基因的结构和功能
遗传的基本单位一基因的结构及其功能
基因作为遗传的一个基本单位已经被认识多年，基因原称遗传因子，一直以一定的符号来代表，1909年，Johannsen将遗传因子称为基因。摩尔根于1926年发表的《基因论》证实，基因是位于染色体上呈直线排列的遗传单位。1941年，Beadle和Tatum在生化反应的遗传控制研究中，通过对红色链孢霉的营养缺陷型进行分析，表明基因的功能是控制酶的合成，从而提出了“一个基因一种酶”学说。1944年Avery等对肺炎双球菌的研究证明遗传物质的化学成分是脱氧核糖核酸(DNA)。1952年。Hershey证实基因由jDNA组成，1953年，Watson和Crick提出了DNA分子的双螺旋结构模型，阐明了DNA自我复制的机制，DNA分子中的碱基顺序蕴藏着遗传信息，经过转录和翻译控制蛋白质的合成。1977年以前人们对人类基因结构
的了解仅仅是通过从原核生物获得的研究成果中推测所得，1977年Broker和Sharp等人对真核生物基因结构的研究发现了断裂基因，使基因的概念发生了演绎，一系列的研究证实大部分真核生物的结构基因是断裂基因。至此，基因的本质、功能及结构才逐渐为人们所认识。
一、真核生物基因的基本分子结构
原核生物的基因是一个连续编码的DNA分子的一个片段。真核生物包括人类基因，其结构不同于原核生物基因，大多数真核生物基因的.DNA顺序包括编码顺序和非编码顺序两部分。编码顺序在DNA分子中是不连续的，被非编码顺序隔开，形成镶嵌排列的断裂形式，因此称为断裂基因。
真核细胞的结构基因中含有的编码顺序，称为外显子(exon)。两个外显子之间的顺序无编码功能，称为内含子(intron)。不同结构基因所含内含子数目和大小也不同。例如，人血红蛋白B珠蛋白基因有三个外显子和两个内含子，全长约1700个碱基对，编码146个氨基酸(图3-4)。人的假肥大性进行性肌营养不良(DMD)基因有75个外显子和74个内含子，全长2 300kb，编码3 685个氨基酸。在每个外显子和内含子的接头区存在高度保守的一致顺序，称为外显子-内含子接头，即在每个内含子的5端开始的两个核苷酸为GT，3端末尾是AG，这种接头形式即为通常所称的GT-AG法则。
一般来说，真核生物的结构基因多为断裂基因，断裂基因中内含子和外显子的关系并非是固定不变的。有时可以见到这样的情况：在同一条DNA分子上的某一段DNA顺序，在作为编码某一条多肽链基因时是外显子，但作为编码另一条多肽链基因时是内含子，结果造成同一段DNA顺序(或结构基因区域的DNA顺序)可以转录两条或两条以上的mRNA链，此为真核生物基因结构及其表达的重要特点。
每个断裂基因中第一外显子和最末一个外显子的外侧都有一段不被转录的非编码区，称为侧翼序列，其上有一系列调控顺序，对基因的有效表达起着调控作用。这些结构包括启动子、增强子和终止子等。一个结构基因，其5→3链为编码链(coding strand)，可编码氨基酸，3→5链为反编码链，其碱基顺序与编码链互补，是mRNA合成的模板。
二、真核基因的侧翼序列与调控序列
作为调控顺序的启动子、增强子和终止子均位于编码链上的侧翼顺序区域。
(一)启动子 启动子(promoter)是一段特异的核苷酸序列，通常位于基因转录起始点上游100bp的范围内，是RNA聚合酶的结合部位，能促进转录过程。启动子包括以下几种重要的结构序列。
1.TATA框(TATA box)，位于基因转录起始点上游大约-19～-27bp处，高度保守，其顺序由TATA A TA A T7个碱基组成，该序列只有两个碱基(A/T，A/T)可以变化，周围为富含GC的顺序。TATA框通过与转录因子TFⅡ结合，能够准确识别转录起始点。
2.CAAT框(CAAT box)，位于转录起始点上游约-70～-80bp处，由9个碱基组成，其顺序为GG T CCAATCT，其中只有一个碱基(T/C)可以变化。CAAT框与转录因子CTF结合，促进转录。
3.GC框(GC box)有两个拷贝，分别位于CAAT框的两侧，其序列为GGCGGG，能与转录因子SPl结合，起到增强转录效率的作用。
(二)增强子 增强子是位于启动子上游或下游的一段DNA序列，它可以增强启动子转录的能力，提高基因转录的效率。增强子位于转录起始点上游或下游3kb或更远处，其发挥作用的方向可以是5→3，也可以是3→5，例如，人类珠蛋白基因的增强子是由两个相同顺序的72bp串联重复序列所组成的，可以位于转录起始点上游-l400bp或下游3300bp处，能使转录活性增加200倍。
(三)终止子终止子(terminator)是位于3端非编码区下游的一段碱基序列，在转录中提供转录终止信号。原核生物的终止子目前研究得比较清楚，由一段反向重复序列以及特定的序列5-AATAAA-3组成，二者构成转录终止信号。AATAAA是多聚腺苷酸的附加信号，反向重复序列是RNA聚合酶停止工作的信号，该序列转录后，可以形成发卡式结构，后者阻碍了RNA聚合酶的移动，其末尾的一串U与模板中的A结合不稳定，从而使tuRNA从模板上脱落，转录终止。因此，与启动子的作用不同，终止子的终止作用不是在DNA序列本身，而是发生在转录生成的RNA上。真核生物的终止子存在着较明显的差异，不同的RNA聚合酶有不同的终止子，RNA聚合酶I和RNA聚合酶IⅡ类的终止元件与原核相似，但对RNA聚合酶II类则不十分清楚。
上述侧翼序列中的特殊结构均属于基因转录的顺式调控因子，也称调控序列，它们对基因的表达均起到调控作用。
DNA的复制
DNA的复制亦即基因的复制，它是以DNA复制为基础，通过复制把储存的遗传信息随细胞的分裂传递给子细胞。DNA复制的机制十分复杂，其特点包括如下几个方面。
一、半保留复制和复制子
在原核生物中DNA复制往往只有一个复制起始点，从这一起始点开始沿两个方向复制，在复制中形成一个Q形分子以后，两个复制叉汇于一点而形成两个DNA分子。
高等真核生物中，染色体为DNA分子的载体，每条染色体为一个DNA分子。每个DNA分子上有多个复制单位，称为复制子(replicon)。每个复制子都有一个复制起始点，DNA的复制即从该点开始。每个复制子大约含30～300kb，如此计算，人类的一个基因组内大约含有10个复制子。复制子仅有起点而无终点，从复制起始点开始双向复制，在起始点两侧分别形成一个复制叉(replication fork)，也称生长点。随着复制叉的移动，彼此相邻的复制子汇合相互连在一起(图3—6)。当亲代DNA分子上的所有复制子都汇合连接成两条连续的子代DNA分子时，复制得以完成。复制子的长度大小不均，从13～900kb不等。真核生物的种类不同，复制子的大小不同；同一种生物在不同生理条件下，复制子的大小也不相同，在个体生长快时复制叉小。
一条染色体上的多数复制子在细胞周期的S期期间，在ATP存在下只复制一次。但是DNA复制的过程有先后之差，常染色质部分复制早；异染色质复制较晚，称为迟复制。
二、复制的方向和复制的半不连续性
由于DNA聚合酶只能通过在多核苷酸的游离3端加上单核苷酸，使DNA链的3端加脱氧核苷酸，所以新合成的DNA链只能沿5→3的方向进行。
在以3→5方向为模板的链上，DNA恰好是沿5→3的方向复制，复制是连续的，复制速度较快，称为前导链(1eading strand)；而以5→3链方向为模板合成的3→5方向的互补链，合成过程则需要引物(primer)的存在，即需要一个长约10bp的RNA序列以提供。DNA聚合酶所需的3端，而且每一引物只能始动合成一个100～200bp的DNA片段，称为冈崎片段，因此在5→3方向的模板链上，DNA的复制是不连续的。当一个个冈崎片段合成后，引物被去除，在DNA连接酶的作用下，补上一段DNA。所以，这一条DNA链合成较慢，称为后随链。
由此来看，DNA的复制是半不连续复制，复制从复制起始点开始，双向进行。
复制后的两个DNA分子中的碱基顺序与复制前的DNA分子相同，而且每一个DNA分子都含有一条旧链和一条新合成的链，因此DNA的复制又是半保留复制。
双螺旋DNA分子的碱基顺序蕴藏着生物体的全部遗传信息，这种碱基顺序在细胞分裂时准确、完整地保持不变，从而把亲代的遗传信息准确无误地传递给子代细胞，因此每一个DNA分子在复制时，所产生的两个新生。DNA链的碱基顺序务必与亲代DNA分子一致，方可保证遗传信息的稳定和准确，否则将发生变异或导致遗传性疾病的产生。
基因作为遗传的一个基本单位已经被认识多年，基因原称遗传因子，一直以一定的符号来代表，1909年，Johannsen将遗传因子称为基因。摩尔根于1926年发表的《基因论》证实，基因是位于染色体上呈直线排列的遗传单位。1941年，Beadle和Tatum在生化反应的遗传控制研究中，通过对红色链孢霉的营养缺陷型进行分析，表明基因的功能是控制酶的合成，从而提出了“一个基因一种酶”学说。1944年Avery等对肺炎双球菌的研究证明遗传物质的化学成分是脱氧核糖核酸(DNA)。1952年。Hershey证实基因由jDNA组成，1953年，Watson和Crick提出了DNA分子的双螺旋结构模型，阐明了DNA自我复制的机制，DNA分子中的碱基顺序蕴藏着遗传信息，经过转录和翻译控制蛋白质的合成。1977年以前人们对人类基因结构
的了解仅仅是通过从原核生物获得的研究成果中推测所得，1977年Broker和Sharp等人对真核生物基因结构的研究发现了断裂基因，使基因的概念发生了演绎，一系列的研究证实大部分真核生物的结构基因是断裂基因。至此，基因的本质、功能及结构才逐渐为人们所认识。
一、真核生物基因的基本分子结构
原核生物的基因是一个连续编码的DNA分子的一个片段。真核生物包括人类基因，其结构不同于原核生物基因，大多数真核生物基因的.DNA顺序包括编码顺序和非编码顺序两部分。编码顺序在DNA分子中是不连续的，被非编码顺序隔开，形成镶嵌排列的断裂形式，因此称为断裂基因。
真核细胞的结构基因中含有的编码顺序，称为外显子(exon)。两个外显子之间的顺序无编码功能，称为内含子(intron)。不同结构基因所含内含子数目和大小也不同。例如，人血红蛋白B珠蛋白基因有三个外显子和两个内含子，全长约1700个碱基对，编码146个氨基酸(图3-4)。人的假肥大性进行性肌营养不良(DMD)基因有75个外显子和74个内含子，全长2 300kb，编码3 685个氨基酸。在每个外显子和内含子的接头区存在高度保守的一致顺序，称为外显子-内含子接头，即在每个内含子的5端开始的两个核苷酸为GT，3端末尾是AG，这种接头形式即为通常所称的GT-AG法则。
一般来说，真核生物的结构基因多为断裂基因，断裂基因中内含子和外显子的关系并非是固定不变的。有时可以见到这样的情况：在同一条DNA分子上的某一段DNA顺序，在作为编码某一条多肽链基因时是外显子，但作为编码另一条多肽链基因时是内含子，结果造成同一段DNA顺序(或结构基因区域的DNA顺序)可以转录两条或两条以上的mRNA链，此为真核生物基因结构及其表达的重要特点。
每个断裂基因中第一外显子和最末一个外显子的外侧都有一段不被转录的非编码区，称为侧翼序列，其上有一系列调控顺序，对基因的有效表达起着调控作用。这些结构包括启动子、增强子和终止子等。一个结构基因，其5→3链为编码链(coding strand)，可编码氨基酸，3→5链为反编码链，其碱基顺序与编码链互补，是mRNA合成的模板。
二、真核基因的侧翼序列与调控序列
作为调控顺序的启动子、增强子和终止子均位于编码链上的侧翼顺序区域。
(一)启动子 启动子(promoter)是一段特异的核苷酸序列，通常位于基因转录起始点上游100bp的范围内，是RNA聚合酶的结合部位，能促进转录过程。启动子包括以下几种重要的结构序列。
1.TATA框(TATA box)，位于基因转录起始点上游大约-19～-27bp处，高度保守，其顺序由TATA A TA A T7个碱基组成，该序列只有两个碱基(A/T，A/T)可以变化，周围为富含GC的顺序。TATA框通过与转录因子TFⅡ结合，能够准确识别转录起始点。
2.CAAT框(CAAT box)，位于转录起始点上游约-70～-80bp处，由9个碱基组成，其顺序为GG T CCAATCT，其中只有一个碱基(T/C)可以变化。CAAT框与转录因子CTF结合，促进转录。
3.GC框(GC box)有两个拷贝，分别位于CAAT框的两侧，其序列为GGCGGG，能与转录因子SPl结合，起到增强转录效率的作用。
(二)增强子 增强子是位于启动子上游或下游的一段DNA序列，它可以增强启动子转录的能力，提高基因转录的效率。增强子位于转录起始点上游或下游3kb或更远处，其发挥作用的方向可以是5→3，也可以是3→5，例如，人类珠蛋白基因的增强子是由两个相同顺序的72bp串联重复序列所组成的，可以位于转录起始点上游-l400bp或下游3300bp处，能使转录活性增加200倍。
(三)终止子终止子(terminator)是位于3端非编码区下游的一段碱基序列，在转录中提供转录终止信号。原核生物的终止子目前研究得比较清楚，由一段反向重复序列以及特定的序列5-AATAAA-3组成，二者构成转录终止信号。AATAAA是多聚腺苷酸的附加信号，反向重复序列是RNA聚合酶停止工作的信号，该序列转录后，可以形成发卡式结构，后者阻碍了RNA聚合酶的移动，其末尾的一串U与模板中的A结合不稳定，从而使tuRNA从模板上脱落，转录终止。因此，与启动子的作用不同，终止子的终止作用不是在DNA序列本身，而是发生在转录生成的RNA上。真核生物的终止子存在着较明显的差异，不同的RNA聚合酶有不同的终止子，RNA聚合酶I和RNA聚合酶IⅡ类的终止元件与原核相似，但对RNA聚合酶II类则不十分清楚。
上述侧翼序列中的特殊结构均属于基因转录的顺式调控因子，也称调控序列，它们对基因的表达均起到调控作用。
DNA的复制
DNA的复制亦即基因的复制，它是以DNA复制为基础，通过复制把储存的遗传信息随细胞的分裂传递给子细胞。DNA复制的机制十分复杂，其特点包括如下几个方面。
一、半保留复制和复制子
在原核生物中DNA复制往往只有一个复制起始点，从这一起始点开始沿两个方向复制，在复制中形成一个Q形分子以后，两个复制叉汇于一点而形成两个DNA分子。
高等真核生物中，染色体为DNA分子的载体，每条染色体为一个DNA分子。每个DNA分子上有多个复制单位，称为复制子(replicon)。每个复制子都有一个复制起始点，DNA的复制即从该点开始。每个复制子大约含30～300kb，如此计算，人类的一个基因组内大约含有10个复制子。复制子仅有起点而无终点，从复制起始点开始双向复制，在起始点两侧分别形成一个复制叉(replication fork)，也称生长点。随着复制叉的移动，彼此相邻的复制子汇合相互连在一起(图3—6)。当亲代DNA分子上的所有复制子都汇合连接成两条连续的子代DNA分子时，复制得以完成。复制子的长度大小不均，从13～900kb不等。真核生物的种类不同，复制子的大小不同；同一种生物在不同生理条件下，复制子的大小也不相同，在个体生长快时复制叉小。
一条染色体上的多数复制子在细胞周期的S期期间，在ATP存在下只复制一次。但是DNA复制的过程有先后之差，常染色质部分复制早；异染色质复制较晚，称为迟复制。
二、复制的方向和复制的半不连续性
由于DNA聚合酶只能通过在多核苷酸的游离3端加上单核苷酸，使DNA链的3端加脱氧核苷酸，所以新合成的DNA链只能沿5→3的方向进行。
在以3→5方向为模板的链上，DNA恰好是沿5→3的方向复制，复制是连续的，复制速度较快，称为前导链(1eading strand)；而以5→3链方向为模板合成的3→5方向的互补链，合成过程则需要引物(primer)的存在，即需要一个长约10bp的RNA序列以提供。DNA聚合酶所需的3端，而且每一引物只能始动合成一个100～200bp的DNA片段，称为冈崎片段，因此在5→3方向的模板链上，DNA的复制是不连续的。当一个个冈崎片段合成后，引物被去除，在DNA连接酶的作用下，补上一段DNA。所以，这一条DNA链合成较慢，称为后随链。
由此来看，DNA的复制是半不连续复制，复制从复制起始点开始，双向进行。
复制后的两个DNA分子中的碱基顺序与复制前的DNA分子相同，而且每一个DNA分子都含有一条旧链和一条新合成的链，因此DNA的复制又是半保留复制。
双螺旋DNA分子的碱基顺序蕴藏着生物体的全部遗传信息，这种碱基顺序在细胞分裂时准确、完整地保持不变，从而把亲代的遗传信息准确无误地传递给子代细胞，因此每一个DNA分子在复制时，所产生的两个新生。DNA链的碱基顺序务必与亲代DNA分子一致，方可保证遗传信息的稳定和准确，否则将发生变异或导致遗传性疾病的产生。
