分子遗传学技术新进展
摘要：分子遗传学是研究遗传信息大分子的结构与功能的科学，它的研究范畴是在中心法则基础上的进一步深入，研究对象是分子水平上的生物学过程，即遗传变异的过程。近年来，分子遗传学技术发展极为迅速，并对其他生物学领域产生了巨大的影响。通过简要综述基因重组技术以及人类基因组计划来阐述分子遗传学技术的新进展。
关键词：分子遗传学；DNA; 基因重组技术；人类基因组计划
引言
分子遗传学是研究遗传信息大分子的结构与功能的科学，它不同于一般的遗传学，传统的遗传学主要研究遗传单元在各世代的分布情况,而分子遗传学则着重研究遗传信息大分子在生命系统中的储存、复制、表达及调控过程。它的研究范畴是在中心法则基础上的进一步深入，由肽链到功能蛋白质，再由功能蛋白质到性状的研究，分子遗传学不等于中心法则的演绎，也不是核酸及其衍生物的生物化学，它的研究对象是分子水平上的生物学过程，即遗传变异的过程，它研究的是动态的生命过程，而不是在试管里或电泳仪上孤立地研究生物大分子的结构与功能的简单的因果关系。近年来，分子遗传学技术发展极为迅速，并对其他生物学领域产生了巨大的影响。21世纪，DNA测序方法建立，核酶的发现，PCR技术建立等等都是分子遗传学的最新进展。基因重组技术发展、基因治疗技术发展，人类基因组计划实施都标志着分子遗传学进入了一个崭新的阶段。本文将通过对分子遗传学发展史，分子遗传学主要研究内容，分子遗传学最新研究进展做一个简要综述，简明的阐述一下分子遗传学技术的新进展。
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1 分子遗传学发展史
分子生物学的崛起的标志是分子遗传学的产生，同时分子遗传学又是微生物学、遗传学、化学、物理等学科相互交叉、相互渗透的产物，所以要研究分子遗传学的发展史，错综复杂。
1944年，美国学者埃弗里等首先在肺炎双球菌实验中证实转化因子为脱氧核糖核酸DNA，从而阐明遗传的物质基础[3]。1953年，美国分子遗传学家沃森和英国分子生物学家克里克提出DNA分子结构的双螺旋模型，这一发现基本被认为是分子遗传学的真正开端[4]。
1955年，美国分子生物学家本泽利用基因重组分析方法用于研究大肠杆菌T4噬菌体中的基因精细结构，其剖析重组的精细程度达到DNA多核苷酸链上相隔仅三个核苷酸的水平。这一工作在概念上沟通了分子遗传学和经典遗传学[5]。
在基因突变这一方面，1927年马勒和1928年斯塔德勒用 X射线等诱发果蝇和玉米的基因突变[6],但是在后一段时间中对基因突变机制的研究进展很慢，直到以微生物作为研究材料对突变机制开展广泛研究以及DNA分子双螺旋模型的提出后才取得显著成果。美国遗传学家比德尔和美国生物化学家塔特姆根据对粗糙脉孢菌的营养缺陷型的研究，在40年代初提出了一个基因一个酶的假设，它将遗传学中对基因功能的研究和生物化学中对蛋白质生物合成的研究联系在了一起[7]。
在20世纪50年代后期和60年代前期分子遗传学的基本概念形成，这些概念的形成都是基于一定的基础。其中按照一个基因一个酶的假设，蛋白质生物合成的中心问题就是蛋白质分子中氨基酸排列顺序的信息究竟以怎样的形式储存在DNA分子结构中，这些信息又通过什么途径从DNA向蛋白质分子转移。前一是遗传密码问题，后—则是蛋白质生物合成问题，这涉及转录和翻译、信使核糖核酸(mRNA)、转移核糖核酸(tRNA)和核糖体的结构与功能的研究。
在1960—1961年由法国遗传学家莫诺和雅各布提出分子遗传学的另一重要概念——基因调控。他们根据在大肠杆菌和噬菌体中的研究结果提出乳糖操纵子模型[8]。紧接着在1964年，由美国微生物和分子遗传学家亚诺夫斯基和英国分子遗传学家布伦纳等，分别证实了基因的核苷酸顺序和它所编码的蛋白质分子的氨基酸顺序之间存在着排列上的线性对应关系，从而充分证实了一个基因一种酶假设[9]。此后真核生物的分子遗传学研究逐渐开展起来。
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。如今，分子遗传学正处于不断的发展当中。
2 分子遗传学主要研究内容
分子遗传学不同于一般的遗传学，传统的遗传学主要研究遗传单元在各世代的分布情况,而分子遗传学则着重研究遗传信息大分子在生命系统中的储存、复制、表达及调控过程。[2]分子遗传学的研究范畴是在中心法则的基础上的将进一步深入，中心法则是DNA与RNA的复制与转录以及RNA的翻译[1]，而分子遗传学的研究范畴要比中心法则更加广泛，更加
深刻。从中心法则到性状的形成，仍是一个复杂的生物学过程，这不是中心法则所能解释清楚的，这需要由分子遗传学解释。
分子遗传学不是核酸及其衍生物的生物化学。分子遗传学研究的对象是分子水平上的生物学过程——遗传及变异的过程[1]。它研究的是动态的生命过程，而不是在试管里或电泳仪上孤立地研究生物大分子的结构与功能的简单的因果关系。要真正地在分子水平上了解遗传变异的本质，仅仅研究核酸或蛋白质的生物化学是不够的。分子遗传学所研究的应该是细胞中动态的遗传变异过程以及与此相关的所有分子事件，明显地，这些分子事件不限于中心法则，也不限于核酸、蛋白质[10]。
3 分子遗传学最新研究进展
21世纪，分子遗传学的研究新进展主要有：逆转录酶的发现、一些工具酶的发现、断裂基因的发现、DNA测序方法建立、核酶的发现、PCR技术建立、基因的上游调控序列发现、显微注射技术运用、基因重组技术发展、基因治疗技术发展以及人类基因组计划实施等等。
3.1 基因重组技术
DNA重组技术是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组技术和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的生物类型和生物产品，又叫基因工程；也叫基因拼接技术[11]。以培育抗虫棉为例，简要说明DNA重组技术的过程。从苏云金芽孢杆菌中提取抗虫基因，将抗虫基因通过运载体导入无抗虫特性的普通棉花中，使普通棉花成含抗虫基因的转基因棉花，转基因棉花产生伴孢晶体，是棉花具有抗虫特性[12]。
DNA重组技术需要一些基本工具[13]，限制性核酸内切酶作为分子的手术刀，其主要来源为原核生物，约有4000种，主要特点为识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键（切点）断开，能形成两种末端，一种为黏性末端，另一种为平末端。DNA连接酶作为缝合针，主要有两种DNA连接酶，为E·coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶，E·coli DNA连接酶来源于大肠杆菌，而T4 DNA连接酶来源于T4噬菌体，它们的共同特点都是恢复磷酸二酯键，差别就在于E·coli DNA连接酶只能连接黏性末端，T4 DNA连接酶能连接黏性末端和平末端，但是连接效率较低。运输工具是载体，载体需要具备一定的条件，能够在受体细胞中自我复制并稳定地保存，具有限制酶切点，以便与外源基因连接，具有某些标记基因，便于进行筛选，必需是安全的，不
会对受体细胞有害。质粒是基因工程中重要的载体[14]，质粒是一种裸露的、结构简单、独立于细菌染色体（即拟核DNA）之外，并且具有自我复制能力的双链环状DNA分子。最常用的质粒是大肠杆菌的质粒，其中常含有抗药基因，如四环素抗性基因。质粒的存在与否对受体细胞生存没有决定性作用，但复制只能在受体细胞内完成。 3.2 人类基因组计划
最早提出HGP这一设想的美国生物学家、诺贝尔奖得主Dulbecco在1986年3月7日出版的《Science》杂志上发表了一篇题为“肿瘤研究的一个转折点：人类基因组的全序列分析”的短文[15]。他提出包括癌症在内的人类疾病的发生都与基因直接或间接有关，呼吁科学家们联合起来，从整体上研究人类的基因组，分析人类基因组的全部序列。人类基因组计划的总体计划为在15年内投入至少30亿美元进行人类全基因组的分析。人类单倍体基因组含30亿碱基对(bp)的DNA序列，包括约3-4万个基因，分布于22条常染色体和X、Y性染色体。
HGP基本内容包含四个图谱，为遗传图谱、物理图谱、序列图普、转录图谱[16]。遗传图谱是通过计算连锁的遗传标记之间重组频率而确定它们相对距离的遗传图，一般用厘摩（cM）来表示，遗传图谱确定了DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离,故又称连锁图谱。它显示所知的遗传标记在染色体上的相对位置，而不是特殊的物理位置。物理图谱是描绘DNA上可以识别的标记的位置和相互之间的距离(以碱基对的数目为衡量单位)，这些可以识别的标记包括限制性内切酶的酶切位点，基因等。物理图谱不考虑两个标记共同遗传的概率等信息。序列图谱是人类基因组30亿bp的全序列图，以遗传图和物理图为基础建立。先把庞大的基因组分为若干有路标的区域，再测序，基本材料为一个DNA序列的重叠克隆群（使测序工作不断延伸）。基因图谱或称为转录图谱，即在人类基因组中鉴别出占2%至5%的全部基因的位置结构与功能。其基本原理为蛋白质推测mRNA的序列，mRNA反转录为cDNA，然后利用其与所测序列进行杂交，鉴别出与转录有关的基因。基因图谱的意义有能为估计人类基因的数目提供可靠的依据；提供不同组织、不同时期基因表达的信息（数目、种类及结构功能）；提供结构基因的标记，可以作为筛选基因的探针，有直接的经济价值；鉴定病态基因（如癌基因）的变异位置。
HGP细节研究成果主要有全部人类基因组约有2.91Gbp，约有39000多个基因；目前已经发现和定位了26000多个功能基因；基因数量少得惊人；人与人之间99.99％的基因密码是相同的；人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠” ；男性的基因突变率是女性的两倍；人类基因组中大约有200多个基因是来自于插入人类祖 先基因组的细菌基因；发现了大约一
百四十万个单核苷酸多态性，并进行了精确的定位，初步确定了30多种致病基因；人类基因组编码的全套蛋白质（蛋白质组）比无脊椎动物编码的蛋白质组更复杂[17-18]。
HGP的最为重要的意义是对人类疾病基因研究的贡献，然后是基因工程药物、诊断和研究试剂产业、对细胞胚胎工程的推动的贡献，对制药工业的贡献，对生物进化研究的影响但是同样也会带来一定的负面作用[19]。
4 分子遗传学的发展趋势
分子遗传学今后的发展趋势将从遗传信息传递规律研究转向遗传信息表达及其调控研究，从单基因研究转向多基因研究，基因结构研究转向基因功能研究，从单一学科研究转向多学科交叉滲透的多学科研究，从理论研究到应用基础研究和应用研究。
分子遗传学的产生标志着分子生物学已逐步成熟，它的每一项成就都使整个生物界为之鼓舞，目前我们在DNA层面上似乎得到了满意的答案，但是这并不意味着分子遗传学就此止步，现在分子遗传学真正以崭新的面貌面向科学界，以旺盛的生命力向新的领域推进。 参考文献
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