合成少量的ＲＮＡ。这种ＲＮＡ的碱基组成与Ｔ，的ＲＮＡ碱基组成是相似的，与Ｅ． ｃｏｌｉ的ＤＮＡ碱基组成是不同的（表５）．后来Ｂｅｒｎａｒｄｈａｌｌ等人进一步用’Ｈ－胸腺嚓吮脱氧核昔标记了ＴＺ或Ｅ． ｃｏｌｉ的ＤＮＡ，并分别把它们加呼３Ｅ． ｃｏｌｚ的核糖体结合在一起的【图４８ （７）］０以上两表５忍ｃｏｌ ｉ的碱荃组成（百分比）和Ｔｚ ＤＮＡ和ＲＮＡ｛大。。扫菌｝Ｔｚ｝｝｝—１二兰－～卜ＤＮＡ“｛２＞ Ｉ ３２Ｕ：＊｝２５｝３２｝“２９“｝“〕｝‘８｝Ｃ｝２５｝１８｝，１－１标ｉ己的丫：三这Ｆ ｒ，１， ＤＮＡ１ ＂＇ｚ感染后合成的ＲＮＡ子的区带当然位于ＤＮＡ和ＲＮＡ区带之间。把离心管内的不同部分经过分管收集后，对每管中的３２ｐ和３Ｈ的放射性强度进行计数，得到ＤＮＡ和ＲＮＡ的分布曲线【图４９ （４） ｆ。结果证明’Ｉ＇， ＤＮＡ的分布曲线与ＲＮＡ分布曲线有重叠的部分〔图４９ （５ａ）１，而Ｅ．ｃｏｌｉ ＤＮＡ的分布曲线则不与ＲＮＡ的分布曲线相重叠２３＇１ ｉｓＴ，感染Ｅ． ｃｏｌｉ后马上用”Ｐ脉冲标弓ｔ图４９ （５ｂ）］。这表明Ｔ２ ＤＮＡ和感染后产生的ＲＮＡ形成杂交分子，它们的碱基排列顺序是互补配对的。这也就说明感染后的ＲＮＡ分子具有Ｔ，２种的特异性，而不属干Ｅ． ｃｏｌｉ的ＲＮＡ１） ＞－ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌｃｙｔｏｓｉｎｅ代替Ｃｙｔｏｓｉｎｅ（１）加热至ｌｏｏ０Ｃ变性（２），“一标记的单链ｔｉｔ合起来和缓慢地冷却复性Ｊ：ｐ－标记的ｍＲＮＡＪ；护－ＫＮＡ（３）用密度梯度离心把杂种ｔ）ＮＡ一ＲＮＡ分离出来；ＲＮ＾比。ＮＡ浓密，因此ｉ杂种分于的区带在中间部位，ＲＮＡ区带在底舔ＤＮＡ区带在上部上面的实验说明了不但Ｔｚ ＲＮＡ的碱基比同’Ｔｚ ＤＮＡ的一样，而且’ｌ， ＲＮＡ的碱基排列顺序也与Ｔｚ ＤＮＡ的一条链的碱基排列顺序是互补的。这样就强有力地说明ＤＮＡ在ＲＮＡ合成过程中起到模板作用。人们把以ＤＮＡ为模板通过ＲＮＡ聚合酶酶促合成ＲＮＡ的过程称为转录。经过转录产生的ＲＮＡ，它的碱基排列顺序结构是由模板ＤＮＡ碱基排列顺序所决定的。因此ＲＮＡ的结构正确无误地反映了模板ＤＮＡ结构的特异性。也就是说ＲＮＡ作为一个中间者，它能够把ＤＮＡ遗传信息正确无误地传给蛋白质。ＳＨＤＮＡ（４）ａＨ／ｓ：ｐ杂种．若尸ｍ只ＮＡ每管侧其＇Ｈ和３７ｐ活性连续分０１收集起来，不对称转录ＤＮＡ分子的二条单链是否都可以在转录中起模板作用呢？分子杂交实验结果证明ＤＮＡ分子的双链全具有转录功能。不过对某一个特异的ＲＮＡ来说，它的模板只能是二条ＤＮＡ单链中的一条。十密度（：）拿彭龙９多拿本埔忿暇怎盆卜．橄很墩宋溉扛星气、门承氛嗽（ｂ）正冲豁龙袋多一享亦娜（弓）我们可以使变性后的ＤＮＡ分子与叫～密度阅一密度其产物特异的ＲＮＡ分子进行复性。复性后，用密度梯度离心的方法把ＤＮＡ－ＲＮＡ杂交分子与单链ＤＮＡ和多余的ＲＮＡ分开。经过对杂交分子的分析，我们得知在转录过程中，ＤＮＡ双链中只有图４９ Ｔ２感染Ｅ． ｃｏｌｉ后产生的ｍＲＮＡ能和Ｔ：的ＤＮＡ互补成双链，而不能与Ｅ． ｃｏｌｉ的ＤＮＡ互补成双链。（ａ） ｍＲＮＡ与变性的Ｔ， ＤＮＡ ｆ合复性。结果３２Ｐ和３Ｈ标记的曲线有重叠部分，表示ｍＲＮＡ与Ｔ２ ＤＮＡ是能互补成双链的。（ｂ） ｍＲＮＡ与变性的Ｅ． ｃｏｌｉ ＤＮＡ混合复性。结果３２ｐ和３Ｈ标记的曲线没有重叠现象，表示ｍＲＮＡ与Ｅ． ｃｏｌｉ ＤＮＡ不能互补成双链的。温变性后，分别与＇Ｉ＇２感染后的Ｅ． ｃｏｌｉ所产生的含有３２ｐ标记的ＲＮＡ混合在一起，逐步降温复性［图４９（２）（３）］。然后把复性后的溶液进行密度梯度超速离心，一条链可以做为模板进行合成ＲＮＡ分子，另一条对称的链无转录功能。前者被称为有意义链，后者为无意义链。这种现象就是所谓的“不对称转录，０从不同的分子杂交实验的结果分析中，使我们笼道在一个包含许多基因的ＤＮＡ分子中，各个基因的有意义链并不是同一条ＤＮＡ单链，有些基因的有意义链是这一条ＤＮＡ单链；而另外一些基因的有意义链则是另外一条单链了。（待续）把溶液内的成分分成不同的部分。因为ＲＮＡ的比重比ＤＮＡ的比重大，所以ＲＮＡ的区带在离心管的底部，ＤＮＡ的区带则在上部。ＤＮＡ和ＲＮＡ的杂交分呼４
