"基因"这个概念是分子生物学和分子遗传学课的一级知识点。必须讲到位。"基因"的原意是"发生"(genesis),后被正式定名为"基因"。经过大量"突变体""基因型"和"表型"的相关性研究，人们明确了"基因型决定表现型"的认知范式(属于经典遗传学);后随着对"基因"的深入解析，发现"DNA"分子是"基因"的主要成份之一，这使得"遗传学"进入了"分子遗传学"时代，分子遗传学也随即成为上个世纪六、七十年代至世纪末生命科学的"热点"，随着2003年人类基因组计划的成功完成，使得"分子遗传学"研究达到前所未有的高度...这其中还有一个"线索"导向"分子生物学"的诞生和迅速成长，53年DNA分子结构的确认。即剑桥大学和伦敦大学的科学家提出DNA分子的B型"双螺旋"构象。很多业内人士认为"分子生物学"是"遗传学"遇到"生物化学"的"结果"(恰好本人在上个世纪的90年代初至90年代末分别从事过"分子遗传学"和"生物化学"研究), 随即"分子生物学"分别从"生物化学"和"遗传学"和分子遗传学"分离出来。自那个时候起，生物化学学会改名为"生物化学与分子生物学"学会组织，而"遗传学会"组织虽然失去了机会，但在当今一揽子一流大学的生命科学研究和教学单位均把"遗传学"和"分子生物学"放在一起，组成一个"学科群"(Genetics and Molecular Biology 或Molecular Genetics and Molecular biology)。

闲话少絮，书归正传。在当代分子生物学和分子遗传学这些当代生命科学课堂上如何讲"基因"?

基因的结构实体

包括:

DNA的组成(与有机化学中的含氮芳杂环衔接)、磷酸二脂键、碱基互补(Chargaff 第一、第二定律、碱基组合16种配对，其中包括Watson-Crick 碱基对和Hoogsteen 碱基对及对构象的意义)、双链反平行而不是顺向平行形成双链分子的结构基础、线性和闭合环DNA分子、拓扑结构及表征(共价闭合环及长线性型DNA分子的拓扑和准拓扑特征，及不断裂不捆绑的前设条件、拓扑异构酶(重点介绍I型和II型拓扑异构酶的催化行为和特点)、双螺旋稳定维持的作用力及其拓扑特征(Twists)、双螺旋的几种常见和不常见构象的结构基础.......、常见的非B构象(简单构想象和复杂构象)、组蛋白.........

常见双链DNA 形成的右手A、B型构象和左手Z型构象

B型DNA构象(A)、转录过程出现的A型构象和常见的集几种非B型DNA构象比较

DNA拓扑结构的定量表征

 应该清楚地告诉学习者，尽管我们用cccDNA螺旋操作(二维平面两条链以B型构象缠绕，Wriths, Wr)和3D空间缠绕(Twists, Tw)，两种操作具有方向性，顺时针和逆时针; 两者之和为连接子数(link Number, Lk)，包括依赖方向的操作，两种操作的净结果是Lk的变量。之外，必须讨论"线型"DNA分子依据长度的拓扑学特征，即长DNA分子被两点固定后具有拓扑学特征，符合上述数量关系。实际上，无论原核还是真核基因组中的DNA分子已经足够长，而且在基因组3D组织中形成染色质"域"....

以线型形式组织而成的"开放阅读框"(ORF) (在上个世纪九十年代"分子遗传学"讲述的内容，当时国内的"分子生物学教科书均不涉及或极少提这类内容)

染色体上"染色质域"形成过程中的"染色质环/区"的组装，环中DNA序列含有多个开放阅读框(ORF), 每个ORF是一个转录单位，含有转录因子和RNA 转录酶的组装位点(启动子)

 首先是CTCF蛋白(同时具有转录因子功能)与其识别位点处的DNA序列"CCCTC"结合形成复合体，确定需要折叠成染色质域区，为"染色质环"定区间。之后，DNA通过SMC复合体环（蓝色）的中心挤出，藉此形成一个染色质环(约40Kb)。一般的看法是SMC蛋白质环沿着DNA移动，也可以看作SMC蛋白环固定不动，而DNA被"泵出"，直到遇到一种接合着的CTCF蛋白（紫色），CTCF结合器蛋白捕获SMC复合环并停止DNA被"泵出"，从而形成在染色体层次上看到的"风车"结构的一个"叶片"。这个过程的稳定有赖于期间的拓扑学特征，最终组装出一种拓扑学相关联的域(Topological Associated Domains，TAD),图中蓝色区域(此环区已然拥有了拓扑学属性，这也是为什么说长线型DNA拥有拓扑结构特征的原因之一，不只是cccDNA)。在TAD的边界区存在许多压缩蛋白II和转录因子IIIC结合位点(在TAD区的边界，意味着它们已然蓄势待发，准备相应TAD染色质域所分布的基因转录)，这种组织需要进一步组装出"局部基因转录中枢"(Local Transcription Hub, 图中D所标出的黄色区域，以染色质域为单位)。一个转录中枢控制一组多个"开放阅读框"(Open Reading Frame, ORF, 一个基于碱基三联体密码框的转录单元)。过去直到现在一些人习惯称之为"基因"

可能有人会说"局部基因转录中枢" 对应的结构基础是"染色质域"，而形成这样的域结构应算做一种调节，而不应算在"基因的结构实体"(区别真伪要看这种染色质域结构，更真切地说是"环"结构是否具有进化的保守性，确实它普遍存在于原核和真核细胞。还要看这类域结构的破坏是否致死，确实人为造成有关基因突变体，致死，所以这应该算作一种结构实体)

原核基因组的组织:

其他重要的DNA构象及已知结合蛋白(原核)

 原核生物基因组中DNA与其结合蛋白结合位点

  原核生物基因组环状DNA与DNA结构蛋白、染色质维护蛋白SMC一道组装出的染色质环、ORF结构特征

及复制过程中超螺旋特征

             原核(杆菌)环状基因组(染色体)的组织(其中的随机折叠是否真的为随机事件有待进一步研究)

真核染色体的组织:

尚不确定"风车" 叶轮中的染色质是beads on a string或是zigzag型的罗线管，还是两者兼而有之

中期(Metaphase)染色体组成的核型

加上线粒体中的染色质，组成一个细胞的两个基因组

每个体细胞内含有2个基因组(2 n, 二倍体)

细胞周期间期(interphase)染色体呈"风车"结构，而在有丝分裂中期需要进一步压缩，以及一个细胞核内所有染色体组成的"核型"(Karyotype, 分裂中期(Metaphase)染色体吉姆萨染色(Giemsa staining，德国化学家发明的一种用途非常广的核酸染色法，用于染色体染色出现称为 G-banding，可制作karyokram)染出明暗相间的带型 其中黯带为"异(常)染色质(Heterochromatin)，明带为"常染色质"(Euchromatin , 真正的染色质或好的染色质)

染色质"环"(Chromsomal loops)是原核和真核生物细胞周期间期共有组织结构特征

核小体

DNA拓扑扭力(Twists,Tw)所引入的负超螺旋由组蛋白八聚体组成的核心组蛋白分担(每个Tw 由一个组蛋白八聚体分担)

核小体中核心组蛋白N端尾部结构域的表观遗传学修饰(又称翻译后修饰)

SMC蛋白组成的"染色质压缩蛋白复合体

 染色质域作为基因活性的组织和结构基础

压缩蛋白复合体负责有丝分裂中期及后期染色质的进一步压缩

真核

原核

     染色体向两个子细胞分配

        (两种分配方式，一种以半保留分子形式分配到两个子细胞(有丝分裂)或四个子细胞(四分子体，减数分裂)，以及以半保留复制后，以两条新合成的子链与原先模板链拆分后，以全保留形式分配到两个子细胞。常见干细胞，这是因为复制容易出错，干细胞需要复制，但regeneration过程中需要把两条新合成的链以全保留形式分到一个细胞作为子细胞，留下原有的干细胞，成为"祖母"细胞)

基因的功能实体

包括

参考文献

潘学峰 著 《基因疾病的分子生物学》2014年 化工出版社，北京

潘学峰 编著 《现代分子生物学教程》2009年 科学出版社，北京