简述基因研究的历史进程，龙门阵中的生命秘密 4
https://cn.chinese-blog.org 点评：我说过，生命必须死亡的原因是生命用其一生收集物质财富和意识财富，这两种财富使生命远离真理，只有死亡才能迫使生命放弃这两种财富
在人类科学技术发展历史上，科学家坚守意识财富的例子很多，当一种科学上的认识被大多数人认同以后，这个认同就成了大多数人的意识财富，当有新的学说出现的时候，大多数科学家的默认动作就是坚守自己的意识财富，并排斥和嘲讽新的学说，美国科学家芭芭拉·麦克林托克被排斥和嘲讽的经历只是无数事例中的微不足道的一个例子
2021-04-21
基因转位子的发现：“玉米田里的先知”的伟大预言
在现代遗传学研究历史上，有一个伟大的女性，她一生未婚，象一个先知一样，坚守着她45岁时在有关玉米杂交实验报告中提出的“预言”：
在玉米的遗传基因中，存在一种“转位”基因；这种“转位基因”决定，基因组內具有相当程度的流动性，一个基因可以从一个染色体跳跃到到另一个染色体上，并同时携带着对细胞新的指令；这种转位动作的发生，由细胞内的预定程式所决定，而“程式”设定的指令，却来自整个细胞或整个生命机体甚至生物所处外部整体环境
这篇发表与1947年的论文，立即遭到当时生物学家们的广泛的排斥和嘲讽，因为这个可笑的“转位基因”在已经奉为圭臬的遗传基因“串珠”结构中找不到自己生存的位置。但是，这位20世纪的布鲁诺，坚持认为，她的结论来源于她的玉米实验结果，那怕是极其少见的特殊现象，都值得她为之奉献终生，而不会放弃上帝给予她守护真理的职责。经过三十二年后，当生物学家证明基因转位子是生命遗传机构中的常见成分，并且这一特殊的基因成为现代基因工程的最基本操作途径时，这位年已八十一的女性独自赢得了1983年的诺贝尔生理学或生物医学奖
这个女性就是美国科学家芭芭拉·麦克林托克！在不久前的一本传记中，她被称作“玉米田里的先知”
中国大学问家钱锺书说：“任何一种特例都是一种公例”。在现代科学的发展史上，转位子的发现给了每一位科学工作者一个重要的启示：真理也许会隐蔽在极少见的个别特例中。芭芭拉·麦克林托克对科学工作者的箴言是：
“最重要的是要训练和培养自己的一种能力，能够从众多的玉米粒中发现那颗与众不同的玉米粒，然后穷追不舍；”
“如果某种东西与众不同，内中必有其道理，你有责任把这个道理揭示出来”；
“谁忽视偶然，谁就会错过真理”
“顺反子”：“基因”的重新发现
在基因的化学本质被确定之后，控制生物遗传性状的基因是DNA 已是不争的事实。但是否所有的DNA都是基因呢？前面已经提及，经典的生物化学概念曾经认为，在染色体或DNA上，基因象串珠一样一个个排列，中间被非遗传物质分隔，基因作为功能单位进行信息交换，而不在一个基因内部发生。这种认识当然会阻挠人们对转位子的认识。直到1955年，本泽尔发现的“顺反子”，彻底改变了人们的观念
本泽尔通过一种细菌病毒（T4噬菌体）对大肠杆菌的实验和分析发现，病毒的一个特定编码区有两个互补的编码亚区。他当时用了一个称为“顺反子”（eistron）术语，实际上就是一个基因的DNA单元，这个单元中含又多个可以突变的位点，这些位点可以发生交换，最小交换单位的理论值位1个核苷酸。在现代文献中，顺反子就是基因，是一个含有1500个核苷酸的序列，是由一群突变单位构成的线性遗传机构
这样，“基因”被进一步认识和定义：
- 基因不是遗传物质交换的最小单位；
- 并非所有的DNA序列都是基因，而只有DNA中具有特定编码功能的多核苷酸区段才能称为基因；
- 由于所有生命体的DNA基本构成成分都一致，因此从理论上说，任何两个生命之间都可以进行遗传信息的交流
基因的发现为生命的起源和进化提供了理论基础，也为现代生物技术的发展提供了技术依据
克拉克“中心法则”的创立
1958年克拉克提出了遗传信息传递的基本形式：遗传信息由DNA通过“转录”流向RNA，在由RNA通过“翻译”流向蛋白质
这就是克拉克著名的“中心法则”
随着研究的深入，现在我们已经知道，在生物界并非所有的基因都是由DNA构成的。例如前面已说到的亚病毒，它们的遗传基础是RNA，或者是蛋白质。但是，当这些亚病毒找到宿主并进行繁殖性复制时，仍然要经过反向转录成为DNA，最后再转录成RNA。所以以后克拉克对中心法则进行了修改，把信息的单向流改为双向流动
蛋白质密码子的全部破译
自然界大多数生命体的功能表达都是通过蛋白质完成的。根据中心法则，当“转录”发生时，遗传指令通过被裂解DNA双链的一条为模板，传递到以“U配A”“G配C”的互补方式合成的RNA上，这种RNA被称为mRNA，再由mRNA指导合成蛋白质
对于某些RNA病毒来说，其增殖需要寄主细胞中完成一个“反转录”过程，即在反转录酶的作用下先以病毒RNA为模板合成DNA ，并嫁接在宿主DNA上，最终完成自己的RNA拷贝
遗传信息最终表达为特定蛋白质的过程称为 “翻译”。这是以mRNA的核甘酸密码子语言翻译成特定氨基酸的过程。到1966年，科学家已成功的破译从mRNA到氨基酸的密码系统：mRNA的“UGAC”四个字母中，每三个字母构成一种氨基酸的密码子，组成蛋白质的20种氨基酸的“三联体”密码全部破译
遗传密码的通用性决定，重组DNA分子获得了在不同类型新寄主中进行繁殖、表达和克隆的理论可能，而蛋白质密码子的破译，为人类按照自己的需要自由设计蛋白质类药物提供了可能，也为生物技术领域的蛋白质工程研究开辟了更为广阔的天地
基因精细结构的确立
1967年杨纳夫斯基及其合作者，通过对大肠杆菌色氨酸合成酶基因研究，首次提出了基因的精细结构。确定一个完整的基因由启动子、转录区、终止子三个部分组成
启动子是RNA聚合酶能够识别并与之结合，从而起始基因转录的一段DNA序列，通常位于基因上游。一个典型的启动子包括CAAT-box和TATA-box，它们分别依赖DNA的RNA聚合酶的识别和结合位点，一般位于转录起始位点上游几十个碱基处。在核心启动子上游通常会有一些特殊的DNA序列，即顺式作用元件，转录因子与之结合从而激活或抑制基因的转录。一旦RNA聚合酶定位并结合在启动子上即可启动基因转录，因此启动子是基因表达调控的重要元件，它与RNA聚合酶及其他蛋白辅助因子等反式作用因子的相互作用是启动子调控基因转录的实质
基因转录区也叫编码区，是一个基因的主要功能构成部分，基因的遗传信息就包含在转录区内。转录区上游有一个由5个碱基构成的单链结构，被称为“基因5’端”，下游对称侧有一个三碱基的“基因3’端”。5’端上游外侧是启动子，3’端下游外侧是终止子
终止子也是一段非编码碱基序列，其功能是当RNA聚合酶完全通过了转录区后，它就会阻止酶分子，使之不再向前移动，从而使RNA分子的合成过程终止下来
DNA分子的“手术刀”和“缝合针”
生物技术的核心问题是对生命的遗传机构进行加工和改造，因此生物技术可以说是对DNA分子进行手术的技术。让我们设想一下这个手术的难度所在：DNA双螺旋的半径是1 nm（相当于1米的10亿分之一），同一链上两个相邻碱基的距离是0.34 nm。基因工程学家的任务，就是要为这么微小的生命机构作准确的切割和缝合手术。毫无疑问，DNA手术的关键之一。核酸内切限制酶与DNA连接酶的发现，是科学家找到了DNA分子的“手术刀”和“缝合针”
内切酶和连接酶可以通称DNA操作的工具酶，都是生物体内天然存在的一个蛋白质类群。这一类蛋白酶很多，目前单从原核生物中就发现有400多种。它们的基本功能就是充当DNA“手术刀”和“缝合针”：当某一生物发生基因突变时，或者说，当生命的DNA链“需要”发生碱基序列的天然变化时，它们中的某一内切酶会按照细胞内的或者外来的特定指令，选定自身特别限定的碱基“字母词汇”，并按特定的“切口形式”（平整的“平末端”，或者不平整的“5’端”或“3’端”），把原DNA双链切成长短不等的片段；与此同时，某一连接酶也按照特定的指令，从被酶切成不同长短的同源DNA片段或/和异源DNA片段中，选择特定的对象进行重新组接，从而产生出新的DNA序列
可以看出，这个过程实质上就是一个基因工程过程，一个天然的基因工程过程。正是这个天然基因工程过程，成为几十亿年来生命进化的根本动因，我们可以说，现代基因工程是天然基因工程的特殊形式的继续，也是生物进化过程的特殊形式的继续。科学家实质上是从大自然的生命活动中找到按照自己的愿望引导生物进化方向的途径
DNA测序方法
大量内切酶的发现为科学家创立和发展DNA分子核甘酸序列分析技术提供了重要基础。由于每种限制性内切酶都有自己独特识别的DNA序列，所以当我们用不同的酶去酶切某种生物的DNA双链时，便能够获得一系列不连续的片段，每种片段长度从几百到几千个碱基对。科学家运用一种称作凝胶电泳技术的生物化学分析方法，把这些片段按照分子量大小逐一区分，并通过多种酶切结果的对比分析，获得备测生物DNA的碱基序列
早在20世纪60年代，科学家已掌握了有关DNA的充分知识，但碱基序列的测定问题一直没有得到很好的解决。直到1968年，华裔科学家吴瑞博士创立的“引物－延伸”方法，使DNA测序技术有了长足的进步。到1971年，在“引物－延伸”的基础上桑格尔又发展为“末端终止法”，最终导致了密里斯聚合酶链反应扩增DNA技术和史密斯碱基定点突变技术的实现。桑格尔、密里斯和史密斯三人同时获得了诺贝尔奖。顺便说一下，桑格尔是世界上第一个实现蛋白质测序的科学家，也是第一批解决DNA测序的科学家，他一生两次获得诺贝尔奖
目前DNA测序技术已有了重大的进步，特别是近十年来，科学界已经拥有简单可靠、经济实用、快速自动的DNA测序新技术，并且这种技术还在进一步完善和成熟。以中国为例，1999年～2000年间，在不到一年的时间内，中国科学家完成了人类基因组1％的测序工作，达到3000万个碱基对，并在完成任务的同时，进一步发展了DNA 测序的最新方法——鸟枪法
目的基因的获取与基因载体的构建
1973年被认为是基因工程诞生的元年。美国斯坦福大学的伯格和科恩分别在1972年和1973年完成了DNA体外重组实验和重组DNA分子的大肠杆菌转化实验。1980年他们二人获得诺贝尔奖。我们从他们的这两个实验可以理解基因工程的最基本问题
伯格的研究小组使用限制性内切酶EcoRI，在体外对被称为SV40猿猴病毒的DNA和λ噬菌体的DNA分别进行酶切，然后用T4连接酶将两种病毒的酶切DNA片段进行连接，结果获得了包括SV40和λ噬菌体DNA人工重组的杂交DNA分子
科恩领导的另一个实验是，将编码有抗卡那霉素基因的大肠杆菌R6－5质粒DNA，和编码有四环素抗性基因的另一个大肠杆菌质粒pSC101的DNA混合，然后用EcoRI进行酶切，再用T4连接酶连接成重组DNA分子。将这种重组的DNA分子用来转化没有任何抗性的大肠杆菌后，一些经转化处理的菌株可以在含有两种抗菌素的培养基上良好生长。就是说，具有两种抗性基因的人工重组的DNA，可以在生物体内得到表达
在伯格和科恩的实验中，两个抗性基因，就是基因工程中的“目的基因”，运载这两个基因的质粒R6－5、质粒 pSC101，以及病毒SV40和λ噬菌体都被称为基因工程的“基因载体”
由此可知，所谓目的基因，对生物进行基因改造的目标DNA分子，工程的目标是让外来基因在被转化的生物体内实现“功能表达”，例如伯格转基因大肠杆菌的两种抗性显示就是这样的表达
现在，世界已被鉴定的基因非常多，按照国际科学界的公共约定，每一个新发现的基因都应提交到被称为“基因BANK”的公共数据库内，提交者同时也获得该基因的优先权。作为基因工程师而言，如果你有获得某种目的基因的需求时，首先到“基因银行”中检索一下是明智之举。一般说，从复杂的生物机体中获得目的基因的过程都要经过酶切或者通过PCR扩增等步骤，分离出带有目的基因的DNA片段。此外，如果已知目的基因的表达物，可以通过遗传信息反向传递的途径，通过反转录酶的作用由mRNA合成cDNA的方法获得目的基因；还可以用化学合成的方法合成特定结构的基因，等等
关于基因载体，目前主要由五个类型：质粒，病毒类，柯斯质粒（由病毒和质粒合成的一种人工质粒），单链病毒质粒，以及某些动物病毒，等。由于载体的作用是运载基因到目标生物的DNA上，所以载体也是DNA，而且也必须具有 “挂接” 基因的“黏性末端”。此外，载体还必须具有一下特征：本身是能够在宿主细胞内自主复制的“复制子”；容易从宿主细胞中分离和纯化；其DNA分子中含有的非必须区序列不能影响载体的功能
载体在基因工程中的重要作用，决定载体研究成为科学界的一个重要领域
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海云青飞，生命进化规律破解者
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