3．基因的調(diào)控

按照中心法則，有機(jī)體的發(fā)育也就是DNA分子中所包含的遺傳信息，在一定條件下的表達(dá)?；蛘哒f，有機(jī)體的個(gè)體發(fā)育是按照在DNA分子中以某種方式預(yù)先制定的指令（遺傳程序）而進(jìn)行的。這些指令在適當(dāng)?shù)臈l件下能促使一個(gè)細(xì)胞或某些細(xì)胞群正好在特定的時(shí)間和位置（空間）發(fā)生分化。由此看來，DNA所包含的遺傳信息是有機(jī)體發(fā)育的內(nèi)在根據(jù)，而體內(nèi)的生理狀態(tài)和各種環(huán)境因素則是發(fā)育的必要條件。至于在發(fā)育過程中，某個(gè)細(xì)胞究竟表達(dá)全部遺傳潛力的哪一部分，那就要看哪些基國是開著的，哪些基因是關(guān)閉的。

大約在20世紀(jì)50年代以前，生物學(xué)家就意識到在

發(fā)育過程中，細(xì)胞分化時(shí)要打開一些基因，關(guān)閉另一些基因，才有可能讓來自同一個(gè)受精卵增殖的細(xì)胞，有的發(fā)育成肺，有的發(fā)育成心臟，有的卻發(fā)育四肢……很明顯，在這里就有基因表達(dá)的調(diào)控問題。早在20世紀(jì)40年代，美國遺傳學(xué)家麥克林托克在研究玉米籽粒顏色的高頻變異時(shí)，就已注意到了基因的調(diào)控問題，用轉(zhuǎn)座子學(xué)說來解釋玉米籽粒顏色的遺傳不穩(wěn)定現(xiàn)象，首次提出基因調(diào)控模型，初步揭示了有機(jī)體如何設(shè)計(jì)安排基因活動的奧秘。此外，在20世紀(jì)40年代還有比德爾和塔特姆（1946年）提出的一個(gè)基因一個(gè)酶的理論，闡明基因是通過酶來控制性狀發(fā)育的，進(jìn)而把人們的注意力引向基因和酶的關(guān)系上來。

1961年，法國生物學(xué)家雅各布和莫諾，在研究大腸桿菌半乳糖代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制時(shí)，提出操縱子學(xué)說進(jìn)一步發(fā)展和深化了基因通過酶起作用的機(jī)理，從分子水平上創(chuàng)建基因調(diào)控模型，為揭示有機(jī)體的發(fā)育和細(xì)胞的分化等開拓了新思路。

按照操縱子學(xué)說，基因可分為幾種類型，一是結(jié)構(gòu)基因（用SG表示），它含有關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息；二是調(diào)節(jié)基因（用RG表示），它具有調(diào)整結(jié)構(gòu)基因活性的作用，能制約一種在正常情況下壓制結(jié)構(gòu)基因活性的阻遏物（一種小分子蛋白質(zhì)）的形成；三是操縱基因（用O表示），它本身不能產(chǎn)生什么物質(zhì)，但跟阻遏物結(jié)合后，結(jié)構(gòu)基因就不能有轉(zhuǎn)錄作用。此外，還有一個(gè)啟動基因（用P表示），它是接受RNA聚合酶的所在，是RNA聚合酶活動的起點(diǎn)，RNA聚合酶就是從這里開始使結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的。所謂操縱子就是指一系列在作用上密切相關(guān)而排列在一起的結(jié)構(gòu)基因和操縱基因的總和。操縱子的開關(guān)，是與調(diào)節(jié)基因和操縱基因的作用分不開的。

大腸桿菌

舉例來說，大腸桿菌能將乳糖分解為葡萄糖和半乳糖。催化這一生物化學(xué)反應(yīng)的酶有半乳糖苷酶、乳糖透性酶和乙酰酶。它們受控于相應(yīng)的三個(gè)結(jié)構(gòu)基因（分別用Z、Y、A表示）。當(dāng)培養(yǎng)基里沒有誘導(dǎo)物———乳糖存在時(shí)，由調(diào)節(jié)基因所產(chǎn)生的阻遏物便與操縱基因結(jié)合，阻止或干擾RNA聚合酶與啟動基因的結(jié)合，從而使結(jié)構(gòu)基因形成m－RNA的轉(zhuǎn)錄過程不能進(jìn)行，乳糖代謝所必需的三種酶也就不能合成。當(dāng)培養(yǎng)基里有誘導(dǎo)物乳糖存在時(shí)，它便立即與阻遏物結(jié)合，使其構(gòu)型發(fā)生改變，失去原有的作用，這時(shí)操縱基因便開放，讓RNA聚合酶結(jié)合到啟動基因上，結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)生m－RNA的轉(zhuǎn)錄過程和三種酶的合成就能正常進(jìn)行。一旦乳糖用盡，阻遏物又發(fā)生作用，重新關(guān)閉RNA聚合酶的通道，使結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄過程停止，酶的合成也隨之告終。

雅各布和莫諾的操縱子學(xué)說，用一套調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)來解釋細(xì)胞為什么在一定的條件下能按需要啟動或關(guān)閉某些基因。這對于我們了解基因如何通過酶的作用控制性狀的發(fā)育，是很有幫助的。但是后來發(fā)現(xiàn)操縱子學(xué)說對于真核生物并不適用。因此對于真核生物的基因調(diào)控還是有待研究的課題。

像細(xì)菌等原核生物，它們的結(jié)構(gòu)比較簡單，既沒有各種細(xì)胞器，也沒有核膜，它們的遺傳物質(zhì)———DNA或RNA，是完全裸露在細(xì)胞質(zhì)中的，談不到什么染色的結(jié)構(gòu)。因此，在原核生物那里，遺傳信息的轉(zhuǎn)移，從轉(zhuǎn)錄到轉(zhuǎn)擇是同時(shí)進(jìn)行的，有時(shí)甚至復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯是三位一體的。此外，它們的基因?yàn)閿?shù)很少，并且功能相關(guān)的基因往往是緊密相連的，所以它們的基因調(diào)控均可用操縱子學(xué)說來說明。

真核生物就不一樣了，它們不僅有各種細(xì)胞器，而且有核膜把DNA包圍起來并形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的染色體（由DNA、蛋白質(zhì)和少量的RNA組成）。因此，真核生物在實(shí)現(xiàn)遺傳信息的傳遞和表達(dá)等方面要比原核生物復(fù)雜和完善很多。比如說，真核生物的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯，是分別發(fā)生在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中，這兩個(gè)過程在時(shí)間上和空間上都是分開的，并且它們的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯均有專用的“機(jī)床”，其產(chǎn)品亦需進(jìn)行各種加工和修飾后，才能輸送到細(xì)胞質(zhì)中去。此外，真核生物的基因?yàn)閿?shù)眾多，從受精卵到完整的有機(jī)體，要經(jīng)過復(fù)雜的分化發(fā)育過程，除了那些為了維持細(xì)胞的基本生命活動所必需的基因之外，其他不同組織的細(xì)胞中的基因總是在不同的時(shí)空序列中被活化或受阻遏。因此，真核生物的基因調(diào)控有染色體DNA水平上的基因調(diào)控、轉(zhuǎn)錄水平上的基因調(diào)控和轉(zhuǎn)譯調(diào)控等，是相當(dāng)復(fù)雜的。目前生物學(xué)家正在深入地研究真核生物基因調(diào)控的奧秘。

線蟲

此外，由基因調(diào)控模型使人們想到，有機(jī)體的發(fā)育和細(xì)胞分化的過程也是受基因調(diào)控的?，F(xiàn)代生物學(xué)已闡明，多細(xì)胞有機(jī)體在胚胎發(fā)育時(shí)，生殖細(xì)胞中的全部基因都被復(fù)制并傳遞給各個(gè)子細(xì)胞，但大部基因沒有得到表達(dá)。哪些基因得到表達(dá)決定于這個(gè)細(xì)胞在身體內(nèi)的位置、所處的發(fā)育階段以及當(dāng)時(shí)的外在環(huán)境。最近幾年的研究表明，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)的活性基因（開著的基因）與非活性基因（關(guān)閉著的基因）都有其特定的圖式，并且這種圖式會隨著發(fā)育過程的進(jìn)行經(jīng)歷順序的變化。

據(jù)英國劍橋分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究，一種透明的線蟲在其胚胎發(fā)育過程中，有一組基因在控制細(xì)胞分化的時(shí)間順序上起著關(guān)鍵的作用。他們把這組基因叫做時(shí)序基因。時(shí)序基因中的某些突變，可以改變細(xì)胞譜系的發(fā)育過程，使它們比正常個(gè)體提早或推遲進(jìn)行。

此外，1983年巴塞爾大學(xué)生物學(xué)中心的研究者，對果蠅的胚胎發(fā)育進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)果蠅中許多控制空間結(jié)構(gòu)的基因都具有一段共同的DNA（含有一個(gè)獨(dú)特的堿基順序），他們稱此為同源框。當(dāng)含有同源框的基因轉(zhuǎn)譯成蛋白質(zhì)時(shí)，同源框就會發(fā)生一段氨基酸鏈并連結(jié)到DNA雙螺旋上去。當(dāng)這個(gè)蛋白質(zhì)與特定基因的DNA結(jié)合上之后，它就能使這些基因打開或關(guān)閉。如果這組基因遭到突變，成蟲體節(jié)長出的結(jié)構(gòu)便會出現(xiàn)差錯(cuò)，本該是長觸角的位置卻長出足來。后來，有人在蛙、雞、鼠等其他生物體內(nèi)，也發(fā)現(xiàn)了類似同源框的序列。這樣，同源框的發(fā)現(xiàn)就為研究基因如何調(diào)控有機(jī)體的發(fā)育提供了一個(gè)重要的立足點(diǎn)。

果蠅的胚胎

由此看來，要想深入了解基因調(diào)控的機(jī)制，一個(gè)很重要或很關(guān)鍵的課題就是要搞清楚包含在DNA分子中的密碼原本或測定其核苷酸排列的順序。從20世紀(jì)60年代起就有不少科學(xué)家從事這方面的工作。如菲耳斯從1965年開始研究噬菌體MS2的RNA的結(jié)構(gòu)，終于在1975年搞清了MS2的全部核苷酸的序列。繼他之后又有不少的科學(xué)家測出了噬菌體φX174的DNA的全部核，序列。

人類基因組

20世紀(jì)80年代又興起了對人類基因組的全核苷酸序列的分析。這是一項(xiàng)國際性的大科學(xué)計(jì)劃?，F(xiàn)在普遍的看法是人的基因組估計(jì)擁有大約見萬個(gè)基因，含30億個(gè)核苷酸對。要測定如此龐大的全核苷酸序列顯然并非易事。美國準(zhǔn)備用15年的時(shí)間，花30億美元將其完成。一旦把人類基因組的核著酸序列搞清楚了，人們就可以繪制出一幅清晰的人類基因組圖譜，并按圖索驥，從簡單的DNA來預(yù)測人的性狀，分析哪些基因發(fā)生了突變，基因結(jié)構(gòu)發(fā)生了什么樣的改變，突變基因在哪條染色體上和處于什么位置等等。這樣，不僅對人的遺傳本性和發(fā)，作的，不正常的基因又是怎樣引起疾病的等等。難怪有人把人類基因組分析比喻為徹底了解人體自身奧秘的“阿波羅”計(jì)劃。

但是，也不應(yīng)該忽視人類基因組分析所提供的只是一份遺傳藍(lán)圖，性狀發(fā)育的可能性，它并不可能完全可靠地預(yù)測所有性狀的前景，因?yàn)樵S多性狀（特別是與行為和認(rèn)識有關(guān)的性狀）是由遺傳和環(huán)境相互作用所決定的，環(huán)境的變化可以導(dǎo)致遺傳相似的個(gè)體沿著迥然不同的道路發(fā)育。因此，解釋遺傳信息的表達(dá)，如果不充分考慮這一點(diǎn)也是不全面的。