疑难问题：高中生物中学习了遗传的基本规律，也学习了DNA的结构和功能，基因的概念在高中生物中认为是遗传的功能单位，但基因的结构在高中生物中并没有学习（以前的人教版学习了原核基因和真核基因的区别），原因是基因的结构应该还在发展的过程中。

遗传学之父孟德尔在对八年植物杂交实验进行统计分析的基础上，通过推理提出生物的性状是由遗传因子决定的，由此产生了基因的雏形概念。1903年，美国学者萨顿发现孟德尔假设的一对遗传因子，它们的分离与减数分裂中同源染色体的分离非常相似，进而推论出基因就在染色体上。1909年，丹麦生物学家约翰逊将孟德尔的“遗传因子”起名为“基因”，但是他只提出了基因这一名词，并没有提出基因的物质概念。

  随着遗传学的发展，特别是分子生物学的迅猛发展，人们对基因概念的认识正在逐步深化。

1909年，摩尔根和他的学生们开始潜心研究果蝇的遗传行为，于1926年出版了巨著《基因论》，用实验证实了基因确实存在于染色体上，并进一步诠释了基因概念，即基因以直线的形式排列在染色体上，能发生突变，能随同源染色体交叉互换而进行重组，基因不仅是决定性状的功能单位，而且还是一个突变单位和重组单位，确立了“三位一体”的基因概念。至此，基因概念得到了极大的扩充和丰富，但是基因的物质结构和化学组成如何？基因是如何决定生物性状的？人们对此仍然一无所知。

一、1个基因1个酶

英国生理生化学家盖若德（Garrod．A．E）研究了人类中的先天代谢疾病，并于1909年出版了《先天代谢障碍》一书。他通过对白化病等疾病的分析，认识到基因与新陈代谢之间的关系，即1个突变基因，1个代谢障碍。 这种观点可以说是1个基因1个酶观点的先驱。

比得尔（Beadle．G．W）和塔特姆（Tatum．EL）对红色链孢霉做了大量的研究。他们认为，野生型的红色链孢霉可以在基本培养基上生长，是因为它们自身具有合成一些营养物质的能力，如嘌呤、嘧啶、氨基酸等等。 控制这些物质合成的基因发生突变，将产生一些营养缺陷型的突变体，并证实了红色链孢霉各种突变体的异常代谢往往是一种酶的缺陷，产主这种酶缺陷的原因是单个基因的突变。

二、1个基因1条多肽链

红色链孢霉和大肠杆菌营养缺陷型的早期研究表明，在各种氨基酸、维生素、嘌呤和嘧啶的生物合成路线上，催化每一步反应的酶都是在1个基因的监控下进行的。 到了本世纪50年代，扬诺夫斯基（Yanofsky）发现并提出了新的问题，即1个基因控制2步反应。他发现在大肠杆菌中，催化吲哚磷酸甘油脂生成色氨酸反应的酶，即色氨酸合成酶的结构比较复杂，实际上是由2种多肽构成，A肽可以独立催化吲哚磷酸甘油脂分解生成吲哚，B肽则可以单独催化吲哚转变为色氨酸。 因此对1个基因1个酶的学说做了第1次修正。

三、基因的化学本质是DNA（有时是RNA）

1944年，埃维里（Avery）等人通过肺炎双球菌的转化实验，第1次证实了DNA是遗传物质，由此，基因的化学本质得到了阐明。人们通过研究发现有些病毒如烟草花叶病毒、脊髓灰质病毒等只含有RNA，而不具有DNA，这些RNA病毒可以在RNA复制酶的作用下以自身为模板进行复制，这类生物中基因的化学组成为RNA。

 1953年沃森（Watson）和克里克（Crick）建立了DNA分子的双螺旋结构模型，这是遗传学史上的1个里程碑。近几十年来遗传学的发展，特别是遗传工程技术的发展充分证实这1模型的正确性。

四、 基因顺反子的概念

1955年，美国分子生物学家本兹尔（Benzer）提出了比传统基因概念更小的基本功能单位即顺反子的概念。

 用rⅡ突变型和野生型噬菌体共同侵染K菌株，两种噬菌体都可以正常生长并使得K菌株裂解。但是在rⅡ突变型之间进行的互补试验，结果有很大的差异。同一互补群的突变型不存在功能上的互补关系，只有分别属于两个互补群的突变型才能在功能上互补，而表现出野生型的特点。

 本兹尔把这种基因内部的功能互补群称为顺反子。实际上，本兹尔从遗传学的互补实验中，所得出的顺反子的概念已经深入到当时人们并不了解的基因转录水平上了。顺反子的概念与蛋白质的高级结构的研究结果是一致的，因为蛋白质往往是由两条或多条多肽链所构成，它们即为蛋白质的亚基。

本兹尔通过实验提出了1种新的基因概念：（1）作为突变单位，从分子水平上可以精确到单核苷酸或碱基水平，这就是突变子；（2）作为交换单位，也以单核苷酸或单个碱基为基本单位，这就是互换子；（3）作为功能单位，基因也是可分的，基因不是1个功能的基本单位，基因的功能常含有2个或多个顺反子的功能。

 现代遗传学的研究证明本兹尔提出的概念基本上是正确的。

五、结构基因与调控基因的划分

1961年，法国遗传学家雅各布和莫诺提出了大肠杆菌乳糖操纵子模型，又进一步丰富了基因概念，他们发现有些基因不编码蛋白质，只起调控其他基因表达活性的作用。至此，人们知道，基因是可分的，不仅体现在结构上，在功能上也可分为结构基因和调控基因。随着研究的深入，人们首先在原核生物中发现，不是所有的基因都能为蛋白质编码。于是，人们就把能为多肽链编码的基因称为结构基因。除结构基因以外，有些基因只能转录而不能进行翻译，如tRNA和rRNA基因。

 还有些基因本身并不进行转录，但是可以对其邻近的结构基因的表达起控制作用，如启动基因和操纵基因。从功能上讲，启动基因、操纵基因和编码阻遏蛋白、激活蛋白的调节基因都属于调控基因。操纵基因与其控制下的一系列结构基因组成1个功能单位，称做操纵子。对这些基因的研究，加深了人们对基因的功能及其调控关系的认识。

六、 断裂基因（外显子和内含子）

断裂基因首先由凯姆伯恩（Chambon）和博杰特（Berget）在本世纪70年代报道。在1977年美国冷泉港举行的定量生物学讨论会上，有些实验室报道了在猿猴病毒SV40和腺病毒Ad2上发现基因内部的间隔区，间隔区的DNA序列与该基因所决定的蛋白质没有关系。

用该基因所转录的mRNA与其DNA进行分子杂交，会出现一些不能与mRNA配对的DNA单链环。人们把基因内部的间隔序列称为内含子，而把出现在成熟RNA中的有效区段称为外显子。这种基因分割的现象后来在许多真核生物中都有发现，因此是一种普遍现象。

断裂基因的初级转录物称作前体RNA，把前体RNA中由内含子转录下来的序列去除，并把由外显子转录的RNA序列连接起来这一过程称作剪接。

 剪接过程涉及到许多问题，有些问题目前还没有彻底搞清。值得一提的是，1981年切赫（Cehe．T）首次报道了原生动物四膜虫前体rRNA的中间序列(IVS)具有催化功能，可以催化该前体rRNA进行自我剪接。

七、重叠基因

1977年维纳（Weiner）在研究Q0病毒的基因结构时，首先发现了基因的重叠现象。

 1978年费尔（Feir）和桑戈尔（Sanger）在研究分析X174噬菌体的核苷酸序列时，也发现在由5375个核苷酸组成的单链DNA所包含的10个基因中有几个基因具有不同程度的重叠，但是这些重叠的基因具有不同的阅读框架。以后在噬菌体G4、MS2和SV40中都发现了重叠基因。

 重叠基因的发现使人们冲破了关于基因在染色体上成非重叠的线性排列的传统概念。

八、跳跃基因

1950年麦克林托克（Mcclintock．B）在玉米染色体组中发现1个激体-解离系统，它们在染色体上的位置不固定，可以由1条染色体跳到另外1条染色体上。

这项研究在当时并未引起人们的关注，但是随着科学的发展，人们在果蝇、酵母、大肠杆菌中都发现了跳跃基因的存在，并对它们进行了广泛的研究。

由此可见，在历史发展的不同时期，人们对基因概念的理解有着不同的内涵。我们相信，在世界科学技术日新月异发展的今天，生物科学随着其相关科学技术的发展，将会有更多、更大的突破性进展。

 基因概念还将被赋予更新的内容。