基因的分子基础

Watson和Crick于1953年提出的DNA双螺旋结构模型为解析基因的复制、表达及突变的基本属性提供了物质结构基础。根据这一模型可知，DNA是由两条多聚脱氧核苷酸链以极性相反、反向平行的方式，按A与T、C与G配对的原则，由氢键连接，向右盘旋形成的双螺旋结构分子。每条多聚脱氧核苷酸链的基本组成单位或单体是脱氧核苷酸（deoxynucleotide，dNT），每个脱氧核苷酸由一个磷酸和一个脱氧核苷（deoxynucleoside，dN）组成，而每个脱氧核苷又由一个脱氧核糖和一种碱基组成。在DNA分子中，碱基有两种嘌呤［腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）］和两种嘧啶［胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）］。当DNA复制时，双链解开形成单链，然后以每条单链为模板，在DNA聚合酶的催化下，按照碱基配对的原则合成新的子代DNA分子。在子代DNA分子中，保留了一条完整的亲代DNA链，另一条链则是新合成的，如图2-1所示。通过这种准确的复制，基因信息便能稳定遗传，达到传宗接代、代代相传的目的。尽管现在知道RNA（ribonucleic acid，核糖核酸，碱基主要有腺嘌呤A、鸟嘌呤G、尿嘧啶U、胞嘧啶C）也可以作为遗传物质（如某些RNA病毒或噬菌体的RNA就是基因载体），但是绝大多数生物还是以DNA的形式携带遗传信息。

图2-1　DNA的半保留复制模型

作为一个最小的、不可分割的遗传功能单位，基因所对应的核苷酸序列被称为顺反子（cistron）。原核生物中，一个顺反子编码一条完整的多肽链。因此，顺反子是一个功能单位。在原核生物和低等真核细胞中，基因和顺反子是同义词；而在高等真核细胞中，由于基因中存在内含子，因此一个顺反子就等价于该基因全部外显子的总和。顺反子内有许多突变位点和多个可以发生交换的位点。从DNA的化学结构上看，两个DNA分子发生交换的过程实质上就是连接脱氧核苷酸的磷酸酯键的断裂与拼接的过程，因此最小交换单位就为1个碱基对（base pair，bp），称为交换子（recon）。另外，理论上基因内的任何碱基都可能发生突变，因此最小突变单位就为1 bp，称为突变子（muton），它也是基因组具有遗传多样性［又称单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）］的主要原因。