基因的分子特性
本部分主要还是回顾遗传学和生物化学中学过的知识。
A 课时数：2（第2次课）
B 课程内容
2.1 基因的概念
2.2 DNA是主要的遗传物质
2.3 基因的化学本质
2.4 分子生物学基础实验技术（部分）
C主要知识点
专业名词
等位基因 allele
基因型 Genotype
表现型（表型）Phenotype
显性基因 Dominant allele
隐性基因 Recessive allele
座位 locus
杂合 heterozygous
纯合 homozygous
顺反子 cistron
移动基因 movable gene
跳跃基因 jump gene
断裂基因 Interrupt gene
假基因 psuodo gene
重叠基因 overlapping gene
非编码基因 non-coding gene
脱氧核糖核酸 DNA
核糖核酸 RNA
核苷 nucleoside
核苷酸 nucleotide
凝胶电泳 Gel electrophoresis
质粒 plasmid
需要理解的内容
1) 基因的概念，顺反子（cistron）。
2) 一个基因一个酶假说，顺反子假说，朊病毒。
3) Transformation（Genetic）: 转化，由外源DNA导入而引起的细胞遗传组成的改变。
4) Transfection：转染，外源DNA对真核生物细胞（动物）的转化。
5) Chargaff规则。
6) Waston和Crick提出的DNA双螺旋模型。
7) DNA和RNA组成成分的异同。
8) DNA的化学组成。
理论与实验
1) DNA是主要遗传物质的证据；
2) Griffith’s experiment; Avery-Macleod-McCarty实验；Hershey-Chase实验。
3) RNA world （知道有这么一个假说就行）
2.1 基因的概念
现在大家都能清楚地讲出基因的概念，它是遗传信息的基本单位，是一段DNA序列。但对基因概念的认识是随着遗传学、生物化学的发展而变化的，而每个阶段对基因的认识都是与当时的科研水平相关的。
百度百科：https://baike.baidu.com/item/%E5%9F%BA%E5%9B%A0
经典遗传学阶段，基因是一个抽象的单位，用来解释。孟德尔提出遗传因子来描述决定某个性状的抽象符号，并来描述观察到豌豆几个性状的遗传规律。1909年，丹麦生物学家W. Johannsen 根据希腊文创建了基因(Gene)一词，表示一个抽象单位。1911年，摩尔根将代表某一性状的基因和染色体联系起来，被赋予了一定的物质内涵。
1941年，Beadle和Tatum提出一个基因一个酶假说，一个酶控制一个生化反应。我们现在知道之一假说是不完全准确，因为只有基因部分蛋白编码的蛋白为酶。但这一假说在40年代（二战时期）很好地解释了基因与性状的关系，对基因认识来说是一个大的进步。
“一个基因一个酶”的基因假说 (One gene －One enzyme)
1902年，Archibald Garrod发现人类尿黑酸症(alcaptonuria) 似乎是一种孟德尔隐性性状，可能是由于遗传基因突变引起的。主要症状是尿液有黑色素沉积，Garrod认为这是某条生化途径中某个产物的不正常积累引起的，提出了“一个缺陷的基因导致一个缺陷的酶”的假说。
1941年，Geogle.W.Beadle和E.L.Tatum发表了以粉色面包霉菌（Neurospora crassa）中生化反应遗传控制的研究结果：利用诱变剂(mutagen)引入突变，再观察这些突变在生化途径中的作用。Beadle在1945年总结了这些结果，提出了一个基因一个酶的假说。
基因的顺反子假说
顺反子（cistron）即结构基因，为决定一条多肽链合成的功能单位。顺反子的概念来自遗传学中的顺反重组试验，是确定交换片段究竟在一个基因内还是属于两个基因的试验，简言之，顺反子在一定条件下与基因同义，单顺反子是一个基因，多顺反子是多个基因（“百度百科”）。
顺反子的翻译我觉得容易容易让大家误解，请留意一下，cistron中只有cis（顺式）没有trans（反式），cistron实际上定义的是一个顺式作用单元，这个单元中的不同突变之间不能互补。
-tron，from Greek, suffix indicating instrument. generally, in the names of any kind of chamber or apparatus used in experiments (biotron)。tron是一个词缀，用来表示一个“结构”。 在物理学的词根，如elec.tron。分子生物学中也有，如intron.
顺反子(cistron)于1955年由美国分子生物学家本兹尔(Seymour Benzer)提出的。基因的顺反子假说是与顺反实验直接相关的，是指同一顺反试验确定的一个遗传单位（基因）：如两个突变位点可以功能互补，则两个位点不属于一个顺反子（基因）；如两个突变位点不可以功能互补，则两个位点属于一个顺反子。
这个的背景是Seymour Benzer获得了量T4噬菌体的突变体，利用这些突变体进行遗传学中的互补实验来检测基因的精细结构，提出了顺反子的概念。以下图为例，噬菌体DNA中有两个A和B两个基因，分别编码两个蛋白，如果两个噬菌体在A和B上分别发生了突变，这两个突变的噬菌体合在一起会具有完整功能，能侵染细菌，说明它们能互补（弥补相互的缺陷），那A和B是不同的顺反子（或者说AB是不同的基因）。如不能互补，说明A和B的突变发生在同一个基因（顺反子），所以合在一起时仍然没有完整功能。
此外，我们还会用多顺反子和单顺反子来描述基因结构。
多顺反子（polycistron）主要见于原核生物中（但原核生物也有单顺反子作用单位），意指一个mRNA分子编码多个多肽链。这些多肽链对应的DNA片段则位于同一转录单位内，享有同一对起点和终点。
真核生物的基因主要是单顺反子，一个转录完毕的mRNA内含有外显子对应的转录产物，该mRNA只编码一条多肽链。真核生物也有少数多顺反子基因。此外人造多顺反子也被用于真核生物的基因工程，用一个mRNA翻译出多个蛋白。
另外要补充一下，顺式(cis) 和反式 (trans)也是比较难懂的一个概念。要区别与化学中学到的顺式结构和反式结构。在分子生物学中，这两个词是用来描述基因表达过程中的调控关系。cis-acting，作用（或调控）的两个因子在同一个分子上、并且相互靠近。比如，启动子对下游基因表达调控是顺式的，因此启动子的调控元件为顺式元件。Trans-acting，“由不同的分子进行作用”的因子，比如蛋白对基因表达的调控作用是反式的。大家可以考虑一下，如果一个RNA分子能与启动子的DNA元件结合，调控下游基因的表达，那这个RNA是反式作用因子还是顺式作用因子。
2.2 DNA是主要的遗传物质
作为遗传物质至少要具备以下4个条件：（1）在细胞生长和繁殖的过程中能够精确地复制自己，使得前后代具有一定的连续性；（2）能够指导蛋白质合成，从而控制生物的性状和新陈代谢的过程；（3）具有贮存大量遗传信息的潜在能力；（4）结构比较稳定，但在特殊情况下又能发生突变，而且突变以后还能继续复制，并能遗传给后代。通过生物化学家们的不懈努力，发现蛋白、核酸等生物大分子的组成规律，根据它们的生化特性和细胞生物学的发现，科学家们推断蛋白、DNA和RNA分子最可能是遗传物质。在这些基础上，经过以下三个实验证明了DNA是遗传物质。
1869年，德国科学家Friedrich Miescher分离到核素，核素大部分是染色质（chromatin），是一种DNA和蛋白的混合物。19世纪末到20世纪30年代，A Kossle确定了DNA的化学组成，而P Levene和W.Jacobs证明了RNA由一个糖加4个碱基组成，而DNA含有1个不同的糖。
第一个实验，Griffith’s experiment，建立了一非常好的实验体系来检测遗传物质。这里用到的肺炎链球菌，包括S和R型两种：有毒的光滑型（S），有荚膜（capsule）包裹，不能被动物免疫系统识别。R型菌是无毒的粗糙型（R），由S型突变而来，无荚膜。Griffith建立了遗传转化实验（transformation），即将遗传物质转入到肺炎链球菌。
我们可以想象，当R型细菌获得S型的遗传物质以后，它会转变为S型。因此，我们可以将S型细菌的不同大分子纯化出来，分成不同组分，分别转化R型细菌，哪一种组分能将R型细菌恢复毒性、粗糙的表型，表示这一组分中含遗传物质。在Griffith的实验中，还发现热处理后的S细菌能将R型细菌恢复毒性，说明细菌中的遗传物质是耐热的。
第二个实验，Avery–MacLeod–McCarty实验，确定了DNA最可能遗传物质。实验的核心是利用不同的方法，将蛋白质、DNA、RNA等各个组分区分开。包括用蛋白酶（Protease）降解S型菌的蛋白质，能将R型细菌转化，排除蛋白是遗传物质；用RNA酶去掉RNA，利用DNA酶去掉DNA，通过超速离心去除脂类物质。实验最后发现只有DNase处理后S型菌的裂解物载导入R型菌，不能将R型菌转为S型，因此DNA是最有可能的遗传物质。
第三个，Hershey-Chase实验，实验的关键是将目标大分子标记。该实验换了T2噬菌体的实验系统，进一步明确了DNA就是遗传物质。T2仅由蛋白和DNA组成，而蛋白质和DNA可以分别用35-S和32-P的放射性同位素标记。Hershey-Chase实验提供了DNA是遗传物质的直接证据。要点: (1）分别用放射性同位素35S和32P分别标记T2噬菌体的蛋白和DNA，这样可以区分DNA和蛋白。（2）分别利用32-P标记和35-S标记的噬菌体侵染细菌，如果细菌细胞中（通过离心分离）是否含放射性信号，推断谁是作物遗传物质进入的细菌。(3) 实验结果说明噬菌体的蛋白不进入细菌，大部分DNA和少量蛋白进入细菌。证明了DNA是原核生物的遗传物质。
除了DNA，RNA也是遗传物质。RNA也可作为病毒遗传物质。自然界存在多种RNA病毒，利用RNA保存遗传信息。另外想提一下的就是RNA world假说。该假说认为地球上早期的生命分子以RNA先出现，之后才有蛋白质和DNA。且这些早期的RNA分子同时拥有如同DNA的遗传讯息储存功能，以及如蛋白质般的催化能力，支持了早期的细胞或前细胞生命的运作
还有一个特殊的例子就是朊病毒。朊病毒，是一类不含核酸而仅由蛋白质构成的可自我复制并具感染性的因子。朊病毒蛋白具有遗传物质的特性，朊病毒能实现“自我复制”。这种自我复制特殊，是将正常的，致病性的朊病毒，可以改变正常蛋白的空间结构，让它们也变成具有侵染性的朊病毒因子。
2.3 基因的化学本质
该部分主要是回顾一下生物化学中关于核酸、核苷酸等知识，留意各种名词的准确含义和对应的英文。比如，dATP和ATP，AMP，ADP有何区别？
2.4 分子生物学基础实验技术（部分）
从前面提到的3个基本实验，我们可以看出基本方法：生物大分子的提取和纯化，遗传转化，生物大分子的检测，DNA重组技术。目前实验室常用的方法包括，CTAB提取DNA；TRIZOL提取RNA；凝胶电泳检测核酸和蛋白质；DNA重组克隆技术。（仅做普通介绍，请大家根据自己进入实验室的实践经验去学习）。
