（一）基因及其载体

1．基因的概念

通常而言，基因是指DNA上特定排列的碱基序列。这些序列能转录为对应的tRNA、rRNA或mRNA分子，甚至翻译为特定的多肽或蛋白质分子。对于非细胞生物，基因还可以是能间接转录为对应的tRNA、rRNA或mRNA分子，甚至翻译为特定的多肽或蛋白质分子的那些在RNA上存在的特定碱基序列，如RNA病毒基因组基因。朊粒是一种感染性蛋白分子，对于朊粒的基因，可以理解为在该蛋白质分子上存在的特定氨基酸序列。

根据基因的转录产物性质不同，有时把基因分为tRNA基因，rRNA基因或mRNA基因。tRNA基因或rRNA基因的最终表达产物就是tRNA或rRNA、mRNA基因的最终表达产物则是多肽链，即多肤或蛋白质分子。

根据基因存在的形式差异，有时可以把基因区分为DNA基因或RNA基因。DNA基因的典型表达流程是转录→转录后加工→翻译→翻译后加工，而RNA基因的典型表达流程是逆转录→转录→转录后加工→翻译→翻译后加工。

2．基因存在的形式

基因存在于所有生物中。

在细胞生物中，无论原核细胞生物或真核细胞生物，它们的基因都存在于dsDNA上，随着细胞的分裂而复制、分配到新细胞中。

非细胞生物的基因储存形式多样，如DNA病毒的dsDNA或ssDNA,RNA病毒的dsRNA或ssRNA。由于肮粒只由一种感染性蛋白分子组成，肮粒的基因似乎可以理解为在该蛋白质分子上存在的特定氨基酸序列，即阮粒的基因形式是蛋白质。

（二）基因结构

1．原核基因结构

原核基因在组成上经常是1个以上基因的核昔酸序列连续排列，共用一套启动子和终止子，这样，每个基因编码序列就称为顺反子。每套启动子和终止子，连同其中的多个基因编码序列一起，称作操纵子。

依据操纵子所含编码基因即顺反子的数量差异，人们将原核基因结构分为单顺反子操纵子和多顺反子操纵子这两种类型。

多顺反子操纵子中，顺反子前后排列，在启动子和终止子控制下将一组基因一起转录和翻译而得到一组功能相关的蛋白质或酶。

如大肠杆菌的乳糖操纵子、β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷渗透酶、β-半乳糖昔转酞酶的结构基因以LacZ(z)、LacY(y)、LacA(a)的顺序分别排列在染色体DNA上，与z相邻，与y相对的一侧有操纵基因LacO(o)，更前面有启动基因LacP(p)，操纵子（乳糖操纵子）就是这样构成的（图2-18)。

2．真核基因结构

真核细胞基因组的大部分序列属于非编码区，不编码具有生物活性的蛋白质或多肽。编码区通常为结构基因，结构基因不仅在两侧有非编码区，而且在基因内部也有许多不编码蛋白质的间隔序列（称内含子）。真核细胞的基因大多由不连续的几个编码序列（称外显子）所组成，可称之为断裂基因。

真核细胞基因所在核昔酸序列可以区分为内含子和外显子，有一套启动子和终止子，在基因的上游和下游通常有增强子和沉默子（图2-19)。

与原核生物不同，真核生物中很少有多顺反子，一般是单顺反子。

（三）基因组

1．核遗传物质与细胞核

(1)dsDNA分子原核细胞核遗传物质是指1个环状dsDNA分子，承载约4000个基因，由于缺少组蛋白和非组蛋白，不能形成染色体，呈染色质状态存在细胞质基质中。

真核细胞核遗传物质是两条以上开链状态的dsDNA分子，承载基因种类和数量远比原核细胞多，通常与组蛋白组成的核小体形成串珠样结构，在细胞核内在核骨架即非组蛋白的参与下，以染色质状态存在。细胞分裂中期形成染色体。

(2）组蛋白与非组蛋白组蛋白是真核细胞中含量最高的一种染色体蛋白质，其总量相当于DNA的量。组蛋白含大量带正电的精氨酸和赖氨酸。按其精／赖比例，可将组蛋白分为5种：H1、H2A、H2B、H3、H4。分子中的正电荷使组蛋白凭借静电引力与DNA双螺旋非特异地结合，这是组蛋白得以将DNA双链分子构建成基本单位核小体的重要力量。

5种组蛋白因其在染色质上的位置不同可分为两大组：核小体组蛋白（包括H2A、H2B、H3、H4)和Hl组蛋白。核小体组蛋白的作用是将DNA分子盘绕成核小体，其中的H3和H4是进化上高度保守的蛋白质，即不同种属中此两种蛋白质的一级结构高度相似。Hl组蛋白不参与核小体的组建，而是负责把核小体包装成更高一级的结构，在进化上也较不保守。在某些种属的细胞中可以没有H1。

在一个细胞中，每种组蛋白的分子数可多达6000万个，相比之下，非组蛋白的量很小，每种一般仅有1万个分子。它们的总量也远小于组蛋白。

非组蛋白与组蛋白一起，是核内DNA形成染色质和染色体的重要组分。非组蛋白的种类繁多，功能各异，它们对染色体结构和功能的重要作用正得到越来越多的关注。

非组蛋白与DNA结合的方式与组蛋白不同。这类蛋白质能从DNA双链外部的大沟、小沟中识别碱基排列并与碱基形成氢键，从而与一段较短的特异DNA序列结合，因此被称为序列特异性DNA结合蛋白质。这些蛋白质的功能有：①参与染色体的构建。这方面的作用与组蛋白相辅佐。组蛋白把DNA双链分子装配成核小体珠串联接成的纤维，非组蛋白则在此基础上将纤维进一步折叠、盘曲，以形成在复制和转录功能上相对独立的结构域。②启动基因的复制。这些蛋白质往往以复合物的形式结合在一段特异DNA序列上，复合物中包括启动蛋白、DNA聚合酶、引物酶等，作用在于启动和推进DNA分子的复制。③调控基因的转录。这些蛋白质一般称为基因调控蛋白，它们往往以竞争性或协同性结合的方式作用于一段特异DNA序列上，即多种蛋白质分子或一种蛋白的多个分子之间存在着竞争或协同的关系，以调控有关基因的转录。

(3)核小体、染色质与染色体DNA作为遗传信息的携带者，除了必须能表达以外，还必须能够复制。也就是说，染色体在细胞有丝分裂中能够分成两份拷贝，并且在细胞的代代相传中自身得到保存。在每一个dsDNA分子（亦即染色质或染色体分子）上，有3种特异的核昔酸序列是复制所必需的，它们是多个复制起始点、一个着丝粒和两个端粒，这就是细胞生物学中提及的染色体分子的必需元件。

核小体是由2个H2A-H2B二聚体和2个H3-H4二聚体组成的八聚体。围绕在八聚体外围的dsDNA长度恒定地为146bp，绕核小体2圈，H1组蛋白结合在外层，连接段dsDNA的长度为0-80bp。这样，每个核小体所含DNA长度平均为200bp。

染色质是指直径30nm以下的纤维结构，染色体则指直径在300nm以上的纤维结构，此时光学显微镜视场下可分辨。原核细胞的dsDNA一般也能形成直径在300nm以上的纤维结构，出现拌环样高级结构，即染色体。

大肠杆菌的染色体是一个环形分子，上面缺乏组蛋白，但也存在拌环结构。所以，可以认为，拌环是从细菌、两栖类、昆虫到人的染色体都普遍存在的一种结构。每个拌环含一个或数个基因，根据拌环上的基因是否发生表达，拌环可以松解或紧缩。

值得注意的是，在真核细胞内，染色体的结构层次是：dsDNA→核小体串珠样→染色质纤维→拌环→染色体（图2-20)。
一个细长的DNA分子通过核小体、30nm纤维、拌环等一系列形式以及其他机制，包装或构建成间期和分裂期的染色体，这些包装体现出一个原则：有利于遗传物质在间期的表达、复制和分裂期的分配。

处于部分基因表达的真核细胞，如管家基因和组织特异性基因表达时，这些基因对应的dsDNA所处的高级结构将去折叠，出现游离的dsDNA，并在解旋酶的作用下解开DNA双螺旋后，才会在RNA聚合酶的参与下进行基因的转录。类似地，在细胞分裂进入M期以前，dsDNA所处的高级结构将去折叠，游离的dsDNA区段在解旋酶的作用下解开DNA双螺旋后，才会依赖DNA聚合酶进行复制。

(4)核仁与细胞核核仁呈圆或椭圆形，外无界膜包围，是由多种组分形成的一种网络结构，出现在间期细胞核内。在电镜超薄切片中可以看到，核仁包括互相不完全分隔的3个部分（图2-21)。

①纤维中心。呈浅染区，位于核仁中央部分。该部分含有从数条染色体上伸出的DNA拌环，上有核糖体RNA(rRNA）基因。

②纤维成分。位于浅染区周围，呈直径为5^-10nm致密纤维。该处含正在转录的rRNA分子。

③颗粒成分。多位于核仁外周，呈致密的颗粒，颗粒直径15-20nm，为已合成的核糖体前体颗粒，因此这些颗粒比细胞质中的核糖体颗粒略小些（图2-22)。

细胞从间期进入分裂期时，含rRNA基因的DNA拌环逐渐缩回至相应染色体，纤维成分和颗粒成分均分散于核质中，整个核仁先是缩小继而消失。细胞分裂完毕后，在刚诞生的子代细胞中，染色体上含rRNA基因的区段重新松解和伸展，在这些DNA拌环周围又组建
新的核仁。先是有数个小核仁形成，随即小核仁互相融合成一个或数个大核仁。

在间期细胞，核酸和蛋白质以染色质和核仁的形式存在，核外周有核被膜，核被膜上的间隔存在核孔复合体，内层核膜下有一个由纤维蛋白形成的核纤层，核内还存在一个蛋白质纤维组成的核骨架，它们共同维持核的形状、核内外物质交换和染色质、染色体的空间位置。

在有丝分裂期，核被膜融解，核骨架解聚，核仁消失，染色质浓聚紧缩形成棒状的染色体，然后每条染色体纵向分裂，此时核膜解体，核形态消失。当细胞分裂完成，两个子细胞出现时，核又重新形成。

2．核外遗传物质

染色体外遗传物质所表现的遗传现象称核外遗传。在真核生物中常称为细胞质遗传，也称为核外遗传、非染色体遗传、非孟德尔式遗传或母体遗传，主要是叶绿体染色质和线粒体染色质，都是环形dsDNA。在原核细胞生物中，主要是质粒，也是环形dsDNA。

3．基因组的概念

一个生物体的DNA所带的全套基因叫作该生物的基因组，也可以把带有全套基因的DNA或细胞叫作基因组，或称细胞基因组。生物基因组或细胞基因组所合成的所有蛋白质都在相应基因组的指导之下进行。人类基因组约指导3万个蛋白质的合成。

核外遗传的基因组所含的基因数1-200个。