基因的属性

2014-06-30 | 作者: 林忠平 | 标签: 林忠平

提要:人类只有对这种天然的、不同种群之间的基因转移有理性的认识,深入了解生物之间各种基因之间的互作,并加以智慧的利用,这才是对自然的认识和理解,才是对老天的尊重。

文/林忠平(北京大学生命科学学院教授)

一百多年前,知名学者孟德尔、摩尔根已经通过豌豆的杂交和果蝇的实验,确立了基因是决定生物性状遗传和变异的一种物质。随后知道这种物质就是一种脱氧核糖核酸,即DNA。1953年沃森和克里克提出了DNA双螺旋结构模型学说,随后有了基因密码子结构的精确发现,从此人们十分关注DNA中碱基排序的变化与基因功能的关系,解读生命密码的时代由此开始。

1976年,英国皇家学会的理查德•道金斯院士发表了《自私的基因》一书。认为生物进化的单位不是生物的群体,也不是个体,而是基因。个体成为一堆被基因控制的机器人,而基因的唯一兴趣就是复制自己。道金斯认为,基因是自然选择的单元。可做为选择单元的实体必须能够精确地复制自己。基因和无性繁殖的个体具有这种性质,而有性生殖的个体和群体则不具备这种性质。这就使基因成为比个体更基本的东西,物种特性的延续和物种的演化都有赖于基因的变化。

1983年,B.麦克林托克通过玉米地里大量的考察,对基因的属性有了更加深入的认识。她的名著《A Feeling for the Organism》讲述了她对基因活性的认识,她发现跳跃的基因。也就是说基因不是固定在染色体的某个部位。这是在经常感受生命的过程中开创的基因转位的理论。此后的概念中,基因不再是数学操演的单位,也不是一串链子中的珠珠。遗传程式不再是记录在一串DNA上静态的直线讯息,而是一个充满动力的结构。DNA重组的概念由此产生。

近年来迅速发展的表观遗传学进一步深入研究基因的行为。研究发现某些因素会调控基因的行为,例如某些碱基生物甲基化会阻止基因的表达。这种观念的提出引起人们的惊讶,但是后来人们逐渐接受了这一科学道理。多数基因有一种以上的表现型,自然选择会偏爱某些基因,这是它们表型的作用。基因在单个个体内有差别地生存和繁殖,个体在群体内有差别地生存和繁殖,而群体在种群内有差别地生存和繁殖。所以基因的属性不仅在于遗传,也在于变异。

为对基因的这种行为进行准确的理解,我们必须从基因的结构说起。基因是DNA长链上遗传信息转录的一个单位。它的起始端就是ATG三个碱基组成的起始密码子,它的尾端也有三个碱基组成的终止子(其碱基排序通常是TAA、AAT、TGA)。头尾之间的碱基排序就构成遗传信息的编码区。编码区中每三个碱基编码一个氨基酸。不过也经常一些碱基排序是不编码氨基酸的,通常称之为内含子,不同内含子会有不同的功能,对基因转录过程会有一定的调节作用。基因的两端都有不同长度的非编码序列。在起始密码子的前面(通常为5’端)一段DNA的顺序对基因功效的启动起很大作用,通常称之为启动子。启动子区域碱基的排序中就包括转录起始位点,以及驱动基因转录的各种蛋白质的结合区位。转录的产物也是链状排列,这种转录产物要经过加工(包括一些酶类蛋白参与的加工),才形成通称信使核糖核酸,即mRNA这样的产物,再由mRNA翻译成为特定氨基酸排列的多肽。线性排列的肽,要在某些蛋白质因素的作用下折叠成一定的构型,才是有功能的蛋白质。

所以一个基因的行为是受到许多因素的调节的,包括多种蛋白质的参与。而这些蛋白由来何处?来自另外基因的产物。所以在一个基因组之内充满基因之间的互作和协调关系。基因是一个功能单位,它可以翻译成功能蛋白质。有的基因转录成rRNA、tRNA 、snRNA,这些RNA功能各异。它们的终端产物不是蛋白质,却也对各种基因的表现型起调节作用。越是复杂的生命,在基因之间,以及基因与RNA、与蛋白质之间有着越是复杂的关系。在生命周期之中这些复杂的关系按照一定的、又是适度可变的程序进行着。

生命演化的长河中基因是不断变化着的。如同人类的社会在不断变化之中。汉朝时候的女性“十三能织素,十四学裁衣,十五弹箜篌,十六诵诗书”,如今不再有这些作为了。高等生物中也有所谓的假基因(pseudgene),就是失去功能的基因。有时一个碱基的变化便导致基因功能的消失,有时启动子部位碱基的变化导致这个基因不能转录。有的基因在编码信息中发生错误,也失去功能;当它遇到有修饰作用的RNA,就可能恢复功能。

自然界不同种群之间的基因交流,有利于基因之间的互作、有利于遗传多样性的产生,以使物种在自然选择和竞争中具有优势。基因不是上天造就的、不可变动的东西,一成不变者是无法适应自然的。生命世界中演化出“性”,限制物种之间近缘交配,发展异性交配。这就是增加基因多样化的选择。人类只有对这种天然的、不同种群之间的基因转移有理性的认识,深入了解生物之间各种基因之间的互作,并加以智慧的利用,这才是对自然的认识和理解,才是对老天的尊重。

来源:基因农业网

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