第三篇                      基因信息的传递

    从生物化学意义上说，基因（gene）是为生物活性产物编码的DNA功能片段，这些产

物主要是蛋白质或是各种RNA。蛋白质是生命活动的执行者。通过基因转录和翻译，由DNA决定蛋白质的一级结构，从而决定蛋白质的功能。DNA还通过复制，将基因信息代代相传。1958年，DNA双螺旋的发现人之一F.Crick把上述遗传信息的传递方式归纳为中心法则（the central dogma）：

    虚线部分是1970年H．Temin发现逆转录现象后，对中心法则的补充。最初提出的中

心法则认为，DNA兼备贮存遗传信息和表达的功能，应处于生命活动中心位置。逆转录现象的发现表明，少数RNA也是遗传信息的携带者。最近又发现RNA有催化功能。因此有学者提出：RNA才是处于生命活动中心位置的物质。对传统中心法则的挑战，并不影响中心法则在分子水平上对遗传、代谢类型、生长发育、进化、生命起源、免疫等生命科学关键问题研究的指导地位。

    本篇以中心法则为基本线索，依次分章讨论复制（replication）、转录（transcription）和

翻译（translation）。每章都先介绍基本概念和所需的酶及各种因素的作用。复制、转录、翻译都可分为起始、延长和终止三个阶段论述。然后各章均讨论一些相关的生化、医学问题。原核生物和真核生物在基因信息传递中各有特点，但现有的知识大多数来自对原核生物的研究。

    本篇还介绍基因表达调控和基因工程。基因表达指通过转录和翻译，将DNA分子上A，G，C，T四个符号所包含的信息，转变为蛋白质分子上对种氨基酸的信息。生物越高等，基因信息量也越大。人类基因组（genome）已知由 3 X109b（base pairs碱基对）的DNA组成，约含10万个基因。细胞内有一套复杂、精细的调控机制控制着基因表达的时空特性。这是生命科学上重要的研究课题。目前，基因表达调控在原核生物转录水平上了解得相当透彻，真核生物基因表达调控研究尚处于资料积累的阶段。基因工程是20世纪70年代出现的新兴技术。可以预料，基因工程、基因诊断和基因治疗等将在21世纪的医学中带来革命性变化。这三方面都涉及到基因及其表达的规律。有关基因诊断、基因治疗的知识将在专题篇中介绍。

第十一章    DNA的生物合成（复制）

    遗传信息从亲代DNA传递到子代DNA分子上，称为复制，这是生物体内高分子的聚合过程，即DNA的生物合成。和物质代谢的其他合成过程一样，复制需要底物，也需要酶的催化，此外还需其他的蛋白质因子共同参与。复制过程可分起始、延长、终止三个阶段来论述。本章还将讨论与复制相关的DNA损伤和修复现象，以及～种特殊的DNA合成形式——逆转录。

                          第一节半保留复制

    DNA复制最重要的特征是半保留复制（semiconsevative replication）。复制时，母链的双链 DNA解开成两股单链，各自作为模板（template）指导子代合成新的互补链。子代细胞的DNA双链，其中一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全重新合成。由于碱基互补，两个子细胞的DNA双链，都和亲代母链DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。

                           一、半保留复制的实验依据

    半保留复制的设想，在DNA双螺旋模型确立后提出。1958年，M．Messelson和F．W．Stahl用实验加以证实。细菌可利用NH4Cl作氮源合成DNA。把细菌放在含15NH4Cl的培养液培养若干代，分离出的DNA是含15N的“重”DNA，密度比～般含14N的DNA高。用密度梯度离心法，15N －DNA形成的致密带位于普通14N－DNA所形成的致密带的下方。

    把含15N－DNA的细菌放回含普通的NH4Cl培养液中培养。细菌在营养条件充足时，20分钟就可以生长成新一代。提取于一代的DNA再作密度梯度离心分析，发现其致密带介于重带与普通带之间，看不到有单独的重带或普通 DNA带（图11－1）。

    实验结果说明：子～代DNA双链中有一股是15N单链，而另一股是14N单链，前者是从亲代接受和保留下来的，后者则是完全新合成的。亲代双链复制出子代双链的DNA，有三种可能情况，即全保留式、半保留式和混合式的复制（图11－2）。密度梯度离心实验，完全支持半保留复制的设想。其他两种的复制形式，都可被实验的结果否定。

    含15N－DNA的细菌在普通培养液中继续培育出子二代，其DNA则是中等密度的DNA与普通DNA各占一半（图ll－1），这也进一步证明复制是采取半保留式的。实验还可按子3代、子4代…进行下去，15N－DNA则按1／8、l／16……的几何级数逐渐被“稀释”掉。

                      二、半保留复制的意义

由于DNA分子中两股单链有碱基互补的关系，所以一股链可以确定其对应链的碱基序列。按半保留复制的方式，子代保留了亲代DNA的全部遗传信息，体现在代与代之间DN碱基序列的一致性上（图11－3）。   

DNA分子中的遗传信息通过转录和翻译，即基因表达（gene expression），决定细胞B蛋白质结构和功能，包括酶、代谢类型、免疫特性等等。也就是说DNA通过复制和基因表达这两种主要功能，决定了生物的特性和类型。例如，某种生物的后代只能是它的同种生物而不可能是其他，这就体现了遗传过程的相对保守性。

    遗传的保守性是相对的，而不是绝对的。自然界还存在着普遍的变异现象。遗传信息的相对稳定，是物种稳定性的分子基础，但并不意味着同一物种个体与个体之间没有区别。例如病毒是简单的生物，流感病毒就有很多不同遗传变异的毒株，不同毒株的感染方式、毒性差别可能很大。因此给流感的预防带来相当大的困难。地球上曾有过的人口和现有的几十亿人，除了单卵双胞胎之外，两个人之间不可能有完全一样的DNA分子组成（基因型）。因此在强调遗传的恒定性同时，不能忽视其变异性。