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基因内涵的最新发展 精选

已有 12109 次阅读 2010-7-31 13:36 |个人分类:科学研究|系统分类:科研笔记| 生命科学, 发展, 概念, 基因, 内涵

         基因在分子生物学中占据了核心地位,基因概念的发展贯穿了分子生物学理论的整个发展历程。在某种程度上,基因内涵的更新与发展可以视为分子生物学发展阶段的标志。从最初孟德尔通过离散型表型抽象出的遗传因子(genetic factor)开始,在基因内涵的发展史上先后出现过遗传物质究竟是核酸还是蛋白质之争、DNA琴弦假说等早期探索性工作。目前,大家所熟知的基因形式包括顺反子、断裂基因、重复基因、重叠基因、跳跃基因、rRNA基因、tRNA基因、假基因等,近来又发现了以微小RNA基因为代表的多种非编码RNA基因(noncoding RNA gene)、跨染色体剪接基因、跨物种横向转移基因(即自然界的转基因)等多种新的基因形式。诺贝尔生理医学奖在历史上曾多次与基因的更新和发展有关。随着更多新的基因形式被不断发现,基因内涵也在不断发生变化。Gerstein等(2007)和Pesole(2008)分别对基因的概念做了较新的定义。他们给出的基因新概念主要在强调基因编码产物形式的多样性,其本质仍然是遗传信息的功能单位,而且细胞核基因组DNA也仍然是承载基因的主要物质载体。

         在传统观念中,除了RNA编辑、剪接,以及蛋白质分子修饰之外,遗传信息从DNA到表型的传递过程几乎是完全线性的,至DNA以下的所有环节,包括中间分子信息和表型均最终受控于基因组DNA,生物的可遗传组分完全由基因组DNA的序列信息决定。但随着研究的不断深入,这种传统观点正逐渐被打破,目前已经知道表观遗传及其他“软”遗传(soft inheritance)机制也广泛参与了跨代遗传的调控过程。此外,已在细胞水平和整体水平上证明环境刺激引起的基因表达模式改变也可以在一定条件下实现跨代遗传,好像米丘林遗传学这一被扔进历史垃圾堆里的伪科学又死灰复燃了,在与孟德尔遗传学分道扬镳多年后又开始有了相互靠拢的新迹象说不准某些曾经的伪科学还真有咸鱼翻身的机会)。由此大胆推测,与基因组DNA序列及其修饰无关的可跨代的“软” 遗传现象暗示细胞质分子缓冲信息系统中可能存在游离于基因组DNA之外(extra-genomic)的遗传信息单位。这种现象提示可能存在更为新颖的基因形式,即在细胞质中可能存在不以基因组DNA序列为直接模版的新的基因形式。在此,本文将其暂称为游离基因(dissociative gene)。游离基因是指在细胞质以RNA cache为重要形式的分子缓冲系统中存在的不依赖于基因组DNA的独立遗传信息单位。Lolle 等(2005)认为细胞RNA cache系统中的分子序列可直接作为模板,这提示了游离基因的可能来源之一。目前只能间接推断游离基因的存在,游离基因的功能和作用机制等诸多细节尚不清楚,对于游离基因的来源、数量、维持机制、具体存在形式、游离基因如何复制、如何鉴定具体的游离基因、游离基因的进化机制等可能的科学问题均有待进一步研究。跨物种核移植胚胎可在早期发育但不能发育至更晚时期的可能原因之一就是因为游离基因的保守性较低、具有高度的物种特异性。

         事实上,在超越单纯的基因组DNA层次上,遗传信息单位的形式已从概念上得到了极大的拓展,目前已出现从基于DNA序列信息的传统等位基因(allele)向广义生物等位基因(bioallele)发展的趋势,包括表观等位基因(epiallele)(Johannes et al., 2008)、转录等位基因(transcriptallele)、蛋白等位基因(proteallele)、代谢等位基因(metaboallele)以及生理等位基因(physiallele)等一些广义生物等位基因的新概念。随着生命科学日新月异的发展,一些更新的基因形式将可能被发现或提出来,比如笔者认为,新出现的元基因组(metagenome)概念甚至可能催生跨个体、跨种的metagene出现。在可以预期的未来,生命科学的一个重要研究内容就是不断发现新的基因形式,并深入探索这些新的遗传信息单位(即新的基因形式)的特性及其参与生命过程的调控机制。

 主要参考文献:

【1】Gerstein MB, Bruce C, Rozowsky JS, Zheng D, Du J, Korbel JO, Emanuelsson O, Zhang ZD, Weissman S, Snyder M. What is a gene, post-ENCODE? History and updated definition. Genome Res. 2007; 17(6): 669-81.
【2】Johannes F, Colot V, Jansen RC. Epigenome dynamics: a quantitative genetics perspective. Nat Rev Genet. 2008; 9: 883-90.
【3】Pesole G. What is a gene? An updated operational definition. Gene. 2008; 417(1-2): 1-4.

【尾注】米丘林遗传学与孟德尔遗传学之间的争斗是遗传学发展史上重要的历史事件之一,这场争斗明显渗入了政治因素,在我国曾分别被冠以社会主义遗传学和资本主义遗传学。米丘林遗传学与孟德尔遗传学争论的核心是——生物因环境引起的改变能不能遗传,前者认为能遗传,后者认为不能遗传。



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