从基因的定义评述操纵基因从基因的定义评述操纵基因摘要：摘要：从发现孟德尔遗传定律到 2002 年 HGP 的完成，再到如今的后基因组时代，这 100 多年的生物学发展史就是围绕着基因展开的，随着时代的迁移与科学水平的不断提升，基因的概念已经越来越清晰了。从孟德尔的遗传因子 ， 1909 年，丹麦的遗传学家W.L.Johannsen 提出 gene 一词，1928 年 Griffith 1944 年 Avery证明 DNA 是遗传物质，同年 G. W. Beadle 在研究脉胞菌突变过程中提出“一个基因一种酶”假说。到后来的隔裂基因、重叠基因、假基因、跳跃基因的发现与证实，我们逐步深入的了解到基因的真实含义。直到现在，基因组测序工作突飞速发展，各物种的基因组被不断测序成功，这使得我们的育种、医疗等许多方面得以进步。 操纵基因这一名词在许多文献中被引用，但从基因定义的角度而言，操纵基因似乎并不能完全吻合基因这一概念。关键词：关键词：基因 Operator 操纵基因 操纵子 操作元 分子生物学前言：前言：随着科学研究的进展，人们对基因的认识是不断深入的，因此关于基因的概念也是不断发展的。 另外，不同的学科领域（如生物化学、分子生物学、细胞生物学、遗传学等）对基因的定义也不完全相同，并各有侧重点。而对于“操纵基因” ，究竟是不是基因的问题，不同的学科观点也不尽相同。本文的目的便是阐明基因与“操纵基因”的关系，以及依据基因的发展和不同学科的观点来评述“操纵基因”是否属于基因。正文：正文：一、基因概念的发展阶段一、基因概念的发展阶段总体而言，近 100 年来基因的发展过程可以归纳为以下几个阶段：1. 孟德尔的遗传因子阶段 19 世纪 60 年代初，孟德尔对具有不同形态的豌豆（闭花受粉）作杂交实验，在解释实验中每种性状的遗传行为时，用 A 代表红花，a 代表白花，表明生物的某种性状是由遗传因子负责传递的，遗传下来的不是具体的性状，而是遗传因子，此处所说的遗传因子便是我们后来定义的基因。孟德尔阐明遗传因子是颗粒性的，在体细胞内成双存在，在生殖细胞内成单存在。此时所说的“遗传因子”是代表决定某个性状遗传的抽象符号。 孟德尔在阐明遗传因子在世代中传递规律时，就已经认识到了基因的两个基本属性：基因是世代相传的，基因是决定遗传性表达的。现在所说的“基因是生物体传递遗传信息和表达遗传信息的基本物质单位” ，实际上就是孟德尔所阐明的基因观。 孟德尔在研究过程中提出了遗传的两大基本定律，即分离定律和自由组合定律。2. 摩尔根的基因阶段 1909 年，丹麦遗传学家 W.L.Johannsen 创造了“gene”这一术语，用来表达孟德尔的遗传因子，但基因这个词语在此处只限于一个符号，并不是我们现在所说的具有物理内涵的基因。1910 年以后的几年中，T. H. Morgen 用果蝇作近亲交配试验，第一次把代表某一个性状的特定基因与某一特定染色体上的特定位置联系起来，揭示遗传学的第三条基本定律连锁交换定律。此时基因不再是抽象的符号，而是在染色体上占有一定空间的实体，从而赋予基因以物质的内涵，这在 W.L.Johannsen 的基础上又更近了一步。3. 顺反子阶段 由于科学技术水平的原因，早期的基因概念还是局限于把基因作为决定性状的最小单位、突变的最小单位和重组的最小单位。 20 世纪 50 年代以后，随着分子遗传学的发展，1953 年在沃森和克里克提出 DNA 的双螺旋结构以后，人们普遍认为基因是 DNA 的片段，确定了基因的化学本质。 1957 年，Seymour Benzer 以 T4 噬菌体为材料，在 DNA 分子水平上研究基因内部的精细结构，他在研究 T4 噬菌体的一群紧密连锁的突变群（r II 突变）时，进行了顺反互补试验，发现一个基因内部的许多位点上可以发生突变，引入了“顺反子” （cistron）的概念，并且证实了在这些位点之间可以发生交换。这否定了基因最小突变单位、最小重组单位这一的说法，同时保留了基因是最小功能单位的概念。4. 现代基因阶段 20 世纪 50 年代，B.McClintock 通过对玉米的研究，发现了转座元件，即后来人们所称的跳跃基因。60 年代法国遗传学家 F. jacob 和 J. Monod 在研究细菌基因调控中证实：基因不仅是可分的，而且功能上是有差别的-既有决定合成某种蛋白质的结构基因；又有控制结构基因活动的 Operator1977 年 F桑格等在噬菌体 X174 中发现重叠基因，即某一段核苷酸序列同时为两个基因编码。同年，MT道尔等首次发现卵清蛋白基因是不连续的，在基因内部插入了 7 个没有编码意义的 DNA 片段。发现基因有外显子和内含子共同构成，内含子把一个基因分成几个部分，这打破了基因是一个不容分割的功能单位的传统观念。同样是 1977 年，GJacp 根据对非洲爪蟾 5S rRNA 基因簇的研究，提出了假基因的概念，现已在大多数真核生物中发现了假基因。这是一种核苷酸序列同其相应的正常功能基因基本相同，但却不能合成出功能蛋白质的失活基因。二、关于基因概念的最新观点二、关于基因概念的最新观点1.1998 年，纽曼黑尔德（E.M.Neumann-Held）从发育生物学或进化生物学的角度将基因定义为：在某个发育阶段生产特定蛋白质的过程，它不仅包括 DNA 序列，也包括细胞内外所有参与这个生产过程的因素。2.2000 年，比尔顿（P.J.Beurton）将基因定义为：自然选择的单位，包含了在适应过程中能被自然选择所检测的最小的遗传差异 3.美国耶鲁大学的生物医学信息教授 Mark Gerstein 等人在2007 年曾提出，新的基因定义应该符合以下几个标准:(1)新定义和原来的定义具有兼容性; (2)新定义不能具有物种特异性; (3)新定义表达要简单明了; (4)新定义要具体, 使人可以列举例子和能够回答人类基因组有多少基因这样的问题; (5)新定义要和其他生物学术语具有兼容性。他们并给基因下了一个定义: “基因是基因组序列的联合体, 这些序列可以编码具有潜在重叠功能的产品(蛋白质或 RNA)” 。这种定义中的同类功能产物(蛋白质或 RNA), 虽然生物学功能可能不同,但是如果编码它们的原始 DNA 序列重叠, 往往归为同一个基因。和经典基因概念相似的是他们都把基因指向编码蛋白质或 RNA 的 DNA 序列(不包括基因的调节成分, 如启动子, 增强子和Operator), 因为他们认为基因与其调节序列之间不是一对一的关系,而是多对多的关系, 调节序列因为太复杂, 而不宜掺入到基因的定义中去。另外, 还有的调节序列本身也可能编码蛋白质。这种观点强调通过其是否产生功能产物来定义基因。4. 基于 Gerstein 等人的基因定义,2008 年 Pesole 也给出了一个基因的定义: “基因是一个离散的基因组区域, 它的转录可以被一个或多个启动子和远端调节成分调控并含有合成功能蛋白质或非编码 RNA 的信息, 因为终产物(蛋白质或 RNA)含有部分相同的遗传信息而联系起来” 。这个观点是专门针对真核生物基因来做说明。而基因的本质仍然是遗传信息的功能单位，而且细胞核基因组 DNA也仍然是承载基因的主要物质载体。三、各个学科对基因的不同定义三、各个学科对基因的不同定义1.生物化学与分子生物学：基因是编码蛋白质或 RNA 等具有特定功能产物的遗传信息的基本单位，是染色体或基因组的一段 DNA 序列(对以 RNA 作为遗传信息载体的 RNA 病毒而言则是 RNA 序列)。包括编码序列(外显子)、编码区前后对于基因表达具有调控功能的序列和单个编码序列间的间隔序列(内含子)。 2. 水产生物育种学：基因是存在于细胞内有自体复制能力的遗传物质单位。 3. 细胞生物学、遗传学：基因是遗传信息的基本单位。一般指位于染色体上编码一个特定功能产物（如蛋白质或 RNA 分子等）的一段核苷酸序列。 四、从基因的定义评述四、从基因的定义评述“操纵基因操纵基因”1. OperatorOperator 是操纵子（Operon）的一个组分，对于操纵子，现在一般有两种观点。第一种观点认为操纵子包括结构基因和操纵基因两部分。比如科学出版社 1979 年出版的 遗传学词典 中指出: “操纵子由操纵基因以及紧接着的若干结构基因组成的功能单位。 ” 青岛出版社 1990 年出版的 遗传学 教材中也指出: “操纵基因与一系列结构基因合起来就成一个操纵子。 ”第二种观点认为操纵子包括结构基因、 操纵基因和启动基因三个组分。如中国大百科全书出版社 1983 年出版的 中国大百科全书 生物学分册中说: “操纵子是细菌的主要的基因调控单位 ,也就是转录单位。大肠杆菌的乳糖操纵子是第一个被发现的典型的操纵子 ,它包括依次排列着的启动基因、 操纵基因和三个结构基因。”但不管怎样，操纵子是包括 Operator 和结构基因的。Operator 本身并没有基因产物，是位于结构基因一端的一段核苷酸序列。它与一个或者一组结构基因相邻近，并且能够与一些特异的阻遏蛋白相互作用，阻碍 RNA 聚合酶与 DNA 结合启动转录，从而控制邻近的结构基因表达。2.基因基因是一个化学实体，是 DNA 分子中具有一定遗传效应的一段核苷酸序列。基因是遗传信息传递、表达和性状分化发育的依据。一切环境因子都通过基因来影响生物的遗传性。从最新的定义来看，基因就是 DNA 分子上的一个个片段，经过转录或翻译能产生特定的功能产物。根据基因产物的分子性质，可以把基因分为蛋白质基因和 RNA 基因两大类。根据基因产物的功能，又可分为结构基因和调节基因两大类。结构基因的产物是酶和不直接影响其它基因表达的蛋白质，以及 rRNA 和 tRNA 分子。调节基因的产物是阻遏蛋白或激活蛋白，它们对基因的转录分别进行负调控和正调控。另外，有一类 DNA 序列，其本身并不进行转录，但可以对邻近的结构基因的表达起控制作用，如启动子和 Operator。从功能上讲，能编码多肽链的基因称为结构基因，启动子、Operator 和编码阻遏蛋白、激活蛋白的调节基因属于调控序列。3.基因 & Operator那么，回忆我们前文中提到的生物化学和分子生物学中基因的定义-基因是编码蛋白质或 RNA 等具有特定功能产物的遗传信息的基本单位，是染色体或基因组的一段 DNA 序列(对以 RNA 作为遗传信息载体的 RNA 病毒而言则是 RNA 序列)。包括编码序列(外显子)、编码区前后对于基因表达具有调控功能的序列和单个编码序列间的间隔序列(内含子)。关于基因的分子生物学定义，大体上是符合几十年来基因研究的各种发现的。所以简而言之，基因都应该有它的编码产物。然而，Operator 本身并不编码基因产物，它只是对邻近的结构基因的表达起控制作用，因此严格来说它不能被称作“操纵基因” 。另外，根据英文翻译和 Operator 本身在操纵子中所起的作用，我认为将其译作操作元更加适合。五、基因组学的迅速发展五、基因组学的迅速发展“基因”一词从提出到现在已经 100 年了, 在这 100 年中, 人们对它的认识越来越深入，虽然现在对基因概念的解释又出现了新的争论。但这是人们对认识过程中的又一次升华。由于现在还处于对基因本质的探究过程中。采取的方法不同，给出的基因定义可能会有所偏重。伴随着现代科学技术的迅猛发展，基因的检测手段正在不断改进与更新，这对我们的生活也产生了重大的影响。早在 2002 年前，耗资 30 亿美元的人类基因组计划完成。而在现在，一些生物学家认为，任何人只要花费 1000 美元，就可得到你自己整个基因组序列图谱。这点就说明了如今的基因测试已经变得越来越便宜和快速了。现在的大小超市里，到处都能看见转基因食品，可见转基因技术在如今已十分成熟。在对基因本质的不懈探索中,基因概念的内涵与外延发生了深刻的变化,同时也带动遗传学研究取得了前所未有的飞跃。遗传学发展到现代的分子水平,如果可以给它一