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20世纪遗传学的发展轨迹及其启示
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发布时间：2007-03-02
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20世纪是遗传学诞生并飞速发展的世纪。在这100年里，遗传学所取得的每一巨大成就，如DNA双螺旋结构的发现、DNA重组技术的创立、人类基因组计划的实施以及动物克隆技术的应用等，对人类社会的发展都产生了深刻的影响。在当今的生命科学领域，遗传学占有举足轻重的地位，已成为影响整个自然科学乃至人类社会的带头学科。可以说，遗传学是自然科学所有门类中发展最快、影响最深、应用价值最大的学科之一。
众所周知，遗传学(genet5cs)是研究生物体遗传与变异规律及其物质基础的科学。经过百年的发展，现代遗传学的研究十分广泛，已成为一门包含有众多分支学科的综合科学。从其研究对象来看，涉及动物、植物、微生物和人类等所有生物类群，分别形成了动物遗传学、植物遗传学、微生物遗传学和人类遗传学以及与其密切相关的医学遗传学等分支学科；从研究内容上看，遗传学又可划分为细胞遗传学、分子遗传学、生化遗传学、群体遗传学、行为遗传学、发育遗传学、药物遗传学、毒理遗传学、肿瘤遗传学等多个领域。
在20世纪初遗传学领域最伟大的事件要数孟德尔(Mendet)遗传规律的重新发现。1900年，德国植物学家德佛里斯(de Vr5es)和科灵斯(Correns)以及奥地利植物学家丘歇马克(Tschermak)各自独立地发现和验证了孟镕尔在35年前的研究成果，并将其总结成了“性状分离定律”和“自由组合定律”这两个著名的遗传规律，至此，遗传学先驱孟德尔超时代的伟大发现在被埋没了整整35年之后终于得以重见天日。孟德尔定律的重新发现使得遗传学从此奠立在科学的基础上，成为一门自然科学，孟德尔也由此被誉为遗传学的创始人。另一件与遗传学诞生密切相关的事件便是1899年7月在英国伦敦召开的第一次国际遗传学大会(以植物杂交工作国际会议的名义召开)。
在20世纪的前10年里，遗传学家们除了对孟德尔遗传规律普通意义进行了大量验证之外，还确立了遗传学的一些重要理论和基本概念，例如萨顿(Sutton)和博沃瑞(BoverZ)注意到杂交实验中遗传因子的行为，与配子形成和受精过程中染色体的行为是完全平行的，即减数分裂过程中细胞染色体的行为与孟德尔遗传规律中遗传因子的分离和自由组合的行为是相符的。在此基础上，提出了遗传的染色体学说(chromosome theory ofinherstance)，指出控制性状的遗传因子位于细胞内的染色体上，这一学说促进了遗传学与细胞学这两门学科的结合，推动了遗传学的发展。
1902年9月和1906年7月分别在美国纽约和英国伦敦召开了第二和第三次国际遗传大会。虽然这两次大会仍分别以“植物杂交工作国际会议”和“杂交与植物育种国际会议”的名义召开，但在第三次大会上担任大会主席的英国剑桥大学教授贝特森(Bateson)正式提出了“遗传学(genetZcs)”这一名词。1909年，约翰逊(Johnnsen)将孟德尔所假定的“遗传因子”更名为“基因(gene)”，并提出了“基因型”和“表型”等经典遗传学中最重要的概念。同年，美国著名遗传学家，哥伦比亚大学教授摩尔根(Mo’gan)开始以果蝇为材料进行实验遗传学研究，发现了遗传学上的第三大基本规律——连锁与互换定律。另外，他还发现了伴性遗传规律井进一步证明基因在染色体上呈直线排列，从而发展了染色体遗传学说。
在20世纪的第2个10年里，由于第一次世界大战的爆发，遗传学的研究受到了很大的影响，没有产生什么划时代意义的成果。1911年9月，在法国巴黎召开了第4届国际遗传学大会，这也是在其后的16年中召开的唯一一次遗传学大会。这期间值得一提的成果是摩尔根学派的研究者以果蝇为材料绘出了表示基因在染色体上位置的染色体图(chromosome map)，第一次将1个特定基因与特定染色体上的特定位点联系了起来。
到了20世纪20年代，随着世界大战的结束，遗传学的研究又获得了长足发展，产生了一些大的成果。1926年，摩尔根提出了著名的“基因学说(genetheory)”。其论点是，基因作为连续的遗传物质，是染色体上的遗传单位，具有很高的稳定性，能自我复制，能发生变异；在发育过程中，一定的基因在一定条件下控制一定的代谢过程，从而体现在一定的遗传特性上；生物进化的材料主要是基因及其突变等。基因学说的创立极大地发展了孟德尔的遗传学说。这一时期的另一重大成就是1927年摩尔根的学生、美国遗传学家缪勒(M Mtter)发现基因和染色体的突变不仅在自然情况下产生，而且在x射线的作用下也会大量发生，他明确提出x射线是强有力的基因突变剂，可显著影响基因的突变率，从而创立了突变理论，使遗传学进人到一个新的发展阶段。1927年9月由于战事而耽搁的第5届国际遗传学大会终于在德国柏林召开。
20世纪30年代的遗传学也有几个载人史册的大事件。1933年摩尔根因发展了基因理论而获得了诺贝尔生理学和医学奖。在1932年8月和1939年8月分别在美国纽约和苏格兰的爱丁堡召开了第6和第7届国际遗传学大会。第6届大会的主席摩尔根在演讲中提出要注意寻找对遗传学发展更为有利的材料。这期间，除了豌豆、玉米和果蝇这些著名的材料外，一种崭新的材料——红色链抱霉正在被引入遗传学的研究中。然而，这一阶段由于缺乏新的研究方法和技术，遗传学的发展受到了一定的限制。
进入20世纪40年代，微生物遗传学和生化遗传学的研究广泛地开展了起来，遗传学家们以链抱霉等微生物作为研究对象，利用生化方法探索遗传物质的本质和功能，取得了一些成果。如1941年，比德尔(Beadle)在对红色链抱霉进行了较深入的生化遗传学研究后，提出了“1个基因1个酶”的著名学说。同年，卡斯帕森(Caspersson)利用定量细胞化学方法证明DNA存在于细胞核中。1944年，艾弗瑞(Avery)利用纯化因子对肺炎双球菌的转化实验，证明了遗传物质是DNA而不是蛋白质。这一时期由于第二次世界大战的影响，遗传学的研究也遭受了重创，特别是在英、法等国。如研究肺炎双球菌转化的先驱格里菲思(G小航h)和他的助手斯科特(Scott)在1941年被德军的炮弹炸死在实验室中。第8届国际遗传学大会也因战乱的影响与上届大会相隔9年之后才于1948年7月在瑞典斯德哥尔摩召开。我国遗传学家谈家帧教授出席了这次大会，这是第一次有中国学者参加的国际遗传学大会。
20世纪50年代是遗传学发展突飞猛进的时代，取得了辉煌的成就。1952年，美国籍华人遗传学家徐道觉首次利用低渗盐溶液处理人体细胞发现人的染色体数目是46，而不是人们所认为的48。1953年，美国科学家沃森(Watson)和英国学者克里克(Crick)共同发现了DNA分子的双螺旋结构，从此揭开了遗传学历史的新篇章，它标志着遗传学研究进入了分子遗传学时代。从那时起，DNA作为基因的载体逐渐被遗传学家所公认。同年8月，在意大利的贝勒格诺召开了第9届国际遗传学大会。而第10届国际遗传学大会则在1958年8月在加拿大的蒙特利尔召开。该次会议改变了往届大会由东道国遗传学会组织的传统，而由美国遗传学会和北美的11个生物学研究机构联合组织，这从一个侧面反映了50年代初开始的遗传革命引起了广泛重视。这期间，该学科的许多基本概念得到了不断的补充和更新，其速度之快为其他科学所罕见。1958年，克里克提出了生物体内遗传信息流向的中心法则(centNldogma)。1959年，勒琼(IJejeMne)首次发现一种较为常见的先天性痴呆症——唐氏综合征是由于患者细胞中多出了一条小染色体，是一种染色体畸变，这一成果拉开了细胞遗传学应用于人类遗传病研究的序幕，开创了医学细胞遗传学这一全新的研究领域，随后，多种染色体数目异常疾病被发现，染色体病(chromosome disease)的概念便由此诞生。1960年，诺埃尔(Nowell)发现，1种从四季豆里提取出的物质，植物血球凝集素(PHA)可以刺激人外周血中的被认为不再分裂的淋巴细胞，转变成淋巴母细胞进入分裂状态，从而为穆尔黑德(Moorhead)在同年建立人外周血淋巴细胞培养与染色体制备方法奠定了基础。这些成就极大地促进了人类及哺乳动物细胞遗传学的发展。
令人遗憾的是，与欧美国家的遗传学研究沿着正确轨道蓬勃开展相比，前苏联的遗传学研究在四五十年代却陷入了政治的泥潭，使本来在世界上处于领先地位的苏联遗传学受到毁灭性的打击，极大地影响了前苏联遗传学的发展。由于众所周知的原因，我国在50年代全面模仿前苏联的意识形态和科教政策，只许大学里讲授米丘林遗传学，限制摩尔根现代遗传学理论的传播，并将摩尔根遗传理论当成反动理论加以批判。这些错误的方针严重阻碍了遗传学在中国的发展，拉大了我国遗传学研究与国际水平的距离，造成了极恶劣的后果。
60年代遗传学研究也取得了一些骄人的成就。1961年，雅各布(Jacob)和莫诺德(Monad)提出了大肠杆菌DNA操纵子学说，阐明了微生物细胞中基因表达的调控问题，开创了基因调控研究的新领域，另外，他们还发现了mRNA。同年，克里克和他的同事们用实验验证了DNA分子或基因是以核昔酸三联体的方式决定其遗传密码。1962年，沃森(Watson)和克里克(Crzck)因发现DNA的双螺旋结构而获得诺贝尔生理学和医学奖。1963年，莫诺提出了DNA复制的复制子模型。到1969年，尼伦伯格(N5renber8)等人破译了DNA分子上存在的全部64种密码子。遗传密码及其破译解决了遗传信息本身的物质基础及含义的问题。另外，信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)及核糖体的功能等也在60年代里得到了初步阐明，在此基础上搞活了蛋白质生物合成的基本过程。1963年9月，第11届国际遗传学大会在荷兰海牙召开，会议论文集第一次由出版社以《今日遗传学》为书名出版发行，而往届的论文集都是以有关杂志增刊的形式出版的，这种变化说明遗传学逐步为人们所重视，其研究队伍日益壮大。1965年，雅各布和莫诺因研究酶的遗传学控制(操纵子说)推动了微生物遗传学的发展而获得诺贝尔奖金。1966年，美国霍普金斯大学的遗传学家麦库西克(McKMsick)发表了《人类的孟德尔遗传》一书，收录了大约1500种人类遗传性疾病的研究资料，推动了医学遗传学的发展。1968年8月，在日本东京召开了第12届国际遗传学大会，这次会议全面检阅了分子遗传学所取得了成就。同年，霍利(H011ey)、柯拉纳(KhoNna)和尼伦伯格(Nirenber8)因解释了遗传密码及其在蛋白质合成中的作用而获得诺贝尔生理及医学将。1969年赫由伯勒(HMebner)和托达罗(Todaro)提出了癌基因学说，使肿瘤遗传学的研究进入到分子水平。同年，达尔布鲁克等人因对病毒遗传学的贡献而获得诺贝尔奖。1970年，瑞典学者卡斯帕森(Caspersson)将荧光染料喳叮因应用于人类染色体研究，发现了人的染色体的荧光带谱。同年，巴尔的摩(Baltimorc)和持明(Temin)发现依赖RNA的DNA聚合酶—一逆转录酶。 20世纪70年代后，分子遗传学的研究更加深入。1973年，科恩(Cohen)等人限制性内切酶以及人工分离基因的方法成功地实现了DNA分子的体外重组，从而使人类进入了能技需要设计和改造生物物种的新时代一一遗传工程时代。以DNA重组技术为核心的遗传工程的兴起不仅极大地推动了遗传学乃至整个生命科学的研究，而且成为改变工农业和医药学面貌的巨大力量。同年，在美国召开了首次国际人类基因定位专题讨论会，以交流成果并统一有关的概念、标准和命名法。1973年8月，在美国伯克莱召开了第13届国际遗传学大会。1975年，巴尔帝莫(BhltZmore)、持明(TemZn)和达尔贝科(Dalbecco)因发现逆转录酶和肿瘤病毒与细胞遗传物质的相互作用而获得诺贝尔生理学和医学奖。1977年11月，博耶(Boyer)与板仓等人利用重组DNA技术合成出了生长抑制激素，这是利用遗传工程方法获得的第一个基因产物。1978年，阿尔伯(Arber)等人因发现限制性内切酶并将其应用于分子遗传学研究而获得诺贝尔生理学及医学奖。同年8月，在前苏联莫斯科召开第14届国际遗传学大会。从此，基因工程(遗传工程)方面的研究蓬勃开展起来，到1980年利用该技术已获得了9个基因的产物。遗传学从此进入了一个新的历史时期。1980年，伯格(Ber8)、吉尔伯持(G1bcrt)和桑格(Sanger)因建立重组DNA技术和DNA碱基顺序测定技术而获得诺贝尔化学奖。 进入20世纪80年代后，遗传学与分子生物学和发育生物学的结合更加深入，它的许多分支学科特别是分子遗传学和发育遗传学的发展更为迅速，日益显现出在生命科学中带头学科的地位。以基因工程为龙头的遗传工程技术的应用，以及数理化方面的理论、技术和方法的引入，为遗传学在研究技术和方法上带来了革命性的突破。1982年，利用重组DNA技术首次生产的抗糖尿病药物—一人胰岛素(商品名为HMmMlin)上市。1983年，麦克林托克(Mcclintock)因发现可移动的遗传物质而获得诺贝尔生理学与医学奖。同年，第15届遗传学大会在印度新德里召开。中国派出了由30余人组成的代表团出席会议，这是中国在中断35年之后第一次出席国际遗传学大会。从此恢复了中国遗传学工作者与国际同行的全面接触。1984年，穆里斯(M M11k)等人建立多聚酶链反应(PCR)技术。这种在小试管中进行的基因或DNA片段的体外扩增技术是遗传学领域所取得的一项重大成果。自PCR技术创立以来在遗传学的诸多研究领域乃至整个生命科学获得广泛应用．极大地促进了分子遗传学的发展，获得了1989年的诺贝尔化学奖。1987年，赫勒(Heler)等人测定了分布在人类46条染色体上的400多个遗传标记间的相对位置．绘制出了第一张人基因组的连续图谱，使人类遗传学研究进入到一个新阶段。同年，美国麻省理工学院的日本分子遗传学家利根川进由于解释了抗体多样性的遗传基础，即为什么机体内少量的抗体基因能产生种类繁多抗体而获该年度诺贝尔奖。1988年，在加拿大的多伦多召开了第16届国际遗传学大会，全面地交流了遗传学各领域在5年里所取得的成就。1986年，美国率先提出了一个前所未有的庞大研究计划一一人类基因组计划(HMman GenemeProject)。其基本目标是，投入30亿美元在15年左右的时间内搞清人类基因组中全部30亿碱基对长度的DNA分子中所包含基因的数量、碱基排列顺序并绘制出详细的基因图谱。 进入20世纪90年代，遗传学发展的最显著变化是基因组研究全面兴起，以基因组为对象来研究遗传问题有利于克服以往研究模式所带来的片面性或局限性，因为在机体的基因组中各类基因的作用并非是独立的，而是分工协作、密切相关的统一体。该领域的一个标志性研究项目便是1990年正式启动的人类基因组计划．该项目决定用15年的时间(1900一2005年)揭示人类基因组的全部奥秘。其任务分2大阶段：1)绘制基因组结构图谱；从2)测定出基因组DNA的碱基顺序。我国也于1993年正式加入该研究，完成其1％的工作量。为了协调这项由众多科学家参与的超级研究课题，还专门成立了国际性学术组织——人类基因组组织(HMman(；onome()r8nniZation，HUG())。HGP自实施以来，不仅进展顺利，而且还带动了其他生物体基因组研究的开展．随着这方面资料的积累，使得遗传学领域产生了一个崭新的分支学科——基因组学(genomics)。另一方面，以重组DNA技术为基础的基因治疗开始从实验室走向临床。1990年9月，美国的一名思腺昔酸脱氢酶缺乏症的女孩接受了人类历史上的首次基因治疗，并获得了显著疗效。1993年8月，在英国的伯明翰召开了17届国际遗传学大会，以谈家帧为首的30余位中国学者出席了这次会议并经过激烈的竞争获得了5年后的第18届遗传学大会举办权，这对于中国遗传学界来说是一个了不起的成绩，因为国际遗传学大会是国际遗传学领域规模最大、影响最广的世界性学术活动。它不仅反映该领域科研和应用的最新成就，而且对这门学科今后的发展方向有巨大的影响。到1996年底，有百多种基因治疗方案获NIH的批准，显示了遗传学这一成果的巨大应用价值。1998年8月，第18届国际遗传学大会如期在中国北京隆重举行，这次大会由国际遗传学联合会、中国遗传学会和中国科学院共同举办，来自54个国家和地区的2000多名遗传学工作者出席了为期6d的盛会，本届大会主席、中国科学院院士、复旦大学遗传所教授谈家帧为大会作了“遗传学造福全人类”的报告，举办了48场专题讨论会和两场研讨会。大会推举中国遗传学会秘书长、复旦大学遗传学研究所所长赵寿元教授为新一届国际遗传联合会主席。毫无疑问，这次大会将作为20世纪中国遗传学界最重大的事件而载入史册。 到2000年6月，经过美、英、德、法、日、中等6国科学家的努力，人类基因组工作框架固绘制完成，经过半年多的分析后发现，人类基因组构有32亿个碱基对，包含3万一4万个蛋白编码基因。其研究成果以这题为“人类基因组的初步测定和分析”、长达60多页的论文发表在权威学术刊物《自然》上。至此，遗传学从无到有、从小到大走过了辉煌的一百年。
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