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導語(yǔ)：對于基因的研究發(fā)展，大家會(huì )有怎樣精彩的論述？以下是小編整理的基因論文范文：基因的研究發(fā)展，供大家參閱。
基因論文：基因的研究發(fā)展
摘要：
隨著(zhù)生命科學(xué)的發(fā)展，人們對基因的認識越來(lái)越深入，“基因”一詞經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀的演變，已經(jīng)可以從分子水平上進(jìn)行更精準的解釋。基因概念歷史淵源的研究不僅可以從本質(zhì)上揭示生命現象的奧秘，也可以促進(jìn)商業(yè)和計算機等具有“生命”現象的領(lǐng)域的發(fā)展。這里綜述了基因概念的發(fā)展歷程，介紹了應用量子化學(xué)工具研究核酸的方法，分析了量子化學(xué)方法在遺傳學(xué)領(lǐng)域的應用前景。
關(guān)鍵詞：
基因 基因概念 歷史淵源
遺傳學(xué)是研究生物起源，基因和基因組結構、功能及其演變規律的學(xué)科，而基因的研究對促進(jìn)遺傳學(xué)發(fā)展具有重要意義。自20世紀開(kāi)始以來(lái)，基因的發(fā)展經(jīng)歷了理論水平、細胞水平的遺傳學(xué)階段和分子水平上的遺傳學(xué)階段，在前人大量實(shí)驗的基礎上，人們對基因的認識不斷深入，特別是隨著(zhù)人類(lèi)基因組計劃和“DNA元件百科全書(shū)”計劃（Encyclopedia of DNA Elements， ENCODE）的完成，人們對基因的認識又有了新的變化，并將遺傳學(xué)中基因的概念和理論應用到了計算機、商業(yè)和信息技術(shù)等領(lǐng)域。
如今的21世紀，隨著(zhù)學(xué)科交叉研究的發(fā)展，一些科學(xué)研究者開(kāi)始利用物理化學(xué)工具來(lái)研究核酸結構，從分子水平上闡述遺傳現象背后的化學(xué)本質(zhì)。本文結合大量文獻綜述了基因的發(fā)展歷程以及現階段物理化學(xué)方法在遺傳學(xué)研究中的應用，并展望了量子化學(xué)理論在遺傳學(xué)領(lǐng)域的應用前景。
1、基因概念的歷史淵源
19世紀，由于農業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要，人們開(kāi)始重視動(dòng)植物的遺傳變異現象并對這些現象進(jìn)行了系統研究，這為基因概念的產(chǎn)生創(chuàng )造了條件。1868年，Darwin C.受Hippocrates和Anaxagoras的生源說(shuō)影響提出了泛生論的假說(shuō)，認為生物體的細胞能產(chǎn)生自我繁殖的微粒，這些微粒可以匯聚于生殖細胞并決定后代的遺傳性狀，這種觀(guān)點(diǎn)缺乏實(shí)驗論證，不過(guò)它充分肯定了生物體內部存在特殊的物質(zhì)負責遺傳性狀的傳遞。之后，Weismann A.又在前人基礎上提出了種質(zhì)論（Germpiasm），認為種質(zhì)是生物體的遺傳物質(zhì)，它可能作為遺傳單位存在于染色體上，這對基因概念的形成奠定了理論基礎[1]。
2、基因的研究發(fā)展
2.1 基因概念的提出
在前人的遺傳學(xué)理論研究基礎上，Mendel G.J.第一個(gè)對遺傳現象做了系統的實(shí)驗研究。通過(guò)豌豆雜交實(shí)驗，他認為生物性狀是由“遺傳因子”來(lái)控制的，這些遺傳現象符合分離定律和自由組合定律。之后，Devries H、Correns C.和Tschermak E.分別證實(shí)了孟德?tīng)柕膶?shí)驗結果，到1909年，丹麥的Johannsen W.L.首次用“基因”一詞表示遺傳因子。不過(guò)，當時(shí)的遺傳因子沒(méi)有涉及到基因的具體物質(zhì)概念，只是一個(gè)經(jīng)過(guò)統計學(xué)分析的理論概念。
2.2 基因學(xué)說(shuō)的創(chuàng )立
Mendel的遺傳因子學(xué)說(shuō)是宏觀(guān)水平上的發(fā)現，其所提出的遺傳因子到底是否存在于細胞中需要進(jìn)行細胞水平上的研究。隨著(zhù)當時(shí)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，用以研究生物學(xué)實(shí)驗的儀器設備有了極大的改進(jìn)。20世紀初，Boveri T.[2]和Sutton W.S.[3]各自在研究減數分裂時(shí)，發(fā)現遺傳因子的行為與染色體行為呈平行關(guān)系，提出了基因就在染色體上的假說(shuō)。然后，1910年，Morgan T. H.等[4]用果蠅作材料，進(jìn)行了一系列雜交實(shí)驗，發(fā)現了伴性遺傳現象和基因連鎖互換定律，直接證實(shí)了基因在染色體上，建立了染色體遺傳理論。1926年，Morgan T.H.正式提出了基因學(xué)說(shuō)，即“三位一體”的基因概念，基因首先是決定性狀的功能單位，能控制蛋白質(zhì)的表達，決定一定的表型效應；其次是一個(gè)突變單位，可以發(fā)生在等位基因之間，表現出變異類(lèi)型；最后它是一個(gè)重組單位，只發(fā)生在基因之間，可以產(chǎn)生與親本不同的基因型[5]。這把染色體和基因聯(lián)系了起來(lái)，說(shuō)明了基因具有物質(zhì)性，不過(guò)，Morgan在其著(zhù)作中并沒(méi)有涉及基因的本質(zhì)是什么以及基因的功能是如何發(fā)揮等問(wèn)題。
2.3 基因化學(xué)本質(zhì)的研究
對于基因的化學(xué)本質(zhì)和功能等問(wèn)題，早在1909年，英國Garrod A.E.就提出過(guò)基因產(chǎn)生酶的觀(guān)點(diǎn)。之后，1941年斯坦福大學(xué)Beadle G.和Tatum E.[6]在研究真菌過(guò)程中，提出了“一個(gè)基因一個(gè)酶”的假說(shuō)，認為一個(gè)基因控制一個(gè)酶的合成，基因通過(guò)酶控制生物的代謝途徑，這從生物化學(xué)角度闡述了基因的功能，不過(guò)這種基因的概念仍然沒(méi)有揭示基因的化學(xué)本質(zhì)，只是解釋了基因發(fā)揮功能的途徑。到1944，Avery等通過(guò)肺炎雙球菌轉化實(shí)驗證明了遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是DNA，然后，1956年，美國的Fraenkel又通過(guò)煙草花葉病毒實(shí)驗證明了RNA也可以作為遺傳物質(zhì)進(jìn)行傳遞[7]。
2.4 基因功能的研究
1953年，Watson J.D.和Crick F.H.C.[8]提出了DNA的雙螺旋結構，人們開(kāi)始從分子水平上認識基因的本質(zhì)，即基因是DNA分子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位[9]，從此以后，人們對基因功能的認識開(kāi)始有了深入的了解。1955年，Benzer S.[10]通過(guò)T4噬菌體感染大腸桿菌的互補實(shí)驗提出了順?lè )醋訉W(xué)說(shuō)，認為基因就是順?lè )醋樱匆粋�(gè)遺傳功能單位，一個(gè)順?lè )醋記Q定一條多肽鏈，它并不是一個(gè)突變單位和交換單位。一個(gè)順?lè )醋涌梢园幌盗型蛔冏樱蛔冏邮荄NA中構成的一個(gè)或若干個(gè)核苷酸，由于基因內的各個(gè)突變子之間有一定距離，所以突變子彼此之間能發(fā)生重組，重組頻率與突變子之間的距離成正比[11]。
20世紀60年代之前，人們已經(jīng)認識到基因是有著(zhù)精細結構的DNA分子，其結構可以繼續分割，不過(guò)，當時(shí)對于基因功能表達及其具體作用等問(wèn)題的研究依然局限于傳統的“一個(gè)基因一個(gè)酶”的學(xué)說(shuō)。1961年，法國遺傳學(xué)家Jacob F.和Monod J.L.[12]根據對大腸桿菌的試驗，提出了大腸桿菌操縱子模型，認為DNA的不同區域存在一個(gè)調節基因和一個(gè)操縱子，操縱子模型包括若干結構基因、操縱基因和啟動(dòng)基因。這一模型進(jìn)一步說(shuō)明了基因是可分的，通過(guò)基因間的密切協(xié)作，細胞才能表現出獨特的功能[13]。此后，隨著(zhù)DNA重組技術(shù)和DNA測序技術(shù)的發(fā)展，人們對基因的研究更加深入，發(fā)現了許多基因的其他功能和特點(diǎn)，極大地完善了人們對生物體各種遺傳現象的認識。 2.5 基因概念的新發(fā)展
20世紀70年代以后，隨著(zhù)分子生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對基因的結構和功能上的特征有了更多的認識，其中比較重要的發(fā)現有假基因、重疊基因、跳躍基因、斷裂基因、反轉錄基因、印記基因等。結合基因的這些新發(fā)現，現今人們認識基因有以下幾種特點(diǎn)[5]：（1）基因不都是離散的，因為有重疊基因；（2）基因不一定是連續的，如斷裂基因；（3）基因可以移動(dòng)，其位置可以改變，如跳躍基因；（4）基因不是全能的結構單位，有很多順式作用元件影響轉錄或剪接；（5）基因也不是簡(jiǎn)單的功能單位，因為基因可以通過(guò)順式或反式剪接，產(chǎn)生多種蛋白質(zhì)。那么，到底應該怎樣給一個(gè)基因準確定義呢？近年來(lái)，有很多人對此提出了看法。
Gerstein等[14]提出，基因的定義應該和原來(lái)的定義有兼容，建立在已有的生物術(shù)語(yǔ)基礎之上。他們認為，基因是基因組序列的聯(lián)合體，這些序列可以編碼具有潛在重疊功能的產(chǎn)品（蛋白質(zhì)或RNA），基因與其調節序列是多對多關(guān)系。在此基礎上，Pesole[15]則認為基因是一個(gè)離散的基因組區域，其轉錄可以被一個(gè)或多個(gè)啟動(dòng)子和遠端調節成分調控，并含有合成功能蛋白質(zhì)或非編碼RNA的信息。基因在最終功能產(chǎn)物上有共同性質(zhì)，這個(gè)定義主要針對真核生物基因組，強調每個(gè)基因都分布于基因組的連續區域，基因序列包含5′UTR和3′UTR。此外，還有學(xué)者從計算機角度對基因的定義做了描述，他們把基因組比喻為一個(gè)生命體的大的操作系統，而基因就是其中的一個(gè)子程序。總之，隨著(zhù)當今科技水平的發(fā)展，人們通過(guò)對DNA、RNA和蛋白質(zhì)新功能的研究，發(fā)現基因并不是以前想得那么簡(jiǎn)單，其概念、功能和特征是隨著(zhù)一些特殊的生命遺傳現象可以改變的。
如阮病毒的發(fā)現，朊病毒是一種只有蛋白質(zhì)而沒(méi)有核酸的病毒，就之前生物學(xué)家對基因的概念而言，朊病毒的復制并非以核酸為模板，而是以蛋白質(zhì)為模板，這又重現了20世紀遺傳物質(zhì)本質(zhì)問(wèn)題的爭議，是現階段基因概念的新挑戰。此外，2006年，《自然》雜志在New Feature欄目上刊登了“什么是基因？”一文，這篇文章結合最近的研究成果對基因的概念做了新的詮釋?zhuān)恍┭芯堪l(fā)現，RNA不是被動(dòng)的將基因信息傳遞下去，而是主動(dòng)地調控細胞的活動(dòng)，有的RNA鏈不是傳統認為的只由DNA的一條鏈轉錄，而是由兩條鏈轉錄得來(lái)，還有一些RNA可以通過(guò)某種途徑使正常基因沉默，在必要時(shí)還會(huì )作為模板糾正某些異常基因，跨世代地攜帶生物體遺傳信息[16]。這些研究發(fā)現加深了我們對RNA的認識，深化了我們對生物體遺傳現象的了解。又20世紀90年代，美籍華人牛滿(mǎn)江教授又發(fā)現了“外基因”，即一些生物體細胞質(zhì)中mtRNA能激活一些特定基因，使生物體表達特定的蛋白質(zhì)，還有，2008年《自然》雜志上報告，美國科學(xué)家確認了一種可導致乳腺癌轉移的超級基因，這種基因可控制腫瘤細胞中其他基因的表達，它的表達與癌癥發(fā)生有密切的聯(lián)系[17]。
總之，隨著(zhù)科學(xué)的不斷發(fā)展，人們對于生物遺傳現象的認識越來(lái)越深入，基因的概念也隨著(zhù)生物學(xué)的發(fā)展不斷變化和完善。由于其他非生命領(lǐng)域的研究對象顯示出了生命力及與生物基因相似的特征，現今，經(jīng)濟領(lǐng)域和計算機領(lǐng)域中又出現了企業(yè)基因[18]、產(chǎn)品基因[19]、數據基因[20]等新的定義，基因概念的基本理論已經(jīng)發(fā)展到更多學(xué)科中了，對基因本質(zhì)和特征的研究越來(lái)越有必要。
3、量子化學(xué)作為研究核酸方法的應用
當前，遺傳學(xué)的研究已經(jīng)發(fā)展到了分子水平，然而對于生物遺傳現象中一些酶、核酸、激素等活性物質(zhì)的構象、生物活性和其具體作用機制依然存在爭議。生物系統研究的最大難題是生物分子的復雜性，常規的實(shí)驗方法只能得到實(shí)驗現象的宏觀(guān)方面解釋?zhuān)荒軓奈⒂^(guān)方面對實(shí)驗現象的化學(xué)本質(zhì)做出解釋。目前有一些研究者將物理化學(xué)方法應用到了生命科學(xué)領(lǐng)域，建立了從理論分析到實(shí)驗優(yōu)化的方法模式，他們根據實(shí)際體系在計算機上進(jìn)行實(shí)驗，通過(guò)比較模擬結果和實(shí)驗數據檢驗理論模型的準確性，并在此基礎上模擬生物大分子的結構、性質(zhì)和反應過(guò)程。
隨著(zhù)計算機技術(shù)和物理化學(xué)理論的發(fā)展，以及X射線(xiàn)、NMR等技術(shù)的應用，人們可以利用一些物理化學(xué)工具在計算機上進(jìn)行分子模擬，以此來(lái)模擬DNA、RNA和蛋白質(zhì)的結構，預測蛋白質(zhì)與核酸的功能和性質(zhì)。而且，隨著(zhù)計算方法的改進(jìn)，高度變化的核酸體系的精確分子模擬已成為可能，依賴(lài)強大的計算機就能模擬一些更復雜的反應，如DNA、RNA和蛋白質(zhì)的催化及折疊等[21]。
其中應用比較廣泛的物理化學(xué)工具就是量子化學(xué)方法，量子化學(xué)方法是應用量子化學(xué)基本原理和方法來(lái)研究化學(xué)體系的結構和化學(xué)反應性能的科學(xué)，其基本理論主要有價(jià)鍵理論（VB）、分子軌道理論（MO）、密度泛函理論（DFT），基本的計算方法有從頭算方法（ab initio）、半經(jīng)驗方法（semi-empirical method）、密度泛函方法（Density Functional Theory）[22]。量子化學(xué)的原理和方法在物理化學(xué)、藥學(xué)計算和生命科學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應用，可以很好地分析分子間相互作用的機理，解釋實(shí)驗中一些宏觀(guān)現象的物理化學(xué)本質(zhì)。如李梅杰[23]利用量子化學(xué)方法中的高精度組合從頭算方法（ONIOM-G3B3）研究了核酸自由基性質(zhì)和損傷機理，很好地解釋了生命過(guò)程中由于自由基和電子轉移導致DNA的斷鏈損傷而引起的衰老、癌癥、神經(jīng)紊亂等疾病的發(fā)生。又如2002年，Starikov E.B.[24]總結了核酸中量子化學(xué)方法的應用，闡述了核酸中電荷轉移過(guò)程的量子化學(xué)描述及其化學(xué)機理，并詳細地討論了不同量子化學(xué)方法在研究核酸電子構型中的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，于芳[25]運用量子化學(xué)工具對胞嘧啶與丙烯酰胺組成的分子體系進(jìn)行了計算，以此來(lái)模擬核酸與蛋白質(zhì)相互作用的反應過(guò)程，分析了DNA與蛋白質(zhì)的作用形式。
對于利用量子化學(xué)方法研究蛋白質(zhì)的應用，國外在這方面做得比較深入。如紐約州立大學(xué)石溪分校Simmerling C.等[26]應用量子化學(xué)方法研究了一種小分子量蛋白質(zhì)，僅有20個(gè)色氨酸構成，準確地預測了蛋白質(zhì)三維結構的折疊過(guò)程。又如Berriz和Shakhnovich[27]模擬了小的三螺旋束蛋白的折疊，Daggett和Fersht[28]模擬了小的單結構域蛋白的動(dòng)力學(xué)折疊.還有Akira Shoji等[29]采用密度泛函理論方法優(yōu)化了右手α-螺旋的PLA（聚L-丙氨酸）分子（如圖1所示，即H-Ala18-OH分子），分析了αR-螺旋的PLA形成的機制，獲得優(yōu)化的αR-螺旋H-Ala18-OH構型外側的1H、13C、15N、17O原子的化學(xué)位移與用高分辨率固相NMR檢測的相同。
4、展望
近年來(lái)，國內外量子化學(xué)在分子生物學(xué)中的應用日趨廣泛，如利用量子化學(xué)方法研究納米微粒促進(jìn)靶向給藥、純化核酸以及處理廢氣等技術(shù)的發(fā)展；應用量子化學(xué)方法優(yōu)化生物活性分子結構，研發(fā)新型抗疾病藥物；采用分子模擬的量子化學(xué)計算方法探究激素與受體以及其他活性分子與核酸的作用機理等等，很大程度上促進(jìn)了分子生物學(xué)和醫學(xué)的發(fā)展。從目前所作的科學(xué)研究看，量子化學(xué)完全可以作為遺傳學(xué)工具來(lái)研究生物體遺傳現象背后的化學(xué)本質(zhì)，其在遺傳學(xué)的研究中有廣闊的應用前景。
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