[提要] 分子生物学的第一个时期主要是研究噬菌体、大肠杆菌染色体和DNA的结构。现在第二个时期的中心是对真核细胞染色体进行分子分析。第三个阶段已发展到对小分子的研究。
人们难以期望，沿真核细胞染色体和在细胞核染色体之间通过的信息是由构成染色体脊柱那么大的分子或由产生蛋白质信使的巨大RNA分子来传递的。最近的证据表明，在这些过程以及大分子属性的改变中都含有小分子。特别要注意的是：（1）短的核甙酸顺序，如多聚腺苷酸（poly-A）、多聚二磷酸核糖腺苷（poly-ADP-Rib）和环腺一磷（AMP），（2）自由基如甲基群，（3）DNA组朊中的离子，（4）水（DNA的水合位置）。
本文原载瑞典《遗传》杂志，第81卷第1期（1975），作者在瑞典Lund大学分子细胞遗传学研究所工作。
1. 染色体的结构
冷泉港讨论会之所以驰名于世，是因为到会的都是当前最感兴趣的研究领域里的一批专家。这样，这些讨论会就有可能去评价某一研究领域的进展，同时又往往试图仔细地去考察和探索研究中的新趋势。1973年James Watson所组织的关于染色体结构和功能的定量生物学讨论会，实现了这个目的。
Watson和Crick提出DNA模型已有20年了，因此这次讨论会带有一种庆祝的性质。在最近10年里，生物学家和生物化学家已经表明可以对真核细胞染色体作生物化学的分析。这促使人们对所用的方法论有了信心，但同时由于发展得很快，以致对真核细胞DNA的结构出现了许多相互矛盾的意见。
前一次冷泉港讨论会总结了晶体学家、病毒学家和细菌学家所取得的成果。他们已就病毒和细菌细胞的遗传物质的结构、体制和功能描绘出了一幅线条分明的图画。这些会议上曾提出过分子生物学在朝什么方向发展的问题，但没有作出明确的回答。细菌学家和病毒学家一心一意埋头于他们自己的课题，所以不大去考虑如真核细胞染色体这样一种不吸引人的庞大结构。
目前，这种态度没有多大变化。虽然到会的主要是一批“名副其实”的细胞学家和遗传学家，但没有预示出将来研究发展的明显趋势。这可能有两个原因。第一，对真核细胞染色体所做的大部分研究工作，在很大程度上是采用了研究细菌染色体时所用的步骤。人们跟在细菌学家后面亦步亦趋地研究真核细胞染色体，如像它主要是一条双链DNA构成似的。作为一个出发点，这样的态度曾经是最可取的。但它不会直接导致对高等生物染色体有一个一致的看法，因为这种染色体中除了DNA以外，还有许多别的分子。DNA本身和其它一些分子都处在不断变动的状态中。它们之间的空间关系，在不同组织和不同时期也是不同的。细菌则不是这样。第二，真核细胞染色体不是一种机械的构造，而是一种区划分明的体系，这种体系的每一节段同其它节段，在遗传和功能上都有一定的联系。由于这些相互作用，使它在功能上协调一致，并成为一种结构上的统一体。但我们中间大多数人还是把它看成各个部分彼此间没有联系的一种机械构造。很少有人曾谈到过小分子在染色体内部和染色体之间传递信息时可能起的作用。
可是，问题是明摆着的。研究真核细胞染色体的道路已经打开，现在分子生物学要朝什么方向发展？
要明确回答这个问题是无需寻找任何托辞的，因为要想预知未来10年内将会出现什么事件，那是愚蠢的，所以只可能去辨别摆在我们面前的几条研究的路子。
2. 分子生物学发展初期的两个阶段
分子生物学虽是一门年轻的科学，但已经有了一段历史。我们不需在此细说，但可勾划出它的几个主要发展阶段。1945年到1968年，可说是第一个时期。
1945年，W. T. Astbury最早规定了这门正在兴起的学科的目标，他发现DNA分子里的嘌呤和嘧啶之间相距3.4 ?，这些碱基位置垂直于分子的长轴。这个时期的特征是分析最简单的生物，即病毒和细菌的遗传物质。用一种简化的说法，可以说这是噬菌体、大肠杆菌以及Watson和Crick模型的时期。1968年，Stent认为这个时期已经过去了，他在《过时的分子生物学》一文中概述了他的看法。当真核细胞中的额外DNA和DNA随体开始用特定基因和特定染色体节段联系起来时，这种看法才真正到了一个转折点。从此以后，分子生物学明确地进入了一个新的时期，即研究真核细胞染色体和用实验方法在分子水平上研究细胞分化的时期。由于刚刚进入这一时期，我们还不能看清它的远景。令人欣慰的是由于新领域的飞速发展，这个时期也许要比第一时期短些。分子生物学发展的第三时期的朕兆，已经闪现在地平线上了。
3. 当前对真核细胞染色体的认识
我们今天对真核细胞染色体能描述出一幅什么样的分子图画呢？这幅画是由染色体某些部分的信息片段所组成，还不是对整个结构的认识。虽然人们必须从最简单的系统如原核细胞开始，随着时间的推移，逐步研究比较复杂的系统。因此，我们是从单个DNA顺序，单个基因以及单个染色粒的结构入手的。可以作为一个典型例子来说的是，对于突然“再发现”的染色粒结构，至少已提出了四、五种模型。对染色粒的突然感到兴趣，使得人们把一系列属性都归于染色粒，其中有些属性可能是它具有的，有些则可能不是的。可是，我们不知道大部分DNA随体的功能，不知道不同的基因在染色体内和染色体间是如何传递信息的；对于染色粒究竟代表了什么，更重要是对它们如何一起构成了染色体这个协调一致的结构，都是了解得非常之少的。
例如，我们知道在某些生物的异染色质中含有重复的DNA顺序。但这些顺序同异染色质这种表型有什么关系，或者这些顺序同这种表型究竟有没有什么关系，迄今为止我们还一无所知。产生异染色质这种染色体表型的可能同样存在于独一的DNA顺序之中，或者存在于同这些顺序毫无关系的DNA次级的空间改变之中。
我们还只是刚刚开始研究哪一些基因或哪一些DNA顺序定位在染色体的某些特定区域里，诸如着丝点、核仁组织者、染色体臂的近侧区、次级缢痕和端粒等。只有认识了整个染色体的分子结构，我们才会了解细胞分化和病毒同染色体之间的相互作用。
这样，当前的研究趋向提出了几个主要问题：（1）染色体上不同特定区域里有哪种类型的基因，有多少？（2）在维持染色体作为一种结构、遗传和功能单位的这些特定节段之间，通过的是什么样的分子信息？（3）在染色粒和异染色质中有何种分子结构？（4）当病毒接近真核细胞染色体时，病毒如何同面临的巨大分子结构相互作用的？
这些问题说明，前面就是分子生物学的一个新时期。
随着原位杂交技术和其它研究方法的改进，基因定位所用的方法也日益有效。但是，已经知道的并且已经定位的基因还为数甚少，有这方面资料的生物也很少，所以我们只能在少数几个物种里识别出某一给定的基因。如28 S和18 S核糖体RNA编码的基因是唯一例外，已在500多种生物中识别出这些基因。这些资料使我们对认识真核细胞染色体的结构有了初步的线索，它揭示出这些基因出现在真核细胞染色体上十分确定的区域内。这是初步肯定了真核细胞染色体结构的严格性以及它的不同特定区域之间非常明确的相互作用。
在涉及使特定区域之间发生相互作用的这些信息时，我们进入了分子生物学中最有魅力的领域。我认为，我们由此进入了小分子的范围。
4. 小分子时期
研究DNA、RNA和蛋白质等大分子的时期正在过去，对它们的分析、对它们的结构和顺序的测定等最有意义的研究，部分已成为过去的历史。分子生物学最初的两个阶段，主要是研究这些大分子。当然，我们还将对它们作很多的研究，但我们已经到达了要在更精细的层次上进行分析的阶段，即研究小分子的时期。
要研究的是：（1）短的核苷酸顺序，（2）不惹人注意的自由基，（3）“不重要的”离子，（4）普通的日常用水。我们不能指望沿着染色体和在染色体之间通过的信息，竟是构成染色体骨架的分子那么大的分子所传递，或是由产生蛋白质时作为信使的巨大RNA分子所传递。最近的证据表明，小分子参与了这些过程，并对大分子属性的改变有影响。
真核细胞信使RNA中出现的多聚腺苷酸（poly-A）就是一个典型例子。在各种高等生物和病毒的异源核RNA和细胞质信使RNA中都检出了100～250个核苷酸长的poly-A顺序。多聚腺苷酸片段同RNA共价连结。还没有弄清楚这种相对来说较短顺序的确切功能，但蛋白信使RNA不含有poly-A，这个事实指出了它的功能的特异性。有人曾提出，poly-A可能参与信使RNA从细胞核到细胞质时的处理或运送，并同模板的稳定性和活性有关，或同细胞分化时期基因的控制有关。
另一个短顺序是多聚二磷酸核糖腺苷（poly-ADP-Rib）。这是一种不同核RNA连结，但同核蛋白质共价连结的多聚核苷酸。染色质含有poly-ADP-Rib聚合酶总活性的80～90%。它的功能还没有充分了解，但它可能对染色质功能的调节起一定作用。
根据功能活性的需要，这些短分子或是加到大分子上，或是从大分子中除去。核糖体RNA和核RNA都是作为大分子在染色体上形成的，随后它们断裂形成小分子，在这个过程中丢失了一些小的顺序。以核糖体RNA为例，开始时是一个45S分子，最后成为一个28S、一个18S和一个5S分子。poly-A的情况正好相反，它是由小的顺序加起来的。因此，通过增加或减除小的顺序，细胞就能产生各种各样带有另外一些属性的另外一些分子。
环腺一磷（c AMP）是一个典型例子。它是腺三磷（ATP）衍生的一种小分子，它在细胞里是如此重要，以致被称为激素的几乎无所不在的“二级信使”。对本文特别重要的是，c AMP对于细胞间沟通信息是必不可少的，并作为唯一信息系统的一部分而发挥作用。对于乳糖操纵子里的基因的适时表达也是必需的。当c AMP同一个结合蛋白相结合，从而激活了乳糖操纵子起始端的促进基因这一位置时，转录便开始了。
甲基根CH?是一种更小的分子，它对DNA和RNA的作用看来是很重要的。这两种大分子的甲基化，是识别外源DNA这样一种细胞基本机制所包含的过程。当限制酶在涉及几个碱基的特殊部位上切断外源DNA之前，人们假定外源DNA是被使DNA甲基化的甲基酶所“阅读”的。看来DNA本身不能识别DNA，而要借助酶的作用。甲基化的确切功能，目前还不清楚。有些类型的DNA，如扩增DNA和某些病毒DNA是不会甲基化的。另一方面，小鼠的随体DNA，中国田鼠和人体的异染色质上的某些区段，都出现很多甲基化。甲基化不一定是一种静态过程，而是在不同组织里可能有不同程度的变化。如果是这样，它的功能就更难确定了。
各种离子对组蛋白同DNA结合所起的作用已有过详细的研究，因为这两种大分子之间的相互作用被认为是基因表达过程之一。钾、钠、镁等离子对唾腺染色体上的染色带的结构，以及对间期染色体的RNA合成活力都有特定作用。这些效应已归因于染色体中组蛋白和DNA之间的关系改变。锌是另一个重要的离子，受到刺激的人体淋巴细胞复制DNA时需要锌离子。
5. 水的分子生物学
水是最小的分子，但也可能是最重要的分子。道理很简单，水是一切生命活动的基本要素。凡在整个进化过程中已掺到今天细胞里的分子，不管是大分子还是小分子，没有一个不是经受了水的检验并被水所接受的。只有能同水起作用的或容易同水协作的那些分子或分子构型才被允许进入细胞并参与细胞以后的功能。因此，每个分子同水的关系是由来已久的，并且是细胞和染色体发挥功能的基础。
除了作为一种极性溶剂外，水具有一种非常独特的性质。水是极度可塑的分子，它能处于多种形态，如蒸汽或冰；而且它具有完全颉颃的属性。正如A. Szent-Gyorgyi（1975）所指出的那样，水是盐类和其他一些分子很容易分开的物质的极好溶剂，但同时它又具有很强的结合特性（如毛细力量所显示的那种特性）；在膜的构造和活动中，这种特性可能是重要的。
水对细胞生命有着重要作用的另一个特性同温度有关。细胞通常不能耐受超过它们所适应的温度的高温，但能在-90℃的低温下被冰冻起来，而后再在室温下恢复。此时细胞继续分裂，看不出有什么损伤的迹象。这也许是由于水在室温时已处在一种类晶体状态。因此，当细胞冷却到-90℃时，细胞里的水的晶体化并不是一种新现象，而只是细胞里的分子早已适应了的那种状态的一种更极端的情况而已。
大部分大分子如DNA、RNA和蛋白质的结晶形式前已做过研究。晶体结构的X射线分析，提供了有关它们构成的关键资料。这曾经是一种最富有成效的研究方法，但现在已经过时了。晶体是一种非生命结构，DNA像其它大分子一样，在细胞里是看不到它的结晶形式的。只有弄清了它们同水的空间关系时，才能认识它们的确切动能。量子生物学正在这个方向上取得进展。
Pullman（1974）及其同事用量子化学的方法，研究了DNA四个碱基的水合位置，发现胸腺嘧啶和胞嘧啶有三个最适水合位置，而腺嘌呤和鸟便嘌呤只有二个。
这仅仅是将会获得丰硕成果的一条研究路子的开端，它将使我们弄清楚在生命状态中，分子是如何发挥其功能的。
还有许多种小分子参与了另外一些细胞现象和染色体现象，比如参与了组蛋白的磷酸化、细胞融合的机制，DNA复制的启动或酶活动的过程等。然而，从所选的这些例子中，足以得出它们在染色体功能中具有重要意义的概念。
我深信，小分子特别是水分子的作用，将构成分子生物学家在未来年代中全力以赴的研究领域。
（许立功译，赵寿元校）